제동은 차량의 중요한 측면 중 하나입니다. 우리가 차량에 사용하는 기계식 제동 시스템은 차량의 운동 에너지를 열로 낭비하는 큰 단점이 있습니다. 이것은 연비에 영향을 주어 차량의 전반적인 효율성을 떨어 뜨립니다. 도시 주행 사이클에서 우리는 고속도로 주행 사이클과 비교할 때 차량을 더 자주 시작 및 정지하는 경향이 있습니다. 도시 주행 사이클에서 자주 브레이크를 걸면 에너지 손실이 더 커집니다. 엔지니어들은 회생 제동 시스템을 고안했습니다.전통적인 제동 방식에서 제동 중 열로 소산 된 운동 에너지를 복구합니다. 물리 법칙에 따르면 우리는 손실 된 운동 에너지를 모두 복구 할 수 없지만 여전히 상당한 양의 운동 에너지를 배터리 또는 슈퍼 커패시터에 변환하여 저장할 수 있습니다. 회수 된 에너지는 기존 차량의 연비 개선에 도움이되고 전기 차량의 주행 거리를 확장하는 데 도움이됩니다. 회생 제동 과정은 운동 에너지를 회복하는 동안 손실이 있음을 유의해야합니다. 더 진행하기 전에 EV 에 대한 다른 흥미로운 기사를 확인할 수도 있습니다.
- 엔지니어의 전기 자동차 (EV) 소개
- 전기 자동차에 사용되는 모터의 유형
회생 제동 의 개념은 플라이 휠을 사용하는 기존 차량에서 구현할 수 있습니다. 플라이휠은 매우 빠른 속도로 회전하는 높은 관성을 가진 디스크입니다. 제동시 차량의 운동 에너지를 흡수 (저장)하여 기계적 에너지 저장 장치 역할을합니다. 제동 과정에서 회수 된 에너지는 출발 또는 오르막길 이동 중에 차량을 보조하는 데 사용할 수 있습니다.
전기 자동차에서는 회생 제동을 전자적으로 훨씬 더 효율적인 방식으로 통합 할 수 있습니다. 이렇게하면 무거운 플라이휠의 필요성이 줄어들어 차량의 총 중량에 추가 중량이 추가됩니다. 전기 자동차는 사용자들 사이에서 거리 불안이라는 본질적인 문제를 가지고 있습니다. 도시 주행 사이클에서 차량의 평균 속도는 약 25-40kmph이지만 잦은 가속 및 제동은 곧 배터리를 소모합니다. 모터는 특정 조건에서 발전기 역할을 할 수 있다는 것을 알고 있습니다. 이 기능을 사용하면 차량의 운동 에너지가 낭비되는 것을 방지 할 수 있습니다. 전기 자동차에 브레이크를 걸면 모터 컨트롤러 (브레이크 페달 센서 출력 기준)가 성능을 저하 시키거나 모터를 정지시킵니다. 이 작동 중에 모터 컨트롤러는운동 에너지를 복구하여 배터리 또는 커패시터 뱅크에 저장합니다. 회생 제동은 전기 자동차의 범위를 8 ~ 25 % 확장하는 데 도움이됩니다. 에너지 절약 및 주행 거리 향상 외에도 제동 작동을 효과적으로 제어하는 데 도움이됩니다.
기계식 제동 시스템에서 브레이크 페달을 밟으면 휠에 역방향 토크가 가해집니다. 마찬가지로 회생 제동 모드에서는 모터 컨트롤러의 도움으로 모터에 음의 토크 (동작에 반대)를 시작하여 차량의 속도를 줄입니다. 회생 제동 모드에서 모터가 역방향으로 회전 할 때 모터가 발전기 역할을한다는 개념을 시각화하면 때때로 사람들이 혼란스러워합니다. 이 기사에서는 전기 자동차의 회생 제동 방법을 통해 운동 에너지를 회복하는 방법을 이해할 수 있습니다.
