frenos regenerativos

8/12/2019 Frenos regenerativos

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Introduccin Debido a los problemas que siguen teniendo los vehculos elctricos, escasa energa especficaque actualmente se obtiene de las bateras y su limitacin en cuanto a velocidad y autonoma, sonlos automviles hbridos los que ofrecen una solucin de compromiso ms satisfactoria. Ademaspueden aprovecharse de los desarrollos en el campo de los motores de combustin interna quean tienen margen de mejora.

El fabricante Toyota por ejemplo esta desarrollando una serie de alternativas a los vehculosconvencionales que consumen combustibles fsiles, desarrollando nuevas tecnologas que vandesde los vehculos hbridos actuales hasta los que son impulsados por hidrogeno (FCHV: FuelCell Hybrid Vehicle).

Se han llamado hbridos a los automviles que utilizan un motor elctrico, y un motor decombustin interna para realizar su trabajo. A diferencia de los automviles solo elctricos, hayvehculos hbridos que no es necesario conectar a una toma de corriente para recargar lasbateras, el generador y el sistema de "frenos regenerativos" se encargan de mantener la carga delas mismas.

Al utilizar el motor trmico para recargar las bateras, se necesitan menor nmero de estas por loque el peso total del vehculo es menor ya que el motor trmico suele ser pequeo.

Tradicionalmente, los motores que han propulsado a los automviles convencionales han sido

sobredimensionados con respecto a lo estrictamente necesario para un uso habitual. La notadominante ha sido, y es an, equipar con motores capaces de dar una potencia bastante grande,pero que slo es requerida durante un mnimo tiempo en la vida til de un vehculo.

Los hbridos se equipan con motores de combustin interna, diseados para funcionar con sumxima eficiencia. Si se genera ms energa de la necesaria, el motor elctrico se usa comogenerador y carga la bateras del sistema. En otras situaciones, funciona slo el motor elctrico,alimentndose de la energa guardada en la batera. En algunos hbridos es posible recuperar la


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energa cintica al frenar, que suele disiparse en forma de calor en los frenos, convirtindola enenerga elctrica. Este tipo de frenos se suele llamar " regenerativos ".

La combinacin de un motor de combustin operando siempre a su mxima eficiencia, y larecuperacin de energa del frenado (til especialmente en la ciudad), hace que estos vehculosalcancen mejores rendimientos que los vehculos convencionales. Se dispone de un sistemaelectrnico para determinar qu motor usar y cundo hacerlo.


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Los hbridos se pueden fabricar en diferentes configuraciones:

Paralelos : tanto la parte elctrica como la trmica pueden hacer girar las ruedas.

En serie : solo la parte elctrica da traccin, el motor trmico se utiliza para generarelectricidad.

Tambin se pueden clasificar segn sea la carga de las bateras.

Regulares : se recargan por el funcionamiento normal del vehculo.

Enchufables : tambin se recargan conectndose a la red elctrica.

Ventajas:

Esta tecnologa ha permitido conseguir que el consumo de combustible sea de un 20%hasta un 60% menor que en vehculos comparables de tipo convencional.

Se maximiza el rendimiento del uso del combustible, pues los motores de combustininterna para hbridos son fabricados pensando en el mayor rendimiento..

Reduccin de emisin de gases dainos para el medio ambiente y los seres vivos.

Desventajas:

Los vehculos hbridos tienen menos potencia (CVs) que automviles convencionalescomparables. No obstante, el avance de esta tecnologa apunta a aminorar esta brecha ytanto la velocidad mxima del vehculo, como la autonoma son parecidas a los puramentetrmicos.


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Mayor peso que un coche convencional (hay que sumar el motor elctrico y, sobre todo,las bateras), y por ello un incremento en la energa necesaria para desplazarlo. El pesodel vehculo se puede aminorar usando carroceras mas ligeras de aluminio, fibra decarbono o fibra de vidrio.

Ms complejidad, lo que dificulta las revisiones y reparaciones del vehculo. La inversin inicial es mayor para adquirir un hbrido que para adquirir un convencional

comparable. Sin embargo, el ahorro econmico que le entrega el menor consumo decombustible le devuelve esa inversin.

Como desarrollo para un futuro, estn las celdas de combustible, que prometen reemplazar almotor de combustin mediante el uso de nuevas energas. Su nica emisin por el tubo de escapees vapor de agua.

