¿Qué es el frenado regenerativo y por qué no lo usamos?

tl;dr: Lo hacemos. Es caro.

Una de las diferencias entre los motores de energía eléctrica y química es que los sistemas eléctricos hacen que sea mucho más conveniente capturar y retener energía (por ejemplo, una batería). Todo lo que necesita hacer es usar la inducción para crear una corriente eléctrica allí mismo en el volante mientras frena. Apunte esa corriente a esa batería y habrá retenido energía que de otro modo se desperdiciaría.

Con un motor de energía química, es mucho más difícil almacenar el exceso de energía. No podemos usar los frenos para generar más gasolina, por ejemplo. Sin embargo, es posible retener energía cinética en algo como un KERS . Esto utilizará la energía del frenado para hacer girar un volante. Ese volante se puede usar para potencia motriz adicional cuando sea necesario.

Desafortunadamente, las unidades KERS son costosas y requieren un montón de ingeniería adicional (¿cómo, exactamente, vas a hacer que ese volante giratorio empuje el auto hacia adelante?). Tampoco son comunes, por lo que no se benefician de las economías de escala.

Dicho todo esto, funcionan. La Fórmula Uno los ha utilizado con gran eficacia como sistema de refuerzo de adelantamiento. No usaría ese tipo de capacidad en la carretera, pero estaría feliz de experimentar con cualquier cosa que me ayude a obtener más energía de un galón de gasolina.

En respuesta a la pregunta "¿Qué es el frenado regenerativo y por qué no lo usamos?", lo hacemos. Con el frenado normal, los frenos eliminan el impulso hacia adelante del automóvil convirtiéndolos en calor en el disco de freno que luego se disipa y se pierde. Con el frenado regenerativo, en lugar de que el movimiento del automóvil se pierda en la atmósfera en forma de calor, se convierte en energía eléctrica y se almacena en la batería del vehículo.

La gama de automóviles Volkswagen Bluemotion (y estoy bastante seguro de que otros fabricantes hacen esto, pero estoy seguro de que Volkswagen lo hace) tiene un alternador muy sofisticado. Cuando el automóvil detecta que se está desacelerando al aplicar presión a los frenos y el automóvil todavía está en marcha y el embrague está arriba, el alternador entra en un modo en el que extrae significativamente más potencia de la transmisión. Este impulso normalmente provendría del motor, pero en una situación de frenado, se proporciona únicamente a través de la transmisión y funciona efectivamente contra el tren motriz.

Este sistema está instalado en los Volkswagen equipados con Bluemotion de gasolina y diésel. Más información está disponible aquí y aquí

Aprecio que esto no esté en la misma escala que usan los autos de F1, pero es una forma de frenado regenerativo y se usa en las vías públicas hoy en día.

El frenado regenerativo es un sistema que almacena la energía que, en cambio, se perdería por calor en los frenos. Si bien estos sistemas suenan muy bien, vienen con una gran cantidad de sus propios problemas.

1. Incluso antes de entrar en el almacenamiento y la generación de energía, los frenos de servicio reales se vuelven muy complicados. Para que el frenado regenerativo funcione correctamente, los frenos no pueden activarse mientras los frenos regenerativos están haciendo su trabajo. Los frenos regenerativos adicionales solo funcionan a alta velocidad y pierden su eficacia a medida que reduce la velocidad. Esto requiere una transición en la que, a alta velocidad, los frenos regenerativos reducen la velocidad y los frenos normales no y, a medida que reduce la velocidad, los frenos regenerativos hacen cada vez menos y los frenos normales finalmente lo detendrán. El sistema que hace que el pedal del freno se sienta normal mientras que los frenos regulares no hacen nada y luego lo cambia a un frenado regular sin problemas y usted nota que ocurrió un cambio es muy complicado y muy difícil de perfeccionar.
2. El almacenamiento de energía es un gran problema. Todo suena muy bien en los híbridos, basta con cargar las baterías, donde en realidad la cantidad de energía que genera el coche durante una parada es mucho más de lo que las baterías realmente pueden absorber. Si la parada es rápida, el problema se amplifica aún más. Un sistema que mencionó @BobCross es el KERS. Al combinar un motor/generador con el volante, la energía regenerativa adicional que no puede ir directamente a las baterías se usa para hacer girar el volante. Luego, con el tiempo, la energía se convierte en electricidad para cargar las baterías. Estos sistemas son muy pesados ​​y caros. Otro sistema está utilizando supercondensadores. La energía extra se vierte en los súper casquillos. El problema es que cuando la energía se almacena en los capacitores no es muy útil sin acondicionamiento. El voltaje en los capacitores cae muy rápidamente. Si almacena un alto voltaje, entonces se necesita un sistema para reducir el voltaje a algo útil. Si no almacena más voltaje que la batería, entonces se necesita un sistema para aumentar el voltaje hasta algo útil. Los supercondensadores también son bastante caros.

