Como funciona a frenagem regenerativa

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Os bondes estavam entre os primeiros veículos a usar a tecnologia de frenagem regenerativa. Confira nossas fotos de freio. - © -iStockphoto / Lisa Anderson

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Cada vez que você pisa no freio do carro, está desperdiçando energia. A física nos diz que a energia não pode ser destruída. Então, quando seu carro diminui a velocidade, a energia cinética que o impulsionava para frente precisa ir para algum lugar. A maior parte simplesmente se dissipa como calor e se torna inútil. Essa energia, que poderia ter sido usada para fazer o trabalho, é essencialmente desperdiçada.

Existe algo que você, o motorista, pode fazer para parar de desperdiçar essa energia? Na verdade não. Na maioria dos carros, é o subproduto inevitável da frenagem e não há como dirigir um carro sem pisar ocasionalmente no freio. Mas os engenheiros automotivos refletiram muito sobre esse problema e criaram um tipo de sistema de freio que pode recapturar grande parte da energia cinética do carro e convertê-la em eletricidade, para que possa ser usada para recarregar as baterias do carro. Este sistema é chamado de frenagem regenerativa.

Atualmente, esses tipos de freios são encontrados principalmente em veículos híbridos, como o Toyota Prius, e em carros totalmente elétricos, como o Tesla Roadster. Em veículos como esses, manter a bateria carregada é de grande importância. No entanto, a tecnologia foi usada pela primeira vez em carros elétricos e posteriormente encontrou seu caminho em lugares improváveis ​​como bicicletas elétricas e até mesmo carros de corrida de Fórmula 1.

-Em um sistema de frenagem tradicional, as pastilhas de freio produzem atrito com os rotores de freio para desacelerar ou parar o veículo. Atrito adicional é produzido entre as rodas desaceleradas e a superfície da estrada. Esse atrito é o que transforma a energia cinética do carro em calor. Já com freios regenerativos, o sistema de acionamento do veículo faz a maior parte da frenagem. Quando o motorista pisa no pedal do freio de um veículo elétrico ou híbrido, esses tipos de freios colocam o motor elétrico do veículo em marcha à ré, fazendo com que ele rode para trás, diminuindo a velocidade das rodas do carro. Enquanto corre para trás, o motor também atua como um gerador elétrico, produzindo eletricidade que então alimenta as baterias do veículo. Esses tipos de freios funcionam melhor em certas velocidades do que em outras. Na verdade, eles são mais eficazes em situações de direção sem saída. No entanto, os carros híbridos e totalmente elétricos também têm freios de fricção, como uma espécie de sistema reserva em situações em que a frenagem regenerativa simplesmente não fornece força de parada suficiente. Nesses casos, é importante que os motoristas estejam cientes do fato de que o pedal do freio pode responder de forma diferente à pressão. O pedal às vezes pressiona mais em direção ao chão do que normalmente e essa sensação pode causar pânico momentâneo nos motoristas.

Nas páginas seguintes, daremos uma olhada mais detalhada em como funciona um sistema de frenagem regenerativa e discutiremos as razões pelas quais a frenagem regenerativa é mais eficiente do que um sistema de freio de fricção típico.

Conteúdo
  1. Circuitos de frenagem regenerativa
  2. Controladores de frenagem regenerativa
  3. Frenagem regenerativa híbrida
  4. Frenagem Hidráulica Regenerativa
  5. Eficiência de frenagem regenerativa
  6. Diagrama de frenagem regenerativa
Carros híbridos e totalmente elétricos usam sistemas de frenagem regenerativos para carregar as baterias. © -iStockphoto / -TIM MCCAIG

A frenagem regenerativa é usada em veículos que fazem uso de motores elétricos, principalmente veículos totalmente elétricos e veículos elétricos híbridos. Uma das propriedades mais interessantes de um motor elétrico é que, quando é executado em uma direção, ele converte energia elétrica em energia mecânica que pode ser usada para realizar trabalhos (como girar as rodas de um carro), mas quando o motor está rodando na direção oposta, um motor adequadamente projetado torna-se um gerador elétrico, convertendo energia mecânica em energia elétrica. Esta energia elétrica pode então ser alimentada em um sistema de carregamento para as baterias do carro.

