Controlar la "cantidad" de frenado regenerativo (¿torque inverso variable?)

Tengo una pregunta sobre la que me he estado preguntando durante un tiempo con respecto al frenado regenerativo en vehículos eléctricos.

Si mi comprensión de los motores eléctricos es correcta

En un mundo perfecto sin fricción ni ruido, la cantidad de energía que se pone en un motor debería ser igual a la cantidad de energía que luego se puede tomar del motor. Es decir, si acelera a 60 mph en un vehículo eléctrico y luego quita el pie del acelerador y se detiene por completo, la cantidad de energía generada debería ser la misma que la energía gastada (nuevamente, suponiendo que no haya pérdida en este mundo perfecto).

¿Este concepto funciona igual con el torque? ¿La cantidad máxima de par que puede producir un motor sería igual a la cantidad máxima de par que puede generar el motor?

Si es así, ¿cómo pueden los vehículos eléctricos frenar "más" con la frenada regenerativa? ¿Cuál es el sistema eléctrico que controla cuánta potencia puede generar el motor?

Me imagino que quitar el pie del acelerador por completo sería el máximo par de retroceso y el frenado regenerativo máximo (¡obviamente, poner una carga negativa a través del motor para reducir la velocidad no tiene sentido para el frenado regenerativo!). Y sin embargo, los vehículos eléctricos te permiten frenar más fuerte o más suave, cargando más o menos la batería.

¡Cualquier idea sobre esto es muy apreciada! Esta es una pregunta difícil de formular dado mi conocimiento limitado, por favor pida una aclaración si no he articulado lo suficiente.

Creo que esto se reduce a la conservación de la energía. En este mundo perfecto, si quisieras un efecto de frenado inmediato y aun así recuperar toda tu energía, el par de retorno del motor tendría que ser mucho más alto que el par que pusiste cuando aceleraste lentamente. Este par variable se puede hacer mediante engranajes
También mire cómo funcionan los alternadores en los automóviles. Su campo magnético es producido por la corriente de excitación ; esta corriente se regula hacia arriba y hacia abajo, aumentando o disminuyendo la fuerza del campo magnético, poniendo así más o menos resistencia (torque) en el lado impulsor para entregar la cantidad de energía eléctrica requerida en cada momento independientemente de las RPM, etc.

Respuestas (2)

La cantidad de torque que genera un motor depende de la corriente que fluye a través de él. Controle la corriente y controlará el par.

Puede controlar la corriente al acelerar utilizando su controlador de aceleración estándar.

Cuando se realiza el frenado regenerativo, el controlador que carga la batería a partir de la energía generada por el motor está programado para extraer una corriente pequeña o grande de los motores, generando un par de frenado pequeño o grande.

El par máximo que puede generar un motor depende de la corriente máxima que esté preparado para transmitirlo. Hay varios límites en la corriente del motor. Entre los límites que limitan directamente la corriente está el de no desmagnetizar el motor, arrancar los devanados o romper el eje. Un límite indirecto es la temperatura máxima del motor. Tendrá una corriente nominal continua, que podrá funcionar todo el día sin sobrecalentarse, perdiendo calor continuamente por su ventilación. Esta corriente será un orden de magnitud menor que los otros límites directos, por lo que puede funcionar a más de eso durante un tiempo limitado. Por ejemplo, podría funcionar a +50 % continuo durante unos minutos, +100 % durante un minuto, absorbiendo el exceso de calor elevando la temperatura del motor.

No sé si los sistemas disponibles comercialmente hacen uso de esto, pero si yo fuera un diseñador de automóviles eléctricos, ciertamente lo haría. Cuando se conduce, especialmente si se sube una colina, no existe un límite de tiempo necesario, por lo que debe limitarse a la corriente nominal continua del motor. Al frenar, sabemos la cantidad máxima de energía que vamos a tener que manejar, por lo que podemos permitirnos operar el motor en una sobrecarga de tiempo limitado y detenernos con una potencia superior a la que usaríamos para motor.

