С системой контроля расстояния до объектов
УДК 629.113
Лицкевич И.В.
Научный руководитель: м.т.н., Волощук А.А.
СИСТЕМЫ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ НА АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ
Использование автомобилей на электротяге, а также большего числа электропотребителей: системы подогрева сидений и руля, «продвинутые» аудиосистемы, навигаторы, телевизоры и многое другое – всё это увеличивает потребность автомобиля в электроэнергии.
Одним из решений этой проблемы инженеры-конструкторы многих автозаводов видят в использовании системы рекуперативного торможения, которая позволяет компенсировать потери электроэнергии, снизить расход топлива и продлить ресурс тормозных колодок.
Рекуперативное торможение (от лат. recuperatio «обратное получение; возвращение») – вид электрического торможения, при котором электроэнергия, вырабатываемая тяговыми электродвигателями, работающими в генераторном режиме, возвращается в электрическую сеть.
Они используют электромоторы или генераторы для преобразования энергии замедления автомобиля в электричество, возвращая часть энергии сгоревшего в двигателе топлива обратно.
Рассмотрим наиболее известные системы рекуперации тормозных усилий на сегодняшний день.
Компания Mazda провела исследования того, как на автомобилях происходит разгон и торможение, и разработала высокоэффективную рекуперативную тормозную систему, которая практически мгновенно преобразует в электричество большой объем кинетической энергии при каждом замедлении автомобиля. В отличие от гибридных силовых установок, разработка компании Mazda не нуждается в дополнительном электромоторе и аккумуляторных батареях [1].
|
|
|
Данная система получила название i-ELoop (Intelligent Energy Loop), что дословно переводится как «умная энергетическая петля», отражая стремление Mazda к эффективному расходу энергии (см. рисунок 1).
Система i-ELoop включает в себя новый регулируемый генератор (напряжение 12-25 В), суперконденсатор с пониженным внутренним сопротивлением и преобразователь постоянного тока. i-ELoop начинает преобразовывать кинетическую энергию в накопление электроэнергии в тот момент, когда водитель начинает отпускать педаль акселератора и автомобиль замедляется. Регулируемый генератор начинает вырабатывать ток напряжением 25 В (для максимальной эффективности), который поступает в суперконденсатор для последующего хранения. Данный суперконденсатор был разработан специально с целью использования в автомобилях. Его полная зарядка занимает всего несколько секунд. Преобразователь постоянного тока вступает в работу, когда запасенная в суперконденсаторе энергия начинает расходоваться на питание электрооборудования автомобиля. Он понижает напряжение с 25 до 12 В, – до уровня, используемого в основной части бортовой электросети автомобиля. При необходимости система также может подзарядить аккумуляторную батарею. i-ELoop включается в работу при каждом замедлении автомобиля, уменьшая количество топлива, которое необходимо сжечь в двигателе для выработки электроэнергии. В результате, при движении в режиме «старт-стоп» экономичность повышается примерно на 10 процентов [1].
|
|
|
Рисунок 1 – Принципиальная схема работы системы i-Eloop
Ниже представлен алгоритм работы системы:
Рисунок 2 – Алгоритм работы системы i-Eloop
Помимо электрического способа рекуперации кинетической энергии существуют и другие способы: механический, гидравлический, пневматический. Самый распространенный из них является механический способ и построенные на его основе система рекуперации кинетической энергии (Kinetic Energy Recovery Systems, KERS). В данной системе кинетическая энергия движущегося автомобиля возвращается при торможении и сохраняется для дальнейшего использования с помощью маховика. В отличие от рекуперативного торможения система KERS не создает тормозной момент (см. рисунок 2).
|
|
|
Маховик включен в трансмиссию автомобиля, вращается в вакуумной камере и при торможении разгоняется до 60000 об/мин. Конструкция обеспечивает сохранение энергии до 600 кДж и передачу мощности до 60 кВт (80 л.с.). Запасенная энергия используется для кратковременного скоростного рывка в движении или при трогании с места.
