Как работает рекуперация в тесла

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 21.09.2024

К счастью — это реально, а называется данный процесс — рекуперация (частичный возврат энергии). Система не является новинкой и уже довольно длительное время устанавливается на электрокары и гибридные автомобили, но многие обладатели подобной техники слабо разбираются в технических деталях своего приобретения. В этой теме, я хочу подробно обсудить процесс рекуперации, дабы доказать, что она является гениальной разработкой конструкторов, приносящей несомненную пользу автовладельцам.

Содержание:

Что такое рекуперация?
Виды систем рекуперации.
Рекуперация на электрокарах и гибридных модификациях (принцип работы).
Преимущества электрической рекуперации.
Недостатки электрической рекуперации.
Насколько реально эффективна рекуперация?
Нужна ли рекуперация лёгкому индивидуальному электротранспорту?
Использование системы рекуперации в механизме подвески.

Что такое рекуперация?

Движущийся автомобиль — это кинетическая энергия, а при задействовании тормозной системы, ей нужно куда-то деваться. В машинах работа тормозных механизмов основана на трении, от которого при замедлении транспортного средства будет вырабатываться тепло. Что из этого следует? А то, что оно просто уходит в никуда — бесследно растворяется в окружающей среде.

Смекалистые инженеры пошли на хитрость: они решили пускать даровую энергию в рациональное русло и добились того, что некоторая её часть таки будет возвращена. При следующем ускорении машины, аккумулятор будет использовать энергию, сохранённую ранее от рекуперации.

Здесь важно понимать, что регенерация не является каким-то волшебством, увеличивающим пробег средства передвижения на одном заряде. Данная система не сделает ваш автомобиль более эффективным как таковым, она просто делает его менее неэффективным. Если говорить по сути, то идеальной будет такая езда, при которой вы разгонитесь до определённого постоянного скоростного режима и будете удерживать его, не прибегая по ходу движения к торможению.

Дело в том, что для замедления и последующего возвращения к прежнему темпу езды, понадобятся дополнительные энергозатраты поэтому, чтобы рассчитывать на большой запас хода, нужно полностью избегать замедлений. Очевидно, что воплотить подобную затею в жизнь — не реально. На практике, прибегать к замедлению приходится довольно часто, а рекуперация всего лишь делает процесс торможения менее бесполезным.

Виды систем рекуперации

Основных разновидностей рекуперации всего три:

Электрическая.
Механическая.
Гидравлическая.

Впрочем, дело не ограничивается только автомобилями, изобретение можно обнаружить и на лёгком индивидуальном электротранспорте. Это всем нам знакомые скутера, велосипеды, самокаты и даже скейтборды оборудованные электротягой. Далее в теме, мы будем более подробно разбирать именно электрическую регенерацию.

Рекуперация на электрокарах и гибридных модификациях

Для лучшего понимания сути дела, нам придётся немного углубиться в теорию. Любой электрический силовой агрегат постоянного тока, при подаче на него электроэнергии начинает функционировать как собственно двигатель. Однако, если начать механически вращать его вал, то на клеммах будет вырабатываться ток. Из этого проистекает логический вывод: электромотор способен работать как в роли двигателя, потребителя энергии, так и в роли генератора. Этим и воспользовались инженеры, которые массово начали внедрять в электрический и гибридный транспорт системы рекуперации.

Работают такие схемы по достаточно простому принципу:

При воздействии на акселератор машина набирает ход, а электромотор при этом получает энергию от накопителя и передаёт тягу на колёса машины посредством трансмиссии.
А вот когда транспортное средство начинает замедляться, электроника переводит силовой агрегат в режим генератора.
Естественно, чтобы раскрутить электродвигатель, нужно прилагать определённое усилие и именно за счёт этого противодействия автомобиль станет замедляться. Конечно, без помощи обычных тормозов не обходится.
В этот самый момент, вырабатываемая мотором, как генератором, электроэнергия, посредством специального контроллера будет подзаряжать накопитель. Таким образом, некоторую долю энергии удаётся вернуть для её последующего применения.

Нюанс

Конечно, при экстренном торможении система регенерации энергии не в состоянии мгновенно остановить транспортное средство. Поэтому здесь никак не обойтись без традиционных тормозов. Вычислительная аппаратура принимает соответствующее решение в зависимости от того, с каким усилием водитель воздействует на орган управления тормозной системой, и задействует помимо рекуперации тормоза.

