SISTEMA DE FRENADO REGENERATIVO

Autor: Vila-Coro Fuentes, Leticia.

Director: Currier, Patrick.

Entidad Colaboradora: EcoCAR 2.

RESUMEN DEL PROYECTO

Introducción

El frenado regenerativo consiste en hacer uso de la energía derivada de hacer que un vehículo

disminuya su velocidad o se pare. En este proyecto, un sistema de frenado regenerativo será

desarrollado e implementado para el vehículo de la universidad Embry-Riddle Aeronautica l

University para la competición EcoCAR 2.

El coche en el que se implementará este sistema es un Chevrolet Malibu donado por General

Motors y convertido en un híbrido que se conecta a la red, entre otros con donaciones de los

patrocinadores de la competición. Se alimenta de electricidad y biodiesel B20, y utiliza un motor

eléctrico AM-Racing de REMY, una batería Li-ion y un motor diésel para alimentar dicha batería

(Embry-Riddle EcoeEagles, 2014). Todas las modificaciones en todos los sistemas principales del

coche son hechas por estudiantes, entrenados y ayudados por los patrocinadores. Los alumnos se

organizan en equipos para concentrarse en el desarrollo de un área específica, como puede ser la

mecánica, eléctrica, los sistemas de control…

La competición EcoCAR 2 busca desarrollar un vehículo que, comparado al convencional de

gasolina, consuma menos y tenga menos emisiones, manteniendo la aceptación del consumidor.

Quince universidades de los EEUU y Canadá compiten en el diseño, implementación e integrac ión

de los sistemas necesarios para alcanzar esas metas, desarrollando el vehículo durante un periodo

de tres años.

La competición también introduce algunas limitaciones que influyen sobre las decisiones tomadas

para el diseño del Sistema de Frenado Regenerativo (Regenerative Braking System o RBS),

mientras que a su vez, provee de los medios para su desarrollo.

Estado de la técnica

Hay varios sistemas que se basan en los mismos principios que el desarrollado, como pueden ser

los KERS y los frenos hidráulicos regenerativos. Sin embargo, se ha elegido diseñar un sistema de

control que regule la cantidad de par utilizado para frenar el coche.

Mientras se está frenando el coche, el motor se convierte en generador, alimentando la batería, que

se carga en el proceso. Por lo tanto, mediante el uso del frenado regenerativo, el alcance del

vehículo aumenta dependiendo en la cantidad de par exigida y el número de veces que se activa el

sistema. Este par es negativo y es la salida del sistema implementado.

Hay dos tipos de sistemas de frenado regenerativos: los que se centran en el uso del acelerador y

los que se centran en el pedal de freno. Para el sistema implementado se ha elegido la última de

las posibilidades, que a su vez de divide en dos corrientes: frenado en serie, en el que se decide la

cantidad de frenado regenerativo y fricción a aplicar en cada caso, dependiendo de las intenciones

del conductor, o en paralelo, que consiste en aplicar en todo caso fricción y frenado regenerativo

además cuando se considere conveniente.

El enfoque tomado ha sido diseñar un sistema en paralelo. Cada vez que el conductor presione el

freno, se aplicará frenado mediante fricción y mediante freno regenerativo, si el usuario así lo

decide y se cumplen las condiciones de seguridad. De esta manera, no es necesario un sistema

electrónico de control de frenado que decida la cantidad de freno regenerativo que el coche y la

batería pueden aportar, y lo complemente con fricción, lo que atribuye al sistema características

de seguridad para frenado de emergencia y disminuye la complejidad del sistema.

Motivación

Como parte de la competición, el equipo (también llamado EcoEagles), decidió desarrollar un

vehículo ecológico que maximizara el alcance utilizando la menor cantidad de energía posible.

Este proyecto forma parte de esa meta ya que se aprovecha de energía no utilizada para cargar la

batería. También fue diseñado para que la mínima cantidad de ensayos fueran necesarios a la hora

de hacer que el sistema funcionara, de manera que no interfiriera con los ensayos críticos para el

funcionamiento del coche.

El frenado regenerativo es un tipo de sistema relativamente novedoso, en el cual todos los posibles

enfoques no han sido estudiados todavía. Por lo tanto proporciona grandes posibilidades a la hora

de desarrollar sistemas innovadores o más simples que los implementados en la industria.

Siendo la industria automovilística tan confidencial y competitiva como es, no ha sido posible

encontrar líneas generales de acción a seguir para el desarrollo de ningún tipo de frenado

regenerativo. Mediante el estudio de datos, comentarios de los consumidores y características de

los productos se ha podido obtener una idea de los enfoques tomados por las empresas para el

desarrollo de estos sistemas. En base a esas deducciones se han desarrollado y hecho funcionar los

sistemas discutidos en este documento, que da información sobre cómo se crea un RBS.

