Estudio del Freno Regenerativo. - Conversión autos eléctricos

ESTUDIO TECNICO DEL FRENO REGENERATIVO PARA V.E.
ORGANIZACIÓN AUTOLIBRE
Al desacelerar o frenar, el motor eléctrico actúa como generador, recuperando la energía cinética desde
las ruedas, convirtiéndola en electricidad que puede ser guardada en la batería. Frenos de fricción
tradicionales son requeridos, así como un sistema de control electrónico que permita maximizar la
recuperación de energía y pueda operar el sistema dual de frenos. Sistemas comerciales en uso permiten
recuperar alrededor de un 30% de la energía cinética típicamente perdida como calor en frenos de
fricción. La energía recuperada al freno puede reducir el consumo energético en 15% en conducción en
ciudad.
Antecedentes Históricos
En 1839 se construye en Escocia el primer Vehículo Eléctrico, aunque resulto ser muy poco competitivo
con los vehículos de vapor que se fabricaban en Inglaterra. En 1870 se desarrolló también en el Reino
Unido, un poco más evolucionado, y con una velocidad punta de 13 Km/h Y así continuamente a lo
largo de la historia de la automoción se fueron creando diferentes modelos de prototipos de motores
eléctricos En 1920 las prestaciones del Vehículo de Combustión Interna (MCI), superan notablemente las
del Vehículo Eléctrico a partir de este año y hasta mediado de los sesenta el VE pasa al olvido.
En 1970 la crisis del petróleo de esta época incrementa el interés por las energías renovables y mediante
la financiación de los gobiernos promueve la Investigación y Desarrollo de nuevas alternativas
energéticas, por lo que aparecen nuevos desarrollos de prototipos de VE más evolucionados.
A pesar de todos los avances tecnológicos el principal problema de estos vehículos era la autonomía. En
1976 se presenta en USA la primera Ley Pública para la Investigación, desarrollo y demostración del
vehículo eléctrico e híbrido.
Desde este año y hasta la actualidad, son numerosas las iniciativas tanto de organismos oficiales como
del sector privado para hacer que este tipo de vehículos sea una realidad.
La evolución tecnológica de los componentes eléctricos ha sido en los últimos años espectacular. El
avance en la tecnología de semiconductores ha permitido la aplicación de los motores de inducción, que
elimina el problema de desgaste de los colectores y escobillas de los primeros motores de corriente
continua.
Otro aspecto importante en la evolución de los motores híbridos es el control de velocidad, donde el
primitivo sistema, que variaba la corriente por conexión y desconexión de resistencias en serie, fue
sustituido por rectificadores de silicio y los transistores que permiten un ajuste fijo de la velocidad y de
una forma más eficaz. Disminuyendo las perdidas eléctricas notablemente.
El control de los motores eléctricos ha mejorado sustancialmente gracias a los microprocesadores. Sin
embargo, las baterías no han evolucionado notablemente en cuanto a su desarrollo y abaratamiento, y
hoy en día es el componente que más investigación y desarrollo necesita para mejorar las prestaciones y
precios de estos vehículos.
La tecnología híbrida fue diseñada para operar en zonas urbanas, donde existan problemas de polución
ambiental, por lo que el sistema híbrido es muy adecuado para cumplir con el objetivo de reducción de
emisiones contaminantes atmosféricas, especialmente en buses de transporte público. Operando
únicamente como vehículo eléctrico, con la energía guardada en las baterías, tienen una autonomía de 80
a 200 Km.
La llegada del siglo XXI encuentra a las automotrices realizando multimillonarias inversiones para que
los vehículos que fabrican dejen la alimentación a gasolina o gasoil, y se encaminen, decididamente,
hacia la motorización semieléctrica. Las cifras en juego son enormes. Se estima que cada una de las cinco
marcas que dominan el mercado mundial (General Motors, Ford, Toyota, Daimler Chrysler y
Volkswagen) mueven unos 5.000 millones de dólares al año en este tipo de desarrollos.
