Frenado regenerativo

El frenado regenerativo no es suficiente por sí solo como único medio para detener un vehículo de forma segura o para reducir su velocidad según sea necesario, por lo que debe utilizarse junto con otro sistema de frenado, como el frenado por fricción .

• El efecto de frenado regenerativo disminuye a bajas velocidades y, con la tecnología actual, no permite detener el vehículo por completo con la suficiente rapidez. Sin embargo, algunos automóviles, como el Chevrolet Bolt , pueden detenerse por completo en superficies planas si el conductor conoce la distancia de frenado regenerativo del vehículo. Esto se conoce como conducción con un solo pedal (OPD, por sus siglas en inglés).
• Algunos sistemas de frenado regenerativo actuales no inmovilizan un vehículo detenido; se requiere un bloqueo físico , por ejemplo, para evitar que los vehículos rueden cuesta abajo. Algunos automóviles, como el Chevrolet Bolt, pueden permanecer inmóviles en pendientes suaves utilizando únicamente el motor.
• Muchos vehículos con frenado regenerativo no tienen motores en todas las ruedas (como en un coche de tracción a dos ruedas ); normalmente, el frenado regenerativo solo se aplica a las ruedas con motor. Por seguridad, es necesario poder frenar todas las ruedas.
• El efecto de frenado regenerativo disponible es limitado, y el frenado mecánico sigue siendo necesario para reducciones sustanciales de velocidad o para detener un vehículo por completo.
• En pendientes pronunciadas con velocidades de tráfico reales, la magnitud de la energía potencial recuperable durante el descenso de un vehículo a una velocidad inferior a su velocidad terminal es sustancialmente mayor que la que se recupera al detenerlo por completo, incluso desde la velocidad terminal. Un ejemplo que utilizan los ciclistas es que, durante el descenso de una pendiente, se pierde aproximadamente la potencia de tres secadores de pelo, o unos dos caballos de fuerza, debido a la resistencia del aire a velocidades terminales.

Es necesario utilizar tanto el frenado regenerativo como el de fricción, lo que requiere controlarlos para lograr el frenado total necesario. El GM EV-1 fue el primer automóvil comercial en hacerlo. En 1997 y 1998, los ingenieros Abraham Farag y Loren Majersik obtuvieron dos patentes para esta tecnología de frenado electrónico . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Las primeras aplicaciones solían presentar un grave problema de seguridad: en muchos de los primeros vehículos eléctricos con frenado regenerativo, se utilizaban las mismas posiciones del controlador para suministrar energía y accionar el freno regenerativo, y ambas funciones se intercambiaban mediante un interruptor manual independiente. Esto provocó varios accidentes graves cuando los conductores aceleraban accidentalmente al intentar frenar, como el accidente del tren desbocado en Wädenswil, Suiza, en 1948, en el que murieron veintiuna personas.

En la década de 2020, la mayoría de los vehículos equipados con frenado regenerativo pueden detenerse por completo con relativa rapidez en el modo de conducción con un solo pedal. Algunos modelos de automóviles no encienden la luz de freno al activar el frenado regenerativo, lo que genera preocupaciones de seguridad. La mayoría de las normativas no exigen que se encienda la luz de freno cuando el vehículo desacelera mediante el frenado regenerativo. ^{[ 5 ]} El modo de conducción con un solo pedal (OPD) también genera preocupaciones sobre la aceleración repentina no intencionada (SUA), ya que el conductor podría confundir el acelerador con el freno en situaciones de estrés, cuando este último rara vez se utiliza durante el funcionamiento del OPD. ^{[ 6 ]} La norma para vehículos GB 21670-2025 posteriormente exigió que las luces de freno se enciendan durante el frenado regenerativo cuando la desaceleración supere los 1,3 m/ ^s² . ^{[ 7 ]}

La Fórmula Uno ha declarado que apoya soluciones responsables a los desafíos ambientales del mundo, ^{[ 34 ]} y la FIA permitió el uso de KERS de 60 kW (82 PS; 80 hp) en el reglamento para la temporada 2009 de Fórmula Uno . ^{[ 35 ]} Los equipos comenzaron a probar sistemas en 2008: la energía se puede almacenar como energía mecánica (como en un volante de inercia) o como energía eléctrica (como en una batería o supercondensador ). ^{[ 36 ]}   