Objetivos

Los objetivos del proyecto son los siguientes:

Crear el Sistema de Frenado Regenerativo a implementar en el coche que sea

suficientemente simple como para no requerir muchas pruebas, que incremente el alcance,

mantenga la aceptación del consumidor y seguridad de los usuarios. Todo esto será hecho

siguiendo las reglas de la competición EcoCAR 2.

Implementar de manera satisfactoria el RBS contemplando todos los requerimientos.

Analizar los resultados mediante una prueba de conducción y frenado con el RBS activado.

Se decidió añadir un objetivo adicional: crear un sistema de frenado regenerativo

innovador, llamado Sistema Incremental, que esté basado en el uso del acelerador y que

presente un enfoque más simple que los sistemas similares siendo utilizados por algunas

empresas, mediante el uso de menos variables y eliminando la necesidad de creación de un

mapa del motor que relacione par y velocidad. Este sistema no será implementado, pero su

base teórica será discutida, así como una justificación de por qué es novedoso.

Metodología

El sistema principal se basará en un planteamiento concentrado en el uso del pedal de freno. Sin

embargo, no sólo se desarrollará esta opción, sino que también se discutirán las posibilidades de

un sistema innovador concentrado en el uso del acelerador. Este último sistema será diferente a lo

implementado por la industria en el momento en el que se escribe este documento, sin embargo,

solamente será desarrollado, simulado y analizado.

El primer paso en el desarrollo del RBS será decidir las entradas y salidas del sistema utilizadas

para cumplir las metas. Esto se hará mediante el análisis de las señales disponibles y decidiendo

cuáles serán críticas para su correcto funcionamiento contemplando los límites propuestos.

Después, se modificará la planta del coche del que se dispone y se validará, para ejecutar

simulaciones y decidir el enfoque a tomar.

Dado que el Sistema de Frenado Regenerativo se desarrolló a la vez que el coche también estaba

en fase de desarrollo, será necesario asegurar la mínima cantidad de test a ejecutar posibles. Este

enfoque no utilizará ninguna señal que no estuviera disponible cuando se empezó a desarrollar el

sistema, y por lo tanto, las señales utilizadas no serán las convencionales. Un ejemplo de esto es

que no se utilizará la presión del líquido de frenos, sino que las señales utilizadas serán las

observadas en la Figura 1: la posición del pedal de freno, el gradiente de dicha posición, la

velocidad y una señal para la activación del sistema que será salida de una máquina de estados

finitos que garantiza condiciones de seguridad.

Figura 1: Sistema de Frenado Regenerativo

Una vez el sistema ha sido diseñado, los resultados de la implementación serán discutidos, y

comparados con aquellos que habrían sido obtenidos sin la implementación del sistema, así como

los beneficios obtenidos. También se analizarán las posibles modificaciones que podrían mejorar

la aceptación de los consumidores.

También se hará un análisis en cuanto a potencia y energía, para justificar la implementación de

este tipo de sistema como una forma más simple de lo que vehículos de todo el mundo llevan

incorporado, con resultados similares.

El Sistema Incremental, que se puede observar en la Figura 2, un sistema innovador que deriva su

funcionamiento del uso del acelerador será discutido, así como sus diferencias con los sistemas

convencionalmente utilizados por la industria.

Figura 2: Sistema Incremental

Se hará un análisis de su comportamiento y tratamiento de las señales necesarias para implementar

este sistema. La base sobre la que se apoya se explicará, y para la misma planta utilizada en el

sistema anterior, se simulará. Los resultados se explicarán, así como las características del sistema

y cómo éste afectará al uso del acelerador.

Resultados

El sistema de frenado regenerativo principal fue exitosamente diseñado e implementado, siguiendo

un planteamiento conservativo para procurar aceptación del consumidor y la mínima cantidad de

pruebas necesaria para proporcionar un sistema que funcionara.

El siguiente paso fue llevar a cabo una prueba de frenado y conducción para poder estudiar el

sistema y comparar su funcionamiento con el correspondiente sin el sistema activado. Este estudio

se centrará en energía y potencia, y en cómo el alcance del coche mejoraría hipotéticamente. En la

Figura 3 se puede observar una comparación teórica basada en datos extraídos de la prueba. Está

claro que el uso de este sistema, en este caso hipotético, mejoraría su comportamiento en más de

un 42%.

