Eficiencia del sistema de frenos en vehculos elctricos

 

Efficiency of the brake system in electric vehicles

 

Eficincia do sistema de freio em veculos eltricos

 

Sebastin Aldair Caldern-Guerra I
scalderon@ist17dejulio.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-8670-4524


,Luis Alberto Santos-Correa II
lsantos@ist17dejulio.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-5498-6774
Diego Patricio Pineda-Maigua III
dpineda@ist17dejulio.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-9345-4866
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Correspondencia: scalderon@ist17dejulio.edu.ec

 

 

 

Ciencias Tcnicas y Aplicadas

Artculo de Investigacin

 

* Recibido: 23 de agosto de 2022 *Aceptado: 28 de septiembre de 2022 * Publicado: 21 de octubre de 2022

 

 

        I.            Instituto Superior Tecnolgico 17 de Julio, Urcuqu, Ecuador.

     II.            Instituto Superior Tecnolgico 17 de Julio, Urcuqu, Ecuador.

   III.            Instituto Superior Tecnolgico 17 de Julio, Urcuqu, Ecuador.

 

 

 


 

Resumen

El objetivo de esta investigacin es determinar la eficiencia que tienen los sistemas de frenos en los vehculos elctricos, esto por medio de una revisin bibliogrfica documental, mediante la revisin de documentos que se encuentran en lnea en revistas y publicaciones cientficas. Los automviles son el medio de transporte ms utilizado en el mundo entero, desde su invencin ha representado un gran apoyo para el desarrollo de las mltiples actividades del ser humano, sin embargo, los combustibles fsiles son su fuente principal para su funcionamiento, esto ha ocasionado un aporte importante a la creciente crisis climtica que se vive en la actualidad en el planeta, por lo tanto, la emisin de los gases por el proceso de combustin de la gasolina representa una problemtica para la salud y amenaza a la supervivencia de muchas especies, en este sentido, los vehculos elctricos son la respuesta a la problemtica de los gases invernadero, ya que por medio de los autos elctricos se busca la transicin hacia vehculos amigables con el medio ambiente por medio de la utilizacin de energas limpias, los vehculos elctricos cuentan con sistemas como los de frenos que utilizan la energa generada por el frenado para almacenarla. Finalmente, se pudo encontrar que los diferentes tipos de vehculos elctricos cuentan con frenos regenerativos que almacenan la energa generada por el frenado en energa elctrica, sin embargo, al presentar el 100% de la carga de la batera se activara el sistema se frenado manual.

Palabras claves: Sistema de frenos; Vehculo elctrico; Combustibles.

 

Abstract

The objective of this research is to determine the efficiency of the braking systems in electric vehicles, this through a documentary bibliographic review, by reviewing documents found online in scientific journals and publications. Automobiles are the most used means of transportation in the entire world, since their invention they have represented a great support for the development of the multiple activities of the human being, however, fossil fuels are their main source for their operation, this has caused an important contribution to the growing climate crisis that is currently being experienced on the planet, therefore, the emission of gases from the gasoline combustion process represents a health problem and threatens the survival of many species, In this sense, electric vehicles are the answer to the problem of greenhouse gases, since through electric cars the transition towards environmentally friendly vehicles is sought through the use of clean energies, electric vehicles have with systems such as brakes that use the energy generated by braking to store it. Finally, it was found that the different types of electric vehicles have regenerative brakes that store the energy generated by braking in electrical energy, however, when presenting 100% of the battery charge, the manual braking system will be activated.

Keywords: Brake system; electric vehicle; Fuels.

 

Resumo

O objetivo desta pesquisa determinar a eficincia dos sistemas de frenagem em veculos eltricos, isso por meio de uma reviso bibliogrfica documental, por meio da reviso de documentos encontrados online em revistas e publicaes cientficas. O automvel o meio de transporte mais utilizado em todo o mundo, desde sua inveno representou um grande suporte para o desenvolvimento das mltiplas atividades do ser humano, porm, os combustveis fsseis so sua principal fonte para seu funcionamento, isso tem causado uma importante contribuio para a crescente crise climtica que se vive atualmente no planeta, portanto, a emisso de gases do processo de combusto da gasolina representa um problema de sade e ameaa a sobrevivncia de muitas espcies. problema dos gases de efeito estufa, uma vez que atravs dos carros eltricos busca-se a transio para veculos ecologicamente corretos atravs do uso de energias limpas, os veculos eltricos possuem sistemas como freios que utilizam a energia gerada pela frenagem para armazen-la. Por fim, verificou-se que os diferentes tipos de veculos eltricos possuem freios regenerativos que armazenam a energia gerada pela frenagem em energia eltrica, porm, ao apresentar 100% da carga da bateria, o sistema de frenagem manual ser acionado.