DefinicinUn freno regenerativo es un dispositivo que permite reducir la velocidad de un vehculo transformando parte de su energa cintica en energa elctrica. Esta energa elctrica esalmacenada para un uso futuro. El freno regenerativo en trenes elctricos alimenta la fuentede energa del mismo. En vehculos de bateras y vehculos hbridos, la energa esalmacenada en un banco de bateras o un banco de condensadores para un uso posterior. Elfreno regenerativo es un tipo de freno dinmico. Otro tipo de freno dinmico es el frenoreosttico , en donde la energa elctrica es disipada en forma de calor.

Frenado tradicional
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El frenado tradicional basado en la friccin sigue siendo usado junto con el regenerativo por las siguientes razones:

El frenado regenerativo reduce de manera efectiva la velocidad a niveles bajos. La cantidad de energa a disipar est limitada a la capacidad de absorcin de sta

por parte del sistema de energa, o el estado de carga de las bateras o loscapacitores. Un efecto no regenerativo puede ocurrir si otro vehculo conectado a lared suministradora de energa no la consume o si las bateras o capacitores estncargados completamente. Por esta razn es necesario contar con un freno reostticoque absorba el exceso de energa.

VentajasBsicamente, es un dispositivo de ahorro energtico que incorporan nuestros trenes de AltaVelocidad en las series 101, 102, 103 y 104, as como en la nueva serie 112 que cubre eltrayecto Madrid -Valencia , y Cercanas. El proceso de freno de cualquiera de estos treneses una fuente productora de energa cintica, que es la que surge durante el fenmeno delmovimiento de un objeto, y se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpodesde el reposo hasta la velocidad que posee. Para que ese mismo cuerpo frene sumovimiento, necesita un trabajo negativo de la misma magnitud que su energa cintica ; aplicado al tren, eso quiere decir que el proceso de frenado es una fuente de energa cinticaque sera una verdadera pena desperdiciar.

FuncinRecoge toda la energa cintica que produce un tren al frenar y la convierte en energaelctrica. Una electricidad que devuelve a la catenaria y que puede emplearse para diversosfines, desde mover otros trenes a alimentar los servicios auxiliares de ese mismo tren, osimplemente almacenarse en unos acumuladores especiales instalados a bordo. Otra opcines devolver esa electricidad a la Red, algo que ya se hace en las lneas de Alta Velocidad, atravs de las subestaciones.

El motor como frenoLos frenos regenerativos se basan en el principio de que un motor elctrico puede serutilizado como generador. El motor elctrico de traccin es reconectado como generadordurante el frenado y las terminales de alimentacin se convierten en suministradoras de

energa la cual se conduce hacia una carga elctrica, es esta carga, la que provee el efectode frenado.

Ejemplos

Un temprano ejemplo de este sistema fue el Freno Regenerador de energa, desarrollado en1967 para el vehculo Amitron . Este fue un auto accionado completamente por bateras en
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fase prototipo, cuyas bateras eran recargadas por frenado regenerativo, lo queincrementaba el rango de rendimiento de energa del automvil.

Tren elctrico, funcionamiento

Durante el frenado, las conexiones del motor de traccin son modificadas, mediante undispositivo electrnico, para que funcione como un generador elctrico . Por ejemplo, losmotores de corriente continua brushless , cuentan, normalmente, con sensores de efecto hall

para determinar la posicin del rotor del motor, lo que permite tener informacin delvehculo y calcular cmo se ha de drenar la corriente generada en el motor hacia lossistemas de almacenamiento, que pueden ser (bateras o supercondensadores).Los campos del motor se conectan al motor principal de traccin y las armaduras del motorse conectan a la carga. El motor de traccin excita los campos, las ruedas del vehculo, yasea un automvil, un trolebs , o una locomotora , al girar, mueven las armaduras, y losmotores actan como generadores. Cuando los motores funcionan como generadores, lacorriente generada en ellos se puede hacer pasar a travs de resistencias elctricas, lo que

dara lugar a un frenado reosttico. Si se enva a la lnea de suministro, en el caso de untrole, o una locomotora, o a las bateras o un supercondensador , en el caso de un vehculoautnomo e independiente de una lnea de corriente, se estara hablando de frenadoregenerativo.Si el movimiento del vehculo es decelerado, el flujo de corriente a travs de la armaduradel motor durante ese frenado debe de ser contrario al que se utiliza para accionar al motor.El esfuerzo de frenado es proporcional al producto de la fuerza magntica de las lneas decampo multiplicado por la velocidad angular de la armadura.