Antes de la introducción del KERS, McLaren ya había implementado un sistema de frenado regenerativo primitivo en su coche de carreras MP4/13 de 1998. Este sistema no enviaba potencia directamente a las ruedas, sino que utilizaba la energía de los frenos para accionar bombas auxiliares en el motor y contrarrestar las pérdidas parásitas, lo que resultaba en una potencia adicional de 30 a 40 caballos durante un período limitado. ^{[ 37 ]}

Se reportaron dos incidentes menores durante las pruebas de los sistemas KERS en 2008. El primero ocurrió cuando el equipo Red Bull Racing probó su batería KERS por primera vez en julio: falló y provocó una alarma de incendio que llevó a la evacuación de la fábrica del equipo. ^{[ 38 ]} El segundo ocurrió menos de una semana después, cuando un mecánico de BMW Sauber recibió una descarga eléctrica al tocar el auto equipado con KERS de Christian Klien durante una prueba en el circuito de Jerez . ^{[ 39 ]}

Con la introducción del KERS en la temporada 2009, cuatro equipos lo utilizaron en algún momento: Ferrari , Renault , BMW y McLaren . Durante la temporada, Renault y BMW dejaron de usar el sistema. McLaren Mercedes se convirtió en el primer equipo en ganar un GP de F1 con un coche equipado con KERS cuando Lewis Hamilton ganó el Gran Premio de Hungría de 2009 el 26 de julio de 2009. Su segundo coche equipado con KERS terminó quinto. En la siguiente carrera, Lewis Hamilton se convirtió en el primer piloto en conseguir la pole position con un coche KERS, mientras que su compañero de equipo, Heikki Kovalainen, se clasificó segundo. Esta fue también la primera vez que una primera fila completamente equipada con KERS. El 30 de agosto de 2009, Kimi Räikkönen ganó el Gran Premio de Bélgica con su Ferrari equipado con KERS. Fue la primera vez que el KERS contribuyó directamente a una victoria en una carrera, y Giancarlo Fisichella , que quedó segundo , afirmó: "En realidad, fui más rápido que Kimi. Solo me adelantó gracias al KERS al principio". ^{[ 40 ]}

Aunque el KERS seguía siendo legal en la Fórmula 1 en la temporada 2010, todos los equipos habían acordado no usarlo. ^{[ 41 ]} Las nuevas reglas para la temporada 2011 de F1 que aumentaron el límite de peso mínimo del coche y el piloto en 20  kg a 640  kg, ^{[ 42 ]} junto con el acuerdo de los equipos de FOTA para el uso de dispositivos KERS una vez más, significaron que el KERS regresó para la temporada 2011. ^{[ 43 ]} Esto sigue siendo opcional como lo fue en la temporada 2009; en la temporada 2011 3 equipos optaron por no usarlo. ^{[ 27 ]} Para la temporada 2012 , solo Marussia y HRT corrieron sin KERS, y para 2013, con la retirada de HRT, los 11 equipos en la parrilla estaban usando KERS.

En la temporada 2014 , la potencia de salida del MGU-K (el reemplazo del KERS y parte del sistema ERS que también incluye un sistema de recuperación de calor residual del turbocompresor ) se incrementó de 60 kW a 120 kW y se le permitió recuperar 2 megajulios por vuelta. Esto fue para equilibrar el cambio del deporte de motores V8 de 2.4 litros a motores V6 de 1.6 litros. ^{[ 44 ]} Los ajustes de seguridad del sistema de frenado por cable que ahora complementa al KERS fueron examinados como un factor contribuyente en el accidente fatal de Jules Bianchi en el Gran Premio de Japón de 2014 .  

