6. Аккумулирование энергии при торможении и гибридные приводы

В предыдущей главе была рассмотрена целесообразность движения с изменяющейся скоростью и указано на возможность повышения экономичности при аккумулировании энергии, теряемой в процессе торможения.

При торможении теряется от 15 до 60 % кинетической энергии, придаваемой автомобилю двигателем. Доля этой потери зависит от вида автомобиля и типа движения (город, шоссе). На математических моделях было установлено, что если бы использовалось лишь несколько процентов этой энергии, то в условиях городского движения расход топлива автомобилем снизился бы на 20-30 %. Решение этой проблемы привлекает поэтому большое внимание специалистов.

Как уже отмечалось, довольно просто решается проблема аккумулирования энергии, теряющейся при торможении, у электромобилей. Если говорить об электромобилях с собственным электрическим аккумулятором, то для этого достаточно использовать приводной электродвигатель как генератор, который будет заряжать аккумулятор. Последний должен обеспечивать достаточный пробег электромобиля без перезарядки, иметь поэтому высокую емкость и, следовательно, способность запасать значительную энергию.

Кроме энергии при торможении можно аккумулировать и энергию при спуске с длинных пологих склонов.

Наиболее выгодны условия аккумулирования энергии у автомобилей, предназначенных для эксплуатации в качестве средств городского транспорта с частыми остановками. Энергия, полученная за время движения между двумя остановками, не слишком велика, но если ее сразу использовать для последующего разгона, то аккумулятор будет иметь небольшой объем и его можно легко разместить в автомобиле.

При эксплуатации легкового автомобиля кроме торможения на горизонтальных участках дорог можно утилизировать также и торможение на длинных пологих спусках, однако чтобы запасти достаточное количество энергии, необходим аккумулятор больших размеров, а это приводит к потере полезного объема кузова и увеличению массы. По этой причине опыты с аккумуляторами проводятся большей частью на городских автобусах.

У электромобилей, получающих энергию из контактной (троллейной) сети, возможность аккумулирования энергии практически не имеет границ. В этих случаях электрическое аккумулирование достаточно просто осуществимо. Тяговый двигатель при переходе в генераторный режим становится элементом тормозной системы, эффективность которого, однако, снижается с падением частоты вращения и который не может остановить автомобиль и удерживать его в заторможенном состоянии. Поэтому он должен быть дополнен обычным стояночным тормозом, приводимым в действие при малых скоростях перед остановкой автомобиля. Энергию стояночного тормоза аккумулировать невозможно.

Так как в большинстве случаев автомобиль обычно имеет только одну ведущую ось, то и электрический тормоз действует также лишь на нее. В качестве ведущей выгоднее использовать заднюю ось, которая при разгоне и движении на подъеме загружена больше. Для торможения более пригодна передняя ось, нагрузка на которую больше при замедлении автомобиля и при движении на спуске. На границе скольжения колеса в этом случае задняя ведущая ось не сможет аккумулировать столько энергии, сколько нужно ее использовать при разгоне.

Для экстренного торможения недостаточно тормозов только на одной оси, особенно на задней. Поэтому полная возможность аккумулирования энергии ведущей осью ограничена, а устройства для утилизации энергии торможения на передней не ведущей оси весьма сложны.

Наиболее подходящие условия аккумулирования энергий при торможении имеются в метрополитене. Движение между двумя станциями достаточно равномерное и в отличие от городских автобусов происходит без торможения и остановок на перекрестках. В связи с тем, что большинство пассажиров в метро стоит, интенсивность торможения довольно низкая, и выгодно торможение только тяговым двигателем; стояночный тормоз применяется лишь перед полной остановкой состава.

Экономия энергии, достигаемая аккумулированием, была проверена в метрополитене г. Нью-Йорка в цикле движения с 76 остановками. В испытательных вагонах, включенных в процесс обычной эксплуатации, были установлены инерционные (маховичные) аккумуляторы, приводимые электродвигателем.

Каждый вагон имел два инерционных аккумулятора, размещенных под полом, в связи с чем диаметр маховика был ограничен 500 мм. Аккумулятор состоял из четырех маховиков, расположенных в общем герметичном корпусе с давлением воздуха, равным 1/30 атмосферного давления, что позволяло снизить аэродинамические потери энергии при вращении маховиков. Масса каждого из маховиков - 68 кг. Для торможения и разгона поезда используется диапазон частоты вращения маховиков 9800-14 000 мин^-1. На валу каждого аккумулятора был установлен генератор, предназначенный для ускорения или торможения маховика.

Если частота вращения маховика снижается до нижней границы рабочего диапазона, то маховик ускоряется за счет подвода энергии из сети питания. Нижняя граница рабочего диапазона частоты вращения установлена так, чтобы при нарушении подачи электроэнергии кинетической энергии маховиков хватило бы для достижения ближайшей станции. При остановке вагона с вращающимся маховиком энергию можно отвести в сеть.

Принцип работы системы изображен на рис. 31. Аккумулятор S электрически соединен с блоком регулирования X и с тяговым двигателем М на ведущей оси вагона. При торможении (схема 1) ведущее колесо вагона приводит в движение электродвигатель М, который, работая в режиме генератора, обеспечивает разгон маховика аккумулятора. Соединение регулятора с сетью при этом прервано.

Рис. 31. Схема работы инерционного аккумулятора вагона метрополитена

При последующем разгоне (схема 2) вращающийся маховик через свой генератор передает энергию электродвигателю М и одновременно на этот двигатель поступает также энергия из сети. Таким образом сеть питания при разгоне частично разгружается.

После достижения поездом эксплуатационной скорости (схема 3) регулятор X отключит подачу энергии от генератора маховика и оставит только питание из сети. Введение в эксплуатацию таких вагонов с маховичными аккумуляторами позволило сэкономить 30 % энергии.