Comment fonctionne le freinage par récupération dans les véhicules électriques

Le freinage est l'un des aspects importants d'un véhicule. Le système de freinage mécanique que nous utilisons dans nos véhicules présente un gros inconvénient de gaspiller l'énergie cinétique du véhicule sous forme de chaleur. Cela réduit l'efficacité globale du véhicule en affectant l'économie de carburant. Dans le cycle de conduite urbain, nous avons tendance à démarrer et à arrêter le véhicule plus souvent que dans le cycle de conduite sur autoroute. Comme nous appliquons souvent le frein dans un cycle de conduite urbain, la perte d'énergie est plus importante. Les ingénieurs ont mis au point le système de freinage régénératifpour récupérer l'énergie cinétique dissipée sous forme de chaleur lors du freinage dans la méthode de freinage traditionnelle. En suivant les lois de la physique, nous ne pouvons pas récupérer toute l'énergie cinétique perdue, mais une quantité importante d'énergie cinétique peut être convertie et stockée dans une batterie ou un supercondensateur. L'énergie récupérée contribue à améliorer la consommation de carburant des véhicules conventionnels et contribue à étendre l'autonomie des véhicules électriques. Il est à noter que le processus de freinage régénératif présente des pertes en récupérant l'énergie cinétique. Avant d'aller plus loin, vous pouvez également consulter un autre article intéressant sur les véhicules électriques:

• Introduction d'un ingénieur aux véhicules électriques (VE)
• Types de moteurs utilisés dans les véhicules électriques

Le concept de freinage régénératif peut être mis en œuvre dans les véhicules conventionnels utilisant des roues d'inertie. Les volants sont des disques à forte inertie qui tournent à très grande vitesse. Ils agissent comme un dispositif de stockage d'énergie mécanique en absorbant (stockant) l'énergie cinétique du véhicule lors du freinage. L'énergie récupérée pendant le processus de freinage peut être utilisée pour assister le véhicule pendant le démarrage ou le mouvement en montée.

Dans les véhicules électriques, nous pouvons intégrer électroniquement le freinage régénératif de manière beaucoup plus efficace. Cela réduira le besoin de volants d'inertie lourds, ce qui ajoute un poids supplémentaire au poids total du véhicule. Les véhicules électriques ont un problème inhérent d'anxiété d'autonomie chez les utilisateurs. Bien que la vitesse moyenne du véhicule dans le cycle de conduite urbaine soit d'environ 25 à 40 km / h, les accélérations et les freinages fréquents déchargent rapidement la batterie. Nous savons que les moteurs peuvent jouer le rôle de générateur dans certaines conditions. En utilisant cette fonction, on peut empêcher le gaspillage de l'énergie cinétique du véhicule. Lorsque nous appliquons le frein dans les véhicules électriques, le contrôleur de moteur (basé sur la sortie du capteur de pédale de frein) réduit les performances ou arrête le moteur. Pendant cette opération, le contrôleur de moteur est conçu pourrécupérer l'énergie cinétique et la stocker dans la batterie ou les batteries de condensateurs. Le freinage régénératif permet d'étendre l'autonomie du véhicule électrique de 8 à 25%. Outre l'économie d'énergie et l'amélioration de l'autonomie, il contribue également à un contrôle efficace du freinage.

Dans le système de freinage mécanique, un couple inversé est exercé sur la roue lorsque l'on appuie sur la pédale de frein. De même, en mode de freinage régénératif, la vitesse du véhicule est réduite en initiant un couple négatif (s'opposant au mouvement) dans le moteur à l'aide du contrôleur de moteur. Parfois, les gens sont confus lorsqu'ils visualisent le concept selon lequel le moteur agit comme un générateur lorsqu'il tourne en sens inverse en mode de freinage régénératif. Dans cet article, on peut comprendre comment récupérer l'énergie cinétique via la méthode de freinage par récupération dans les véhicules électriques.

