Cum funcționează frânarea regenerativă la vehiculele electrice

Frânarea este unul dintre aspectele importante ale unui vehicul. Sistemul de frânare mecanic pe care îl folosim în vehiculele noastre are un mare dezavantaj de a irosi energia cinetică a vehiculului ca căldură. Acest lucru reduce eficiența generală a vehiculului prin afectarea economiei de combustibil. În ciclul de conducere urbană, avem tendința de a porni și opri vehiculul mai des în comparație cu ciclul de conducere pe autostradă. Pe măsură ce acționăm frâna de multe ori într-un ciclu de acționare urban, pierderea de energie este mai mare. Inginerii au venit cu sistemul de frânare regenerativăpentru a recupera energia cinetică disipată ca căldură în timpul frânării în metoda tradițională de frânare. Urmând legile fizicii, nu putem recupera toată energia cinetică care se pierde, dar totuși o cantitate semnificativă de energie cinetică poate fi convertită și stocată în baterie sau supercondensator. Energia recuperată ajută la îmbunătățirea economiei de combustibil la vehiculele convenționale și la extinderea gamei de vehicule electrice. Trebuie remarcat faptul că procesul de frânare regenerativă are pierderi în timp ce recuperează energia cinetică. Înainte de a merge mai departe, puteți verifica și alte articole interesante despre vehicule electrice:

• Introducerea unui inginer la vehiculele electrice (EV)
• Tipuri de motoare utilizate în vehiculele electrice

Conceptul de frânare regenerativă poate fi implementată în vehiculele convenționale, folosind roți Fly. Volantele sunt discuri cu inerție mare care se rotesc cu o viteză foarte mare. Acestea acționează ca un dispozitiv mecanic de stocare a energiei prin preluarea (stocarea) energiei cinetice a vehiculului în timpul frânării. Energia recuperată în timpul procesului de frânare poate fi utilizată pentru a ajuta vehiculul în timpul deplasării sau în mișcare în sus.

În vehiculele electrice, putem încorpora frânarea regenerativă într-un mod mult mai eficient electronic. Acest lucru va reduce nevoia de volante grele, care adaugă greutate suplimentară la greutatea totală a vehiculului. Vehiculele electrice au o problemă inerentă de anxietate la distanță în rândul utilizatorilor. Deși viteza medie a vehiculului în ciclul de acționare urban este de aproximativ 25-40 km / h, accelerarea frecventă și frânarea consumă curând bateria. Știm că motoarele pot acționa ca un generator în anumite condiții. Folosind această caracteristică, se poate preveni pierderea energiei cinetice a vehiculului. Când acționăm frâna în vehiculele electrice, controlerul motorului (pe baza ieșirii senzorului pedalei de frână) reduce performanța sau oprește motorul. În timpul acestei operații, controlerul motorului este proiectat sărecuperați energia cinetică și păstrați-o în baterie sau în bateriile de condensatoare. Frânarea regenerativă ajută la extinderea autonomiei vehiculului electric cu 8-25%. În afară de economisirea energiei și creșterea autonomiei, aceasta ajută și la controlul eficient al operației de frânare.

În sistemul de frânare mecanică, un cuplu invers se exercită pe roată atunci când apăsăm pedala de frână. În mod similar, în modul de frânare regenerativă, viteza vehiculului este redusă prin inițierea unui cuplu negativ (opus mișcării) în motor cu ajutorul controlerului motorului. Uneori oamenii se confundă atunci când vizualizează conceptul că motorul acționează ca un generator atunci când acesta se rotește în sens invers în modul de frânare regenerativă. În acest articol, se poate înțelege cum se recuperează energia cinetică prin metoda de frânare regenerativă la vehiculele electrice.

Cum acționează un motor ca generator

În primul rând, ne vom concentra pe înțelegerea modului în care un motor poate acționa ca generator. Cu toții am folosit motorul cu magnet permanent DC în aplicații de robotică, cum ar fi următorul de linie. Când roata robotului conectat la motor este rotită liber (extern cu mâna), uneori IC-ul motorului se deteriorează. Acest lucru se întâmplă deoarece motorul acționează ca un generator, iar EMF din spate generat (tensiune inversă de magnitudine mai mare) este aplicat pe IC-ul driverului, ceea ce îl deteriorează. Când rotim armătura în aceste motoare, aceasta taie fluxul de la magneții permanenți. Ca urmare, EMF este indus să se opună schimbării fluxului. Prin urmare, putem măsura o tensiune la bornele motorului. Acest lucru se datorează faptului că EMF din spate este o funcție a vitezei rotorului (rpm). Când rpm-ul este mai mare și dacă emf-ul generat din spate este mai mare decât tensiunea de alimentare, atunci motorul acționează ca un generator. Să vedem acumcum funcționează acest principiu în vehiculele electrice pentru a evita pierderile de energie datorate frânării.

