El frenado regenerativo y límites de la regeneración

Movilidad Eléctrica: el frenado regenerativo y límites de la regeneración

El freno regenerativo es un dispositivo que permite reducir la velocidad de un vehículo transformando parte de su energía cinética en energía eléctrica. En trenes eléctricos alimenta la fuente de energía del mismo. En vehículos de baterías y vehículos híbridos, la energía se almacena en un banco de baterías o en una batería de condensadores para un uso posterior. El frenado tradicional, basado en la fricción, se sigue usando para completar en el último tramo el frenado a velocidad cero.

La clave de su aplicación es la utilización de la máquina eléctrica que funciona normalmente como motor, en generador  de energía eléctrica. En este caso, la acción de generar energía eléctrica determina un par de oposición al movimiento que se traduce en un efecto de desaceleración del móvil. No todos los tipos de motores eléctricos son óptimos para general energía eléctrica.

Breve explicación del mecanismo de regeneración

Para comprender  el funcionamiento del  freno regenerativo de un coche eléctrico hay que tener en cuenta el siguiente proceso en el que están íntimamente involucrados el motor/generador y el controlador del mismo (inverter).

Cuando el controlador electrónico funciona en modo motor toma la corriente continua de las baterías, la transforma en una onda eléctrica alterna y  alimenta el motor. Esa energía sobre el arrollamiento del estator (elemento fijo) genera un campo magnético que interactúa con el rotor (elemento rotante). De esa manera se genera el movimiento del rotor junto a un par motriz que varían en función  de la fuerza de tracción que requiera el conductor mediante el acelerador que quien le da "ordenes" al inverter.

Cuando el conductor levanta el pie del acelerador, el controlador eléctrico hace que el sistema motor/inverter se pase a modo generador. De esta forma, se deja de enviar electricidad al estator y el campo magnético que "empujaba" al vehículo desaparece.

Pero el rotor sigue girando por la energía cinética remanente del vehículo. Y en ese punto es donde la máquina eléctrica  se convierte en generador.

Si es un motor asincrónico, el inversor tendrá que crear ciertas condiciones eléctricas  para que este pueda ser generador. Si es una máquina  sincrónica de imanes permanentes  es más sencillo porque esta situación de generación es inherente a la misma.

El circuito electrónico, llamado inversor (inverter), transforma  la  electricidad  de  corriente continua (C.C) almacenada en baterías eléctricas en energía de corriente alterna  (C.A)  y  de  igual  forma  en  sentido  opuesto, la energía generada, de  C.A  a C.C. Los inversores disponen de funciones para iniciar y finalizar la actuación de los generadores automáticamente. Es por esto que su aplicación en el sistema de freno regenerativo es imprescindible, además, la capacidad del inversor para procesar distintas  formas  de  energía  de  entrada  lo  convierte  en  una opción   necesaria   en   aplicaciones   de   energía   portátil,   de respaldo  y  sin  conexión  directa  a  la  red  como  en  vehículos  eléctricos.

En el caso del motor de inducción, el inversor debe estar presente para suministrar energía al campo antes de que pueda actuar como generador, por lo que en ausencia de cualquier excitación de campo, el rotor sería solo un trozo de metal que gira. Sin embargo, el motor sincrónico de imanes permanentes siempre producirá un voltaje cuando su eje esté girando, y si su eje gira mucho más rápido de lo que podría dar el voltaje disponible del paquete de baterías, entonces el inversor tiene que ajustar el tiempo de sus corrientes de fase para atenuar parcialmente los efectos del campo permanente (también conocido como debilitamiento de campo). El debilitamiento de campo se usa tanto en modo motor como en modo generador; en el primero, permite que el motor gire más rápido a costa de disminuir el valor de par, mientras que en el segundo evita la destrucción del inversor debido al exceso de corriente generada  que regresa a la batería.

La energía recuperada por  regeneración tiene que pasar por el proceso de conversión completo, de químico a eléctrico, mecánico a vial, dos veces. Las eficiencias típicas para cada paso  en este proceso son 99% para baterías de química de litio, 96-98% para inversores, 80-95% para motores (aunque esto puede ser menor, según el rango de potencia), 95% para diferenciales de engranajes de transmisión mecánica y, finalmente, 85-95% para neumáticos. Incluso tomando los mejores valores de caso para cada cifra, se obtiene una eficiencia general de la batería al pavimento del 83% y una eficiencia de ida y vuelta del 69%; en otras palabras, se regenera una fracción de la energía cinética dado que hay muchos factores que influyen en el proceso.

Existen límites energéticos de regeneración

El par máximo de regeneración es generalmente el mismo que durante la tracción, y aunque este par puede ser impresionante, todavía no se acerca a lo que pueden lograr los frenos mecánicos, por lo que la regeneración no puede sustituir completamente a los frenos mecánicos.

La ecuación para calcular la potencia efectiva de los frenos para desacelerar a velocidad cero una masa dada a una fuerza "g" dada  es  la conocida fórmula de potencia para acelerar un móvil:

P = m * a * v

donde P está en vatios, m es la masa en kg, a es aceleración en m/s2 y v es velocidad en m/s.

Por ejemplo, el Audi e-tron Quattro 2019 (dos motores asíncronos: un motor de 181 hp para el eje delantero y una unidad de 221 hp para el trasero) tiene una masa estimada de 2.400 kg, y debe ser  capaz de frenar a 0.8 g de desaceleración (1 g = 9.81 m/s2); si viaja a 100 km/h (27.78 m/s), eso se traduce en una potencia de frenado de 523 kW.

(Compare este valor con la potencia total de sus motores: 300 kW)

El uso de la regeneración para desacelerar  una velocidad demasiado baja podría no producir suficiente potencia para superar las pérdidas en los componentes eléctricos de la transmisión. Esto llevaría a que la regeneración en realidad disminuye el rango en comparación con el frenado mecánico. Anotar números exactos para estas pérdidas es notoriamente difícil, pero un rango razonable sería de 5 - 20 kW sólo para los componentes eléctricos (mayor para vehículos más pesados / de mayor potencia / menos eficientes). Disminuir la velocidad de  desaceleración, en el ejemplo anterior, a  0.01 g resultaría en ~ 6.5 kW de potencia de  regeneración, pero si las pérdidas eléctricas combinadas son, supongamos, 8 kW, entonces se producirán ~ 1.5 kW de consumo adicional en la batería.

Del mismo modo, una vez que la velocidad se encuentra por debajo de un cierto valor, el sistema de regeneración no devolverá un valor importante de energía, aún si la tasa de desaceleración es alta.

La ecuación de energía cinética:    Ke = 0.5 * m * v2

donde  Ke  está en  joules (o vatios-segundos), m es la masa en kg, y v es velocidad en m/s, muestra que la energía generada disminuye drásticamente al disminuir la velocidad.

Un vehículo de 2400 kg que viaja a 100 km/h tiene 926 kJ (0.26 kW-h) de energía recuperable, pero a 10 km/h se reduce a 0.0026 kW-h, o sea 100 veces menos. Incluso sin pérdidas  que considerar, es solo de 2.6 vatios-hora de energía.

Aunque no existe ningún sistema de recuperación de energía perfecto, el freno regenerativo recupera una gran parte de la energía (valor promedio 30%) que de otro modo se pierde totalmente en forma de calor disipado al medio ambiente y este detalle en la ecuación energética total del vehículo, no es para desestimar.

Ing. Ricardo Berizzo

Cátedra: Movilidad Eléctrica

U.T.N. Regional Rosario                                                                                          2021.-