Como funciona a frenagem regenerativa em veículos elétricos

A frenagem é um dos aspectos importantes de um veículo. O sistema de freio mecânico que usamos em nossos veículos tem uma grande desvantagem de desperdiçar a energia cinética do veículo na forma de calor. Isso reduz a eficiência geral do veículo, afetando a economia de combustível. No ciclo de condução urbano, tendemos a iniciar e parar o veículo com mais frequência em comparação com o ciclo de condução em rodovia. Como aplicamos o freio frequentemente em um ciclo de direção urbano, a perda de energia é maior. Os engenheiros criaram o sistema de travagem regenerativapara recuperar a energia cinética dissipada como calor durante a frenagem no método de frenagem tradicional. Seguindo as leis da física, não podemos recuperar toda a energia cinética perdida, mas ainda assim uma quantidade significativa de energia cinética pode ser convertida e armazenada em bateria ou Supercapacitor. A energia recuperada ajuda a melhorar a economia de combustível em veículos convencionais e ajuda a estender o alcance em veículos elétricos. É de notar que o processo de travagem regenerativa tem perdas ao recuperar a energia cinética. Antes de prosseguir, você também pode verificar outro artigo interessante sobre EVs:

• Introdução de um engenheiro aos veículos elétricos (EVs)
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O conceito de frenagem regenerativa pode ser implementado em veículos convencionais com rodas Fly. Volantes são discos com alta inércia que giram em uma velocidade muito alta. Eles atuam como um dispositivo de armazenamento de energia mecânica, absorvendo (armazenando) a energia cinética do veículo durante a frenagem. A energia recuperada durante o processo de frenagem pode ser usada para auxiliar o veículo durante a partida ou movimento em subida.

Em veículos elétricos, podemos incorporar eletronicamente a frenagem regenerativa de uma forma muito mais eficiente. Isso reduzirá a necessidade de volantes pesados, o que adiciona peso extra ao peso total do veículo. Os veículos elétricos têm um problema inerente de ansiedade de alcance entre os usuários. Embora a velocidade média do veículo no ciclo de direção urbano seja de cerca de 25-40 km / h, as freqüentes acelerações e frenagens drenam a bateria logo. Sabemos que motores podem atuar como geradores sob certas condições. Usando este recurso, pode-se evitar que a energia cinética do veículo seja desperdiçada. Quando aplicamos o freio em veículos elétricos, o controlador do motor (baseado na saída do sensor do pedal do freio) reduz o desempenho ou para o motor. Durante esta operação, o controlador do motor é projetado pararecupere a energia cinética e armazene-a na bateria ou nos bancos de capacitores. A frenagem regenerativa ajuda a estender o alcance do veículo elétrico em 8-25%. Além de economizar energia e aumentar o alcance, também auxilia no controle eficaz da operação de frenagem.

No sistema de frenagem mecânica, um torque reverso é exercido na roda quando pressionamos o pedal do freio. Da mesma forma, no modo de frenagem regenerativa, a velocidade do veículo é reduzida iniciando um torque negativo (oposto ao movimento) no motor com a ajuda do controlador do motor. Às vezes, as pessoas ficam confusas ao visualizar o conceito de que o motor atua como um gerador quando gira na direção reversa no modo de frenagem regenerativa. Neste artigo, pode-se entender como recuperar a energia cinética por meio do método de frenagem regenerativa em veículos elétricos.

Como um motor atua como gerador

Primeiro, vamos nos concentrar em entender como um motor pode atuar como um gerador. Todos nós usamos o motor CC de ímã permanente em aplicações de robótica, como o seguidor de linha. Quando a roda do robô conectado ao motor é girada livremente (externamente com a mão), às vezes o IC do acionador do motor fica danificado. Isso ocorre porque o motor atua como um gerador, e o back EMF gerado (tensão reversa de maior magnitude) é aplicado no IC do driver, o que o danifica. Quando giramos a armadura nesses motores, ele corta o fluxo dos ímãs permanentes. Como resultado disso, o EMF é induzido a se opor à mudança no fluxo. Portanto, podemos medir uma tensão nos terminais do motor. É porque o EMF traseiro é uma função da velocidade do rotor (rpm). Quando a rpm é maior e a fem de retorno gerada é maior que a tensão de alimentação, o motor atua como um gerador. Vamos ver agoracomo esse princípio funciona em veículos elétricos para evitar perda de energia devido à frenagem.

