Рекуперати́вное торможе́ние (от лат. recuperatio «обратное получение; возвращение») — вид электрического торможения, при котором электроэнергия, вырабатываемая тяговыми электродвигателями, работающими в генераторном режиме, возвращается в электрическую сеть.
На сегодняшний день потребность автомобилей в электроэнергии возрастает, что связано с использованием всё большего числа электропотребителей: системы подогрева сидений и руля, «продвинутые» аудиосистемы, навигаторы, телевизоры и многое другое, не говоря уже о современных автомобилях на электротяге, где вопрос источников электричества стоит на первом месте. Так инженеры-конструкторы, многих автозаводов, видят решение этих проблем в использовании системы рекуперативного торможения, которая позволяет не только компенсировать потери электроэнергии, но и продлить ресурс тормозных колодок. Рекуперативные тормозные системы стали также одним из решений проблемы снижения расхода топлива. Они используют электромоторы или генераторы для преобразования энергии замедления автомобиля в электричество, возвращая часть энергии сгоревшего в двигателе топлива обратно.
Разберем наиболее известные системы рекуперации тормозных усилий на сегодняшний день..
Компания Mazda провела исследования того, как на автомобилях происходит разгон и торможение, и разработала высокоэффективную рекуперативную тормозную систему, которая практически мгновенно преобразует в электричество большой объем кинетической энергии при каждом замедлении автомобиля. В отличие от гибридных силовых установок, разработка компании Mazda не нуждается в дополнительном электромоторе и аккумуляторных батареях.[1]
Данная система рекуперации получила название i-ELoop (IntelligentEnergyLoop), что дословно переводится как «умная энергетическая петля», отражая стремление Mazdaк эффективному расходу энергии.
Разберем саму систему i-ELoop…Система i-ELoop включает в себя новый регулируемый генератор (напряжение 12 — 25 В), суперконденсатор с пониженным внутренним сопротивлением и преобразователь постоянного тока. i-ELoop начинает преобразовывать кинетическую энергию в накопление электроэнергии в тот момент, когда водитель начинает отпускать педаль акселератора и автомобиль замедляется. Регулируемый генератор начинает вырабатывать ток напряжением 25 В (для максимальной эффективности), который поступает в суперконденсатор для последующего хранения. Данный суперконденсатор был разработан специально с целью использования в автомобилях. Его полная зарядка занимает всего несколько секунд. Преобразователь постоянного тока вступает в работу, когда запасенная в суперконденсаторе энергия начинает расходоваться на питание электрооборудования автомобиля. Он понижает напряжение с 25 до 12 В, — до уровня, используемого в основной части бортовой электросети автомобиля. При необходимости система также может подзарядить аккумуляторную батарею. i-ELoop включается в работу при каждом замедлении автомобиля, уменьшая количество топлива, которое необходимо сжечь в двигателе для выработки электроэнергии. В результате, при движении в режиме «старт-стоп» экономичность повышается примерно на 10 процентов.[1]
Принципиальная схема работы указана на рисунке ниже:
Помимо электрического способа рекуперации кинетической энергии существуют и другие способы: механический, гидравлический, пневматический. Самый распространенный из них является механический способ и построенные на его основе система рекуперации кинетической энергии (Kinetic Energy Recovery Systems, KERS). В данной системе кинетическая энергия движущегося автомобиля возвращается при торможении и сохраняется для дальнейшего использования с помощью маховика. В отличие от рекуперативного торможения система KERS не создает тормозной момент.
Маховик включен в трансмиссию автомобиля, вращается в вакуумной камере и при торможении разгоняется до 60000 об/мин. Конструкция обеспечивает сохранение энергии до 600 кДж и передачу мощности до 60 кВт (80 л.с.). Запасенная энергия используется для кратковременного скоростного рывка в движении или при трогании с места.
Система KERS применяется в автоспорте на автомобилях Formula 1 с 2009 года. На автомобилях массового использования применение данной системы только планируется. Ближе всех к серийному применению системы рекуперации кинетической энергии находятся разработки компании Volvo.
Cистему KERS предлагается использовать при движении автомобиля в городском цикле. При торможении двигатель автомобиля выключается, маховик раскручивается и запасает энергию. При трогании с места используется энергия маховика, автомобиль трогается, а двигатель запускается уже в движении.
