El frenado regenerativo es un mecanismo de recuperación de energía que ralentiza un vehículo u objeto en movimiento al convertir su energía cinética en una forma que puede usarse inmediatamente o almacenarse hasta que se necesite. En este mecanismo, el motor de tracción eléctrica utiliza el impulso del vehículo para recuperar energía que de otro modo se perdería en los discos de freno en forma de calor. Esto contrasta con los sistemas de frenado convencionales, donde el exceso de energía cinética se convierte en calor no deseado y desperdiciado debido a la fricción en los frenos , o con frenos dinámicos , donde la energía se recupera usando motores eléctricos como generadores pero se disipa inmediatamente como calor en resistencias.. Además de mejorar la eficiencia general del vehículo, la regeneración puede extender significativamente la vida útil del sistema de frenado, ya que las partes mecánicas no se desgastarán muy rápidamente.
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 retroalimenta a la fuente de alimentación de tracción . En los vehículos eléctricos de batería y eléctricos híbridos , 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 impulsado por pila de combustible de hidrógeno , la energía eléctrica generada por el motor se almacena químicamente en una batería, similar a la batería y los vehículos eléctricos híbridos. [2]
Frenado regenerativo práctico
El frenado regenerativo no es por sí solo suficiente como único medio para detener un vehículo de forma segura o reducir la 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 un vehículo por completo razonablemente rápido con la tecnología actual, aunque algunos autos como el Chevrolet Bolt pueden detener el vehículo por completo en superficies uniformes cuando el conductor sabe que el vehículo es regenerativo. distancia de frenado. Esto se conoce como conducción con un pedal.
- Los frenos regenerativos actuales no inmovilizan un vehículo parado; Se requiere bloqueo físico , por ejemplo, para evitar que los vehículos rueden cuesta abajo.
- Muchos vehículos de carretera con frenado regenerativo no tienen motores de tracción en todas las ruedas (como en un automóvil con tracción en dos ruedas ); El frenado regenerativo normalmente solo es aplicable a ruedas con motor. Por 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, para detener un vehículo o para detenerlo.
Se deben utilizar frenado regenerativo y de fricción, creando la necesidad de controlarlos para producir el frenado total requerido. El GM EV-1 fue el primer automóvil comercial en hacer esto. En 1997 y 1998, los ingenieros Abraham Farag y Loren Majersik obtuvieron dos patentes para esta tecnología de freno por cable . [3] [4]
Las primeras aplicaciones solían sufrir un grave peligro para la seguridad: en muchos de los primeros vehículos eléctricos con frenado regenerativo, se usaban las mismas posiciones del controlador para aplicar potencia y aplicar el freno regenerativo, y las funciones se intercambiaban mediante un interruptor manual independiente. Esto dio lugar a una serie de accidentes graves cuando los conductores aceleraron accidentalmente cuando tenían la intención de frenar, como el accidente de tren fuera de control en Wädenswil, Suiza en 1948, en el que murieron veintiuna personas.
Conversión a energía eléctrica: el motor como generador
Los motores eléctricos , cuando se usan a la inversa, funcionan como generadores y luego convertirán la energía mecánica en energía eléctrica. Los vehículos propulsados por motores eléctricos los utilizan como generadores cuando utilizan frenado regenerativo, frenando mediante la transferencia de energía mecánica de las ruedas a una carga eléctrica.
