Що таке рекуперація енергії та як вона працює?

При виборі електромобіля одним з найважливіших його параметрів є дальність пробігу на одному заряді. Виробники електромобілів активно досліджують і впроваджують нові розробки, які дозволяють збільшити дальність пробігу електрокара на одному заряді. Рекуперативне гальмування, як одна з можливостей часткового відновлення заряду батареї, є досить важливим нюансом при виборі електромобіля

Концепція електродинамічного гальмування, більш відома як “рекуперативне гальмування”, – це технологія, яка в основному використовується в гібридних електромобілях (HEV/PHEV) та електромобілях з акумуляторними батареями (BEV). Основна ідея полягає в тому, що коли автомобіль сповільнюється, кінетична і механічна енергія від коліс може бути вловлена і перетворена в електричну енергію, яка повертається назад до акумулятора

Технологія рекуперативного гальмування допомогає значно збільшити час автономної роботи електромобіля. А отже, збільшити загальний запас ходу на одному заряді акумулятора. Сучасний електромобіль вже важко уявити без рекуперації

Як працює рекуперація енергії під час гальмування?

Рекуперативне гальмування можливе завдяки тому, що гібридні та електричні транспортні засоби приводяться в рух не двигуном внутрішнього згоряння, а електричною трансмісією. Коли ви натискаєте на гальма звичайного автомобіля, вироблена під час контакту гальмівних колодок з дчками енергія повністю розсіюється у вигляді тепла. І її не можна було вловити поки не почали використовувати електродвигуни. Коли починається гальмування, електродвигун змінює режим роботи: замість того, щоб живитися від акумулятора, він починає працювати як генератор, виробляючи енергію. У цей момент в обмотках ротора і статора з’являються протилежні струми

Простіше кажучи, електродвигун працює у двох напрямках. З одного боку він живить колеса витрачаючи енергію для руху вперед або назад, з іншого боку він також може працювати і в зворотному напрямку, сповільнюючи електромобіль. При цьому частина енергії, що генерується двигуном, може бути просто перенаправлена і спрямована назад в акумулятор автомобіля

Три основні технології рекуперації енергії гальмування – електромагнітна (на сьогодні найпоширеніша), через маховик та електромагнітно-маховикова:

• Електромагнітна – приводний вал з’єднаний з електричним генератором. Використовуючи магнітне поле, він обмежує обертання валу, сповільнюючи транспортний засіб і виробляючи при цьому електроенергію
• Маховик – кінетична енергія збирається і використовується для обертання маховика, з’єднаного з головним приводним валом через коробку передач. Крутний момент, що створюється при цьому, може забезпечити хороший приріст потужності. Така система використовувалась деякими командами Формули-1, коли була дозволена, і називалась KERS (Kinetic Recovery Energy System)
• Електромагнітно-маховикова – гібридна версія двох вищезгаданих методів, що використовує електромагнітний метод генерації електроенергії, але зберігає енергію в маховику, не використовуючи при цьому батарею

Особливості експлуатації системи рекуперації

Першим у світі автомобілем з електричним рекуперативним гальмуванням був концептуальний електромобіль AMC Amitron, але до серійного виробництва він так і не дійшов. Гібрид Toyota Prius став першим автомобілем, який зробив цю технологію комерційно життєздатною. Перші моделі критикували за не дуже якісний зворотній зв’язок: коли водій натискав на гальма, вони спочатку відчувалися дещо м’якими та менш чутливими, поки працювала система рекуперації, вже потім починала діяти звичайна система гальмування. Довгий час інженерам не вдавалось зробити її роботу прозорою та комфортною для водіїв, яким доводилось певний час звикати до особливостей роботи системи регенерації 

Сучасні системи рекуперативного гальмування стали набагато досконалішими та інтегровані в так звані системи «керування однією педаллю». Використовуючи цей стиль гальмування, водієві потрібно лише зняти ногу з педалі акселератора, щоб активувати процес рекуперативного гальмування. Багато автомобілів дозволяють водіям змінювати силу гальмівних реакцій – від дуже слабкої, коли електромобіль поступово сповільнюється, до досить агресивних налаштувань, здатних сповільнювати машину до повної зупинки з інтенсивністю до 0,5 g. Звичайно, під час інтенсивного рекуперативного гальмування вмикаються ліхтарі, щоб не спровокувати наїзд ззаду

