Freno regenerativo

Freno regenerativo

Un freno regenerativo o kers es un dispositivo que permite reducir la velocidad de un vehículo transformando parte de su energía cinética en energía eléctrica. Esta energía eléctrica es almacenada para un uso futuro.

El freno regenerativo en trenes eléctricos alimenta la fuente de energía del mismo. En vehículos de baterías y vehículos híbridos, la energía es almacenada en un banco de baterías o un banco de condensadores para un uso posterior.

El freno regenerativo es un tipo de freno dinámico. Otro tipo de freno dinámico es el freno reostático, mediante el cual la energía eléctrica generada en la frenada es disipada en forma de calor.

El frenado tradicional, basado en la fricción, sigue siendo usado junto con el regenerativo por las siguientes razones:

  • El frenado regenerativo reduce de manera efectiva la velocidad a niveles bajos
  • La cantidad de energía a disipar está limitada a la capacidad de absorción de ésta por parte del sistema de energía, o el estado de carga de las baterías o los condensadores. Un efecto no regenerativo puede ocurrir si otro vehículo conectado a la red suministradora de energía no la consume o si las baterías o condensadores están cargados completamente. Por esta razón es necesario contar con un freno reostático que absorba el exceso de energía.

Contenido

El motor como freno

Los frenos regenerativos se basan en el principio de que un motor eléctrico puede ser utilizado como generador. El motor eléctrico de tracción es reconectado como generador durante el frenado y las terminales de alimentación se convierten en suministradoras de energía la cual se conduce hacia una carga eléctrica, es esta carga, la que provee el efecto de frenado.

Un ejemplo temprano de este sistema fue el freno regenerativo desarrollado en 1967 para el vehículo Amitron de American Motors Corporation (AMC) y Gulton Industries. Este vehículo era accionado completamente por baterías en fase prototipo que eran recargadas por frenado regenerativo, lo que incrementaba el rendimiento del automóvil.

Funcionamiento en un tren eléctrico

Durante el frenado, las conexiones del motor de tracción son modificadas, mediante un dispositivo electrónico, para que funcione como un generador eléctrico. Por ejemplo, los motores de corriente continua brushless (del inglés, sin escobillas), cuentan, normalmente, con sensores de efecto Hall para determinar la posición del rotor del motor, lo que permite tener información del vehículo y calcular cómo se ha de frenar la corriente generada en el motor hacia los sistemas de almacenamiento, que pueden ser baterías o supercondensadores.

Los campos del motor se conectan al motor principal de tracción y las armaduras del motor se conectan a la carga. El motor de tracción excita los campos, las ruedas del vehículo, ya sea un automóvil, un trolebús, o una locomotora, al girar, mueven las armaduras, y los motores actúan como generadores. Cuando los motores funcionan como generadores, la corriente generada en ellos se puede hacer pasar a través de resistencias eléctricas, lo que daría lugar a un frenado reostático. Si se envía a la línea de suministro, en el caso de un trole, o una locomotora, o a las baterías o un supercondensador, en el caso de un vehículo autónomo e independiente de una línea de corriente, se estaría hablando de frenado regenerativo.

Si el movimiento del vehículo es decelerado, el flujo de corriente a través de la armadura del motor durante ese frenado debe de ser contrario al que se utiliza para accionar al motor.

El esfuerzo de frenado es proporcional al producto de la fuerza magnética de las líneas de campo multiplicado por la velocidad angular de la armadura.

Comparación entre freno reostático y regenerativo

Artículo principal: Freno dinámico

Los frenos reostáticos, a diferencia de los regenerativos, disipan la energía eléctrica en forma de calor al hacer circular la corriente generada durante el frenado, a través de enormes bancos de resistores variables o reostatos. Los frenos reostáticos son utilizados en carretillas elevadoras y trolebuses, además de las locomotoras eléctricas y diésel.

El calor generado por los resistores puede servir para calentar el interior del vehículo. Si el calor es disipado al exterior, se hace a través de capuchas enormes diseñadas para albergar los bancos de resistores.

La principal desventaja de los frenos regenerativos comparados con los reostáticos es la necesidad de igualar la corriente generada con la suministrada. Con las fuentes de corriente continua, esto requiere que el voltaje sea controlado estrictamente. Solamente con el desarrollo de la electrónica esto fue posible utilizar fuentes de corriente alterna, pues la frecuencia del suministro también debe ser igualada.

