Wie regeneratives Bremsen in Elektrofahrzeugen funktioniert

Bremsen ist einer der wichtigen Aspekte eines Fahrzeugs. Das mechanische Bremssystem, das wir in unseren Fahrzeugen verwenden, hat den großen Nachteil, dass die kinetische Energie des Fahrzeugs als Wärme verschwendet wird. Dies verringert die Gesamteffizienz des Fahrzeugs, indem es den Kraftstoffverbrauch beeinflusst. Im städtischen Fahrzyklus starten und stoppen wir das Fahrzeug im Vergleich zum Autobahnfahrzyklus häufiger. Da wir die Bremse häufig in einem städtischen Fahrzyklus betätigen, ist der Energieverlust größer. Die Ingenieure entwickelten das regenerative Bremssystemzur Rückgewinnung der kinetischen Energie, die beim Bremsen bei der herkömmlichen Bremsmethode als Wärme abgegeben wird. Nach den Gesetzen der Physik können wir nicht die gesamte verlorene kinetische Energie zurückgewinnen, aber dennoch kann eine erhebliche Menge kinetischer Energie umgewandelt und in einer Batterie oder einem Superkondensator gespeichert werden. Die zurückgewonnene Energie hilft bei der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs bei herkömmlichen Fahrzeugen und bei der Erweiterung der Reichweite bei Elektrofahrzeugen. Es ist zu beachten, dass der Prozess des regenerativen Bremsens Verluste aufweist, während die kinetische Energie zurückgewonnen wird. Bevor Sie fortfahren, können Sie auch andere interessante Artikel über Elektrofahrzeuge lesen:

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Das Konzept des regenerativen Bremsens kann in herkömmlichen Fahrzeugen mit Schwungrädern umgesetzt werden. Schwungräder sind Scheiben mit hoher Trägheit, die sich mit sehr hoher Geschwindigkeit drehen. Sie wirken als mechanischer Energiespeicher, indem sie beim Bremsen die kinetische Energie des Fahrzeugs aufnehmen (speichern). Die beim Bremsen zurückgewonnene Energie kann verwendet werden, um das Fahrzeug beim Starten oder beim Bergauffahren zu unterstützen.

In Elektrofahrzeugen können wir das regenerative Bremsen viel effizienter elektronisch integrieren. Dies reduziert den Bedarf an schweren Schwungrädern, wodurch das Gesamtgewicht des Fahrzeugs zusätzlich belastet wird. Elektrofahrzeuge haben ein inhärentes Problem der Reichweitenangst unter den Benutzern. Obwohl die Durchschnittsgeschwindigkeit des Fahrzeugs im städtischen Fahrzyklus zwischen 25 und 40 km / h liegt, wird die Batterie durch häufiges Beschleunigen und Bremsen bald entladen. Wir wissen, dass Motoren unter bestimmten Bedingungen als Generator fungieren können. Mit dieser Funktion kann verhindert werden, dass die kinetische Energie des Fahrzeugs verschwendet wird. Wenn wir die Bremse in Elektrofahrzeugen betätigen, verringert die Motorsteuerung (basierend auf dem Ausgang des Bremspedalsensors) die Leistung oder stoppt den Motor. Während dieses Vorgangs ist die Motorsteuerung auf ausgelegtGewinnen Sie die kinetische Energie zurück und speichern Sie sie in der Batterie oder den Kondensatorbänken. Regeneratives Bremsen hilft dabei, die Reichweite des Elektrofahrzeugs um 8-25% zu vergrößern. Neben der Energieeinsparung und der Verbesserung der Reichweite hilft es auch bei der effektiven Steuerung des Bremsvorgangs.

Beim mechanischen Bremssystem wird beim Betätigen des Bremspedals ein Rückwärtsdrehmoment auf das Rad ausgeübt. In ähnlicher Weise wird im regenerativen Bremsmodus die Geschwindigkeit des Fahrzeugs verringert, indem mit Hilfe der Motorsteuerung ein negatives Drehmoment (entgegen der Bewegung) im Motor ausgelöst wird. Manchmal sind die Leute verwirrt, wenn sie sich das Konzept vorstellen, dass der Motor als Generator fungiert, wenn er sich im regenerativen Bremsmodus in umgekehrter Richtung dreht. In diesem Artikel kann man verstehen, wie die kinetische Energie durch regeneratives Bremsen in Elektrofahrzeugen zurückgewonnen werden kann.

