UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS
DEPARTAMENTO DE ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERIA AUTOMOTRIZ PROYECTO MANTENIMIENTO MANTENIMIENTO AUTOMOTRIZ II VI NIVEL “FRENOS REGENERATIVOS”
GRUPO
Fuentes José Luis López Fernando Paucar Henry Ramírez Julio
Latacunga – 17 de diciembre del !1"
FRENO REGENERATIVO INTRODUCCIÓN El freno regenerativo es un dispositivo capaz de disminuir la velocidad de un vehículo al mismo tiempo que transforma la energía cinética que posee éste en energía eléctrica, la cual es almacenada en bancos de baterías o capacitores para su uso posterior. Este tipo se considera como un tipo de freno dinámico, tal como lo es el freno reostático en el que la energía eléctrica en lugar de ser almacenada se disipa en forma de calor por medio de resistencias. Este sistema aunque parece novedoso, fue creado ya en la década de los setenta, aunque no fue sino hasta 199 que empez! a tomar importancia en el ámbito automotriz cuando "oyota sac! al mercado su modelo #rius, el cual incluía un sistema de freno regenerativo y desde entonces su nivel de aceptaci!n e inclusi!n empez! a crecer de forma paulatina. $uego en %&& se produce otro avance cuando '() lanza una línea de vehículos con motorizaci!n diesel y gasolina que incluían un sistema similar, el cual fue bautizaron con el nombre de *Efficient +ynamics, dicho sistema se utiliza para recargar la batería sin necesidad de un alternador que funcione constantemente, lo que produce una disminuci!n en el consumo de combustible y un aumento de la potencia del motor. #ero el punto que marc! realmente el despegue de este tipo de frenos fue la recesi!n econ!mica iniciada en %&&-, que casi quiebra a muchas empresas, sobre todo automotrices, que no podían sostener un modelo de negocios basado en vehículos con motorizaci!n basada nicamente en combustible f!sil/ en dicho punto los autos eléctricos e híbridos0eléctricos entraron a ser el ee principal de desarrollo tecnol!gico y econ!mico dando lugar al grandes avances en los sistemas de recuperaci!n y conversi!n de energía durante el frenado. 2a en %&&9 la 345 sorprende al mundo al anuncia que en el 6ampeonato (undial de 3!rmula 1, se incluiría un sistema de freno regenerativo denominado 7E8 :;inetic energy recovery system o sistema de recuperaci!n de energía cinética<, que fue motivo de controversia aunque finalmente se adopt! sin problemas en %&11 y dio a conocer al mundo entero este sistema de frenado.
ASPECTOS GENERALES +urante el frenado comn la energía cinética que almacena el vehículo gracias a su movimiento es transformada en energía térmica o calor por el rozamiento de acuerdo con la $ey de 6onservaci!n de la Energía, esto es=
$o que quiere decir que al disminuir la velocidad se producirá un decremento en la energía cinética con su consiguiente incremento en el calor generado.
En el freno regenerativo se trata de aprovechar ese calor liberado para convertirlo en energía til, así al utilizar un bobinado situado en el ee de las ruedas motrices se puede convertir dicho calor en energía eléctrica, dando como resultado lo siguiente=
6omo es evidente en la ecuaci!n, no toda la energía cinética es aprovechada durante el frenado, quedando an una parte que es liberada en forma de calor.
Ilustración 1. Gráica c!"#arati$a %ntr% r%na&! r%'%n%rati$! ( r%na&! )i&ráulic!
El sistema de freno regenerativo está compuesto principalmente de un generador0 motor, el cual trabaará como motor al momento de la aceleraci!n recibiendo energía de las baterías y cambiará a generador cuando se empiece el frenado.
Ilustración *. +!t!r,'%n%ra&!r %n ac%l%ración ( r%na&a
6uando la funci!n generadora entra en acci!n, el conunto de bobinas de la máquina convierte la energía cinética en energía eléctrica que será enviada al banco de baterías para ser almacenada, pero como ya se destac! en párrafos anteriores no toda la energía puede ser convertida, especialmente cuando ocurren detenciones o frenadas repentinas.
