Hispanopedia Wiki
La tecnología de frenado electrónico en la industria automotriz es la capacidad de controlar los frenos por medios electrónicos, sin una conexión mecánica que transfiera la fuerza al sistema de frenado físico desde un dispositivo de entrada del conductor, como un pedal o una palanca . [ 1 ]
Los tres tipos principales de sistemas de frenado por cable son: frenos de estacionamiento electrónicos , que desde principios del siglo XXI se han vuelto más comunes; frenos electrohidráulicos (EHB), que pueden implementarse junto con los frenos hidráulicos tradicionales y que, a partir de 2020, se han utilizado a pequeña escala en la industria automotriz; y frenos electromecánicos (EMB), que no utilizan fluido hidráulico y que, a partir de 2020, aún no se han introducido con éxito en vehículos de producción. [ 1 ]
Los sistemas de frenado electrohidráulicos controlan o aumentan la presión aplicada a las bombas hidráulicas mediante el pedal del freno . La seguridad exige que el sistema siga funcionando en caso de un corte de energía o una falla de software o hardware electrónico. Tradicionalmente, esto se ha logrado mediante una conexión mecánica entre el pedal del freno y el cilindro maestro del freno. Con una conexión mecánica, el sistema de frenado sigue funcionando hidráulicamente a través del pedal, independientemente de si hay o no control eléctrico. [ 2 ] Los EHB se pueden implementar mediante cableado, sin sistemas hidráulicos ni conexiones mecánicas heredadas. En tal caso, se implementa la redundancia operativa , lo que permite que el vehículo frene incluso si falla alguno de los sistemas de frenado. [ 1 ]
Los frenos electromecánicos ofrecen la ventaja de un menor volumen y peso del sistema de frenado, menor mantenimiento, mayor compatibilidad con los sistemas de control de seguridad activa y ausencia de líquido de frenado tóxico. Sus novedosos métodos de accionamiento, como los frenos de cuña, han impedido, hasta 2020, su introducción exitosa en vehículos de producción. [ 1 ]
Dado que los sistemas de control electrónico no tienen enlaces mecánicos que proporcionen control manual sobre los frenos, requieren redundancia operativa ante fallos según lo especificado por el nivel D de la norma ISO 26262. [ 3 ] Se requieren fuentes de alimentación, sensores y redes de comunicación redundantes . [ 1 ]
Implementaciones
Predominio
Algunas tecnologías de control electrónico (x-by-wire) ya se han instalado en vehículos comerciales, como la dirección y el acelerador electrónicos. La tecnología de frenado electrónico (brake-by-wire) se ha comercializado ampliamente con la introducción de los vehículos eléctricos de batería y los vehículos híbridos. La aplicación más utilizada por Toyota en el Prius, de gran volumen de ventas, fue precedida por el GM EV1, el Rav4 EV y otros vehículos eléctricos donde la tecnología es necesaria para el frenado regenerativo . Ford, General Motors y la mayoría de los demás fabricantes utilizan el mismo diseño general, con la excepción de Honda, que diseñó uno notablemente diferente.
El sistema de frenado electrónico (brake-by-wire) se utiliza en la mayoría de los vehículos híbridos y eléctricos fabricados desde 1998, incluyendo todos los modelos eléctricos e híbridos de Toyota, Ford y General Motors. El Toyota Synergy Drive y el Rav4 EV emplean un sistema en el que un actuador ABS (sistema antibloqueo de frenos) modificado se acopla a un cilindro maestro de freno hidráulico especial para crear un sistema hidráulico, conectado a la unidad de control de frenos (computadora). El sistema de Ford es prácticamente idéntico al de Toyota, mientras que el de General Motors utiliza una nomenclatura diferente para los componentes, aunque su funcionamiento es prácticamente idéntico.
Frenos electrohidráulicos
La fuerza hidráulica generada al presionar el pedal del freno se utiliza únicamente como señal de entrada para la computadora, a menos que ocurra una falla catastrófica, como la pérdida de la alimentación eléctrica de 12 voltios. El actuador del freno cuenta con una bomba eléctrica que proporciona la presión hidráulica al sistema y válvulas para presurizar cada pinza de freno y aplicar el freno de fricción cuando el sistema lo requiera.
El sistema incluye toda la complejidad de un sistema de control de estabilidad del vehículo (VSC), un sistema de frenos antibloqueo (ABS) y la necesidad de utilizar el frenado regenerativo como modo principal de desaceleración del vehículo, a menos que el estado de carga de la batería de tracción (batería de alto voltaje) sea demasiado alto para aceptar la energía adicional o que el sistema detecte una parada de emergencia o una situación de ABS.