Wie ein Motor als Generator fungiert

Zunächst konzentrieren wir uns darauf zu verstehen, wie ein Motor als Generator fungieren kann. Wir alle haben den Permanentmagnet-Gleichstrommotor in Robotikanwendungen wie dem Leitungsfolger verwendet. Wenn das Rad des an den Motor angeschlossenen Roboters frei gedreht wird (von außen von Hand), wird manchmal der Motortreiber-IC beschädigt. Dies geschieht, weil der Motor als Generator fungiert und die erzeugte Gegen-EMK (Sperrspannung größerer Größe) über den Treiber-IC angelegt wird, wodurch dieser beschädigt wird. Wenn wir den Anker in diesen Motoren drehen, wird der Fluss von den Permanentmagneten unterbrochen. Infolgedessen wird EMF induziert, um der Änderung des Flusses entgegenzuwirken. Daher können wir eine Spannung an den Klemmen des Motors messen. Dies liegt daran, dass die Gegen-EMK eine Funktion der Rotordrehzahl (U / min) ist. Wenn die Drehzahl höher ist und die erzeugte Gegen-EMK größer als die Versorgungsspannung ist, wirkt der Motor als Generator. Lassen Sie uns jetzt sehenWie dieses Prinzip in Elektrofahrzeugen funktioniert, um Energieverluste durch Bremsen zu vermeiden.

Wenn der Motor das Fahrzeug beschleunigt, nimmt die damit verbundene kinetische Energie als Quadrat der Geschwindigkeit zu. Während des Ausrollens kommt das Fahrzeug zum Stillstand, wenn die kinetische Energie Null wird. Wenn wir in einem Elektrofahrzeug die Bremsen betätigen, arbeitet die Motorsteuerung so, dass der Motor zur Ruhe kommt oder seine Geschwindigkeit verringert wird. Dies beinhaltet das Umkehren der Richtung des Motordrehmoments zu der Drehrichtung. Während dieses Vorgangs erzeugt der Rotor des Motors, der mit der Antriebsachse verbunden ist, eine EMF im Motor (analog zu einer Antriebsmaschine / Turbine, die den Rotor des Generators antreibt). Wenn die erzeugte EMK größer als die Spannung der Kondensatorbank ist, fließt die Leistung vom Motor zur Bank. Somit wird die zurückgewonnene Energie in der Batterie oder der Kondensatorbank gespeichert.

Wie regeneratives Bremsen in Elektrofahrzeugen funktioniert

Nehmen wir an, ein Auto hat einen dreiphasigen Wechselstrom-Induktionsmotor als Motor für seinen Antrieb. Aus den Motoreigenschaften wissen wir, dass, wenn ein Drehstrom-Induktionsmotor über seiner Synchrondrehzahl läuft, der Schlupf negativ wird und der Motor als Generator (Lichtmaschine) wirkt. Unter praktischen Umständen ist die Drehzahl eines Induktionsmotors immer geringer als die Synchrondrehzahl. Die Synchrondrehzahlist die Geschwindigkeit des rotierenden Magnetfelds des Stators, das aufgrund der Wechselwirkung der dreiphasigen Versorgung erzeugt wird. Zum Zeitpunkt des Startens des Motors ist die im Rotor induzierte EMK maximal. Wenn sich der Motor zu drehen beginnt, nimmt die induzierte EMF in Abhängigkeit vom Schlupf ab. Wenn die Rotordrehzahl die Synchrondrehzahl erreicht, ist die induzierte EMK Null. Wenn wir zu diesem Zeitpunkt versuchen, den Rotor über diese Drehzahl zu drehen, wird eine EMF induziert. In diesem Fall versorgt der Motor das Netz oder die Versorgung mit Wirkstrom. Wir bremsen, um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu reduzieren. In diesem Fall können wir nicht erwarten, dass die Rotordrehzahl die Synchrondrehzahl überschreitet. Hier kommt die Rolle der Motorsteuerung ins Spiel. Zum Verständnis können wir wie im folgenden Beispiel visualisieren.