$a energía de producida es típicamente demasiado elevada para ser procesada por el motor0generador, procesar tan alta energía en relativamente poco tiempo requeriría de una máquina de mayor tama>o o en otras palabras de mayor potencia, lo cual resulta impráctico para aplicaciones automotrices. #or ello, el vehículo debe estar equipado con frenos mecánicos regulares aunque esté dise>ado para funcionar con frenos regenerativos/ el control electr!nico del vehículo decidirá cuánta fuerza de frenado requerirá del sistema mecánico basándose en la informaci!n proporcionada por el control del motor0generador, la cantidad de regeneraci!n posible y la velocidad del vehículo. 5l incluir este sistema un vehículo, su autonomía se e?tiende entre un 1& y un 1@A.
PARTES CO+PONENTES 6ada sistema cuenta por sí mismo con elementos y dispositivos diferentes segn las aplicaciones específicas para las cuales hayan sido dise>ados, sin embargo se puede notar las siguientes partes constitutivas principales que comnmente se utilizan= •
(áquina eléctrica
•
'anco de baterías
•
Bnidad inversora0rectificadora
•
Bnidad de control
•
ensores
En la actualidad se está e?perimentando con diferentes tipos máquinas eléctricas tanto de corriente continua como de corriente alterna en sus configuraciones trifásicas de máquina de inducci!n asincr!nica y máquina sincr!nica. 5 pesar de ello muchos fabricantes optan por utilizar la máquina asincr!nica dado que posee un buen par de arranque y al tener rotor bobinado puede utilizarse como generador, por lo que los detalles de funcionamiento se centrarán en el uso de la misma.
+-UINA ASINCRÓNICA Es una máquina eléctrica rotativa de corriente alterna que cuando cuenta con rotor bobinado puede ser utilizada tanto como motor o como generador invirtiendo las cone?iones de entrada y salida al rotor y al estator.
Ilustración /. Es0u%"a ( &ia'ra"a %lctric! &% un r!t!r
Es necesario notar que cuando el rotor no es bobinado, es decir es del tipo aula de ardilla, no puede ser utilizado como generador por lo que no puede ser aplicada esta configuraci!n en los frenos regenerativos. us partes principales son= •
6arcasa
•
Estator
•
8otor
•
Ee
•
8odamientos
•
5nillos
En su configuraci!n como motor se alimenta al estator con corriente alterna trifásica, la cual crea un campo magnético giratorio que inducirá una corriente en el bobinado del rotor, el cual se encuentra cortocircuitado por medio sus anillos, dicha corriente a su vez producirá otro campo magnético que al interactuar con su contraparte del estator producirá una par resultante que hará girar al rotor. En su configuraci!n como generador se desconecta el cortocircuito de los anillos del rotor y por medio de ellos se alimenta al mismo con corriente alterna trifásica que generará un campo magnético fio, este campo magnético se pone en movimiento gracias a la acci!n mecánica e?terna sobre el ee que se aplica sobre él/ el campo magnético puesto en movimiento inducirá una corriente sobre los bobinados del estator, produciendo en los bornes de entrada, convertidos ahora en salidas, un voltae y una corrientes que pueden ser utilizados como sea conveniente. 5l inducirse dicha corriente en el estator, se crea por consiguiente un campo magnético fio que interactuará con el giratorio del rotor, esta interacci!n tendrá como resultado un par que se opondrá a la rotaci!n del ee motriz.
2ANCO DE 2ATER3AS on las encargadas de acumular la energía eléctrica producida en el frenado para utilizarla luego en el movimiento del motor.
Ilustración 4. 2at%r5a &% liti!
E?isten varios tipos de baterías pero las más utilizadas en la actualidad son las siguientes= •
'atería de plomo0ácido
•
'atería de níquel0cadmio
•
'atería de níquel0hidruro metálico :Ci(D<
•
'atería de i!n de litio
•
'atería de litio0polímero
•
'atería de aire0zinc
•
'atería de sulfuro de sodio
•
'atería de sodio0cloruro metálico
UNIDAD INVERSORA,RECTIFICADORA
Es la encargada de convertir la se>al eléctrica de continua a alterna y viceversa segn se requiera.
