كيف يعمل الكبح المتجدد في السيارات الكهربائية

الكبح هو أحد الجوانب المهمة للمركبة. إن نظام الكبح الميكانيكي الذي نستخدمه في سياراتنا له عيب كبير يتمثل في إهدار الطاقة الحركية للسيارة كحرارة. هذا يقلل من الكفاءة الكلية للسيارة من خلال التأثير على الاقتصاد في استهلاك الوقود. في دورة القيادة الحضرية ، نميل إلى بدء وإيقاف السيارة في كثير من الأحيان عند مقارنتها بدورة القيادة على الطرق السريعة. نظرًا لأننا نستخدم الفرامل كثيرًا في دورة القيادة الحضرية ، فإن فقدان الطاقة يكون أكثر. توصل المهندسون إلى نظام الكبح المتجددلاستعادة الطاقة الحركية المشتتة كحرارة أثناء الكبح في طريقة الكبح التقليدية. وفقًا لقوانين الفيزياء ، لا يمكننا استعادة كل الطاقة الحركية المفقودة ولكن لا يزال من الممكن تحويل كمية كبيرة من الطاقة الحركية وتخزينها في بطارية أو مكثف فائق. تساعد الطاقة المستردة في تحسين الاقتصاد في استهلاك الوقود في المركبات التقليدية وتساعد في توسيع نطاق السيارات الكهربائية. تجدر الإشارة إلى أن عملية الكبح التجديدي لها خسائر أثناء استعادة الطاقة الحركية. قبل الذهاب إلى أبعد من ذلك ، يمكنك أيضًا الاطلاع على مقالات أخرى مثيرة للاهتمام حول المركبات الكهربائية:

• مقدمة المهندس للمركبات الكهربائية (EVs)
• أنواع المحركات المستخدمة في المركبات الكهربائية

و مفهوم التجدد الكبح يمكن تنفيذها في السيارات التقليدية باستخدام عجلات يطير. الحذافات عبارة عن أقراص ذات قصور ذاتي عالٍ والتي تدور بسرعة عالية جدًا. تعمل كجهاز تخزين طاقة ميكانيكي عن طريق امتصاص (تخزين) الطاقة الحركية للمركبة أثناء الكبح. يمكن استخدام الطاقة المستردة أثناء عملية الكبح لمساعدة السيارة أثناء بدء الحركة أو صعود التلال.

في السيارات الكهربائية ، يمكننا دمج الكبح المتجدد بطريقة إلكترونية أكثر فاعلية. سيؤدي ذلك إلى تقليل الحاجة إلى الحذافات الثقيلة ، مما يضيف وزنًا إضافيًا إلى الوزن الإجمالي للسيارة. السيارات الكهربائية لديها مشكلة متأصلة من قلق المدى بين المستخدمين. على الرغم من أن متوسط ​​سرعة السيارة في دورة القيادة الحضرية يتراوح بين 25 و 40 كيلومترًا في الساعة ، إلا أن التسارع المتكرر والفرملة تستنزف البطارية قريبًا. نحن نعلم أن المحركات يمكن أن تعمل كمولد في ظل ظروف معينة. باستخدام هذه الميزة ، يمكن للمرء أن يمنع إهدار الطاقة الحركية للسيارة. عندما نطبق الفرامل في السيارات الكهربائية ، فإن وحدة التحكم في المحرك (التي تعتمد على خرج مستشعر دواسة الفرامل) تقلل من الأداء أو توقف المحرك. خلال هذه العملية ، تم تصميم وحدة التحكم في المحركاستعادة الطاقة الحركية وتخزينها في البطارية أو بنوك المكثف. يساعد الكبح المتجدد في توسيع نطاق السيارة الكهربائية بنسبة 8-25٪. بصرف النظر عن توفير الطاقة وتحسين النطاق ، فإنه يساعد أيضًا في التحكم الفعال في عملية الكبح.

في نظام الكبح الميكانيكي ، يتم بذل عزم دوران عكسي على العجلة عندما نضغط على دواسة الفرامل. وبالمثل ، في وضع الكبح المتجدد ، يتم تقليل سرعة السيارة عن طريق بدء عزم دوران سلبي (معارضة للحركة) في المحرك بمساعدة وحدة التحكم في المحرك. يشعر الناس أحيانًا بالارتباك عندما يتصورون مفهوم أن المحرك يعمل كمولد عندما يدور في الاتجاه العكسي تحت وضع الكبح المتجدد. في هذه المقالة ، يمكن للمرء أن يفهم كيفية استعادة الطاقة الحركية من خلال طريقة الكبح المتجدد في السيارات الكهربائية.

