В легковом автомобиле с ДВС используется гидравлическое давление для того, чтобы создать силу трения в барабанном или дисковом тормозе и превратить энергию кинетическую в энергию тепловую. Это давление создается водителем в момент нажатия педали тормоза, которое обычно усиливается вспомогательной системой для уменьшения прилагаемого усилия. Таким образом, ускорение замедления автомобиля пропорционально усилию давления ноги на педаль тормоза.
В электро- или гибридном автомобилей в процессе торможения работает 2 системы. Первой вступает в действие рекуперативная система, то есть вместо классического тормозного механизма в виде диска или барабана выступает электрогенератор, который на первом этапе торможения, когда скорость вращения колес ещё достаточно высока, преобразует энергию вращения колеса в электроэнергию и тем самым создает тормозное усилие на колесе (рис. 8.8). После этого в работу вступает вторая более эффективная гидравлическая система, с точки зрения замедления автомобиля до нулевой скорости, торможение с использованием трения.
Согласованием действий двух тормозных подсистем гидравлической и электрической занимается специальный электронный блок, который выступает посредником между водителем, давящим на педаль тормоза, и электрогидравлической системой торможения. Таким образом, теряется прямая связь водителя с тормозами, и задача этой электронной системы сделать так чтобы водитель этого не заметил. Системе управления тормозами приходится постоянно определять, каково должно быть ускорение замедления в ответ на нажатие педали пользователем, и какую систему в какой пропорции задействовать, чтобы и энергию максимально сберечь и сделать замедление пропорциональным усилию, прилагаемому к педали тормоза. Например, водитель нажимает на педаль тормоза на половину, у системы есть выбор: приложить тормозное усилие к тормозным дисками или создать тормозящий момент в генераторе и получить электроэнергию для подзарядки аккумуляторов. Использование системы управления тормозами позволяет применять трехступенчатый процесс торможения. Это означает, что сначала за счет тормозного действия электродвигателя работающего в режиме генератора тормозятся колеса только одной оси, а колеса другой оси дополнительно тормозятся дисковыми тормозами. Наконец, колеса обеих осей тормозятся дисковыми тормозами, а дополнительно колеса одной оси — тормозным действием электродвигателя.
Для работы системы управления тормозами используется целый ряд датчиков, информация от которых поступает в ЭБУ системы.
Рекуперация. Своё название система получила от термина recuperatio (лат. «возвращение» или «компенсация»). Термин рекуперация в технике означает способ возврата энергии. При рекуперации имеющаяся энергия одного вида преобразуется в другой, используемый в последующем вид энергии. Потенциальная химическая энергия топлива преобразуется в трансмиссии в кинетическую энергию. Если автомобиль затормаживается обычным тормозом, то избыточная кинетическая энергия посредством трения тормозов превращается в тепловую энергию. Возникающее тепло рассеивается в окружающем пространстве, и поэтому использовать его в дальнейшем невозможно.
Электро- и гибридные автомобили оборудуются рекуперативной тормозной системой (RBS), предназначенной для преобразования части кинетической энергии автомобиля в другие формы энергии и ее хранения. Функция рекуперации энергии торможения может достигаться при замедлении и торможении автомобиля, что позволяет увеличить запас хода и уменьшить трение при торможении, а также снизить износ компонентов.
Тормозная система рекуперации делится на систему рекуперации энергии торможения при движении накатом и систему рекуперации энергии торможения
Когда водитель тормозит электро- или гибридный автомобиль, инвертор прекращает подачу тока, подаваемого на электродвигатель. Электродвигатель становится источником переменного тока. Инвертор преобразует его в постоянный ток, который заряжает батареи. Когда происходит торможение электромобиля, энергия торможения возвращается в аккумуляторы. Этот процесс называется рекуперативным торможением (рис. 8.9).
а – автомобиль в движении без замедления, электропотребители питаются от АКБ; б – автомобиль замедляется, электродвигатель работает в режиме генератора, заряжая АКБ
Возвращая часть затраченной на торможение энергии, она расходует полученное электричество на разгон транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания в гибридных автомобилях. Рекуперация на электромобиле имеет одно серьёзное отличие – выработанная электроэнергия не тратится сразу, а аккумулируется.
Это позволяет подзаряжать аккумулятор, а запас хода увеличивается, хотя и незначительно. Система рекуперации не позволяет достичь полного торможения электромобиля, но в определенной степени снижает скорость его движения. Это приводит также к уменьшению износа тормозных колодок и увеличению периодичности их замены.
Одновременно с этим запасённая электромобилем кинетическая энергия может не вся переходит в электроэнергию, передаваемую на зарядку АКБ, но и в тепло, которое гасится специальными резисторами (рис. 8.10).
Процесс рекуперации можно представить следующим образом (рис. 8.11). Если во время движения автомобиля необходимо замедление, водитель отпускает педаль акселератора или нажимает на педаль тормоза, блок управления 4 электромобиля распознает запрос водителя на замедление, определяет приоритет использования рекуперативного торможения, распределяет тормозной момент рекуперации энергии и гидравлическую систему. Из блока управления отправляется запрос тормозного момента рекуперации энергии в БУ модулятора 3 тормозной системы электромобиля. Блок управления 4 электромобиля отправляет запрос на рекуперативный тормозной момент в мотор-генератор 6, и последний генерирует соответствующий момент сопротивления, который передается на колеса через приводной вал, и трение между колесами и дорожным покрытием замедляя автомобиль. Электрическая энергия, полученная в результате преодоления момента сопротивления двигателя, рекуперируется в высоковольтную батарею.