Comparacin entre freno reosttico y regenerativoFrenos reostticos, a diferencia de los regenerativos, disipan la energa elctrica en formade calor al hacer circular la corriente generada durante el frenado, a travs de enormes

bancos de resistores elctricos variables. Algunos vehculos que utilizan frenos reostticosson: Montacargas. Locomotoras diesel/ elctricas, Trolebuses.Si el diseo es adecuado, este calor puede servir para calentar el interior del vehculo. Si elcalor es disipado al exterior este se hace a travs de capuchas enormes diseadas paraalbergar los bancos de resistores.

Desventajas

La principal desventaja de los frenos regenerativos comparados con los reostticos es lanecesidad de igualar la corriente generada con la suministrada. Con las fuentes de corrientedirecta, esto requiere que el voltaje sea controlado estrictamente. Solamente con eldesarrollo de la electrnica esto fue posible con fuentes de C.A, en donde la frecuencia delsuministro tambin debe ser igualada, tratndose del caso en que la energa de corrientealterna es rectificada para convertirla en corriente directa y as alimentar motores de CD.Un nmero limitado de ferrocarriles de montaa han usado fuentes de poder trifsicas para
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accionar motores trifsicos de induccin, esto redunda en una velocidad casi constantemientras el motor funciona con la frecuencia necesaria al avanzar o al frenar.

Freno regenerativo

KERS

Un freno regenerativo o KERS (en ingls kinetic energy recovery system , sistema derecuperacin de energa cintica) es un dispositivo que permite reducir la velocidad de unvehculo transformando parte de su energa cintica en energa elctrica . Esta energaelctrica es almacenada para un uso futuro.

El freno regenerativo en trenes elctricos alimenta la fuente de energa del mismo. Envehculos de bateras y vehculos hbridos , la energa se almacena en un banco de bateras oun banco de condensadores para un uso posterior.

El freno regenerativo es un tipo de freno dinmico . Otro tipo de freno dinmico es el frenoreosttico , mediante el cual la energa elctrica generada en la frenada es disipada en formade calor .

El frenado tradicional, basado en la friccin , se sigue usando junto con el regenerativo porlas siguientes razones:

El frenado regenerativo reduce de manera efectiva la velocidad a niveles bajos La cantidad de energa a disipar est limitada a la capacidad de absorcin de sta por

parte del sistema de energa, o el estado de carga de las bateras o los condensadores. Unefecto no regenerativo puede ocurrir si otro vehculo conectado a la red suministradora deenerga no la consume o si las bateras o condensadores estn cargados completamente.Por esta razn es necesario contar con un freno reosttico que absorba el exceso deenerga.

ndice 1 El motor como freno
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2 Funcionamiento en un tren elctrico 3 Comparacin entre freno reosttico y regenerativo 4 Uso en el automovilismo

o 4.1 Descripcino 4.2 Incidenteso 4.3 Desarrollo del KERSo 4.4 Aplicaciones a los coches de calleo 4.5 KERS en Frmula 1o 4.6 KERS en la IndyCar 2012

5 Vase tambin 6 Referencias

El motor como frenoLos frenos regenerativos se basan en el principio de que un motor elctrico puede utilizarsecomo generador elctrico . El motor elctrico de traccin se reconecta como generador

durante el frenado y las terminales de alimentacin se convierten en suministradoras deenerga la cual se conduce hacia una carga elctrica; es esta carga la que provee el efecto defrenado.

Un ejemplo temprano de este sistema fue el freno regenerativo desarrollado en 1967 para elvehculo Amitron de American Motors Corporation (AMC) y Gulton Industries . Estevehculo era accionado completamente por bateras en fase prototipo que se recargaban porfrenado regenerativo, lo que incrementaba el rendimiento del automvil.

Funcionamiento en un tren elctricoDurante el frenado, se modifican las conexiones del motor de traccin mediante undispositivo electrnico, para que funcione como un generador elctrico. Por ejemplo, losmotores de corriente continua brushless (del ingls, sin escobillas), cuentan, normalmente,con sensores de efecto Hall para determinar la posicin del rotor del motor, lo que permitetener informacin del vehculo y calcular cmo se ha de frenar la corriente generada en elmotor hacia los sistemas de almacenamiento, que pueden ser bateras osupercondensadores .

Los campos del motor se conectan al motor principal de traccin y las armaduras del motorse conectan a la carga. El motor de traccin excita los campos, las ruedas del vehculo, yasea un automvil , un trolebs , o una locomotora, al girar, mueven las armaduras, y losmotores actan como generadores. Cuando los motores funcionan como generadores, lacorriente generada en ellos se puede hacer pasar a travs de resistencias elctricas, lo quedara lugar a un frenado reosttico. Si se enva a la lnea de suministro, en el caso de untrole, o una locomotora, o a las bateras o un supercondensador, en el caso de un vehculoautnomo e independiente de una lnea de corriente, se estara hablando de frenadoregenerativo.
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Si el movimiento del vehculo es decelerado, el flujo de corriente a travs de la armaduradel motor durante ese frenado debe de ser contrario al que se utiliza para accionar al motor.

