Рекуперативный тормоз для электромобилей и гибридов

В связи с последними событиями, а именно, отзывом компанией Toyota двух моделей автомобилей с гибридной установкой Toyota Prius 2010 и Lexus HS250h, у которых обнаружились проблемы с тормозной системой (да, да с Тойотой творится что-то неладное, сначала отозвали 8 миллионов автомобилей с двигателем внутреннего сгорания из-за проблем с педалью газа), многие люди задаются правомерным вопросом: а как в действительности работает регенеративыный тормоз, который используется в автомобилях с гибридной и электрической силовыми установками.

Практически все современные гибридные автомобили, такие как Toyota, Ford и General Motors все используют электрогидравлические тормозные системы, в которых передача тормозного усилия от педали тормоза полностью доверено электронике.

Каждый производитель автомобилей с гибридной установкой использует свои собственные разработки при создании рекуперативных тормозов, но общие принципы функционирования этих тормозных систем остаются неизменными.

Давайте немного отклонимся от темы и вспомним, куда девается кинетическая энергия самого обычного автомобиля в момент торможения. В момент торможения металлические тормозные колодки прижимаются к металлическому тормозному диску, закрепленному на оси автомобиля, тем самым создавая трение, которое и приводит к замедлению вращения колеса. При этом вся кинетическая энергия полуторатонной махины несущейся со скоростью, допустим, в 100 км/ч превращается в тепло, то есть бесследно и безвозвратно теряется в атмосфере нашей замечательной планеты.

Наличие мощной электрической подсистемы в гибридных, и тем более электромобилях, делает оправданными усилия по возврату и повторному использованию энергии торможения экипажа. В этих автомобилях используются очень емкие аккумуляторы, которые позволяют сохранять избыточную энергию и повторно ее использовать. Экономия получается настолько заметной, что на сегодняшний день трудно найти электромобиль, не использующий рекуперативные тормоза, рекуперативный тормоз используется в широком ряде современных электромобилей, таких как Nissan Leaf, Chevrolet Volt, Mitsubishi i-MiEV и других.

Итак, повторим, в привычном автомобиле используется гидравлическое давление для того, чтобы создать силу трения в барабанном или дисковом тормозе и превратить энергию кинетическую в энергию тепловую. Это давление создается водителем в момент нажатия педали тормоза, которое обычно усиливается вспомогательной системой для уменьшения прилагаемого усилия. Таким образом, ускорение замедления автомобиля пропорционально усилию давления ноги на педаль тормоза. Все просто и надежно.

Когда же мы пытаемся сберечь энергию торможения для дальнейшего использования, то нам приходится иметь дело с двумя системами торможения. Первой вступает в действие рекуперативная система, то есть вместо классического тормозного механизма в виде диска или барабана выступает компактный электрогенератор, который на первом этапе торможения, когда скорость вращения колес  еще достаточно высока, преобразует энергию вращения колеса в электроэнергию и тем самым создает тормозное усилие на колесе. Вторым эшелоном идет более эффективное, с точки зрения замедления автомобиля до нулевой скорости, торможение с использованием трения.

При рекуперативном торможении используются две тормозящих силы: электрогенератор и классический фрикционный тормоз

Согласованием действий двух тормозных подсистем гидравлической и электрической занимается специальный  электронный блок, который выступает посредником между водителем, давящим на педаль тормоза, и электрогидравлической системой торможения. Таким образом, теряется прямая связь водителя с тормозами, и задача этой электронной системы сделать так чтобы водитель этого не заметил. Системе управления тормозами приходится постоянно определять, каково должно быть ускорение замедления в ответ на нажатие педали пользователем, и какую систему в какой пропорции задействовать, чтобы и энергию максимально сберечь и сделать замедление пропорциональным усилию, прилагаемому к педали тормоза. Например, водитель утапливает педаль тормоза на половину, у системы есть выбор: приложить тормозное усилие к тормозным дисками или создать тормозящий момент в генераторе и получить электроэнергию для подзарядки аккумуляторов.

Вот такие непростые задачи приходится решать «тормозному» компьютеру в сотые доли секунды, так как промедление здесь смерти подобно, как сказал бы классик. Для этой цели используется целый ряд датчиков и сенсоров , призванных быстро определять действия и предугадывать намерения водителя.

В то же время, система постоянно отслеживает скорость вращения колес, используя те же сенсоры, которые отвечают за работу антиблокировочной  системы (ABS) . Эта информация используется для определения типа поверхности, по которой движется автомобиль, будь-то снег, лед, гравий или сухой асфальт. Изменение скорости вращения колеса может снабдить бортовой компьютер массой полезной информации о природе дорожного покрытия, но, как это обычно бывает,  этой информации не всегда достаточно. Именно о торможении на сложных участках и идет речь, так как намерения водителя могут не соответствовать реальной дорожной обстановке.