Los primeros ejemplos de este sistema fueron las conversiones de tracción delantera de taxis tirados por caballos por Louis Antoine Krieger en París en la década de 1890. El landaulet eléctrico Krieger tenía un motor de accionamiento en cada rueda delantera con un segundo conjunto de devanados paralelos ( bobina bifilar ) para el frenado regenerativo. [5] 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 [6] [7] [8] como lo explicó con cierto detalle su hijo Alfred Raworth . Estos incluyeron sistemas de tranvías en Devonport (1903), Rawtenstall , Birmingham , Crystal Palace-Croydon (1906) y muchos otros. Disminuyendo la velocidad de los automóviles o manteniéndola en control en pendientes descendentes, los motores funcionaban como generadores y frenaban los vehículos. Los vagones de tranvía también tenían frenos en las ruedas y frenos antirrebote de oruga que podían detener el tranvía en caso de que fallaran los sistemas de frenado eléctrico. En varios casos, los motores de los vagones de tranvía fueron bobinados en derivación en lugar de bobinados en serie, y los sistemas de la línea Crystal Palace utilizaron controladores en serie-paralelo. [ aclaración necesaria ] [9] Tras un grave accidente en Rawtenstall, se impuso un embargo sobre esta forma de tracción en 1911; el sistema de frenado regenerativo se reintrodujo veinte años después. [8] El frenado regenerativo se ha utilizado ampliamente en los ferrocarriles durante muchas décadas. El ferrocarril Bakú-Tbilisi-Batumi (ferrocarril Transcaucasus o ferrocarril georgiano) comenzó a utilizar frenado regenerativo a principios de la década de 1930. Esto fue especialmente efectivo en el escarpado y peligroso paso de Surami . [10] En Escandinavia, el ferrocarril electrificado de Kiruna a Narvik transporta mineral de hierro en la ruta empinada 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 frenado regenerativo, con una fuerza de frenado de recuperación máxima de 750 kN . Desde Riksgränsen en la frontera nacional hasta el puerto de Narvik, los trenes [11] usan solo una quinta parte de la energía que regeneran. [ verificación fallida ] La energía regenerada es suficiente para impulsar los trenes vacíos de regreso a la frontera nacional. [12] [ Verificación fallida ] Cualquier exceso de energía del ferrocarril se bombea a la red eléctrica para abastecer hogares y negocios en la región, y el ferrocarril es un generador neto de electricidad. [ cita requerida ]
Los coches eléctricos utilizaban frenado regenerativo desde los primeros experimentos, pero a menudo se trataba de un asunto complejo en el que el conductor tenía que accionar interruptores entre varios modos operativos para poder utilizarlo. El Baker Electric Runabout y el Owen Magnetic fueron ejemplos tempranos, que usaban muchos interruptores y modos controlados por una costosa "caja negra" o "interruptor de tambor" como parte de su sistema eléctrico. [13] [14] Estos, como el diseño de Krieger, solo podían usarse prácticamente en las partes cuesta abajo de un viaje y tenían que activarse manualmente.
Las mejoras en la electrónica permitieron que este proceso estuviera completamente automatizado, comenzando con el automóvil eléctrico experimental AMC Amitron de 1967 . Diseñado por Gulton Industries [15], el controlador del motor comenzó automáticamente a cargar la batería cuando se aplicó el pedal del freno. Muchos vehículos híbridos y eléctricos modernos utilizan esta técnica para ampliar el alcance del paquete de baterías, especialmente los 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 muy grande para almacenar la energía regenerada, en lugar de una batería. El uso de un condensador permite un almacenamiento máximo de energía mucho más rápido y con voltajes más altos. Mazda usa este sistema en algunos autos de carretera actuales (2018), donde tiene la marca i-ELOOP.
Operación de vehículos ferroviarios eléctricos
En 1886, la Sprague Electric Railway & Motor Company, fundada por Frank J. Sprague , introdujo dos inventos importantes: un motor de velocidad constante que no produce chispas con escobillas fijas y frenado regenerativo.
Durante el frenado, las conexiones del motor de tracción se alteran para convertirlos en generadores eléctricos. Los campos del motor están conectados a través del generador de tracción principal (MG) y las armaduras del motor están conectadas a través de la carga. El MG ahora excita los campos del motor. La locomotora rodante o las ruedas de unidades múltiples hacen girar los inducidos del motor y los motores actúan como generadores, ya sea enviando la corriente generada a través de resistencias integradas ( frenado dinámico ) o de regreso al suministro (frenado regenerativo). En comparación con los frenos de fricción electroneumáticos, el frenado con los motores de tracción se puede regular más rápidamente mejorando el rendimiento de la protección contra el deslizamiento de las ruedas .
Para una determinada dirección de desplazamiento, el flujo de corriente a través de los inducidos del motor durante el frenado será opuesto al durante la conducción. 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 por la de los devanados del inducido.
Se afirman ahorros del 17% y menos desgaste en los componentes de frenado por fricción para los British Rail Class 390 . [16] El metro de Delhi redujo la cantidad de dióxido de carbono ( CO
2) liberado 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 completada su fase II, mediante el uso de frenado regenerativo. [17]
La electricidad generada por el frenado regenerativo puede retroalimentarse a la fuente de alimentación de tracción; ya sea compensado con otra demanda eléctrica en la red en ese instante, usado para cargas de energía de cabecera , o almacenado en sistemas de almacenamiento en línea para uso posterior. [18]
En algunas partes del metro de Londres se utiliza una forma de lo que se puede describir como frenado regenerativo , que se logra al tener pequeñas pendientes que suben y bajan desde las estaciones. El tren se frena por la subida y luego sale por una pendiente, por lo que la energía cinética se convierte en energía potencial gravitacional en la estación. [19] 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 Metropolitanas y Distritales.
