Come funziona la frenata rigenerativa nei veicoli elettrici

La frenata è uno degli aspetti importanti di un veicolo. Il sistema di frenatura meccanica che utilizziamo nei nostri veicoli ha il grosso inconveniente di sprecare l'energia cinetica del veicolo sotto forma di calore. Ciò riduce l'efficienza complessiva del veicolo influendo sul risparmio di carburante. Nel ciclo di guida urbano, tendiamo ad avviare e arrestare il veicolo più spesso rispetto al ciclo di guida in autostrada. Poiché applichiamo spesso il freno in un ciclo di guida urbano, la perdita di energia è maggiore. Gli ingegneri hanno inventato il sistema di frenata rigenerativarecuperare l'energia cinetica dissipata sotto forma di calore durante la frenata nel metodo di frenata tradizionale. Seguendo le leggi della fisica, non possiamo recuperare tutta l'energia cinetica persa, ma una quantità significativa di energia cinetica può essere convertita e immagazzinata in una batteria o in un supercondensatore. L'energia recuperata aiuta a migliorare il risparmio di carburante nei veicoli convenzionali e aiuta ad estendere l'autonomia nei veicoli elettrici. È da notare che il processo di frenata rigenerativa ha delle perdite mentre recupera l'energia cinetica. Prima di proseguire puoi anche controllare altri interessanti articoli sui veicoli elettrici:

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Il concetto di frenata rigenerativa può essere implementato nei veicoli convenzionali utilizzando le ruote Fly. I volani sono dischi con elevata inerzia che ruotano ad una velocità molto elevata. Agiscono come un dispositivo di accumulo meccanico di energia assorbendo (immagazzinando) l'energia cinetica del veicolo durante la frenata. L'energia recuperata durante il processo di frenata può essere utilizzata per assistere il veicolo durante la partenza o il movimento in salita.

Nei veicoli elettrici, possiamo incorporare elettronicamente la frenata rigenerativa in modo molto più efficiente. Ciò ridurrà la necessità di volani pesanti, il che aggiunge peso extra al peso totale del veicolo. I veicoli elettrici hanno un problema intrinseco di ansia da autonomia tra gli utenti. Sebbene la velocità media del veicolo nel ciclo di guida urbano sia di circa 25-40 km / h, le frequenti accelerazioni e frenate scaricano presto la batteria. Sappiamo che i motori possono agire come un generatore in determinate condizioni. Utilizzando questa funzione, è possibile evitare che l'energia cinetica del veicolo venga sprecata. Quando applichiamo il freno nei veicoli elettrici, il controller del motore (basato sull'uscita del sensore del pedale del freno) riduce le prestazioni o arresta il motore. Durante questa operazione, il controllore motore è progettato perrecuperare l'energia cinetica e immagazzinarla nella batteria o nei banchi di condensatori. La frenata rigenerativa aiuta ad estendere l'autonomia del veicolo elettrico dell'8-25%. Oltre a risparmiare energia e migliorare l'autonomia, aiuta anche a controllare efficacemente l'operazione di frenata.

Nel sistema di frenatura meccanica, una coppia inversa viene esercitata sulla ruota quando si preme il pedale del freno. Allo stesso modo, nella modalità di frenata rigenerativa, la velocità del veicolo viene ridotta attivando una coppia negativa (opposta al movimento) nel motore con l'aiuto del controller del motore. A volte le persone si confondono quando visualizzano il concetto che il motore agisce come un generatore quando ruota in direzione inversa in modalità di frenata rigenerativa. In questo articolo, si può capire come recuperare l'energia cinetica tramite il metodo della frenata rigenerativa nei veicoli elettrici.

Come un motore agisce da generatore

Innanzitutto, ci concentreremo sulla comprensione di come un motore può agire come generatore. Abbiamo tutti utilizzato il motore CC a magneti permanenti in applicazioni di robotica come il line follower. Quando la ruota del robot collegata al motore viene ruotata liberamente (esternamente a mano), a volte il circuito integrato del driver del motore viene danneggiato. Ciò accade perché il motore funge da generatore e il back EMF generato (tensione inversa di maggiore entità) viene applicato attraverso il driver IC, il che lo danneggia. Quando ruotiamo l'armatura in questi motori, taglia il flusso dai magneti permanenti. Di conseguenza, l'EMF è indotto a opporsi al cambiamento di flusso. Pertanto, possiamo misurare una tensione ai terminali del motore. È perché l'EMF posteriore è una funzione della velocità del rotore (rpm). Quando il numero di giri è maggiore e se la back emf generata è maggiore della tensione di alimentazione, il motore funge da generatore. Vediamo oracome funziona questo principio nei veicoli elettrici per evitare perdite di energia dovute alla frenata.

