Frenado regenerativo

Mecanismo de recuperación de energía

Mecanismo de freno regenerativo en el techo de un tranvía Škoda Astra

Las líneas S7/8 del metro de Londres pueden devolver alrededor del 20% de su consumo energético al suministro eléctrico. ^[1]

El frenado regenerativo es un mecanismo de recuperación de energía que reduce la velocidad de un vehículo u objeto en movimiento convirtiendo su energía cinética o energía potencial en una forma que puede usarse inmediatamente o almacenarse hasta que se necesite.

Por lo general, los frenos regenerativos funcionan impulsando un motor eléctrico en reversa para recuperar la energía que de otro modo se perdería en forma de calor durante el frenado, convirtiendo efectivamente el motor de tracción en un generador. Al realimentar la energía a través del sistema de esta manera, la energía recolectada durante la desaceleración se utiliza para reabastecer una solución de almacenamiento de energía, como una batería o un condensador. Una vez almacenada, esta energía se puede utilizar más tarde para ayudar a la propulsión hacia adelante. Debido a la arquitectura del vehículo electrificado que requiere un sistema de frenado de este tipo, los frenos regenerativos automotrices se encuentran más comúnmente en vehículos híbridos y eléctricos.

Este método contrasta con los sistemas de frenado convencionales, en los que el exceso de energía cinética se convierte en calor no deseado y desperdiciado debido a la fricción en los frenos . De manera similar, con los frenos reostáticos , la energía se recupera utilizando motores eléctricos como generadores, pero se disipa inmediatamente como calor en resistencias .

Además de mejorar la eficiencia general del vehículo, la regeneración puede prolongar significativamente la vida útil del sistema de frenos. Esto se debe a que las piezas mecánicas tradicionales, como los discos, las pinzas y las pastillas (incluidas para cuando el frenado regenerativo por sí solo no es suficiente para detener el vehículo de forma segura) no se desgastarán tan rápidamente como lo harían en un vehículo que dependiera únicamente de los frenos tradicionales.

Principio general

La forma más común de freno regenerativo implica un motor eléctrico que funciona como generador eléctrico. En los ferrocarriles eléctricos , la electricidad generada se devuelve a la fuente de alimentación de tracción . En los vehículos eléctricos de batería e híbridos eléctricos , la energía se almacena químicamente en una batería , eléctricamente en un banco de condensadores o mecánicamente en un volante giratorio . Los vehículos híbridos hidráulicos utilizan motores hidráulicos para almacenar energía en forma de aire comprimido . En un vehículo propulsado por pila de combustible de hidrógeno , la energía eléctrica generada por el motor se almacena químicamente en una batería, de forma similar a los vehículos eléctricos de batería e híbridos. ^[2]

Frenado regenerativo práctico

El frenado regenerativo por sí solo no es suficiente como único medio para detener con seguridad un vehículo o reducir su velocidad según sea necesario, por lo que debe utilizarse junto con otro sistema de frenado, como el frenado por fricción .

• El efecto de frenado regenerativo disminuye a velocidades más bajas y no puede detener por completo un vehículo con una rapidez razonable con la tecnología actual. Sin embargo, algunos automóviles, como el Chevrolet Bolt , pueden detener por completo el vehículo en superficies niveladas cuando el conductor conoce la distancia de frenado regenerativo del vehículo. Esto se conoce como conducción con un solo pedal (OPD).
• Algunos frenos regenerativos actuales no inmovilizan un vehículo parado; se requiere un bloqueo físico , por ejemplo, para evitar que los vehículos se desplacen cuesta abajo. Algunos coches, como el Chevrolet Bolt, pueden permanecer parados en pequeñas pendientes utilizando únicamente el motor.
• Muchos vehículos de carretera con frenado regenerativo no tienen motores de accionamiento en todas las ruedas (como en un coche de tracción a dos ruedas ); el frenado regenerativo normalmente solo se aplica a las ruedas con motores. Por razones de seguridad, se requiere la capacidad de frenar todas las ruedas.
• El efecto de frenado regenerativo disponible es limitado y el frenado mecánico sigue siendo necesario para reducciones sustanciales de velocidad o para detener un vehículo.
• En pendientes pronunciadas con velocidades de tráfico reales, la magnitud de la energía potencial recuperable durante el descenso de un vehículo a una velocidad inferior a su velocidad terminal es sustancialmente mayor que la que se recupera al detener por completo el vehículo incluso desde la velocidad terminal. Un ejemplo que utilizan los ciclistas es que durante el descenso de una pendiente, se pierde aproximadamente la potencia equivalente a tres secadores de pelo o unos dos caballos de fuerza debido a la resistencia del aire a velocidades terminales. ^{[ cita requerida ]}