Преимущества электрической рекуперации

Разработка внедрённая в полностью электрический автомобиль, позволяет увеличить дальность хода на одном заряде, а вот гибридным модификациям регенерация сулит довольно приятное сокращение расхода топлива. Да и тормозные механизмы проходят дольше, ведь часть нагрузки с них будет сниматься.

Недостатки электрической рекуперации

Самый главный недостаток системы регенерации — это её высокая себестоимость! Приобретая электромашину оснащённую такой чудодейственной системой, рассчитывайте на прибавку к ценнику в 30-50%, по сравнению с традиционными автомобилями в распоряжении которых старый добрый ДВС. Так что, если вы ездите в основном по идеальным прямым трассам, на которых торможение является скорее исключением чем правилом, вы вряд ли окупите своё высокотехнологичное и дорогостоящее приобретение в ближайшее время.

Плюс к этому, такое оснащение усложняет конструкцию транспортного средства, поэтому в случае поломки, могут возникнуть определённые сложности с ремонтом. Проблема в том, что за подобные ремонтные манёвры возьмутся не в каждом сервисе, да и мастер который будет осуществлять обслуживание, должен иметь высокую квалификацию. Поэтому перед приобретением такой совершенной конструкции, первым делом нужно решить вопрос по её дальнейшему обслуживанию и ремонту, найдя поблизости достойную мастерскую с высококвалифицированным персоналом.

Насколько реально эффективна рекуперация?

Эффективность работы рекуперации в условиях города

Отдельно стоит обсудить и эффективность рекуперации при эксплуатации электротранспорта в условиях города. В этом случае кстати, ситуация весьма интересная вырисовывается. Сами разработчики позиционируют свою систему, как нацеленную в первую очередь на эксплуатацию электрокара в городе, когда водитель часто ускоряется и также часто тормозит. А как обстоят дела на самом деле? К сожалению, всё не так радужно!

Возьмём за пример электрокар Tesla Model S, который предлагает своим обладателям превосходные динамические характеристики. Так вот, даже он, особенно при движении в плотном транспортном потоке, не имеет возможности разогнаться надлежащим образом. Что из этого следует? А то, что система при таких условиях практически не даёт положительной прибавки, так как скорость до начала замедления не успевает перевалить за отметку 60 км/ч, поэтому и запас пробега увеличится в незначительной степени.

Зависимость эффективности рекуперации от массы средства передвижения

Однако в целом, показатель доходит до 60-70%. Если верить словам отдельных разработчиков электромобилей, системы рекуперации утрачивают 10-20% от полученной энергии, а после, теряют ещё столько же в процессе преобразования этой энергии в заряд для АКБ. Такие цифры являются типичными для большинства электромашин.

Тут стоит отметить, что семидесяти процентный выигрыш ни в коем случае не даёт увеличение пробега на одном заряде, к примеру с 200 км до 340 км. На самом деле, это означает только то, что 70% кинетической энергии растраченной при замедлении, может быть возвращено обратно.

Нужна ли рекуперация лёгкому индивидуальному электротранспорту?

Считать данную систему бесполезным приспособлением конечно не стоит, однако и ожидать от неё чего-либо сверх естественного — будет весьма не разумно. Если у вас расчёт на ситуацию, что контроллер в паре с мотор-колесом функционирующем в режиме регенерации сможет сотворить чудо, увеличив в разы пробег на одном заряде, то готовьтесь к горькому разочарованию. Значимой прибавки к километражу рекуперация вам не обеспечит, но на парочку бонусных километров вы можете вполне рассчитывать. Иногда, даже такая скромная прибавка может прийтись весьма кстати. У рекуперативного торможения есть ещё одно достоинство: тормозные колодки прослужат вам дольше.

Система рекуперации на электробайке является полезным дополнением, вот только юзер должен оценивать её возможности адекватно и не обманывать самого себя. Увеличить показатель пробега на одном заряде можно и другими методами: применением более ёмкого накопителя, ездой в эконом-режиме, а также сочетанием работы электропривода с педалированием.

Естественно, как и говорилось выше, самая большая отдача по рекуперации у тяжёлых транспортных средств: чем тяжелее машина, тем больше отдача — всё просто! Логично, что легковесный индивидуальный электрический транспорт, такими впечатляющими показателями не обладает. На многих моделях электробайков оборудованных функцией рекуперативного торможения, средним показателем считается пяти процентная отдача, а при езде по холмистой местности, можно выжать максимум 8%.

Вместо прямоприводных электромоторов, поддерживающих возврат энергии, в большинстве случаев будет рациональней применить редукторные движки с обгонной муфтой. Эти вариации более экономно потребляют электроэнергию накопителя, обладают меньшей массой и не притормаживают, когда отсутствует питание.