모터가 발전기 역할을하는 방법
먼저 모터가 발전기 역할을하는 방법 을 이해 하는 데 초점을 맞출 것입니다.. 우리 모두는 라인 팔로워와 같은 로봇 응용 분야에서 영구 자석 DC 모터를 사용했습니다. 모터에 연결된 로봇의 바퀴가 자유롭게 (외부 적으로 손으로) 회전하면 모터 드라이버 IC가 손상되는 경우가 있습니다. 이것은 모터가 발전기 역할을하고 생성 된 역기전력 (더 큰 역 전압)이 드라이버 IC에 적용되어 손상되기 때문에 발생합니다. 이러한 모터에서 전기자를 회전하면 영구 자석의 자속이 차단됩니다. 그 결과, EMF는 플럭스의 변화에 반대하도록 유도됩니다. 따라서 모터 단자의 전압을 측정 할 수 있습니다. 역기전력이 회 전자 속도 (rpm)의 함수이기 때문입니다. rpm이 더 많고 생성 된 역기전력이 공급 전압보다 크면 모터가 발전기 역할을합니다. 이제 보자제동으로 인한 에너지 손실을 방지하기 위해이 원리가 전기 자동차에서 어떻게 작동하는지.
모터가 차량을 가속하면 이와 관련된 운동 에너지가 속도의 제곱으로 증가합니다. 코스 팅 중에는 운동 에너지가 0이되면 차량이 정지합니다. 전기 자동차에 브레이크를 걸면 모터 컨트롤러는 모터를 정지 시키거나 속도를 낮추는 방식으로 작동합니다. 이것은 모터 토크의 방향을 회전 방향으로 반전시키는 것을 포함합니다. 이 과정에서 구동축에 연결된 모터의 회전자는 모터에서 EMF를 생성합니다 (발전기의 회 전자를 구동하는 원동기 / 터빈과 유사 함). 생성 된 EMF가 커패시터 뱅크의 전압보다 크면 전력이 모터에서 뱅크로 흐릅니다. 따라서 회수 된 에너지는 배터리 또는 커패시터 뱅크에 저장됩니다.
전기 자동차에서 회생 제동이 작동하는 방식
자동차의 추진을위한 모터로 3 상 AC 유도 모터가 있다고 가정 해 보겠습니다. 모터 특성에서 3 상 유도 전동기가 동기 속도 이상으로 작동하면 슬립이 음이되고 모터가 발전기 (교류기) 역할을한다는 것을 알고 있습니다. 실제 상황에서 유도 전동기의 속도는 항상 동기 속도보다 낮습니다. 동기 속도3 상 공급의 상호 작용으로 인해 생성 된 고정자의 회전 자기장의 속도입니다. 모터 시동시 로터에 유도 된 EMF는 최대입니다. 모터가 회전을 시작하면 유도 된 EMF가 슬립의 함수로 감소합니다. 회 전자 속도가 동기 속도에 도달하면 유도되는 EMF는 0입니다. 이 시점에서 회 전자를이 속도 이상으로 돌리려고하면 EMF가 유도됩니다. 이 경우 모터는 주전원 또는 전원에 다시 유효 전력을 공급합니다. 차량의 속도를 줄이기 위해 브레이크를 적용합니다. 이 경우 로터 속도가 동기 속도를 초과 할 것으로 예상 할 수 없습니다. 이것이 모터 컨트롤러의 역할이 그림에 나오는 곳입니다. 이해를 돕기 위해 아래와 같이 시각화 할 수 있습니다.