По заявлениям Volvo применение системы рекуперации кинетической энергии обеспечивает снижение расхода топлива на 20% и сокращение вредных выбросов.[2]
Следует также отметить, что система KERS применяется и в автомобилях с гибридной установкой, в частности, в автомобиле Porsche 911 GT3 R Hybrid. В этом автомобиле наибольший интерес вызывает аккумулятор, а точнее гироскопический накопитель энергии, который выполняет роль аккумулятора. По сути же это электродвигатель, но его ротор вращается в вакууме со скорость 40 000 обр/ мин. Разберем принцип работы данной системы: при торможении электродвигатели, установленные на передней оси автомобиля, выполняют роль генератора, раскручивая ротор «аккумулятора» Porsche, в процессе разгона роли меняются и уже «аккумулятор»,вырабатывая электричество, от полученного вращения, отдает его на питание электродвигателей. У данной схемы есть большое преимущество, по отношению к авто с обычными аккумуляторами, и это возможность быстрой «зарядки» накопителя энергии, что невозможно в литий-ионных аккумуляторах из-за черезмерного перегрева последних.
Из недостатков системы KERSособенно актуален следующий: хоть маховик и вращается в вакууме, но от трения в подшипниках никуда не денешься и, в результате, при долгой остановке, например, на светофоре, значительная часть переданной энергии теряется в пустую: на трение в подшипниках. Поэтому наибольшее применение данная система получила именно в гоночных автомобилях, где время остановок минимально
Перейдем к рассмотрению принципа работы,наверное, самого массового автомобиля с гибридной установкой-ToyotaPrius. Говоря о рекуперации тормозных усилий данного гибрида, следует упомянуть его конструктивные особенности. 
Этот автомобиль помимо традиционного ДВС имеет и два электрических мотора/генератора. Они схожи по конструкции, но отличаются по размерам. Оба – трехфазные синхронные двигатели на постоянных магнитах. Их название кажется сложнее, чем сама конструкция. Ротор (часть, которая вращается) представляет собой большой мощный магнит и не имеет никаких электрических соединений. Статор (неподвижная часть, прикрепленная к корпусу автомобиля) содержит три набора обмоток. В зависимости от сигнала программы процессора мотор/генератор может стать как производителем электроэнергии, так и ее потребителем. Эти свойства, собственно говоря, и отразились в названии агрегата.MG1 связан с солнечной шестерней устройства распределения мощности PSD. Он – меньший из двух и имеет максимальную мощность около 33 кВт. Обычно он производит запуск ДВС и регулирует его обороты изменением величины генерируемой электроэнергии. MG2 связан с коронной шестерней планетарного механизма (устройства распределения мощности) и далее через редуктор соединен с колесами. Для упрощения понимания запомним, что MG2 всегда (постоянно) связан с колесами автомобиля. MG2 имеет максимальную мощность 50 кВт. Его иногда называют «тяговым электромотором». Обычная роль MG2 в силовом агрегате – приводить автомобиль в движение как двигатель или вырабатывать электроэнергию как генератор при торможении. Оба мотора/генератора имеют жидкостное охлаждение.[3]
Теперь поговорим о самом режиме рекуперации. Стоит заметить, что Prius способен питать высоковольтную батарею (ВВБ) не только в режиме «торможения», но и в режиме холостого хода ДВС, при движении на умеренных скоростях (до 40 км/ч), при движении накатом и, если необходимая мощность не так высока, часть электричества, производимого MG1, может использоваться для зарядки батареи даже в режиме набора скорости. Вернемся к рекуперации энергии в режиме торможения…
Если вы планируете замедлить движение автомобиля быстрее, чем при движении накатом, используя сопротивление качения, аэродинамическое сопротивление и торможение двигателем, вы нажимаете на педаль тормоза. В обычном автомобиле это давление передается гидравлическим контуром на колесные тормозные механизмы. Тормозные колодки прижимаются к металлическим дискам или барабанам, и энергия движения автомобиля преобразовывается в тепловую, и автомобиль замедляет движение, а затем останавливается. Prius имеет точно такие же тормоза, но имеет и кое-что еще – регенеративное торможение. Что это такое?
Схема работы автомобиля в режиме регенерации энергии выглядит следующим образом:
Во время движения накатом MG2 «организует» генераторную нагрузку, которая имитирует торможение двигателем. При нажатии на педаль тормоза увеличивается генерация электроэнергии MG2, что реализуется резким повышением такой нагрузки. В результате автомобиль быстрее замедляет ход. В отличие от тормозов трения, которые тратят впустую кинетическую энергию на производство тепла, электроэнергия, произведенная регенеративным торможением, сохранится в батарее и в дальнейшем будет использована. Компьютер вычисляет, какое замедление будет произведено таким способом, и на соответствующую величину уменьшает гидравлическое давление, передаваемое фрикционным тормозным механизмам.