كيف يعمل المحرك كمولد

أولاً ، سنركز على فهم كيفية عمل المحرك كمولد. لقد استخدمنا جميعًا محرك المغناطيس الدائم DC في تطبيقات الروبوتات مثل متابع الخط. عندما يتم تدوير عجلة الروبوت المتصلة بالمحرك بحرية (خارجيًا باليد) ، أحيانًا يتضرر محرك المحرك IC. يحدث هذا لأن المحرك يعمل كمولد ، ويتم تطبيق EMF الخلفي المتولد (الجهد العكسي ذو الحجم الأكبر) عبر المحرك IC ، مما يؤدي إلى إتلافه. عندما نقوم بتدوير المحرك في هذه المحركات ، فإنه يقطع التدفق من المغناطيس الدائم. نتيجة لذلك ، يتم حث EMF على معارضة التغيير في التدفق. لذلك ، يمكننا قياس الجهد عند أطراف المحرك. ذلك لأن EMF الخلفي هو دالة لسرعة الدوار (rpm). عندما تكون سرعة الدوران في الدقيقة أكبر وإذا كانت قوة الدفع الخلفية المتولدة أكثر من جهد الإمداد ، فإن المحرك يعمل كمولد. دعونا نرى الآنكيف يعمل هذا المبدأ في السيارات الكهربائية لتجنب فقدان الطاقة بسبب الكبح.

عندما يقوم المحرك بتسريع السيارة ، تزداد الطاقة الحركية المرتبطة به كمربع من السرعة. أثناء القيادة ، تتوقف السيارة عندما تصبح الطاقة الحركية صفراً. عندما نقوم بتطبيق الفرامل في سيارة كهربائية ، فإن وحدة التحكم في المحرك تعمل بطريقة تجعل المحرك يرتاح أو يقلل من سرعته. يتضمن ذلك عكس اتجاه عزم دوران المحرك إلى اتجاه الدوران. خلال هذه العملية ، يولد دوار المحرك المتصل بمحور القيادة EMF في المحرك (مماثل للمحرك الرئيسي / التوربين الذي يقود دوار المولد). عندما يكون EMF الناتج أكثر من جهد بنك المكثف ، تتدفق الطاقة من المحرك إلى البنك. وبالتالي يتم تخزين الطاقة المستردة في البطارية أو بنك المكثف.

كيف يعمل الكبح التجديدي في السيارة الكهربائية

دعونا نعتبر أن السيارة لديها محرك تحريضي ثلاثي الطور AC كمحرك لدفعها. من خصائص المحرك ، نعلم أنه عندما يعمل المحرك الحثي ثلاثي الطور فوق سرعته المتزامنة ، يصبح الانزلاق سالبًا ويعمل المحرك كمولد (مولد التيار المتردد). في ظل الظروف العملية ، تكون سرعة المحرك التعريفي دائمًا أقل من السرعة المتزامنة. و سرعة متزامنهي سرعة المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت الناتج عن تفاعل العرض ثلاثي الطور. في وقت بدء تشغيل المحرك ، يكون EMF المستحث في الدوار هو الحد الأقصى. عندما يبدأ المحرك في الدوران ، تنخفض EMF المستحثة كدالة للانزلاق. عندما تصل سرعة الدوار إلى السرعة المتزامنة ، فإن EMF المستحث هو صفر. في هذه المرحلة ، إذا حاولنا تدوير الدوار فوق هذه السرعة ، فسيتم تحريض EMF. في هذه الحالة ، يقوم المحرك بتزويد الطاقة النشطة مرة أخرى بالتيار الكهربائي أو الإمداد. نطبق الفرامل لتقليل سرعة السيارة. في هذه الحالة ، لا يمكننا أن نتوقع أن تتجاوز سرعة الدوار سرعة التواقت. هذا هو المكان الذي يأتي دور وحدة التحكم في المحرك في الصورة. لغرض الفهم ، يمكننا أن نتخيل مثل المثال الوارد أدناه.