Quando o motor acelera o veículo, a energia cinética associada a ele aumenta como um quadrado da velocidade. Durante a desaceleração, o veículo pára quando a energia cinética chega a zero. Quando acionamos os freios de um veículo elétrico, o controlador do motor opera de forma a fazer o motor parar ou reduzir sua velocidade. Isso envolve a reversão da direção do torque do motor para a direção de rotação. Durante este processo, o rotor do motor conectado ao eixo motriz gera um EMF no motor (análogo a um motor principal / turbina que aciona o rotor do gerador). Quando o EMF gerado é maior do que a tensão do banco de capacitores, a energia flui do motor para o banco. Assim, a energia recuperada é armazenada na bateria ou no banco de capacitores.

Como funciona a frenagem regenerativa em veículos elétricos

Vamos considerar que um carro tem um motor de indução CA trifásico como motor de sua propulsão. Pelas características do motor, sabemos que quando um motor de indução trifásico gira acima de sua velocidade síncrona, o escorregamento torna-se negativo e o motor atua como um gerador (alternador). Em circunstâncias práticas, a velocidade de um motor de indução é sempre menor que a velocidade síncrona. A velocidade síncronaé a velocidade do campo magnético giratório do estator produzido devido à interação da alimentação trifásica. No momento da partida do motor, a EMF induzida no rotor é máxima. Conforme o motor começa a girar, a EMF induzida diminui em função do escorregamento. Quando a velocidade do rotor atinge a velocidade síncrona, o EMF induzido é zero. Neste ponto, se tentarmos girar o rotor acima desta velocidade, EMF será induzido. Neste caso, o motor fornece energia ativa de volta para a rede ou fonte de alimentação. Aplicamos freios para reduzir a velocidade do veículo. Nesse caso, não podemos esperar que a velocidade do rotor exceda a velocidade síncrona. É aqui que entra em cena o papel do controlador do motor. Para fins de compreensão, podemos visualizar como o exemplo dado abaixo.

Vamos supor que o motor esteja girando a 5900 rpm e a frequência de alimentação seja de 200 Hz quando aplicamos o freio, temos que reduzir a rpm ou trazê-la para zero. O controlador atua de acordo com a entrada do sensor do pedal do freio e realiza essa operação. Durante este processo, o controlador definirá a frequência de alimentação menor que 200 Hz, como 80 Hz. Portanto, a velocidade síncrona do motor torna-se 2.400 rpm. Da perspectiva do controlador do motor, a velocidade do motor é maior do que sua velocidade síncrona. Como estamos reduzindo a velocidade durante a operação de frenagem, o motor agora atua como um gerador até que a rotação diminua para 2.400. Durante este período, podemos extrair energia do motor e armazená-la na bateria ou banco de capacitores.É importante notar que a bateria continua a fornecer energia para os motores de indução trifásicos durante o processo de frenagem regenerativa. Isso ocorre porque os motores de indução não possuem uma fonte de fluxo magnético quando a alimentação está desligada. Portanto, quando o motor atua como um gerador, obtém energia reativa da fonte para estabelecer a ligação de fluxo e fornece energia ativa de volta para ele. Para motores diferentes, o princípio de recuperação da energia cinética durante a frenagem regenerativa é diferente. Motores de ímã permanente podem atuar como um gerador sem qualquer fonte de alimentação porque tem ímãs no rotor para produzir fluxo magnético. Da mesma forma, poucos motores têm magnetismo residual, o que elimina a excitação externa necessária para criar o fluxo magnético.Isso ocorre porque os motores de indução não possuem uma fonte de fluxo magnético quando a alimentação está desligada. Portanto, o motor, quando atua como um gerador, retira energia reativa da fonte para estabelecer a ligação de fluxo e fornece energia ativa de volta para ele. Para motores diferentes, o princípio de recuperação da energia cinética durante a frenagem regenerativa é diferente. Os motores de ímã permanente podem atuar como um gerador sem qualquer fonte de alimentação, porque tem ímãs no rotor para produzir fluxo magnético. Da mesma forma, poucos motores têm magnetismo residual, o que elimina a excitação externa necessária para criar o fluxo magnético.É porque os motores de indução não possuem uma fonte de fluxo magnético quando a alimentação está desligada. Portanto, o motor, quando atua como um gerador, retira energia reativa da fonte para estabelecer a ligação de fluxo e fornece energia ativa de volta para ele. Para motores diferentes, o princípio de recuperação da energia cinética durante a frenagem regenerativa é diferente. Os motores de ímã permanente podem atuar como um gerador sem qualquer fonte de alimentação, porque tem ímãs no rotor para produzir fluxo magnético. Da mesma forma, poucos motores têm magnetismo residual, o que elimina a excitação externa necessária para criar o fluxo magnético.o princípio de recuperação da energia cinética durante a frenagem regenerativa é diferente. Motores de ímã permanente podem atuar como um gerador sem qualquer fonte de alimentação porque tem ímãs no rotor para produzir fluxo magnético. Da mesma forma, poucos motores têm magnetismo residual, o que elimina a excitação externa necessária para criar o fluxo magnético.o princípio de recuperação da energia cinética durante a frenagem regenerativa é diferente. Motores de ímã permanente podem atuar como um gerador sem qualquer fonte de alimentação porque tem ímãs no rotor para produzir fluxo magnético. Da mesma forma, poucos motores têm magnetismo residual, o que elimina a excitação externa necessária para criar o fluxo magnético.