Palavras-chave: Sistema de freio; veculo eltrico; Combustveis.

 

Introduccin

El bienestar de la poblacin mundial en su conjunto, est ntimamente ligado al consumo de energa, es decir a un aumento de las condiciones de vida, tendremos un aumento del consumo de energa, las fuentes de donde provienen han ido cambiando en cuanto al porcentaje que representan, energa atmica, elica, termo elctrica proveniente del consumo de gas o carbn, geotrmicas, hidroelctricas, o la mayormente usada proveniente de petrleo (Guasumba et al., 2021).

Si se consideran el impacto de la obtencin de los combustibles, el impacto de su combustin y la eficiencia de los motores en los que se utiliza, se puede ver que el impacto de la gasolina es muy superior al disel, en todos los escenarios y tamaos de vehculos considerados, y ello es debido a la ineficiencia de los motores de gasolina, principalmente(Ihobe, S.A, 2020).

En la comparativa entre vehculos hbridos (HEV) e hbridos enchufables (PHEV), son los ltimos los que menos impactos ambientales generan, debido al consumo de electricidad y menor consumo de combustible. Con respecto a los dos tipos de tecnologas HEV analizadas (batera de Li‑NMC y de Ni‑MH), los resultados entre ambas son muy similares; aunque el impacto de la batera Ni‑MH es mucho mayor que el de la Li‑NMC por unidad de peso, el pequeo tamao y peso de las bateras de estos vehculos hace que el impacto no aumente significativamente por vehculo(Ihobe, S.A, 2020).

La industria automotriz est haciendo frente a grandes desafos, implementar sistemas de fabricacin ecolgica, la crisis energtica, el aumento del uso de diferentes tipos de energa renovable que en un largo plazo podran reemplazar el uso de combustibles fsiles tradicionales, que daan tanto el medio ambiente como la salud pblica. En la bsqueda de obtener energa limpia, se han enfocado en convertir la energa que de alguna forma se desecha en el entorno ambiental, en energa til. Esta tecnologa tambin se utiliza en el campo de la alimentacin de sensores inalmbricos para evitar el uso de bateras convencionales que necesitan ser reemplazadas o recargadas peridicamente (Alvarado et al., 2022).

En el plano mundial, la movilidad elctrica es, sin duda, una tentencia en aumento, debido a que contribuye de forma efectiva en la reduccin de emisiones de CO2 y en el alivio de los problemas medioambientales asociados. De acuerdo con las cifras de crecimiento proyectadas sobre movilidad elctrica a escala mundial, los vehculos elctricos representarn el 11 % del mercado automotriz en 2025, el 28 % en 2030, el 43 % en 2035 y, con un 55 % del mercado, superarn los de combustin interna para 2040 (Acevedo y Morales, 2020).

En este sentido, el camino hacia la descarbonizacion del planeta y todo lo que implica para el medio ambiente ha comenzado muy timidamente, los grandes extractores de petroleo y otros minerales del suelo aun mantienen la hegemonia del mercado energetico de todo el planeta, aun y cuando son visibles y totalmente demostrados todos los efectos negativos que se han hecho al medio ambiente por la utilizacion de combustibles fosiles y sus derivados.

Tal como se indico anteriormente, la empresa automotriz ha dado sus primeros pasos en cuanto a la modificacion de los componentes de los vehiculos tradicionales, por el cambio a vehiculos electricos, en el que casi todos los elementos que funcionaban con derivados del petroleo (basicamente), han sido reemplazados por otros elementos, como es el caso del sistema de frenos, el cual es uno de los elementos de seguridad mas importantes de los vehiculos, estos han sigo modificados segn la necesidad de cada modelo hibrido o totalmente electrico presentado hasta ahora. En estos predominan los frenos regenerativos, que no son mas que elementos que aprovechan la energia genrada en la frenada, sin embargo presentan algunas particularidades que se presentaran en el desarrollo de esta investigacion.