Es necesario utilizar tanto el frenado regenerativo como el de fricción, por lo que es necesario controlarlos para producir el frenado total requerido. El GM EV-1 fue el primer automóvil comercial que lo hizo. En 1997 y 1998, los ingenieros Abraham Farag y Loren Majersik obtuvieron dos patentes para esta tecnología de frenado por cable . ^{[3] [4]}

Las primeras aplicaciones solían presentar un grave riesgo de seguridad: en muchos de los primeros vehículos eléctricos con frenado regenerativo, se utilizaban las mismas posiciones del controlador para aplicar la potencia y para aplicar el freno regenerativo, y las funciones se intercambiaban mediante un interruptor manual independiente. Esto provocó una serie de accidentes graves cuando los conductores aceleraban accidentalmente cuando tenían la intención de frenar, como el accidente de tren desbocado en Wädenswil, Suiza, en 1948, en el que murieron veintiún personas.

En la década de 2020, la mayoría de los vehículos equipados con frenado regenerativo pueden detenerse por completo con relativa rapidez en el modo de conducción con un solo pedal. Algunos modelos de automóviles no encienden la luz de frenado cuando se activa el frenado regenerativo, lo que genera problemas de seguridad. La mayoría de las regulaciones no exigen la iluminación de una luz de frenado cuando el vehículo desacelera mediante el frenado regenerativo. ^[5] El modo de conducción con un solo pedal (OPD) también genera preocupaciones sobre la aceleración repentina no intencionada (SUA), ya que el conductor podría confundir el acelerador con el freno en situaciones estresantes cuando este último rara vez se usa durante la conducción con OPD. ^[6]

Conversión en energía eléctrica: el motor como generador

Un Tesla Model S P85+ que utiliza una potencia de frenado regenerativo superior a 60 kW. Durante el frenado regenerativo, el indicador de potencia está en verde.

Los motores eléctricos , cuando se utilizan en sentido inverso, funcionan como generadores y convierten la energía mecánica en energía eléctrica. Los vehículos propulsados ​​por motores eléctricos los utilizan como generadores cuando utilizan el frenado regenerativo, que consiste en transferir energía mecánica de las ruedas a una carga eléctrica.

Historia

En 1886, la Sprague Electric Railway & Motor Company, fundada por Frank J. Sprague , introdujo dos inventos importantes: un motor de velocidad constante, sin chispas, con escobillas fijas y frenado regenerativo.

Los primeros ejemplos de este sistema en vehículos de carretera fueron las conversiones de tracción delantera de cabinas tiradas por caballos por Louis Antoine Krieger en París en la década de 1890. El landaulet eléctrico de Krieger tenía un motor de accionamiento en cada rueda delantera con un segundo conjunto de devanados paralelos ( bobina bifilar ) para frenado regenerativo. ^[7] El camión eléctrico Orwell introducido por Ransomes, Sims & Jefferies en Inglaterra durante la Primera Guerra Mundial utilizó frenado regenerativo activado por el conductor.

En Inglaterra, el "control regenerativo automático" fue introducido a los operadores de tranvías por las Patentes de Tracción 1903-1908 de John S. Raworth, ofreciéndoles beneficios económicos y operativos ^{[8] [9] [10]} como lo explicó con cierto detalle su hijo Alfred Raworth . Estos incluyeron sistemas de tranvía en Devonport (1903), Rawtenstall , Birmingham , Crystal Palace-Croydon (1906), y muchos otros. Al reducir la velocidad de los carros o mantenerla bajo control en pendientes descendentes, los motores funcionaban como generadores y frenaban los vehículos. Los vagones de tranvía también tenían frenos de rueda y frenos de deslizamiento de vía que podían detener el tranvía si fallaban los sistemas de frenado eléctrico. En varios casos, los motores de los vagones de tranvía estaban bobinados en derivación en lugar de bobinados en serie, y los sistemas en la línea Crystal Palace utilizaban controladores en serie-paralelo. ^{[ aclaración necesaria ] [11]} Después de un grave accidente en Rawtenstall, se impuso un embargo a esta forma de tracción en 1911; ^[12] El sistema de frenado regenerativo se reintrodujo veinte años después. ^[10]