لنفترض أن المحرك يدور عند 5900 دورة في الدقيقة وأن تردد الإمداد يكون 200 هرتز عندما نستخدم الفرامل ، يتعين علينا تقليل عدد الدورات في الدقيقة أو خفضها إلى الصفر. تعمل وحدة التحكم وفقًا للإدخال من مستشعر دواسة الفرامل وتقوم بهذه العملية. أثناء هذه العملية ، ستضبط وحدة التحكم تردد الإمداد أقل من 200 هرتز مثل 80 هرتز. لذلك تصبح السرعة المتزامنة للمحرك 2400 دورة في الدقيقة. من منظور وحدة التحكم في المحرك ، تكون سرعة المحرك أكثر من سرعته المتزامنة. نظرًا لأننا نقوم بتقليل السرعة أثناء عملية الكبح ، يعمل المحرك الآن كمولد حتى ينخفض ​​عدد الدورات في الدقيقة إلى 2400. خلال هذه الفترة ، يمكننا استخراج الطاقة من المحرك وتخزينها في البطارية أو بنك المكثف.وتجدر الإشارة إلى أن البطارية تستمر في إمداد الطاقة للمحركات الحثية ثلاثية الطور أثناء عملية الكبح التجديدي. ذلك لأن المحركات الحثية لا تحتوي على مصدر تدفق مغناطيسي عندما يكون العرض مغلقًا. لذلك ، عندما يعمل المحرك كمولد ، يقوم بسحب الطاقة التفاعلية من الإمداد لتأسيس رابط التدفق وإمداد الطاقة النشطة إليه. يختلف مبدأ استعادة الطاقة الحركية أثناء الكبح المتجدد للمحركات المختلفة. يمكن أن تعمل محركات المغناطيس الدائم كمولد بدون أي مصدر طاقة لأنه يحتوي على مغناطيس في الدوار لإنتاج تدفق مغناطيسي. وبالمثل ، فإن عددًا قليلاً من المحركات يحتوي على مغناطيسية متبقية فيها مما يلغي الإثارة الخارجية المطلوبة لإنشاء تدفق مغناطيسي.ذلك لأن المحركات الحثية لا تحتوي على مصدر تدفق مغناطيسي عندما يكون العرض مغلقًا. لذلك ، عندما يعمل المحرك كمولد ، يقوم بسحب الطاقة التفاعلية من الإمداد لتأسيس رابط التدفق وإمداد الطاقة النشطة إليه. يختلف مبدأ استعادة الطاقة الحركية أثناء الكبح المتجدد للمحركات المختلفة. يمكن أن تعمل محركات المغناطيس الدائم كمولد بدون أي مصدر طاقة لأنه يحتوي على مغناطيس في الدوار لإنتاج تدفق مغناطيسي. وبالمثل ، فإن عددًا قليلاً من المحركات يحتوي على مغناطيسية متبقية فيها مما يلغي الإثارة الخارجية المطلوبة لإنشاء تدفق مغناطيسي.ذلك لأن المحركات الحثية لا تحتوي على مصدر تدفق مغناطيسي عندما يكون العرض مغلقًا. لذلك ، عندما يعمل المحرك كمولد ، يقوم بسحب الطاقة التفاعلية من الإمداد لتأسيس رابط التدفق وإمداد الطاقة النشطة إليه. يختلف مبدأ استعادة الطاقة الحركية أثناء الكبح المتجدد للمحركات المختلفة. يمكن أن تعمل محركات المغناطيس الدائم كمولد بدون أي مصدر طاقة لأنه يحتوي على مغناطيس في الدوار لإنتاج تدفق مغناطيسي. وبالمثل ، فإن عددًا قليلاً من المحركات يحتوي على مغناطيسية متبقية ، مما يلغي الإثارة الخارجية المطلوبة لإنشاء تدفق مغناطيسي.مبدأ استعادة الطاقة الحركية أثناء الكبح التجديدي مختلف. يمكن أن تعمل محركات المغناطيس الدائم كمولد بدون أي مصدر طاقة لأنه يحتوي على مغناطيس في الدوار لإنتاج تدفق مغناطيسي. وبالمثل ، فإن عددًا قليلاً من المحركات يحتوي على مغناطيسية متبقية ، مما يلغي الإثارة الخارجية المطلوبة لإنشاء تدفق مغناطيسي.مبدأ استعادة الطاقة الحركية أثناء الكبح التجديدي مختلف. يمكن أن تعمل محركات المغناطيس الدائم كمولد بدون أي مصدر طاقة لأنه يحتوي على مغناطيس في الدوار لإنتاج تدفق مغناطيسي. وبالمثل ، فإن عددًا قليلاً من المحركات يحتوي على مغناطيسية متبقية فيها مما يلغي الإثارة الخارجية المطلوبة لإنشاء تدفق مغناطيسي.

في معظم السيارات الكهربائية ، يتم توصيل المحرك الكهربائي فقط بمحور الدفع الفردي (في الغالب بمحور الدفع الخلفي). في هذه الحالة ، نحتاج إلى استخدام نظام فرملة ميكانيكي (فرملة هيدروليكية) للعجلات الأمامية. هذا يعني أن جهاز التحكم يجب أن يحافظ على التنسيق بين نظامي الكبح الميكانيكي والإلكتروني أثناء استخدام المكابح.