Comparación de frenos dinámicos y regenerativos
Los que se describen como frenos dinámicos (" frenos reostáticos " en inglés británico) en los sistemas de tracción eléctrica, a diferencia de los frenos regenerativos, disipan la energía eléctrica en forma de calor en lugar de usarla, pasando la corriente a través de grandes bancos de resistencias . Los vehículos que utilizan frenos dinámicos incluyen carretillas elevadoras , diesel-eléctricos locomotoras y tranvías . Este calor se puede utilizar para calentar el interior del vehículo, o se puede disipar externamente mediante grandes capotas en forma de radiador para albergar los bancos de resistencias.
Las locomotoras de turbina de vapor experimentales de 1936 de General Electric presentaban una verdadera regeneración. Estas dos locomotoras hicieron correr el agua de vapor sobre los paquetes de resistencias, a diferencia del enfriamiento por aire que se usa en la mayoría de los frenos dinámicos. Esta energía desplazó el aceite que normalmente se quemaba para mantener el agua caliente y, por lo tanto, recuperó energía que podría usarse para acelerar nuevamente. [20]
La principal desventaja de los frenos regenerativos en comparación con los frenos dinámicos es la necesidad de hacer coincidir estrechamente la corriente generada con las características de suministro y un mayor costo de mantenimiento de las líneas. Con suministros de CC, esto requiere que el voltaje se controle de cerca. El pionero de la fuente de alimentación de CA y el convertidor de frecuencia Miro Zorič y su primera electrónica de potencia de CA también han permitido que esto sea posible con fuentes de CA. [ cita requerida ] La frecuencia de suministro también debe coincidir (esto se aplica principalmente a las locomotoras donde se rectifica un suministro de CA para motores de CC).
En las zonas donde hay una necesidad constante de potencia no relacionado con mover el vehículo, tal como calor tren eléctrico o de aire acondicionado , este requisito de carga se puede utilizar como un sumidero para la energía recuperada a través de modernos sistemas de AC de tracción . Este método se ha vuelto popular entre los ferrocarriles de pasajeros de América del Norte, donde las cargas de potencia de la cabecera suelen rondar los 500 kW durante todo el año. El uso de cargas HEP de esta manera ha motivado que los diseños de locomotoras eléctricas recientes, como ALP-46 y ACS-64, eliminen el uso de rejillas de resistencia de frenado dinámico y también eliminen cualquier necesidad de infraestructura de energía externa para acomodar la recuperación de energía, lo que permite vehículos autopropulsados. para emplear también el frenado regenerativo.
Un pequeño número de ferrocarriles de pendiente empinada ha 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.
Conversión a energía mecánica
Sistemas de recuperación de energía cinética
Los sistemas de recuperación de energía cinética (KERS) se utilizaron para el deporte del motor de Fórmula Uno 's temporada de 2009 , y están en fase de desarrollo para los vehículos de carretera. KERS fue abandonado para la temporada 2010 de Fórmula Uno , pero reintroducido para la temporada 2011 . Para 2013 , todos los equipos estaban usando KERS con Marussia F1 comenzando a usarlo para la temporada 2013. [21] Una de las principales razones por las que no todos los automóviles utilizaron el KERS de inmediato es porque eleva el centro de gravedad del automóvil y reduce la cantidad de lastre disponible para equilibrar el automóvil de modo que sea más predecible al girar. [22] 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 [23] y se ejemplifica en sistemas como el Zytek , Flybrid, [24] Torotrak [25] [26] y Xtrac utilizados en F1. También existen sistemas basados en diferenciales , como el Sistema de recuperación de energía cinética de vehículos comerciales / pasajeros de Cambridge (CPC-KERS). [27]
Xtrac y Flybrid son ambos licenciatarios de las tecnologías de Torotrak, que emplean una caja de cambios auxiliar pequeña y sofisticada que incorpora una transmisión continuamente variable (CVT). El CPC-KERS es similar ya que también forma parte del conjunto de transmisión. Sin embargo, todo el mecanismo, incluido el volante, se asienta por completo en el eje del vehículo (que parece un freno de tambor). En el CPC-KERS, un diferencial reemplaza la CVT y transfiere el par entre el volante , la rueda motriz y la rueda de la carretera.