El frenado regenerativo se ha utilizado ampliamente en los ferrocarriles durante muchas décadas. El ferrocarril Bakú-Tiflis-Batumi ( ferrocarril transcaucásico o ferrocarril georgiano) comenzó a utilizar el frenado regenerativo a principios de la década de 1930. Esto fue especialmente efectivo en el empinado y peligroso Paso de Surami . ^[13] En Escandinavia, el ferrocarril electrificado de Kiruna a Narvik, conocido como Malmbanan en el lado sueco y Línea Ofoten en el noruego, transporta mineral de hierro en la ruta de pendiente pronunciada desde las minas de Kiruna , en el norte de Suecia, hasta el puerto de Narvik en Noruega hasta el día de hoy. Los vagones están llenos de miles de toneladas de mineral de hierro en el camino hacia Narvik, y estos trenes generan grandes cantidades de electricidad mediante el frenado regenerativo, con una fuerza de frenado recuperativa máxima de 750  kN . Desde Riksgränsen en la frontera nacional hasta el puerto de Narvik, los trenes ^[14] utilizan solo una quinta parte de la energía que regeneran. ^{[ verificación fallida ]} La energía regenerada es suficiente para alimentar los trenes vacíos hasta la frontera nacional. ^{[ 15 ] [ verificación fallida ]} El exceso de energía del ferrocarril se bombea a la red eléctrica para abastecer a los hogares y empresas de la región, y el ferrocarril es un generador neto de electricidad. ^{[ cita requerida ]}

Los coches eléctricos han utilizado el frenado regenerativo desde los primeros experimentos, pero al principio esto requería que el conductor cambiara de modo de funcionamiento para poder utilizarlo. El Baker Electric Runabout y el Owen Magnetic fueron los primeros ejemplos, que utilizaban muchos interruptores y modos controlados por una costosa "caja negra" o "interruptor de tambor" como parte de su sistema eléctrico. ^{[16] [17]} Estos, al igual que el diseño de Krieger, solo podían utilizarse en tramos de descenso de un viaje y debían activarse manualmente.

Las mejoras en la electrónica permitieron automatizar por completo este proceso, a partir del automóvil eléctrico experimental AMC Amitron de 1967. ^[18] Diseñado por Gulton Industries ^[19], el controlador del motor comenzaba automáticamente a cargar la batería cuando se presionaba el pedal del freno. Muchos vehículos híbridos y eléctricos modernos utilizan esta técnica para extender la autonomía del paquete de baterías, especialmente aquellos que utilizan un tren de transmisión de CA (la mayoría de los diseños anteriores usaban energía de CC).

Se puede utilizar un rectificador de CA/CC y un condensador de gran tamaño para almacenar la energía regenerada, en lugar de una batería. El uso de un condensador permite un almacenamiento de energía de pico mucho más rápido y a voltajes más altos. Mazda utilizó este sistema en algunos automóviles de 2018, donde se lo denomina i-ELOOP.

Ferrocarriles eléctricos

Durante el frenado, las conexiones del motor de tracción se modifican para convertirlas en generadores eléctricos. Los campos del motor se conectan a través del generador de tracción principal (MG) y las armaduras del motor se conectan a través de la carga. El MG ahora excita los campos del motor. Las ruedas rodantes de la locomotora o de las unidades múltiples hacen girar las armaduras del motor, y los motores actúan como generadores, ya sea enviando la corriente generada a través de resistencias incorporadas ( frenado dinámico ) o de regreso a la fuente de alimentación (frenado regenerativo). En comparación con los frenos de fricción electroneumáticos, el frenado con los motores de tracción se puede regular más rápidamente, lo que mejora el rendimiento de la protección contra deslizamiento de las ruedas .

Para una dirección de desplazamiento determinada, el flujo de corriente a través de las armaduras del motor durante el frenado será opuesto al que se produce durante la marcha. Por lo tanto, el motor ejerce un par en una dirección opuesta a la dirección de rodadura.

El esfuerzo de frenado es proporcional al producto de la fuerza magnética de los devanados de campo, multiplicado por la de los devanados de la armadura.