Nehmen wir an, der Motor dreht sich mit 5900 U / min und die Versorgungsfrequenz beträgt 200 Hz. Wenn wir die Bremse betätigen, müssen wir die Drehzahl reduzieren oder auf Null senken. Die Steuerung arbeitet gemäß der Eingabe vom Bremspedalsensor und führt diesen Vorgang aus. Während dieses Vorgangs stellt der Controller die Versorgungsfrequenz auf weniger als 200 Hz wie 80 Hz ein. Daher beträgt die Synchrondrehzahl des Motors 2400 U / min. Aus Sicht der Motorsteuerung ist die Drehzahl des Motors höher als seine Synchrondrehzahl. Da wir die Drehzahl während des Bremsbetriebs verringern, fungiert der Motor jetzt als Generator, bis die Drehzahl auf 2400 sinkt. Während dieser Zeit können wir dem Motor Strom entziehen und ihn in der Batterie- oder Kondensatorbank speichern.Es ist zu beachten, dass die Batterie die Dreiphasen-Induktionsmotoren während des regenerativen Bremsvorgangs weiterhin mit Strom versorgt. Dies liegt daran, dass die Induktionsmotoren bei ausgeschalteter Versorgung keine Magnetflussquelle haben. Daher zieht der Motor, wenn er als Generator wirkt, Blindleistung aus der Versorgung, um die Flussverbindung herzustellen, und liefert ihr Wirkleistung zurück. Bei verschiedenen Motoren ist das Prinzip der Rückgewinnung der kinetischen Energie beim regenerativen Bremsen unterschiedlich. Permanentmagnetmotoren können ohne Stromversorgung als Generator fungieren, da sie Magnete im Rotor haben, um einen Magnetfluss zu erzeugen. In ähnlicher Weise haben nur wenige Motoren einen Restmagnetismus, der die externe Erregung eliminiert, die zur Erzeugung eines Magnetflusses erforderlich ist.Dies liegt daran, dass die Induktionsmotoren bei ausgeschalteter Versorgung keine Magnetflussquelle haben. Daher zieht der Motor, wenn er als Generator wirkt, Blindleistung aus der Versorgung, um die Flussverbindung herzustellen, und liefert ihr Wirkleistung zurück. Bei verschiedenen Motoren ist das Prinzip der Rückgewinnung der kinetischen Energie beim regenerativen Bremsen unterschiedlich. Permanentmagnetmotoren können ohne Stromversorgung als Generator fungieren, da sie Magnete im Rotor haben, um einen Magnetfluss zu erzeugen. In ähnlicher Weise haben nur wenige Motoren einen Restmagnetismus, der die externe Erregung eliminiert, die zur Erzeugung eines Magnetflusses erforderlich ist.Dies liegt daran, dass die Induktionsmotoren bei ausgeschalteter Versorgung keine Magnetflussquelle haben. Daher zieht der Motor, wenn er als Generator wirkt, Blindleistung aus der Versorgung, um die Flussverbindung herzustellen, und liefert ihr Wirkleistung zurück. Bei verschiedenen Motoren ist das Prinzip der Rückgewinnung der kinetischen Energie beim regenerativen Bremsen unterschiedlich. Permanentmagnetmotoren können ohne Stromversorgung als Generator fungieren, da sie Magnete im Rotor haben, um einen Magnetfluss zu erzeugen. In ähnlicher Weise haben nur wenige Motoren einen Restmagnetismus, der die externe Erregung eliminiert, die zur Erzeugung eines Magnetflusses erforderlich ist.Das Prinzip der Rückgewinnung der kinetischen Energie beim regenerativen Bremsen ist unterschiedlich. Permanentmagnetmotoren können ohne Stromversorgung als Generator fungieren, da sie Magnete im Rotor haben, um einen Magnetfluss zu erzeugen. In ähnlicher Weise haben nur wenige Motoren einen Restmagnetismus, der die externe Erregung eliminiert, die zur Erzeugung eines Magnetflusses erforderlich ist.Das Prinzip der Rückgewinnung der kinetischen Energie beim regenerativen Bremsen ist anders. Permanentmagnetmotoren können ohne Stromversorgung als Generator fungieren, da sie Magnete im Rotor haben, um einen Magnetfluss zu erzeugen. In ähnlicher Weise haben nur wenige Motoren einen Restmagnetismus, der die externe Erregung eliminiert, die zur Erzeugung eines Magnetflusses erforderlich ist.

Bei den meisten Elektrofahrzeugen ist der Elektromotor nur mit der Einzelantriebsachse verbunden (meistens mit der Hinterradantriebsachse). In diesem Fall müssen wir ein mechanisches Bremssystem (hydraulisches Bremsen) für die Vorderräder verwenden. Dies bedeutet, dass die Steuerung beim Betätigen der Bremsen die Koordination zwischen dem mechanischen und dem elektronischen Bremssystem aufrechterhalten muss.

Lohnt es sich, regeneratives Bremsen in allen Elektrofahrzeugen zu implementieren?