Bosch Motorsport Service está desarrollando un sistema KERS para su uso en competición automovilística. Estos sistemas de almacenamiento de electricidad para funciones híbridas y de motor incluyen una batería de iones de litio con capacidad escalable o un volante de inercia , un motor eléctrico de cuatro a ocho kilogramos (con una potencia máxima de 60 kW u 80 CV ), así como el controlador KERS para la gestión de la energía y la batería. Bosch también ofrece una gama de sistemas híbridos eléctricos para aplicaciones comerciales y de vehículos ligeros. ^{[ 45 ]}  

Fabricantes de automóviles como Honda han estado probando sistemas KERS. ^{[ 46 ]} En los 1000  km de Silverstone de 2008 , Peugeot Sport presentó el Peugeot 908 HY , una variante híbrida eléctrica del 908 diésel, con KERS. Peugeot planeaba competir con el coche en la temporada 2009 de las Le Mans Series , aunque no fue capaz de sumar puntos para el campeonato. ^{[ 47 ]} Peugeot también planea un sistema de propulsión de frenado regenerativo de aire comprimido llamado Hybrid Air. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

McLaren comenzó a probar su KERS en septiembre de 2008 en el circuito de pruebas de Jerez, preparándose para la temporada 2009 de F1, aunque en ese momento aún se desconocía si utilizarían un sistema eléctrico o mecánico. ^{[ 50 ]} En noviembre de 2008 se anunció que Freescale Semiconductor colaboraría con McLaren Electronic Systems para seguir desarrollando su KERS para el monoplaza de Fórmula Uno de McLaren a partir de 2010. Ambas partes creían que esta colaboración mejoraría el sistema KERS de McLaren y ayudaría a que el sistema se extendiera a la tecnología de los coches de calle. ^{[ 51 ]}

Toyota ha utilizado un supercondensador para la regeneración en un coche de carreras híbrido Supra HV-R que ganó las 24 Horas de Tokachi en julio de 2007. ^{[ 52 ]}

BMW ha utilizado el frenado regenerativo en su Serie 3 E90, así como en modelos actuales como la Serie 5 F25 bajo la denominación EfficientDynamics. ^{[ 53 ]} Volkswagen cuenta con tecnologías de frenado regenerativo bajo la marca BlueMotion en modelos como el Volkswagen Golf Mk7 y los modelos Golf Estate/Wagon Mk7, y otras marcas del grupo VW como SEAT , Skoda y Audi . ^{[ 54 ]}

El jefe de carreras de KTM, Harald Bartol, reveló que la fábrica compitió con un sistema secreto de recuperación de energía cinética (KERS) instalado en la motocicleta de Tommy Koyama durante el Gran Premio de Valencia de 125cc que cerró la temporada 2008. Esto iba en contra del reglamento, por lo que se les prohibió hacerlo posteriormente. ^{[ 55 ]}

El Automobile Club de l'Ouest , organizador de las 24 Horas de Le Mans y de las Le Mans Series , estaba "estudiando reglas específicas para los LMP1 que estarían equipados con un sistema de recuperación de energía cinética" en 2007. ^{[ 56 ]} Peugeot fue el primer fabricante en presentar un coche LMP1 completamente funcional, el 908 HY, en la  carrera de 1000 km de Autosport de 2008 en Silverstone. ^{[ 57 ]}

En las bicicletas eléctricas, el frenado regenerativo puede utilizarse en principio. Sin embargo, a partir de 2024, su uso es poco frecuente en bicicletas, principalmente porque requiere un motor de buje de transmisión directa (mientras que muchas bicicletas utilizan un motor central que acciona la cadena) y porque no puede combinarse con un mecanismo de rueda libre . Además, la cantidad de energía regenerada suele ser demasiado baja para que resulte rentable. ^{[ 58 ]}

El frenado regenerativo también es posible en una bicicleta no eléctrica. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos , en colaboración con estudiantes de la Universidad de Michigan , desarrolló el sistema hidráulico de asistencia de arranque con frenado regenerativo (RBLA). ^{[ 59 ]}

Las motocicletas eléctricas pueden utilizar el frenado regenerativo de diferentes maneras, ya sea mediante un motor en el buje o un motor central, dado que no necesitan un mecanismo de rueda libre como las bicicletas. Algunas motocicletas utilizan aceleradores/palancas específicos para controlar el frenado regenerativo (a veces denominado "regeneración analógica" en inversores como Kelly KLS ^{[ 60 ]} ), mientras que otras se basan en un método "pasivo", donde se activa al soltar el acelerador de propulsión, en lugar de al rodar por inercia. Estos sistemas suelen tener niveles de potencia ajustables/programables. ^{[ 61 ]}

