Com funciona la frenada regenerativa en vehicles elèctrics

La frenada és un dels aspectes importants d’un vehicle. El sistema de frenada mecànica que fem servir als nostres vehicles té un gran inconvenient en malgastar l’energia cinètica del vehicle com a calor. Això redueix l'eficiència general del vehicle en afectar l'estalvi de combustible. En el cicle de conducció urbana, tendim a arrencar i aturar el vehicle més sovint en comparació amb el cicle de conducció per carretera. A mesura que apliquem el fre sovint en un cicle de tracció urbana, la pèrdua d’energia és més gran. Els enginyers van crear el sistema de frenada regenerativaper recuperar l'energia cinètica dissipada com a calor durant la frenada en el mètode de frenada tradicional. Seguint les lleis de la física, no podem recuperar tota l’energia cinètica que es perd, però encara es pot convertir i emmagatzemar una quantitat significativa d’energia cinètica a la bateria o al supercondensador. L’energia recuperada ajuda a millorar l’economia de combustible dels vehicles convencionals i contribueix a ampliar la gamma de vehicles elèctrics. Cal destacar que el procés de frenada regenerativa té pèrdues en recuperar l'energia cinètica. Abans d’anar més lluny també podeu consultar altres articles interessants sobre vehicles elèctrics:

• Introducció d'un enginyer als vehicles elèctrics (EV)
• Tipus de motors utilitzats en vehicles elèctrics

El concepte de frenada regenerativa es pot implementar en vehicles convencionals que utilitzen rodes Fly. Els volants d'inèrcia són discos amb alta inèrcia que giren a una velocitat molt alta. Actuen com a dispositiu d’emmagatzematge d’energia mecànica en capturar (emmagatzemar) l’energia cinètica del vehicle durant la frenada. L’energia recuperada durant el procés de frenada es pot utilitzar per ajudar el vehicle durant el moviment d’arrencada o pujada.

En vehicles elèctrics, podem incorporar la frenada regenerativa de manera molt més eficaç electrònicament. D’aquesta manera es reduirà la necessitat de volants pesats, cosa que afegirà un pes addicional al pes total del vehicle. Els vehicles elèctrics tenen un problema inherent d’ansietat a l’abast entre els usuaris. Tot i que la velocitat mitjana del vehicle durant el cicle de conducció urbana se situa al voltant dels 25-40 km / h, la freqüent acceleració i frenada esgoten la bateria aviat. Sabem que els motors poden actuar com a generador en determinades condicions. En utilitzar aquesta característica, es pot evitar que l’energia cinètica del vehicle es perdi. Quan apliquem el fre en vehicles elèctrics, el controlador del motor (basat en la sortida del sensor del pedal del fre) redueix el rendiment o atura el motor. Durant aquesta operació, el controlador del motor està dissenyat perrecuperar l'energia cinètica i emmagatzemar-la a la bateria o als bancs de condensadors. La frenada regenerativa ajuda a ampliar l’abast del vehicle elèctric entre un 8-25%. A més d’estalviar energia i millorar l’abast, també ajuda a controlar eficaçment l’operació de frenada.

En el sistema de frenada mecànica, s’exerceix un parell invers sobre la roda quan premem el pedal del fre. De la mateixa manera, en el mode de frenada regenerativa, la velocitat del vehicle es redueix iniciant un parell negatiu (oposat al moviment) al motor amb l'ajuda del controlador del motor. De vegades, la gent es confon quan visualitza el concepte que el motor actua com a generador quan gira en sentit invers en mode de frenada regenerativa. En aquest article, es pot entendre com recuperar l'energia cinètica mitjançant un mètode de frenada regenerativa en vehicles elèctrics.

Com actua un motor com a generador

En primer lloc, ens centrarem en entendre com un motor pot actuar com a generador. Tots hem utilitzat el motor DC d’imant permanent en aplicacions de robòtica com el seguidor de línia. Quan la roda del robot connectada al motor gira lliurement (externament a mà), de vegades el controlador IC del motor es fa malbé. Això passa perquè el motor actua com a generador i el CEM posterior generat (tensió inversa de major magnitud) s’aplica a través de l’IC del controlador, cosa que el danya. Quan fem girar l’armadura en aquests motors, talla el flux dels imants permanents. Com a resultat d'això, la inducció dels CEM s'oposa al canvi de flux. Per tant, podem mesurar una tensió als borns del motor. Es deu al fet que la CEM posterior és una funció de la velocitat del rotor (rpm). Quan la rpm és més gran i si l’emf posterior generada és superior a la tensió d’alimentació, el motor actua com a generador. Vegem-ho aracom funciona aquest principi en vehicles elèctrics per evitar pèrdues d’energia a causa de la frenada.