El inversor toma la corriente continua almacenada en las baterías y la transforma en corriente alterna trifásica para utilizarla en el estator y producir el efecto motor de la
máquina eléctrica. Ilustración 6. In$%rs!r &% c!rri%nt% &%l T!(!ta Prius
El rectificador toma la corriente alterna trifásica producida en los bornes del estator cuando la máquina eléctrica funciona como generador y la convierte en corriente continua para enviarla a las baterías. $a unidad cuenta también con un regulador de voltae que estabiliza la se>al y envía tanto al motor como a las baterías el valor de voltae requerido para su correcto funcionamiento. Es necesario notar que cada una de estas secciones son circuitos independientes aunque en algunos casos vengan en una sola tareta.
UNIDAD DE CONTROL Es la encargada de cambiar las configuraciones de la máquina eléctrica de motor a generador, además de controlar que la regeneraci!n de energía se produzca correctamente. 6ontrola así mismo la energía utilizada por el vehículo, es decir la energía utilizada para mover al vehículo como la utilizada para otros dispositivos como el aire acondicionado, luces, sistemas de navegaci!n, etc. 6ontrola también la entrada en funcionamiento del motor térmico.
SENSORES on los encargados de tomar la informaci!n de todos los sistemas para envíalas a la unidad de control donde serán interpretadas y procesadas. E?isten varios sensores que actan sobre el sistema entre los cuales se tiene=
•
ensor de freno
•
ensor de velocidad
•
ensor de posici!n del acelerador
•
ensor de posici!n de la palanca de cambios
FUNCIONA+IENTO 6uando el vehículo se encuentra en movimiento lleva una cierta energía cinética acumulada la cual se quiere aprovechar por medio del sistema de freno regenerativo, lo cual sucede de la siguiente manera. 6uando el conductor presiona el pedal de freno el sensor de freno envía la se>al a la unidad de control, esta procesa la informaci!n acerca de la intensidad del frenado y la compara con la proveniente del sensor de velocidad y de la carga de las baterías que interpreta la cantidad de regeneraci!n posible. 6on dicha informaci!n hace actuar a los frenos mecánicos con la intensidad necesaria para compensar cualquier falta que e?ista por parte del freno regenerativo.
Ilustración 7. Es0u%"a &% las u%r8as actuant%s %n una "á0uina %lctrica
5 su vez, invierte las entradas de la máquina eléctrica poniéndola a funcionar como generador. En ese momento, como ya se mencion! anteriormente, la corriente generada durante la frenada crea un campo magnético que interacta con el campo proveniente del estator produciendo un par resultante que tiene sentido contrario al movimiento del ee motriz. +icho par es lo suficientemente grande como para producir reducir el movimiento del ee hasta incluso pararlo, produciéndose de esta manera el frenado del vehículo. 6uando las baterías están totalmente cargadas, la diferencia de voltae entre los bornes del motor y los del banco acumulador es cero resultando en una corriente de valor igual a cero, en dicho momento el campo magnético del estator de la máquina eléctrica dea de e?istir por lo que el par de frenado desaparece también.
Esto conlleva a que el frenado del vehículo, en lo concerniente a al frenado dinámico, desaparezca, por lo cual el freno mecánico sigue siendo un elemento imprescindible dentro de los vehículos eléctricos e híbridos0eléctricos. Bna vez finalizado el proceso de frenado y cuando el conductor presiona el pedal de aceleraci!n, el sensor de dicho pedal envía la informaci!n a la unidad de control y vuelve a revertir la cone?i!n de la máquina eléctrica. En este momento el sistema tomará la energía almacenada en las baterías y la enviará a los bornes del estator y provocará un corto circuito en los anillos del rotor haciendo que el conunto entre en funcionamiento de motor.
