Что такое рекуперация энергии в автомобиле и как она работает?

При выборе электромобиля одним из важнейших его параметров является дальность пробега на одном заряде. Производители электромобилей активно исследуют и внедряют новые разработки, которые позволяют увеличить дальность пробега электрокара на одном заряде. Рекуперативное торможение, как одна из возможностей частичного восстановления заряда батареи, является достаточно важным нюансом при выборе электромобиля

Что такое рекуперация в электромобиле?

Концепция электродинамического торможения, более известная как «рекуперативное торможение», – это технология, которая в основном используется в гибридных электромобилях (HEV/PHEV) и электромобилях с аккумуляторными батареями (BEV). Основная идея заключается в том, что когда автомобиль замедляется, кинетическая и механическая энергия от колес может быть уловлена и преобразована в электрическую энергию, которая возвращается обратно к аккумулятору

Технология рекуперативного торможения помогает значительно увеличить время автономной работы электромобиля. А значит, увеличить общий запас хода на одном заряде аккумулятора. Современный электромобиль уже трудно представить без рекуперации

Как работает рекуперация энергии торможения?

Рекуперация электроэнергии возможна благодаря тому, что гибридные и электрические транспортные средства приводятся в движение не двигателем внутреннего сгорания, а электрической трансмиссией. Когда вы нажимаете на тормоза обычного автомобиля, выработанная во время контакта тормозных колодок с дисками энергия полностью рассеивается в виде тепла. И ее нельзя было уловить пока не начали использовать электродвигатели. Когда начинается торможение, электродвигатель меняет режим работы: вместо того, чтобы питаться от аккумулятора, он начинает работать как генератор, вырабатывая энергию. В этот момент в обмотках ротора и статора появляются противоположные токи

Проще говоря, электродвигатель работает в двух направлениях. С одной стороны он питает колеса расходуя энергию для движения вперед или назад, с другой стороны он также может работать и в обратном направлении, замедляя электромобиль. При этом часть энергии, генерируемой двигателем, может быть просто перенаправлена и направлена обратно в аккумулятор автомобиля

Три основные технологии рекуперации энергии торможения – электромагнитная (на сегодня самая распространенная), через маховик и электромагнитно-маховиковая:

• Электромагнитная – приводной вал соединен с электрическим генератором. Используя магнитное поле, он ограничивает вращение вала, замедляя транспортное средство и вырабатывая при этом электроэнергию
• Маховик – кинетическая энергия собирается и используется для вращения маховика, соединенного с главным приводным валом через коробку передач. Крутящий момент, создаваемый при этом, может обеспечить хороший прирост мощности. Такая система использовалась некоторыми командами Формулы-1, когда была разрешена, и называлась KERS (Kinetic Recovery Energy System)
• Электромагнитно-маховиковая – гибридная версия двух вышеупомянутых методов, использующая электромагнитный метод генерации электроэнергии, но сохраняет энергию в маховике, не используя при этом батарею

Особенности эксплуатации системы рекуперации

Первым в мире автомобилем с электрическим рекуперативным торможением был концептуальный электромобиль AMC Amitron, но до серийного производства он так и не дошел. Гибрид Toyota Prius стал первым автомобилем, который сделал эту технологию коммерчески жизнеспособной. Первые модели критиковали за не очень качественную обратную связь: когда водитель нажимал на тормоза, они сначала ощущались несколько мягкими и менее чувствительными, пока работала система рекуперации, уже потом начинала действовать обычная система торможения. Долгое время инженерам не удавалось сделать ее работу прозрачной и комфортной для водителей, которым приходилось некоторое время привыкать к особенностям работы системы рекуперации 

Современные системы рекуперативного торможения стали гораздо более совершенными и интегрированы в так называемые системы «управление одной педалью». Используя этот стиль торможения, водителю нужно лишь снять ногу с педали акселератора, чтобы активировать процесс рекуперативного торможения. Многие автомобили позволяют водителям изменять силу тормозных реакций. Очень слабый режим рекуперации, когда электромобиль постепенно замедляется, до достаточно агрессивных настроек, способных замедлять машину до полной остановки с интенсивностью до 0,5 g. Конечно, во время интенсивного рекуперативного торможения включаются фонари, чтобы не спровоцировать наезд сзади 

