ブレーキは車両の重要な側面の1つです。私たちが車両に使用している機械式ブレーキシステムには、車両の運動エネルギーを熱として浪費するという大きな欠点があります。これは、燃費に影響を与えることにより、車両の全体的な効率を低下させます。都市部のドライブサイクルでは、高速道路のドライブサイクルと比較して、車両の発進と停止の頻度が高くなる傾向があります。都市部のドライブサイクルではブレーキを頻繁にかけるため、エネルギー損失はさらに大きくなります。エンジニアは回生ブレーキシステムを思いついた従来のブレーキ方法でブレーキ時に熱として放散された運動エネルギーを回収します。物理法則に従って、失われたすべての運動エネルギーを回復することはできませんが、それでもかなりの量の運動エネルギーを変換してバッテリーまたはスーパーキャパシターに保存することができます。回収されたエネルギーは、従来の車両の燃費を改善し、電気自動車の航続距離を伸ばすのに役立ちます。回生ブレーキのプロセスには、運動エネルギーを回復する際の損失があることに注意してください。先に進む前に、EVに関する他の興味深い記事を確認することもできます。
- エンジニアによる電気自動車（EV）の紹介
- 電気自動車に使用されるモーターの種類
回生ブレーキの概念は、フライホイールを使用する従来の車両に実装できます。フライホイールは、非常に高速で回転する慣性の高いディスクです。それらは、ブレーキング中に車両の運動エネルギーを吸収（蓄積）することにより、機械的エネルギー貯蔵装置として機能します。ブレーキングプロセス中に回収されたエネルギーは、発進時または上り坂の移動中に車両を支援するために使用できます。
電気自動車では、電子的にはるかに効率的な方法で回生ブレーキを組み込むことができます。これにより、重いフライホイールの必要性が減り、車両の総重量に余分な重量が追加されます。電気自動車には、ユーザー間の距離不安という固有の問題があります。アーバンドライブサイクルでの車両の平均速度は約25〜40 kmphですが、頻繁な加速とブレーキはすぐにバッテリーを消耗します。モーターは特定の条件下で発電機として機能できることを私たちは知っています。この機能を使用することにより、車両の運動エネルギーが無駄になるのを防ぐことができます。電気自動車にブレーキをかけると、モーターコントローラー（ブレーキペダルセンサーの出力に基づく）が性能を低下させたり、モーターを停止させたりします。この操作中、モーターコントローラーは次のように設計されています運動エネルギーを回収し、バッテリーまたはコンデンサーバンクに保存します。回生ブレーキは、電気自動車の航続距離を8〜25％拡大するのに役立ちます。エネルギーの節約と航続距離の拡大に加えて、ブレーキ操作の効果的な制御にも役立ちます。
機械式ブレーキシステムでは、ブレーキペダルを踏むとホイールに逆トルクがかかります。同様に、回生ブレーキモードでは、モーターコントローラーの助けを借りてモーターに負のトルク（運動とは反対）を開始することにより、車両の速度が低下します。回生ブレーキモードでモーターが逆方向に回転すると、モーターが発電機として機能するという概念を視覚化すると、混乱することがあります。この記事では、電気自動車の回生ブレーキ方式で運動エネルギーを回収する方法を理解できます。
モーターが発電機としてどのように機能するか
まず、モーターが発電機としてどのように機能するかを理解することに焦点を当てます。私たちは皆、ラインフォロワーのようなロボット工学アプリケーションで永久磁石DCモーターを使用しています。モーターに接続されているロボットのホイールを（外部から手で）自由に回転させると、モータードライバーICが破損する場合があります。これは、モーターが発電機として機能し、生成された逆起電力（より大きな逆電圧）がドライバーICに印加され、それが損傷するために発生します。これらのモーターの電機子を回転させると、永久磁石からの磁束が遮断されます。この結果、EMFはフラックスの変化に対抗するように誘導されます。したがって、モーターの端子の電圧を測定することができます。これは、逆起電力がローター速度（rpm）の関数であるためです。 rpmが高く、生成された逆起電力が供給電圧よりも大きい場合、モーターは発電機として機能します。今見てみましょうブレーキによるエネルギー損失を回避するために、この原理が電気自動車でどのように機能するか。