Se afirma que los trenes de la clase 390 de British Rail lograron un ahorro del 17% y un menor desgaste de los componentes de frenado por fricción . ^[20] El metro de Delhi redujo la cantidad de dióxido de carbono ( CO
₂) liberadas a la atmósfera en alrededor de 90.000 toneladas al regenerar 112.500 megavatios hora de electricidad mediante el uso de sistemas de frenado regenerativo entre 2004 y 2007. Se esperaba que el metro de Delhi redujera sus emisiones en más de 100.000 toneladas de CO
₂por año una vez concluida su fase II, mediante el uso del frenado regenerativo. ^[21]

La electricidad generada por el frenado regenerativo se puede reintroducir en la fuente de alimentación de tracción, ya sea para compensar otra demanda eléctrica de la red en ese momento, para utilizarla para cargas de potencia en cabecera o para almacenarla en sistemas de almacenamiento en la línea para su uso posterior. ^[22]

En algunas partes del metro de Londres se utiliza una forma de lo que se puede describir como frenado regenerativo , que se logra mediante pequeñas pendientes que suben y bajan de las estaciones. El tren se frena en la subida y luego baja por una pendiente, por lo que la energía cinética se convierte en energía potencial gravitatoria en la estación. ^[23] Esto se encuentra normalmente en las secciones de túneles profundos de la red y no generalmente sobre el suelo o en las secciones de corte y cobertura de las líneas Metropolitan y District.

Comparación de frenos dinámicos y regenerativos

La caja que se extiende lateralmente desde el techo, directamente sobre la palabra "operación", permite que el aire fluya libremente a través de las resistencias de los frenos dinámicos de esta locomotora diésel-eléctrica.

Los frenos dinámicos (« frenos reostáticos » en inglés británico) de los sistemas de tracción eléctrica, a diferencia de los frenos regenerativos, disipan la energía eléctrica en forma de calor en lugar de utilizarla, al pasar la corriente a través de grandes bancos de resistencias . Entre los vehículos que utilizan frenos dinámicos se encuentran las carretillas elevadoras , las locomotoras diésel-eléctricas y los tranvías . Este calor se puede utilizar para calentar el interior del vehículo o disiparse externamente mediante grandes cubiertas similares a radiadores para alojar los bancos de resistencias.

Las locomotoras de turbina de vapor experimentales de General Electric de 1936 contaban con regeneración real. Estas dos locomotoras hacían pasar el agua de vapor sobre los paquetes de resistencias, a diferencia del enfriamiento por aire que se utiliza en la mayoría de los frenos dinámicos. Esta energía desplazaba el aceite que normalmente se quemaba para mantener caliente el agua y, de ese modo, recuperaba energía que podía utilizarse para acelerar de nuevo. ^[24]

La principal desventaja de los frenos regenerativos en comparación con los frenos dinámicos es la necesidad de adaptar la corriente generada a las características de la red y el aumento del coste de mantenimiento de las líneas. En el caso de las fuentes de alimentación de corriente continua, esto requiere un control estricto de la tensión. El pionero de las fuentes de alimentación de corriente alterna y de los convertidores de frecuencia Miro Zorič y su primera electrónica de potencia de corriente alterna también han hecho posible esto con las fuentes de alimentación de corriente alterna. ^{[ cita requerida ] La frecuencia de la red también debe adaptarse (esto se aplica principalmente a las locomotoras en las que se} rectifica una fuente de alimentación de corriente alterna para los motores de corriente continua).

En áreas donde hay una necesidad constante de energía no relacionada con el movimiento del vehículo, como la calefacción o el aire acondicionado de un tren eléctrico , este requisito de carga se puede utilizar como un sumidero para la energía recuperada a través de los modernos sistemas de tracción de CA. Este método se ha vuelto popular en los ferrocarriles de pasajeros de América del Norte, donde las cargas de energía de la cabecera suelen rondar los 500 kW durante todo el año. El uso de cargas HEP de esta manera ha impulsado los diseños recientes de locomotoras eléctricas, como la ALP-46 y la ACS-64, para eliminar el uso de rejillas de resistencia de freno dinámico y también elimina cualquier necesidad de una infraestructura de energía externa para acomodar la recuperación de energía, lo que permite que los vehículos autopropulsados ​​también empleen el frenado regenerativo.

Un pequeño número de ferrocarriles con pendientes pronunciadas han utilizado fuentes de alimentación trifásicas y motores de inducción . Esto da como resultado una velocidad casi constante para todos los trenes, ya que los motores giran con la frecuencia de suministro tanto al conducir como al frenar.