Los sensores que se monitorizan como datos de entrada para el sistema de frenado incluyen los sensores de velocidad de las ruedas, el estado de carga de la batería de tracción, el sensor de guiñada, el sensor de recorrido del pedal de freno, el ángulo del volante, la presión del actuador hidráulico, las presiones hidráulicas de cada circuito de la pinza de freno y la posición del acelerador. También se monitoriza otra información y otros datos de entrada.
El funcionamiento estándar o típico es el siguiente:
- El conductor del vehículo presiona el pedal del freno.
- El cilindro maestro convierte el movimiento del pedal de freno en presión hidráulica.
- El sensor de recorrido mide el movimiento del pedal para identificar una condición de "parada de pánico".
- El transductor de presión proporciona la fuerza de frenado deseada.
- La unidad de control de frenos (ordenador) detecta las señales de entrada y, a continuación, comprueba los sensores de velocidad de las ruedas para determinar la velocidad del vehículo y si el bloqueo de una rueda requiere la activación del algoritmo ABS.
- A continuación, el sistema de control de frenos comprueba el sensor de guiñada, el ángulo del volante y el estado de carga de la batería de tracción.
- Si la velocidad del vehículo supera los 11 km/h (7 mph), el generador del motor de tracción se utiliza para convertir la energía cinética en energía eléctrica y la almacena en la batería. Esto reduce la velocidad del vehículo.
- Si el operador (conductor) presiona el pedal del freno con más fuerza, el sistema aplicará frenos de fricción hidráulicos para aumentar la fuerza de frenado.
- Una vez que la velocidad del vehículo desciende por debajo de aproximadamente 7 MPH, el sistema de frenos hidráulicos toma el control por completo, ya que el frenado regenerativo no funciona de manera efectiva.
- Si el sensor de guiñada detecta guiñada del vehículo, el sistema iniciará los algoritmos y procesos de estabilidad del vehículo (VSC).
- Si los sensores de velocidad de las ruedas detectan que una rueda se bloquea, el sistema activará el algoritmo antibloqueo (ABS).
EBS
El sistema de frenado electrónico ( EBS ) se utiliza en vehículos comerciales pesados . Este sistema activa electrónicamente todos los componentes del sistema de frenado, incluyendo el retardador y el freno motor . El EBS también es compatible con remolques y se comunica entre el vehículo tractor y el remolque mediante el protocolo ISO 11992. La comunicación entre el remolque y el vehículo tractor se realiza a través de un conector específico para ABS/EBS, siguiendo la norma ISO 7638-1 para sistemas de 24 V o la ISO 7638-2 para sistemas de 12 V.
El sistema EBS sigue dependiendo del aire comprimido para el frenado y solo controla el aire a través de válvulas, lo que significa que no depende de los voltajes más altos utilizados por los sistemas de frenado electromecánicos o electrohidráulicos, donde también se utiliza energía eléctrica para aplicar la presión de frenado.
El sistema EBS mejora la precisión de la frenada en comparación con el frenado convencional, lo que reduce la distancia de frenado. En caso de fallo del sistema EBS, este recurre a la presión de control de los frenos neumáticos convencionales, por lo que, incluso ante un fallo electrónico, el vehículo podrá detenerse de forma segura.
Frenos electromecánicos
La arquitectura general de un sistema de frenado electromecánico (EMB) en un automóvil con sistema drive-by-wire se muestra en la Fig. 1. El sistema se compone principalmente de cinco tipos de elementos:
- Procesadores que incluyen una unidad de control electrónico (ECU) y otros procesadores locales.
- Memoria (principalmente integrada en la ECU)
- Sensores
- Actuadores
- Red(es) de comunicación.
Una vez que el conductor introduce una orden de frenado en el sistema a través de una interfaz hombre-máquina (HMI, por ejemplo, el pedal del freno ), la ECU genera cuatro órdenes de frenado independientes basadas en funciones avanzadas como el sistema de frenos antibloqueo (ABS) o el control de estabilidad del vehículo (VSC). Estas señales de comando se envían a las cuatro pinzas eléctricas (e-calibradores) a través de una red de comunicación. Dado que esta red podría no comunicarse correctamente con las e-calibradores debido a fallos en la red, los datos de los sensores de la HMI también se transmiten directamente a cada e-calibrador a través de un bus de datos independiente .
En cada pinza de freno electrónica, un controlador utiliza la orden de frenado (recibida de la ECU) como entrada de referencia. El controlador proporciona comandos de control de accionamiento a un módulo de control de potencia. Este módulo controla las corrientes de accionamiento trifásicas del actuador de freno, que es un motor de CC de imán permanente alimentado por fuentes de 42 V. Además de seguir su orden de frenado de referencia, el controlador de la pinza también controla la posición y la velocidad del actuador de freno. Por lo tanto, se requieren dos sensores para medir la posición y la velocidad del actuador en cada pinza electrónica. Debido a la naturaleza crítica para la seguridad de la aplicación, incluso la pérdida de un número limitado de muestras de estos datos sensoriales debe compensarse.