Quando il motore accelera il veicolo, l'energia cinetica ad esso associata aumenta come un quadrato della velocità. Durante la marcia per inerzia, il veicolo si ferma quando l'energia cinetica diventa zero. Quando applichiamo i freni in un veicolo elettrico, il controllore del motore funziona in modo tale da fermare il motore o ridurne la velocità. Ciò comporta l'inversione del senso di coppia del motore in quello del senso di rotazione. Durante questo processo, il rotore del motore collegato all'asse motore genera un EMF nel motore (analogo a un motore primo / turbina che aziona il rotore del generatore). Quando l'EMF generato è superiore alla tensione del banco di condensatori, la potenza fluisce dal motore al banco. Pertanto l'energia recuperata viene immagazzinata nella batteria o nel banco di condensatori.

Come funziona la frenata rigenerativa nei veicoli elettrici

Consideriamo che un'auto ha un motore a induzione CA trifase come motore per la sua propulsione. Dalle caratteristiche del motore sappiamo che quando un motore a induzione trifase funziona al di sopra della sua velocità sincrona, lo scorrimento diventa negativo e il motore funge da generatore (alternatore). In circostanze pratiche, la velocità di un motore a induzione è sempre inferiore alla velocità sincrona. La velocità sincronaè la velocità del campo magnetico rotante dello statore prodotto dall'interazione dell'alimentazione trifase. Al momento dell'avvio del motore, l'EMF indotto nel rotore è massimo. Quando il motore inizia a ruotare, l'EMF indotto diminuisce in funzione dello scorrimento. Quando la velocità del rotore raggiunge la velocità sincrona, l'EMF indotto è zero. A questo punto, se proviamo a ruotare il rotore al di sopra di questa velocità, verrà indotto EMF. In questo caso, il motore restituisce potenza attiva alla rete o all'alimentazione. Applichiamo i freni per ridurre la velocità del veicolo. In questo caso, non possiamo aspettarci che la velocità del rotore superi la velocità sincrona. È qui che entra in gioco il ruolo del controllore motore. Ai fini della comprensione, possiamo visualizzare come nell'esempio fornito di seguito.

Supponiamo che il motore giri a 5900 rpm e la frequenza di alimentazione sia di 200 Hz quando applichiamo il freno dobbiamo ridurre il numero di giri o portarlo a zero. Il controller agisce in base all'input del sensore del pedale del freno ed esegue tale operazione. Durante questo processo, il controller imposterà la frequenza di alimentazione inferiore a 200 Hz come 80 Hz. Pertanto la velocità sincrona del motore diventa 2400 rpm. Dal punto di vista del controller del motore, la velocità del motore è superiore alla sua velocità sincrona. Poiché stiamo riducendo la velocità durante l'operazione di frenatura, il motore ora funge da generatore fino a quando il numero di giri non scende a 2400. Durante questo periodo, possiamo estrarre potenza dal motore e immagazzinarla nella batteria o nel banco di condensatori.È da notare che la batteria continua a fornire alimentazione ai motori a induzione trifase durante il processo di frenatura rigenerativa. È perché i motori a induzione non hanno una sorgente di flusso magnetico quando l'alimentazione è OFF. Pertanto il motore, quando funge da generatore, preleva potenza reattiva dall'alimentazione per stabilire il collegamento del flusso e restituirgli potenza attiva. Per motori diversi, il principio del recupero dell'energia cinetica durante la frenata rigenerativa è diverso. I motori a magneti permanenti possono agire come un generatore senza alcuna alimentazione perché ha magneti nel rotore per produrre flusso magnetico. Allo stesso modo, pochi motori hanno un magnetismo residuo che elimina l'eccitazione esterna necessaria per creare il flusso magnetico.È perché i motori a induzione non hanno una sorgente di flusso magnetico quando l'alimentazione è OFF. Pertanto il motore, quando funge da generatore, preleva potenza reattiva dall'alimentazione per stabilire il collegamento del flusso e restituirgli potenza attiva. Per motori diversi, il principio del recupero dell'energia cinetica durante la frenata rigenerativa è diverso. I motori a magneti permanenti possono agire come un generatore senza alcuna alimentazione perché ha magneti nel rotore per produrre flusso magnetico. Allo stesso modo, pochi motori hanno un magnetismo residuo che elimina l'eccitazione esterna necessaria per creare il flusso magnetico.È perché i motori a induzione non hanno una sorgente di flusso magnetico quando l'alimentazione è OFF. Pertanto il motore, quando funge da generatore, preleva potenza reattiva dall'alimentazione per stabilire il collegamento del flusso e restituirgli potenza attiva. Per motori diversi, il principio del recupero dell'energia cinetica durante la frenata rigenerativa è diverso. I motori a magneti permanenti possono agire come un generatore senza alcuna alimentazione perché ha magneti nel rotore per produrre flusso magnetico. Allo stesso modo, pochi motori hanno un magnetismo residuo che elimina l'eccitazione esterna necessaria per creare il flusso magnetico.il principio del recupero dell'energia cinetica durante la frenata rigenerativa è diverso. I motori a magneti permanenti possono agire come un generatore senza alcuna alimentazione perché ha magneti nel rotore per produrre flusso magnetico. Allo stesso modo, pochi motori hanno un magnetismo residuo che elimina l'eccitazione esterna necessaria per creare il flusso magnetico.il principio del recupero dell'energia cinetica durante la frenata rigenerativa è diverso. I motori a magneti permanenti possono agire come un generatore senza alcuna alimentazione perché ha magneti nel rotore per produrre flusso magnetico. Allo stesso modo, pochi motori hanno un magnetismo residuo che elimina l'eccitazione esterna necessaria per creare il flusso magnetico.

