Pedeorelha | Cómo funciona el frenado regenerativo

Jacob Hoover
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Los tranvías estuvieron entre los primeros vehículos en utilizar tecnología de frenado regenerativo. Vea nuestras fotos de frenos. - © -iStockphoto / Lisa Anderson

Cada vez que pisa los frenos de su automóvil, está desperdiciando energía. La física nos dice que la energía no se puede destruir. Entonces, cuando su automóvil desacelera, la energía cinética que lo impulsaba hacia adelante tiene que ir a alguna parte. La mayor parte simplemente se disipa como calor y se vuelve inútil. Esa energía, que podría haberse usado para hacer un trabajo, se desperdicia esencialmente.

¿Hay algo que usted, el conductor, pueda hacer para dejar de desperdiciar esta energía? Realmente no. En la mayoría de los automóviles es el subproducto inevitable del frenado y no hay forma de que pueda conducir un automóvil sin pisar el freno de vez en cuando. Pero los ingenieros automotrices han pensado mucho en este problema y han ideado una especie de sistema de frenado que puede recuperar gran parte de la energía cinética del automóvil y convertirla en electricidad, de modo que pueda usarse para recargar las baterías del automóvil. Este sistema se llama frenado regenerativo..

En la actualidad, este tipo de frenos se encuentran principalmente en vehículos híbridos como el Toyota Prius y en coches totalmente eléctricos, como el Tesla Roadster. En vehículos como estos, mantener la batería cargada es de considerable importancia. Sin embargo, la tecnología se utilizó por primera vez en tranvías y posteriormente se ha abierto camino en lugares tan inverosímiles como bicicletas eléctricas e incluso coches de carreras de Fórmula Uno..

-En un sistema de frenado adicional, las pastillas de freno producen fricción con los rotores de freno para reducir la velocidad o detener el vehículo. Se produce una fricción adicional entre las ruedas desaceleradas y la superficie de la carretera. Esta fricción es lo que convierte la energía cinética del automóvil en calor. Con los frenos regenerativos, por otro lado, el sistema que impulsa el vehículo hace la mayor parte del frenado. Cuando el conductor pisa el pedal del freno de un vehículo eléctrico o híbrido, este tipo de frenos ponen el motor eléctrico del vehículo en modo de reversa, lo que hace que funcione hacia atrás, lo que ralentiza las ruedas del automóvil. Mientras funciona al revés, el motor también actúa como un generador eléctrico, produciendo electricidad que luego se alimenta a las baterías del vehículo. Estos tipos de frenos funcionan mejor a determinadas velocidades que a otras. De hecho, son más efectivos en situaciones de conducción intermitente. Sin embargo, los vehículos híbridos y totalmente eléctricos también tienen frenos de fricción, como una especie de sistema de respaldo en situaciones en las que el frenado regenerativo simplemente no proporciona suficiente potencia de frenado. En estos casos, es importante que los conductores sean conscientes del hecho de que el pedal del freno puede responder de manera diferente a la presión. El pedal a veces se pisa más hacia el piso de lo que normalmente lo hace y esta sensación puede causar pánico momentáneo en los conductores..

En las páginas siguientes, analizaremos con más detalle cómo funciona un sistema de frenado regenerativo y analizaremos las razones por las que el frenado regenerativo es más eficiente que un sistema de frenos de fricción típico..

Contenido

Circuitos de frenado regenerativo
Controladores de frenado regenerativo
Frenado regenerativo híbrido
Frenado regenerativo hidráulico
Eficiencia de frenado regenerativo
Diagrama de frenado regenerativo

Los coches híbridos y totalmente eléctricos utilizan sistemas de frenado regenerativo para cargar las baterías. © -iStockphoto / -TIM MCCAIG

El frenado regenerativo se utiliza en vehículos que utilizan motores eléctricos, principalmente vehículos totalmente eléctricos y vehículos eléctricos híbridos. Una de las propiedades más interesantes de un motor eléctrico es que, cuando funciona en una dirección, convierte la energía eléctrica en energía mecánica que puede usarse para realizar un trabajo (como girar las ruedas de un automóvil), pero cuando el motor está Si funciona en la dirección opuesta, un motor correctamente diseñado se convierte en un generador eléctrico, que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Esta energía eléctrica luego se puede alimentar a un sistema de carga para las baterías del automóvil..