La siguiente investigacion trata sobre la efectividad del sistema de frenos instalado en los vehiculos electricos, reviste de importancia ya que el futuro de la humanidad y su supervivencia se encuentra en las energias alternativas, y uno de los factores claves para el progreso humano ha sido y siempre lo seran los medios de movilizacion, los vehiculos electricos y sus componentes deben contar con sistemas eficientes, seguros y economicos, por lo cual el estudio de los frenos en estos vehiculos ayudan al perfeccionamiento de estos para una mejor manufactura en un futuro.

 

Metodologa

La investigacin que a continuacin se presenta, se desarrolla mediante una revisin bibliogrfica de tipo documental, en la que por medio de la bsqueda de diferentes publicaciones cientficas que se encuentran en lnea, se pueden corroborar los avances e investigaciones que en el campo de investigacin actual se han realizado.

La investigacin documental es una de las tcnicas de la investigacin cualitativa que se encarga de recolectar, recopilar y seleccionar informacin de las lecturas de documentos, revistas, libros, grabaciones, filmaciones, peridicos, artculos resultados de investigaciones, memorias de eventos, entre otros; en ella la observacin est presente en el anlisis de datos, su identificacin, seleccin y articulacin con el objeto de estudio (Reyes y Carmona, 2020).

 

 

Resultados y discusin

El automvil es uno de los inventos ms perdurables que hasta la fecha siguen innovando en su manufactura, su impacto fue y ha sido hasta ahora tal que es el medio de transporte ms usado por los seres humanos. Sin embargo su fuente principal de combustible para su funcionamiento han sido los combustibles fsiles, los vehculos de combustin tradicional son considerados uno de los mayores aportantes de las expulsiones de dixido de carbono (CO2), lo cual cooperan de forma directa al incremento de la huella de carbono(Crespo, 2021).

Esta industria es altamente contaminante, experimentando un incremento exponencial progresivo del 5% anualmente, logrando superar los 900 millones de vehculos en el ao 2013 y se proyecta que la flota se incremente hasta los 1700 millones de vehculos para el 2035, considerando que el petrleo a la fecha se consume aproximadamente 20 millones de barriles por da, esto da como resultado una industria que aporta de forma sustancial a las emisiones de CO2(Crespo, 2021).

Indudablemente que, en el contexto mundial actual, en el que la crisis climtica est alcanzando los ndices ms altos de gravedad, y la humanidad ve amenazado su propia supervivencia se evidencia la necesidad de lograr hacer un cambio del uso de combustibles fsiles. En este sentido, las energas alternativas han avanzado mucho, al menos en el campo automotriz la introduccin de vehculos propulsados por un sistema completamente elctrico est desplazando cada vez ms a la energa fsil tradicional.

De acuerdo a lo anterior, Kongjeen y Bhumkittipich (2018) mencionan que el sector automotriz y los avances tecnolgicos han hecho que se introduzcan al mercado un nuevo tipo de EV como los vehculos elctricos enchufables (PEV), estos estn considerados debido a que cuentan con una carga emergente y suman a los beneficios de un EV, donde se puede utilizar una pila de combustible o una batera como fuente de alimentacin.

Se registr un crecimiento en el mercado de vehculos elctricos de 3 millones en el 2017 y lleg a superar los 5 millones en el 2018 entre los mercados asiticos, norteamericanos y europeos (Nour et al., 2020). Como resultados de las polticas implementadas a nivel mundial pases como Noruega lograron que los vehculos elctricos tengan una participacin de mercado de 46%, Islandia un 17% y Suecia un 8%, referentes en innovacin y apuesta por el medio ambiente (Nour et al., 2020).