Un número limitado de ferrocarriles de montaña han usado corriente trifásica para accionar motores trifásicos de inducción. Esto redunda en una velocidad casi constante mientras el motor funciona con la frecuencia necesaria al avanzar o al frenar.

Uso en el automovilismo (KERS)

Descripción

El dispositivo denominado KERS (Kinetic Energy Recovery System, sistema de recuperación de energía cinética) entró en vigor en 2009 en la competición de Fórmula 1. Además de abaratar los costos, el objetivo de este dispositivo es aumentar la facilidad y el número de adelantamientos, que con el avance de la aerodinámica han ido disminuyendo. Ha sido diseñado y desarrollado por Xtrac, Torotrack y Flybrid System con las especificaciones impuestas por la FIA y la UE.

Este componente funciona obteniendo la energía que se disiparía en forma de calor en las frenadas, acumulándola en un volante de inercia. La idea es que esa energía almacenada otorgará una potencia extra de 60 kW (unos 81 CV / 80 HP) durante aproximadamente 6,67 segundos en la fase de aceleración tras la frenada. Sin embargo, es posible que la importancia del KERS vaya en aumento con los años, llegándose incluso a los 270 CV durante 8 s con los motores limitados a 400 CV que en principio llegarán en la próxima década.

Las escuderías podrán elegir entre tres opciones para diseñar el dispositivo: un sistema mecánico, un sistema eléctrico (similar a una batería inercial), o un sistema neumático. En principio la mayoría de equipos utilizarán la versión mecánica, ya que es más eficiente y compacta. Sin embargo, es posible que algún equipo se decante por la eléctrica ya que, aunque es menos eficiente porque debe convertir la energía mecánica en eléctrica y viceversa, tiene la ventaja de que puede colocarse en cualquier lugar del monoplaza (no como el mecánico que ha de estar cerca de la trasmisión).

Incidentes

El desarrollo del KERS ha estado rodeado de problemas. Algunos equipos se opusieron a que se implementara en 2009, alegando problemas en el desarrollo y asegurando que retrasando su salida al 2010 se reducirían costes. Además, un mecánico de BMW resultó herido por una descarga eléctrica mientras manipulaba un monoplaza que contenía el dispositivo en cuestión y la fábrica de Red Bull Racing hubo de ser evacuada por problemas de sobrecalentamiento con el KERS.[1] Los equipos convocaron una reunión en Hungría en la que se pretendía retrasar su implantación hasta 2010; sin embargo, no se llegó a tal acuerdo. No todos los equipos tuvieron listo el dispositivo para el inicio de la temporada, y algunas escuderías anunciaron que no lo utilizarían en toda la temporada.

Desarrollo del KERS

Actualmente se está implementando en los monoplazas, en los finalizados test en el Circuito de Montmeló, los primeros en implementar con relativo éxito este nuevo dispositivo ha sido la escudería BMW, que por otro lado contrarresta con la preocupación de sus dos pilotos, Nick Heidfeld y Robert Kubica, que se encuentran entre los pilotos con más peso de la Fórmula 1. Esta preocupación viene dada a que el peso reglamentario de los coches sigue siendo el mismo por lo que los pilotos que tengan mayor peso tienen menor lastre a repartir en el coche.

La escudería Toyota empezó la temporada en el Gran Premio de Melbourne sin el sistema KERS.[2]

Ferrari presentó su modelo F60 el 12/01/2009 con el sistema KERS incorporado y lo utilizó en el Gran Premio de Australia en Melbourne.[3]

Renault fue el primer equipo en confirmar que usaría el sistema KERS en el Gran Premio de Australia la semana del 06/04/2009.[4]

Aplicaciones a los coches de calle

Si resulta ser un éxito, el KERS podría ser implementado en los coches de calle, evidentemente no de la misma forma que en un Fórmula 1, sino usando continuamente la energía obtenida de las frenadas para reducir el consumo de combustible, de lo que se deduce que el KERS es un dispositivo ecológico.