En un sistema de frenado regenerativo, el truco para hacer que el motor funcione hacia atrás es utilizar el impulso del vehículo como la energía mecánica que pone el motor en marcha atrás. Momentum es la propiedad que mantiene al vehículo en movimiento hacia adelante una vez que se acelera. Una vez que el motor se ha invertido, la electricidad generada por el motor se retroalimenta a las baterías, donde se puede usar para acelerar el automóvil nuevamente después de que se detiene. Se necesita un circuito electrónico sofisticado para decidir cuándo el motor debe retroceder, mientras que los circuitos eléctricos especializados dirigen la electricidad generada por el motor a las baterías del vehículo. En algunos casos, la energía producida por este tipo de frenos se almacena en una serie de condensadores para su uso posterior. Además, dado que los vehículos que utilizan este tipo de frenos también tienen un sistema de frenado por fricción estándar, la electrónica del vehículo debe decidir qué sistema de frenado es apropiado en cada momento. Debido a que mucho se controla electrónicamente en un sistema de frenado regenerativo, incluso es posible que el conductor seleccione ciertos ajustes preestablecidos que determinan cómo reacciona el vehículo en diferentes situaciones. Por ejemplo, en algunos vehículos, un conductor puede seleccionar si el frenado regenerativo debe comenzar inmediatamente cada vez que el pie del conductor suelta el pedal del acelerador y si el sistema de frenado llevará el automóvil hasta 0 mph (0 kilómetros por hora) o dejará que el costa ligeramente del coche.

Existe un movimiento general en la industria automotriz hacia los llamados sistemas de freno por cable, donde muchas de las funciones de los frenos que tradicionalmente se han realizado mecánicamente se realizarán electrónicamente. Los vehículos híbridos y eléctricos probablemente serán los primeros en adoptar estos tipos de frenos. En la actualidad, diferentes ingenieros automotrices han desarrollado diferentes diseños de circuitos para manejar las complejidades del frenado regenerativo; sin embargo, en todos los casos, la parte más importante del circuito de frenado es el controlador de frenado, que discutiremos en la siguiente sección..

Los sistemas de frenado regenerativo son particularmente efectivos en condiciones de conducción con paradas y arranques. © -iStockphoto / -Dave Herriman

Los controladores de frenos son dispositivos electrónicos que pueden controlar los frenos de forma remota, decidiendo cuándo comienza y termina el frenado y la rapidez con la que se deben aplicar los frenos. En situaciones de remolque, por ejemplo, los controladores de frenos pueden proporcionar un medio para coordinar los frenos de un remolque con los frenos del vehículo que remolca..

El frenado regenerativo se implementa junto con los sistemas de frenos antibloqueo (ABS), por lo que el controlador de frenado regenerativo es similar a un controlador ABS, que monitorea la velocidad de rotación de las ruedas y la diferencia en esa velocidad de

una rueda a otra. En los vehículos que usan este tipo de frenos, el controlador de frenos no solo monitorea la velocidad de las ruedas, sino que también puede calcular cuánto par (fuerza de rotación) está disponible para generar electricidad que se retroalimenta a las baterías. Durante la operación de frenado, el controlador de freno dirige la electricidad producida por el motor a las baterías o condensadores. Se asegura de que las baterías reciban una cantidad óptima de energía, pero también asegura que la entrada de electricidad no sea mayor de lo que las baterías pueden manejar..

Sin embargo, la función más importante del controlador de freno puede ser decidir si el motor es capaz actualmente de manejar la fuerza necesaria para detener el automóvil. Si no es así, el controlador de frenos entrega el trabajo a los frenos de fricción, evitando una posible catástrofe. En los vehículos que utilizan este tipo de frenos, tanto como cualquier otro componente electrónico a bordo de un coche híbrido o eléctrico, el controlador de freno hace posible todo el proceso de frenado regenerativo..

Los vehículos híbridos utilizan un motor de combustión interna y un motor eléctrico. © -iStockphoto / -David H. Lewis

¿En qué se diferencia un vehículo híbrido de un vehículo totalmente eléctrico? Bueno, los vehículos eléctricos híbridos utilizan tanto un motor eléctrico como un motor de combustión interna para brindar la mejor experiencia de manejo de ambos mundos. Combinan la autonomía de un motor de combustión interna con la eficiencia de combustible y las características libres de emisiones de un motor eléctrico. Para que un híbrido tenga la máxima eficiencia de combustible y produzca la menor cantidad posible de emisiones de carbono, es importante que la batería permanezca cargada el mayor tiempo posible. Si la batería de un vehículo híbrido perdiera su carga, el motor de combustión interna sería el único responsable de alimentar el vehículo. En ese momento, el vehículo ya no actúa como un híbrido, sino como otro automóvil que quema combustibles fósiles..

