С тех пор как более 20 лет назад с конвейера сошел первый Toyota Prius, концепция рекуперативного торможения стала довольно известной как метод увеличения запаса хода гибридных и электрических автомобилей. Но знали ли вы, что рекуперативное торможение не ограничивается только электромобилями? В наши дни его можно найти во всем: от электровелосипедов и самокатов до электрических скутеров.
Присоединяйтесь к нам, и мы подробно рассмотрим рекуперативное торможение и его эффективность в различных электромобилях.
Что такое рекуперативное торможение?
Движущиеся транспортные средства обладают большой кинетической энергией, и когда для замедления автомобиля применяются тормоза, вся эта кинетическая энергия должна куда-то деваться. В доисторические времена автомобилей с двигателями внутреннего сгорания тормоза были исключительно фрикционными и преобразовывали кинетическую энергию автомобиля в рассеиваемое тепло для замедления автомобиля. Вся эта энергия просто терялась в окружающей среде.
К счастью, мы как вид эволюционировали и разработали лучший способ. Рекуперативное торможение использует двигатель электромобиля в качестве генератора для преобразования большей части кинетической энергии, теряемой при замедлении, обратно в запасенную энергию в аккумуляторе автомобиля. Затем, в следующий раз, когда автомобиль ускоряется, он использует большую часть энергии, ранее запасенной от рекуперативного торможения, вместо того чтобы черпать из собственных запасов энергии.
Важно понимать, что само по себе рекуперативное торможение не является магическим усилителем запаса хода для электромобилей. Оно не делает электромобили более эффективными как таковыми, оно просто делает их менее неэффективными. По сути, самый эффективный способ вождения любого транспортного средства — это ускорение до постоянной скорости, а затем никогда не нажимать на педаль тормоза. Поскольку торможение отнимает энергию и требует дополнительной энергии для возвращения к скорости, лучший запас хода достигался бы просто путем никогда не замедляться.
Но это, очевидно, непрактично. Поскольку нам приходится часто тормозить, рекуперативное торможение — это следующее лучшее решение. Оно использует неэффективность торможения и просто делает процесс менее расточительным.
Насколько хорошо работает рекуперативное торможение?
Для оценки рекуперативного торможения нам действительно нужно рассмотреть два разных параметра: эффективность и результативность. Несмотря на то, что они звучат похоже, эти два понятия весьма различны. Эффективность относится к тому, насколько хорошо рекуперативное торможение улавливает «потерянную» энергию от торможения. Теряется ли много энергии в виде тепла, или вся эта кинетическая энергия преобразуется обратно в запасенную энергию? Результативность, с другой стороны, относится к тому, какое влияние на самом деле оказывает рекуперативное торможение. Увеличивает ли оно ваш запас хода измеримо, или вы не заметите особой разницы?
Эффективность
Ни одна машина не может быть на 100% эффективной (без нарушения законов физики), поскольку любое преобразование энергии неизбежно влечет за собой некоторые потери в виде тепла, света, звука и т. д. Эффективность процесса рекуперативного торможения варьируется в зависимости от многих транспортных средств, двигателей, аккумуляторов и контроллеров, но часто составляет около 60-70%. Рекуперация обычно теряет около 10-20% улавливаемой энергии, а затем автомобиль теряет еще 10-20% при преобразовании этой энергии обратно в ускорение, согласно Tesla. Это довольно стандартно для большинства электромобилей, включая автомобили, грузовики, электровелосипеды, электросамокаты и т. д.
Имейте в виду, что эти 70% не означают, что рекуперативное торможение даст 70% увеличение запаса хода. Это не увеличит ваш запас хода со 100 миль до 170 миль. Это просто означает, что 70% кинетической энергии, потерянной во время торможения, могут быть снова преобразованы в ускорение позже.
Вот почему простое сообщение об эффективности системы на самом деле ничего не значит. Кто-то может быть очень эффективным, когда работает, но если он работает всего час в день, он, вероятно, не достигнет многого. Что должно нас больше интересовать, так это результативность рекуперативного торможения.
Результативность
Вот где все становится по-настоящему интересным. Результативность рекуперативного торможения — это мера того, насколько оно может увеличить ваш запас хода. Делает ли оно ваш теоретический запас хода на 5% больше? На 50% больше? Или даже больше?
Как вы, вероятно, уже догадались, результативность рекуперативного торможения значительно варьируется в зависимости от таких факторов, как условия вождения, рельеф местности и размер транспортного средства.
Условия вождения оказывают большое влияние. Вы увидите гораздо лучшую результативность рекуперативного торможения в городском трафике с частыми остановками, чем при движении по шоссе. Это должно быть понятно, поскольку если вы будете часто тормозить, вы будете рекуперировать гораздо больше энергии, чем если бы вы просто ехали часами, не нажимая на педаль тормоза. Рельеф местности также играет здесь большую роль, поскольку движение в гору не дает много возможностей для торможения, но движение под гору позволит рекуперировать гораздо больше энергии из-за длительных периодов торможения. На длинных спусках рекуперативное торможение может использоваться почти постоянно для регулирования скорости при непрерывной зарядке аккумулятора.