В обычном автомобиле в режиме эксплуатации крутого спуска вы переключаетесь на пониженную передачу, чтобы увеличить интенсивность торможения двигателем. Силовой агрегат, противодействуя движению, помогает тормозам замедлить скорость. Тот же выбор режима торможения доступен и Prius. Установив рычаг управления ТС в положение «B», вы, собственно, задаете режим, при котором двигатель будет использован и для торможения. Как правило, двигатель в режиме торможения работает в программе «B». Она реализует задачу таким образом, чтобы мотор/генераторы включились в процесс торможения путем управления электрическими потоками, а ДВС вращался без топлива и с почти закрытым дросселем. Сопротивление, которое создает силовой агрегат, работающий в этой программе, эффективно замедляет автомобиль, уменьшая нагревание тормозов, и позволяет ослабить усилия давления на педаль тормоза. [3]
В работе электронная система рекуперативного торможения взаимодействует с антиблокировочной системой тормозов, системой распределения тормозных усилий, системой курсовой устойчивости, усилителем экстренного торможения.
К недостаткам данной системы можно отнести тот факт, что в данной тормозной системе механическая связь между педалью тормоза и тормозными колодками отсутствует. Решение о торможении принимает электроника на основании анализа действий водителя и характера движения автомобиля.
Говоря о рекуперативной тормозной системе 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.[4]
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.
Именно по этой причине система рекуперативного торможения требует усовершенствований и доработок в области безопасного использования на дорогах общего пользования. Одной из таких доработок может стать альтернативная педаль торможения, которой водитель сможет воспользоваться в случае экстренной ситуации. Гибриды, электрокары да и многие современные автомобиле с традиционным ДВС, в силу своих конструктивных особенностей, имеют лишь две педали управления автомобилем:,,газ” и,,тормоз’’- и дополнительная третья педаль, думаю, не вызовет особенных трудностей в управлении ТС. Особенностью дополнительной педали торможения в автомобилях с системой рекуперации будет являться то, что она не будет зависеть от команд ЭБУ, отвечающего за распределение тормозных усилий между генератором и тормозными колодками, а, как и в традиционной системе торможения, будет передавать усилие от педали тормоза непосредственно к тормозным колодкам, тем самым гарантируя 100% срабатывание тормозов в случае необходимости, обеспечивая эффективное торможение на всех режимах движения автомобиля.
Еще одним решением проблемы увеличения тормозного пути автомобиля, при использовании исследуемой системы, может стать режим,,отключения рекуперации тормозных усилий”, который будет рекомендован к использованию в ситуации, когда автомобиль едет в городском трафике с относительно низкими скоростями движения, когда система рекуперации имеет наименьший коэффициент эффективности.
Также можно комбинировать несколько систем в одном автомобиле. К примеру, создать систему рекуперации с электродвигателями на передней оси, работающие по схеме ToyotaPrius, с системой KERS на задней оси, применяемой на автомобилях Volvo. Данный симбиоз двух систем позволит повысить тягово-динамические характеристики автомобиля, особенно при старте, и уменьшит тормозной путь, без применения тормозных колодок, поскольку тормозной момент будет создаваться не только работающими генераторами, но и маховиком, что должно значительно повысить эффективность рекуперации и продлить срок службы тормозных колодок.
Так любое из этих решений позволит сделать автомобили с рекуперативной тормозной системой более безопасными, возможно, даже, по сравнению с автомобилями использующими обычную систему торможения, поскольку, при правильной работе систем рекуперации, тормозной момент создается не только тормозными цилиндрами по средствам колодок, но и генераторам либо маховиком
Список используемой литературы:
1. Электронно-информационный ресурс [https://www.drive.ru/blogs/mazda/4efb33b900f11713001e6874.html ]
2. Электронно-информационный ресурс [https://www.drive2.ru/b/1435051 ]
3. Электронно-информационный ресурс [https://www.abs-magazine.ru/article/tehnologii-remonta-iobslujivaniya-gibridnih-avtomobiley-shkola-sergeya-gordeeva-urok-tretiy]
4. Электронно-информационный ресурс [https://www.facepla.net/index.php/content-info/346-recuperate-friction-regen-braking ]