Слабка рекуперації поверне менше енергії в батарею але вона безпечніша при русі по шосе, коли необхідно мати певну дистанція для руху по інерції та не турбувати сусідів по потоку надмірним сповільненням. Сильніша рекуперація більш доречна під час інтенсивного міського руху, коли потрібно постійно набирати швидкість та досить різко зупинятися перед світлофором. Власні датчики автомобіля та системи ADAS допомагають переконатися, що гальмування достатньо сильне, щоб привести автомобіль до повної зупинки на перехресті, а також на безпечній відстані від автомобіля попереду

Однак можливість керування однією педаллю не означає, що гальмівна система не працює: гідравлічна система за необхідності може бути задіяна так само, як Ви того очікуєте. Наявність системи рекуперативного гальмування дозволяє зменшити знос звичайних гальм і це ще одна перевага електромобіля перед ДВЗ

Умови, за яких рекуперативне гальмування найбільш ефективне:

• приміські траси, які дозволяють розвивати високу швидкість;
• гірська місцевість і круті схили;
• в міських умовах при русі в режимі “старт-стоп”;
• великі габарити і маса автомобіля;

Загальне правило: чим частіше електромобіль гальмує, тим більше заряджається його батарея

Ситуації, коли рекуперативне гальмування неефективне:

• рух по рівній поверхні з постійною швидкістю;
• низька температура акумулятора (при низькій температурі акумулятора рекуперативна електроенергія буде вироблятися в обмеженій кількості);
• 100% заряд батареї (неможливо зарядити батарею, якщо вона вже заряджена на 100%)

Чи безпечне рекуперативне гальмування?

Перші системи які мали функцію керування однією педаллю мали проблеми з безпекою, пов’язані з тим, що звичні гальма не реагували як слід на натискання. Це було не дуже безпечно, якщо автомобіль потрапляв у ситуацію, коли потрібно було екстрено зупинитися. Сучасні однопедальні системи працюють набагато краще

Рекуперативне гальмування спрацьовує після відпускання педалі акселератора, в той же час звичайні гідравлічні гальма переходять в режим очікування, максимально зближуючи гальмівні колодки до дисків, щоб забезпечити сильнішу зупинку в екстрених ситуаціях

Чи може рекуперативне гальмування подвоїти запас ходу електромобіля?

Дійсно, є можливість зробити рекуперативне гальмування більш ефективним за допомогою нових технологій, але рано чи пізно ми досягнемо бар’єру. Батареї електромобілів мають певну максимальну швидкість перезарядки, не кажучи вже про фіксовану ємність. Енергія, що рекуперується силою гальмування, завжди буде частковою і обмеженою, причому значна частина цієї енергії все одно втрачається

Крім того, ці системи наразі досить важкі, а збільшення маси електромобіля вимагає більшої енергії для того, щоб рухатися. Основну перевагу цієї технології відчувають ті, хто їздить на своїх гібридних або електричних автомобілях у місті, де є затори. Додаткова вага може негативно вплинути на паливну ефективність або запас ходу електромобіля при русі по автомагістралі

Рекуперація електродвигуна з точки зору фізичного процесу є досить ефективною, оскільки її ККД становить близько 70%. Тобто близько 70% енергії, витраченої на гальмування, перетворюється в електричну енергію. Однак ефективність рекуперативного гальмування з точки зору збільшення запасу ходу транспортного засобу не така велика, оскільки збільшення пробігу знаходиться в межах 10-20% в залежності від умов: типу автомобіля і асинхронного двигуна, розмірів транспортного засобу, швидкості руху, характеристик акумуляторної батареї, дорожніх умов тощо

Які перспективи розвитку рекуперації?

Коли запас ходу електромобіля обмежений зарядом батареї, важливе будь-яке джерело генерації додаткової енергії. Наразі рекуперативне гальмування може повернути до 70% енергії – це хороший показник вже зараз. Особливо враховуючи, що не так давно на ці втрати взагалі не звертали уваги. Що далі?

Процес модернізації та оптимізації рекуперації не зупиняється. Наразі ведуться розробки з удосконалення рекуперативних систем для підвищення їх ефективності, а також для забезпечення можливості рекуперації не тільки в режимі гальмування. Зокрема, активно розробляється спеціальна підвіска, яка виробляє електроенергію під час своєї роботи – стиснення та відбою на дорожніх нерівностях. У цьому випадку ефективність рекуперації зросте майже вдвічі, а збільшення пробігу електромобіля за рахунок такої додаткової підзарядки складе до 40-50%. Втім, поки не зрозуміло, коли така схема буде реалізована на серійних електрокарах