Uso en el deporte del motor
Historia
El primero de estos sistemas que se reveló fue el Flybrid. Este sistema pesa 24 kg y tiene una capacidad energética de 400 kJ después de permitir pérdidas internas. Está disponible un aumento de potencia máximo de 60 kW (81,6 PS, 80,4 HP) durante 6,67 segundos. El volante de 240 mm de diámetro pesa 5,0 kg y gira a hasta 64.500 rpm. El par máximo es de 18 Nm (13,3 libras-pie). El sistema ocupa un volumen de 13 litros. [ cita requerida ]
Formula Uno
La Fórmula Uno ha declarado que apoya soluciones responsables a los desafíos medioambientales del mundo, [28] y la FIA permitió el uso de KERS de 81 CV (60 kW; 82 CV) en el reglamento de la temporada 2009 de Fórmula Uno . [29] Los equipos comenzaron a probar sistemas en 2008: la energía puede almacenarse como energía mecánica (como en un volante ) o como energía eléctrica (como en una batería o supercondensador ). [30]
Se informaron dos incidentes menores durante las pruebas de los sistemas KERS en 2008 . El primero ocurrió cuando el equipo Red Bull Racing probó su batería KERS por primera vez en julio: funcionó mal y provocó un susto de incendio que provocó la evacuación de la fábrica del equipo. [31] El segundo fue 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 . [32]
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 usar el sistema. McLaren Mercedes se convirtió en el primer equipo en ganar un GP de F1 con un automóvil equipado con KERS cuando Lewis Hamilton ganó el Gran Premio de Hungría de 2009 el 26 de julio de 2009. Su segundo automóvil 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, y su compañero de equipo, Heikki Kovalainen , calificó segundo. Esta fue también la primera instancia de una primera fila de todos los 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 la victoria de una carrera, con el segundo clasificado, Giancarlo Fisichella, quien afirmó: "En realidad, fui más rápido que Kimi. Solo me tomó por el KERS al principio". [33]
Aunque KERS todavía era legal en la Fórmula 1 en la temporada 2010, todos los equipos habían acordado no usarlo. [34] 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, [35] junto con los equipos de la FOTA que aceptaron el uso de dispositivos KERS una vez más, significaron que KERS regresó. para la temporada 2011. [36] Esto sigue siendo opcional como lo fue en la temporada 2009; en la temporada 2011, 3 equipos eligieron no usarlo. [21] Para la temporada 2012 , solo Marussia y HRT corrieron sin KERS, y en 2013, con la retirada de HRT, los 11 equipos de la parrilla corrían KERS.
En la temporada 2014 , la potencia de salida del MGU-K (La sustitución del KERS y parte del sistema ERS que también incluye un sistema de recuperación de calor residual con turbocompresor ) se incrementó de 60 kW a 120 kW y se permitió recuperar 2 mega julios por vuelta. Esto fue para equilibrar el movimiento del deporte de motores V8 de 2.4 litros a motores V6 de 1.6 litros. [37] La configuración a prueba de fallas del sistema de freno por cable que ahora complementa al KERS fue examinada como un factor que contribuyó al accidente 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 automovilismo. Estos sistemas de almacenamiento de electricidad para funciones híbridas y de motor incluyen una batería de iones de litio con capacidad escalable o volante , un motor eléctrico de cuatro a ocho kilogramos (con un nivel de potencia máximo de 60 kW u 80 CV), así como el controlador KERS para gestión de energía y batería. Bosch también ofrece una gama de sistemas híbridos eléctricos para aplicaciones comerciales y de trabajo ligero. [38]
Fabricantes de automóviles
Los fabricantes de automóviles, incluido Honda, han estado probando los sistemas KERS. [39] En los 1.000 km de Silverstone de 2008 , Peugeot Sport presentó el Peugeot 908 HY , una variante eléctrica híbrida del diesel 908, con KERS. Peugeot planeaba hacer campaña con el coche en la temporada 2009 de la Serie Le Mans , aunque no fue capaz de sumar puntos en el campeonato. [40] Peugeot también planea un tren de potencia de frenado regenerativo de aire comprimido llamado Hybrid Air. [41] [42]
McLaren comenzó a probar su KERS en septiembre de 2008 en la pista de pruebas de Jerez en preparación para la temporada 2009 de F1, aunque en ese momento aún no se sabía si operarían un sistema eléctrico o mecánico. [43] En noviembre de 2008 se anunció que Freescale Semiconductor colaboraría con McLaren Electronic Systems para desarrollar aún más su KERS para el coche de Fórmula Uno 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 automóviles de carretera. [44]