Sistemas de recuperación de energía cinética

Los sistemas de recuperación de energía cinética (KERS) se utilizaron para la temporada 2009 de Fórmula 1 y están en desarrollo para vehículos de carretera. El KERS se abandonó para la temporada 2010 de Fórmula 1 , pero se reintrodujo para la temporada 2011. Para 2013 , todos los equipos usaban el KERS y Marussia F1 comenzó a usarlo para la temporada 2013. ^[25] Una de las principales razones por las que no todos los autos usaron el KERS de inmediato es porque eleva el centro de gravedad del auto y reduce la cantidad de lastre disponible para equilibrar el auto de modo que sea más predecible al girar. ^[26] Las reglas de la FIA también limitan la explotación del sistema. El concepto de transferir la energía cinética del vehículo mediante el almacenamiento de energía del volante fue postulado por el físico Richard Feynman en la década de 1950 ^[27] y se ejemplifica en sistemas como el Zytek , Flybrid, ^[28] Torotrak ^{[29] [30]} y Xtrac utilizados en F1. También existen sistemas basados ​​en diferenciales como el Sistema de recuperación de energía cinética de vehículos comerciales/de pasajeros de Cambridge (CPC-KERS). ^[31]

Tanto Xtrac como Flybrid son licenciatarios de las tecnologías de Torotrak, que emplean una pequeña y sofisticada caja de cambios auxiliar que incorpora una transmisión variable continua (CVT). El CPC-KERS es similar, ya que también forma parte del conjunto de la transmisión. Sin embargo, todo el mecanismo, incluido el volante, se asienta íntegramente en el cubo del vehículo (pareciendo un freno de tambor). En el CPC-KERS, un diferencial reemplaza a la CVT y transfiere el par entre el volante , la rueda motriz y la rueda de carretera.

Deportes de motor

Un sistema de recuperación de energía cinética de Flybrid Systems

El primero de estos sistemas que se presentó fue el Flybrid. Este sistema pesa 24 kg y tiene una capacidad de energía de 400 kJ después de descontar las pérdidas internas. Se puede aumentar la potencia máxima a 60 kW (82 CV; 80 hp) durante 6,67 segundos. El volante de inercia de 240 mm de diámetro pesa 5,0 kg y gira a una velocidad de hasta 64.500 rpm. El par máximo es de 18 Nm (13,3 ftlbs). El sistema ocupa un volumen de 13 litros. ^{[ cita requerida ]}

Fórmula Uno

Un volante KERS

La Fórmula Uno ha declarado que apoya soluciones responsables a los desafíos medioambientales del mundo, ^[32] y la FIA permitió el uso del KERS de 60 kW (82 PS; 80 hp) en las regulaciones para la temporada 2009 de Fórmula Uno . ^[33] Los equipos comenzaron a probar sistemas en 2008: la energía se puede almacenar como energía mecánica (como en un volante de inercia) o como energía eléctrica (como en una batería o un supercondensador ). ^[34]

En 2008 se registraron dos incidentes menores durante las pruebas de los sistemas KERS . El primero ocurrió cuando el equipo Red Bull Racing probó su batería KERS por primera vez en julio: funcionó mal y provocó un incendio que llevó a la evacuación de la fábrica del equipo. ^[35] El segundo ocurrió menos de una semana después, cuando un mecánico de BMW Sauber recibió una descarga eléctrica cuando tocó el coche equipado con KERS de Christian Klien durante una prueba en el circuito de Jerez . ^[36]

Con la introducción del KERS en la temporada 2009, cuatro equipos lo utilizaron en algún momento de la temporada: Ferrari , Renault , BMW y McLaren . Durante la temporada, Renault y BMW dejaron de utilizar el sistema. McLaren Mercedes se convirtió en el primer equipo en ganar un GP de F1 utilizando un coche equipado con KERS cuando Lewis Hamilton ganó el Gran Premio de Hungría de 2009 el 26 de julio de 2009. Su segundo coche equipado con KERS terminó quinto. En la siguiente carrera, Lewis Hamilton se convirtió en el primer piloto en conseguir la pole position con un coche KERS, mientras que su compañero de equipo, Heikki Kovalainen, se clasificó segundo. Esta fue también la primera vez que una primera fila totalmente equipada con KERS. El 30 de agosto de 2009, Kimi Räikkönen ganó el Gran Premio de Bélgica con su Ferrari equipado con KERS. Fue la primera vez que el KERS contribuyó directamente a una victoria en carrera, con el segundo clasificado Giancarlo Fisichella afirmando: "En realidad, fui más rápido que Kimi. Me ganó sólo gracias al KERS al principio". ^[37]

Aunque el KERS todavía era legal en la Fórmula 1 en la temporada 2010, todos los equipos habían acordado no usarlo. ^[38] Las nuevas reglas para la temporada 2011 de F1 que aumentaron el límite de peso mínimo del automóvil y el conductor en 20 kg a 640 kg, ^[39] junto con los equipos de FOTA que acordaron el uso de dispositivos KERS una vez más, significaron que el KERS regresó para la temporada 2011. ^[40] Esto sigue siendo opcional como lo fue en la temporada 2009; en la temporada 2011, 3 equipos eligieron no usarlo. ^[25] Para la temporada 2012 , solo Marussia y HRT corrieron sin KERS, y en 2013, con la retirada de HRT, los 11 equipos en la parrilla usaban KERS.