El esfuerzo de frenado es proporcional al producto de la fuerza magntica de las lneas decampo multiplicado por la velocidad angular de la armadura.

Comparacin entre freno reosttico y regenerativoArtculo principal: Freno dinmico

Los frenos reostticos, a diferencia de los regenerativos, disipan la energa elctrica enforma de calor al hacer circular la corriente generada durante el frenado, a travs deenormes bancos de resistores variables o reostatos . Los frenos reostticos se utilizan encarretillas elevadoras y trolebuses , adems de las locomotoras elctricas y disel.

El calor generado por los resistores puede servir para calentar el interior del vehculo. Si elcalor se disipa al exterior, se hace a travs de capuchas enormes diseadas para albergar los

bancos de resistores.

La principal desventaja de los frenos regenerativos comparados con los reostticos es lanecesidad de igualar la corriente generada con la suministrada. Con las fuentes de corrientecontinua, esto requiere que el voltaje sea controlado estrictamente. Solamente con eldesarrollo de la electrnica fue posible utilizar fuentes de corriente alterna , pues lafrecuencia del suministro tambin debe ser igualada.

Algunos ferrocarriles de montaa han usado corriente trifsica para accionar motorestrifsicos de induccin. Esto redunda en una velocidad casi constante mientras el motorfunciona con la frecuencia necesaria al avanzar o al frenar.

Uso en el automovilismoDescripcin

El dispositivo denominado KERS entr en vigor en 2009 en la competicin de Frmula 1 . Adems de abaratar los costos, el objetivo de este dispositivo es aumentar la facilidad y elnmero de adelantamientos, que con el avance de la aerodinmica han ido disminuyendo.Se ha diseado y desarrollado por Xtrac, Torotrack y Flybrid System con las

especificaciones impuestas por la FIA y la UE.

Este componente funciona obteniendo la energa que se disipara en forma de calor en lasfrenadas, acumulndola en un volante de inercia . La idea es que esa energa almacenadaotorgue una potencia extra de 60 kW (unos 81 CV / 80 HP) durante aproximadamente 6,67segundos en la fase de aceleracin tras la frenada. Sin embargo, es posible que laimportancia del KERS vaya en aumento con los aos, llegndose incluso a los 270 CV
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durante 8 s con los motores limitados a 400 CV que en principio llegarn en la prximadcada.

Las escuderas podrn elegir entre tres opciones para disear el dispositivo: un sistemamecnico (similar a una batera inercial ), un sistema elctrico, o un sistema neumtico. En

principio la mayora de equipos utilizarn la versin mecnica, ya que es ms eficiente ycompacta. Sin embargo, es posible que algn equipo se decante por la elctrica ya que,aunque es menos eficiente porque debe convertir la energa mecnica en elctrica yviceversa, tiene la ventaja de que puede colocarse en cualquier lugar del monoplaza (nocomo el mecnico que ha de estar cerca de la trasmisin).

Incidentes

El desarrollo del KERS ha estado rodeado de problemas. Algunos equipos se opusieron aque se implementara en 2009, alegando problemas en el desarrollo y asegurando queretrasando su salida al 2010 se reduciran los costes. Adems, un mecnico de BMW

result herido por una descarga elctrica mientras manipulaba un monoplaza que contenael dispositivo en cuestin y la fbrica de Red Bull Racing hubo de ser evacuada por problemas de sobrecalentamiento con el KERS .1 Los equipos convocaron una reunin enHungra en la que se pretenda retrasar su implantacin hasta 2010; sin embargo, no selleg a tal acuerdo. No todos los equipos tuvieron listo el dispositivo para el inicio de latemporada, y algunas escuderas anunciaron que no lo utilizaran en toda la temporada.

Desarrollo del KERS

El uso del KERS se introdujo en los monoplazas de Frmula 1 en el 2009 al finalizar lostests en el Circuito de Montmel , siendo los primeros en implementar con relativo xito

este nuevo dispositivo la escudera BMW . Los pilotos de la escuderia Nick Heidfeld yRobert Kubica , que se encontraban entre los pilotos con ms peso corporal de la Frmula 1 mostraron su preocupacin debido a que el peso reglamentario de los coches sigui siendoel mismo por lo que los pilotos que tenan mayor peso tenan menor lastre a repartir en elcoche.