Система KERS применяется в автоспорте на автомобилях Formula 1 с 2009 года. На автомобилях массового использования применение данной системы только планируется. Ближе всех к серийному применению системы рекуперации кинетической энергии находятся разработки компании Volvo.
Cистему KERS предлагается использовать при движении автомобиля в городском цикле. При торможении двигатель автомобиля выключается, маховик раскручивается и запасает энергию. При трогании с места используется энергия маховика, автомобиль трогается, а двигатель запускается уже в движении.
Рисунок 3 – Принципиальная схема работы системы KERS
Ниже представлен алгоритм работы системы:
Рисунок 4 – Алгоритм работы системы KERS
По заявлениям Volvo применение системы рекуперации кинетической энергии обеспечивает снижение расхода топлива на 20% и сокращение вредных выбросов [2].
|
|
|
Из недостатков системы KERS особенно актуален следующий: хоть маховик и вращается в вакууме , но от трения в подшипниках никуда не денешься и, в результате, при долгой остановке, например, на светофоре, значительная часть переданной энергии теряется в пустую: на трение в подшипниках. Поэтому наибольшее применение данная система получила именно в гоночных автомобилях, где время остановок минимально.
Перейдем к рассмотрению принципа работы, наверное, самого массового автомобиля с гибридной установкой – Toyota Prius (см. рисунок 3).
Во время движения накатом МГ2 создает генераторную нагрузку, которая имитирует торможение двигателем. При нажатии на педаль тормоза генерация электроэнергии МГ2 увеличивается, что реализуется резким повышением такой нагрузки. В результате автомобиль быстрее замедляет ход. В отличие от тормозов трения, которые тратят впустую кинетическую энергию на производство тепла, электроэнергия, произведенная рекуперативным торможением, сохранится в батарее и в дальнейшем будет использована. Компьютер вычисляет, какое замедление будет произведено таким способом, и на соответствующую величину уменьшает гидравлическое давление, передаваемое фрикционным тормозным механизмам.
Рисунок 5 – Схема работы автомобиля Toyota Prius в режиме торможения
В обычном автомобиле в режиме эксплуатации крутого спуска вы переключаетесь на пониженную передачу, чтобы увеличить интенсивность торможения двигателем. Силовой агрегат, противодействуя движению, помогает тормозам замедлить скорость. Тот же выбор режима торможения доступен и Prius. Установив рычаг управления ТС в положение «B», вы, собственно, задаете режим, при котором двигатель будет использован и для торможения. Как правило, двигатель в режиме торможения работает в программе «B». Она реализует задачу таким образом, чтобы мотор/генераторы включились в процесс торможения путем управления электрическими потоками, а ДВС вращался без топлива и с почти закрытым дросселем. Сопротивление, которое создает силовой агрегат, работающий в этой программе, эффективно замедляет автомобиль, уменьшая нагревание тормозов, и позволяет ослабить усилия давления на педаль тормоза [3].
Ниже представлен алгоритм работы системы:
Рисунок 6 – Алгоритм работы тормозной системы автомобиля Toyota Prius
В работе электронная система рекуперативного торможения взаимодействует с антиблокировочной системой тормозов, системой распределения тормозных усилий, системой курсовой устойчивости, усилителем экстренного торможения.
К недостаткам данной системы можно отнести тот факт, что в данной тормозной системе механическая связь между педалью тормоза и тормозными колодками отсутствует. Решение о торможении принимает электроника на основании анализа действий водителя и характера движения автомобиля.
Таким образом, рассмотрев существующие системы рекуперативного торможения на автомобильном транспорте можно выделить главный недостаток, что на малых скоростях тормозной момент падает, и это может привести к увеличению тормозного пути автомобиля на 0,30-0,60 м, что в свою очередь повышает риск ДТП в плотном городском трафике. Именно по этой причине система рекуперативного торможения требует усовершенствований и доработок в области безопасного использования на дорогах общего пользования.