Un vehculo elctrico trae consigo beneficios tanto en el mbito medioambiental (mejorando la calidad del aire de forma radical) como reducir la contaminacin sonora dado que sus motores apenas emiten ruido y al no poseer una caja de cambios favorece al tener una mejor respuesta en aceleracin y mejor eficiencia en el frenado respecto a los vehculos convencionales, quienes debido al calor disipado por medio del frenado constante tarde o temprano padecen de una prdida en el performance del vehculo(Crespo, 2021). As mismo, en vista de que existe mejora en las condiciones medioambientales, se genera un impacto de forma directa y positiva en el bienestar de la poblacin (Herrera et al., 2019).

El uso de este tipo de vehiculos trae consigo opiniones encontradas, por una parte los productores de combustibles fosiles ven amenazado su mercado a nivel global, y por otro el avance tecnologico que defienden los nuevos vehiculos que promueven un cambio total en la concepcion de un vehiculo, sin embargo los beneficios al ambiente son indudables, tal como la siguiente figura 1 lo muestra.

 

Fuente: (Crespo, 2021)

Figura 1: Beneficios del Uso de Vehiculos Electricos

 

 

 

 

Fuente: (Ordoez, 2019)

Figura 2: Componentes de un vehiculo elctrico

 

Los vehculos elctricos, como su nombre lo indica, son vehculos propulsados por motores elctricos. Entre sus ventajas est la independencia de los combustibles tradicionales, la no emisin de gases a la atmosfera y una menor frecuencia entre mantenimientos (Guevara et al., 2021). Por otro lado, para Ordoez (2019) un vehculo elctrico es aquel que utiliza la energa qumica guardada en una batera recargable para impulsarse con la fuerza que produce un motor alimentado por electricidad, los motores elctricos ofrecen ventajas frente a los de combustin interna, menor tamao y peso y mayor sencillez tcnica, desde el punto de vista medioambiental permite disminuir las emisiones de CO2 a la atmosfera.

Este tipo de vehiculos utiliza la energa acumulada que procesa de manera qumica a varias bateras que suministran al motor, transformando la energa elctrica en mecnica y as dando arrastre a las respectivas ruedas del vehculo y se pueda trasladar sin ningn problema. Este tipo de transporte trae la ventaja que la energa cintica de las ruedas en movimiento tambin puede ser usada, a travs de un sistema regenerativo, para cargar la batera cuando esta rueda por inercia (Chuquiguanga y Jimenez, 2018). En la figura 2 se muestran los componentes de un vehculo elctrico.

De esta manera Ordoez (2019), indica que el funcionamiento de este tipo de vehiculos es el siguiente:

Posee un motor elctrico acoplado al eje motriz con motores independientes, a su vez estn acoplados a cada rueda del vehculo, tienen la ventaja que impiden prdidas de transmisin por que utiliza motores independientes. El controlador acumula el suministro energa elctrica de la batera y lo enva al motor. Cuando se oprime el pedal del vehculo, este a su vez proporciona la energa segn la presin que se le aplique a ms presin mayor consumo de energa (p.6)

 

Actualmente en el mercado automotriz existe una gama variada de vehiculos impulsados por electricidad, en este sentido, en la Figura 3 se pueden observar la actual clasificacion de estos vehiculos electricos.

 

Fuente: (Trashorras, 2019)

Figura 3: Tipos de Vehiculos Electricos

 

En las siguientes figuras 4,5 y 6 se pueden observar las diferentes configuraciones de los vehculos antes mencionados.

 

Fuente: (Ordoez, 2019)

Figura 4: Vehculo elctrico de 1 y 2 motores independientes.

 

Fuente: (Ordoez, 2019)

Figura 5: Esquema del vehculo elctrico en serie (a) y paralelo (b)

 

Fuente: (Ordoez, 2019)

Figura 6: Esquema del vehculo elctrico en serie-paralelo (c) y HEV complejo (d)

 

Ahora bien, este tipo de vehculos representa un cambio en las diferentes configuraciones tradicionales de un vehculo, siendo la ms relevante el reemplazo del combustible fsil por el uso de una batera recargable y un motor cuyos componentes son totalmente elctricos.

Sin embargo, no solo los cambios se dan en el vehculo a nivel de motor, sino que los otros sistemas que acompaan al automvil tambin son objeto de modificacin, este es el caso del sistema de frenos, los cuales son un conjunto de dispositivos diseados, como su nombre lo indica para frenar el vehculo que va en marcha, bien sea para realizar una parada en algn momento determinado de la marcha del auto o como medida de emergencia ante un posible evento de choque.