Производители электровелосипедов, иногда используют рекуперативное торможение больше как маркетинговый ход, чем как действительно нужное приспособление. Но всё же вещь эта реально может сослужить добрую службу обладателям электрических байков: особенно радует тот момент, что рекуперация является ещё одной останавливающей силой для лёгкого электротранспорта.

Возьмём за пример электросамокат Xiaomi M365. Фронтальное мотор-колесо замедляется только посредством рекуперации, а вот заднее колесо для этих целей оборудовано дисковым тормозным механизмом. Из этого следует, что аппарат имеет в своём распоряжении две независимые системы торможения и всего один рычаг управления ими. Это даёт такие преимущества: меньшая масса, меньшая себестоимость, облегчение сборки.

Неплохим дополнением рекуперация стала и для электрических скейтбордов. Особенно важную роль она играет на модификациях, максимальная скорость которых достигает отметки 30 км/ч.

Использование системы рекуперации в механизме подвески

Естественно, любой разработчик всегда хочет извлечь максимальную выгоду из всего, поэтому рациональные инженеры пошли ещё дальше: они решили использовать кинетическую энергию подвески, работающей во время обычного движения. Разработкой такой системы занимаются фирмы Levant Power и ZF, так что в будущем, такими приспособлениями могут быть оснащены все серийно производимые автомобили.

Как работает рекуперативная подвеска

В состав системы входит небольшой электрический движок, четыре электрогидравлических насоса и блок управления. Аппаратура монтируется около каждого амортизатора, а при перемещении в них штока, кинетическая энергия будет преобразовываться в электрическую и подаваться на АКБ. Сочетание данной системы с традиционной рекуперацией, должно обеспечить эффективность приблизительно в 2 раза большую.

Заключение

Понять, что такое рекуперативное торможение в электромобилях совсем не сложно, для этого нужно лишь обратить внимание на основные характеристики этого вида транспорта.

В отличие от машин с ДВС, где важным фактором является динамика, большинство электромобилей выбирают по запасу хода.

И вот именно этот показатель и можно увеличить с помощью рекуперативной тормозной системы.

Рис. 1. Схема рекуперации энергии в электромобиле.

Что такое рекуперативная система?

Технологию рекуперативного торможения используют не только электрические машины, но и автомобили с бензиновым или дизельным мотором (гибриды).

Основанием для её разработки стали высокие цены на топливо и стремление снизить расходы.

Автопроизводители искали варианты решения проблемы, одним из которых стало получение энергии из процесса торможения.

Возвращая часть затраченной на торможение энергии, она расходует полученное электричество на разгон транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания.

Рекуперация на электромобиле имеет одно серьёзное отличие – выработанная электроэнергия не тратится сразу, а может аккумулироваться.

Это позволяет подзаряжать аккумулятор, а запас хода увеличивается, хотя и незначительно. В то же время для электрического транспорта, который непросто подзарядить в дороге, даже этот небольшой заряд может оказаться решающим.

Принцип работы

Работу системы рекуперации электрической энергии можно описать следующим образом:

При торможении электромобиля его силовой агрегат отключается от источника питания (аккумулятора) и переходит в генераторный режим, самостоятельно вырабатывая энергию.
В таком режиме в обмотках ротора и статора возникают противоположно направленные токи.
На валу электромотора возникает тормозной момент. Он обеспечивает торможение транспортного средства, снижая скорость.
Одновременно с этим запасённая машиной кинетическая энергия переходит в электроэнергию и тепло.
Электрическая энергия поступает в аккумулятор, увеличивая его заряд.
Чем чаще тормозит автомобиль, тем больше заряжается его аккумуляторная батарея.

Система рекуперативного торможения получила распространение, в первую очередь, при поездках на транспорте, оборудованном электродвигателями постоянного тока.

Следует отметить, что она применяется не для полного торможения состава, масса которого слишком большая, чтобы компенсировать её таким способом, а лишь для небольшого снижения скорости.

Однако тормозной момент создаётся достаточно большой, и экономия в течение года только для одного состава достигает сотен тысяч гривен.

Проблемы небольших электромобилей

В отличие от тяжёлых и перемещающихся на высокой скорости электропоездов, получившие такую систему электромобили не получают таких же преимуществ:

В городе, особенно при движении в плотном потоке, электромобиль практически не может нормально разогнаться (даже при хороших динамических характеристиках, как у Tesla Model S).
Рекуперация мало эффективна, так как скорость в начале торможения небольшая (до 60 км/ч), а масса автомобиля не превышает 1-2 т.
Энергии вырабатывается мало, и запас хода увеличивается незначительно.
Стоимость установки оборудования, обеспечивающего рекуперацию достаточно большая, а из-за низкой эффективности работы рекуперации она почти не окупается.

