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

Sé que muchos autos eléctricos usan el frenado regenerativo para permitir que el auto sea más eficiente al convertir lo que de otra forma se perdería energía térmica en una forma de energía más útil y reutilizable.

Seguramente, debe haber alguna forma de diseñar un nuevo diseño de freno que permita el uso de esta tecnología en un automóvil más convencional que funcione con un motor de combustión interna normal.

Lo que no entiendo es:

• ¿Qué es exactamente el frenado regenerativo?
• ¿Por qué solo podemos usar el frenado regenerativo en autos eléctricos e híbridos?
• ¿Hay alguna razón por la que no podamos usar esta inteligente tecnología de frenado para aumentar la potencia del cigüeñal o reducir el consumo de combustible?

Fuente de la imagen: http://sjam4uphysics.pbworks.com/w/page/38936885/Regenerative%20Braking

tl; dr: lo hacemos. Es solo 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 la rueda mientras frena. Apunte esa corriente a esa batería y habrá retenido energía que de otra forma 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 usará la energía en el frenado para hacer girar un volante. Ese volante se puede utilizar para potencia motriz adicional cuando sea necesario.

Desafortunadamente, las unidades KERS son caras y requieren un montón de ingeniería adicional (¿cómo, exactamente, vas a conseguir que el volante gire para empujar el automóvil hacia adelante?). Tampoco son comunes, por lo que no se benefician de las economías de escala.

Todo lo dicho, ellos trabajan. La Fórmula Uno los ha usado con gran efecto como un sistema de impulso pasajero. No usaría ese tipo de capacidad en el camino, pero estaría feliz de experimentar con cualquier cosa que me ayude a obtener más empuje 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 al convertirlos en calor en el disco de freno y posteriormente se disipa y se pierde. Con el frenado regenerativo, en lugar de perder el movimiento del automóvil en la atmósfera como 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 sí) tiene un alternador muy sofisticado. Cuando el automóvil detecta que se está desacelerando debido a la presión aplicada a los frenos y el automóvil todavía está en marcha y ese embrague está activado, el alternador pasa a un modo en el que obtiene significativamente más potencia del accionamiento. Este accionamiento normalmente vendría del motor, pero en una situación de frenado, se proporciona únicamente a través de la transmisión y funciona eficazmente contra la transmisión.

Este sistema está instalado en Volkswagens equipados con Bluemotion a gasolina y diesel. 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 actualmente en las vías públicas.

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

1. Incluso antes de ingresar al 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 lo suyo. Los frenos regenerativos adicionales solo funcionan a alta velocidad y pierden su efectividad a medida que disminuye la velocidad. Esto requiere una transición en la que a alta velocidad los frenos regenerativos lo desaceleren y los frenos normales no lo hagan, y a medida que disminuya la velocidad, los frenos regenerativos hacen cada vez menos y los frenos regulares finalmente lo detendrán. El sistema que hace que el pedal del freno se sienta normal, mientras que los frenos normales no hacen nada y luego hace la transición a un frenado regular sin problemas al notar que se produjo 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, solo cargue las baterías, donde en realidad la cantidad de energía que genera el automóvil durante una parada es mucho más de lo que las baterías pueden absorber. Si la parada es rápida, el problema se amplifica aún más. Un sistema que @BobCross mencionó es el KERS. Al combinar un motor / generador en 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 super condensadores. La energía extra se vierte en las súper gorras. El problema es que cuando la energía se almacena en los condensadores no es súper útil sin acondicionamiento. El voltaje en los condensadores cae muy rápidamente. Si se 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 a algo útil. Los supercondensadores también son bastante caros.

Los híbridos y los automóviles eléctricos han incorporado sistemas eléctricos para aprovechar el frenado regenerativo. Todos estos problemas se amplifican aún más con motores de gasolina rectos. Es necesario instalar un nuevo sistema, no puede aprovechar algo existente, para proporcionar un frenado regenerativo que se suma al gasto. Se hace difícil vender a alguien en 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 se detiene. Al despegar nuevamente, la presión del fluido que se envía se invierte a través de la bomba para convertirla en un motor para ayudar a comenzar desde una parada. El sistema está diseñado para camiones grandes donde el tamaño del sistema no es una carga excesiva. Además, el sistema es ruidoso y propenso a fugas.

Las locomotoras ferroviarias diesel-eléctricas usan frenado regenerativo, pero lo llaman "frenado dinámico". Además, no almacenan la energía, la expulsan a través de rejillas de resistencia y ventiladores a nivel del techo.

Las locomotoras eléctricas completas y algunos tranvías generalmente pueden devolver la energía regenerada al cable o al tercer riel; Esto es mucho más simple en los sistemas DC.

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 aprovechar la energía almacenada. Además, una vez que tenga un motor eléctrico como parte del tren de transmisión, el frenado regenerativo está prácticamente incorporado (al menos en términos de hardware), ya que simplemente usa el motor (s) existente y un generador y desvía la energía generada a la batería para más adelante utilizar.

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

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

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

Podemos hacer la siguiente mejor cosa.

1/2 milla (800m) adelante, veo una luz que se vuelve amarilla; a 60 mph (100 km / h) que 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 mueva.

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 estoy en camino.

O ... voy al ralentí de inmediato. Mi auto está en la costa. Con el motor todavía en marcha, mi impulso está empujando (girando) el motor, para un ligero efecto de frenado, por lo que los inyectores de combustible se apagan 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 aplicado para esos 3/8 de milla (600m) para permanecer en crucero. En segundo lugar, la energía de frenado se derramó en los últimos 1/8 de milla. No solo son casi iguales, son la misma energía . Si estuviéramos haciendo una regeneración adecuada, podríamos leerlos desde el amperímetro y derivar los julios reales de adentro hacia afuera.

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

De acuerdo, este es un enfoque educativo en lugar de un enfoque tecnológico, pero funciona. Incluso en un EV capaz de regenerar, todavía funciona mejor que la regeneración; de hecho, funcionará aún mejor en un EV porque obtienes una mejor "costa", no es necesario usar el arrastre para hacer girar el motor simplemente para proporcionar asistencia de frenado y dirección .