Что такое рекуперативное торможение и почему мы его не используем?

tl;dr: Да. Это просто дорого.

Одно из различий между электрическими и химическими двигателями заключается в том, что электрические системы значительно упрощают захват и сохранение энергии (например, батарея). Все, что вам нужно сделать, это использовать индукцию для создания электрического тока прямо на колесе во время торможения. Направьте этот ток на эту батарею, и вы сохраните энергию, которая в противном случае была бы потрачена впустую.

С химическим энергетическим двигателем намного сложнее хранить избыточную энергию. Например, мы не можем использовать тормоза для получения большего количества бензина. Однако в чем-то вроде KERS можно сохранить кинетическую энергию . Это будет использовать энергию торможения, чтобы раскрутить маховик. Затем этот маховик можно использовать для дополнительной движущей силы, когда это необходимо.

К сожалению, блоки KERS дороги и требуют дополнительных инженерных разработок (как именно вы собираетесь заставить этот вращающийся маховик толкать машину вперед?). Они также не распространены, поэтому они не выигрывают от эффекта масштаба.

Что ни говори, а работают. Формула-1 использовала их с большим успехом в качестве попутной системы наддува. Я бы не стал использовать такие возможности в дороге, но я был бы счастлив поэкспериментировать с чем-нибудь, что поможет мне получить больше энергии от галлона бензина.

На вопрос «Что такое рекуперативное торможение и почему мы его не используем?» отвечаем. При нормальном торможении передний импульс автомобиля гасится тормозами, превращая их в тепло в тормозном диске, которое впоследствии рассеивается и теряется. При рекуперативном торможении движение автомобиля не теряется в атмосфере в виде тепла, а преобразуется в электрическую энергию и хранится в аккумуляторе автомобиля.

Автомобили Volkswagen Bluemotion (и я уверен, что другие производители делают то же самое, но я уверен, что и Volkswagen) имеют очень сложный генератор переменного тока. Когда автомобиль обнаруживает, что он замедляется из-за давления на тормоза, а автомобиль все еще находится на передаче и сцепление включено, генератор переходит в режим, в котором он потребляет значительно больше энергии от привода. Этот привод обычно исходит от двигателя, но в ситуации торможения он обеспечивается исключительно через трансмиссию и эффективно работает против трансмиссии.

Эта система устанавливается как на бензиновые, так и на дизельные автомобили Volkswagen, оснащенные Bluemotion. Более подробная информация доступна здесь и здесь

Я понимаю, что это не совсем в том же масштабе, что и автомобили F1, но это форма рекуперативного торможения, и она используется сегодня на дорогах общего пользования.

Регенеративное торможение — это система, которая накапливает энергию, которая вместо этого теряется на тепло в тормозах. Хотя эти системы звучат великолепно, у них есть целый ряд собственных проблем.

1. Еще до того, как мы приступим к хранению и генерации энергии, фактические рабочие тормоза становятся очень сложными. Чтобы рекуперативное торможение работало должным образом, тормоза не могут включаться, пока рекуперативные тормоза делают свое дело. Дальнейшие рекуперативные тормоза работают только на высокой скорости и теряют свою эффективность при замедлении. Это требует перехода, когда на высокой скорости рекуперативные тормоза замедляют вас, а обычные тормоза нет, и по мере замедления рекуперативные тормоза делают все меньше и меньше, и обычные тормоза, наконец, остановят вас. Система, которая заставляет педаль тормоза чувствовать себя нормально, в то время как обычные тормоза ничего не делают, а затем плавно переводит вас в обычное торможение, когда вы замечаете, что произошло переключение, очень сложна, и ее очень трудно довести до совершенства.
2. Накопление энергии — огромная проблема. В гибридах все звучит великолепно, просто заряжайте аккумуляторы, тогда как на самом деле количество энергии, которое автомобиль вырабатывает во время остановки, намного больше, чем аккумуляторы могут на самом деле поглотить. Если остановка быстрая, то проблема еще больше усугубляется. Система, о которой упоминал @BobCross, — это KERS. При объединении двигателя/генератора с маховиком дополнительная рекуперативная энергия, которая не может быть направлена ​​непосредственно в батареи, используется для раскручивания маховика. Затем со временем энергия затем преобразуется в электричество для зарядки аккумуляторов. Эти системы очень тяжелые и дорогие. В других системах используются суперконденсаторы. Дополнительная энергия сбрасывается в суперкап. Проблема в том, что когда энергия хранится в конденсаторах, она не очень полезна без кондиционирования. Напряжение на конденсаторах падает очень быстро. При хранении высокого напряжения необходима система для понижения напряжения до чего-то полезного. Если хранить не больше напряжения, чем батарея, то необходима система для повышения напряжения до чего-то полезного. Суперконденсаторы также довольно дороги.