Situación Actual
En la actualidad hay una gran preocupación por el medio ambiente y por la disminución del impacto
medioambiental. Esta preocupación se extiende al campo de la automoción justificadamente. La
investigación sobre nuevas fuentes de energía no está igualmente avanzada en todas las compañías. Las
marcas japonesas y europeas se centran en una mejor combustión y eficiencia en los motores actuales. En
cambio, las grandes marcas americanas, empujadas por la estricta legislación sobre emisiones de
California, se ven obligadas a investigar en este sentido.
De esta manera, está aumentando la competitividad entre los fabricantes para desarrollar la tecnología
más respetuosa con el medio ambiente, a la vez que se deben satisfacer las necesidades de los clientes.
Esta competitividad es la manera más rápida de conseguir las mejoras medioambientales que estamos
buscando, lo que no evita que se deban redactar normas que los fabricantes deban cumplir. Los
fabricantes deben entender la protección medioambiental como una parte de la estrategia de la empresa
dirigida a aumentar el valor a largo plazo.
La industria de la automoción se está dedicando a investigar nuevos combustibles y fuentes de energía
que resulten viables, fáciles de implantar y sean menos contaminantes. El objetivo es fabricar vehículos
que contaminen menos, que sean más rápidos y más eficientes, todo ello a un razonable coste para los
consumidores.
Los tipos de motores que son adecuados para utilizar en los automóviles son los motores de combustión
interna y los motores eléctricos. Otros, como las turbinas, que se utilizan en otros medios de transporte,
no permiten las prestaciones de aceleración a las que estamos acostumbrados si no es con un tamaño
excesivamente grande.
El agotamiento de los recursos fósiles es un hecho, si nos centramos en la disponibilidad de recursos
energéticos, sobretodo de combustibles fósiles como el petróleo. Ciertas empresa de petróleo o de aceite
mineral como por ejemplo EXXON o la BP afirman que disponemos de petróleo para 50 ó 100 años, que
no hay motivo de preocupación. La realidad es que se ha estado estudiando esta disponibilidad y está
constatado que estas empresas saben cual es el nivel de disponibilidad que actualmente hay de petróleo
mineral. El petróleo barato, el líquido, se vaciará en unos 50 años, pero en este punto habremos utilizado
la mitad de las fuentes de petróleo conocidas. La otra mitad es la que es muy costosa de extraer, es decir
no esta disponible económicamente. Esto no quiere decir que se nos termina el petróleo, quiere decir que
tendremos una bajada del crudo barato, quiere decir que si queremos mantener el mismo nivel de
consumo de petróleo tendremos que hacer grandes inversiones y no podemos cambiar la tendencia de
agotamiento. Tendremos un problema porque los precios del petróleo aumentaran.
Antecedentes
Máquinas de Corriente Continua
La Máquina de corriente continua (C.C.) es constructivamente la más compleja entre las máquinas
rotatorias tradicionales; sin embargo, fue la primera en ser construida, usada y desarrollada, allá por el
año 1880, seguramente por el desconocimiento que los ingenieros de la época tenían de los circuitos de
corriente alterna y de los campos magnéticos variables. Aparte de su mayor complejidad mecánica
(escobillas, porta escobillas, colector, etc.), las máquinas de C.C. son menos robustas, requieren de mayor
mantención y necesitan de una unión eléctrica entre la armadura (móvil) y el estator (fijo). Esto hace que,
a igual potencia y tensión, una máquina de C.C. sea de mayor precio, requiera de mayor espacio y tenga
un mayor costo de mantención que una máquina de corriente alterna.
A pesar de lo anterior, las máquinas de C.C. han sido usadas y siguen usándose en forma amplia,
principalmente como motor, en una gran variedad de accionamientos de industrias mineras, papeleras,
etc., en especial cuando se requiere:
Amplio rango de velocidades, ajustable de modo continuo.