Например, если намерения водителя быстро затормозить на скользкой поверхности превышают физические возможности системы «автомобиль-дорожное покрытие», то «тормозной» компьютер должен уменьшить силу торможения до максимально допустимой дабы избежать скольжения. То есть, как только электронная система сопоставляет пожелания водителя  и возможности для торможения дорожного покрытия, она выдает расчетное гидравлическое давление на фрикционные тормоза и необходимую нагрузку по зарядке батарей на рекуперативные.

Поскольку мы говорим о гибридных и электрических автомобилях, где экономия энергии является главным приоритетом, система торможения всегда старается вернуть максимум энергии в аккумуляторные батареи, если это возможно. Рекуперативное торможение имеет еще два существенных ограничения. Первое – особенность современных аккумуляторов такова, что их подзарядка может происходить только при определенных значениях тока и напряжения, что несколько ограничивает диапазон использования регенерации энергии с помощью рекуперации. Второе -  невозможно заряжать полностью заряженную батарею. Второе замечание не так существенно для электромобилей, так как рекуперация для них – это единственный способ подзарядки на ходу, в отличие от гибридов, которые подзаряжаются от собственного двигателя внутреннего сгорания.

Продолжим наши изыскания. Количество тормозного момента, создаваемого рекуперативным тормозом, довольно просто вычисляется и пропорционален напряжению на выходе генератора. Управляющая тормозами система вычитает тормозящий момент, создаваемый регенерацией, из желаемого тормозящего момента, чтобы получить количество тормозящего момента для фрикционной тормозной системы. Здесь и возникает трудность.

В этих электрогидравлических системах давление на фрикционные тормоза лишь частично зависит от давления водителя на педаль, из-за этого система должна использовать достаточно сложную математическую модель для расчета отношения рекуперативного и фрикционного торможения.

При этом при всей простоте и надежности фрикционных тормозов их характеристики могут со временем изменяться, часто они могут изменяться за короткий промежуток времени. Вся проблема в том, что эффективность фрикционного тормоза зависит от силы трения между двумя движущимися поверхностями, в случае дисковых тормозов, это тормозной диск и тормозные колодки. Сила трения может сильно меняться, например, из-за температуры тормозного диска, а он, как известно очень сильно нагревается при торможении. Не верите? Спуститесь на автомобиле с Ай-Петри  и пощупайте (я щупал) колесные диски, но ни в коем случае не трогайте дисковые тормоза – получите ожог! Второй фактор, влияющий на эффективность фрикционного тормоза – влажность. Тонкая пленка воды на тормозном диске значительно уменьшает силу трения, и Вы можете это почувствовать, проехав по глубокой луже. Недаром опытные водители советуют несколько раз нажать тормоз для просушки после проезда водных преград. Третье – тормозные диски и колодки со временем изнашиваются и меняют свои тормозящие свойства.

В случае классического автомобиля, водитель имеет прямую пропорциональную связь между педалью тормоза и колодками, что позволяет ему мгновенно реагировать на изменившуюся ситуацию, дополнительным усилием на педаль тормоза. В то время как в управляющей системе рекуперативных тормозов необходимо использовать сложные адоптирующиеся алгоритмы для оценки всех изменяющихся параметров тормозной системы, и так же как и система определения качества дорожной поверхности, эта система далека от совершенства.

На графике показано как взаимодействуют две системы торможения, замедляя автомобиль линейно

Инженеры проводят тысячи часов, тестируя и усовершенствуя алгоритмы работы систем управления торможением, чтобы сделать их быстрыми и надежными. Это еще одна причина того, что гибридные автомобили так медленно появляются на рынке.

Какая же проблема возникла в автомобиле Toyota Prius, самом известном гибридном автомобиле в мире? Нужно осознавать тот факт, что возможности регенерации энергии на малых скоростях весьма ограничены и, соответственно, тормозящий момент на малых скоростях падает даже, если водитель не меняет положение ноги на педали тормоза. Добавьте к этому ошибочную переоценку тормозного момента, создаваемого фрикционным тормозом, и вы получите ощутимую потерю замедления. Есть еще и третий момент, который влияет на увеличение ошибки системы. На ухабистой дороге, на малой скорости попадание колеса на кочку или ямку может привести к ошибке в определении скорости вращения колеса, что может повлечь команду системы управления на снижение тормозного усилия.

Эти факторы, кажется, не могут значительно повлиять на тормозящие способности автомобиля, но в реальном мире это может привести к увеличению тормозного пути автомобиля на каких-то 30-60 см. Мелочь? Возможно это так, но в плотном городском трафике это может привести к весьма неприятным последствиям. Так что соблюдайте безопасную дистанцию, господа!

Источник