Гибриды и электромобили имеют встроенные электрические системы, позволяющие использовать преимущества рекуперативного торможения. Все эти проблемы еще больше усугубляются бензиновыми двигателями. Необходимо установить новую систему, она не может использовать что-то существующее, чтобы обеспечить рекуперативное торможение, увеличивающее расходы. Становится трудно продать кому-то систему, которая добавляет 5 тысяч долларов к цене автомобиля, который лучше экономит топливо в городе, но страдает на трассе.

Ford разрабатывает систему, в которой поршневой насос заряжает гидроаккумулятор, когда вы останавливаетесь. При повторном взлете давление жидкости направляется в обратном направлении через насос, чтобы превратить его в двигатель, помогающий трогаться с места. Система предназначена для больших грузовиков, где размер системы не является слишком большим бременем. Также система громкая и склонна к утечкам.

Дизель-электрические железнодорожные локомотивы используют рекуперативное торможение, но называют его «динамическим торможением». Кроме того, они не накапливают энергию, а выбрасывают ее через резисторные сетки и вентиляторы на уровне крыши.

Полные электровозы и некоторые трамваи обычно могут возвращать рекуперированную энергию обратно в провод или третий рельс; это намного проще в системах постоянного тока.

Но тяговые двигатели (обычно по одному на ось) приводятся в движение импульсом поезда и поэтому работают как генераторы.

Регенеративное торможение действительно полезно только для электрических или гибридных автомобилей по той простой причине, что они могут использовать накопленную энергию. Кроме того, когда у вас есть электродвигатель как часть трансмиссии, рекуперативное торможение в значительной степени встроено (по крайней мере, с точки зрения оборудования), поскольку вы просто используете существующий двигатель (двигатели) в качестве генератора и отводите мощность, вырабатываемую аккумулятором, на потом. использовать.

По сути, нет смысла использовать рекуперативное торможение в чем-либо, кроме гибридного автомобиля, действительно, наличие рекуперативного торможения является хорошим определением гибридного автомобиля.

Хотя нет никаких причин, по которым вы не могли бы оснастить обычный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания системой рекуперативного торможения, если вы не собираетесь использовать эту мощность для управления автомобилем, вы на самом деле не достигли многого, поскольку добавляете много дополнительных вес и сложность для хранения электроэнергии, которую вы не можете использовать.

Существует также проблема, заключающаяся в том, что при длительных поездках по шоссе/автостраде вы можете недостаточно тормозить, чтобы удовлетворить даже небольшие потребности вспомогательных электрических систем (фары, зажигание, радио, зарядка аккумулятора для запуска и т. д.), поэтому вы можете даже не получить Преимущество в том, что не нужен генератор.

Мы можем сделать следующую лучшую вещь.

Проехав 1/2 мили (800 м) впереди, я вижу, что свет становится желтым; при 60 милях в час (100 км/ч) это 30 секунд. И я знаю, что у света есть примерно 35-секундный цикл плюс 10 секунд, чтобы стопка остановившихся машин начала движение.

Я применяю непрерывную мощность, чтобы поддерживать скорость. Я буду продолжать делать это еще 25 секунд, затем 5 секунд резкого торможения и остановки. 15 секунд играю с телефоном, потом я в пути.

Или... Я немедленно перехожу на холостой ход. Моя машина катится. Когда двигатель все еще включен, мой импульс толкает (вращает) двигатель для мягкого тормозного эффекта, поэтому топливные форсунки полностью отключаются. Моя скорость постепенно снижается... 55... 50... 45... Чуть-чуть мощности... 40 (65 км/ч)... переворачиваю , индикатор становится зеленым, пока я еще на 1/8 мили (200 м) назад. Остановившиеся машины распаковываются, и я точно определяю, когда включить питание. И я никогда не тормозил.

В первом случае происходит два обмена энергией. Сначала топливо подали на эти 3/8 мили (600 м), чтобы оставаться в крейсерском режиме. Во-вторых, энергия торможения теряется на последних 1/8 мили. Они не только почти равны, у них одинаковая энергия . Если бы мы выполняли правильную регенерацию, мы могли бы считать их с амперметра и получить фактические джоули на входе и выходе.

Во втором случае их нет. Топливо не расходуется и тормозная энергия не теряется. Эффект рекуперативного торможения достигается, но без потерь на преобразование.

Конечно, это образовательный подход, а не технологический, но он работает. Даже на электромобиле, способном к рекуперации, он по-прежнему работает лучше , чем регенерация — на самом деле он будет работать даже лучше на электромобиле, потому что вы лучше «движетесь по инерции» — не нужно использовать сопротивление, чтобы раскрутить двигатель, просто чтобы обеспечить помощь в торможении и рулевом управлении. .