Una característica torque – velocidad, constante, o una combinación de ambas por
tramos.
Rápida aceleración, desaceleración o cambio de sentido de giro (como en
laminadoras de metal, ascensores, tracción, etc.).
Control de velocidad de muy alta calidad y precisión (como en el tensionado de
laminadoras de papel).
Correlación exacta de la velocidad entre dos o más partes del proceso industrial.
Frenado regenerativo.
Tipos de Frenado
Algunos motores eléctricos son frenados mediante dispositivos mecánicos operados magnéticamente.
Otros, con frenados reostáticos.
En los frenos mecánicos existe el inconveniente que el frenado depende fundamentalmente del estado de
las superficies rozantes y en los frenos reostáticos aparece el problema de los relays y otros dispositivos
electromecánicos, desgastables y sujetos a fallas. Ambos sistemas requieren una mantención periódica.
A continuación describimos tres tipos de frenados eléctricos que son: contramarcha, frenado dinámico y
frenado regenerativo.
Contramarcha
Este sistema es utilizado en algunas aplicaciones especiales como, por ejemplo, algunas
laminadoras las cuales deben detenerse súbitamente para luego cambiar de sentido de giro. Esto
se efectúa sin suspender la excitación del motor e invirtiendo la tensión en la armadura. En el
instante en que se ha invertido la tensión, el voltaje aplicado a la armadura y la f.c.e.m. son casi
iguales y aditivas, luego, luego, para no ocasionar daños por el impulso de sobre corriente es
necesario intercalar en serie una resistencia que es usualmente un 85% mayor que la resistencia de
arranque normal.
Frenado Dinámico
Es motor es llevado rápidamente a reposo haciendo uso de la acción generativa del motor. Si los
terminales de la armadura son desconectados y se conecta a la armadura una resistencia de valor
bajo, manteniendo la excitación, entonces se produce una detención del motor ya que la fuerza
electromotriz produce una corriente en la resistencia con lo que la energía cinética acumulada en
las partes rotatorias se disipa rápidamente en forma de calor.
El valor ohmico de la resistencia es determinante en la rapidez, con lo que se consume la energía
mecánica y por ello el tiempo requerido para frenar, generalmente se ha adoptado un valor de
esta resistencia tal que produzca un impulso inicial del orden de 180% del valor inicial, sin
embargo puede ser traspasado para frenados más violentos permitiendo mayores corrientes y el
consiguiente chisporroteo en el colector. Esta forma de frenado sin embargo, no provee un
frenado constante ya que a medida que la velocidad baja, en forma proporcional baja la
generación, al principio el frenado es máximo y luego va reduciéndose a cero cuando el motor se
detiene. Esto significa que el motor no está bloqueado cuando el motor no gira, luego se hace
necesaria la existencia de frenado mecánico que provea este bloqueo.
Si bien el frenado no es constante, es posible hacerlo controlando la excitación del generador, para
lo cual basta con implementar un control realimentado mediante tiristores.
Frenado Regenerativo
El término frenado regenerativo, a diferencia de los anteriores en que el motor es llevado a
completo reposo, se aplica a un sistema donde la carga ejerce torque negativo sobre el motor,
impulsándolo como si fuese un generador logrando devolver energía a la fuente. Este tipo de
frenado es una modificación del frenado dinámico, requiere que la tensión inducida sea mayor
que la tensión de la fuente. Esto significa que la rotación debe ser mayor que la normal, condición
que es posible alcanzar solamente si la carga es de un carácter persecutorio, como en un ferrocarril
en marcha cuesta abajo, un ascensor que está descendiendo o un automóvil cuesta abajo. Fuera del
exceso de velocidad, se puede general si se aumenta la intensidad de excitación lo suficiente como
para superar la tensión de la fuente; en otros casos, cuando varios motores impulsan una carga
común, puedes ser conectados en diversas combinaciones serie o paralelo. El frenado regenerativo
es de aplicación también, cuando se desea mantener limitada la velocidad de una carga dada.