Muchos vehículos eléctricos híbridos y totalmente eléctricos emplean frenado regenerativo junto con frenado por fricción, ^{[ 62 ]} Los sistemas de frenado regenerativo (RBS) no pueden emular completamente la función de frenado convencional para los conductores, pero se están realizando avances continuos. ^{[ 63 ]} Las calibraciones utilizadas para determinar cuándo se regenerará la energía y cuándo se utilizará el frenado por fricción para reducir la velocidad del vehículo afectan la forma en que el conductor siente la acción de frenado. ^{[ 64 ] [ 65 ]}

El RBS es un mecanismo clave para que los vehículos eléctricos obtengan energía de frenado. Esta tecnología afecta seriamente la economía, las emisiones, la seguridad y otras funciones de los vehículos eléctricos. Al mejorar el RBS, se puede aumentar significativamente la tasa de recuperación de energía cinética del vehículo y mejorar su estabilidad de conducción. ^{[ 66 ]}

El consumo de energía se reduce mediante el frenado regenerativo en los tranvías ( AE ) o tranvías ( CE ) en Oranjestad, Aruba . Diseñados y construidos por TIG/m Modern Street Railways en Chatsworth , EE. UU., ^{[ 67 ]} los vehículos utilizan tecnología híbrida/eléctrica : no toman energía de fuentes externas como cables aéreos cuando están en funcionamiento, sino que se autoalimentan mediante baterías de litio complementadas con celdas de combustible de hidrógeno . ^{[ 68 ]}

La energía de un volante de inercia se puede describir mediante esta ecuación general de energía, suponiendo que el volante de inercia es el sistema:

${\displaystyle E_{\text{entrada}}-E_{\text{salida}}=\Delta E_{\text{sistema}}}$

dónde

• ${\displaystyle E_{\text{en}}}$es la energía que entra en el volante.
• ${\displaystyle E_{\text{salida}}}$es la energía que sale del volante.
• ${\displaystyle \Delta E_{\text{sistema}}}$es el cambio en la energía del volante.

Se parte de la premisa de que durante el frenado no hay cambios en la energía potencial, la entalpía del volante, la presión ni el volumen del mismo, por lo que solo se considerará la energía cinética. Mientras el coche frena, el volante no disipa energía, y la única energía que recibe es la energía cinética inicial del coche. La ecuación se puede simplificar a:

${\displaystyle {\frac {mv^{2}}{2}}=\Delta E_{\text{fly}}}$

dónde

• ${\displaystyle m}$es la masa del coche.
• ${\displaystyle v}$es la velocidad inicial del coche justo antes de frenar.

El volante de inercia recoge un porcentaje de la energía cinética inicial del coche, y este porcentaje puede representarse mediante${\displaystyle \eta _{\text{fly}}}$El volante almacena la energía como energía cinética rotacional. Dado que la energía se mantiene como energía cinética y no se transforma en otro tipo de energía, este proceso es eficiente. Sin embargo, el volante solo puede almacenar una cantidad limitada de energía, la cual está limitada por su cantidad máxima de energía cinética rotacional. Esta cantidad se determina en función de la inercia del volante y su velocidad angular . Cuando el automóvil está en reposo, se pierde poca energía cinética rotacional con el tiempo, por lo que se puede suponer que la cantidad inicial de energía en el volante es igual a la cantidad final de energía distribuida por este. Por lo tanto, la cantidad de energía cinética distribuida por el volante es:

${\displaystyle KE_{\text{fly}}={\frac {\eta _{\text{fly}}mv^{2}}{2}}}$

El frenado regenerativo tiene una ecuación energética similar a la del volante mecánico. Este proceso consta de dos etapas: el motor/generador y la batería. La energía cinética inicial se transforma en energía eléctrica mediante el generador y, posteriormente, se convierte en energía química mediante la batería. Este proceso es menos eficiente que el del volante. La eficiencia del generador se puede representar mediante:

${\displaystyle \eta _{\text{gen}}={\frac {W_{\text{out}}}{W_{\text{in}}}}}$

dónde

• ${\displaystyle W_{\text{en}}}$es el trabajo en el generador.
• ${\displaystyle W_{\text{fuera}}}$es el trabajo producido por el generador.