Na maioria dos veículos elétricos, o motor elétrico é conectado apenas ao eixo de tração único (principalmente ao eixo de tração da roda traseira). Neste caso, é necessário empregar um sistema de travagem mecânica (travagem hidráulica) para as rodas dianteiras. Isso significa que o controlador deve manter a coordenação entre o sistema de frenagem mecânico e eletrônico ao aplicar os freios.

A frenagem regenerativa vale a pena ser implementada em todos os veículos elétricos?

Não há dúvida quanto ao potencial de recaptura de energia no conceito do método de frenagem regenerativa, mas também possui algumas limitações. Como apontado antes, a taxa de carregamento das baterias é lenta quando comparada à taxa de descarga. Isso limita a quantidade de energia recuperada que as baterias podem armazenar durante uma frenagem repentina (desaceleração rápida). Não é aconselhável usar a frenagem regenerativa em condições totalmente carregadas. É porque a sobrecarga pode danificar as baterias, mas o circuito eletrônico evita a sobrecarga delas. Nesse caso, o banco de capacitores pode armazenar a energia e auxiliar na ampliação do alcance. Se não estiver lá, os freios mecânicos são acionados para parar o veículo.

Sabemos que a energia cinética é dada por 0,5 * m * v ². A quantidade de energia que podemos recuperar depende da massa do veículo e também da velocidade com que ele se desloca. A massa total é maior em veículos pesados, como carros elétricos, ônibus elétricos e caminhões. No ciclo de condução urbana, esses veículos pesados ​​ganhariam grande impulso após a aceleração, apesar de cruzar em baixa velocidade. Portanto, durante a frenagem, a energia cinética disponível é maior quando comparada a uma scooter elétrica viajando na mesma velocidade. Portanto, a eficácia da frenagem regenerativa é mais em carros elétricos, ônibus e outros veículos pesados. Embora poucas scooters elétricas tenham o recurso de frenagem regenerativa, o impacto disso no sistema (a quantidade de energia recuperada ou o alcance estendido) não é tão eficaz quanto nos carros elétricos.

A necessidade de bancos de capacitores ou ultracapacitores

Durante a frenagem, precisamos parar ou reduzir a velocidade do veículo instantaneamente. Portanto, a operação de frenagem naquele instante é por um curto período de tempo. As baterias têm um limite de tempo de carregamento e não podemos descarregar mais energia de uma vez porque isso degradará as baterias. Além disso, a carga e descarga freqüentes da bateria também reduzem sua vida útil. Para evitar isso, adicionamos um banco de capacitores ou ultracapacitores ao sistema. Ultra capacitores ou supercapacitores podem descarregar e carregar por muitos ciclos sem qualquer degradação de desempenho, o que ajuda a aumentar a vida útil da bateria. O ultracapacitor tem uma resposta rápida, o que ajuda a capturar os picos / oscilações de energia de forma eficaz durante a operação de frenagem regenerativa.A razão para escolher um ultracapacitor é que ele pode armazenar 20 vezes mais energia do que os capacitores eletrolíticos. Este sistema abriga um conversor DC para DC. Durante a aceleração, a operação de reforço permite que o capacitor descarregue até um valor limite. Durante a desaceleração (ou seja, frenagem), a operação de amortecimento permite que o capacitor seja carregado. Os ultracapacitores têm uma boa resposta transitória, o que é útil durante a partida do veículo. Ao armazenar a energia recuperada fora da bateria, pode ajudar a estender o alcance do veículo e também pode suportar acelerações repentinas com a ajuda do circuito de reforço.frenagem) a operação de amortecimento permite que o capacitor carregue. Os ultracapacitores têm uma boa resposta transitória, o que é útil durante a partida do veículo. Ao armazenar a energia recuperada fora da bateria, pode ajudar a estender o alcance do veículo e também pode suportar acelerações repentinas com a ajuda do circuito de reforço.frenagem) a operação de amortecimento permite que o capacitor carregue. Os ultracapacitores têm uma boa resposta transitória, o que é útil durante a partida do veículo. Ao armazenar a energia recuperada fora da bateria, pode ajudar a estender o alcance do veículo e também pode suportar acelerações repentinas com a ajuda do circuito de reforço.