Das Konzept der regenerativen Bremsmethode besteht kein Zweifel an der Energierückgewinnung, weist jedoch auch einige Einschränkungen auf. Wie bereits erwähnt, ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Batterien aufladen können, im Vergleich zu der Geschwindigkeit, mit der sie sich entladen können, langsam. Dies begrenzt die Menge an zurückgewonnener Energie, die die Batterien beim plötzlichen Bremsen speichern können (schnelles Abbremsen). Es ist nicht ratsam, regeneratives Bremsen unter voll aufgeladenen Bedingungen zu verwenden. Dies liegt daran, dass ein Überladen die Batterien beschädigen kann, die elektronische Schaltung jedoch ein Überladen verhindert. In diesem Fall kann die Kondensatorbank die Energie speichern und zur Erweiterung des Bereichs beitragen. Ist dies nicht der Fall, werden die mechanischen Bremsen betätigt, um das Fahrzeug anzuhalten.

Wir wissen, dass die kinetische Energie durch 0,5 * m * v ^{2 gegeben ist}. Die Menge an Energie, die wir abrufen können, hängt von der Masse des Fahrzeugs und auch von der Geschwindigkeit ab, mit der es fährt. Die Gesamtmasse ist bei schweren Fahrzeugen wie Elektroautos, Elektrobussen und Lastwagen höher. Im städtischen Fahrzyklus würden diese schweren Fahrzeuge nach dem Beschleunigen trotz Fahrt mit niedriger Geschwindigkeit an Dynamik gewinnen. Während des Bremsens ist die verfügbare kinetische Energie im Vergleich zu einem Elektroroller, der mit der gleichen Geschwindigkeit fährt, höher. Daher ist die Wirksamkeit des regenerativen Bremsens bei Elektroautos, Bussen und anderen schweren Fahrzeugen höher. Obwohl nur wenige Elektroroller über die Funktion des regenerativen Bremsens verfügen, ist die Auswirkung auf das System (die Menge der gewonnenen Energie oder die erweiterte Reichweite) nicht so effektiv wie bei Elektroautos.

Die Notwendigkeit für Kondensatorbänke oder Ultrakondensatoren

Während des Bremsens müssen wir die Geschwindigkeit des Fahrzeugs sofort anhalten oder verringern. Daher ist der Bremsvorgang zu diesem Zeitpunkt für kurze Zeit da. Batterien haben eine Begrenzung der Ladezeit. Wir können nicht mehr Energie gleichzeitig ablassen, da dies die Batterien verschlechtert. Abgesehen davon verkürzt das häufige Laden und Entladen des Akkus auch die Lebensdauer des Akkus. Um dies zu vermeiden, fügen wir dem System eine Kondensatorbank oder Ultrakondensatoren hinzu. Ultrakondensatoren oder Superkondensatoren können über viele Zyklen ohne Leistungseinbußen entladen und aufgeladen werden, was zur Verlängerung der Lebensdauer der Batterie beiträgt. Der Ultrakondensator reagiert schnell und hilft dabei, die Energiespitzen / -stöße während des regenerativen Bremsvorgangs effektiv zu erfassen.Der Grund für die Wahl eines Ultrakondensators ist, dass er 20-mal mehr Energie speichern kann als Elektrolytkondensatoren. Dieses System beherbergt einen DC / DC-Wandler. Während der Beschleunigung ermöglicht der Boost-Betrieb dem Kondensator, sich bis zu einem Schwellenwert zu entladen. Während der Verzögerung (dh des Bremsens) ermöglicht der Buck-Betrieb dem Kondensator das Laden. Die Ultrakondensatoren haben ein gutes Einschwingverhalten, was beim Starten des Fahrzeugs nützlich ist. Durch die Speicherung der zurückgewonnenen Energie außerhalb der Batterie kann die Reichweite des Fahrzeugs erweitert und die plötzliche Beschleunigung mithilfe des Boost-Schaltkreises unterstützt werden.Bremsen) Der Buck-Betrieb ermöglicht das Laden des Kondensators. Die Ultrakondensatoren haben ein gutes Einschwingverhalten, was beim Starten des Fahrzeugs nützlich ist. Durch die Speicherung der zurückgewonnenen Energie außerhalb der Batterie kann die Reichweite des Fahrzeugs erweitert und die plötzliche Beschleunigung mithilfe des Boost-Schaltkreises unterstützt werden.Bremsen) Der Buck-Betrieb ermöglicht das Laden des Kondensators. Die Ultrakondensatoren haben ein gutes Einschwingverhalten, was beim Starten des Fahrzeugs nützlich ist. Durch die Speicherung der zurückgewonnenen Energie außerhalb der Batterie kann die Reichweite des Fahrzeugs erweitert und die plötzliche Beschleunigung mithilfe des Boost-Schaltkreises unterstützt werden.