Los ingenieros automotrices han ideado una serie de trucos para obtener la máxima eficiencia de los híbridos, como la optimización aerodinámica de las carrocerías y el uso de materiales livianos, pero posiblemente uno de los más importantes es el frenado regenerativo. Sin embargo, en una configuración híbrida, estos tipos de frenos pueden proporcionar energía solo a la parte del motor eléctrico del tren motriz a través de la batería del vehículo. La combustión interna

El motor no obtiene ninguna ventaja de este tipo de frenos..

En parte, estas eficiencias son necesarias debido a la extrema dificultad de encontrar un lugar para recargar un híbrido. Esto dificulta los viajes más largos sin depender del motor de combustión interna del híbrido, que en realidad anula algunas de las ventajas de tener un híbrido..

A continuación, aprenderemos sobre una nueva versión de esta idea de frenado regenerativo..

Los sistemas de frenado de asistencia de potencia hidráulica (HPA) pueden resultar más útiles en camiones grandes. - © -iStockphoto / -Eric Bechtold

Ford Motor Company y Eaton Corporation están desarrollando un sistema de frenado regenerativo alternativo. Se llama Asistencia de potencia hidráulica o HPA. Con HPA, cuando el conductor pisa el freno, la energía cinética del vehículo se utiliza para impulsar una bomba reversible, que envía fluido hidráulico desde un acumulador de baja presión (una especie de tanque de almacenamiento) dentro del vehículo a un acumulador de alta presión. La presión es creada por gas nitrógeno en el acumulador, que se comprime a medida que el fluido se bombea al espacio que ocupaba el gas anteriormente. Esto ralentiza el vehículo y ayuda a detenerlo. El líquido permanece a presión en el acumulador hasta que el conductor vuelve a presionar el acelerador, momento en el cual la bomba se invierte y el líquido presurizado se utiliza para acelerar el vehículo, traduciendo efectivamente la energía cinética que tenía el automóvil antes de frenar en energía mecánica que ayuda a que el vehículo vuelva a acelerar. Se predice que un sistema como este podría almacenar el 80 por ciento del impulso perdido por un vehículo durante la desaceleración y usarlo para que el vehículo se mueva nuevamente [fuente: HybridCars.com]. Este porcentaje representa una ganancia aún más impresionante que la que producen los actuales sistemas de frenado regenerativo. Al igual que el frenado regenerativo electrónico, este tipo de frenos, los sistemas HPA, se utilizan mejor para la conducción en la ciudad, donde el tráfico intermitente es común..

Hasta ahora, los sistemas HPA se han utilizado principalmente como pruebas de concepto y solo en proyectos de demostración. Todavía no están listos para los modelos de producción. En la actualidad, estos frenos hidráulicos son ruidosos y propensos a tener fugas; Sin embargo, una vez que se hayan resuelto todos los detalles, dichos sistemas probablemente serán más útiles en camiones grandes que pesen 10,000 libras (4,536 kilogramos) o más, donde estos tipos de frenos pueden resultar ser un sistema más óptimo que los regenerativos controlados electrónicamente. frenos.

-Eventualmente, esta tecnología puede llegar a vehículos más pequeños. Una empresa, Hybrid-Drive Systems, LLC, de Michigan, ha modernizado un Volkswagen Beetle de 1968 con un sistema de frenado hidráulico regenerativo. Sin embargo, los acumuladores ocupan una cantidad considerable de espacio y los planes de producción futuros se centran más en usar la tecnología en vehículos más grandes, como furgonetas. Mientras tanto, la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) se ha asociado con Eaton Corporation para instalar sistemas de frenado regenerativo hidráulico en camiones de reparto de UPS..

