Рекуперативне гальмо для електромобілів та гібридів - Екологічний дайджест
У зв'язку з останніми подіями, а саме, відкликанням компанією Toyota двох моделей автомобілів з гібридною установкою Toyota Prius 2010 і Lexus HS250h, у яких виявилися проблеми з гальмівною системою (так, так з Тойотою відбувається щось негаразд, спочатку відкликали 8 мільйонів автомобілів з двигуном внутрішнього згоряння через проблеми з педаллю газу), багато людей задаються правомірним питанням: а як насправді працює регенеративне гальмо, яке використовується в автомобілях з гібридною та електричною силовими установками.
Практично всі сучасні гібридні автомобілі, такі як Toyota, Ford і General Motors використовують електрогідравлічні гальмівні системи, в яких передача гальмівного зусилля від педалі гальма повністю довірено електроніці.
Кожен виробник автомобілів з гібридною установкою використовує власні розробки при створенні рекуперативних гальм, але загальні принципи функціонування цих гальмівних систем залишаються незмінними.
Давайте трохи відхилимося від теми і пригадаємо, куди подіється кінетична енергія звичайнісінького автомобіля в момент гальмування. У момент гальмування металеві гальмівні колодки притискаються до металевого гальмівного диска, закріпленого на осі автомобіля, створюючи тертя, яке і призводить до уповільнення обертання колеса. При цьому вся кінетична енергія півторатонної махини, що несеться зі швидкістю, припустимо, в 100 км/год перетворюється на тепло, тобто безслідно і безповоротно втрачається в атмосфері нашої чудової планети.
Наявність потужної електричної підсистеми в гібридних, і тим більше електромобілях, робить виправданими зусилля щодо повернення та повторного використання енергії гальмуванняекіпажу. У цих автомобілях використовуються дуже ємні акумулятори, які дозволяють зберігати надмірну енергію та повторно її використовувати. Економія виходить настільки помітною, що на сьогоднішній день важко знайти електромобіль, який не використовує рекуперативні гальма, рекуперативне гальмо використовується в широкому ряді сучасних електромобілів, таких як Nissan Leaf, Chevrolet Volt, Mitsubishi i-MiEV та інших.
Отже, повторимо, у звичному автомобілі використовується гідравлічний тиск для того, щоб створити силу тертя в барабанному або дисковому гальмі і перетворити кінетичну енергію на енергію теплову. Цей тиск створюється водієм у момент натискання педалі гальма, яке зазвичай посилюється допоміжною системою для зменшення зусилля, що додається. Таким чином, прискорення уповільнення автомобіля пропорційне до зусилля тиску ноги на педаль гальма. Все просто та надійно.
Коли ми намагаємося зберегти енергію гальмування для подальшого використання, то нам доводиться мати справу з двома системами гальмування. Першою набуває чинності рекуперативна система, тобто замість класичного гальмівного механізму у вигляді диска або барабана виступає компактний електрогенератор, який на першому етапі гальмування, коли швидкість обертання коліс ще досить висока, перетворює енергію обертання колеса в електроенергію і тим самим створює гальмівне зусилля на колесі. . Другим ешелоном йде більш ефективне, з погляду уповільнення автомобіля до нульової швидкості, гальмування з використанням тертя.
Узгодженням дій двох гальмівних підсистем гідравлічної та електричної займається спеціальний електронний блок, який виступає посередником між водієм, що давить на педаль гальма, та електрогідравлічною системою гальмування.Таким чином, втрачається прямий зв'язок водія з гальмами, і завдання цієї електронної системи зробити так, щоб водій цього не помітив. Системі управління гальмами доводиться постійно визначати, яке має бути прискорення уповільнення у відповідь на натискання педалі користувачем, і яку систему в якій пропорції задіяти, щоб і енергію максимально зберегти і зробити уповільнення пропорційним зусилля до педалі гальма. Наприклад, водій утоплює педаль гальма на половину, система має вибір: прикласти гальмівне зусилля до гальмівних дисків або створити гальмуючий момент у генераторі і отримати електроенергію для підзарядки акумуляторів.
Ось такі непрості завдання доводиться вирішувати «гальмівному» комп'ютеру в соті частки секунди, оскільки зволікання тут смерті подібне, як сказав би класик. Для цієї мети використовується цілий ряд датчиків та сенсорів, покликаних швидко визначати дії та передбачати наміри водія.
У той же час система постійно відстежує швидкість обертання коліс, використовуючи ті ж сенсори, які відповідають за роботу антиблокувальної системи (ABS). Ця інформація використовується для визначення типу поверхні, по якій рухається автомобіль, сніг, лід, гравій або сухий асфальт. Зміна швидкості обертання колеса може забезпечити бортовий комп'ютер масою корисної інформації про природу дорожнього покриття, але, як це зазвичай буває, цієї інформації не завжди достатньо. Саме про гальмування на складних ділянках і йдеться, оскільки наміри водія можуть не відповідати реальній дорожній обстановці.