モーターが車両を加速すると、それに関連する運動エネルギーは速度の2乗として増加します。惰行中、運動エネルギーがゼロになると車両は静止します。電気自動車にブレーキをかけると、モーターコントローラーが作動してモーターを停止させたり、速度を落としたりします。これには、モータートルクの方向を回転方向の方向に逆にすることが含まれます。このプロセス中に、ドライブアクスルに接続されたモーターのローターがモーターにEMFを生成します（発電機のローターを駆動する原動機/タービンに類似しています）。生成されたEMFがコンデンサバンクの電圧よりも大きい場合、電力はモーターからバンクに流れます。したがって、回収されたエネルギーはバッテリーまたはコンデンサーバンクに蓄えられます。
電気自動車での回生ブレーキのしくみ
自動車が推進用のモーターとして三相AC誘導モーターを備えていると考えてみましょう。モーターの特性から、三相誘導モーターが同期速度を超えて動作すると、スリップが負になり、モーターが発電機（オルタネーター）として機能することがわかります。実際の状況では、誘導モーターの速度は常に同期速度よりも遅くなります。同期速度は、三相電源の相互作用によって生成される固定子の回転磁界の速度です。モーター始動時、ローターに誘導されるEMFは最大です。モーターが回転を開始すると、誘導されるEMFはスリップの関数として減少します。ローター速度が同期速度に達すると、誘導されるEMFはゼロになります。この時点で、ローターをこの速度を超えて回転させようとすると、EMFが発生します。この場合、モーターは有効電力を主電源または電源に供給します。ブレーキをかけて車速を下げます。この場合、ローター速度が同期速度を超えることは期待できません。ここで、モーターコントローラーの役割が浮き彫りになります。理解するために、以下の例のように視覚化できます。
モーターが5900rpmで回転し、ブレーキをかけるときの供給周波数が200 Hzであると仮定すると、rpmを下げるか、ゼロにする必要があります。コントローラーはブレーキペダルセンサーからの入力に応じて動作し、その操作を実行します。このプロセス中に、コントローラーは供給周波数を80Hzのように200Hz未満に設定します。したがって、モーターの同期速度は2400rpmになります。モーターコントローラーの観点からは、モーターの速度は同期速度よりも速くなります。ブレーキ操作中に速度を下げているため、rpmが2400に低下するまで、モーターは発電機として機能します。この間、モーターから電力を引き出し、バッテリーまたはコンデンサーバンクに保存できます。回生ブレーキ処理中、バッテリーは三相誘導モーターに電力を供給し続けることに注意してください。これは、電源がオフのとき、誘導電動機に磁束源がないためです。したがって、発電機として機能するモーターは、電源から無効電力を引き出して磁束リンケージを確立し、有効電力を供給します。モーターが異なれば、回生ブレーキ時に運動エネルギーを回収する原理も異なります。永久磁石モーターは、ローターに磁束を生成する磁石があるため、電源がなくても発電機として機能できます。同様に、磁束を生成するために必要な外部励起を排除する残留磁気を備えたモーターはほとんどありません。これは、電源がオフのとき、誘導電動機に磁束源がないためです。したがって、発電機として機能するモーターは、電源から無効電力を引き出して磁束リンケージを確立し、有効電力を供給します。モーターが異なれば、回生ブレーキ時に運動エネルギーを回収する原理も異なります。永久磁石モーターは、ローターに磁束を生成する磁石があるため、電源がなくても発電機として機能できます。同様に、磁束を生成するために必要な外部励起を排除する残留磁気を備えたモーターはほとんどありません。これは、電源がオフのとき、誘導電動機に磁束源がないためです。したがって、発電機として機能するモーターは、電源から無効電力を引き出して磁束リンケージを確立し、有効電力を供給します。モーターが異なれば、回生ブレーキ時に運動エネルギーを回収する原理も異なります。永久磁石モーターは、ローターに磁束を生成する磁石があるため、電源がなくても発電機として機能できます。同様に、磁束を生成するために必要な外部励起を排除する残留磁気を備えたモーターはほとんどありません。回生ブレーキ時に運動エネルギーを回収する原理は異なります。永久磁石モーターは、ローターに磁束を生成する磁石があるため、電源がなくても発電機として機能できます。同様に、磁束を生成するために必要な外部励起を排除する残留磁気を備えたモーターはほとんどありません。回生ブレーキ時に運動エネルギーを回収する原理は異なります。永久磁石モーターは、ローターに磁束を生成する磁石があるため、電源がなくても発電機として機能できます。同様に、磁束を生成するために必要な外部励起を排除する残留磁気を備えたモーターはほとんどありません。