Votación
Un sistema de frenado electrónico (brake-by-wire) es, por naturaleza, un sistema crítico para la seguridad y, por lo tanto, la tolerancia a fallos es una característica de vital importancia. En consecuencia, un sistema de frenado electrónico se diseña de tal manera que gran parte de su información esencial se obtiene de diversas fuentes ( sensores ) y se gestiona mediante hardware que va más allá de lo estrictamente necesario. Generalmente, existen tres tipos principales de redundancia en un sistema de frenado electrónico:
- Sensores redundantes en componentes críticos para la seguridad, como el pedal del freno .
- Copias redundantes de algunas señales de particular importancia para la seguridad, como las mediciones de desplazamiento y fuerza del pedal de freno, copiadas por múltiples procesadores en la unidad de interfaz del pedal.
- Hardware redundante para realizar tareas de procesamiento importantes, como múltiples procesadores para la ECU en la Fig. 1.
Para aprovechar la redundancia existente, es necesario evaluar, modificar y adaptar los algoritmos de votación para que cumplan con los estrictos requisitos de un sistema de frenado electrónico. La fiabilidad , la tolerancia a fallos y la precisión son los principales objetivos de las técnicas de votación que deben desarrollarse, especialmente para la resolución de problemas de redundancia en un sistema de frenado electrónico.
Ejemplo de solución para este problema: Un votante difuso desarrollado para fusionar la información proporcionada por tres sensores integrados en el diseño de un pedal de freno.
Compensación de datos faltantes
En un vehículo con sistema de frenado electrónico ( brake-by-wire), algunos sensores son componentes críticos para la seguridad , y su fallo interrumpiría el funcionamiento del vehículo y pondría en peligro vidas humanas. Dos ejemplos son los sensores del pedal de freno y los sensores de velocidad de las ruedas . La unidad de control electrónico debe estar siempre informada de las intenciones del conductor de frenar o detener el vehículo. Por lo tanto, la pérdida de datos de los sensores del pedal representa un grave problema para el funcionamiento del sistema de control del vehículo.
En los sistemas de frenado por cable actuales que se utilizan en vehículos de pasajeros y camionetas ligeras, el sistema está diseñado para usar sensores existentes que han demostrado ser confiables en componentes y sistemas de frenado, incluidos los sistemas ABS y VSC.
El software del sistema de control de frenos ha demostrado ser el principal riesgo de fallo en dicho sistema. Se han registrado fallos recurrentes en más de 200 casos documentados en los informes de la NTSB. Debido a que cada fabricante protege la confidencialidad del diseño y el software de su sistema, no existe una validación independiente de los mismos.
Hasta 2016, la NTSB no había investigado directamente los accidentes de vehículos equipados con frenos electrónicos (frenos por cable) en turismos y camionetas ligeras, y los fabricantes habían adoptado la postura de que sus vehículos eran completamente seguros y que todos los accidentes reportados eran resultado de un "error del conductor".
Los datos de velocidad de las ruedas también son vitales en un sistema de frenado electrónico para evitar derrapes. El diseño de un automóvil con frenado electrónico debe proporcionar medidas de seguridad para evitar la pérdida de algunas de las muestras de datos proporcionadas por los sensores críticos para la seguridad . Las soluciones más comunes son proporcionar sensores redundantes y aplicar un mecanismo a prueba de fallos . Además de la pérdida total de un sensor, la unidad de control electrónico también puede sufrir una pérdida de datos intermitente (temporal). Por ejemplo, los datos del sensor a veces no llegan a la unidad de control electrónico . Esto puede ocurrir debido a un problema temporal con el propio sensor o con la ruta de transmisión de datos. También puede ser resultado de un cortocircuito o desconexión instantánea, una falla en la red de comunicación o un aumento repentino del ruido. En tales casos, para un funcionamiento seguro, el sistema debe compensar las muestras de datos faltantes.
Ejemplo de solución para este problema: Compensación de datos faltantes mediante un filtro predictivo.
Estimación precisa de la posición y la velocidad de los actuadores de freno en las pinzas electrónicas.
El controlador de la pinza de freno controla la posición y la velocidad del actuador de freno (además de su función principal, que es el seguimiento de su comando de referencia). Por lo tanto, los sensores de posición y velocidad son esenciales en cada pinza electrónica, y se requiere un diseño eficiente del mecanismo de medición para detectar la posición y la velocidad del actuador. Los diseños recientes para sistemas de frenado por cable utilizan resolutores para proporcionar mediciones precisas y continuas tanto de la posición absoluta como de la velocidad del rotor de los actuadores. Los codificadores incrementales son sensores de posición relativa y su error aditivo debe calibrarse o compensarse mediante diferentes métodos. A diferencia de los codificadores, los resolutores proporcionan dos señales de salida que permiten siempre la detección de la posición angular absoluta. Además, suprimen el ruido de modo común y son especialmente útiles en entornos ruidosos. Por estas razones, los resolutores se suelen utilizar para la medición de posición y velocidad en sistemas de frenado por cable. Sin embargo, se requieren observadores no lineales y robustos para extraer estimaciones precisas de la posición y la velocidad a partir de las señales sinusoidales proporcionadas por los resolutores.
