KERS (Sistema de Recuperação de Energia Cinética) é um dispositivo capaz de recuperar a energia cinética perdida na forma de calor durante a frenagem, para acumular e transformá-lo em energia mecânica, o que ajuda na aceleração do carro quando o motorista vê o ajuste.
Existem 3 tipos de KERS, o mecânico, o hidráulico e o elétrico. Todas as equipes optaram pelo KERS elétricos, exceto para Williams, que incorpora um KERS mecânico, a energia armazenada em um volante.
O KERS elétrico é constituído por um gerador elétrico, que gira em solidariedade com o virabrequim do motor. Ao frear o veículo, a eletrônica do sistema engaja o gerador no virabrequim, transformando a energia cinética em energia elétrica que se acumula na bateria. Uma vez armazenada, essa energia está disponível para o piloto, para usá-lo em aceleração. Neste caso, o gerador funciona como um motor elétrico, transformando a energia elétrica em energia mecânica que é adicionada àquela do motor de combustão. Portanto, um KERS elétrico baseia-se no princípio de que um motor elétrico pode ser usado como um gerador.
O regulamento técnico da Fórmula 1 para a temporada de 2009 afirma que o KERS pode ter uma quantidade máxima de energia armazenada por rodada de 400 quilojoules; também afirma que o KERS não pode transmitir mais de 60 kW, ou seja, 81,6 HP
Com base neste Regulamento Técnico, o design do KERS é o seguinte:
- Um motor elétrico, localizado sob o tanque de combustível e o motor de combustão, conectado diretamente ao virabrequim. O poder é 60 kW, semelhante ao que atualmente tem o Toyota Prius. Seu peso é de aproximadamente 10 kg.
- Baterias de lítio ionizado de última geração, capazes de armazenar e fornecer energia rapidamente. A capacidade dessas baterias é de cerca de 200 Wh, um pouco maior que a quantidade máxima de energia que é permitida armazenar por volta, seu peso não excede 10 Kg.
Aplicação do KERS a veículos elétricos
O dispositivo KERS, utilizado na Fórmula 1, poderia ser implementado em veículos elétricos de rua, utilizando continuamente a energia obtida da frenagem para reduzir o consumo de combustível em veículos híbridos, eo consumo de eletricidade em veículos elétricos puros. Esta aplicação aumentaria a eficiência do motor elétrico, podendo ser quase 5 vezes mais eficiente que o motor de combustão interna.
Além de proporcionar maior eficiência ao veículo elétrico, a pesquisa realizada pelas diferentes equipes de Fórmula 1 terá uma influência muito positiva nos dois elementos-chave do veículo elétrico, do motor e da bateria.
Os esforços de P & D das diferentes equipes para desenvolver motores elétricos capazes de fornecer 80 cavalos de potência em um espaço e com um peso mínimo, enquanto operam em condições extremas, representam um passo significativo para os motores que transportarão veículos elétricos. na próxima década, mas sem dúvida, a grande contribuição que a Fórmula 1 terá para os veículos elétricos está no desenvolvimento de baterias de armazenamento de energia.
A chave para o futuro do veículo eléctrico é no desenvolvimento de uma técnica de bateria recarregável viável economicamente e como o tipo e capacidade do estado da bateria como crítico para aspectos do veículo, tais como a máxima velocidade e tempo de recarga. Apesar de ser um dos elementos mais importantes do veículo elétrico, pouco esforço de pesquisa tem sido dedicado a ele nos últimos anos. A pesquisa tem sido associada ao desenvolvimento de computadores e telefones celulares, e não à sua aplicação na indústria automotiva. Este fato faz com que, embora muito progresso tenha sido feito nos últimos 10 anos, reduzindo o custo e aumentando a autonomia, as baterias que os carros elétricos seriam incorporados são, no momento, muito caras.
O desenvolvimento das baterias nos próximos 10 anos pode estar ligado à pesquisa realizada pelos Engenheiros das diferentes equipes de Fórmula 1. Os regulamentos aplicados à primeira fase da implementação do KERS para esta temporada e 2010, somente Permite armazenar 400 quilojoules, de forma que as baterias usadas não excederão 0,2 kWh, uma quantia que no momento não seria aplicável a veículos elétricos que circularão nas ruas.
A segunda fase, aplicável a partir do ano 2011, permitirá armazenar uma energia de 800 kilojoules, e o piloto poderá usar um adicional de 136 HP (100 kW) por turno. Mas a fase decisiva ocorrerá em 2013, quando eles podem armazenar até 1.600 quilojoules e o piloto tem uma potência adicional de 272 HP (200 kW). Isso adicionou poder, fará a aplicação do sistema de recuperação de energia cinética pelo piloto, é um elemento decisivo para o resultado final das corridas em determinados circuitos.
Para essa data, os carros deveriam ter acoplado baterias de mais de 2 kWh, usando o menor espaço possível, para o qual os departamentos de P & D das diferentes equipes já estão trabalhando, tentando melhorar as atuais baterias de lítio e outros materiais. em desenvolvimento. Este tamanho está mais próximo do usado pelos veículos elétricos. Entre 7-10 kWh seria suficiente para percorrer 100 km, muito mais do que a maioria dos deslocamentos diários.