Одной из таких доработок может стать дополнительная кнопка ,,безопасности” , позволяющая отключить рекуперативную тормозную систему в режиме городского трафика. Если говорить более детально о действии данной регулировочной кнопки, то принцип её работы приведен ниже.
Система контроля тормозных усилий подает сигналы на открытие либо закрытие того или иного клапана гидравлической тормозной системы автомобиля, параллельно включая либо отключая мотор-генератор на колесах ТС, чем и контролируется процесс разделения тормозного момента между тормозной системой и мотор-генератором. Кнопка отключения рекуперативной тормозной системы позволит отключить систему контроля тормозных усилий между тормозными механизмами гидравлической системы и мотор-генератором рекуперативной тормозной системы, что, в свою очередь, приведет к фиксации регулирующего клапана гидравлической тормозной системы в открытом положении и отключению мотор-генератора от участия в торможении автомобиля. Что позволит, в полной мере, задействовать традиционную гидравлическую тормозную систему, которая обеспечит эффективное торможение на всех режимах движения автомобиля, что будет способствовать снижению количества ДТП с участием автомобилей с рекуперативной тормозной системой.
Для большей визуализации данной доработки, ниже приведен алгоритм работы системы с дополнительной кнопкой ,,безопасности”:
Рисунок 7- Алгоритм работы автомобиля с системой рекуперации тормозных
усилий, оснащенный кнопкой ,,безопасности ”
Еще одним решением проблемы увеличения тормозного пути автомобиля, может стать режим отключения рекуперативного торможения в городском цикле с относительно низкими скоростями движения за счет дополнения к системе рекуперации тормозных усилий системы контроля расстояния (СКР) до потенциально опасного объекта, к примеру, впередиидущего автомобиля, пешехода либо большой ветке, лежащей на проезжай части дороги. Все эти объекты могут вызвать аварийные ситуации на дороге, что потребует от водителя прибегнуть к экстренному торможению, но тормозной путь при этом зависит от множества факторов, наиболее важным из которых является время реакции водителя. Но и время реакции водителя зависит от множества показателей: психо-эмоциональное состояние человека, физическая усталость, сонливость и так далее- это всё может негативно сказаться на времени реакции водителя при возникновении опасности на дороге. Поэтому, чтобы минимизировать влияние человеческого фактора в экстренных ситуация, особенно на автомобилях, оснащенных системой рекуперативного торможения, есть смысл внедрения системы, которая будет контролировать расстояние до потенциально опасных объектов и, в случае достижения критического расстояния до объекта, а это около 10 метров, сможет обеспечить максимально эффективное торможение, путем отключения системы рекуперации тормозов и подключение гидравлической тормозной системы с системами безопасного вождения, такими как: ABS и ESP.
Поговорим подробнее о функционировании СКР до объектов совместно с рекуперативной тормозной системой. Во время движения автомобиля в работу включается данная система контроля расстояния, при движении автомобиля в ненагруженном городском трафике либо же по трассе, система рекуперации тормозных усилий работает в штатном режиме, как описано выше, при этом СКР не ограничивает работу системы рекуперации. Но при появлении какого-либо препятствия на дороге или при движении ТС в загруженном городском трафике, где расстояние между автомобилями не превышает 10 метров, СКР начинает свою работу в полной мере: автоматически блокирует систему контроля тормозных усилий между тормозными механизмами гидравлической тормозной системы и мотор-генератором, что позволяет увеличить эффективность гидравлических тормозов и систем ABS совместно с ESP. Что положительно влияет на уменьшение тормозного пути автомобиля. Также у этой системы достаточно большой потенциал для развития. К примеру, при достижении ТС аварийно-опасного расстояния, скажем, в районе 5-6 метров до объекта и, при этом, система, проанализировав все доступные ей данные, показала возможность ДТП с большой долей вероятности, система автоматически, без участия водителя, усиливает давление в тормозных магистралях, за счет системы ESP, что приводит к усилению тормозного момента на колесах автомобиля и, как следствие, к уменьшению тормозного пути, а, чтобы ТС было управляемым, в процессе торможения, в работу включается и система ABS. Однако и элементарный контроль за рациональностью работы системы рекуперации тормозных усилий уже будет достаточно прогрессивным внедрением в современное автомобилестроение.