Los frenos surgieron antes incluso que los coches, debido a que ya exista la necesidad de frenar, vehculos, los carruajes tirados por caballos, el mecanismo consista en una palanca de madera, que al ser accionada por el cochero rozaba sobre la rueda del carruaje. Desde entonces han sufrido diversas evoluciones hacindolos mucho ms eficientes(Bauza, 2018). A continuacin, se puede observar como los sistemas de frenos para vehculos han evolucionado segn Bauza (2018):

         1901: Wilhelm Maybach disea el primer freno de tambor interno.

         1902: Louis Renault disea el modelo de freno de tambor usado hoy en da.

         1902: Ramson E. Olds disea un modelo de freno de tambor externo.

         1903: Se implanta el sistema de frenado en las cuatro ruedas en un Dutch Spyker 60/80.

         1903: Sistema de frenos asistidos por cmara de aire - Malcolm Lougheed (Lockheed) disea es sistema de frenos hidrulico por el que recibe 7 patentes entre 1917 y 1923.

         1926: Se le asigna la patente de un sistema de asistencia de frenada por vaco a General Motors Corporation

         1930: Los frenos hidrulicos se instauran como norma.

         1936: Bosch patenta el sistema de antibloqueo de frenos (ABS)

         1949: Crosley motors primer fabricante americano en montar frenos de disco.

         1960: Distintos fabricantes reemplazan los frenos de tambor a frenos de disco.

         1978: Bosch introduce un sistema electrnico de ABS, multicanal y para las cuatro ruedas.

         1984: Tevis introduce una segunda versin del sistema de ABS.

         1985: Distintos modelos de General Motors utilizan un asistente de frenada elctrico.

         1999: Distintas caractersticas se aaden al ABS de Tevis, entre las cuales se incluye el sistema de control de traccin, y control de estabilidad.

Existe una diversa gama de tipos de sistemas de frenos, al respecto Chiroque (2020) realiza la siguiente clasificacion:

         Freno de friccin

         Freno de cinta o de banda

         Freno de disco

         Freno de tambor

         Freno de llanta

         Otro tipo de freno Dependiendo del accionamiento

         Frenos por sistema de aire comprimido

         Frenos convencionales

         Freno hidrulico

         Freno de motor

         Freno de parqueo

         Freno elctrico. Existen ms de un tipo: frenos regenerativos y frenos reostticos. Este sistema es empleado en remolcadores y automviles.

Para efectos de esta investigacion, se desarrollara lo concerniente a los frenos en los vehiculos electricos, los cuales son los mas usados en este tipo de vehiculos a locomocion electrica.

Los vehculos elctricos actuales emplean el freno regenerativo (FR), el cual es un sistema de recuperacin de energa cintica que permite a partir de la accin de frenado, transformar parte de su energa cintica en energa elctrica. Dicha energa elctrica es almacenada en bancos de bateras o capacitores para su uso posterior (Monroy et al., 2020).

 

 

 

 

 

 

Fuente: (Trashorras, 2019)

Figura 7: Frenado Regenerativo

 

En torno a esto, Monroy et al. (2020) mencionan lo siguiente:

El funcionamiento del FR consiste en la utilizacin del motor para reducir la velocidad del automvil al aplicar fuerza al pedal del freno. En este instante, el motor elctrico funciona en direccin inversa, lo que reduce la velocidad del automvil. Cuando el motor cambia de sentido de giro, empieza a actuar como generador, produciendo energa que puede emplearse en sistemas elctricos, como la recarga de batera. Por el contrario, cuando el BEV est en condiciones de aceleracin el motor gira en el otro sentido tomando energa de la batera (p.308)

 

Fuente: (Monroy et al., 2020)

Figura 8: Diagrama Freno Regenerativo

 

De igual manera, Monroy et al. (2020) al definir el modelado de consumo de Potencia de BEV con FR describe lo siguiente:

Consta de una serie de variables como lo son: potencia en la rueda, peso, aceleracin, resistencia aerodinmica, resistencia a la rodadura, densidad del aire que depende de la humedad y temperatura del ambiente que golpea el frente del BEV, eficiencia de la transmisin y eficiencia del motor elctrico. Este modelamiento se lleva a cabo a partir de un anlisis de la potencia en la rueda a travs de los diferentes elementos del ciclo de potencia, hasta llegar a la potencia que entrega la batera, la cual es mayor debido a las eficiencias de los equipos como inversores y cajas de transmisin. (p.308)

Tal como se muestra en la siguiente figura 9.