La escudera Toyota empez la temporada en el Gran Premio de Melbourne sin el sistemaKERS .2

Ferrari present su modelo F60 el 12/01/2009 con el sistema KERS incorporado y lo utilizen el Gran Premio de Australia en Melbourne .3

Renault fue el primer equipo en confirmar que usara el sistema KERS en el Gran Premiode Australia la semana del 06/04/2009 .4

Aplicaciones a los coches de calle

Si resulta ser un xito, el KERS podra ser implementado en los coches de calle,evidentemente no de la misma forma que en un Frmula 1 , sino usando continuamente la
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energa obtenida de las frenadas para reducir el consumo de combustible, de lo que sededuce que el KERS es un dispositivo ecolgico.

La empresa Toyota , desde 1997, comercializa el modelo Prius el cual usa un sistema defreno regenerativo; posteriormente desde el 2010, comercializa el modelo "Auris HbridoHSD" que entre otras mejoras implementa este tipo de freno regenerativo.

La empresa BMW , desde 2007 comercializa algunos modelos de serie con motorizacionesdisel y gasolina bajo la denominacin Efficient Dynamics que entre otras mejorasincorpora un sistema que aprovecha la energa de frenado "Brake Energy Regeneration".Este sistema, de momento se utiliza para recargar la batera del vehculo sin necesidad deutilizar constantemente un alternador que mantenga la batera cargada, as ahorracombustible o gana potencia, segn se mire.

Tambin la empresa Volvo hizo pblico en 2011 sus resultados en el desarrollo de unsistema KERS propio de cara a implementarlo en sus vehculos de calle .5

La empresa Fiat S.P.A en 2013 ha proporcionado a su nuevo modelo Ferrari LaFerrari unsistema de KERS que desarrolla 163 cv de potencia

KERS en Frmula 1Las ventajas del dispositivo KERS en Frmula 1 son bastante discutibles puesto queaunque aporta algo de potencia extra durante unos pocos segundos, penaliza los tiempos

por el peso del propio dispositivo. La mayor parte de las escuderas que poseen este sistemaen sus monoplazas deciden si lo utilizan o no dependiendo del tipo de circuito, ya que loque en algunos circuitos es favorable en otros penaliza ms de lo que aporta. En general enlos circuitos rpidos y con rectas largas (Monza , Spa ) es mejor llevar KERS y en los mslentos y sin grandes rectas (Mnaco , Singapur ) es ms favorable no llevarlo.

El 26 de julio de 2009 gana por primera vez un vehculo equipado con KERS una carrerade Frmula 1 . El vehculo de la escudera McLaren-Mercedes y pilotado por LewisHamilton se impuso en el circuito de Hungaroring , en Hungra.

El 23 de agosto de 2009 el GP de Europa realizado en el Circuito urbano de Valencia elKERS volvi a dar de que hablar, ya que pese a que el coche ganador no llevaba estatecnologa, el segundo y tercero llevaban KERS. Lo que pudo ser la segunda victoria delKERS se obstaculiz por un error en el pit lane de la escudera McLaren-Mercedes, dondese retras el coche de Lewis Hamilton y fue adelantado por el Brawn GP de RubensBarrichello .

El 30 de agosto de 2009 en el GP de Blgica, en Spa-Francorchamps , los monoplazas quean mantienen el KERS han avanzado mucho, respecto a principios de temporada,adjudicndose por segunda ocasin un monoplaza con KERS la victoria; esta vez fue elFerrari de Kimi Rikknen , quien admiti que tanto en la salida (donde gan 4 posiciones),como luego de una bandera amarilla, atac en las primeras tres curvas y en la salida de EauRouge . Utilizando KERS logr colocarse en la primera posicin, y pese a que el ForceIndia de Giancarlo Fisichella era ms veloz, pudo defender la posicin hasta el final graciasa la utilizacin del KERS en las rectas y en la salida de curvas ms lentas, dicho as por elmismo piloto. [cita requerida ]
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12/12

Durante la temporada 2010 las escuderas acordaron no utilizar el sistema. En la temporada2011 los monoplazas volvieron a incorporarlo.

KERS en la IndyCar 2012

La serie IndyCar Series utiliza un sistema similar al KERS denominado Push to Pass , similar al utilizado en la Frmula uno en compensacin a la potenciacin de los motoresque se usan desde la temporada 2012.
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frenos regenerativos

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