Система рекуперації кінетичної енергії. Від формули 1 до твого авто.

Автор: Рудий Андрій Володимирович, к.т.н., м. Львів, Національна академія сухопутних військ

Що таке рекуперація енергії?

Відомо, що у замкненій системі кількість енергії залишається незмінною, але може змінюватися за видами енергії. Таким чином під час гальмування транспортного засобу його кінетична енергія перетворюється у теплову та витрачається на нагрівання навколишнього середовища. Цю енергію можливо накопичувати та використовувати в подальшому. Даний процес називається рекуперацією.

Рекуперація енергії гальмування не нове рішення. У електротранспорті рекуперативне гальмування використовується для економії електроенергії під час уповільнення руху транспортного засобу. Електродвигун є оберненою машиною, тому може працювати як у режимі перетворення електричної енергії у механічну, так і навпаки. У цей час вироблена під час рекуперації електроенергія повертається у мережу та забезпечує рух інших електротранспортних засобів.

На електропоїздах, де кінетична енергія та гальмівний шлях є значними, це рішення себе добре зарекомендувало. Втім знадобився час для того, щоб даний принцип збереження енергії знайшов своє місце у автомобільному транспорті.

Система K.E.R.S. у Формулі-1.

У 2009 році у «стайнях» Формули-1 з’явилися перші зразки системи рекуперації кінетичної енергії, які отримали скорочену назву K.E.R.S. (Kinetic Energy Recovery System). Система K.E.R.S. дозволила пілоту накопичувати кінетичну енергію під час гальмування боліду і використовувати її на прямих ділянках для короткочасного прискорення. Для накопичення енергії у різних конструкціях використовувалися різні принципи. На початку 2009 року компанія Flybrid представила систему рекуперації кінетичної енергії була механічного типу.

Під час гальмування полегшений маховик системи розганявся у вакуумі до 64500 обертів на хвилину, накопичуючи величезну енергію гальмування боліда, після чого від’єднувався від приводу і вільно обертався до тих пір, поки пілот не приводив систему у дію.

Також існували спроби створення гідравлічної системи рекуперації, де енергія гальмування використовувалася для стискання гідравлічної рідини, втім гідравлічна система не прижилася.

Створення літій-іонних акумуляторних батарей (а до слова – у 2019 році саме за вдосконалення літій-іонних акумуляторних батарей їх винахідникам було присуджено Нобелівську премію у галузі хімії) дало значний поштовх у розвитку автомобільних систем, які тим чи іншим чином використовували електричну енергію для руху. Електрична система K.E.R.S. також використовувала енергію гальмування боліда для заряджання невеликої акумуляторної батареї, яка розташовувалася під сидінням у пілота.

Після приведення системи у дію, заряджені акумуляторні батареї через стартер-генератор системи короткочасно забезпечують енергію близько 400кДж, збільшуючи потужність боліда на 80к.с., для чого K.E.R.S. використовує відносно великі струми та напругу.

Встановлені у 2012 році обмеження дозволяють використати систему за одне коло не більше 6.67 секунд з один раз чи за декілька. Втім для Формули-1 перевага у 0.1 – 0.4 секунди є значною. Тому кнопка KERS ще довго займатиме місце на штурвалі боліда Формули-1.

Рекуперація кінетичної енергії на серійних авто.

Формула-1 завжди надає поштовх у розвитку технологій серійного автопрому. Так, розробка електричної системи K.E.R.S. сприяла розвитку гібридних силових установок. Також сама ідея рекуперації енергії гальмування була досить корисною і вже у 2013 році механічна система рекуперації енергії була застосована на шести лондонських автобусах. Вже попередні випробування показали, що використання енергії маховика, що розганяється під час гальмування дозволяє скоротити витрату палива (а значить і викиди у атмосферу) на 20%. Це інженерне рішення також підхопили інженери Volvo.

Електрична система рекуперації енергії гальмування була використана фірмою Mazda, а згодом і іншими автовиробниками (наприклад, у пакеті технологій BMWEfficientDynamics) для підзаряджання акумуляторних батарей, що дозволяє збільшити їх ресурс і пришвидшити відновлення енергії.

Той самий принцип використано у електрокарах Tesla, де ступінь зарядження акумуляторних батарей напряму впливає на запас ходу автомобіля.

Рекуперація кінетичної енергії і система Start—Stop.

Багато сучасних автомобілів оснащуються системами Start-Stop, які глушать двигун у заторах і знову запускають його під час наступного рушання. Це рішення дозволяє економити пальне і ресурс двигуна. Разом з тим система Start-Stop активно використовує акумуляторну батарею, яка не встигає підзаряджатися між запусками. Це негативно впливає на її стан. Використання системи рекуперації кінетичної енергії дозволило значно скоротити час роботи акумуляторної батареї в стартерному режимі. Попередньо розігнаний маховик системи рекуперації застосовується для наступного запуску двигуна і, таким чином, забезпечує значне збереження ресурсу акумуляторної батареї автомобіля.

Втім електрична система рекуперації також може отримати свою нішу у таких інженерних рішеннях, завдяки створенню суперконденсаторів. Звичайно ж короткочасна робота двигуна на місці, або нетривале гальмування перед світлофором не забезпечать значного підзаряджання акумуляторної батареї. Втім суперконденсатор зможе бути повністю заряджений протягом цього короткого часу. Тоді для наступного запуску двигуна може бути використано енергію суперконденсатора, а акумуляторна батарея буде використана лише для першого пуску двигуна після тривалої стоянки авто. Це дозволить значно збільшити ресурс акумуляторних батарей, виробництво яких впливає на екологію не менше ніж використання двигунів внутрішнього згоряння.

Це рішення лягло у основу системи i-ELOOP, яка була представлена у 2012 році на автомобілі Mazda-6.