El único trabajo realizado sobre el generador es la energía cinética inicial del automóvil, y el único trabajo producido por el generador es la energía eléctrica. Reordenando esta ecuación para calcular la potencia producida por el generador, obtenemos la siguiente ecuación:

${\displaystyle P_{\text{gen}}={\frac {\eta _{\text{gen}}mv^{2}}{2\,\Delta t}}}$

dónde

• ${\displaystyle \Delta t}$es el tiempo que el coche frena.
• ${\displaystyle m}$es la masa del coche.
• ${\displaystyle v}$es la velocidad inicial del coche justo antes de frenar.

La eficiencia de la batería se puede describir como:

${\displaystyle \eta _{\text{batt}}={\frac {P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}}}}$

dónde

• ${\displaystyle P_{\text{en}}=P_{\text{gen}}}$
• ${\displaystyle P_{\text{out}}={\frac {W_{\text{out}}}{\Delta t}}}$

El trabajo realizado por la batería representa la cantidad de energía producida por los frenos regenerativos. Esto se puede representar mediante:

${\displaystyle W_{\text{out}}={\frac {\eta _{\text{batt}}\eta _{\text{gen}}mv^{2}}{2}}}$

Un diagrama del Departamento de Energía de Estados Unidos (DoE) muestra que los automóviles con motores de combustión interna tienen una eficiencia típica del 13 % en conducción urbana y del 20 % en carretera. La capacidad de frenado, en proporción a la energía mecánica útil, asciende a 6/13 (es decir, el 46 %) en ciudad y a 2/20 (es decir, el 10 %) en autopista.

El Departamento de Energía afirma que los coches eléctricos convierten más del 77 % de la energía eléctrica de la red en energía en las ruedas. ^{[ 69 ]} La eficiencia de un vehículo eléctrico, teniendo en cuenta las pérdidas debidas a la red eléctrica, la calefacción y el aire acondicionado, es de aproximadamente el 50 % según Jean-Marc Jancovici ^{[ 70 ]} (sin embargo, para la conversión global, véase Energía incorporada#Energía incorporada en el campo de la energía ).

Considere la eficiencia del motor eléctrico.${\displaystyle \eta _{\text{eng}}=0.5}$y la proporción de frenado en las ciudades${\displaystyle p=0.46}$y en las autopistas${\displaystyle p=0.1}$.

Permítannos presentarles${\displaystyle \eta _{\text{recup}}}$que es la proporción recuperada de energía de frenado. Supongamos que${\displaystyle \eta _{\text{recup}}=0,6}$. ^{[ 71 ]}

En estas circunstancias,${\displaystyle E}$siendo el flujo de energía que llega al motor eléctrico,${\displaystyle E_{\text{frenado}}}$el flujo de energía perdido durante el frenado y${\displaystyle E_{\text{recup}}}$el flujo de energía recuperado, se alcanza un equilibrio según las ecuaciones

${\displaystyle E_{\text{frenado}}=(E+E_{\text{recup}})\cdot \eta _{\text{eng}}\cdot p}$y${\displaystyle E_{\text{recup}}=\eta _{\text{recup}}\cdot E_{\text{braking}}}$

de este modo${\displaystyle E_{\text{frenado}}={\frac {E\cdot \eta _{\text{engranaje}}\cdot p}{1-\eta _{\text{engranaje}}\cdot p\cdot \eta _{\text{recuperaje}}}}}$

Es como si el antiguo flujo de energía${\displaystyle E}$fue reemplazado por uno nuevo${\displaystyle E\cdot (1-\eta _{\text{eng}}\cdot p\cdot \eta _{\text{recup}})}$

La ganancia esperada asciende a${\displaystyle \eta _{\text{eng}}\cdot p\cdot \eta _{\text{recup}}}$

Cuanto mayor sea la eficiencia de recuperación, mayor será la recuperación.

Cuanto mayor sea la eficiencia entre el motor eléctrico y las ruedas, mayor será la recuperación de energía.

Cuanto mayor sea la proporción de frenado, mayor será la recuperación.

En autopistas, esta cifra sería del 3%, y en ciudades ascendería al 14%.