Comment un moteur agit comme générateur

Tout d'abord, nous nous concentrerons sur la compréhension de la façon dont un moteur peut agir en tant que générateur. Nous avons tous utilisé le moteur à courant continu à aimant permanent dans des applications robotiques telles que le suiveur de ligne. Lorsque la roue du robot connecté au moteur tourne librement (à la main à l'extérieur), le circuit intégré de commande du moteur est parfois endommagé. Cela se produit parce que le moteur agit comme un générateur et que l'EMF arrière généré (tension inverse de plus grande amplitude) est appliqué à travers le circuit intégré du pilote, ce qui l'endommage. Lorsque nous faisons tourner l'armature de ces moteurs, cela coupe le flux des aimants permanents. En conséquence, EMF est amené à s'opposer au changement de flux. Par conséquent, nous pouvons mesurer une tension aux bornes du moteur. C'est parce que l'EMF arrière est fonction de la vitesse du rotor (tr / min). Lorsque le régime est supérieur et si la force contre-électromotrice générée est supérieure à la tension d'alimentation, le moteur agit comme un générateur. Voyons maintenantcomment ce principe fonctionne dans les véhicules électriques pour éviter les pertes d'énergie dues au freinage.

Lorsque le moteur accélère le véhicule, l'énergie cinétique qui lui est associée augmente comme un carré de la vitesse. En roue libre, le véhicule s'arrête lorsque l'énergie cinétique devient nulle. Lorsque nous appliquons les freins dans un véhicule électrique, le contrôleur de moteur fonctionne de manière à immobiliser le moteur ou à réduire sa vitesse. Cela consiste à inverser le sens du couple moteur vers celui du sens de rotation. Au cours de ce processus, le rotor du moteur connecté à l'essieu moteur génère une force électromagnétique dans le moteur (analogue à une machine motrice / turbine entraînant le rotor du générateur). Lorsque l'EMF généré est supérieur à la tension de la batterie de condensateurs, la puissance circule du moteur vers la batterie. Ainsi l'énergie récupérée est stockée dans la batterie ou le banc de condensateurs.

Comment fonctionne le freinage régénératif dans un véhicule électrique

Considérons qu'une voiture a un moteur à induction triphasé comme moteur de sa propulsion. D'après les caractéristiques du moteur, nous savons que lorsqu'un moteur à induction triphasé tourne au-dessus de sa vitesse synchrone, le glissement devient négatif et le moteur agit comme un générateur (alternateur). Dans des circonstances pratiques, la vitesse d'un moteur à induction est toujours inférieure à la vitesse synchrone. La vitesse synchroneest la vitesse du champ magnétique tournant du stator produit en raison de l'interaction de l'alimentation triphasée. Au moment du démarrage du moteur, la force électromagnétique induite dans le rotor est maximale. Lorsque le moteur commence à tourner, l'EMF induit diminue en fonction du glissement. Lorsque la vitesse du rotor atteint la vitesse synchrone, l'EMF induit est nul. À ce stade, si nous essayons de faire tourner le rotor au-dessus de cette vitesse, l'EMF sera induit. Dans ce cas, le moteur fournit une puissance active au secteur ou à l'alimentation. Nous appliquons les freins pour réduire la vitesse du véhicule. Dans ce cas, on ne peut pas s'attendre à ce que la vitesse du rotor dépasse la vitesse synchrone. C'est là que le rôle du contrôleur de moteur entre en scène. Dans un but de compréhension, nous pouvons visualiser comme l'exemple ci-dessous.

