Cómo funciona el frenado regenerativo en vehículos eléctricos

El frenado es uno de los aspectos importantes de un vehículo. El sistema de frenado mecánico que utilizamos en nuestros vehículos tiene el gran inconveniente de desperdiciar la energía cinética del vehículo en forma de calor. Esto reduce la eficiencia general del vehículo al afectar la economía de combustible. En el ciclo de conducción urbana, tendemos a arrancar y detener el vehículo con más frecuencia en comparación con el ciclo de conducción en carretera. Como aplicamos el freno a menudo en un ciclo de conducción urbano, la pérdida de energía es mayor. Los ingenieros idearon el sistema de frenado regenerativopara recuperar la energía cinética disipada como calor durante el frenado en el método de frenado tradicional. Siguiendo las leyes de la física, no podemos recuperar toda la energía cinética que se pierde, pero aún así se puede convertir y almacenar una cantidad significativa de energía cinética en una batería o supercondensador. La energía recuperada ayuda a mejorar la economía de combustible en los vehículos convencionales y ayuda a ampliar la autonomía en los vehículos eléctricos. Es de destacar que el proceso de frenado regenerativo tiene pérdidas mientras se recupera la energía cinética. Antes de continuar, también puede consultar otro artículo interesante sobre vehículos eléctricos:

• Introducción de un ingeniero a los vehículos eléctricos (EV)
• Tipos de motores utilizados en vehículos eléctricos

El concepto de frenado regenerativo se puede implementar en vehículos convencionales que utilizan ruedas Fly. Los volantes son discos de alta inercia que giran a muy alta velocidad. Actúan como un dispositivo de almacenamiento de energía mecánica absorbiendo (almacenando) la energía cinética del vehículo durante el frenado. La energía recuperada durante el proceso de frenado se puede utilizar para ayudar al vehículo durante el arranque o el movimiento cuesta arriba.

En los vehículos eléctricos, podemos incorporar el frenado regenerativo de forma mucho más eficiente de forma electrónica. Esto reducirá la necesidad de volantes pesados, lo que agrega un peso adicional al peso total del vehículo. Los vehículos eléctricos tienen un problema inherente de ansiedad por la autonomía entre los usuarios. Aunque la velocidad promedio del vehículo en el ciclo de conducción urbana es de alrededor de 25 a 40 km / h, la aceleración y el frenado frecuentes agotan la batería pronto. Sabemos que los motores pueden actuar como un generador en determinadas condiciones. Al usar esta función, se puede evitar que la energía cinética del vehículo se desperdicie. Cuando aplicamos el freno en vehículos eléctricos, el controlador del motor (basado en la salida del sensor del pedal del freno) reduce el rendimiento o detiene el motor. Durante esta operación, el controlador de motor está diseñado pararecuperar la energía cinética y almacenarla en la batería o en los bancos de condensadores. El frenado regenerativo ayuda a ampliar la autonomía del vehículo eléctrico en un 8-25%. Además de ahorrar energía y mejorar la autonomía, también ayuda a controlar eficazmente la operación de frenado.

En el sistema de frenado mecánico, se ejerce un par inverso en la rueda cuando presionamos el pedal del freno. De manera similar, en el modo de frenado regenerativo, la velocidad del vehículo se reduce iniciando un par negativo (opuesto al movimiento) en el motor con la ayuda del controlador del motor. A veces, las personas se confunden cuando visualizan el concepto de que el motor actúa como un generador cuando gira en sentido inverso en el modo de frenado regenerativo. En este artículo se puede entender cómo recuperar la energía cinética mediante el método de frenado regenerativo en vehículos eléctricos.

Cómo actúa un motor como generador

Primero, nos centraremos en comprender cómo un motor puede actuar como generador.. Todos hemos utilizado el motor de CC de imán permanente en aplicaciones de robótica como seguidor de línea. Cuando la rueda del robot conectada al motor gira libremente (externamente con la mano), a veces el controlador del motor IC se daña. Esto sucede porque el motor actúa como un generador, y el EMF trasero generado (voltaje inverso de mayor magnitud) se aplica a través del IC del controlador, lo que lo daña. Cuando giramos la armadura en estos motores, corta el flujo de los imanes permanentes. Como resultado de esto, se induce a la EMF a oponerse al cambio de flujo. Por lo tanto, podemos medir un voltaje en los terminales del motor. Es porque el EMF trasero es una función de la velocidad del rotor (rpm). Cuando las rpm son mayores y si la fuerza contraelectromotriz generada es mayor que la tensión de alimentación, el motor actúa como generador. Ahora veamoscómo funciona este principio en los vehículos eléctricos para evitar la pérdida de energía debida al frenado.