 

Fuente: (Monroy et al., 2020)

Figura 9: Diagrama de Flujo de Potencia en el BEV

 

Por lo cual, dada la importancia de los sistemas de frenos en los vehiculos y el avance tecnologico que ha dado aportes importantes en este ambito, Cantorin (Cantorin , 2018) explica lo siguiente:

El rendimiento de frenado de un vehculo es sin duda uno de los factores importantes que afecta a la seguridad del vehculo. Un sistema de frenado diseado con xito para un vehculo debe siempre satisfacer dos demandas distintas. En primer lugar, en el frenado de emergencia, debe poner el vehculo a descansar en la distancia ms corta posible. En segundo lugar, debe mantener el control sobre la direccin del vehculo. El primero requiere que el sistema de frenado sea capaz de suministrar suficiente par de frenado en todas las ruedas. Una de las caractersticas ms importantes de vehculos elctricos (EV) y vehculos elctricos hbridos (HEVs) es su capacidad para recuperar cantidades significativas de energa de frenado. Los motores elctricos en EVs y HEVs pueden ser controlados para funcionar como generadores para convertir la energa cintica del vehculo en energa elctrica. Generalmente, el par de frenado requerido es mucho mayor que el par que un motor elctrico puede producir. En EVs y HEVs, los sistemas de frenado mecnico de friccin deben coexistir con el frenado regenerativo elctrico. Por lo tanto, el diseo y control adecuados de los sistemas de frenado tanto mecnicos como elctricos son preocupaciones principales (p. 47).

La frenada regenerativa no es ilimitada. Los vehculo han de llevar adems frenos convencionales ya que en el caso de que las bateras se encuentren al 100% de su capacidad, ms energa no podra ser acumulada. Por tanto si ocurriera esto sera imposible frenar el vehculo. No obstante, los frenos regenerativos son frenos que funcionan mucho menos a lo largo de la vida til del coche, por tanto su desgaste es mucho menor, y los intervalos de mantenimiento son mayores(Bauza, 2018).

 

Conclusin

Los vehculos son los principales medios de transporte del planeta, estos han sufrido muy pocas modificaciones desde su creacin, sin embargo, con la actual crisis climtica gobiernos, organizaciones en pro del medio ambiente, poblacin en general y muy tmidamente los empresarios han comenzado a realizar cambios en la vida cotidiana misma.

Entre los cambios se dan la modificacin, en un principio, de ciertos elementos de los vehculos con miras a que estos trabajasen de una forma menos contaminante y con la intensin de ir introduciendo poco a poco elementos que sustituyeran a los elementos que dependan de los combustibles fsiles y sus derivados.

En este sentido, se han realizado avances importantes en torno a la manufactura de vehculos que no solo cumplan con las tan anheladas funciones de un vehculo, como lo son el confort, la esttica, sino que elementos de seguridad son cada vez ms integrados a estos vehculos, proporcionndole al cliente una experiencia segura y confortable, pero aunado a todo esto contribuyen a la conservacin del medio ambiente. En el tema de la seguridad los sistemas de frenos usados por estos vehculos cuentan con una ventaja que es la de que mientras se realiza una frenada esta energa es almacenada en la batera del vehculo, lo que proporciona ms carga til para el desplazamiento, sin embargo, la desventaja que hasta ahora se manera en este tipo de sistemas de frenos es que al momento de que la batera alcanza su tope de carga, ya no acepta ms energa por lo cual la frenada deber hacerse de forma manual.

A diario se incluyen elementos de alta tecnologa en este tipo de transporte, sin embargo, los vehculos elctricos actuales gozan de buena aceptacin, pero an falta un largo trecho por recorrer para que sean del todo seguros, econmicos y atractivos para la mayora de la poblacin en el mundo.

 

Referencias

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