Важно: Ситуация немного улучшается при движении с горки и торможениях на высокой скорости. Но так разогнаться электромобили могут только за городом. А большинство доступных по цене электрических моделей не обладает запасом хода для загородных поездок и динамикой для нормального разгона.

Эффективность рекуперативного торможения

Использующую рекуперацию тормозную систему нельзя назвать достаточно эффективной.

Хотя её КПД довольно большой – производители электромобилей и другого электрического транспорта (велосипедов, мопедов и грузовых авто) называют цифру в 60-70% возврата.

При этом первые 10-20% теряются сразу, при захвате кинетической энергии – ещё примерно такое же количество аккумулятор недополучает в процессе преобразования в электроэнергию.

С одной стороны, показатель достаточно большой – 70% кинетической энергии подзаряжают аккумулятор электромобиля.

Запас хода увеличивается, и транспортное средство может проехать дальше на одном заряде.

С другой стороны, кинетической энергии на торможение тратится немного, и цифры нельзя назвать впечатляющими.

Рис. 3. Индикация системы рекуперации модели Volkswagen e-Golf.

Владельцы автомобилей Tesla Model S говорят, что во время поездок по городу пользы от системы рекуперативного торможения практически нет.

Заметить её влияние получается только при поездке по холмистой местности, когда водителю приходится тормозить во время спуска.

Иногда запас хода транспортного средства увеличивается при этом на 15-20%.

Рис. 4. Тормоза премиального электромобиля Tesla Model S.

Перспективы использования рекуперации

Повысить эффективность рекуперативной системы позволяет её использование не только при торможении, но и во время обычной поездки.

Предполагается, что энергия будет возвращаться благодаря инновационной подвеске, которую уже разрабатывают компании Levant Power и ZF.

В будущем такими устройствами могут оснащаться все серийно выпускаемые авто.

Принцип действия системы в подвеске следующий:

Рекуперативное устройство будет состоять из небольшого электромотора, 4 электрогидравлических насосов и управляющего блока.
Приспособление будет устанавливаться возле амортизаторов каждого автомобильного колеса.
При движении входящего в конструкцию штока кинетическая энергия будет переходить в электрическую.
Полученная электроэнергия будет передаваться к аккумулятору электромобиля. Если устройство будет устанавливаться на машинах с ДВС, энергия поступит в их электрическую сеть.

Совместная работа рекуперативной системы торможения и устройств, аккумулирующих энергию от обычного движения, должна повысить эффективность примерно вдвое. Однако проект пока находится в разработке. До его завершения и, тем более, установки на серийные авто, может пройти несколько лет.

Выводы

Возможность возвращать хотя бы часть потраченной на торможение энергии и дальнейшее развитие технологий в этом направлении позволяет рассчитывать, что электромобили в будущем станут ещё эффективнее.

Запас хода даже бюджетного электрического транспорта увеличится до 150-200 км, и на таком авто можно будет ездить целый день без подзарядки.

В то же время эффективность рекуперации на компактных электрических авто, таких как Chevrolet Bolt, Hyundai Ioniq или Nissan Leaf, всё равно останется небольшой.

Намного заметнее увеличение запаса хода на грузовиках с электромоторами и на тяжёлых электромобилях типа Tesla Model X, вес которого даже без водителя достигает 2,4 т.

Конвейерные модели Лиф, Тесла, Эллада, Гольф… Все тормозят рекуперацией, но, прямо скажем, как-то ограниченно. И мало кто из владельцев серьезно полагается на рекуперацию в вопросах увеличения пробега на одной зарядке.
Логика торможения этих автомобилей, как правило, связана с педалью акселератора. Бросил газ — пошло замедление… И зачастую в режимах, которые может выбрать водитель оказывается не богатый выбор — или рекуперация при отпущено газе — или возможность движения накатом без какой бы то ни было рекуперации. Педаль тормоза этих автомобилей задействована только на гидравлику.
Причина подобной модели торможения в том, что классическая одномоторная и с дифференциалом компоновка силового агрегата не в состоянии обеспечить функцию ABS в режиме эффективного рекуперационного торможения. Вот и тормозит по-тихонечку, чтоб чего не вышло…