Em um sistema de frenagem regenerativa, o truque para fazer o motor funcionar para trás é usar o impulso do veículo como a energia mecânica que coloca o motor em marcha ré. Momentum é a propriedade que mantém o veículo em movimento depois de acelerado. Uma vez que o motor foi revertido, a eletricidade gerada pelo motor é alimentada de volta nas baterias, onde pode ser usada para acelerar o carro novamente após ele parar. Um circuito eletrônico sofisticado é necessário para decidir quando o motor deve reverter, enquanto circuitos elétricos especializados direcionam a eletricidade gerada pelo motor para as baterias do veículo. Em alguns casos, a energia produzida por esses tipos de freios é armazenada em uma série de capacitores para uso posterior. Além disso, como os veículos que usam esse tipo de freio também têm um sistema de frenagem por atrito padrão, a eletrônica do veículo deve decidir qual sistema de freio é apropriado em que momento. Como muito é controlado eletronicamente em um sistema de frenagem regenerativa, é até possível para o motorista selecionar certas predefinições que determinam como o veículo reage em diferentes situações. Por exemplo, em alguns veículos, um motorista pode selecionar se a frenagem regenerativa deve começar imediatamente sempre que o pé do motorista sair do pedal do acelerador e se o sistema de frenagem levará o carro até 0 mph (0 quilômetros por hora) ou deixará o costa do carro ligeiramente.

Há um movimento geral na indústria automotiva em direção aos chamados sistemas de freio a fio, em que muitas das funções dos freios que tradicionalmente eram executadas mecanicamente serão realizadas eletronicamente. Os carros híbridos e elétricos provavelmente serão os primeiros a adotar esses tipos de freio. No momento, diferentes engenheiros automotivos criaram diferentes projetos de circuitos para lidar com as complexidades da frenagem regenerativa; no entanto, em todos os casos, a parte mais importante do circuito de frenagem é o controlador de frenagem, que discutiremos na próxima seção.

Os sistemas de travagem regenerativos são particularmente eficazes em condições de condução pára e arranca. © -iStockphoto / -Dave Herriman

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Os controladores de freio são dispositivos eletrônicos que podem controlar os freios remotamente, decidindo quando a frenagem começa, termina e com que rapidez os freios devem ser aplicados. Em situações de reboque, por exemplo, os controladores de freio podem fornecer um meio de coordenar os freios de um trailer com os freios do veículo que faz o reboque.

A frenagem regenerativa é implementada em conjunto com os sistemas de frenagem antibloqueio (ABS), de modo que o controlador de frenagem regenerativa é semelhante a um controlador ABS, que monitora a velocidade de rotação das rodas e a diferença nessa velocidade em relação

uma roda para outra. Em veículos que usam esse tipo de freio, o controlador de freio não apenas monitora a velocidade das rodas, mas pode calcular quanto torque - força rotacional - está disponível para gerar eletricidade a ser alimentada de volta nas baterias. Durante a operação de frenagem, o controlador de freio direciona a eletricidade produzida pelo motor para as baterias ou capacitores. Ele garante que uma quantidade ideal de energia seja recebida pelas baterias, mas também garante que o influxo de eletricidade não seja maior do que as baterias podem suportar.

A função mais importante do controlador de freio, entretanto, pode ser decidir se o motor é atualmente capaz de lidar com a força necessária para parar o carro. Se não for, o controlador de freio transfere o trabalho para os freios de fricção, evitando uma possível catástrofe. Em veículos que usam esses tipos de freios, assim como qualquer outra peça eletrônica a bordo de um carro híbrido ou elétrico, o controlador de freio torna possível todo o processo de frenagem regenerativa.

Os veículos híbridos utilizam um motor de combustão interna e um motor elétrico. © -iStockphoto / -David H. Lewis

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Em que um veículo híbrido difere de um veículo totalmente elétrico? Bem, os veículos elétricos híbridos usam um motor elétrico e um motor de combustão interna para fornecer a melhor experiência de direção dos dois mundos. Eles combinam a autonomia de um motor de combustão interna com a eficiência de combustível e as características livres de emissões de um motor elétrico. Se um híbrido deve ter eficiência máxima de combustível e produzir o mínimo possível de emissões de carbono, é importante que a bateria permaneça carregada o máximo possível. Se a bateria de um veículo híbrido perdesse a carga, o motor de combustão interna seria inteiramente responsável por alimentar o veículo. Nesse ponto, o veículo não está mais agindo como um híbrido, mas apenas mais um carro queimando combustíveis fósseis.