En la temporada 2014 , la potencia de salida del MGU-K (el reemplazo del KERS y parte del sistema ERS que también incluye un sistema de recuperación de calor residual del turbocompresor ) se incrementó de 60 kW a 120 kW y se le permitió recuperar 2 megajulios por vuelta. Esto fue para equilibrar el cambio del deporte de los motores V8 de 2,4 litros a los motores V6 de 1,6 litros. ^[41] Los ajustes a prueba de fallos del sistema de freno por cable que ahora complementa al KERS fueron examinados como un factor contribuyente al accidente fatal de Jules Bianchi en el Gran Premio de Japón de 2014 .

Fabricantes de autopartes

Bosch Motorsport Service está desarrollando un KERS para su uso en carreras de coches. Estos sistemas de almacenamiento de electricidad para funciones híbridas y de motor incluyen una batería de iones de litio con capacidad escalable o un volante de inercia , un motor eléctrico de cuatro a ocho kilogramos (con un nivel de potencia máxima de 60 kW u 80 CV), así como el controlador KERS para la gestión de la energía y la batería. Bosch también ofrece una gama de sistemas híbridos eléctricos para aplicaciones comerciales y de servicio ligero. ^[42]

Fabricantes de automóviles

Los fabricantes de automóviles, incluido Honda, han estado probando sistemas KERS. ^[43] En los 1000 km de Silverstone de 2008 , Peugeot Sport presentó el Peugeot 908 HY , una variante híbrida eléctrica del 908 diésel, con KERS. Peugeot planeó hacer campaña con el automóvil en la temporada 2009 de Le Mans Series , aunque no fue capaz de sumar puntos para el campeonato. ^[44] Peugeot también planea un sistema de propulsión de frenado regenerativo de aire comprimido llamado Hybrid Air. ^{[45] [46]}

McLaren comenzó a probar su KERS en septiembre de 2008 en la pista de pruebas de Jerez como preparación para la temporada 2009 de F1, aunque en ese momento todavía no se sabía si utilizarían un sistema eléctrico o mecánico. ^[47] En noviembre de 2008 se anunció que Freescale Semiconductor colaboraría con McLaren Electronic Systems para seguir desarrollando su KERS para el monoplaza de Fórmula 1 de McLaren a partir de 2010. Ambas partes creían que esta colaboración mejoraría el sistema KERS de McLaren y ayudaría a que el sistema se filtrara a la tecnología de los coches de carretera. ^[48]

Toyota ha utilizado un supercondensador para la regeneración en un coche de carreras híbrido Supra HV-R que ganó la carrera de 24 horas de Tokachi en julio de 2007. ^[49]

BMW ha utilizado el frenado regenerativo en su Serie 3 E90, así como en modelos actuales como la Serie 5 F25 bajo el nombre de EfficientDynamics. ^[50] Volkswagen tiene tecnologías de frenado regenerativo bajo la marca BlueMotion en modelos como los Volkswagen Golf Mk7 y Mk7 Golf Estate / Wagon, otras marcas del grupo VW como SEAT , Skoda y Audi . ^[51]

Motocicletas

El jefe de carreras de KTM , Harald Bartol, ha revelado que la fábrica corrió con un sistema secreto de recuperación de energía cinética (KERS) instalado en la motocicleta de Tommy Koyama durante el Gran Premio de Valencia de 125 cc que finalizó la temporada 2008. Esto estaba en contra de las reglas, por lo que se les prohibió hacerlo después. ^[52]

Razas

El Automobile Club de l'Ouest , organizador del evento anual 24 Horas de Le Mans y de la Le Mans Series , estaba "estudiando reglas específicas para LMP1 que estará equipado con un sistema de recuperación de energía cinética" en 2007. ^[53] Peugeot fue el primer fabricante en presentar un automóvil LMP1 en pleno funcionamiento en la forma del 908 HY en la carrera Autosport 1000 km de 2008 en Silverstone. ^[54]