В нашем автомобиле была реализована другая логика.
Когда водитель убирает ногу с педали акселератора — автомобиль продолжает движение накатом.
При нажатии на педаль тормоза сначала включается рекуперационное торможение, т.е. моторы перебрасываются в режим генераторов. Регулятор рекуперативного торможения связан с педалью тормоза в ее свободном ходе, до задействования колодок.
Такое торможение может быть очень эффективным. Аккумуляторная батарея способна легко принимать для зарядки огромные токи рекуперации. Например, ток в 800 Ампер всего лишь чуть больше 2С ячейки тяговой АКБ.
При двухмоторной конфигурации привод на каждое колесо независимый и, в сочетании с токовым управлением получается ABS рекуперативного торможения, которая по логике, гораздо более эффективна чем классическая гидравлическая схема.
Когда педаль выбирает свободный ход полностью торможение продолжается гидравлическим приводом с вакуумным усилителем тормозов.

На графиках представленных на видео очень хорошо видны амплитуды токов. Обратите внимание на то, что токи разгона и торможения практически равны по величинам. Видна разная длительность фазы разгона и торможения. Причина этому — только в медленной реакции ноги при нажатии на педали. Привод успевает существенно замедлится при перекладки с газа на тормоз. Без нагрузки агрегат разгоняется и тормозит очень быстро, и нога просто не успевает мгновенно и плавно перейти с одной педали на другую. На прошлом видео было видно как 100 килограммовый девайс прыгает на тележке во время разгонов и торможений.

Очень важная деталь — торможение продолжается даже на малых оборотах привода. Как видно из графиков до нулевой скорости.

Толпа конкурентов подбирается к дальности поездки автомобиля Tesla Model S в 412 км. Porsche Taycan попадает в промежуток от 309 до 327 км. Audi e-tron – от 328 до 351 км. Jaguar I-Pace проходит 377 км. Chevy Bolt EV идёт нос к носу со своим расстоянием в 417 км.

Есть только одна проблема. Tesla Model S заслужила эту характеристику у агентства по охране окружающей среды (АООС) США восемь лет назад. Сегодня, по меркам АООС США, модель Tesla с самым большим расстоянием поездки, Model S Long Range Plus, может покрыть невероятные 647 км.

И по расстоянию, проходимому электромобилями, Tesla, судя по всему, вне конкуренции. Несмотря на миллиарды, вливаемые в программы разработки электромобилей, авторитетные автопроизводители не смогли достичь такой дальности поездки — а выигрыш в этой игре остаётся ключевым для выигрыша в поиске покупателей. Так как же Tesla это удаётся?

Нам это было особенно интересно, поскольку наши собственные испытания Tesla на шоссе с разрешённой скоростью в 120 км/ч показали, что машина не дотягивает до этих показателей на 27%, а все остальные испытанные нами автомобили – на 22%. Учитывая всё это, а также недавние скандалы, связанные с экономией топлива и выбросами вредных веществ, имевшие место в Ford, Hyundai-Kia и Volkswagen, мы не могли просто поверить Tesla на слово. Вместо этого мы воспользовались помощью информационного провайдера IHS Markit, чтобы прочесать документацию от АООС США, сообщества автомобильных инженеров SAE и автопроизводителей. Кроме того, мы сами испытали автомобили, чтобы понять, как Tesla достигает таких больших чисел. Доминирование компании в этой области сводится, по большому счёту, к трём факторам. Разберём их по отдельности.

Фактор корректировки

Если зарыться в конкретику расчёта пробега электромобилей на одной зарядке, то быстро появляется кроличья нора напичканных деталями технических документов – как, например, 32-страничный стандарт J1634 от SAE, описывающий испытания пробега и эффективности. Если подытожить, то: к электромобилю привязывают динамометр – что-то типа беговой дорожки для машин – и продолжают испытания, которые заканчиваются, только когда аккумулятор садится до такой степени, что машина не может поддерживать требуемую скорость.

Вот как Tesla Model S обгоняет Porsche Taycan Turbo S в испытаниях на пробег от АООС США:
Показатель Porsche Taycan Turbo S 2020 года: 192
Показатель Tesla Model S 2020 года: 326

Разница состоит из:

8 – добровольное уменьшение показателя компанией Porsche,
16 – фактор корректировки от АООС США,
41 – полезная ёмкость батареи,
26 – разница в нагрузке на дорогу,
43 – рекуперация и эффективность мотора.