Os engenheiros automotivos criaram uma série de truques para extrair o máximo de eficiência dos híbridos, como a aerodinâmica das carrocerias e o uso de materiais leves, mas sem dúvida um dos mais importantes é a frenagem regenerativa. Em uma configuração híbrida, no entanto, esses tipos de freios podem fornecer energia apenas para a parte do motor elétrico do trem de força por meio da bateria do veículo. A combustão interna

o motor não ganha vantagem com esses tipos de freios.

Em parte, essas eficiências são necessárias devido à extrema dificuldade em encontrar um local para recarregar um híbrido. Isso torna as viagens mais longas difíceis sem depender do motor de combustão interna do híbrido, o que na verdade anula algumas das vantagens de possuir um híbrido.

A seguir, aprenderemos sobre uma nova abordagem dessa ideia de frenagem regenerativa.

Os sistemas de travagem Hydraulic Power Assist (HPA) podem ser mais úteis em caminhões grandes. - © -iStockphoto / -Eric Bechtold

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Um sistema alternativo de frenagem regenerativa está sendo desenvolvido pela Ford Motor Company e pela Eaton Corporation. É chamado Hidráulica Power Assist ou HPA. Com o HPA, quando o motorista pisa no freio, a energia cinética do veículo é usada para acionar uma bomba reversível, que envia fluido hidráulico de um acumulador de baixa pressão (uma espécie de tanque de armazenamento) de dentro do veículo para um acumulador de alta pressão. A pressão é criada pelo gás nitrogênio no acumulador, que é comprimido conforme o fluido é bombeado para o espaço que o gás ocupava anteriormente. Isso reduz a velocidade do veículo e ajuda a pará-lo. O fluido permanece sob pressão no acumulador até que o motorista pressione o acelerador novamente, momento em que a bomba é revertida e o fluido pressurizado é usado para acelerar o veículo, efetivamente traduzindo a energia cinética que o carro tinha antes de frear em energia mecânica que ajuda a colocar o veículo de volta em velocidade. Prevê-se que um sistema como esse poderia armazenar 80% do impulso perdido por um veículo durante a desaceleração e usá-lo para fazer o veículo se mover novamente [fonte: HybridCars.com]. Esta porcentagem representa um ganho ainda mais impressionante do que o produzido pelos atuais sistemas de frenagem regenerativos. Como a frenagem regenerativa eletrônica, esses tipos de freios - sistemas HPA - são mais usados ​​para dirigir na cidade, onde o tráfego pára e arranca é comum.

Até agora, os sistemas HPA têm sido usados ​​principalmente como provas de conceito e apenas em projetos de demonstração. Eles ainda não estão prontos para modelos de produção. Atualmente, esses freios hidráulicos são barulhentos e sujeitos a vazamentos; no entanto, uma vez que todos os detalhes são resolvidos, tais sistemas provavelmente serão mais úteis em grandes caminhões pesando 10.000 libras (4.536 kg) ou mais, onde esses tipos de freios podem provar ser um sistema mais ideal do que o regenerativo controlado eletronicamente freios.

-Eventualmente, essa tecnologia pode se espalhar para veículos menores. Uma empresa, Hybrid-Drive Systems, LLC, de Michigan, adaptou um Volkswagen Beetle 1968 com um sistema de freio regenerativo hidráulico. No entanto, os acumuladores ocupam uma quantidade considerável de espaço, e os planos de produção futuros estão mais focados no uso da tecnologia em veículos maiores, como vans. Enquanto isso, a Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA) fez uma parceria com a Eaton Corporation para instalar sistemas de freio regenerativo hidráulico em caminhões de entrega de UPS.