Când motorul accelerează vehiculul, energia cinetică asociată cu acesta crește ca un pătrat al vitezei. În timpul mersului pe jos, vehiculul se oprește atunci când energia cinetică devine zero. Când acționăm frânele într-un vehicul electric, regulatorul motorului funcționează în așa fel încât să aducă motorul în repaus sau să-i reducă viteza. Aceasta implică inversarea direcției cuplului motorului la cea a direcției de rotație. În timpul acestui proces, rotorul motorului conectat la axa de acționare generează un CEM în motor (analog cu un motor principal / turbină care acționează rotorul generatorului). Când EMF generat este mai mult decât tensiunea băncii de condensatori, puterea curge de la motor la bancă. Astfel, energia recuperată este stocată în baterie sau în banca de condensatori.

Cum funcționează frânarea regenerativă la vehiculul electric

Să considerăm că o mașină are un motor trifazat cu inducție alternativă ca motor pentru propulsia sa. Din caracteristicile motorului, știm că atunci când un motor cu inducție trifazat rulează peste viteza sa sincronă, alunecarea devine negativă și motorul acționează ca un generator (alternator). În circumstanțe practice, viteza unui motor cu inducție este întotdeauna mai mică decât viteza sincronă. Viteza sincronăeste viteza câmpului magnetic rotativ al statorului produsă datorită interacțiunii alimentării trifazate. La momentul pornirii motorului, EMF indus în rotor este maxim. Pe măsură ce motorul începe să se rotească, EMF-ul scade în funcție de alunecare. Când viteza rotorului atinge viteza sincronă, EMF indusă este zero. În acest moment, dacă încercăm să rotim rotorul peste această viteză, EMF va fi indusă. În acest caz, motorul furnizează energie activă înapoi la rețea sau la sursa de alimentare. Acționăm frâne pentru a reduce viteza vehiculului. În acest caz, nu ne putem aștepta ca viteza rotorului să depășească viteza sincronă. Aici apare rolul controlerului motorului. În scopul înțelegerii, putem vizualiza ca exemplul dat mai jos.

Să presupunem că motorul se rotește la 5900 rpm și frecvența de alimentare este de 200 Hz atunci când acționăm frâna, trebuie să reducem rpm sau să-l coborâm la zero. Controlerul acționează în funcție de intrarea de la senzorul pedalei de frână și efectuează acea operație. În timpul acestui proces, controlerul va seta frecvența de alimentare mai mică decât 200 Hz, cum ar fi 80 Hz. Prin urmare, viteza sincronă a motorului devine 2400 rpm. Din perspectiva controlerului motorului, viteza motorului este mai mare decât viteza sa sincronă. Deoarece reducem viteza în timpul operației de frânare, motorul acționează acum ca un generator până când rpm scade la 2400. În această perioadă, putem extrage puterea din motor și o putem stoca în bateria sau în bateria condensatorului.Trebuie remarcat faptul că bateria continuă să furnizeze energie motoarelor cu inducție trifazate în timpul procesului de frânare regenerativă. Acest lucru se datorează faptului că motoarele cu inducție nu au o sursă de flux magnetic atunci când alimentarea este oprită. Prin urmare, atunci când acționează ca un generator, motorul extrage puterea reactivă din sursa de alimentare pentru a stabili legătura de flux și îi furnizează puterea activă. Pentru diferite motoare, principiul recuperării energiei cinetice în timpul frânării regenerative este diferit. Motoarele cu magnet permanent pot acționa ca un generator fără nici o sursă de alimentare, deoarece au magneți în rotor pentru a produce flux magnetic. În mod similar, puține motoare au magnetism rezidual, care elimină excitația externă necesară pentru a crea flux magnetic.Acest lucru se datorează faptului că motoarele cu inducție nu au o sursă de flux magnetic atunci când alimentarea este oprită. Prin urmare, atunci când acționează ca un generator, motorul extrage puterea reactivă din sursa de alimentare pentru a stabili legătura de flux și îi furnizează puterea activă. Pentru diferite motoare, principiul recuperării energiei cinetice în timpul frânării regenerative este diferit. Motoarele cu magnet permanent pot acționa ca un generator fără nici o sursă de alimentare, deoarece au magneți în rotor pentru a produce flux magnetic. În mod similar, puține motoare au magnetism rezidual, care elimină excitația externă necesară pentru a crea flux magnetic.Acest lucru se datorează faptului că motoarele cu inducție nu au o sursă de flux magnetic atunci când alimentarea este oprită. Prin urmare, atunci când acționează ca un generator, motorul extrage puterea reactivă din sursa de alimentare pentru a stabili legătura de flux și îi furnizează puterea activă. Pentru diferite motoare, principiul recuperării energiei cinetice în timpul frânării regenerative este diferit. Motoarele cu magnet permanent pot acționa ca un generator fără nici o sursă de alimentare, deoarece au magneți în rotor pentru a produce flux magnetic. În mod similar, puține motoare au magnetism rezidual, care elimină excitația externă necesară pentru a crea flux magnetic.principiul recuperării energiei cinetice în timpul frânării regenerative este diferit. Motoarele cu magnet permanent pot acționa ca un generator fără nici o sursă de alimentare, deoarece au magneți în rotor pentru a produce flux magnetic. În mod similar, puține motoare au magnetism rezidual, care elimină excitația externă necesară pentru a crea flux magnetic.principiul recuperării energiei cinetice în timpul frânării regenerative este diferit. Motoarele cu magnet permanent pot acționa ca un generator fără nici o sursă de alimentare, deoarece au magneți în rotor pentru a produce flux magnetic. În mod similar, puține motoare au magnetism rezidual, care elimină excitația externă necesară pentru a crea flux magnetic.