Toyota ha utilizado un supercondensador para la regeneración en un coche de carreras híbrido Supra HV-R que ganó la carrera de las 24 Horas de Tokachi en julio de 2007. [45]
BMW ha utilizado frenado regenerativo en su Serie E90 3, así como en modelos actuales como la Serie F25 5 bajo el nombre de EfficientDynamics. [46] Volkswagen tiene tecnologías de frenado regenerativo bajo la marca BlueMotion en modelos como los modelos Volkswagen Golf Mk7 y Mk7 Golf Estate / Wagon, otras marcas del grupo VW como SEAT , Skoda y Audi . [47]
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 125cc que finalizó la temporada 2008 . Esto iba en contra de las reglas, por lo que se les prohibió hacerlo después. [48]
Razas
El Automobile Club de l'Ouest , el organizador detrás del evento anual 24 Horas de Le Mans y la Serie Le Mans , estaba "estudiando reglas específicas para LMP1 que estará equipado con un sistema de recuperación de energía cinética" en 2007. [49] Peugeot fue el primer fabricante en presentar un automóvil LMP1 en pleno funcionamiento en la forma del 908 HY en la carrera de 1000 km de Autosport 2008 en Silverstone. [50]
Uso en transporte civil
Bicicletas
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 Regenerative Brake Launch Assist (RBLA). [51] Está disponible en bicicletas eléctricas con motores de cubo de transmisión directa .
Carros
Muchos vehículos eléctricos emplean el frenado regenerativo junto con el frenado por fricción, [52] utilizado por primera vez en los EE. UU. Por el automóvil conceptual eléctrico AMC Amitron de 1967. [53] Los sistemas de frenado regenerativo no pueden emular completamente la función de frenado convencional para los conductores, pero hay avances continuos. [54] Las calibraciones utilizadas para determinar cuándo se regenerará la energía y cuándo se usa el frenado por fricción para reducir la velocidad del vehículo afectan la forma en que el conductor siente la acción de frenado. [55] [56]
Los ejemplos de automóviles incluyen:
- Audi e-tron
- Chevy Bolt
- Ford Fusion Híbrido
- Hyundai Kona Eléctrico
- Nissan Leaf
- Tesla Model 3
- Toyota Prius
- Mitsubishi Outlander PHEV
Termodinámica
Volante KERS
La energía de un volante se puede describir mediante esta ecuación de energía general, asumiendo que el volante es el sistema:
dónde
- es la energía en el volante.
- es la energía que sale del volante.
- es el cambio de energía del volante.
Se asume 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. Mientras 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 a:
dónde
- es la masa del coche.
- es la velocidad inicial del automóvil justo antes de frenar.
El volante recoge un porcentaje de la energía cinética inicial del automóvil, y este porcentaje se puede representar mediante . 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 esto está limitado por su cantidad máxima de energía cinética de rotación. Esto se determina en función de la inercia del volante y su velocidad angular . Cuando el automóvil permanece inactivo, se pierde poca energía cinética de rotación 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. La cantidad de energía cinética distribuida por el volante es por tanto:
Frenos regenerativos
El frenado regenerativo tiene una ecuación de energía similar a la ecuación del volante mecánico. El frenado regenerativo es un proceso de dos pasos que involucra el motor / generador y la batería. El generador transforma la energía cinética inicial en energía eléctrica y luego la batería la convierte en energía química. Este proceso es menos eficiente que el volante. La eficiencia del generador se puede representar por:
dónde
- es el trabajo en el generador.
- es el trabajo producido por el generador.
El único trabajo en el generador es la energía cinética inicial del automóvil y el único trabajo producido por el generador es la energía eléctrica. Al reorganizar esta ecuación para resolver la potencia producida por el generador, se obtiene esta ecuación:
dónde
- es la cantidad de tiempo que el automóvil frena.
- es la masa del coche.
- es la velocidad inicial del automóvil justo antes de frenar.
La eficiencia de la batería se puede describir como:
dónde
El trabajo de la batería representa la cantidad de energía producida por los frenos regenerativos. Esto se puede representar por:
En autos
Un diagrama del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DoE) muestra que los automóviles con motores de combustión interna tienen una eficiencia típica del 13% en la conducción urbana y del 20% en condiciones de carretera. El frenado en proporción a la energía mecánica útil asciende al 6/13, es decir, el 46% en las ciudades y al 2/20, es decir, el 10% en las autopistas.