O Tesla Roadster é um carro totalmente elétrico. Vince Bucci / -Getty Images

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A eficiência energética de um carro convencional é de apenas 20%, com os 80% restantes sendo convertidos em calor por meio do atrito. A coisa milagrosa sobre a frenagem regenerativa é que ela pode ser capaz de capturar até metade dessa energia desperdiçada e colocá-la de volta ao trabalho. Isso poderia reduzir o consumo de combustível em 10 a 25 por cento. Os sistemas de frenagem regenerativa hidráulica podem fornecer ganhos ainda mais impressionantes, reduzindo potencialmente o uso de combustível em 25 a 45 por cento [fonte: HybridCars.com]. Em um século que pode ver o fim

das vastas reservas de combustíveis fósseis que nos forneceram energia para automóveis e outras tecnologias por muitos anos, e nas quais os temores sobre as emissões de carbono estão chegando ao auge, esta eficiência adicional está se tornando cada vez mais importante.

O início do século 21 pode muito bem marcar o período final em que os motores de combustão interna são comumente usados ​​em automóveis. As montadoras já estão se movendo em direção a transportadoras alternativas de energia,

como baterias elétricas, combustível de hidrogênio e até mesmo ar comprimido. A frenagem regenerativa é um passo pequeno, mas muito importante, em direção à nossa eventual independência dos combustíveis fósseis. Esses tipos de freios permitem que as baterias sejam usadas por longos períodos de tempo sem a necessidade de serem conectadas a um carregador externo. Esses tipos de freios também aumentam a autonomia de veículos totalmente elétricos. Na verdade, essa tecnologia já ajudou a nos trazer carros como o Tesla Roadster, que funciona inteiramente com bateria. Claro, esses carros podem usar combustíveis fósseis na fase de recarga - isto é, se a fonte de eletricidade vier de um combustível fóssil como o carvão - mas quando estão na estrada, podem operar sem uso de combustíveis fósseis, e isso é um grande passo em frente.

A eficiência adicional da frenagem regenerativa também significa menos dor na bomba, uma vez que híbridos com motores elétricos e freios regenerativos podem viajar consideravelmente mais longe com um galão de gasolina, alguns alcançando mais de 50 milhas por galão neste ponto. E isso é algo que a maioria dos motoristas pode realmente apreciar.

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-Este diagrama simples mostra como um sistema de frenagem regenerativa é capaz de recapturar parte da energia cinética do veículo e convertê-la em eletricidade. Essa eletricidade é então usada para recarregar as baterias do veículo.

-Para aprender mais sobre sistemas de freio e tópicos automotivos relacionados, verifique os links na próxima página.-

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Fontes

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  • Cantwell, Katie. "Visão geral da regeneração." Rockwell Automation Allen-Bradley. 7 de maio de 2002. (13 de janeiro de 2009) http://www.ab.com/drives/techpapers/RegenOverview01.pdf
  • Chen, Jason. "Panasonic faz bicicletas elétricas com frenagem regenerativa." Gizmodo. 7 de julho de 2008. (13 de janeiro de 2009) http://gizmodo.com/5022587/panasonic-makes-electric-bike-with-regenerative-braking
  • Continental Corporation. "ISAD e EHB tornam os carros mais econômicos e ecologicamente corretos." 17 de março de 2002. (13 de janeiro de 2009) http://www.conti-online.com/generator/www/com/en/continental/portal/themes/press_services/press_releases/products/automotive_systems/brakesystems/pr_2002_03_17_7_en. html
  • Gitlin, Jonathan M. "McLaren e Freescale se associam para a frenagem regenerativa." Ars Technica. 5 de novembro de 2008. (13 de janeiro de 2009) http://arstechnica.com/news.ars/post/20081113-mclaren-and-freescale-partner-up-for-regenerative-braking.html
  • HybridCars.com. "Híbridos Hidráulicos". 3 de abril de 2006. (13 de janeiro de 2009) http://www.hybridcars.com/related-technologies/hydraulic-hybrids.html
  • Torrens, Richard. "Frenagem Regen." 4QD. 3 de novembro de 2008. (13 de janeiro de 2009) http://www.4qd.co.uk/fea/regen.html
  • Tur, Okan, et al. "Nota de aplicação sobre frenagem regenerativa de veículos elétricos como sistema de frenagem antibloqueio." Ansoft, LLC. 11 de abril de 2006. (13 de janeiro de 2009) http://www.ansoft.com/news/articles/RegenBrakingAsABS.pdf



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