La forma en que 'quitar el pie del acelerador' está programado para controlar el vehículo es simplemente un problema de software/usabilidad, funcionará sin importar cómo haya sido programado para funcionar. Como conductor, preferiría que el pie fuera del acelerador equivaliera a no aplicar potencia, no aplicar frenado, lo que algunas personas llaman inercia. La presión sobre el pedal del freno debe controlar el par de frenado, de modo que se conduzca como lo hacen todos los demás vehículos. Obviamente, habría una seguridad significativa y una ingeniería UX para determinar exactamente cómo el pedal del freno se vinculó mecánicamente a los frenos de fricción y controló los frenos de regeneración, pero eso no cambia la física del motor y su control actual.

Pero la presión sobre el pedal del freno controla los frenos reales, por lo que su sugerencia pierde el frenado regenerativo, a menos que implemente un pedal de freno de etapas múltiples ... Además, el pie del acelerador en un automóvil común no está rodando, es desaceleración (también conocido como frenado del motor) la conducción por inercia es desengranarla.
@SolarMike La presión sobre el pedal del freno es lo que el diseñador del vehículo pretenda que sea. Si tuviera un vehículo con frenado regenerativo, esperaría que tuviera un pedal de freno inteligente. Entonces, la presión se asignaría a la fuerza de desaceleración, con un sistema activo para 'no aplicar' los frenos de fricción hasta que el frenado solicitado exceda la regeneración que podría aplicarse. De esa manera, si fallara el sistema activo, se aplicarían los frenos de fricción, no me gusta la idea de depender de un sistema activo para detener el automóvil. Obviamente, hay mucha ingeniería de seguridad para entrar en eso.
No sé sobre su automóvil, pero tengo que cambiar hacia abajo para obtener un frenado de motor significativo en el mío. Cualquiera que sea la aceleración real sin el acelerador en la marcha más alta, es un orden de magnitud diferente del acelerador a fondo o el frenado suave, por lo que lo llamo inercia. Modificaré la respuesta para abordar la pedantería.
Conduje un automóvil eléctrico y soltar el acelerador provocó la regeneración: usar los frenos era la opción de fricción. En cuanto a mi automóvil actual, hay suficiente frenado con motor en sexta para reducir la velocidad suavemente para los cambios de tráfico: un frenado más fuerte requiere el uso de los frenos.
@SolarMike En primera instancia, no compraría un automóvil eléctrico que condujera así. Eventualmente, si eso es todo lo que ofrece el mercado, supongo que tendré que acostumbrarme a la idea, refunfuñando con resentimiento. Supongo que significa que tienes que mantener el pie en el pedal fuerte cuando quieres avanzar. Cuando he activado el crucero, quito el pie de todos modos, por lo que no es como un mango de hombre muerto. Siempre hay desaceleración sin acelerador, solo es decidir cómo llamar a las magnitudes. Nadie se pone en punto muerto para ir a la costa, pero con la electricidad puedes acercarte a ese efecto de forma segura.
Trabajé en un sistema ferroviario suburbano de tracción de 1500 V CC que usaba frenado regenerativo. Al entrar en regeneración, el voltaje de la línea aérea aumentaría y podría sentir una ráfaga de calor de los calentadores de 1500 V debajo del asiento si el termostato estaba cerrado en ese momento. Cuando se desaceleró a unos 30 kph, los motores de CC se cambiaron a "campo débil" para obtener más regeneración y cuando esto ya no era efectivo, los frenos de aire se mezclaron. Si el voltaje de la línea era demasiado alto (nada más consumía energía) los frenos de aire mezclado antes.
Gracias por la respuesta @Neil_UK Una cosa que dijiste en particular me interesó. "el controlador que carga la batería a partir de la energía generada por el motor está programado para extraer una corriente pequeña o grande de los motores, generando un par de frenado pequeño o grande" Eléctricamente hablando, ¿cómo hace esto el controlador?
@Transistor, ¿podría dar más detalles sobre los motores de CC que se cambiaron a "campo débil" para obtener más regeneración? ¿Esto aumenta la resistencia física del eje del motor para generar más potencia y aplicar una mayor fuerza de frenado?
@SamCharles: Hmmm, esto fue hace > 25 años y mi recuerdo anterior era defectuoso. Al comenzar desde la parada, los motores con devanado en derivación se cambiaron a la corriente de campo completa para una aceleración máxima. A medida que los motores aceleraban, su EMF posterior aumentaba hasta el punto en que se reducía la corriente del inducido. Al cambiar a "campo débil" (al reducir la corriente de campo), la EMF trasera cayó y el motor extrajo más corriente y se incrementó la aceleración. La regeneración fue lo opuesto a esto y la corriente de campo debe haber aumentado a baja velocidad para generar un voltaje más alto. Enlace debajo.
@SamCharles La mayoría de los dispositivos SMPS pequeños y grandes operan un bucle interno con los interruptores y el inductor en modo actual. Esto hace que sea particularmente fácil hacer que el controlador consuma o suministre una corriente específica. Cuando el controlador tiene que entregar un voltaje constante, esto se hace usando el lazo de control de voltaje para configurar el lazo de corriente interno, en lugar de cambiar los tiempos de conmutación directamente. Vaya a cualquiera de los sitios de los principales proveedores (Texas, Analog, Linear, Maxim) y mire las notas y hojas de datos de la aplicación del controlador SMPS, está buscando el "control de modo actual".