Cuando el motor acelera el vehículo, la energía cinética asociada con él aumenta como un cuadrado de la velocidad. Durante la navegación, el vehículo se detiene cuando la energía cinética se vuelve cero. Cuando aplicamos los frenos en un vehículo eléctrico, el controlador del motor funciona de tal manera que el motor se detiene o se reduce la velocidad. Esto implica invertir la dirección del par del motor a la dirección de rotación. Durante este proceso, el rotor del motor conectado al eje motriz genera una EMF en el motor (análoga a una turbina / motor primario que impulsa el rotor del generador). Cuando el EMF generado es mayor que el voltaje del banco de capacitores, la energía fluye del motor al banco. Así, la energía recuperada se almacena en la batería o en el banco de condensadores.

Cómo funciona el frenado regenerativo en vehículos eléctricos

Consideremos que un automóvil tiene un motor de inducción de CA trifásico como motor para su propulsión. Por las características del motor, sabemos que cuando un motor de inducción trifásico funciona por encima de su velocidad síncrona, el deslizamiento se vuelve negativo y el motor actúa como un generador (alternador). En circunstancias prácticas, la velocidad de un motor de inducción es siempre menor que la velocidad síncrona. La velocidad sincrónicaes la velocidad del campo magnético giratorio del estator producido debido a la interacción del suministro trifásico. En el momento de arrancar el motor, la EMF inducida en el rotor es máxima. A medida que el motor comienza a girar, la EMF inducida disminuye en función del deslizamiento. Cuando la velocidad del rotor alcanza la velocidad síncrona, la EMF inducida es cero. En este punto, si intentamos hacer girar el rotor por encima de esta velocidad, se inducirá la EMF. En este caso, el motor devuelve la potencia activa a la red o suministro. Aplicamos frenos para reducir la velocidad del vehículo. En este caso, no podemos esperar que la velocidad del rotor exceda la velocidad síncrona. Aquí es donde entra en juego el papel del controlador del motor. Para el propósito de comprensión, podemos visualizar como el ejemplo que se da a continuación.

Supongamos que el motor gira a 5900 rpm y la frecuencia de suministro es de 200 Hz cuando aplicamos el freno, tenemos que reducir las rpm o llevarlo a cero. El controlador actúa de acuerdo con la entrada del sensor del pedal de freno y realiza esa operación. Durante este proceso, el controlador establecerá la frecuencia de suministro a menos de 200 Hz, como 80 Hz. Por tanto, la velocidad síncrona del motor se convierte en 2400 rpm. Desde la perspectiva del controlador de motor, la velocidad del motor es mayor que su velocidad síncrona. Como estamos reduciendo la velocidad durante la operación de frenado, el motor ahora actúa como un generador hasta que las rpm disminuyen a 2400. Durante este período, podemos extraer energía del motor y almacenarla en la batería o banco de capacitores.Cabe señalar que la batería continúa suministrando energía a los motores de inducción trifásicos durante el proceso de frenado regenerativo. Es porque los motores de inducción no tienen una fuente de flujo magnético cuando el suministro está APAGADO. Por lo tanto, el motor, cuando actúa como generador, extrae energía reactiva del suministro para establecer el enlace de flujo y le devuelve energía activa. Para diferentes motores, el principio de recuperación de la energía cinética durante el frenado regenerativo es diferente. Los motores de imanes permanentes pueden actuar como un generador sin ninguna fuente de alimentación porque tienen imanes en el rotor para producir flujo magnético. De manera similar, pocos motores tienen magnetismo residual que elimina la excitación externa requerida para crear flujo magnético.Es porque los motores de inducción no tienen una fuente de flujo magnético cuando el suministro está APAGADO. Por lo tanto, el motor, cuando actúa como generador, extrae energía reactiva del suministro para establecer el enlace de flujo y le devuelve la energía activa. Para diferentes motores, el principio de recuperación de la energía cinética durante el frenado regenerativo es diferente. Los motores de imanes permanentes pueden actuar como un generador sin ninguna fuente de alimentación porque tienen imanes en el rotor para producir flujo magnético. De manera similar, pocos motores tienen magnetismo residual que elimina la excitación externa requerida para crear un flujo magnético.Es porque los motores de inducción no tienen una fuente de flujo magnético cuando el suministro está APAGADO. Por lo tanto, el motor, cuando actúa como generador, extrae energía reactiva del suministro para establecer el enlace de flujo y le devuelve la energía activa. Para diferentes motores, el principio de recuperación de la energía cinética durante el frenado regenerativo es diferente. Los motores de imanes permanentes pueden actuar como un generador sin ninguna fuente de alimentación porque tienen imanes en el rotor para producir flujo magnético. De manera similar, pocos motores tienen magnetismo residual que elimina la excitación externa requerida para crear un flujo magnético.el principio de recuperación de la energía cinética durante el frenado regenerativo es diferente. Los motores de imanes permanentes pueden actuar como un generador sin ninguna fuente de alimentación porque tienen imanes en el rotor para producir flujo magnético. De manera similar, pocos motores tienen magnetismo residual que elimina la excitación externa requerida para crear un flujo magnético.el principio de recuperación de la energía cinética durante el frenado regenerativo es diferente. Los motores de imanes permanentes pueden actuar como un generador sin ninguna fuente de alimentación porque tienen imanes en el rotor para producir flujo magnético. De manera similar, pocos motores tienen magnetismo residual que elimina la excitación externa requerida para crear un flujo magnético.