APLICACIONES E?iste una gran cantidad de aplicaciones de este sistema, entre los cuales dentro del ámbito automotriz se puede mencionar las siguientes=
9ERS EN LA FÓR+ULA UNO El 7E8 o sistema de recuperaci!n de energía cinética por sus siglas en inglés, fue adoptado la 345 para su uso en los vehículos que compitan en el 6ampeonato (undial de 3!rmula Bno en el a>o %&&9, esta decisi!n estuvo llena de controversia debido a que algunos equipos se opusieron a su implementaci!n alegando que retrasando su salida hasta el %&1& se reducirían costes. tro problema por el que no se aceptaba completamente el uso del 7E8 fue el hecho de que la adopci!n del sistema implicaba un aumento en peso total del vehículo. El 7E8 pesa apro?imadamente de F@;g y el monoplaza debe pesar al menos GH&;g incluido el conductor/ los equipos tradicionalmente construyen sus vehículos con un peso considerablemente menor y utilizan hasta &;g de peso de lastre para repartirlo en el interior y alcanzar el peso reglamentario. Esto significa que los equipos que utilizan el 7E8 tienen menos lastre a repartir, teniendo así menor libertad para modificar la distribuci!n de peso del vehículo siendo esto es en general un problema con pilotos más pesados. $a potencia ganada por el uso del sistema está alrededor de los G&;), es decir unos -16I, que podían durar hasta G.G segundos en la fase de aceleraci!n después de la frenada, sin embargo se espera que en los pr!?imos a>os dicha potencia aumente a unos %H6I que durarán apro?imadamente unos - segundos. 5 pesar de la potencia ganada, el peso e?tra sigue siendo un factor importante, que dependiendo del circuito representa un peruicio en lugar de un beneficio puesto que penaliza los tiempos de vuelta en lugar de reducirlos, por ello las escuderías han optado por incluir el sistema de acuerdo con la carrera a correr. 5sí, en general, se suele utilizar este tipo de ayuda en circuitos rápidos con rectas largas como (onza o pa03rancorchamps, y se lo retira para circuitos más lentos y sin grandes rectas como (!naco o ingapur.
E?isten principalmente dos tipos de 7E8 utilizados en 3!rmula Bno, eléctrico y mecánico. El eléctrico funciona de manera similar al descrito hasta ahora, con la diferencia de que el piloto cuenta con un bot!n con el cual decide cuándo utilizar la energía almacenada en las baterías, las cuales cumplen el nico prop!sito de mantener dicha energía disponible para brindar, cuando sea necesario, unos caballos e?tra y permitir una meor salida o un adelantamiento.
Ilustración :. Es0u%"a &%l 9ERS %n un "!n!#la8a &% Fór"ula Un!
El sistema mecánico utiliza un peque>o volante de inercia, el cual puede girar hasta unas -&&&&rpm/ cuando se requiere de potencia e?tra el volante es conectado a las ruedas dándoles el impulso que el piloto requiera. $a ventaa del sistema mecánico es que la energía almacenada es energía mecánica que no cambia de forma como en el sistema eléctrico, por lo cual resulta ser mucho más eficiente.
Ilustración ;. 9ERS "%cánic! utili8a&! %n Fór"ula Un!
E?iste también una segunda forma de 7E8 mecánico, que consiste en acumular la energía del frenado en forma de presi!n hidráulica la cual es enviada a las ruedas cuando así se lo requiera.
$a energía acumulada por el 7E8 puede ser liberada por completo de una sola vez o en diferentes puntos del circuito segn las necesidades del piloto, los beneficios en tiempos de vueltas están apro?imadamente entre los &.1 a los &.H segundos. e especula que la superioridad de los monoplazas de 8ed 'ull, viene del hecho de que tienen conectador el 7E8 a los sensores de suspensi!n permitiéndoles tener mayor tracci!n en la salida de las curvas, hecho que es negado por CeJey, ingeniero en efe de la escudería.
VE<3CULOS DE TURIS+O= TO>OTA PRIUS E?isten en el mercado una gran cantidad de vehículos híbridos y eléctricos, pero dado que el #rius es el precursor en el uso de sistemas eléctricos y de recuperaci!n de energía durante el frenado, además de ser el vehículo de mayor aceptaci!n y más vendido en su tipo, es necesario hacer un análisis del sistema de freno regenerativo de este auto. El secreto del #rius es su tecnología Dybrid inergy +rive :D+<, desarrollada por "oyota, que combina un motor térmico con uno eléctrico, lo que le permite tener un consumo de H.FlK1&&;m con emisiones de s!lo 1&HgK;m, casi un F&A menos que los demás turismos. El sistema del freno regenerativo funciona en el #rius prácticamente igual que el descrito en párrafos anteriores, con la diferencia de que cuenta con un motor y generador independientes, es decir no e?iste una inversi!n de motor a generador.