În majoritatea vehiculelor electrice, motorul electric este conectat doar la o singură axă motrice (în principal la axa cu tracțiune spate). În acest caz, trebuie să folosim un sistem mecanic de frânare (frânare hidraulică) pentru roțile din față. Aceasta înseamnă că regulatorul trebuie să mențină coordonarea atât între sistemul de frânare mecanic, cât și cel electronic, în timp ce acționează frânele.

Merită să fie implementată frânarea regenerativă în toate vehiculele electrice?

Nu există nicio îndoială în potențialul de recapturare a energiei în conceptul metodei de frânare regenerativă, dar are și unele limitări. După cum sa menționat anterior, rata la care bateriile se pot încărca este lentă în comparație cu viteza la care se pot descărca. Aceasta limitează cantitatea de energie recuperată pe care bateriile o pot stoca în timpul frânării bruște (decelerare rapidă). Nu se recomandă utilizarea frânării regenerative în condiții de încărcare completă. Acest lucru se datorează faptului că supraîncărcarea poate deteriora bateriile, însă circuitul electronic împiedică supraîncărcarea acestuia. În acest caz, banca de condensatori poate stoca energia și poate ajuta la extinderea gamei. Dacă nu este acolo, frânele mecanice sunt acționate pentru a opri vehiculul.

Știm că energia cinetică este dată de 0,5 * m * v ². Cantitatea de energie pe care o putem prelua depinde de masa vehiculului și, de asemenea, de viteza cu care circulă. Masa totală este mai mare în vehiculele grele, cum ar fi mașinile electrice, autobuzele electrice și camioanele. În ciclul de conducere urbană, aceste vehicule grele ar câștiga un impuls mare după accelerație, în ciuda croazierei cu viteză mică. Deci, în timpul frânării, energia cinetică disponibilă este mai mare în comparație cu un scuter electric care circulă cu aceeași viteză. Prin urmare, eficiența frânării regenerative este mai mare la mașinile electrice, autobuze și alte vehicule grele. Deși puține scutere electrice au caracteristica frânării regenerative, impactul acestuia asupra sistemului (cantitatea de energie recuperată sau autonomia extinsă) nu este la fel de eficientă ca la mașinile electrice.

Nevoia de bănci de condensatoare sau condensatoare ultra

În timpul frânării, trebuie să oprim sau să reducem instantaneu viteza vehiculului. Prin urmare, operația de frânare în acel moment este acolo pentru o perioadă scurtă de timp. Bateriile au o limită a timpului de încărcare, nu putem descărca mai multă energie la un moment dat, deoarece va degrada bateriile. În afară de aceasta, încărcarea și descărcarea frecventă a bateriei reduce și durata de viață a bateriei. Pentru a le evita, adăugăm la sistem o baterie de condensatori sau ultra-condensatori. Ultra condensatoarele sau Super condensatoarele se pot descărca și încărca pentru mai multe cicluri fără nici o degradare a performanței, ceea ce ajută la creșterea duratei de viață a bateriei. Ultra condensatorul are un răspuns rapid, care ajută la captarea efectivă a vârfurilor de energie / supratensiune în timpul operației de frânare regenerativă.Motivul pentru alegerea unui condensator ultra este că poate stoca de 20 de ori mai multă energie decât condensatoarele electrolitice. Acest sistem găzduiește un convertor DC-DC. În timpul accelerației, operația de impuls permite condensatorului să se descarce până la o valoare prag. În timpul decelerării (adică frânării), funcționarea buck permite încărcarea condensatorului. Ultra condensatoarele au un răspuns tranzitoriu bun, care este util la pornirea vehiculului. Prin stocarea energiei recuperate în afară de baterie, aceasta poate ajuta la extinderea autonomiei vehiculului și, de asemenea, poate sprijini accelerarea bruscă cu ajutorul circuitului de impuls.frânare) operațiunea buck permite încărcarea condensatorului. Ultra condensatoarele au un răspuns tranzitoriu bun, care este util la pornirea vehiculului. Prin stocarea energiei recuperate în afară de baterie, aceasta poate ajuta la extinderea autonomiei vehiculului și, de asemenea, poate sprijini accelerarea bruscă cu ajutorul circuitului de impuls.frânare) operațiunea buck permite încărcarea condensatorului. Ultra condensatoarele au un răspuns tranzitoriu bun, care este util la pornirea vehiculului. Prin stocarea energiei recuperate în afară de baterie, poate ajuta la extinderea autonomiei vehiculului și poate susține, de asemenea, accelerarea bruscă cu ajutorul circuitului de impuls.