Алгоритм работы данной СКР совместно с рекуперативной тормозной системой представлен ниже:
Рисунок 8- Алгоритм работы системы рекуперативного торможения совместно
с системой контроля расстояния до объектов
Также можно комбинировать несколько систем в одном автомобиле. К примеру, создать систему рекуперации с электродвигателями на передней оси, работающие по схеме Toyota Prius с системой контроля расстояний до объектов, а, на задней оси, с системой KERS, применяемой на автомобилях Volvo. Данный симбиоз двух систем позволит повысить тягово-динамические характеристики автомобиля, особенно при старте, уменьшит тормозной путь, за счет своевременного отключения рекуперативной тормозной системы, с помощью системы контроля расстояний до объектов, и использования маховика KERS, поскольку тормозной момент будет создаваться не только тормозными механизмами, но и маховиком, что должно значительно повысить безопасность управления ТС и снизить количество ДТП.
Рассмотрим подробнее принцип действия двух комбинированных систем. Работа данного ТС будет схоже с работой системы рекуперации совместно с СКР до объектов, рассмотренной ранее, за исключением выгодного отличия, который заключается в том, что параллельно СКР работает система KERS, что позволяет создавать дополнительный тормозной момент на маховике KERS, который получается за счет отбора кинетической энергии, движущегося автомобиля, на передачу вращения маховику. При этом, для возобновления движения ТС не требуется электроэнергия, питающая мотор-генератор, либо энергия сгорания топлива необходимая для работы двигателя внутреннего сгорания, а достаточно лишь энергии маховика KERS, запасенной при торможении автомобиля. Все эти факторы делают симбиоз двух систем наиболее выгодным в экономическом плане и наиболее надежным в области безопасности дорожного движения.
Алгоритм работы комбинированной системы представлен ниже:
Рисунок 9- Алгоритм работы комбинированной системы рекуперации
Тормозных усилий
Так любое из этих решений позволит сделать автомобили с рекуперативной тормозной системой более безопасными, возможно, даже, по сравнению с автомобилями использующими обычную систему торможения, поскольку, при правильной работе систем рекуперации, тормозной момент создается не только тормозными цилиндрами по средствам колодок, но и генераторам либо маховиком.
Список цитированных источников:
1. Mazda i-ELoop — первая в мире рекуперативная тормозная система для легковых автомобилей на основе использования конденсатора // drive.ru [Электронный ресурс]. – 2019. – Режим доступа: https://www.drive.ru/blogs/mazda/4efb33b900f11713001e6874.html.– Дата доступа: 25.04.2019.
2. Система рекуперативного торможения// drive.ru [Электронный ресурс]. – 2019. – Режим доступа: https://www.drive2.ru/b/1435051.– Дата доступа: 25.04.2019.
3. Технологии ремонта и обслуживания гибридных автомобилей // Журнал «АБС-авто» [Электронный ресурс]. – 2019. – Режим доступа: http://www.abs-magazine.ru/article/tehnologii-remonta-iobslujivaniya-gibridnih-avtomobiley-shkola-sergeya-gordeeva-urok-tretiy.– Дата доступа: 25.04.2019.
4. Рекуперативный тормоз для электромобилей и гибридов // facepla.net [Электронный ресурс]. – 2019. – Режим доступа: http://www.facepla.net/index.php/content-info/346-recuperate-friction-regen-braking.– Дата доступа: 25.04.2019.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 182; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!