Ejemplo de solución para este problema: Un esquema híbrido de conversión de resolver a digital con estabilidad robusta garantizada y calibración automática de los resolvers utilizados en un sistema EMB.
Medición y/o estimación de la fuerza de sujeción en los calibradores electromecánicos.
Un sensor de fuerza de sujeción es un componente relativamente caro en una pinza de freno EMB. Su coste se debe a su elevado precio unitario de proveedor, así como a los elevados gastos de producción derivados de su inclusión. Estos últimos provienen de los complejos procedimientos de montaje que implican tolerancias mínimas, así como de la calibración en línea para compensar la variabilidad de rendimiento entre los distintos sensores de fuerza de sujeción. El uso correcto de un sensor de fuerza de sujeción en un sistema EMB supone un reto de ingeniería. Si un sensor de fuerza de sujeción se coloca cerca de una pastilla de freno , estará sometido a temperaturas extremas de hasta 800 °C, lo que pondrá a prueba su integridad mecánica. Además, es necesario compensar las variaciones de temperatura. Esta situación puede evitarse integrando el sensor de fuerza de sujeción en el interior de la pinza . Sin embargo, esta integración genera histéresis , influenciada por la fricción entre el sensor y el punto de contacto de la pastilla con el disco. Esta histéresis impide medir con precisión la fuerza de sujeción. Debido a los costes y los retos de ingeniería que supone la inclusión del sensor de fuerza de sujeción, podría ser conveniente eliminar este componente del sistema EMB. Una oportunidad potencial para lograr esto se presenta en la estimación precisa de la fuerza de sujeción basada en mediciones sensoriales alternativas del sistema EMB, lo que lleva a la omisión de un sensor de fuerza de sujeción.
Ejemplo de solución para este problema: Estimación de la fuerza de sujeción a partir de la posición del actuador y las mediciones de corriente mediante la fusión de datos de sensores .
frenos de estacionamiento eléctricos
El sistema de frenado electrónico ( Brake by Wire) es un concepto consolidado en su aplicación a los frenos de estacionamiento de vehículos . El freno de estacionamiento electrónico (EPB) fue introducido a principios de la década de 2000 por BMW y Audi en sus modelos de gama alta (la Serie 7 y el A8 , respectivamente) para reemplazar el sistema tradicional accionado por cable (mediante una palanca entre los asientos o un pedal) que actuaba habitualmente sobre las ruedas traseras del automóvil. Sin embargo, los EPB utilizan un mecanismo motorizado integrado en la pinza del freno de disco trasero y se activan mediante un interruptor en la consola central o el tablero. El freno de estacionamiento eléctrico normalmente se integra con los demás sistemas del vehículo a través de una red CAN bus y puede proporcionar funcionalidades adicionales como:
- Liberación automática del freno de estacionamiento al arrancar.
- Activación automática del freno de estacionamiento cuando el vehículo se detiene en una pendiente, conocida como "Hold Assist".
Los sistemas EPB ofrecen ventajas en cuanto a diseño y fabricación, ya que permiten una consola central despejada al prescindir de la palanca de freno de mano tradicional (muchos fabricantes han aprovechado el espacio liberado para colocar los controles de sus sistemas de infoentretenimiento ). Además, reducen la complejidad de la fabricación al eliminar la necesidad de pasar los cables Bowden por debajo del vehículo.
El sistema EPB se ha ido extendiendo gradualmente a vehículos más económicos; por ejemplo, dentro del Grupo Volkswagen , el EPB se convirtió en un equipamiento estándar en el Passat (B6) de 2006 , mientras que Opel lo introdujo en el Insignia de 2008 .
Véase también
Referencias
- 1 2 3 4 5 Dieter Schramm; et al. (2020), "5 Sistemas de frenado", Tecnología vehicular: Fundamentos técnicos de los vehículos de motor actuales y futuros , De Gruyter Oldenbourg, doi : 10.1515/9783110595703
- ↑ SpeedE – Forschungsplattform , ika – Instituto de vehículos de motor de la Universidad RWTH Aachen, 2016
- ↑ Dieter Schramm; et al. (2020), "1 Introducción y panorama general", Tecnología vehicular: Fundamentos técnicos de los vehículos de motor actuales y futuros , De Gruyter Oldenbourg, doi : 10.1515/9783110595703
- Tecnologías de frenado de vehículos