모터가 5900rpm으로 회전하고 브레이크를 적용 할 때 공급 주파수가 200Hz라고 가정 해 보겠습니다. rpm을 줄이거 나 0으로 낮추어야합니다. 컨트롤러는 브레이크 페달 센서의 입력에 따라 작동하고 해당 작업을 수행합니다. 이 과정에서 컨트롤러는 공급 주파수를 80Hz와 같이 200Hz 미만으로 설정합니다. 따라서 모터의 동기 속도는 2400rpm이됩니다. 모터 컨트롤러 관점에서 볼 때 모터의 속도는 동기 속도보다 높습니다. 제동 작동 중에 속도를 줄이면 이제 rpm이 2400으로 감소 할 때까지 모터가 발전기 역할을합니다.이 기간 동안 모터에서 전력을 추출하여 배터리 또는 커패시터 뱅크에 저장할 수 있습니다.배터리는 회생 제동 과정에서 3 상 유도 전동기에 계속 전원을 공급합니다. 유도 전동기는 전원이 꺼져있을 때 자속 소스가 없기 때문입니다. 따라서 발전기 역할을 할 때 모터는 공급 장치에서 무효 전력을 끌어서 플럭스 연결을 설정하고 유효 전력을 다시 공급합니다. 다른 모터의 경우 회생 제동 중에 운동 에너지를 복구하는 원리가 다릅니다. 영구 자석 모터는 자속을 생성하는 회 전자에 자석이 있기 때문에 전원 공급 장치없이 발전기 역할을 할 수 있습니다. 마찬가지로 자속을 생성하는 데 필요한 외부 여기를 제거하는 잔류 자기가있는 모터는 거의 없습니다.유도 전동기는 전원이 꺼져있을 때 자속 소스가 없기 때문입니다. 따라서 발전기 역할을 할 때 모터는 공급 장치에서 무효 전력을 끌어와 자속 연결을 설정하고 유효 전력을 다시 공급합니다. 다른 모터의 경우 회생 제동 중에 운동 에너지를 복구하는 원리가 다릅니다. 영구 자석 모터는 자속을 생성하기 위해 회 전자에 자석이 있기 때문에 전원 공급 장치없이 발전기 역할을 할 수 있습니다. 마찬가지로 자속을 생성하는 데 필요한 외부 여기를 제거하는 잔류 자기가있는 모터는 거의 없습니다.유도 전동기는 전원이 꺼져있을 때 자속 소스가 없기 때문입니다. 따라서 발전기 역할을 할 때 모터는 공급 장치에서 무효 전력을 끌어서 플럭스 연결을 설정하고 유효 전력을 다시 공급합니다. 다른 모터의 경우 회생 제동 중에 운동 에너지를 복구하는 원리가 다릅니다. 영구 자석 모터는 자속을 생성하는 회 전자에 자석이 있기 때문에 전원 공급 장치없이 발전기 역할을 할 수 있습니다. 마찬가지로 자속을 생성하는 데 필요한 외부 여기를 제거하는 잔류 자기가있는 모터는 거의 없습니다.회생 제동 중 운동 에너지를 회복하는 원리는 다릅니다. 영구 자석 모터는 자속을 생성하는 회 전자에 자석이 있기 때문에 전원 공급 장치없이 발전기 역할을 할 수 있습니다. 마찬가지로 자속을 생성하는 데 필요한 외부 여기를 제거하는 잔류 자기가있는 모터는 거의 없습니다.회생 제동 중 운동 에너지를 회복하는 원리는 다릅니다. 영구 자석 모터는 자속을 생성하기 위해 회 전자에 자석이 있기 때문에 전원 공급 장치없이 발전기 역할을 할 수 있습니다. 마찬가지로 자속을 생성하는 데 필요한 외부 여기를 제거하는 잔류 자기가있는 모터는 거의 없습니다.
대부분의 전기 자동차에서 전기 모터는 단일 구동 축 (대부분 후륜 구동 축)에만 연결됩니다. 이 경우 앞바퀴에 기계식 제동 시스템 (유압 제동)을 사용해야합니다. 이는 컨트롤러가 브레이크를 적용하는 동안 기계식 및 전자식 제동 시스템 간의 조정을 유지해야 함을 의미합니다.
회생 제동은 모든 전기 자동차에 구현할 가치가 있습니까?