Supposons que le moteur tourne à 5900 tr / min et que la fréquence d'alimentation soit de 200 Hz lorsque nous appliquons le frein, nous devons réduire le régime ou le ramener à zéro. Le contrôleur agit en fonction de l'entrée du capteur de la pédale de frein et effectue cette opération. Au cours de ce processus, le contrôleur définira la fréquence d'alimentation inférieure à 200 Hz comme 80 Hz. Par conséquent, la vitesse synchrone du moteur devient 2400 tr / min. Du point de vue du contrôleur de moteur, la vitesse du moteur est supérieure à sa vitesse synchrone. Comme nous réduisons la vitesse pendant le freinage, le moteur agit maintenant comme un générateur jusqu'à ce que le régime diminue à 2400. Pendant cette période, nous pouvons extraire la puissance du moteur et la stocker dans la batterie ou la batterie de condensateurs.Il est à noter que la batterie continue d'alimenter les moteurs à induction triphasés pendant le processus de freinage par récupération. C'est parce que les moteurs asynchrones n'ont pas de source de flux magnétique lorsque l'alimentation est OFF. Par conséquent, le moteur, lorsqu'il agit comme un générateur, tire de la puissance réactive de l'alimentation pour établir la liaison de flux et lui fournit une puissance active. Pour différents moteurs, le principe de récupération de l'énergie cinétique lors du freinage par récupération est différent. Les moteurs à aimants permanents peuvent agir comme un générateur sans aucune alimentation car ils ont des aimants dans le rotor pour produire un flux magnétique. De même, peu de moteurs ont un magnétisme résiduel qui élimine l'excitation externe nécessaire pour créer un flux magnétique.C'est parce que les moteurs asynchrones n'ont pas de source de flux magnétique lorsque l'alimentation est OFF. Par conséquent, le moteur, lorsqu'il agit comme un générateur, tire de la puissance réactive de l'alimentation pour établir la liaison de flux et lui fournit une puissance active. Pour différents moteurs, le principe de récupération de l'énergie cinétique lors du freinage par récupération est différent. Les moteurs à aimants permanents peuvent agir comme un générateur sans aucune alimentation car ils ont des aimants dans le rotor pour produire un flux magnétique. De même, peu de moteurs ont un magnétisme résiduel qui élimine l'excitation externe nécessaire pour créer un flux magnétique.C'est parce que les moteurs à induction n'ont pas de source de flux magnétique lorsque l'alimentation est OFF. Par conséquent, le moteur, lorsqu'il agit comme un générateur, tire de la puissance réactive de l'alimentation pour établir la liaison de flux et lui fournit une puissance active. Pour différents moteurs, le principe de récupération de l'énergie cinétique lors du freinage par récupération est différent. Les moteurs à aimants permanents peuvent agir comme un générateur sans aucune alimentation car ils ont des aimants dans le rotor pour produire un flux magnétique. De même, peu de moteurs ont un magnétisme résiduel qui élimine l'excitation externe nécessaire pour créer un flux magnétique.le principe de récupération de l'énergie cinétique lors du freinage par récupération est différent. Les moteurs à aimants permanents peuvent agir comme un générateur sans aucune alimentation car ils ont des aimants dans le rotor pour produire un flux magnétique. De même, peu de moteurs ont un magnétisme résiduel qui élimine l'excitation externe nécessaire pour créer un flux magnétique.le principe de récupération de l'énergie cinétique lors du freinage par récupération est différent. Les moteurs à aimants permanents peuvent agir comme un générateur sans aucune alimentation car ils ont des aimants dans le rotor pour produire un flux magnétique. De même, peu de moteurs ont un magnétisme résiduel qui élimine l'excitation externe nécessaire pour créer un flux magnétique.

Dans la plupart des véhicules électriques, le moteur électrique est connecté uniquement à l'essieu moteur unique (principalement à l'essieu moteur arrière). Dans ce cas, nous devons utiliser un système de freinage mécanique (freinage hydraulique) pour les roues avant. Cela signifie que le contrôleur doit maintenir la coordination entre le système de freinage mécanique et électronique tout en appliquant les freins.

Le freinage régénératif vaut-il la peine d'être mis en œuvre dans tous les véhicules électriques?