Слабая рекуперация в автомобиле вернет меньше энергии в батарею но она безопаснее при движении по шоссе, когда необходимо иметь определенную дистанция для движения по инерции и не беспокоить соседей по потоку чрезмерным замедлением. Более сильная рекуперация более уместна во время интенсивного городского движения, когда нужно постоянно набирать скорость и достаточно резко останавливаться перед светофором. Собственные датчики автомобиля и системы ADAS помогают убедиться, что торможение достаточно сильное, чтобы привести автомобиль к полной остановке на перекрестке, а также на безопасном расстоянии от автомобиля впереди 

Однако возможность управления одной педалью не означает, что тормозная система не работает: гидравлическая система при необходимости может быть задействована так же, как Вы того ожидаете. Наличие системы рекуперативного торможения позволяет уменьшить износ обычных тормозов и это еще одно преимущество электромобиля перед ДВС

Условия, при которых рекуперативное торможение наиболее эффективно:

• пригородные трассы, которые позволяют развивать высокую скорость;
• горная местность и крутые склоны;
• в городских условиях при движении в режиме «старт-стоп»;
• большие габариты и масса автомобиля;
• Общее правило: чем чаще электромобиль тормозит, тем больше заряжается его батарея

Ситуации, когда рекуперативное торможение неэффективно:

• движение по ровной поверхности с постоянной скоростью;
• низкая температура аккумулятора (при низкой температуре аккумулятора рекуперативная электроэнергия будет вырабатываться в ограниченном количестве);
• 100% заряд батареи (невозможно зарядить батарею, если она уже заряжена на 100%)

Безопасно ли рекуперативное торможение?

Первые системы которые имели функцию управления одной педалью имели проблемы с безопасностью, связанные с тем, что привычные тормоза не реагировали как следует на нажатие. Это было не очень безопасно, если автомобиль попадал в ситуацию, когда нужно было экстренно остановиться. Современные однопедальные системы работают гораздо лучше Рекуперативное торможение срабатывает после отпускания педали акселератора, в то же время обычные гидравлические тормоза переходят в режим ожидания, максимально сближая тормозные колодки к дискам, чтобы обеспечить более сильную остановку в экстренных ситуациях

Может ли рекуперативное торможение удвоить запас хода электромобиля?

Действительно, есть возможность сделать рекуперативное торможение более эффективным с помощью новых технологий, но рано или поздно мы достигнем барьера. Батареи электромобилей имеют определенную максимальную скорость перезарядки, не говоря уже о фиксированной емкости. Энергия, рекуперируемая силой торможения, всегда будет частичной и ограниченной, причем значительная часть этой энергии все равно теряется Кроме того, эти системы в настоящее время достаточно тяжелые, а увеличение массы электромобиля требует большей энергии для того, чтобы двигаться. Основное преимущество этой технологии испытывают те, кто ездит на своих гибридных или электрических автомобилях в городе, где есть пробки. Дополнительный вес может негативно повлиять на топливную эффективность или запас хода электромобиля при движении по автомагистрали

Рекуперация электродвигателя с точки зрения физического процесса является достаточно эффективной, поскольку ее КПД составляет около 70%. То есть около 70% энергии, затраченной на торможение, преобразуется в электрическую энергию. Однако эффективность рекуперативного торможения с точки зрения увеличения запаса хода транспортного средства не так велика, поскольку увеличение пробега находится в пределах 10-20% в зависимости от условий: типа автомобиля и асинхронного двигателя, размеров транспортного средства, скорости движения, характеристик аккумуляторной батареи, дорожных условий и т.д.

Какие перспективы развития рекуперации?

Когда запас хода электромобиля ограничен зарядом батареи, важен любой источник генерации дополнительной энергии. Сейчас рекуперативное торможение может вернуть до 70% энергии – это хороший показатель уже сейчас. Особенно учитывая, что не так давно на эти потери вообще не обращали внимания. Что дальше?

Процесс модернизации и оптимизации рекуперации не останавливается. Сейчас ведутся разработки по усовершенствованию рекуперативных систем для повышения их эффективности, а также для обеспечения возможности рекуперации не только в режиме торможения. В частности, активно разрабатывается специальная подвеска, которая вырабатывает электроэнергию во время своей работы – сжатия и отбоя на дорожных неровностях. В этом случае эффективность рекуперации возрастет почти вдвое, а увеличение пробега электромобиля за счет такой дополнительной подзарядки составит до 40-50%. Впрочем, пока не понятно, когда такая схема будет реализована на серийных электрокарах