1 –- педаль тормоза; 2 – электрический усилитель тормозной системы; 3 – модулятор с БУ тормозной системы; 4 – блок управления электромобиля; 5 – аккумулятор питания; 6 – мотор-генератор; 7 – понижающая передача; 8 – приводной вал; 9 – колесо
Функция рекуперации энергии торможения срабатывает автоматически, при этом для перехода в этот режим требуются для срабатывания следующие условия:
— датчик положения педали (акселератора) «Ход», педаль отпущена;
— датчик положения педали тормоза, педаль частично нажата (отсутствует экстренное торможение);
— тормозной запрос – проверка условий системы: система исправна, отсутствуют ошибки в работе, компоненты системы не повреждены;
— датчик скорости движения регистрирует скорость электромобиля более 7 км/ч;
— напряжение высоковольтной батареи: степень заряда (SOC) аккумуляторной батареи ниже 95%;
датчик положения педали тормоза и датчик положения рулевого колеса регистрируют отсутствие экстренное рулевое управление;
— электромобиль движется стабильно без резких поворотов рулевого колеса.
Условия, при которых рекуперативное торможение двигателя постоянного тока наиболее эффективно:
- загородные трассы, позволяющие развивать хорошую скорость;
- холмистая местность и крутые спуски;
- в городских условиях при передвижении в режиме «старт-стоп»;
- большие размеры и вес электромобиля.
Количество энергии рекуперации зависит от массы и скорости электромобиля. Чем больше масса и скорость, тем больше запасенная энергия рекуперации. В городе, особенно при движении в плотном потоке, электромобиль практически не может нормально разогнаться рекуперация хотя и мало эффективна, так как скорость в начале торможения небольшая (до 60 км/ч), однако частое торможение дает определенный эффект
Ландшафт местности также влияет на выработку рекуперативной энергии, поскольку на постоянных прямых дорогах с отсутствием поворотов рекуперативного торможения мало, а вот на извилистых дорогах или долгих склонах система может работать практически непрерывно.
Ситуации, когда рекуперативное торможение электродвигателя не эффективно:
- движение по ровной поверхности с одной скоростью (в таком режиме движения тормоз машины задействуется редко);
- низкая температура АКБ (при низкой температуре аккумулятора рекуперативная электроэнергия будет вырабатываться в ограниченном объеме);
Соотношение между механической и электрической тормозными силами гибко меняется не только в зависимости от требуемого замедления, но и от заряда аккумуляторов. Когда он больше 80%, рекуперация слабая, ибо перезаряд сокращает ресурс батареи.
При использовании системы рекуперации на щитке приборов индицируется информация о процессе рекуперации (рис. 8.12).
Перспективы использования рекуперации. Повысить эффективность рекуперативной системы позволяет её использование не только при торможении, но и во время обычной поездки благодаря инновационной подвеске. Рекуперативное устройство состоит из небольшого электромотора, четырех электрогидравлических насосов и управляющего блока.
Устройство устанавливается возле амортизаторов каждого автомобильного колеса. При движении входящего в конструкцию штока кинетическая энергия переходит в электрическую. Полученная электроэнергия передается к аккумулятору электромобиля.
Период торможения автомобиля длится достаточно короткое время. Поэтому из-за технологических особенностей устройства современных аккумуляторных батарей (а вернее химических процессов, происходящих при их подзарядке) сохранить большое количество энергии в них довольно трудно. Компания Mazda разработала систему рекуперации с использованием накопительного конденсатора . В процессе торможения специальный генератор с напряжением 12÷25 В за короткий отрезок времени заряжает емкость. Далее накопленная энергия через конвертор (DC/DC) преобразуется в привычные 12 В и поступает либо на различные потребители (кондиционер, CD-плейер и так далее), либо подзаряжает штатную аккумуляторную батарею. По утверждению производителя экономия топлива составляет не менее 10%.
Система рекуперации энергии может быть также механической и гидравлической .
У автомобилей с механическим способом рекуперации кинетической энергии в момент торможения специальный маховик, установленный в заполненном вакуумом кожухе (для снижения потерь от трения), раскручивается до значительной частоты вращения (50000÷70000 об/мин) (рис. 8.13).
При старте энергия от вращающегося маховика передается на колеса автомобиля в течение нескольких секунд и «помогает» двигателю «разогнать» авто до нужной скорости. Это приводит к тому, что в момент трогания с места автомобиль получает дополнительные 70÷80 л.с. мощности.
В настоящее время такой вид рекуперации энергии нашел свое практическое применение только в болидах Формулы-1, а также в эксклюзивных моделях от Porsche и Ferrari. Но инженеры-автомобилестроители считают, что в будущем такие системы могут быть установлены и на обычных городских легковых автомобилях.
Автомобиль с гидравлической системой рекуперации энергии (рис. 8.14) оборудован специальным мотором-помпой и двумя гидроаккумуляторами (низкого и высокого давления). Принцип работы заключается в следующем.
При нажатии на педаль тормоза помпа подключается к трансмиссии автомобиля и перекачивает жидкость из гидроаккумулятора низкого давления в баллон, заполненный газообразным азотом (который является своего рода накопителем энергии). Газ при этом сжимается и давление в емкости повышается. Усилие, необходимое для работы помпы замедляет движение автомобиля и «помогает» его остановить.
До тех пор, пока водитель снова не нажмет на педаль газа, жидкость остается под давлением в аккумуляторе. После этого она поступает в мотор-помпу и передает (через трансмиссию) сохраненную энергию на колеса автомобиля.