  • La empresa Toyota, desde 2010, comercializa el modelo "Auris Híbrido HSD" que entre otras mejoras implementa la del freno regenerativo.
  • La empresa BMW, desde 2007 comercializa algunos modelos de serie con motorizaciones diésel y gasolina bajo la denominación Efficient Dynamics que entre otras mejoras incorpora un sistema que aprovecha la energía de frenado "Brake Energy Regeneration". Este sistema, de momento se utiliza para recargar la batería del vehículo sin necesidad de utilizar constantemente un alternador que mantenga la batería cargada, así ahorra combustible o gana potencia, según se mire.
  • También la empresa Volvo hizo publico en 2011 sus resultados en el desarrollo de un sistema KERS propio de cara a implementarlo en sus vehículos de calle.[5]

KERS en Fórmula 1

Las ventajas del dispositivo KERS en Fórmula 1 son bastante discutibles puesto que aunque aporta algo de potencia extra durante unos pocos segundos, penaliza los tiempos por el peso del propio dispositivo, la mayor parte de las escuderías que poseen este sistema en sus monoplazas deciden si lo utilizan o no dependiendo del tipo de circuito, ya que lo que en algunos circuitos es favorable en otros penaliza más de lo que aporta. En general en los circuitos rápidos y con rectas largas Monza, Hungaroring es mejor llevar KERS y en los más lentos y sin grandes rectas Mónaco, Singapur es más favorable no llevarlo.

El 26 de julio de 2009 gana por primera vez un vehículo equipado con KERS una carrera de Fórmula 1. El vehículo de la escudería McLaren-Mercedes y pilotado por Lewis Hamilton se impuso en el circuito de Hungaroring en Hungría

El 23 de agosto de 2009 el GP de Europa realizado en el Circuito urbano de Valencia el KERS volvió a dar de qué hablar, ya que pese a que el coche ganador no llevaba esta tecnología, el Segundo y Tercer Puesto llevaban KERS, lo que pudo ser la segunda victoria del KERS fue obstaculizada por un error en el Pitlane de la escudería McLaren-Mercedes donde fue retrasado el coche de Lewis Hamilton y fue adelantado por el Brawn GP de Rubens Barrichello.

El 30 de agosto de 2009 en el GP de Bélgica realizado en Spa-Francorchamps los monoplazas que aún mantienen el KERS han avanzado mucho, respecto a principios de temporada, adjudicándose por segunda ocasión un monoplaza con KERS la victoria; esta vez fue el Ferrari de Kimi Räikkönen, el cual admitió que tanto en la salida (donde ganó 4 posiciones), y luego de una bandera amarilla, atacó en las primeras 3 curvas y en la salida de Eau Rouge Utilizando KERS logró colocarse en la primera posición, y pese a que el Force India de Giancarlo Fisichella era más veloz pudo defender la posición hasta el final gracias a la utilización del KERS en las rectas y en la salida de curvas más lentas dicho así por el mismo piloto. [cita requerida]

Durante la temporada 2010 las escuderías acordaron no utilizar el sistema. En la presente temporada 2011, los monoplazas vuelven a incorporarlo.

KERS en la IndyCar 2012

La serie IndyCar Series planea utilizar un sistema similar al KERS de la Fórmula uno en compensación a la potenciación de los próximos motores de cara a la temporada 2012.

Véase también

Referencias

  1. Mecánico de BMW-Sauber recibe una descarga eléctrica del KERS, thef1.com (22-7-2008). Consultado el 7-11-2008.
  2. «Toyota comenzará el Mundial 2009 sin el KERS». es.f1-live.com (3-11-2008).
  3. Ferrari sí utilizará el KERS en Melbourne. Eurosport (23-3-2009). Consultado el 23 de marzo de 2009.
  4. Renault confirma el KERS para Australia, El Mundo (19-3-2009). Consultado el 23 de marzo de 2009.
  5. http://www.elmundo.es/elmundomotor/2011/05/27/conductores/1306489526.html
  • Tipos de K. E. R. S. de la F1
  • Time Magazine, Business Section, Next: the Voltswagon?, December 22, 1967
  • "2009 Technical Regulations Released by FIA", FIA, 2006-12-22. Visto 22 diciembre de 2006
  • EVWorld article: Formula One: 'Braking' New Ground

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