Nella maggior parte dei veicoli elettrici, il motore elettrico è collegato solo al singolo asse di trazione (principalmente all'assale di trazione posteriore). In questo caso, dobbiamo impiegare un sistema di frenatura meccanica (frenatura idraulica) per le ruote anteriori. Ciò significa che il controller deve mantenere il coordinamento tra il sistema di frenatura sia meccanico che elettronico durante l'applicazione dei freni.

Vale la pena implementare la frenata rigenerativa su tutti i veicoli elettrici?

Non c'è dubbio sul potenziale di recupero dell'energia nel concetto di metodo di frenata rigenerativa, ma presenta anche alcune limitazioni. Come accennato in precedenza, la velocità alla quale le batterie possono caricarsi è lenta rispetto alla velocità alla quale possono scaricarsi. Ciò limita la quantità di energia recuperata che le batterie possono immagazzinare durante una frenata improvvisa (decelerazione rapida). Non è consigliabile utilizzare la frenata rigenerativa in condizioni di piena carica. È perché il sovraccarico può danneggiare le batterie, ma il circuito elettronico ne impedisce il sovraccarico. In questo caso, il banco di condensatori può immagazzinare l'energia e aiutare ad estendere la portata. Se non è presente, vengono applicati i freni meccanici per arrestare il veicolo.

Sappiamo che l'energia cinetica è data da 0,5 * m * v ². La quantità di energia che possiamo recuperare dipende dalla massa del veicolo e anche dalla velocità con cui viaggia. La massa totale è maggiore nei veicoli pesanti come auto elettriche, autobus elettrici e camion. Nel ciclo di guida urbano, questi veicoli pesanti guadagnerebbero un grande slancio dopo l'accelerazione nonostante la crociera a bassa velocità. Quindi in frenata l'energia cinetica disponibile è maggiore rispetto a uno scooter elettrico che viaggia alla stessa velocità. Pertanto, l' efficacia della frenata rigenerativa è maggiore nelle auto elettriche, negli autobus e in altri veicoli pesanti. Sebbene pochi scooter elettrici abbiano la caratteristica della frenata rigenerativa, il suo impatto sul sistema (la quantità di energia recuperata o l'autonomia estesa) non è efficace come nelle auto elettriche.

La necessità di banchi di condensatori o ultra condensatori

Durante la frenata, dobbiamo arrestare o ridurre istantaneamente la velocità del veicolo. Pertanto l'operazione di frenatura in quell'istante è presente per breve tempo. Le batterie hanno un limite al tempo di ricarica, non possiamo scaricare più energia alla volta perché degraderà le batterie. Oltre a questo, la ricarica e lo scaricamento frequenti della batteria riducono anche la durata della batteria. Per evitarli, aggiungiamo al sistema un banco di condensatori o ultracondensatori. Gli ultra condensatori o super condensatori possono scaricarsi e caricarsi per molti cicli senza alcun degrado delle prestazioni, il che aiuta ad aumentare la durata della batteria. L'ultra condensatore ha una risposta rapida, che aiuta a catturare i picchi / picchi di energia in modo efficace durante l'operazione di frenata rigenerativa.Il motivo per scegliere un ultra condensatore è che può immagazzinare 20 volte più energia dei condensatori elettrolitici. Questo sistema ospita un convertitore da CC a CC. Durante l'accelerazione, l'operazione boost consente al condensatore di scaricarsi fino a un valore di soglia. Durante la decelerazione (cioè la frenata) il funzionamento buck consente al condensatore di caricarsi. Gli ultra condensatori hanno una buona risposta ai transienti, utile durante l'avviamento del veicolo. Memorizzando l'energia recuperata oltre alla batteria, può aiutare ad estendere l'autonomia del veicolo e può anche supportare un'accelerazione improvvisa con l'aiuto del circuito boost.frenatura) il funzionamento buck consente la carica del condensatore. Gli ultra condensatori hanno una buona risposta ai transienti, utile durante l'avviamento del veicolo. Memorizzando l'energia recuperata oltre alla batteria, può aiutare ad estendere l'autonomia del veicolo e può anche supportare un'accelerazione improvvisa con l'aiuto del circuito boost.frenatura) il funzionamento buck consente la carica del condensatore. Gli ultra condensatori hanno una buona risposta ai transienti, utile durante l'avviamento del veicolo. Memorizzando l'energia recuperata oltre alla batteria, può aiutare ad estendere l'autonomia del veicolo e può anche supportare un'accelerazione improvvisa con l'aiuto del circuito boost.