Всё это находится в пределах правил. Из всех производителей Tesla занимается этим дольше всего, поэтому неудивительно, что она разобралась во всех трюках для максимизации своих чисел в АООС США. Метод двойных испытаний появился во время пересмотра показателей экономии топлива, которое АООС США проводило в 2008 году. Изначально агентство хотело, чтобы все машины проходили испытания из пяти циклов, однако автопроизводители пожаловались, что это слишком сложно организовать, и АООС США смягчило требования. Затем агентство придумало способ преобразовать результаты испытаний с двумя циклами в результаты испытаний с пятью, и сегодня многие автопроизводители играют в эту игру с двумя методами со своими бензиновыми машинами.

Однако в случае с электромобилями АООС США остановилось на едином 30% факторе корректировки в 2011 году, когда на рынке было ещё слишком мало электромобилей для статистики. Агентство сообщает, что изначально посчитало эту цифру на основе испытаний Toyota Prius, и позже, в 2015 году, подтвердив правильность этой оценки, решило её не менять.

Когда мы спросили АООС США, как эти значения пробега должны коррелировать с поездками в реальном мире, нам ответили, что одной из главных целей простановки маркировки экономии топлива было дать людям возможность сравнить машины, использующие несравнимые источники энергии – с чем эта маркировка, по мнению агентства, справляется. Однако мы считаем, что в случае с пока ещё развивающимся рынком электромобилей важно получать значения пробега, которые можно сравнивать с пробегом других машин, а также с их пробегом в реальном мире. Альтернативный метод корректировки затрудняет сравнение, и мы не убеждены в том, что он даёт результаты, лучше соответствующие вождению в реальном мире, в особенности при реалистичных шоссейных скоростях типа 120 км/ч – именно это число мы используем для расчёта шоссейной эффективности и дальности.

Большие аккумуляторы

Возможно, это очевидно, но чем больше ёмкость аккумулятора, тем больше должен быть пробег на одной зарядке, а у Tesla пока самые большие аккумуляторы. В 2012 году, когда вышла Model S, Tesla предлагала аккумуляторы ёмкостью 85 кВт*ч. Сегодня покупатели могут заказать аккумулятор на 15% больше, с 98 кВт*ч. Среди менее дорогих электромобилей лидируют Model 3 и Y с аккумулятором на 75 кВт*ч.

2020 Porsche Taycan Turbo s и 2020 Tesla Model S

Что не всегда очевидно, так это какой процент от максимального теоретического объёма батареи удаётся использовать. Для защиты аккумуляторов от преждевременного старения электромобили никогда не заряжают и не разряжают их полностью. Некоторые производители раскрывают общую ёмкость, некоторые пишут полезную энергию, некоторые – оба параметра. Многие утаивают эти детали. К примеру, после запуска Taycan Porsche заявляла о ёмкости её аккумулятора в 93,4 кВт*ч, близко к Model S. Из-за этого небольшой пробег Taycan выглядел ещё более странно. Но оказывается, что количество доступной энергии у Taycan всего лишь 83,7 кВт*ч – на 15% меньше, чем у Model S.

На основании неполных данных можно сделать вывод, что Tesla позволяет машинам использовать больший процент энергии аккумулятора, чем другие производители. По-видимому, это отчасти происходит потому, что компания перекладывает часть ответственности на водителя, выбирающего, насколько сильно нужно заряжать аккумуляторы, отмечая, что зарядку выше 90% нужно делать только перед поездками, а не ежедневно.

Выигрыш в эффективности

Самый крупный и полностью заряженный аккумулятор от Tesla содержит в себе энергию, эквивалентную всего 11 литрам бензина. Ключ к увеличению пробега – использовать меньше электричества для движения средства, и возвращать как можно больше энергии, тормозя электромоторами во время того, как водитель снимает ногу с педали акселератора во время многочисленных замедлений в циклах АООС США. Агрессивная рекуперация Tesla позволяет ей получить 13% выигрыш в дальности по сравнению с Porsche Taycan – последний включает рекуперацию, только когда водитель жмёт на тормоз. Это часть целостного подхода Tesla к эффективной езде, куда входит также и возможность машины катиться под горку с меньшим трением по сравнению с конкурентами.

Меньшая нагрузка: сопротивление качению под горку, выражаемое в фунтах силы, препятствующей движению, у Tesla оказывается меньше всего. Эти данные автопроизводители предоставляют АООС США.

Также с годами Tesla значительно меняла электромоторы для повышения эффективности. В 2015 году она представила полноприводные модели, добавив мотор на переднюю ось Model S, которая раньше была только заднеприводной. Второй мотор и ось добавляют веса и трения, однако полноприводная Model S 85D растянула пробег, измеряемый АООС США, на 8 км по сравнению с заднеприводной. Как? Как и в случае с ДВС, более эффективно будет крутить маломощный мотор с большой загрузкой, чем мощный мотор с малой. Модель 85D с двумя моторами по 188 л.с. использует только один из них, если только водителю не нужно очень сильно ускориться – при том, что заднеприводная модель крутила мотор на 362 л.с. постоянно.