El DoE afirma que los coches eléctricos convierten más del 77% de la energía eléctrica de la red en energía en las ruedas. [57] La eficiencia de un vehículo eléctrico, teniendo en cuenta las pérdidas debidas a la red eléctrica, la calefacción y el aire acondicionado, es de aproximadamente el 50% según Jean-Marc Jancovici [58] (sin embargo, para la conversión general, véase Energía incorporada # Energía incorporada en el campo de la energía ).
Considere la eficiencia del motor eléctrico y la proporción de frenado en las ciudades y en autopistas .
Vamos a presentar que es la proporción recuperada de energía de frenado. Asumamos. [59]
Bajo estas circunstancias, siendo el flujo de energía que llega al motor eléctrico, el flujo de energía perdido al frenar y el flujo de energía recuperada, se alcanza un equilibrio de acuerdo con las ecuaciones
y
por lo tanto
Es como si el viejo flujo de energía fue reemplazado por uno nuevo
La ganancia esperada asciende a
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 llegaría al 14%.
Ver también
- Sistema de recuperación de energía cinética
- Freno (ferrocarril)
- Freno electromagnético
- Regenerativo (diseño)
- Amortiguador regenerativo
- Unidad de sinergia híbrida
- Turbina de aire ram
- Frenado dinámico
- Motor eléctrico
- Reloj automático de cuerda automática
Referencias
- ^ "Transformar el tubo" (PDF) . Transporte para Londres. Julio de 2008. Archivado desde el original (PDF) el 5 de junio de 2011 . Consultado el 28 de mayo de 2009 .
- ^ "¿Cómo funcionan los vehículos eléctricos de pila de combustible con hidrógeno?" . Centro de datos de combustibles alternativos . Departamento de Energía de Estados Unidos . Consultado el 22 de marzo de 2021 .
- ^ Patente de GM 5775467 - Sistema de freno electromagnético flotante - Erik Knuth, Abraham Farag, Loren Majersik, William Borchers .
- ^ Patente de GM 5603217 - Cilindro maestro compatible - Loren Majersik, Abraham Farag .
- ^ Dave (16 de marzo de 2009). "Carruaje sin caballo: 1906" . Shorpy. Archivado desde el original el 25 de julio de 2011 . Consultado el 14 de agosto de 2010 .
- ^ Raworth, A. (1907). "Control regenerativo de locomotoras y tranvías eléctricos". Revista de la Institución de Ingenieros Eléctricos . 38 (182): 374–386. doi : 10.1049 / jiee-1.1907.0020 .
- ^ "Discusión sobre el 'Frenado regenerativo de vehículos eléctricos' (Hellmund) Pittsburgh, PA" . Transacciones del Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos . 36 : 68. 1917 . Consultado el 11 de marzo de 2014 .
- ^ a b Jno, Struan; Robertson, T .; Markham, John D. (2007). La historia del frenado regenerativo . Sociedad escocesa de tranvías y transportes.
- ^ El mundo del transporte El mundo del tranvía y el ferrocarril . XX . Publicación de transportistas. Julio-diciembre de 1906. p. 20 . Consultado el 11 de marzo de 2014 .
- ^ Bigpanzer (30 de abril de 2006). "Locomotora tipo Susrami en Surami Pass" . Shorpy. Archivado desde el original el 23 de noviembre de 2011 . Consultado el 31 de enero de 2011 .
- ^ Revista Railvolution, 2/11, Kiruna Locomotives, Part 1 Archivado el 29 de enero de 2016 en Wayback Machine
- ^ Næss, Per (3 de agosto de 2007). "Evighetsmaskiner". Fremover (en noruego). pag. 28.
- ^ Hart, Lee A. (28 de diciembre de 2013). "Controladores de motor EV" . Archivado desde el original el 4 de mayo de 2014 . Consultado el 4 de mayo de 2014 .
- ^ Leno, Jay (1 de mayo de 2007). "El coche eléctrico de 100 años" . Mecánica popular. Archivado desde el original el 4 de mayo de 2014 . Consultado el 4 de mayo de 2014 .
- ^ Ayres, Robert U .; McKenna, Richard P. (1972). "El coche eléctrico". Alternativas al motor de combustión interna: impactos en la calidad ambiental . Prensa de la Universidad Johns Hopkins. pag. 219 . ISBN 978-0-8018-1369-6. Consultado el 4 de mayo de 2014 .
- ^ "El frenado regenerativo aumenta las credenciales ecológicas" . Railway Gazette International . 2 de julio de 2007. Archivado desde el original el 11 de marzo de 2014 . Consultado el 11 de marzo de 2014 .