Le potentiel de récupération d'énergie ne fait aucun doute dans le concept de la méthode de freinage par récupération, mais il présente également certaines limites. Comme indiqué précédemment, la vitesse à laquelle les batteries peuvent se charger est lente par rapport à la vitesse à laquelle elles peuvent se décharger. Cela limite la quantité d'énergie récupérée que les batteries peuvent stocker lors d'un freinage brusque (décélération rapide). Il est déconseillé d'utiliser le freinage par récupération à pleine charge. C'est parce qu'une surcharge peut endommager les batteries, mais le circuit électronique empêche de les surcharger. Dans ce cas, la batterie de condensateurs peut stocker l'énergie et aider à étendre la portée. Si ce n'est pas le cas, les freins mécaniques sont appliqués pour arrêter le véhicule.

On sait que l'énergie cinétique est donnée par 0,5 * m * v ². La quantité d'énergie que nous pouvons récupérer dépend de la masse du véhicule et également de la vitesse à laquelle il se déplace. La masse totale est plus dans les véhicules lourds comme les voitures électriques, les bus électriques et les camions. Dans le cycle de conduite urbaine, ces véhicules lourds gagneraient beaucoup de vitesse après l'accélération malgré une croisière à basse vitesse. Ainsi, lors du freinage, l'énergie cinétique disponible est supérieure à celle d'un scooter électrique roulant à la même vitesse. Par conséquent, l' efficacité du freinage régénératif est plus dans les voitures électriques, les bus et autres véhicules lourds. Bien que peu de scooters électriques aient la caractéristique de freinage par récupération, son impact sur le système (la quantité d'énergie récupérée ou l'autonomie étendue) n'est pas aussi efficace que dans les voitures électriques.

Le besoin de banques de condensateurs ou d'ultra condensateurs

Lors du freinage, nous devons arrêter ou réduire la vitesse du véhicule instantanément. Par conséquent, l'opération de freinage à cet instant est là pendant une courte période. Les batteries ont une limite sur le temps de charge, nous ne pouvons pas déverser plus d'énergie à la fois car cela dégradera les batteries. En dehors de cela, une charge et une décharge fréquentes de la batterie réduisent également la durée de vie de la batterie. Pour éviter cela, nous ajoutons une batterie de condensateurs ou des ultra-condensateurs au système. Les ultra condensateurs ou super condensateurs peuvent se décharger et se charger pendant de nombreux cycles sans aucune dégradation des performances, ce qui contribue à augmenter la durée de vie de la batterie. L'ultra condensateur a une réponse rapide, ce qui aide à capturer efficacement les pics / surtensions d'énergie pendant l'opération de freinage par récupération.La raison du choix d'un ultra condensateur est qu'il peut stocker 20 fois plus d'énergie que les condensateurs électrolytiques. Ce système abrite un convertisseur CC-CC. Pendant l'accélération, l'opération de suralimentation permet au condensateur de se décharger jusqu'à une valeur seuil. Pendant la décélération (c'est-à-dire le freinage), le fonctionnement abaisseur permet au condensateur de se charger. Les ultra condensateurs ont une bonne réponse transitoire, ce qui est utile lors du démarrage du véhicule. En stockant l'énergie récupérée en dehors de la batterie, il peut aider à étendre l'autonomie du véhicule et peut également supporter une accélération soudaine à l'aide du circuit de suralimentation.freinage) le fonctionnement abaisseur permet au condensateur de se charger. Les ultra condensateurs ont une bonne réponse transitoire, ce qui est utile lors du démarrage du véhicule. En stockant l'énergie récupérée en dehors de la batterie, il peut aider à étendre l'autonomie du véhicule et peut également supporter une accélération soudaine à l'aide du circuit de suralimentation.freinage) le fonctionnement abaisseur permet au condensateur de se charger. Les ultra condensateurs ont une bonne réponse transitoire, ce qui est utile lors du démarrage du véhicule. En stockant l'énergie récupérée en dehors de la batterie, il peut aider à étendre l'autonomie du véhicule et peut également supporter une accélération soudaine à l'aide du circuit de suralimentation.