Transporte civil

Bicicletas

En principio, se puede utilizar el frenado regenerativo en las bicicletas eléctricas. Sin embargo, a partir de 2024, rara vez se utiliza en bicicletas, principalmente porque requiere un motor de buje de accionamiento directo (mientras que muchas bicicletas utilizan un motor de accionamiento intermedio que impulsa la cadena) y porque no se puede combinar con un mecanismo de rueda libre . Además, la cantidad de energía regenerada suele ser demasiado baja para que valga la pena. ^[55]

El frenado regenerativo también es posible en una bicicleta no eléctrica. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos , en colaboración con estudiantes de la Universidad de Michigan , desarrolló el sistema hidráulico de asistencia al lanzamiento del freno regenerativo (RBLA). ^[56]

Coches

Muchos vehículos híbridos eléctricos y totalmente eléctricos emplean el frenado regenerativo junto con el frenado por fricción. ^[57] Los sistemas de frenado regenerativo no pueden emular por completo la función de frenado convencional para los conductores, pero hay avances continuos. ^[58] Las calibraciones utilizadas para determinar cuándo se regenerará la energía y cuándo se utiliza el frenado por fricción para reducir la velocidad del vehículo afectan la forma en que el conductor siente la acción de frenado. ^{[59] [60]}

Tranvías

El consumo de energía se reduce mediante el frenado regenerativo en los tranvías ( AE ) o CE en Oranjestad, Aruba . Diseñados y construidos por TIG/m Modern Street Railways en Chatsworth , EE. UU., ^[61] los vehículos utilizan tecnología híbrida/eléctrica : no toman su energía de fuentes externas como cables aéreos cuando están en marcha, sino que se autoalimentan con baterías de litio complementadas con celdas de combustible de hidrógeno . ^[62]

Termodinámica

Volante de inercia KERS

La energía de un volante se puede describir mediante esta ecuación general de energía, asumiendo que el volante es el sistema:

${\displaystyle E_{\text{in}}-E_{\text{out}}=\Delta E_{\text{system}}}$

dónde

• ${\displaystyle E_{\text{in}}}$es la energía en el volante.
• ${\displaystyle E_{\text{out}}}$es la energía que sale del volante.
• ${\displaystyle \Delta E_{\text{system}}}$es el cambio de energía del volante.

Se parte del supuesto de que durante el frenado no hay cambios en la energía potencial, la entalpía del volante, la presión o el volumen del volante, por lo que solo se considerará la energía cinética. Cuando el automóvil frena, el volante no dispersa energía y la única energía que ingresa al volante es la energía cinética inicial del automóvil. La ecuación se puede simplificar de la siguiente manera:

${\displaystyle {\frac {mv^{2}}{2}}=\Delta E_{\text{fly}}}$

dónde

• ${\displaystyle m}$es la masa del coche.
• ${\displaystyle v}$es la velocidad inicial del automóvil justo antes de frenar.

El volante recoge un porcentaje de la energía cinética inicial del coche, y este porcentaje se puede representar por . El volante almacena la energía como energía cinética rotacional. Debido a que la energía se mantiene como energía cinética y no se transforma en otro tipo de energía, este proceso es eficiente. Sin embargo, el volante solo puede almacenar cierta cantidad de energía, y esta está limitada por su cantidad máxima de energía cinética rotacional. Esto se determina en función de la inercia del volante y su velocidad angular . Mientras el coche permanece inactivo, se pierde poca energía cinética rotacional con el tiempo, por lo que se puede suponer que la cantidad inicial de energía en el volante es igual a la cantidad final de energía distribuida por el volante. Por lo tanto, la cantidad de energía cinética distribuida por el volante es: ${\displaystyle \eta _{\text{fly}}}$

${\displaystyle KE_{\text{fly}}={\frac {\eta _{\text{fly}}mv^{2}}{2}}}$

Frenos regenerativos

El frenado regenerativo tiene una ecuación energética similar a la ecuación del volante mecánico. El frenado regenerativo es un proceso de dos pasos que involucra al motor/generador y la batería. La energía cinética inicial se transforma en energía eléctrica por el generador y luego se convierte en energía química por la batería. Este proceso es menos eficiente que el del volante. La eficiencia del generador se puede representar por:

${\displaystyle \eta _{\text{gen}}={\frac {W_{\text{out}}}{W_{\text{in}}}}}$

dónde

• ${\displaystyle W_{\text{in}}}$es el trabajo en el generador.
• ${\displaystyle W_{\text{out}}}$es el trabajo producido por el generador.