En la mayoría de los vehículos eléctricos, el motor eléctrico está conectado solo al eje motriz único (principalmente al eje motriz trasero). En este caso, necesitamos emplear un sistema de frenado mecánico (frenado hidráulico) para las ruedas delanteras. Esto significa que el controlador debe mantener la coordinación entre el sistema de frenado mecánico y electrónico mientras aplica los frenos.

¿Vale la pena implementar el Frenado Regenerativo en todos los Vehículos Eléctricos?

No hay duda sobre el potencial de recuperación de energía en el concepto del método de frenado regenerativo, pero también tiene algunas limitaciones. Como se señaló anteriormente, la velocidad a la que se pueden cargar las baterías es lenta en comparación con la velocidad a la que se pueden descargar. Esto limita la cantidad de energía recuperada que las baterías pueden almacenar durante un frenado repentino (desaceleración rápida). No es recomendable utilizar el frenado regenerativo en condiciones de carga completa. Es porque la sobrecarga puede dañar las baterías, pero el circuito electrónico evita que se sobrecargue. En este caso, el banco de condensadores puede almacenar la energía y ayudar a ampliar el rango. Si no está allí, se aplican los frenos mecánicos para detener el vehículo.

Sabemos que la energía cinética está dada por 0.5 * m * v ². La cantidad de energía que podemos recuperar depende de la masa del vehículo y también de la velocidad a la que viaja. La masa total es mayor en vehículos pesados ​​como coches eléctricos, autobuses eléctricos y camiones. En el ciclo de conducción urbana, estos vehículos pesados ​​ganarían un gran impulso después de la aceleración a pesar de circular a baja velocidad. Entonces, durante el frenado, la energía cinética disponible es mayor en comparación con un scooter eléctrico que viaja a la misma velocidad. Por tanto, la eficacia del frenado regenerativo es mayor en coches eléctricos, autobuses y otros vehículos pesados.. Aunque pocos patinetes eléctricos tienen la función de frenado regenerativo, el impacto que tiene en el sistema (la cantidad de energía recuperada o la autonomía extendida) no es tan eficaz como en los coches eléctricos.

La necesidad de bancos de condensadores o ultracondensadores

Durante el frenado, debemos detener o reducir la velocidad del vehículo instantáneamente. Por lo tanto, la operación de frenado en ese instante está ahí por un corto tiempo. Las baterías tienen un límite en el tiempo de carga, no podemos descargar más energía a la vez porque las degradarán. Aparte de esto, la carga y descarga frecuente de la batería también reduce la vida útil de la batería. Para evitarlos, agregamos un banco de condensadores o ultracondensadores al sistema. Los ultracondensadores o supercondensadores pueden descargarse y cargarse durante muchos ciclos sin ninguna degradación del rendimiento, lo que ayuda a aumentar la vida útil de la batería. El ultracondensador tiene una respuesta rápida, lo que ayuda a capturar los picos / oleadas de energía de manera efectiva durante la operación de frenado regenerativo.La razón para elegir un ultracondensador es que puede almacenar 20 veces más energía que los condensadores electrolíticos. Este sistema alberga un convertidor de CC a CC. Durante la aceleración, la operación de refuerzo permite que el condensador se descargue hasta un valor umbral. Durante la desaceleración (es decir, el frenado), la operación reductora permite que el capacitor se cargue. Los ultracondensadores tienen una buena respuesta transitoria, lo que es útil durante el arranque del vehículo. Al almacenar la energía recuperada aparte de la batería, puede ayudar a extender la autonomía del vehículo y también puede soportar una aceleración repentina con la ayuda del circuito de impulso.frenado) la operación reductora permite que el capacitor se cargue. Los ultracondensadores tienen una buena respuesta transitoria, lo que es útil durante el arranque del vehículo. Al almacenar la energía recuperada aparte de la batería, puede ayudar a extender la autonomía del vehículo y también puede soportar una aceleración repentina con la ayuda del circuito de impulso.frenado) la operación reductora permite que el capacitor se cargue. Los ultracondensadores tienen una buena respuesta transitoria, lo que es útil durante el arranque del vehículo. Al almacenar la energía recuperada aparte de la batería, puede ayudar a extender la autonomía del vehículo y también puede soportar una aceleración repentina con la ayuda del circuito de impulso.