Tu comprensión del poder es incorrecta. La energía se almacena dentro de una masa en movimiento, no el poder. La potencia es energía dividida por el tiempo. Por lo tanto, puede desacelerar rápidamente (alta potencia) o lentamente (baja potencia).

Tomemos un ejemplo simple: un tranvía de los años 20. Uno de los arreglos más sencillos de conducción eléctrica. Tiene un motor DC en serie y unas resistencias en la parte superior del techo para el frenado.

Digamos que tenemos una energía de 50kWs almacenada en la masa en movimiento del automóvil. Los frenos resistivos pueden soportar hasta 10kW sin sobrecalentarse. Entonces, usando el freno eléctrico a máxima potencia, deberíamos poder detener el automóvil en cinco segundos. Está bien, pero: ¿podemos emplear eso?

La potencia mecánica es el par multiplicado por la velocidad de accionamiento

PAG ∼ METRO ⋅ norte

pero ¿cuál es la relación par/velocidad? Afortunadamente, la conducción de un tranvía de la década de 1920 tiene una característica de par/velocidad que es aproximadamente una curva hiperbólica.

METRO ∼ 1 norte

El par es muy alto a velocidades bajas y bajo a velocidades más altas. Esto es muy práctico tanto para acelerar como para frenar. Entonces, la potencia a la que podemos frenar es

PAG ∼ 1 norte ⋅ norte = 1

Entonces, sí: podemos frenar el tranvía con potencia constante, mientras que el par es el inverso de la velocidad momentánea de conducción. Y eso es cierto para cualquier poder. Lo único que hacemos al cambiar la resistencia de frenado es escalar la curva de desaceleración.

Para otra unidad, primero tenía que observar la característica M/n y luego deducir la relación entre la potencia y la velocidad a partir de eso. Pero esta curva es muy común en los vehículos eléctricos porque es muy favorable, lo que permite aprovechar al máximo la potencia nominal del equipo a todas las velocidades.

Correcto, esto tiene sentido, gracias por la aclaración del poder. La energía es definitivamente lo que debería haber usado. Sin embargo, lo que me interesa es cómo el motor eléctrico (mientras actúa como generador) puede cambiar la resistencia de frenado y generar más potencia.
Usé el ejemplo del tranvía porque es muy simple. Para cambiar la potencia de frenado, debe ajustar la potencia eléctrica. Y eso lo puedes hacer ajustando la resistencia en el techo. Cuanto menor es la resistencia, más energía se convierte en calor. Esto se hace con el enorme interruptor frente al conductor. Tiene una serie de configuraciones de "conducción", que no importan aquí, y dos o tres configuraciones de "freno". Estos cambian la disposición en serie/paralelo de las resistencias a los terminales del motor/generador.
El frenado generativo tiene otro obstáculo. El voltaje proveniente de un generador no es constante sino una función de la velocidad. Por lo tanto, debe usar un mecanismo para ajustar este voltaje (debe ser más alto que el voltaje de la red/batería). Esto se puede hacer, por ejemplo, conectando el devanado de campo a algún regulador en lugar de ponerlo en serie; el inconveniente de este enfoque es que dobla la característica M/n. Una idea moderna es usar la electrónica para aumentar el voltaje de salida a bajas velocidades.
Controlar la "cantidad" de frenado regenerativo (¿torque inverso variable?)
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