Control Mediante Dispositivos de Estado Sólido
La velocidad de un motor de corriente continua con excitación externa, en derivación o compuesto
puede variarse mediante cualquiera de las tres maneras siguientes: cambiando la resistencia de campo,
cambiando el voltaje en el inducido o cambiando la resistencia en el inducido. Quizá el más usual de
estos métodos sea el de control de voltaje en el inducido, ya que permite amplias variaciones de
velocidad sin afectar el momento de torsión máximo del motor.
Con el paso de los años se han desarrollado numerosos sistemas de control del motor para aprovechar
los altos momentos de torsión y las velocidades variables que están disponibles a partir del control del
voltaje en el inducido de los motores de C.C.. En la época en que aún no se tenían los componentes
electrónicos de estado sólido, era muy difícil producir una variación del voltaje de C.C.. En realidad, la
manera habitual de variar el voltaje en el inducido de un motor de C.C. era colocarle por separado su
propio generador de C.C..
No obstante lo anterior, el avance tecnológico ha permitido un vertiginoso avance en la fabricación de
dispositivos de estado sólido y por ende los costos de estos elementos han dejado de ser inalcanzables.
Por este motivo su utilización en la electrónica de potencia permite tener control y variar casi cualquier
voltaje del que se disponga y por ende con dispositivos de control con los cuales antes solo se soñaba.
Freno Regenerativo
Durante el frenado regenerativo, el motor ya sea de corriente alterna o de corriente continua deja de
consumir electricidad y comienza a generar. Para que esta energía pueda ser utilizada en un
mejoramiento de eficiencia, se requiere de los dispositivos de control necesarios. En los puntos
siguientes, se detallan los circuitos de electrónica de potencia necesarios para realizar esta tarea en
motores de C.A. y C.C. respectivamente.
Interfase para un Flujo Bidireccional
En ciertas aplicaciones, por ejemplo, en el manejo de motores con sistema de frenado regenerativo, el
flujo de potencia a través del convertidor de interfase se invierte durante el frenado regenerativo
mientras la energía cinética asociada con la inercia del motor y la carga se recupere y sea alimentado de
vuelta al sistema.
Una forma de abordar esto en el pasado fue utilizar 2 convertidores en base a tiristores de frecuencia de
línea conectados back to back, como aparece en la figura A. Durante el modo normal, el convertidor 1
actúa como un rectificador y la potencia fluye de la entrada ac al lado dc. Durante el frenado
regenerativo, los pulsos de la compuerta (gate) al tiristor del convertidor 1 son bloqueados y el
convertidor 2 opera en un modo invertido donde la polaridad de vd se mantiene igual pero la dirección
de id es invertida.
La forma en que fue abordado esto presenta ciertas desventajas como:
La corriente de entrada is tiene una forma de onda distorsionada y el factor de potencia es bajo.
el voltaje dc Vd es limitado en el modo inverso debido al requerimiento mínimo del ángulo de
excitación del convertidor 2 mientras opere en el modo inverso
Existe la posibilidad de falla en la conmutación en el modo inverso debido a los disturbios de la
línea ac.
Es posible sobre pasar estas limitaciones al usar un convertidor en modo de switch (switch-mode), como
aparece en la figura B.
Figura A
Figura B
Convertidor Step Up
La figura 1 muestra un convertidor step-up. Su principal aplicación es en el abastecimiento de potencia
regulada dc y el frenado regenerativo de los motores dc.