Figura 3: Comparación con y sin el RBS activado

Conclusión

Estos sistemas presentan un nuevo y simplificado enfoque a sistemas siendo desarrollados por la

industria automovilística. Los sistemas de control involucrados en este proyecto proveen de

innovadoras formas de afrontar problemas a los que se busca solución, con resultados positivos

para variables como alcance o consumo de energía.

Más que eso, el sistema implementado mantiene aceptabilidad por parte del consumidor, al ser la

sensación al utilizarlo muy similar a la convencional, a la vez que alcanza el resto de metas

propuestas. El Sistema Incremental presenta, a su vez, una posible solución simplificada a

desarrollos complejos.

Estos sistemas tienen el claro beneficio de aumentar el alcance del coche híbrido “gratis”, mientra s

que reducen emisiones y contribuyen a la sostenibilidad del medio ambiente. El beneficio principa l

es que todos los conductores puedes adaptarse a estos sistemas, y estos sistemas pueden adaptarse

a los conductores.

REGEN BRAKING SYSTEM

SUMMARY OF THE PROJECT

Introduction

Regenerative braking consists on making use of the energy derived from slowing down or stopping

a vehicle. In this project, a regenerative braking system will be developed and implemented for the

Embry-Riddle Aeronautical University EcoCAR 2 competition vehicle.

The car this system will be implemented and developed for is a Chevrolet Malibu donated by

General Motors and converted into a plug-in hybrid, amongst others with donations from the

EcoCAR 2 sponsors. It runs on both electricity and B20 bio-diesel, and uses AM-Racing, REMY

electric motors, an A123 Systems’ Lithium Ion Battery Pack and a diesel engine to sustain the

battery (Embry-Riddle EcoeEagles, 2014). All the modifications in all of the main systems in the

car are done by students, which are also trained and helped by the sponsors. The students are

organized into teams to develop one critical area essential for the functioning of the vehicle, such

as mechanical, electrical, controls, software or communications.

The EcoCAR 2 competition aims to develop a vehicle that compared to the conventional gasoline

vehicle consumes less fuel and has less emissions, while maintaining consumer acceptability.

Fifteen universities of the United States of America and Canada compete by designing and

integrating the necessary powertrains to reach those goals, developing the vehicle during a three

year period.

The competition introduces some constraints that shape some of the decisions taken in the

development of the Regenerative Braking System, while providing with the means to develop it.

State of the Art

There are several systems that perform the same function as the system developed for this project,

for example those that use flywheels or hydraulics. The system here developed and implemented

is a control system that regulates the amount of torque that will be used to stop the car.

While regenerative braking occurs, the motor runs as a generator, feeding current to the battery,

which is charged in the process. Therefore, by the usage of this system, the driving range of the

vehicle will be increased depending on the amount of regenerative braking events and the torque

the motor provides to stop the car in every event. This torque will be negative and, in this project,

commanded as an output from the system developed.

There are mainly two types of regenerative braking control systems: those focused on the use of

the accelerator pedal and those focused on the use of the brake pedal. This project will concentra te

on the latter, in which there are also two currents: to implement it by determining how much regen

braking and how much friction braking will occur depending on the intentions of the driver (series

approach) and to implement both each braking event (parallel approach).

The approach taken in this project is to implement a parallel regenerative braking system. This

means that the regen braking system will be implemented but the friction brakes will still operate

every time the user presses the brake pedal. This is an approach that does not need an additiona l

EBS to determine the friction to regen ratio, and provides with safety measurements as the

hydraulic braking will always be active in the car for emergency braking.

Grounds for the Project

As a part of the EcoCAR 2 competition the Embry-Riddle Aeronautical University EcoEagles

aimed to develop an eco-friendly vehicle that can provide with as much driving range as possible

by using the least amount of energy necessary. This project fits into that goal as it takes advantage

of unused energy to recharge the battery. It was also developed to require a minimum amount of

testing in order not to interfere with other critical systems being developed and implemented in

the car.

Regenerative braking is a relatively new type of system that has approaches that have not been

completely developed and researched yet. Therefore it provides with great possibilities to develop

innovative, and even simpler approaches from those that are currently being implemented by the

industry.

Being the automotive industry as secretive as it is, there are no guidelines of how to develop this

type of system. By studying data, consumer comments and product characteristics a superfic ia l

idea of current approaches taken by car companies can be deduced. This project has its base in a

deepened analysis of those deductions, which are developed and finally converted into a working

system that is explained and provides with an insight into how regenerative braking is created.