Ilustración ?. Es0u%"a &% l!s sist%"as &% r%n! r%'%n%rati$! % )i&ráulic!
Este sistema es en general muy til cuando se circula por la ciudad ya que en la misma se producen aceleraciones y desaceleraciones continuas. 5l presionar el pedal de freno el sistema controla la coordinaci!n entre freno hidráulico y freno regenerativo, dándole prioridad al freno regenerativo, lo que permite recuperar energía an a velocidades baas del vehículo.
6on el tiempo "oyota ha meorado el sistema permitiendo en la actualidad aprovechar mucho más la recuperaci!n de la energía.
Ilustración 1@. Gráicas c!"#arati$as %ntr% l!s sist%"as r%'%n%rati$!s ant%ri!r ( actual
Este sistema de frenado consigue recuperar un G@A de la energía eléctrica que carga las baterías. $a energía recuperada es almacenada en una batería de níquel0hidruro metálico, de %%&I y G.@5h de capacidad, es decir unas F horas de autonomía/ la batería no se encuentra prevista para el cambio de mantenimiento del vehículo debido a su gran calidad y durabilidad. $a batería va conectada a un inversor que, entre otras cosas, convierte los %%&I de +6 a @&&I de 56, que alimentarán al motor de @&;) que produce un par de H&&Cm. El generador a su vez, es de tipo sincr!nico y puede girar como má?imo al doble de revoluciones que el régimen del motor térmico. El sistema de control del #rius se encarga de controlar no s!lo la entrada en funcionamiento del freno regenerativo, sino de controlar también los motores eléctrico y térmico, así como regular el uso de la energía, tanto para la movilidad como para el uso de sistemas y dispositivos au?iliares.
Ilustración 11. Dia'ra"a &%l c!ntr!l &%l sist%"a &% c!ntr! &%l Prius.
VENTAAS > DESVENTAAS DEL FRENO REGENERATIVO Este tipo de freno ofrece varias bondades y complicaciones, entre las que se puede mencionar=
VENTAAS •
+isminuye los niveles de contaminaci!n del vehículo
•
#ermite un ahorro de energía y una ganancia de potencia
DESVENTAAS •
istema altamente compleo
•
(antenimiento relativamente complicado
CONCLUSIONES •
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El sistema de freno regenerativo es uno de los avances más significativos dentro de la industria automotriz, ya que permite el uso de normal y prolongado de vehículos tanto eléctricos como híbridos. El sistema puede almacenar suficiente energía como para presentar ciertas ventaas dentro del ámbito de la competici!n, raz!n por la cual ha sido implementado de manera relativamente e?itosa dentro de eventos como la 3!rmula Bno y el 4ndy 6ar eries.
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5 pesar de ser un gran avance, an se requiere de los sistemas convencionales que permiten un frenado seguro en condiciones en que el freno regenerativo no puede cumplir con su funci!n de disminuir la velocidad.
2I2LIOGRAF3A •
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Dod;inson 8., Lightweight/Hybrid Vehicle Design , 'utterJorth Deinemann, ?ford %&&1 Dusain 4., Electric and Hybrid Vehicles Design Fundamentals , 686 #ress, CeJ 2or;. %&&@ 8odríguez (., Máquinas Asíncronas, Bniversidad de 6antabria, Espa>a, %&&3ormula 1, 7E8, http=KKJJJ.formula1.comKinsideLf1KunderstandingLtheLsportK-GF.htmlMH9H, ultimo acceso &01%0%&1F E!" y los #renos regenerati$os, http=KKhaciendofuturo.Jordpress.comK%&1&K1%K&K;ers0y0los0frenos0 regenerativosK, ultimo acceso &01%0%&1F Niménez 5., %El #uturo del trans&orte' Los coche el(ctricos , http=KKJJJ.hablandodeciencia.comKarticulosK%&1%K&FK1FKel0futuro0del0 transporte0el0coche0electricoK, ultimo acceso &01%0%&1F 5ficionados a la mecánica, Vehículos Híbridos, http=KKJJJ.aficionadosalamecanica.netKhibridos0prius.htmK, ultimo acceso &0 1%0%&1F