Quan el motor accelera el vehicle, l’energia cinètica associada augmenta com un quadrat de la velocitat. Durant la navegació, el vehicle descansa quan l’energia cinètica es torna zero. Quan apliquem els frens en un vehicle elèctric, el controlador del motor funciona de manera que el motor descansi o redueixi la seva velocitat. Això implica invertir la direcció del parell motor al de la direcció de gir. Durant aquest procés, el rotor del motor connectat a l'eix motriu genera una CEM al motor (anàloga a un motor principal / turbina que condueix el rotor del generador). Quan la CEM generada és superior al voltatge del banc de condensadors, la potència flueix del motor al banc. Així, l'energia recuperada s'emmagatzema a la bateria o al banc de condensadors.

Com funciona el frenat regeneratiu en vehicles elèctrics

Considerem que un cotxe té un motor d’inducció de corrent altern trifàsic com a motor per a la seva propulsió. Per les característiques del motor, sabem que quan un motor d’inducció trifàsic funciona per sobre de la seva velocitat síncrona, la relliscada es torna negativa i el motor actua com a generador (alternador). En circumstàncies pràctiques, la velocitat d’un motor d’inducció sempre és inferior a la velocitat síncrona. La velocitat síncronaés la velocitat del camp magnètic giratori de l’estator produïda a causa de la interacció del subministrament trifàsic. En el moment d’engegar el motor, la CEM induïda al rotor és màxima. Quan el motor comença a girar, la inducció de CEM disminueix en funció del lliscament. Quan la velocitat del rotor assoleix la velocitat síncrona, la CEM induïda és nul·la. En aquest punt, si intentem girar el rotor per sobre d’aquesta velocitat, s’induirà la CEM. En aquest cas, el motor torna a subministrar energia activa a la xarxa elèctrica o a l’alimentació. Aplicem frens per reduir la velocitat del vehicle. En aquest cas, no podem esperar que la velocitat del rotor superi la velocitat síncrona. Aquí és on apareix el paper del controlador del motor. Per tal d’entendre-ho, podem visualitzar com l’exemple que es mostra a continuació.

Suposem que el motor gira a 5900 rpm i que la freqüència de subministrament és de 200 Hz quan apliquem un fre, hem de reduir la rpm o baixar-la a zero. El controlador actua d’acord amb l’entrada del sensor del pedal de fre i realitza aquesta operació. Durant aquest procés, el controlador establirà una freqüència de subministrament inferior a 200 Hz com 80 Hz. Per tant, la velocitat síncrona del motor es converteix en 2400 rpm. Des de la perspectiva del controlador del motor, la velocitat del motor és més que la seva velocitat síncrona. Com que reduïm la velocitat durant l'operació de frenada, el motor actua com a generador fins que la rpm disminueix a 2400. Durant aquest període, podem extreure energia del motor i emmagatzemar-la al banc de bateries o condensadors.Cal destacar que la bateria continua subministrant energia als motors d’inducció trifàsics durant el procés de frenada regenerativa. Es deu al fet que els motors d’inducció no tenen una font de flux magnètic quan l’alimentació està DESACTIVADA. Per tant, el motor quan actua com a generador extreu potència reactiva del subministrament per establir la connexió de flux i li torna la potència activa. Per a diferents motors, el principi de recuperar l’energia cinètica durant la frenada regenerativa és diferent. Els motors d’imant permanent poden actuar com a generadors sense cap font d’alimentació perquè tenen imants al rotor per produir flux magnètic. De la mateixa manera, pocs motors tenen un magnetisme residual que elimina l'excitació externa necessària per crear flux magnètic.Es deu al fet que els motors d’inducció no tenen una font de flux magnètic quan l’alimentació està DESACTIVADA. Per tant, el motor, quan actua com a generador, extreu potència reactiva del subministrament per establir la connexió de flux i li torna la potència activa. Per a diferents motors, el principi de recuperar l’energia cinètica durant la frenada regenerativa és diferent. Els motors d’imant permanent poden actuar com a generadors sense cap font d’alimentació perquè tenen imants al rotor per produir flux magnètic. De la mateixa manera, pocs motors tenen un magnetisme residual que elimina l'excitació externa necessària per crear flux magnètic.Es deu al fet que els motors d’inducció no tenen una font de flux magnètic quan l’alimentació està DESACTIVADA. Per tant, el motor, quan actua com a generador, extreu potència reactiva del subministrament per establir la connexió de flux i li torna la potència activa. Per a diferents motors, el principi de recuperar l’energia cinètica durant la frenada regenerativa és diferent. Els motors d’imant permanent poden actuar com a generadors sense cap font d’alimentació perquè tenen imants al rotor per produir flux magnètic. De la mateixa manera, pocs motors tenen un magnetisme residual que elimina l'excitació externa necessària per crear flux magnètic.el principi de recuperar l'energia cinètica durant la frenada regenerativa és diferent. Els motors d’imant permanent poden actuar com a generadors sense cap font d’alimentació perquè tenen imants al rotor per produir flux magnètic. De la mateixa manera, pocs motors tenen un magnetisme residual que elimina l'excitació externa necessària per crear flux magnètic.el principi de recuperar l'energia cinètica durant la frenada regenerativa és diferent. Els motors d’imant permanent poden actuar com a generadors sense cap font d’alimentació perquè tenen imants al rotor per produir flux magnètic. De la mateixa manera, pocs motors tenen un magnetisme residual que elimina l'excitació externa necessària per crear flux magnètic.