- ^ "El Metro de Delhi evita 90.000 toneladas de CO 2 " . India Times . 23 de febrero de 2009. Archivado desde el original el 26 de febrero de 2009 . Consultado el 14 de agosto de 2010 .
- ^ "Lanzamiento de la firma Flywheel" . Gaceta ferroviaria . 20 de enero de 2011. Archivado desde el original el 18 de junio de 2012 . Consultado el 11 de marzo de 2014 .
- ^ "Hitos alcanzados en las líneas Jubilee y Victoria" . Reconexiones de Londres. 2 de agosto de 2011. Archivado desde el original el 11 de marzo de 2014 . Consultado el 11 de marzo de 2014 .
- ^ Salomón, Brian (2014). Locomotoras GE y EMD . Prensa Voyageur. págs. 59–61. ISBN 9781627883979.
- ^ a b "Team Lotus, Virgin, HRT F1 para comenzar 2011 sin KERS" . Autoevolución. 28 de enero de 2011. Archivado desde el original el 4 de febrero de 2011 . Consultado el 1 de junio de 2011 .
- ^ Comentario de BBC TV sobre el Gran Premio de Alemania 2009
- ^ Artículos seleccionados de Richard Feynman: (con comentario) editado por Laurie M Brown p952
- ^ Flybrid Systems LLP (10 de septiembre de 2010). "Sistemas Flybrid" . Sistemas Flybrid. Archivado desde el original el 13 de julio de 2010 . Consultado el 17 de septiembre de 2010 .
- ^ "Descripción general del sistema IVT" . Torotrak . Archivado desde el original el 14 de octubre de 2008 . Consultado el 4 de octubre de 2019 .
- ^ "Torotrak, Xtrac y CVT pdf" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 16 de mayo de 2011 . Consultado el 17 de septiembre de 2010 .
- ^ Tecnología BHR. "Cpc-Kers" . Bhr-technology.com. Archivado desde el original el 7 de julio de 2011 . Consultado el 17 de septiembre de 2010 .
- ^ "Comentarios de los equipos sobre el futuro ambiental de la F1" . FIA. 8 de octubre de 2008. Archivado desde el original el 28 de diciembre de 2008 . Consultado el 14 de enero de 2009 .
- ^ "Reglamento Técnico de Fórmula Uno 2009" (PDF) . FIA. 22 de diciembre de 2006. Archivado desde el original (PDF) el 25 de junio de 2008 . Consultado el 22 de diciembre de 2006 .
- ^ Gestión de la FIA (22 de diciembre de 2006). "REGLAMENTO TÉCNICO DE FÓRMULA UNO 2009" (PDF) . FIA. Archivado desde el original (PDF) el 25 de junio de 2008 . Consultado el 8 de julio de 2008 .
- ^ "La falla del KERS provocó un susto de incendio en Red Bull" . autosport.com. 17 de julio de 2008. Archivado desde el original el 22 de julio de 2008 . Consultado el 22 de julio de 2008 .
- ^ "El mecánico de BMW escapa del susto del KERS" . autosport.com. 22 de julio de 2008. Archivado desde el original el 24 de julio de 2008 . Consultado el 22 de julio de 2008 .
- ^ Whyatt, Chris (30 de agosto de 2009). "Raikkonen gana un emocionante duelo en Spa" . BBC. Archivado desde el original el 17 de mayo de 2014 . Consultado el 30 de agosto de 2009 .
- ^ "Sistemas de recuperación de energía cinética (KERS)" . Formula1.com. Archivado desde el original el 6 de julio de 2010 . Consultado el 14 de agosto de 2010 .
- ^ "formula1.com/" . formula1.com. Archivado desde el original el 16 de diciembre de 2010 . Consultado el 4 de diciembre de 2010 .
- ^ Benson, Andrew (23 de junio de 2010). "Cambios realizados en F1l" . BBC. Archivado desde el original el 23 de junio de 2010 . Consultado el 23 de junio de 2010 .
- ^ "La Fórmula 1 retrasa la introducción de motores 'verdes' hasta 2014" . bbc.co.uk. 29 de junio de 2011 . Consultado el 27 de junio de 2011 .
- ^ "Bosch desarrolla sistemas KERS modulares para una amplia gama de aplicaciones de automovilismo" . Congreso de coches ecológicos. 18 de noviembre de 2008. Archivado desde el original el 5 de septiembre de 2010 . Consultado el 27 de abril de 2010 .