В ранних полноприводных моделях использовались два индукционных мотора, использующих колебания электрического тока для создания вращающегося магнитного поля, раскручивающего мотор. В моделях 2019 года Tesla перешла на более эффективный передний синхронный мотор с постоянными магнитами на Model S и Model X. Это, а также иные небольшие правки, увеличило дальность вариантов Long Range на 10%, до 595 км для Model S и 523 км для Model X.

У новой Model S Long Range Plus дальность возросла до 647 км за счёт дальнейших улучшений. В их числе: сиденья, аккумулятор и моторы похудели суммарно на 63,5 кг, колёса стали аэродинамичней, сопротивление качению у шин уменьшено, механический масляной насос у заднего двигателя заменили электрическим. Так Tesla может остаться лидером по дальности хода на ещё восемь лет.

Тест на детекторе лжи

Тесты дальности и эффективности проводятся на динамометре, который нужно калибровать так, чтобы сопротивление роликов соответствовало происходящему на дороге. Суммарная сила, препятствующая движению машины, называется дорожной нагрузкой. В неё входят аэродинамическое сопротивление, сопротивление шин качению и трение в трансмиссии.

Дорожную нагрузку измеряют во время качения машины по инерции, когда она замедляется со скорости около 130 км/ч до скорости порядка 15 км/ч. Время, за которое произошло замедление, используется для подсчёта трёх коэффициентов в квадратном уравнении, выражающем фунты силы, препятствующей поступательному движению машины с заданной скоростью. Эти коэффициенты определяют сопротивление динамометра во время испытаний на эффективность и дальность.

В 39-страничном документе J1263 от SAE, естественно, содержится куча рекомендаций по поводу этой процедуры, включая требования к глубине протектора покрышек и предварительному пробегу машины, чтобы тестовые автомобили правильно симулировали реальную езду. Однако автопроизводители могут, и собирают экземпляры с наилучшими характеристиками – с самыми скользкими подшипниками и лучшими тормозами – и гоняют их на самых гладких поверхностях.

У Hyundai из-за этого были неприятности в 2012. Компания использовала очень сильно оптимизированные покрышки и особо отобранные результаты, недостижимые в реальном мире. В 2014 году АООС США оштрафовало её на $100 млн и уменьшило рейтинги экономии топлива для большинства моделей Hyundai и Kia 2012 и 2013 годов.

Детектор лжи зависимости дорожной нагрузки от скорости. Чёрные показатели -результаты тестов журнала Car and Driver; зелёные – спецификации Tesla согласно АООС США.

Мы, естественно, захотели выборочно измерить дорожную нагрузку Tesla, лучшую в своём классе, поэтому провели тесты замедления для Model 3, Model Y и Model S. Хотя мы использовали далёкий от идеальной гладкости отрезок дороги длиной в 2 км, а наши машины не были специально подготовлены, полученные результаты не отличались от заявленных более, чем на несколько процентов. Это явное свидетельство того, что компания не пытается обманывать тесты на замедление, и способна оптимизировать эффективность, реально обгоняя конкурентов.

Хотя Tesla, по сравнению с большинством автопроизводителей, охотно делится дальностью пробега для разных предлагаемых комбинаций автомобилей – она обязана сообщать только данные по самым популярным вариантам – иногда она кое о чём умалчивает. К примеру, из данных по дорожной нагрузке, отправленных ею в АООС США, следует, что колёса диаметром в 21" для Model S Long Range Plus уменьшат дальность поездки почти на 130 км. Таких данных на веб-сайте компании вы не найдёте.

Двигатель постоянного тока, стоящий в моноколесе, может работать как генератор, заряжая батареи на торможении. Однако возможность еще не означает, что рекуперация непременно есть. Из того, что у людей заряжались колеса при, например, спуске с горы, можно сделать вывод, что рекуперация в моноколесах все-таки используется, но ее точный вклад в торможение оставался неизвестным. Но недавно пользователи форума Электротранспорт.ру сделали полноценный ваттметр с логгером и посмотрели, что происходит с током и напряжением при езде. По результатам измерений рекуперация есть точно, но куда-то пропал еще один тип торможения.

Немного физики

Электродвигатели постоянного тока, которые стоят на моноколесах, имеют три варианта торможения.