En la majoria dels vehicles elèctrics, el motor elèctric només està connectat a l'eix de tracció individual (principalment a l'eix de tracció posterior). En aquest cas, hem d’utilitzar un sistema de frenada mecànica (frenada hidràulica) per a les rodes davanteres. Això vol dir que el controlador ha de mantenir la coordinació entre el sistema de frenat mecànic i electrònic mentre s’apliquen els frens.

Val la pena implementar la frenada regenerativa en tots els vehicles elèctrics?

No hi ha dubte en el potencial de recuperació d’energia en el concepte del mètode de frenada regenerativa, però també té algunes limitacions. Com s’ha assenyalat anteriorment, la velocitat amb què es poden carregar les bateries és lenta en comparació amb la velocitat a la qual es poden descarregar. Això limita la quantitat d'energia recuperada que les bateries poden emmagatzemar durant un frenat sobtat (desacceleració ràpida). No és aconsellable utilitzar frenades regeneratives en condicions de càrrega completa. Es deu a que la sobrecàrrega pot danyar les bateries, però el circuit electrònic impedeix una sobrecàrrega. En aquest cas, el banc de condensadors pot emmagatzemar l'energia i ajudar a ampliar l'abast. Si no hi és, s’aplicaran els frens mecànics per aturar el vehicle.

Sabem que l’energia cinètica ve donada per 0,5 * m * v ². La quantitat d’energia que podem recuperar depèn de la massa del vehicle i també de la velocitat a la qual circula. La massa total és més elevada en vehicles pesats, com ara cotxes elèctrics, autobusos elèctrics i camions. En el cicle de conducció urbana, aquests vehicles pesants guanyarien un gran impuls després de l’acceleració tot i fer un creuer a baixa velocitat. Així, durant la frenada, l’energia cinètica disponible és més gran en comparació amb un patinet elèctric que viatja a la mateixa velocitat. Per tant, l’ eficàcia de la frenada regenerativa es produeix més en cotxes elèctrics, autobusos i altres vehicles pesats. Tot i que són pocs els patinets elèctrics que tenen la característica de frenar regenerativament, l’impacte d’aquest sobre el sistema (la quantitat d’energia recuperada o el rang ampliat) no és tan efectiu com en els cotxes elèctrics.

La necessitat de bancs de condensadors o condensadors ultra

Durant la frenada, hem d’aturar o reduir la velocitat del vehicle instantàniament. Per tant, l’operació de frenada en aquell instant hi és durant poc temps. Les bateries tenen un límit en el temps de càrrega; no podem abocar més energia alhora perquè degradarà les bateries. A part d’això, la càrrega i descàrrega freqüents de la bateria també redueix la vida útil de la bateria. Per evitar-ho, afegim un banc de condensadors o ultra-condensadors al sistema. Els condensadors ultra o Super condensadors es poden descarregar i carregar durant molts cicles sense cap degradació del rendiment, cosa que contribueix a augmentar la vida de la bateria. El condensador ultra té una resposta ràpida, que ajuda a captar els pics d’energia / augment de manera efectiva durant l’operació de frenada regenerativa.La raó per triar un condensador ultra és que pot emmagatzemar 20 vegades més energia que els condensadors electrolítics. Aquest sistema allotja un convertidor de CC a CC. Durant l’acceleració, l’operació d’augment permet que el condensador es descarregui fins a un valor llindar. Durant la desacceleració (és a dir, la frenada), l'operació Buck permet que el condensador es carregui. Els condensadors ultra tenen una bona resposta transitòria, que és útil durant l’arrencada del vehicle. Emmagatzemant l’energia recuperada a part de la bateria, pot ajudar a ampliar l’abast del vehicle i també pot suportar una acceleració sobtada amb l’ajut del circuit d’augment.la frenada) l’operació Buck permet que el condensador es carregui. Els condensadors ultra tenen una bona resposta transitòria, que és útil durant l’arrencada del vehicle. Emmagatzemant l’energia recuperada a part de la bateria, pot ajudar a ampliar l’abast del vehicle i també pot suportar una acceleració sobtada amb l’ajut del circuit d’augment.la frenada) l’operació Buck permet que el condensador es carregui. Els condensadors ultra tenen una bona resposta transitòria, que és útil durant l’arrencada del vehicle. Emmagatzemant l’energia recuperada a part de la bateria, pot ajudar a ampliar l’abast del vehicle i també pot suportar una acceleració sobtada amb l’ajut del circuit d’augment.