- ^ "Sixt Car Sales | Gebrauchtwagen günstig kaufen" (en alemán). Archivado desde el original el 29 de septiembre de 2009 . Consultado el 15 de diciembre de 2010 .
- ^ "Peugeot Sport Hybrid" . Ingeniería de autos de carrera. 13 de septiembre de 2008. Archivado desde el original el 13 de enero de 2009 . Consultado el 13 de septiembre de 2008 .
- ^ "Hybrid Air, un innovador sistema de gasolina totalmente híbrido" . PSA-Peugeot-Citroen. Archivado desde el original el 4 de mayo de 2014 . Consultado el 4 de mayo de 2014 .
- ^ "El coche que funciona con aire" . Ciencia popular. 25 de febrero de 2014. Archivado desde el original el 2 de marzo de 2014 . Consultado el 4 de mayo de 2014 .
- ^ Lawrence Butcher (18 de septiembre de 2008). "F1 KERS; McLaren en pista con KERS | Gente" . Ingeniería de autos de carrera. Archivado desde el original el 22 de septiembre de 2008 . Consultado el 14 de agosto de 2010 .
- ^ McLaren para trabajar con Freescale en KERS Archivado el 8 de junio de 2011 en Wayback Machine el 12 de noviembre de 2008
- ^ "Toyota Hybrid Race Car gana la carrera de 24 horas de Tokachi; motores en las ruedas y supercondensadores" . Congreso de coches ecológicos. 17 de julio de 2007. Archivado desde el original el 17 de mayo de 2011 . Consultado el 17 de septiembre de 2010 .
- ^ "BMW EfficientDynamics: Regeneración de energía de frenado" . www.bmw.com . Archivado desde el original el 6 de enero de 2016 . Consultado el 3 de enero de 2016 .
- ^ "Tecnología BlueMotion - Glosario técnico - Tecnología y servicio Volkswagen | VW Australia" . www.volkswagen.com.au . Archivado desde el original el 4 de marzo de 2016 . Consultado el 3 de enero de 2016 .
- ^ "¡KTM vence a la F1 con el debut secreto de KERS! | Noticias de MotoGP | Febrero de 2009" . Crash.Net. 4 de febrero de 2009. Archivado desde el original el 23 de mayo de 2011 . Consultado el 14 de agosto de 2010 .
- ^ "Reglamento Técnico ACO 2008 para las clases Prototipo" LM "P1 y" LM "P2, página 3" (PDF) . Automóvil Club de l'Ouest (ACO). 20 de diciembre de 2007. Archivado desde el original (PDF) el 25 de junio de 2008 . Consultado el 20 de enero de 2008 .
- ^ Sam Collins (13 de septiembre de 2008). "Peugeot Sport Hybrid | Gente" . Ingeniería de autos de carrera. Archivado desde el original el 13 de enero de 2009 . Consultado el 14 de agosto de 2010 .
- ^ "Investigación de bicicletas híbridas hidráulicas" . EPA . Archivado desde el original el 17 de octubre de 2013.
- ^ Lampton, Christopher (23 de enero de 2009). "Cómo funciona el frenado regenerativo" . HowStuffWorks.com . Consultado el 4 de octubre de 2019 .
- ^ Voelcker, John (10 de enero de 2014). "Trivia de coches eléctricos: ¿Cuándo se utilizó por primera vez el frenado regenerativo?" . Informes de vehículos ecológicos .
- ^ "¿Hacia dónde se dirigen los frenos regenerativos?" . greeninginc.com . 27 de diciembre de 2018.
- ^ Berman, Bradley (15 de enero de 2019). "Mejores y peores coches eléctricos para frenado regenerativo" . InsideEVs . Consultado el 4 de octubre de 2019 .
- ^ Varocky, BJ (enero de 2011). "Evaluación comparativa de frenado regenerativo para un coche totalmente eléctrico" (PDF) . Technische Universiteit Eindhoven (TU / e) . Consultado el 10 de octubre de 2019 .
- ^ "Vehículos totalmente eléctricos" . Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables - Departamento de Energía de EE. UU . Consultado el 29 de enero de 2021 .
- ^ Jean-Marc Jancovici (1 de octubre de 2017). "¿Es el coche eléctrico una solución ideal para la movilidad del mañana?" . jancovici.com . Consultado el 29 de enero de 2021 .
- ^ Schwarzer, Christoph M. (21 de marzo de 2019). "Bremsenergierückgewinnung und ihr Wirkungsgrad" [Recuperación de energía de frenado y su eficiencia]. heise online - heise Autos (en alemán).