Los autos híbridos y eléctricos tienen sistemas eléctricos incorporados para aprovechar el frenado regenerativo. Todos estos problemas se amplifican aún más con los motores de gasolina puros. Se necesita instalar un nuevo sistema, no se puede aprovechar algo existente, para proporcionar un frenado regenerativo que se suma al gasto. Se vuelve difícil venderle a alguien un sistema que agrega $ 5k al precio de un automóvil que obtiene una mejor economía de combustible en la ciudad pero sufre en la carretera.

Ford está desarrollando un sistema en el que una bomba de desplazamiento positivo carga un acumulador hidráulico cuando te detienes. Al volver a despegar, la presión del fluido se envía de forma inversa a través de la bomba para convertirla en un motor que ayude a arrancar desde una parada. El sistema está diseñado para camiones grandes donde el tamaño del sistema no es demasiado pesado. Además, el sistema es ruidoso y propenso a fugas.

Las locomotoras de ferrocarril diésel-eléctricas utilizan frenado regenerativo, pero lo llaman "frenado dinámico". Además, no almacenan la energía, la expulsan a través de rejillas de resistencias y ventiladores a nivel del techo.

Las locomotoras completamente eléctricas y algunos tranvías generalmente pueden devolver la energía regenerada al cable o al tercer riel; esto es mucho más simple en los sistemas de CC.

Pero los motores de tracción (generalmente uno por eje) son impulsados ​​por el impulso del tren y funcionan como generadores.

El frenado regenerativo solo es realmente útil en automóviles eléctricos o híbridos por la sencilla razón de que tienen una forma de utilizar la energía almacenada. Además, una vez que tiene un motor eléctrico como parte del tren de transmisión, el frenado regenerativo está prácticamente integrado (al menos en términos de hardware), ya que simplemente usa los motores existentes como un generador y desvía la energía generada a la batería para más tarde. usar.

En esencia, no tiene sentido usar el frenado regenerativo en algo que no sea un automóvil híbrido, de hecho, tener frenado regenerativo es una buena definición de un automóvil híbrido.

Si bien no hay ninguna razón por la que no pueda instalar un automóvil convencional con motor IC con un sistema de frenado regenerativo, a menos que vaya a usar esa potencia para conducir el automóvil, entonces realmente no ha logrado mucho ya que está agregando mucho más. peso y complejidad para almacenar energía eléctrica que no puedes usar.

También existe el problema de que en los viajes largos por autopista/autopista es posible que no frene lo suficiente para satisfacer incluso las pequeñas necesidades de los sistemas eléctricos auxiliares (luces, encendido, radio, carga de la batería para el arranque, etc.), por lo que es posible que ni siquiera obtenga el ventaja de no necesitar alternador.

Podemos hacer la siguiente mejor cosa.

800 m (1/2 milla) más adelante, veo una luz que se vuelve amarilla; a 60 mph (100kph) son 30 segundos. Y sé que la luz tiene un ciclo de aproximadamente 35 segundos, más 10 segundos para que la pila de autos detenidos se ponga en movimiento.

He estado aplicando potencia continua para mantener la velocidad. Continuaré haciéndolo durante otros 25 segundos, luego 5 segundos de frenado firme y me detendré. 15 segundos jugando con mi teléfono, luego sigo mi camino.

O... voy a energía inactiva inmediatamente. Mi coche se desliza. Con el motor aún en marcha, mi impulso está empujando (girando) el motor, para lograr un efecto de frenado leve, de modo que los inyectores de combustible se apaguen por completo. Mi velocidad disminuye gradualmente... 55... 50... 45... Un poco de potencia... 40 (65 km/h)... voltear la luz se vuelve verde mientras todavía estoy a 1/8 de milla (200 m) espalda. Los autos detenidos desempacan y calculo exactamente cuándo aplicar energía. Y nunca freno.

En el primer escenario, hay dos intercambios de energía. Primero el combustible solicitado para esos 3/8 de milla (600m) para permanecer en crucero. En segundo lugar, la energía de frenado arrojada en los últimos 1/8 de milla. No solo son casi iguales, son la misma energía . Si estuviéramos haciendo una regeneración adecuada, podríamos leerlos en el amperímetro y derivar los julios reales de entrada y salida.

En el segundo escenario, no hay ninguno. No se gasta combustible y no se pierde energía de frenado. Se logra el efecto del frenado regenerativo, pero sin pérdidas de conversión.

Por supuesto, este es un enfoque educativo en lugar de un enfoque tecnológico, pero funciona. Incluso en un vehículo eléctrico con capacidad de regeneración, sigue funcionando mejor que la regeneración; de hecho, funcionará aún mejor en un vehículo eléctrico porque se obtiene una mejor "marcha a la deriva": no es necesario usar arrastre para hacer girar el motor simplemente para brindar asistencia de frenado y dirección .