هل الكبح التجديدي يستحق أن يتم تنفيذه في جميع المركبات الكهربائية؟

ليس هناك شك في إمكانات استعادة الطاقة في مفهوم طريقة الكبح المتجدد ، لكن لها بعض القيود أيضًا. كما أشرنا من قبل ، فإن المعدل الذي يمكن أن تشحن به البطاريات يكون بطيئًا بالمقارنة مع معدل تفريغها. هذا يحد من كمية الطاقة المستعادة التي يمكن أن تخزنها البطاريات أثناء الكبح المفاجئ (التباطؤ السريع). لا ينصح باستخدام الكبح المتجدد في ظل ظروف الشحن الكامل. ذلك لأن الشحن الزائد يمكن أن يتلف البطاريات ، لكن الدائرة الإلكترونية تمنع الشحن الزائد لها. في هذه الحالة ، يمكن لبنك المكثف تخزين الطاقة والمساعدة في توسيع النطاق. إذا لم يكن موجودًا ، فسيتم استخدام الفرامل الميكانيكية لإيقاف السيارة.

نحن نعلم أن الطاقة الحركية تعطى بمقدار 0.5 * م * ع ². تعتمد كمية الطاقة التي يمكننا استردادها على كتلة السيارة وكذلك السرعة التي تسير بها. الكتلة الكلية أكثر في المركبات الثقيلة مثل السيارات الكهربائية والحافلات الكهربائية والشاحنات. في دورة القيادة الحضرية ، تكتسب هذه المركبات الثقيلة زخمًا كبيرًا بعد التسارع على الرغم من الانطلاق بسرعة منخفضة. لذلك أثناء الكبح ، تكون الطاقة الحركية المتاحة أكثر عند مقارنتها بسكوتر كهربائي يسير بنفس السرعة. لذلك ، فإن فعالية الكبح المتجدد تكون أكثر في السيارات الكهربائية والحافلات والمركبات الثقيلة الأخرى. على الرغم من أن القليل من الدراجات البخارية الكهربائية لديها ميزة الكبح المتجدد ، إلا أن تأثيرها على النظام (كمية الطاقة المستردة ، أو المدى الممتد) ليس بنفس فعالية السيارات الكهربائية.

الحاجة إلى البنوك المكثفة أو المكثفات الفائقة

أثناء الكبح ، نحتاج إلى إيقاف أو تقليل سرعة السيارة على الفور. لذلك فإن عملية الكبح في تلك اللحظة موجودة لفترة قصيرة. للبطاريات حد لوقت الشحن لا يمكننا تفريغ المزيد من الطاقة في وقت واحد لأنها ستؤدي إلى تدهور البطاريات. بصرف النظر عن ذلك ، يؤدي الشحن والتفريغ المتكرر للبطارية أيضًا إلى تقليل عمر البطارية. لتجنب ذلك ، نضيف بنك مكثف أو مكثفات فائقة إلى النظام. يمكن للمكثفات الفائقة أو المكثفات الفائقة التفريغ والشحن للعديد من الدورات دون أي تدهور في الأداء ، مما يساعد في زيادة عمر البطارية. يتمتع المكثف الفائق باستجابة سريعة ، مما يساعد في التقاط ذروة / زيادة الطاقة بشكل فعال أثناء عملية الكبح المتجدد.سبب اختيار مكثف فائق هو أنه يمكنه تخزين طاقة أكثر 20 مرة من المكثفات الإلكتروليتية. يحتوي هذا النظام على محول DC إلى DC. أثناء التسارع ، تسمح عملية التعزيز للمكثف بالتصريف حتى قيمة عتبة. أثناء التباطؤ (أي الكبح) ، تسمح عملية باك للمكثف بالشحن. تتمتع المكثفات الفائقة باستجابة عابرة جيدة ، وهو أمر مفيد أثناء بدء تشغيل السيارة. من خلال تخزين الطاقة المستردة بصرف النظر عن البطارية ، يمكن أن تساعد في توسيع نطاق السيارة ويمكنها أيضًا دعم التسارع المفاجئ بمساعدة دائرة التعزيز.الكبح) تسمح عملية باك لشحن المكثف. تتمتع المكثفات الفائقة باستجابة عابرة جيدة ، وهو أمر مفيد أثناء بدء تشغيل السيارة. من خلال تخزين الطاقة المستردة بصرف النظر عن البطارية ، يمكن أن تساعد في توسيع نطاق السيارة ويمكنها أيضًا دعم التسارع المفاجئ بمساعدة دائرة التعزيز.الكبح) تسمح عملية باك لشحن المكثف. تتمتع المكثفات الفائقة باستجابة عابرة جيدة ، وهو أمر مفيد أثناء بدء تشغيل السيارة. من خلال تخزين الطاقة المستردة بصرف النظر عن البطارية ، يمكن أن تساعد في توسيع نطاق السيارة ويمكنها أيضًا دعم التسارع المفاجئ بمساعدة دائرة التعزيز.