El Tesla Roadster es un automóvil completamente eléctrico. Vince Bucci / -Getty Images

La eficiencia energética de un automóvil convencional es solo de aproximadamente el 20 por ciento, y el 80 por ciento restante de su energía se convierte en calor a través de la fricción. Lo milagroso del frenado regenerativo es que puede capturar hasta la mitad de esa energía desperdiciada y volver a ponerla en funcionamiento. Esto podría reducir el consumo de combustible entre un 10 y un 25 por ciento. Los sistemas de frenado regenerativo hidráulico podrían proporcionar ganancias aún más impresionantes, reduciendo potencialmente el uso de combustible entre un 25 y un 45 por ciento [fuente: HybridCars.com]. En un siglo que puede ver el final

de las vastas reservas de combustibles fósiles que nos han proporcionado energía para la automoción y otras tecnologías durante muchos años, y en las que los temores sobre las emisiones de carbono están llegando a su punto máximo, esta eficiencia añadida es cada vez más importante.

El comienzo del siglo XXI bien podría marcar el período final en el que los motores de combustión interna se utilizan comúnmente en los automóviles. Los fabricantes de automóviles ya se están moviendo hacia portadores de energía alternativos,

como baterías eléctricas, combustible de hidrógeno e incluso aire comprimido. El frenado regenerativo es un paso pequeño, pero muy importante, hacia nuestra eventual independencia de los combustibles fósiles. Este tipo de frenos permiten que las baterías se utilicen durante períodos más prolongados sin necesidad de enchufarlas a un cargador externo. Estos tipos de frenos también amplían la autonomía de conducción de los vehículos totalmente eléctricos. De hecho, esta tecnología ya nos ha ayudado a traernos autos como el Tesla Roadster, que funciona completamente con batería. Claro, estos autos pueden usar combustibles fósiles en la etapa de recarga, es decir, si la fuente de electricidad proviene de un combustible fósil como el carbón, pero cuando están en la carretera, pueden funcionar sin uso. de los combustibles fósiles, y eso es un gran paso adelante.

La eficiencia adicional del frenado regenerativo también significa menos dolor en la bomba, ya que los híbridos con motores eléctricos y frenos regenerativos pueden viajar considerablemente más lejos con un galón de gasolina, algunos alcanzando más de 50 millas por galón en este punto. Y eso es algo que la mayoría de los conductores pueden apreciar.

-Este sencillo diagrama muestra cómo un sistema de frenado regenerativo es capaz de recuperar parte de la energía cinética del vehículo y convertirla en electricidad. Esta electricidad se utiliza luego para recargar las baterías del vehículo..

-Para obtener más información sobre los sistemas de frenos y temas relacionados con la automoción, consulte los enlaces en la página siguiente.-

Fuentes

BrakeByWire.com. (13 de enero de 2009) http://www.brakebywire.com/
Cantwell, Katie. "Descripción general de la regeneración". Rockwell Automation Allen-Bradley. 7 de mayo de 2002. (13 de enero de 2009) http://www.ab.com/drives/techpapers/RegenOverview01.pdf
Chen, Jason. "Panasonic fabrica bicicletas eléctricas con frenado regenerativo". Gizmodo. 7 de julio de 2008. (13 de enero de 2009) http://gizmodo.com/5022587/panasonic-makes-electric-bike-with-regenerative-braking
Continental Corporation. "ISAD y EHB hacen que los automóviles sean más económicos y más ecológicos". 17 de marzo de 2002. (13 de enero de 2009) http://www.conti-online.com/generator/www/com/en/continental/portal/themes/press_services/press_releases/products/automotive_systems/brakesystems/pr_2002_03_17_7_en. html
Gitlin, Jonathan M. "McLaren y Freescale se asocian para el frenado regenerativo". Ars Technica. 5 de noviembre de 2008. (13 de enero de 2009) http://arstechnica.com/news.ars/post/20081113-mclaren-and-freescale-partner-up-for-regenerative-braking.html
HybridCars.com. "Híbridos Hidráulicos". 3 de abril de 2006. (13 de enero de 2009) http://www.hybridcars.com/related-technologies/hydraulic-hybrids.html
Torrens, Richard. "Regeneración de frenado". 4QD. 3 de noviembre de 2008. (13 de enero de 2009) http://www.4qd.co.uk/fea/regen.html
Tur, Okan y col. "Nota de aplicación sobre frenado regenerativo de vehículos eléctricos como sistema de frenado antibloqueo". Ansoft, LLC. 11 de abril de 2006. (13 de enero de 2009) http://www.ansoft.com/news/articles/RegenBrakingAsABS.pdf

Cómo funciona el frenado regenerativo

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Fuentes