Objectives

The objectives of the project are:

To create the Regenerative Braking System to be implemented in the car that is simple

enough not to require a lot of testing, increases range, maintains consumer acceptability

and ensures safety of its users. All of this will be done while following the rules of the

EcoCAR 2 competition.

To successfully implement the Regenerative Braking System in the EcoCAR 2 vehicle

meeting all of the necessary requirements.

To analyze the results obtained by performing a test drive with the Regenerative Braking

System enabled that focuses on braking events to ensure its correct performance.

An additional objective was added; to create an innovative additional regenerative braking

system, called the Incremental System, based on the accelerator pedal position that presents

with a simpler approach than the similar systems being currently implemented, as it will

simplify most of the variables conventionally used and will eliminate the need of a very

precise mapping of the motor in relation to torque and speed. This system will not be

implemented in the car but its theoretical basis will be set, as well as a justification of why

it is original.

Methodology

This main system will be based on an approach focused on the brake pedal. However, it will not

only concentrate on that, but it will discuss the possibilities of an innovative regenerative braking

system applied to the accelerator pedal. This second system will be different to what the industry

is implementing at the time of writing of this project, however, it will not be implemented, but

developed and analyzed.

The first step in this project will be to decide the inputs and outputs used to achieve the goals. This

will be done by analyzing the signals available and deciding which ones will be critical for the

correct performance of the system and to meet the constraints imposed. Then, a model provided

will be modified and validated, in order to perform various simulations and decide on the best

approach to take when deciding what the relation between the inputs and the outputs should be.

This decision will be made regarding consumer acceptability and safety features.

Being the Regenerative Braking System developed while the car was engineered and improved,

an approach to provide with minimal testing had to be created. This approach did not need any

signal that was not available at the moment at which this system started to be developed, and

therefore, the signals used were not be the ones that would be expected. An example of this is that

the pressure of the fluid in the friction brakes will not be an input for the system that decides the

amount of torque commanded, but the only signals that will be used can be seen in Figure 4 and

are brake pedal position, brake pedal position gradient, speed of the car and the regen enable signal

derived from a finite state machine to guarantee safety features.

Figure 4: Regenerative Braking System

Once the system has been engineered, the results of the implementation of one of the approaches

will be discussed. These results will be compared to those that would have been obtained without

the Regenerative Braking System implemented, and the benefits from the implementation of this

system will be analyzed, along with possible modifications that could potentially improve it or its

consumer acceptability.

Also, there will be a brief energy and power analysis, to justify the implementation of this type of

system as a simpler and easier to develop version of what vehicles all around the world have, with

similar outcomes.

The Incremental System, that can be seen in Figure 5, an innovative regenerative braking system

that derives its performance from the use of the accelerator pedal in a new way, will then be

discussed, along with the differences with the conventional equivalent system being implemented

by the industry.

Figure 5: Incremental System

There will be an analysis of its behavior and treatment of the signals needed to implement this type

of system. The basis upon which this system stands will be set and for the same model used in the

Regenerative Braking System, it will be simulated. The results will be explained and the

characteristics derived from the implementation of this system, such as how it will change the

accelerator pedal use of the driver, will be talked about.

Results

The main Regenerative Braking System was successfully designed and implemented, following a

conservative approach to ensure consumer acceptability and the least amount of testing necessary

to provide with a working system.

The next step was to perform a test drive to provide with means to study the benefits of this system

and compare its performance to that without it enabled. The main studies done focus on power and

energy, and how the range would be hypothetically improved. In Figure 6 a hypothet ica l

comparison between the same test drive data without the regen torque and the power and energy

generated associated to it and the equivalent with RB enabled can be seen. It is clear that

introducing regenerative braking improves energy usage by more than 42% of the total value for

this test drive.

Figure 6: Comparison with and without RB

Conclusion

These systems present with a fresh and new approach to important problems currently being tried

to solve by the automotive industry. The control systems developed in this project provide simple

and easy-to-implement solutions with positive outcomes for variables such as range and energy

consumption.

Moreover, the implemented Regenerative Braking System maintains consumer acceptability and

a positive driver feel while meeting all of the goals posed, and the Incremental System presents

with a possible simpler solution to more complicated procedures.

These systems have the clear benefit of improving the driving range “for free”, while reducing

emissions and creating a more eco-friendly product. The main benefit of the approach

implemented is that even the most conservative drivers could adapt to it without problems, as it

does not change the sensation during braking.

References/ Referencias

Embry-Riddle EcoeEagles. (2014). EcoEagles- About Us: Our Vehicle. Obtenido de EcoEagles: http://www.ecoeagles.org/about_us.html