Cuando se prueba un vehículo híbrido el conductor puede notar que hay una sobre-tensión que ocurre a bajas velocidades (8 – 32 km/h). Los frenos también pueden ser muy sensibles a la fuerza de frenado aplicada por el pie. Aquí es donde el sistema de frenos regenerativos deja de generar electricidad para cargar las baterías y donde los frenos mecánicos entran en acción. Este artículo describe como trabaja el sistema y como los varios componentes del vehículo híbrido trabajan en conjunto para alcanzar la mejor eficiencia.
Masa es la cantidad de materia en un objeto y una de sus propiedades es la inercia. El peso de un objeto es la fuerza de gravedad sobre un objeto y puede ser definido como la masa por la aceleración de la gravedad
Principio de funcionamiento
Un vehículo híbrido recupera energía convirtiendo la energía del movimiento, llamada energía cinética en energía eléctrica. La energía de la batería es aplicada al bobinado del motor eléctrico este bobinado produce una fuerza magnética sobre el rotor del motor, el cual produce torque sobre el eje. Este torque es aplicado a las ruedas mediante el uso de engranes. Cuando las ruedas giran estas aplican una fuerza sobre el suelo y causa el movimiento del vehículo a lo largo de la superficie.
Los frenos estándar son solo dispositivos diseñados para soportar el calor que se aplica a los tambores y rotores que detienen el giro de la rueda. La fricción entre la rueda y el suelo detienen realmente el vehículo sin embargo la energía absorbida por el sistema de frenado se desperdicia y el calor no puede ser almacenado.
Recuperación de energía en un híbrido
En un vehículo híbrido la energía cinética del movimiento puede ser almacenada. La inercia es la energía cinética presente en todo objeto en movimiento. Cuánto mas pesado sea el objeto y más rápido se desplace, mayor será la cantidad de energía y, por lo tanto mayor será la inercia.
Transferencia del par hacia el motor
Una de las ventajas de la mayoría de motores eléctricos es que la energía eléctrica puede ser convertida en energía mecánica y también la energía mecánica puede ser convertida de vuelta en energía eléctrica. A través del uso del motor y controlador del motor, la fuerza en las ruedas transfiere el torque hacia el eje del motor eléctrico. Los imanes en el eje del motor (llamados rotores) pasan por las bobinas eléctricas del estator (la parte estacionaria del motor), dirigiendo el campo magnético de los imanes a través de las bobinas y así produciendo electricidad.
Este electricidad se convierte en energía eléctrica y carga la batería de alto voltaje. Este proceso se llama regeneración.
Ventajas
Se estima que el freno regenerativo puede ser desarrollado para recuperar alrededor de la mitad de la energía gastada durante el frenado. Dependiendo del tipo de vehículo esto puede representar una reducción del 10% al 25% de consumo de combustible.
- Reduce la pérdida de carga de la batería.
- Extiende la vida promedio de la batería.
- Reduce el consumo de combustible.
Tipos de frenos regenerativos
Regeneración en serie
A medida que se pisa más el pedal de freno, el controlador usado para regular el freno regenerativo calcula el torque necesario para ralentizar el vehículo así como ocurre con un frenado normal. Mientras el pedal de freno se pisa aún mas, los frenos de servicio se combinan con los frenos regenerativos para alcanzar el frenado deseado en función de la fuerza del pedal de freno y el recorrido.
La regeneración en serie requiere un manejo activo del freno para alcanzar el frenado total de las cuatro ruedas. Este frenado es mas difícil de alcanzar si el vehículo eléctrico usa solo las ruedas frontales o posteriores para potenciar el vehículo. Esto significa que un eje debe usar solo los frenos base, mientras que el eje de tracción puede ser ralentizado y detenido usando una combinación del freno regenerativo y el freno base.
Todos los frenos regenerativos en serie usan un sistema de freno electrohidraúlico (EHB), el cual incluye una unidad que control que maneja la presión de los cilindros de freno, así como el equilibrio de los frenos del eje delantero y posterior.
La mayoría de vehículos híbridos usan el freno base durante la parada. La cantidad de freno regenerativo comparada con la cantidad de freno base es determinado por el controlador electrónico del freno. Es importante que se use el freno base regularmente para mantener los rotores libres de óxido.
Regeneración en paralelo
Este sistema es menos complicado ya que los frenos base son usados junto con la recuperación de energía convirtiendo los motores en generadores. El control de los frenos regenerativos determina la cantidad de regeneración que puede ser alcanzada basada en la velocidad del vehículo. El equilibrio de los frenos frontales y posteriores se conserva ya que los frenos base están en uso durante toda la etapa de frenado.
La cantidad de energía adquirida por un freno paralelo regenerativo es menor que un sistema en serie. Como resultado el ahorro de combustible es menor.
Limitaciones de los frenos regenerativos
- Solo actúan en las ruedas de tracción.
- El sistema debe ser diseñado para permitir un correcto uso del sistema de anti-bloqueo de frenos.
- Se ordena mantener las baterías a un 60% de carga como máximo, si la batería se carga completamente no existirá espacio para almacenar la energía por lo que se usará únicamente el freno de servicio para detener el vehículo.
Componentes del freno regenerativo
La unidad de control electrónica del ABS es la que se encarga de manejar el freno regenerativo, así como del funcionamiento del ABS. La unidad del ABS envía una señal a la unidad de control del vehículo híbrido sobre cuanta cantidad de regeneración imponer.
El sistema usa sensores que miden la presión de aceite de los cilindros. Algunos sistemas usan un sensor de posición del pedal de freno como señal de entrada para la ECU del ABS.
Si el conductor está pisando levemente el freno la ECU del ABS sabe que es una desaceleración mínima y envía una señal a la ECU del vehículo híbrido para aplicar una cantidad pequeña de regeneración. A medida que aumenta la presión del cilindro también aumenta la cantidad de regeneración que debe ser aplicada.
Existen 4 sensores in el sistema de freno y dos switches de presión. Sin embargo el sensor de presión del cilindro master es el mas importante.
Todos los Toyota Híbridos tienen una posición “B” en el selector de marchas. Esta posición es usada al descender pendientes pronunciadas. Esta posición permite el descenso seguro y controlado sin tener que usar los frenos de servicio, con esto no se desperdicia energía.
Conclusiones
- Todos los objetos que tienen masa cuentan con energía cinética.
- El freno regenerativo captura la mayoría de la energía cinética del vehículo y regresa esta energía a la batería de alta voltaje para ser usada posteriormente.
- Existen 2 tipos de frenos regenerativos los que son en serie y los que son en paralelo.
- Los motores de inducción de corriente alterna y continua sin escobillas son usados en vehículos híbridos eléctricos para propulsar el vehículo.