ほとんどの電気自動車では、電気モーターは単一の駆動車軸（主に後輪駆動車軸）にのみ接続されています。この場合、前輪に機械式ブレーキシステム（油圧ブレーキ）を採用する必要があります。これは、コントローラーがブレーキをかけている間、機械式ブレーキシステムと電子式ブレーキシステムの両方の間の調整を維持する必要があることを意味します。
回生ブレーキはすべての電気自動車に実装する価値がありますか？
回生ブレーキ方式の概念では、エネルギー回収の可能性に疑いの余地はありませんが、いくつかの制限もあります。前に指摘したように、バッテリーが放電できる速度と比較すると、バッテリーが充電できる速度は遅いです。これにより、急ブレーキ（急減速）時にバッテリーが蓄えることができる回収エネルギーの量が制限されます。完全に充電された状態で回生ブレーキを使用することはお勧めできません。過充電はバッテリーを損傷する可能性があるためですが、電子回路はバッテリーの過充電を防ぎます。この場合、コンデンサバンクはエネルギーを蓄積し、範囲を拡大するのに役立ちます。そこにない場合は、機械式ブレーキをかけて車両を停止します。
私たちは、運動エネルギーは0.5 * M * Vで与えられることを知っている2。取得できるエネルギーの量は、車両の質量と走行速度によって異なります。総質量は、電気自動車、電気バス、トラックなどの大型車の方が多くなります。都市のドライブサイクルでは、これらの大型車は低速でのクルージングにもかかわらず、加速後に大きな勢いを増します。したがって、ブレーキをかけている間、同じ速度で走行する電動スクーターと比較すると、利用可能な運動エネルギーは多くなります。したがって、回生ブレーキの効果は、電気自動車、バス、その他の大型車でより大きくなります。。回生ブレーキの機能を備えた電動スクーターはほとんどありませんが、システムへの影響（回収されるエネルギーの量、または拡張される範囲）は、電気自動車ほど効果的ではありません。
コンデンサバンクまたはウルトラコンデンサの必要性
ブレーキをかけている間、私たちは車両の速度を瞬時に停止または減速する必要があります。したがって、その瞬間のブレーキ操作は短時間です。バッテリーには充電時間の制限があり、バッテリーを劣化させるため、一度にこれ以上エネルギーを放出することはできません。これとは別に、バッテリーの頻繁な充電と放電もバッテリーの寿命を縮めます。これらを回避するために、コンデンサバンクまたはウルトラコンデンサをシステムに追加します。ウルトラキャパシターまたはスーパーキャパシターは、性能を低下させることなく何サイクルも放電および充電できるため、バッテリーの寿命を延ばすのに役立ちます。ウルトラキャパシターは応答が速いため、回生ブレーキ操作中にエネルギーのピーク/サージを効果的に捕捉するのに役立ちます。ウルトラキャパシターを選択する理由は、電解コンデンサーの20倍のエネルギーを蓄えることができるからです。このシステムには、DC-DCコンバーターが搭載されています。加速中、ブースト動作により、コンデンサはしきい値まで放電できます。減速中（つまりブレーキング）、降圧動作によりコンデンサを充電できます。ウルトラコンデンサは優れた過渡応答を備えており、車両の始動時に役立ちます。回収されたエネルギーをバッテリーとは別に蓄えることで、車両の航続距離を伸ばすのに役立ち、ブースト回路の助けを借りて急加速をサポートすることもできます。ブレーキ）降圧動作により、コンデンサを充電できます。ウルトラコンデンサは優れた過渡応答を備えており、車両の始動時に役立ちます。回収されたエネルギーをバッテリーとは別に蓄えることで、車両の航続距離を伸ばすのに役立ち、ブースト回路の助けを借りて急加速をサポートすることもできます。ブレーキ）降圧動作により、コンデンサを充電できます。ウルトラコンデンサは優れた過渡応答を備えており、車両の始動時に役立ちます。回収されたエネルギーをバッテリーとは別に蓄えることで、車両の航続距離を伸ばすのに役立ち、ブースト回路の助けを借りて急加速をサポートすることもできます。