Размер транспортного средства может быть самым важным фактором в результативности рекуперативного торможения по простой причине, что более тяжелые транспортные средства обладают гораздо большим импульсом и кинетической энергией. Подобно тому, как большой маховик более эффективен, чем маленький маховик, четырехколесный электромобиль обладает гораздо большей кинетической энергией в движении, чем электровелосипед или скутер.
Данные для сравнения получить довольно сложно. Автомобили Tesla показывают мощность рекуперативного торможения, например, 60 кВт при резком торможении, но это не отвечает на более интересный вопрос. Мы хотим знать, сколько энергии мы рекуперируем за поездку, а не насколько сильны наши тормоза каждый раз, когда мы нажимаем на педаль.
К счастью, ряд водителей Tesla сообщили данные о вкладе энергии, используя различные приложения для отслеживания данных. Водители Model S сообщили о рекуперации до 32% от общего потребления энергии при движении вверх, а затем вниз. Это, например, увеличило бы запас хода автомобиля со 100 миль до 132 миль. Владелец Model S P85D сообщил примерно о 28% рекуперации энергии (форум на датском языке), а другие сообщали о рекуперации от 15% до 20% от общего потребления кВт⋅ч в среднем во время обычных поездок.
Данные приложения LinkMyTesla водителя Tesla, показывающие примерно 30% потребления энергии аккумулятора, рекуперированной с помощью рекуперативного торможения.
Для более компактных электромобилей, таких как личные электромобили, цифры не так оптимистичны. На нескольких электровелосипедах с опциями рекуперативного торможения я в среднем получал около 4-5% рекуперации, с максимумом около 8% в холмистых районах. Другие личные электромобили, включая электросамокаты и скейтборды, показывают аналогичные результаты, обычно в нижнем диапазоне однозначных чисел. Опять же, помните, что это не сырая эффективность системы (то есть, сколько энергии торможения теряется при передаче энергии), а результативность (то есть, насколько увеличивается ваш запас хода за счет использования рекуперативного торможения).
Как я уже упоминал выше, это в основном связано с меньшим весом личных электромобилей. Они просто не обладают большим импульсом и, следовательно, имеют меньше кинетической энергии для преобразования обратно в аккумулятор.
Имеет ли значение, насколько хорошо работает рекуперативное торможение?
В индустрии электровелосипедов рекуперативное торможение иногда может использоваться больше как маркетинговый инструмент, чем как функция. Поскольку рекуперативное торможение обычно возможно только в электровелосипедах с большими мотор-колесами без редукторов, производители таких электровелосипедов будут расхваливать эффективность своих моделей. В то же время производители электровелосипедов с центральными двигателями и другими мотор-редукторами, не способными к рекуперативному торможению, будут отвергать его как неэффективное и просто не стоящее того.
Большинство электровелосипедов с центральным двигателем не способны к рекуперативному торможению
Дело в том, что для более компактных и личных электромобилей рекуперативное торможение не так эффективно, как для электромобилей, но оно по-прежнему имеет множество преимуществ.
Одним из самых больших преимуществ рекуперативного торможения для более компактных личных электромобилей является дополнительная тормозная сила. Некоторые PEV, такие как электрический скутер Xiaomi M365, используют рекуперативное торможение только для переднего мотор-колеса, полагаясь при этом на традиционный дисковый тормоз для заднего колеса. Это означает, что скутер имеет два независимых тормоза с одним тормозным рычагом для их активации, что снижает стоимость, вес и сложность.
Рекуперативное торможение также позволяет использовать тормоза на электрических скейтбордах — достижение, которое ранее осуществлялось с помощью функции переменного торможения подошвой обуви о тротуар. С популярными электрическими скейтбордами, такими как Boosted Board, развивающими скорость более 20 миль в час, электрическое торможение, осуществляемое с помощью рекуперации, является весьма приветствуемой функцией безопасности.
Еще одним преимуществом рекуперативного торможения является продление срока службы традиционных тормозных компонентов, таких как тросы и тормозные колодки. Их может быть неудобно обслуживать и заменять, особенно учитывая, что электровелосипеды и скутеры преодолевают гораздо большие расстояния и развивают более высокую скорость, чем их неэлектрические аналоги, и тормозные колодки у них изнашивались бы гораздо быстрее. У одного из моих электровелосипедов нет рекуперации из-за наличия редукторных двигателей, которые свободно вращаются, и мне кажется, что я постоянно настраиваю и регулирую тормоза. На электровелосипедах с поддержкой рекуперации я обнаруживаю, что часто могу полагаться почти исключительно на рекуперативное торможение, что означает минимальное использование тормозных колодок.
В конечном итоге, рекуперативное торможение никогда не будет таким же эффективным в более компактных транспортных средствах, как в более крупных, просто из-за физики. Из-за этого отсутствие рекуперации в электровелосипедах и других PEV не является критическим недостатком. Однако преимущества рекуперативного торможения, помимо простого улавливания энергии, нельзя игнорировать. И, черт возьми, я всегда рад бесплатным 5% увеличению запаса хода!