회생 제동 방식의 개념에서 에너지 재 흡수 가능성에는 의심의 여지가 없지만 몇 가지 한계가 있습니다. 앞서 언급했듯이 배터리가 충전 될 수있는 속도는 방전 할 수있는 속도에 비해 느립니다. 이는 갑작스런 제동 (빠른 감속) 동안 배터리가 저장할 수있는 회수 에너지의 양을 제한합니다. 완전히 충전 된 상태에서 회생 제동을 사용하는 것은 권장되지 않습니다. 과충전은 배터리를 손상시킬 수 있지만 전자 회로가 과충전을 방지하기 때문입니다. 이 경우 커패시터 뱅크는 에너지를 저장하고 범위를 확장하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 그것이 없으면 기계식 브레이크가 적용되어 차량을 정지시킵니다.
운동 에너지는 0.5 * m * v 2로 주어집니다. 우리가 회수 할 수있는 에너지의 양은 차량의 질량과 주행 속도에 따라 달라집니다. 총 질량은 전기 자동차, 전기 버스 및 트럭과 같은 무거운 차량에 더 많습니다. 도시 주행 사이클에서 이러한 대형 차량은 저속 주행에도 불구하고 가속 후 큰 추진력을 얻습니다. 따라서 제동 중에 사용 가능한 운동 에너지는 동일한 속도로 주행하는 전기 스쿠터에 비해 더 많습니다. 따라서 회생 제동 의 효과는 전기 자동차, 버스 및 기타 대형 차량에서 더 많이 나타납니다.. 회생 제동 기능이있는 전기 스쿠터는 거의 없지만 시스템에 미치는 영향 (회생되는 에너지의 양 또는 확장 된 범위)은 전기 자동차만큼 효과적이지 않습니다.
커패시터 뱅크 또는 울트라 커패시터의 필요성
제동 중에는 차량의 속도를 즉시 멈추거나 줄여야합니다. 따라서 그 순간의 제동 작동이 잠시 있습니다. 배터리는 충전 시간에 제한이 있습니다. 배터리 성능이 저하되기 때문에 한 번에 더 많은 에너지를 버릴 수 없습니다. 이 외에도 배터리를 자주 충전 및 방전하면 배터리 수명이 단축됩니다. 이를 방지하기 위해 커패시터 뱅크 또는 울트라 커패시터를 시스템에 추가합니다. 울트라 커패시터 또는 슈퍼 커패시터는 성능 저하없이 여러주기 동안 방전 및 충전 할 수 있으므로 배터리 수명을 늘리는 데 도움이됩니다. 울트라 커패시터는 빠른 응답을 제공하므로 회생 제동 작동 중에 에너지 피크 / 서지를 효과적으로 캡처하는 데 도움이됩니다.울트라 커패시터를 선택한 이유는 전해 커패시터보다 20 배 더 많은 에너지를 저장할 수 있기 때문입니다. 이 시스템에는 DC-DC 변환기가 있습니다. 가속 중에 부스트 작동을 통해 커패시터가 임계 값까지 방전 할 수 있습니다. 감속 (즉, 제동) 동안 벅 작동을 통해 커패시터가 충전됩니다. 울트라 캐패시터는 우수한 과도 응답을 가지고있어 차량 시동시 유용합니다. 회수 된 에너지를 배터리와 분리하여 저장함으로써 차량의 범위를 확장하는 데 도움이 될 수 있으며 부스트 회로의 도움으로 급 가속을 지원할 수도 있습니다.제동) 벅 작동으로 커패시터가 충전됩니다. 울트라 커패시터는 우수한 과도 응답을 가지고있어 차량 시동시 유용합니다. 회수 된 에너지를 배터리와 분리하여 저장함으로써 차량의 범위를 확장하는 데 도움이 될 수 있으며 부스트 회로의 도움으로 급 가속을 지원할 수도 있습니다.제동) 벅 작동으로 커패시터가 충전됩니다. 울트라 캐패시터는 우수한 과도 응답을 가지고있어 차량 시동시 유용합니다. 회수 된 에너지를 배터리와 분리하여 저장함으로써 차량의 범위를 확장하는 데 도움이 될 수 있으며 부스트 회로의 도움으로 급 가속을 지원할 수도 있습니다.