El mecanismo esencial de control de la figura 1 es apagar (off) y prender (on) la potencia del switch
semiconductor. Cuando el switch esta ON, la corriente a través de la inductancia aumenta y la energía
almacenada en la inductancia aumenta también. Cuando el switch esta off, la corriente por la
inductancia sigue circulando vía el diodo,
La red RC y de regreso a la fuente. La inductancia esta descargando su energía y la polaridad del voltaje
de la inductancia es tal que el terminal conectado al diodo es positivo con respecto al otro terminal
conectado a la fuente. Se puede ver entonces que el voltaje del capacitor debe ser mayor que el voltaje de
la fuente y por lo tanto este convertidor es conocido como “boost converter”. Se puede apreciar que la
inductancia actual como una bomba, recibiendo energía cuando el switch esta cerrado y transfiriendo la
a la red RC cuando esta abierta.
Cuando el switch esta cerrado, el diodo no conduce y el capacitor sustenta el voltaje de salida. El circuito
puede ser dividido en dos partes, como muestra la figura 2. Siempre y cuando el tiempo constante RC es
mucho mayor que el periodo de abierto (on-period) del switch, el voltaje de salida se mantendrá más o
menos constante.
Cuando el switch esta abierto, el circuito equivalente que es aplicable corresponde a la figura 3. En este caso existe
un único circuito conectado.
Experiencias Internacionales
La complejidad del sistema de frenado regenerativo a hecho difícil su introducción en forma masiva en
los diversos mercados de los vehículos eléctricos. Sin embargo es posible encontrar aplicaciones tan
diversas como: monopatines, bicicletas, sillas de ruedas, trenes, automóviles, camiones, automóviles
híbridos y también en ascensores.
Conclusiones
Los controladores en la mayoría de los vehículos que tienen un sistema de frenado regenerativo, el motor
es usado como generador para recargar las baterías. Durante el frenado regenerativo parte de la energía
cinética es absorbida por los frenos y transformada en calor. Por ende, el aumento en el rango de un
vehículo eléctrico alcanza entre el 5% y 10%. Junto con esto, se reduce el desgaste de los frenos y por
consiguiente, se reducen los costos de mantenimiento.
La energía regenerada queda expresada por la siguiente ecuación:
Pregen = -eregen Mvehicle a V
Donde
eregen
= Eficiencia del freno regenerativo (%)
Mvehicle
= Mas del vehículo
A
= Aceleración del vehículo (m/s2)
V
= Velocidad del Vehículo (m/s)
Dado que para el desarrollo del proyecto se tiene un motor de potencia media, el cual se incorporara en
una auto relativamente liviano, la potencia regenerada será aun menor (en base a las ecuaciones
anteriores).
Un sistema de frenado regenerativo no es capaz de cubrir todos los requerimientos de frenado de un
automóvil. Debido a esto al diseñar un auto eléctrico se debe considerar la co-existencia de un sistema de
frenos hidráulicos y si se desea el sistema regenerativo. Estos, son dos sistemas esencialmente distintos y
separados. La integración de estos sistemas requiere de la construcción de un sistema computacional
dedicado a mantener coordinado todo el tiempo ambos sistemas de frenado de modo que la acción del
conductor se reparta de manera adecuada entre ambos sistemas de frenado sin que este último perciba
que se trata de dos sistemas.
Recomendaciones
En este trabajo se pudo apreciar la gran utilidad que presenta la incorporación de un sistema de frenado
regenerativo en el motor. Les presento como ejemplo sistemas regenerativos para autos de hasta 1000 Kg.
Motor regenerativo trifásico para VE de 36 V a 96 V . que se comanda con:
Controlador Electrónico Curtis 1238, Regenerativo
Motor de Imanes permanentes para VE. 24 V a 72 V. que se comanda con:
Controlador Sevcon Millipak 4QD Regenerativo (325Amp) 24 - 48 VDC
Estos componentes se pueden comprar en: http://www.electricmotorsport.com/store/ems_ev_parts_motors.php
Realizan envíos a toda América y el kit completo puede costar de 1300 a 3500 dólares mas baterías y cargador.