El único trabajo que entra al generador es la energía cinética inicial del automóvil y el único trabajo que produce el generador es la energía eléctrica. Si reorganizamos esta ecuación para calcular la potencia producida por el generador, obtenemos la siguiente ecuación:

${\displaystyle P_{\text{gen}}={\frac {\eta _{\text{gen}}mv^{2}}{2\,\Delta t}}}$

dónde

• ${\displaystyle \Delta t}$Es la cantidad de tiempo que el automóvil frena.
• ${\displaystyle m}$es la masa del coche.
• ${\displaystyle v}$es la velocidad inicial del automóvil justo antes de frenar.

La eficiencia de la batería se puede describir como:

${\displaystyle \eta _{\text{batt}}={\frac {P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}}}}$

dónde

• ${\displaystyle P_{\text{in}}=P_{\text{gen}}}$
• ${\displaystyle P_{\text{out}}={\frac {W_{\text{out}}}{\Delta t}}}$

El trabajo de la batería representa la cantidad de energía producida por los frenos regenerativos. Esto se puede representar mediante:

${\displaystyle W_{\text{out}}={\frac {\eta _{\text{batt}}\eta _{\text{gen}}mv^{2}}{2}}}$

En los coches

Eficiencia energética de los vehículos en ciudades y autopistas según el DoE

Eficiencia energética de los coches eléctricos en ciudades y autopistas según el Departamento de Energía de Estados Unidos

Según un diagrama del Departamento de Energía de Estados Unidos (DoE), los coches con motor de combustión interna tienen una eficiencia típica del 13% en la conducción urbana y del 20% en carretera. La frenada en proporción a la energía mecánica útil es de 6/13, es decir, el 46% en ciudad, y de 2/20, es decir, el 10% en autopista.

El DoE afirma que los coches eléctricos convierten más del 77% de la energía eléctrica de la red en energía para las ruedas. ^[63] La eficiencia de un vehículo eléctrico, teniendo en cuenta las pérdidas debidas a la red eléctrica, la calefacción y el aire acondicionado, es de alrededor del 50% según Jean-Marc Jancovici ^[64] (sin embargo, para la conversión general, consulte Energía incorporada#Energía incorporada en el campo de la energía ).

Considere la eficiencia del motor eléctrico y la proporción de frenado en ciudades y autopistas . ${\displaystyle \eta _{\text{eng}}=0.5}$ ${\displaystyle p=0.46}$ ${\displaystyle p=0.1}$

Introduzcamos cuál es la proporción recuperada de energía de frenado. Supongamos que . ^[65] ${\displaystyle \eta _{\text{recup}}}$ ${\displaystyle \eta _{\text{recup}}=0.6}$

Descripción del flujo de energía en el caso del frenado regenerativo

En estas circunstancias, siendo el flujo de energía que llega al motor eléctrico, el flujo de energía que se pierde al frenar y el flujo de energía que se recupera, se alcanza un equilibrio según las ecuaciones ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle E_{\text{braking}}}$ ${\displaystyle E_{\text{recup}}}$

${\displaystyle E_{\text{braking}}=(E+E_{\text{recup}})\cdot \eta _{\text{eng}}\cdot p}$y ${\displaystyle E_{\text{recup}}=\eta _{\text{recup}}\cdot E_{\text{braking}}}$

de este modo ${\displaystyle E_{\text{braking}}={\frac {E\cdot \eta _{\text{eng}}\cdot p}{1-\eta _{\text{eng}}\cdot p\cdot \eta _{\text{recup}}}}}$

Es como si el antiguo flujo de energía fuera reemplazado por uno nuevo. ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle E\cdot (1-\eta _{\text{eng}}\cdot p\cdot \eta _{\text{recup}})}$

La ganancia esperada asciende a ${\displaystyle \eta _{\text{eng}}\cdot p\cdot \eta _{\text{recup}}}$

Cuanto mayor sea la eficiencia de recuperación, mayor será la recuperación.

Cuanto mayor sea la eficiencia entre el motor eléctrico y las ruedas, mayor será la recuperación.

Cuanto mayor sea la proporción de frenado, mayor será la recuperación.

En las autopistas, esta cifra sería del 3% y en las ciudades del 14%.

Véase también

• Sistema de recuperación de energía cinética
• Freno (ferrocarril)
• Freno electromagnético
• Regenerativo (diseño)
• Amortiguador regenerativo
• Unidad de sinergia híbrida
• Turbina de aire de impacto
• Frenado dinámico
• Motor eléctrico
• Reloj automático
• carrera de freno
• Embrague electromagnético
• Freno de corrientes de Foucault

Referencias

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