Наприклад, якщо наміри водія швидко загальмувати на слизькій поверхні перевищують фізичні можливості системи «дорожньо-автомобільне покриття», то «гальмівний» комп'ютер повинен зменшити силугальмування до максимально допустимої щоб уникнути ковзання. Тобто, як тільки електронна система зіставляє побажання водія та можливості для гальмування дорожнього покриття, вона видає розрахунковий гідравлічний тиск на фрикційні гальма та необхідне навантаження із зарядки батарей на рекуперативні.
Оскільки ми говоримо про гібридні та електричні автомобілі, де економія енергії є головним пріоритетом, система гальмування завжди намагається повернути максимум енергії в акумуляторні батареї, якщо це можливо. Рекуперативне гальмування має ще два суттєві обмеження. Перше - особливість сучасних акумуляторів така, що їх підзарядка може відбуватися тільки за певних значень струму і напруги, що обмежує діапазон використання регенерації енергії за допомогою рекуперації. Друге – неможливо заряджати повністю заряджену батарею. Друге зауваження не таке істотне для електромобілів, тому що рекуперація для них – це єдиний спосіб підзарядки на ходу, на відміну від гібридів, які заряджаються від власного двигуна внутрішнього згоряння.
Продовжимо наші дослідження. Кількість гальмівного моменту, створюваного рекуперативним гальмом, досить просто обчислюється і пропорційна напрузі на виході генератора. Управляюча гальмами система віднімає гальмуючий момент, створюваний регенерацією, з бажаного моменту, що гальмує, щоб отримати кількість гальмівного моменту для фрикційної гальмівної системи. Тут і виникає трудність.
У цих електрогідравлічних системах тиск на фрикційні гальма лише частково залежить від тиску водія на педаль, тому система повинна використовувати досить складну математичну модель для розрахунку відношення рекуперативного та фрикційного.гальмування.
При цьому при всій простоті та надійності фрикційних гальм їх характеристики можуть з часом змінюватися, часто можуть змінюватися за короткий проміжок часу. Вся проблема в тому, що ефективність фрикційного гальма залежить від сили тертя між двома поверхнями, що рухаються, у випадку дискових гальм, це гальмівний диск і гальмівні колодки. Сила тертя може сильно змінюватися, наприклад, через температуру гальмівного диска, а він, як відомо, дуже сильно нагрівається при гальмуванні. Не вірите? Спустіться на автомобілі з Ай-Петрі і помацайте (я мацав) колісні диски, але в жодному разі не чіпайте дискові гальма – отримайте опік! Другий фактор, що впливає на ефективність фрикційного гальма – вологість. Тонка плівка води на гальмівному диску значно зменшує силу тертя, і Ви можете це відчути, проїхавши глибокою калюжею. Недарма досвідчені водії радять кілька разів натиснути гальмо для просушування після проїзду водних перешкод. Третє - гальмівні диски і колодки з часом зношуються і змінюють свої властивості, що гальмують.
У випадку класичного автомобіля, водій має прямий пропорційний зв'язок між педаллю гальма і колодками, що дозволяє йому миттєво реагувати на ситуацію, що змінилася, додатковим зусиллям на педаль гальма. У той час як у керуючій системі рекуперативних гальм необхідно використовувати складні алгоритми, що адоптуються для оцінки всіх змінних параметрів гальмівної системи, і так само як і система визначення якості дорожньої поверхні, ця система далека від досконалості.
Інженери проводять тисячі годин, тестуючи та удосконалюючи алгоритми роботи систем управління гальмуванням, щоб зробити їх швидкими та надійними. Це ще одна причина того, що гібридні автомобілітак повільно з'являються над ринком.
Яка ж проблема виникла в автомобілі Toyota Prius, найвідомішому гібридному автомобілі у світі? Потрібно усвідомлювати той факт, що можливості регенерації енергії на малих швидкостях дуже обмежені і, відповідно, гальмуючий момент на малих швидкостях падає навіть якщо водій не змінює положення ноги на педалі гальма. Додайте до цього помилкову переоцінку гальмівного моменту, що створюється фрикційним гальмом, і ви отримаєте відчутну втрату уповільнення. Є ще третій момент, який впливає на збільшення помилки системи. На вибоїстій дорозі, на малій швидкості влучення колеса на купину або ямку може призвести до помилки у визначенні швидкості обертання колеса, що може спричинити команду системи управління на зниження гальмівного зусилля.
Ці фактори, здається, не можуть значно вплинути на здатності автомобіля, що гальмують, але в реальному світі це може призвести до збільшення гальмівного шляху автомобіля на якихось 30-60 см. Дрібниця? Можливо, це так, але в щільному міському трафіку це може призвести до дуже неприємних наслідків. Так що дотримуйтесь безпечної дистанції, панове!