Рекуперативное торможение. В этом случае двигатель превращается в генератор и переводит кинетическую энергию в электрический ток, который уходит в сеть (электровозы и метро) или в аккумуляторы (электрокары). Рекуперативное торможение возможно, когда скорость вращения превышает скорость идеального холостого хода.

Реостатное торможение. Здесь двигатель также работает, как генератор, но получаемая энергия уходит в нагрев тормозных резисторов. Довольно распространено на железной дороге.

Тормозные резисторы

Реверсивное торможение, оно же торможение противотоком или противовключением. В этом случае двигатель не превращается в генератор, но начинает тянуть в противоположную движению сторону. Например, если электромотор тянет вверх груз, и на этот груз запрыгивает хулиган, перевешивая возможности мотора, то груз начнет опускаться, а двигатель окажется в режиме реверсивного торможения. В таком режиме протекающий через обмотки ток гораздо выше, чем при нормальной работе, и это может создать определенные проблемы.

Специфика моноколеса

У многих моноколес нет передней и задней части, и контроллер не разгоняется и не тормозит, а все время решает задачу обратного маятника, пытаясь подъехать под ездока, который может пользоваться этим для эффектных трюков.

Например, здесь райдер очень резко тормозит и начинает разгоняться вправо.

Также, известно, что в конструкции моноколеса нет тормозных резисторов, и реостатное торможение в принципе невозможно. Теоретически, логично предположить, что в процессе торможения сначала на высокой скорости будет задействоваться рекуперативное торможение, которое на каком-то этапе перейдет в торможение противовключением, которое, если мы не прекратим давить на педаль в ту же сторону, перейдет уже в двигательный режим, и мы поедем в противоположную сторону. Но реальные измерения оказались очень любопытными.

Исследования на железе

В собранном виде на колесе другого пользователя Ripido

Ваттметр учитывал направление тока, там, где батареи заряжались, ток и мощность уходили в минус.

График в полном размере

Если посмотреть на красные линии, то получается, что в глубоком устоявшемся торможении не видны следы торможения противотоком — пока скорость падает, ток идет в батареи.

Интересно, что показатели встроенного логгера, если не учитывать ток по модулю, отличаются от данных ваттметра только на участках довольно резких маневров.

График в полном размере, Awhe, Vwhe — встроенный логгер колеса, Alog, Vlog — логи ваттметра

Гипотезы и возможные эксперименты

Торможение противотоком пропало из-за усреднения или рассинхронизации данных, графики не отражают реального положения вещей.
Очень низкое значение скорости идеального холостого хода позволяет тормозить почти до нуля, и переход на торможение противотоком мы не замечаем

Также, попробуем провести следующий мысленный эксперимент. Ситуация первая — мы катимся с горки со скоростью 20 км/ч. В этом случае, очевидно, работает рекуперация. Ситуация вторая — мы стоим на горке (моноколесо стоять не может, так что мы легко касаемся пальцами столба и за счет этого не заваливаемся набок). В этом случае мы, очевидно, работаем в тяговом режиме, потому что надо прикладывать усилие, чтобы не покатиться вниз. Ситуация третья — мы спускаемся со скоростью 1 миллиметр в секунду с крутой горки, придерживаясь за столб. В этом случае колесо, очевидно, работает в режиме противовключения, потому что итоговый баланс энергии отрицательный — она расходуется на то, чтобы не скатиться под горку быстрее, чем мы движемся. И где-то между ситуациями 1 и 3 у нас будет переходный момент, когда итоговый энергетический баланс будет околонулевым — скатываться быстрее будет выгодно энергетически, а движение медленнее будет требовать энергетических затрат.

Практическое применение

У всех этих рассуждений есть очень простые следствия:

Есть забавная история о том, как на трассе заряжали электромобиль Tesla — его взяли на буксир, и водитель Tesla давил на педаль тормоза, чтобы рекуперация заряжала батареи. С моноколесами то же самое — если у вас почти сел аккумулятор, пусть вас возьмет на буксир соратник на велосипеде, самокате, роликах или моноколесе (пожалуйста, берегите себя и не пробуйте цепляться за машины или общественный транспорт!).

Заключение

В публикации использованы фотографии пользователей Ripido и Drift3r, темы, где обсуждалась рекуперация тут и тут. Также использованы стоп-кадры из рекламного ролика с участием недавнего победителя конкурса моноколесных талантов Дамьена Гоме. Дамьен — профессиональный акробат, поэтому ролик, на мой взгляд, красив сам по себе и наглядно показывает возможности любого хорошего моноколеса.

Читайте также: