Рекуперация для зарядки аккумулятора

Рекуперация на электровелосипеде

Рекуперация – торможение электрическим двигателем способным работать в режиме генератора, при котором часть кинетической энергии транспортного средства преобразуется в электрическую и возвращается назад в аккумуляторную батарею. Основная цель торможения электродвигателем – увеличение пробега.
Есть ли на вашем электровелосипеде система рекуперации? Это часто задаваемый вопрос. Многие считают, что зарядка аккумулятора в процессе движения на велосипеде не представляет особых физических трудностей для велосипедиста. При этом совсем забывают о том, что приобретают электровелосипед по его прямому назначению — для облегчения обычной езды на велосипеде, а не для зарядки аккумуляторов.

Давайте разберемся с рекуперацией на электровелосипеде:
Рекуперация возможна, если на электровелосипеде установлен двигатель прямого привода. Этот тип двигателя способен работать в генераторном режиме. Однако практика использования систем рекуперации на электровелосипедах говорит о том, что это довольно спорная затея. Опыт использования системы рекуперации на электровелосипеде показывает, что возвращается не более 3 % заряда батареи. При движении в сильно холмистой местности до 5 %. Это связано с тем, что для осуществления заряда аккумуляторной батареи колесо Электровелосипеда должно иметь достаточно большие обороты, чтобы двигатель в генераторном режиме мог выдавать достаточное напряжение необходимое для зарядки аккумулятора. Во-вторых, торможения двигателем может быть недостаточно, и на крутом спуске приходится задействовать штатные тормоза, при этом возможны значительные потери энергии. Да и литиевая аккумуляторная батарея электровелосипеда не способна к скоростной перезарядке и способна поглотить всего 25-30% энергии. Для этой цели больше подошли бы суперконденсаторы (ионисторы) а не аккумулятор. В-третьих, система преобразования кинетической энергии в электрическую и возврате ее назад в батарею на электровелосипеде имеет кпд около 50%.
Заряжать же аккумуляторную батарею педалируя велосипед по относительно равнинной местности, задача не из легких. Даже просто ехать на электровелосипеде с выключенным двигателем прямого привода не очень легко. Наличие большого количества сильных магнитов в двигателе прямого привода и отсутствие обгонной муфты приводит к тому, что двигатель существенно подтормаживает колесо велосипеда даже при отсутствии питания. А при работе двигателя в режиме генератора это торможение можно сравнить с движением в достаточно крутую гору. Причем скорость движения при этом должна быть около 20 км/час.
При скорости 20 км/час зарядный ток аккумулятора будет около 2 ампер. (При таком токе аккумулятор емкостью 10 A/час зарядится за 5 часов.) Велосипедист при этом должен развивать мощность 2A*48В= 96 Вт. Однако здесь не учтены потери в системе преобразования энергии и потери при зарядке. А они составляют около 50%. Другими словами – велосипедисту необходимо развить мощность для зарядки аккумулятора в два раза большую – приблизительно 180 Вт. Следует также учесть, что для движения с такой скоростью на обычном велосипеде велосипедист должен развивать мощность около 100 Вт. Суммарная мощность, требуемая от велосипедиста, для зарядки аккумулятора и само передвижение со скоростью, по крайней мере, в 20 км/час составит около 180+100=280 Вт.
Для справки:
— хороший спортсмен велосипедист может отдавать кратковременно, мощность 500-600 Вт;
— при движении в гору с большим уклоном нетренированный человек может кратковременно отдавать мощность 220-290 Вт;
Нетрудно сделать вывод, что ехать на велосипеде в таком режиме, сколько ни будь продолжительное время нереально.

Недаром практически на все электровелосипеды заводского изготовления устанавливают не двигатели прямого привода способные работать в генераторном режиме, а двигатели с редуктором и обгонной муфтой. И это неспроста.
Если сравнивать экономичность этих двух двигателей, то можно увидеть, что редукторные двигатели мотор колеса более чем на 30% экономнее расходуют энергию, запасенную в аккумуляторной батарее, чем двигатели прямого привода, и они не тормозят движение при отсутствии питания. Ко всему, редукторные двигатели мотор колеса в два раза легче – эквивалентных двигателей прямого привода. По этой причине почти на всех серийно изготавливаемых электровелосипедах устанавливают только редукторные двигатели.
Сравните:
— используя двигатель прямого привода и систему рекуперации, вы можете вернуть в батарею максимум 5% энергии, а если будете использовать редукторный двигатель, то сможете, сэкономить 30% энергии запасенной в батарее, другими словами проехать расстояние на 25% больше, чем на двигателе прямого привода. И ваш велосипед будет существенно легче. Выбор как говорится очевиден.
Применив в качестве движущей силы на велосипеде мотор-колесо с редукторным двигателем идею рекуперации энергии на электровелосипеде можно успешно забыть, выиграв при этом около 30% пробега на одной зарядке при авиавлентоной по энергоемкости аккумуляторной батарее.

Двигатели прямого привода логично применять, если Ваша цель скорость и Вас не сильно волнует экономическая сторона вопроса. В таком случае этому двигателю не будет конкурента со стороны редукторного собрата. Если необходима скорость более 50 км/час, приготовьтесь взять двигатель мощностью 1000 – 1500 Вт (максимальная мощность 1500-2500 Вт) в комплекте с энергоемкой , тяжелой и дорогостоящей аккумуляторной батареей. Батарея должна быть рассчитана на номинальный разрядный ток 20-30 A. Велосипед будет очень тяжелым. Это будет уже не велосипед. Это уже скорее скутер. И к тому же передвигаться со скоростью болеее 30 км/час на обычном велосипеде слишком рисковано, что подтвержается существующей статистикой.

Источник

Вся правда о рекуперации электровелосипедов

Ах, это волшебное слово — рекуперация! Довольно значительная часть людей, которые задумывались о покупке электровелосипеда, услышав про функцию рекуперации — возврате части энергии движения обратно в батарею, — начинают мечтать об огромных пробегах электровелосипеда, часто не разобравшись в сути вопроса.

Что может быть причиной такого интереса к функции рекуперации? Склонность людей преукрашивать реальность?

Вероятно, многие помнят, как в советские времена были популярны динамо-машины, или велогенераторы. Они использовались для того, чтобы питать велосипедные фары. Основной целью являлся отказ от необходимости покупать батарейки.

В наше время динамо-машины по-прежнему присутствуют в продаже, например, на Aliexpress встречаются как варианты с прижимным роликом, так и варианты с генератором, встроенным во втулку колеса.

И, казалось бы, можно использовать этот генератор для зарядки аккумулятора электровелосипеда! Но давайте обратимся к математике, которая беспристрастно расставит всё на свои места.

Мощность генератора, встроенного во втулку, составляет 3 Вт, при напряжении 6 В. Самая распространённая ёмкость аккумулятора электровелосипеда — 10 Ач. При номинальном напряжении батареи 36 вольт, абсолютная ёмкость составит 360 Втч. Таким образом, даже если не учитывать потери на преобразование напряжения из 6 В в 36 В, для зарядки аккумулятора нам потребуется 360 Втч / 3 Вт = 120 часов, или 5 суток езды.

Но, конечно же, не о таких велогенераторах говорят сторонники рекуперации! Ведь зачем устанавливать на электровелосипед дополнительный генератор, когда на нём уже есть генератор — это мотор-колесо прямого привода! Оно и напряжение даёт более высокое, и тормозить можно не вхолостую, а заряжая батарею!

Недавно на одном известном форуме про электротранспорт мне встретился вопрос: «Сколько время потребуется, чтобы зарядить батарею на 48 В ёмкостью 8 Ач рекуперацией, неспешным катанием по парку со скоростью 10 км/ч?».

Именно о таком способе зарядки батареи с использованием рекуперации мечтает большинство людей, приходящих покупать электровелосипед с вопросом «А этот электровелосипед поддерживает рекуперацию?»

Вынужден расстроить таких мечтателей — в таком режиме батарею зарядить вряд ли получится, даже частично, так как для зарядки необходимо обеспечить несколько условий.

Во-первых, нужна достаточная частота вращения мотор-колеса, то есть необходимо ехать со скоростью хотя бы 20 км/ч.

Во-вторых, работа мотора в режиме генератора будет создавать сопротивление движению, словно вы едете в горку, причём с довольно серьёзным уклоном. А сохранять при этом скорость 20 км/ч достаточно длительное время практически нереально.

Другим, более реальным способом подзарядки батареи с использованием рекуперации, многие считают рекуперативное торможение, и это логично, учитывая что тормозить на электровелосипеде приходится довольно часто, не только перед бордюрами и прочими препятствиями, но также на спусках.

Но и здесь имеются факторы, препятствующие эффективной подзарядке батареи. Во-первых, торможения за счёт одной рекуперации может быть недостаточно, и придётся дополнительно задействовать тормозные колодки, а это потери энергии.

Во-вторых, зарядка батареи — процесс инерционный, так как зависит от химических процессов, что снижает эффективность подзарядки.

В-третьих, недостаточный вес. Если в случае электропоездов и электромобилей вес транспортного средства довольно значительный, то в случае электровелосипеда силы инерции уже недостаточно.

В итоге, с учётом потерь на преобразование кинетической энергии движения в электрическую, а затем в химическую энергию батареи, реальная эффективность рекуперации на электровелосипеде составляет около 3%, в холмистой местности — около 5%.

А теперь давайте сравним велосипед с рекуперацией и велосипед без рекуперации — с редукторным двигателем.

Благодаря использованию обгонной муфты и конструктивным особенностям, редукторные двигатели до 30% экономнее расходуют энергию батареи, чем двигатели прямого привода. К тому же, они в 2-3 раза меньше весят, если сравнивать двигатели с одним и тем же вращающим моментом.

Таким образом, можно использовать двигатель прямого привода и за счёт рекуперации увеличить пробег на одном заряде на 3-5%, а можно использовать редукторный двигатель и добиться прироста пробега до 30% (относительно мотора прямого привода).

На самом деле, у этих моторов разное назначение: мотор прямого привода целесообразно использовать если вы хотите перемещаться со скоростью более 50 км/ч на тяжёлом транспортном средстве, с большой батареей, и вас не беспокоит увеличенный расход энергии.

А редукторный мотор разумно использовать в случае, когда для вас важен низкий вес, эффективное использование энергии батареи (в том числе за счёт использования ассистентного режима) и устроит скорость передвижения 25-60 км/ч. Это больше похоже на электровелосипед, чем на электромотоцикл, не правда ли?

Двигатели прямого привода дешевле из-за простоты конструкции, за это их любят самодельщики, но и весят они в разы больше. А редукторные двигатели больше используют производители качественных и, как следствие, более дорогих электровелосипедов, как например electronbikes.

На этом пока всё. До встречи в новых статьях!

Источник

На Токе заряженный портал

Что такое рекуперация торможения в электромобиле? — На токе

• Статьи об электротранспорте
• Технологии
• Что такое рекуперация торможения в электромобиле?

Что такое рекуперация торможения в электромобиле?

Я думаю, что никакой человек в здравом уме не будет спорить с тем фактом, что тормоза на любом средстве передвижения играют одну из ключевых ролей. В принципе, без них просто-напросто нельзя обойтись! Однако мало кто из таких мыслителей задумывался над тем, что от торможения можно ещё и энергетическую прибавку получать. При соприкосновении (трении) рабочих деталей тормозного механизма выделяется много тепла, вылетающего «в трубу». А ведь эту энергию можно направить в более рациональное русло: аккумулировать её для повторного применения.

К счастью — это реально, а называется данный процесс — рекуперация (частичный возврат энергии). Система не является новинкой и уже довольно длительное время устанавливается на электрокары и гибридные автомобили, но многие обладатели подобной техники слабо разбираются в технических деталях своего приобретения. В этой теме, я хочу подробно обсудить процесс рекуперации, дабы доказать, что она является гениальной разработкой конструкторов, приносящей несомненную пользу автовладельцам.

Содержание:

Что такое рекуперация?

Виды систем рекуперации.

Рекуперация на электрокарах и гибридных модификациях (принцип работы).

Преимущества электрической рекуперации.

Недостатки электрической рекуперации.

Насколько реально эффективна рекуперация?

Нужна ли рекуперация лёгкому индивидуальному электротранспорту?

Использование системы рекуперации в механизме подвески.

Что такое рекуперация?

«Recuperatio» — именно от этого латинского слова произошла «рекуперация». Его значение — «обратное получение». Говоря более конкретно, это означает возвращение некоторого количества энергии или вещества, для дальнейшего применения в том же процессе. В случае со средствами передвижения, речь идёт о трансформации в процессе торможения кинетической энергии в электрическую.

Движущийся автомобиль — это кинетическая энергия, а при задействовании тормозной системы, ей нужно куда-то деваться. В машинах работа тормозных механизмов основана на трении, от которого при замедлении транспортного средства будет вырабатываться тепло. Что из этого следует? А то, что оно просто уходит в никуда — бесследно растворяется в окружающей среде.

Смекалистые инженеры пошли на хитрость: они решили пускать даровую энергию в рациональное русло и добились того, что некоторая её часть таки будет возвращена. При следующем ускорении машины, аккумулятор будет использовать энергию, сохранённую ранее от рекуперации.

Здесь важно понимать, что регенерация не является каким-то волшебством, увеличивающим пробег средства передвижения на одном заряде. Данная система не сделает ваш автомобиль более эффективным как таковым, она просто делает его менее неэффективным. Если говорить по сути, то идеальной будет такая езда, при которой вы разгонитесь до определённого постоянного скоростного режима и будете удерживать его, не прибегая по ходу движения к торможению.

Дело в том, что для замедления и последующего возвращения к прежнему темпу езды, понадобятся дополнительные энергозатраты поэтому, чтобы рассчитывать на большой запас хода, нужно полностью избегать замедлений. Очевидно, что воплотить подобную затею в жизнь — не реально. На практике, прибегать к замедлению приходится довольно часто, а рекуперация всего лишь делает процесс торможения менее бесполезным.

Виды систем рекуперации

Основных разновидностей рекуперации всего три:

Что и говорить, такая выгодная система получила весьма широкое распространение. Так, электрическая рекуперация сегодня довольно обширно применяется на легковушках: главным образом на электрических авто и авто оборудованных гибридными установками. Механические же вариации, нашли своё место исключительно на спортивных болидах. А вот «гидравлику» инженеры приспособили на крупнотоннажных коммерческих грузовиках и автобусах эксплуатируемых в городе.

Впрочем, дело не ограничивается только автомобилями, изобретение можно обнаружить и на лёгком индивидуальном электротранспорте. Это всем нам знакомые скутера, велосипеды, самокаты и даже скейтборды оборудованные электротягой. Далее в теме, мы будем более подробно разбирать именно электрическую регенерацию.

Рекуперация на электрокарах и гибридных модификациях

Для лучшего понимания сути дела, нам придётся немного углубиться в теорию. Любой электрический силовой агрегат постоянного тока, при подаче на него электроэнергии начинает функционировать как собственно двигатель. Однако, если начать механически вращать его вал, то на клеммах будет вырабатываться ток. Из этого проистекает логический вывод: электромотор способен работать как в роли двигателя, потребителя энергии, так и в роли генератора. Этим и воспользовались инженеры, которые массово начали внедрять в электрический и гибридный транспорт системы рекуперации.

Работают такие схемы по достаточно простому принципу:

При воздействии на акселератор машина набирает ход, а электромотор при этом получает энергию от накопителя и передаёт тягу на колёса машины посредством трансмиссии.

А вот когда транспортное средство начинает замедляться, электроника переводит силовой агрегат в режим генератора.

Естественно, чтобы раскрутить электродвигатель, нужно прилагать определённое усилие и именно за счёт этого противодействия автомобиль станет замедляться. Конечно, без помощи обычных тормозов не обходится.

В этот самый момент, вырабатываемая мотором, как генератором, электроэнергия, посредством специального контроллера будет подзаряжать накопитель. Таким образом, некоторую долю энергии удаётся вернуть для её последующего применения.

Нюанс

Конечно, при экстренном торможении система регенерации энергии не в состоянии мгновенно остановить транспортное средство. Поэтому здесь никак не обойтись без традиционных тормозов. Вычислительная аппаратура принимает соответствующее решение в зависимости от того, с каким усилием водитель воздействует на орган управления тормозной системой, и задействует помимо рекуперации тормоза.

Преимущества электрической рекуперации

Разработка внедрённая в полностью электрический автомобиль, позволяет увеличить дальность хода на одном заряде, а вот гибридным модификациям регенерация сулит довольно приятное сокращение расхода топлива. Да и тормозные механизмы проходят дольше, ведь часть нагрузки с них будет сниматься.

Недостатки электрической рекуперации

Самый главный недостаток системы регенерации — это её высокая себестоимость! Приобретая электромашину оснащённую такой чудодейственной системой, рассчитывайте на прибавку к ценнику в 30-50%, по сравнению с традиционными автомобилями в распоряжении которых старый добрый ДВС. Так что, если вы ездите в основном по идеальным прямым трассам, на которых торможение является скорее исключением чем правилом, вы вряд ли окупите своё высокотехнологичное и дорогостоящее приобретение в ближайшее время.

Плюс к этому, такое оснащение усложняет конструкцию транспортного средства, поэтому в случае поломки, могут возникнуть определённые сложности с ремонтом. Проблема в том, что за подобные ремонтные манёвры возьмутся не в каждом сервисе, да и мастер который будет осуществлять обслуживание, должен иметь высокую квалификацию. Поэтому перед приобретением такой совершенной конструкции, первым делом нужно решить вопрос по её дальнейшему обслуживанию и ремонту, найдя поблизости достойную мастерскую с высококвалифицированным персоналом.

Насколько реально эффективна рекуперация?

Здесь имеет место зависимость от целого ряда факторов: вида и габаритов средства передвижения, электрического силового агрегата, аккумуляторов, условий передвижения, местности, а также стиля вождения. Ландшафт весьма влияет на полученное количество «халявной» энергии: если вы постоянно будете ехать по прямым дорогам без поворотов, то на возврат энергии можно и не надеяться, а вот что касается извилистых дорог или продолжительных склонов, то система получает возможность показать себя во всей красе.

Эффективность работы рекуперации в условиях города

Отдельно стоит обсудить и эффективность рекуперации при эксплуатации электротранспорта в условиях города. В этом случае кстати, ситуация весьма интересная вырисовывается. Сами разработчики позиционируют свою систему, как нацеленную в первую очередь на эксплуатацию электрокара в городе, когда водитель часто ускоряется и также часто тормозит. А как обстоят дела на самом деле? К сожалению, всё не так радужно!

Возьмём за пример электрокар Tesla Model S, который предлагает своим обладателям превосходные динамические характеристики. Так вот, даже он, особенно при движении в плотном транспортном потоке, не имеет возможности разогнаться надлежащим образом. Что из этого следует? А то, что система при таких условиях практически не даёт положительной прибавки, так как скорость до начала замедления не успевает перевалить за отметку 60 км/ч, поэтому и запас пробега увеличится в незначительной степени.

Зависимость эффективности рекуперации от массы средства передвижения

Огромнейшее влияние на возврат энергии оказывает масса транспортного средства: чем оно увесистей, тем больше будет высвобождаться кинетической энергии при торможении, поэтому становится понятно, что негабаритные средства передвижения на электротяге проигрывают «тяжёловесам». Вывод из всего этого прост: чем тяжелее электрокар, тем больше себя будет оправдывать рекуперация. Это можно наблюдать в вышеприведённом примере с Теслой, масса которой колеблется в пределах 1886-2175 кг, естественно, это не так много, чтобы рассчитывать на выдающийся результат при движении в тех же городских условиях.

Однако в целом, показатель доходит до 60-70%. Если верить словам отдельных разработчиков электромобилей, системы рекуперации утрачивают 10-20% от полученной энергии, а после, теряют ещё столько же в процессе преобразования этой энергии в заряд для АКБ. Такие цифры являются типичными для большинства электромашин.

Тут стоит отметить, что семидесяти процентный выигрыш ни в коем случае не даёт увеличение пробега на одном заряде, к примеру с 200 км до 340 км. На самом деле, это означает только то, что 70% кинетической энергии растраченной при замедлении, может быть возвращено обратно.

Нужна ли рекуперация лёгкому индивидуальному электротранспорту?

Считать данную систему бесполезным приспособлением конечно не стоит, однако и ожидать от неё чего-либо сверх естественного — будет весьма не разумно. Если у вас расчёт на ситуацию, что контроллер в паре с мотор-колесом функционирующем в режиме регенерации сможет сотворить чудо, увеличив в разы пробег на одном заряде, то готовьтесь к горькому разочарованию. Значимой прибавки к километражу рекуперация вам не обеспечит, но на парочку бонусных километров вы можете вполне рассчитывать. Иногда, даже такая скромная прибавка может прийтись весьма кстати. У рекуперативного торможения есть ещё одно достоинство: тормозные колодки прослужат вам дольше.

Система рекуперации на электробайке является полезным дополнением, вот только юзер должен оценивать её возможности адекватно и не обманывать самого себя. Увеличить показатель пробега на одном заряде можно и другими методами: применением более ёмкого накопителя, ездой в эконом-режиме, а также сочетанием работы электропривода с педалированием.

Естественно, как и говорилось выше, самая большая отдача по рекуперации у тяжёлых транспортных средств: чем тяжелее машина, тем больше отдача — всё просто! Логично, что легковесный индивидуальный электрический транспорт, такими впечатляющими показателями не обладает. На многих моделях электробайков оборудованных функцией рекуперативного торможения, средним показателем считается пяти процентная отдача, а при езде по холмистой местности, можно выжать максимум 8%.

Вместо прямоприводных электромоторов, поддерживающих возврат энергии, в большинстве случаев будет рациональней применить редукторные движки с обгонной муфтой. Эти вариации более экономно потребляют электроэнергию накопителя, обладают меньшей массой и не притормаживают, когда отсутствует питание.

Производители электровелосипедов, иногда используют рекуперативное торможение больше как маркетинговый ход, чем как действительно нужное приспособление. Но всё же вещь эта реально может сослужить добрую службу обладателям электрических байков: особенно радует тот момент, что рекуперация является ещё одной останавливающей силой для лёгкого электротранспорта.

Возьмём за пример электросамокат Xiaomi M365. Фронтальное мотор-колесо замедляется только посредством рекуперации, а вот заднее колесо для этих целей оборудовано дисковым тормозным механизмом. Из этого следует, что аппарат имеет в своём распоряжении две независимые системы торможения и всего один рычаг управления ими. Это даёт такие преимущества: меньшая масса, меньшая себестоимость, облегчение сборки.

Неплохим дополнением рекуперация стала и для электрических скейтбордов. Особенно важную роль она играет на модификациях, максимальная скорость которых достигает отметки 30 км/ч.

Использование системы рекуперации в механизме подвески

Естественно, любой разработчик всегда хочет извлечь максимальную выгоду из всего, поэтому рациональные инженеры пошли ещё дальше: они решили использовать кинетическую энергию подвески, работающей во время обычного движения. Разработкой такой системы занимаются фирмы Levant Power и ZF, так что в будущем, такими приспособлениями могут быть оснащены все серийно производимые автомобили.

Как работает рекуперативная подвеска

В состав системы входит небольшой электрический движок, четыре электрогидравлических насоса и блок управления. Аппаратура монтируется около каждого амортизатора, а при перемещении в них штока, кинетическая энергия будет преобразовываться в электрическую и подаваться на АКБ. Сочетание данной системы с традиционной рекуперацией, должно обеспечить эффективность приблизительно в 2 раза большую.

Заключение

Рекуперативное торможение — одно из самых полезных изобретений! Действительно, зачем пропадать энергии даром, если её можно использовать с пользой. Самую большую выгоду от рекуперации имеют электропоезда — вот там реально глобальные масштабы (с них кстати всё и началось), а самую маленькую — лёгкий индивидуальный электротранспорт: мотоциклы, скутера, велосипеды, самокаты и т. п. Также, большую роль играет местность, по которой будет двигаться транспортное средство. К примеру в городе, глупо ожидать от рекуперации больших успехов, ведь там, автомобили, итак, ползут черепашьим темпом и к интенсивному замедлению водители прибегают не часто. Зато вот на холмистой местности, действительно можно «разгуляться». В любом случае, некоторое количество затраченный энергии, вы таки будете получать обратно — иногда больше, иногда меньше. Поэтому, данная система имеет полное право на существование!

Источник