Para essa data, os carros deveriam ter acoplado baterias de mais de 2 kWh, usando o menor espaço possível, para o qual os departamentos de P & D das diferentes equipes já estão trabalhando, tentando melhorar as atuais baterias de lítio e outros materiais. em desenvolvimento. Este tamanho está mais próximo do usado pelos veículos elétricos. Entre 7-10 kWh seria suficiente para percorrer 100 km, muito mais do que a maioria dos deslocamentos diários. Para essa data, os carros deveriam ter acoplado baterias de mais de 2 kWh, usando o menor espaço possível, para o qual os departamentos de P & D das diferentes equipes já estão trabalhando, tentando melhorar as atuais baterias de lítio e outros materiais. em desenvolvimento. Este tamanho está mais próximo do usado pelos veículos elétricos. Entre 7-10 kWh seria suficiente para percorrer 100 km, muito mais do que a maioria dos deslocamentos diários.
O futuro do veículo elétrico envolve o desenvolvimento da bateria mais eficiente possível. A forte competição existente no esporte que movimenta mais dinheiro no mundo, provocará fortes avanços no componente chave para a decolagem definida do carro elétrico.
Freio regenerativo
Um freio regenerativo é um mecanismo que reduz a velocidade do veículo convertendo parte de sua energia cinética em outra forma útil de energia. Essa energia capturada é usada para uso futuro ou devolvida a um sistema de energia para uso por outros veículos.
Por exemplo, freios regenerativos elétricos em veículos ferroviários elétricos alimentam a eletricidade gerada de volta ao sistema de abastecimento. Em veículos elétricos e híbridos elétricos, a energia é armazenada em uma bateria ou capacitores para uso posterior. Outras formas de armazenamento de energia que podem ser usadas incluem ar comprimido e volantes.
A frenagem regenerativa não deve ser confundida com a frenagem dinâmica, que dissipa a energia elétrica como calor e que é menos eficiente energeticamente.
A frenagem tradicional baseada em fricção é usada com frenagem regenerativa mecânica pelas seguintes razões:
- O efeito de travagem regenerativa reduz rapidamente a velocidades mais baixas, pelo que o freio de atrito ainda é necessário para travar completamente o veículo, embora o mau funcionamento de um dínamo ainda possa fornecer resistência durante algum tempo.
- O freio de fricção é um back-up necessário no caso de falha do freio regenerativo.
- A maioria dos veículos rodoviários com travagem regenerativa apenas tem potência em algumas rodas (como num carro 2WD) e a potência de travagem regenerativa aplica-se apenas a essas rodas, de modo a fornecer travagem controlada em condições difíceis (como estradas molhadas) é necessário nas outras rodas.
- A quantidade de energia elétrica com capacidade de dissipação é limitada pela capacidade do sistema de alimentação de absorver essa energia ou pelo estado de carga da bateria ou dos capacitores. Nenhum efeito de frenagem regenerativa pode ocorrer se outro componente elétrico no mesmo sistema de alimentação não estiver consumindo energia no momento e se a bateria ou os capacitores já estiverem carregados. Por essa razão, é normal também incorporar a frenagem dinâmica para absorver o excesso de energia.
- Sob frenagem de emergência é desejável que a força de frenagem exercida seja a máxima permitida pela fricção entre as rodas e a superfície sem escorregar, em toda a faixa de velocidade da velocidade máxima do veículo até zero. A força máxima disponível para aceleração é tipicamente muito menor do que no caso de veículos extremos de alto desempenho. Portanto, a potência necessária para ser dissipada pelo sistema de freio sob condições de frenagem de emergência pode ser muitas vezes a potência máxima que é fornecida sob aceleração. Motores de tração para lidar com o acionamento de energia não são capazes de lidar com a carga extra e a bateria pode não ser capaz de aceitar carga a uma taxa suficientemente alta. A fricção por fricção é necessária para absorver o excedente de energia, a fim de permitir um desempenho aceitável de frenagem de emergência.
Por estas razões, há geralmente uma necessidade de controlar a frenagem regenerativa e combinar o atrito e frenagem regenerativa para produzir a saída de frenagem total desejada. O GM EV-1 foi o primeiro carro comercial a fazer isso. Os engenheiros Abraham Farag e Loren Majersik receberam 2 patentes para essa tecnologia "Brake by Wire".
O motor como um gerador
A frenagem regenerativa usa o fato de que um motor elétrico também pode atuar como um gerador. O motor de tração elétrica do veículo é operado como um gerador durante a frenagem e sua saída é fornecida a uma carga elétrica. É a transferência de energia para a carga que fornece o efeito de travagem.
Um dos primeiros exemplos desse sistema foi o Freio de Regeneração de Energia, desenvolvido em 1967 para o Amitron. Esta era uma bateria completamente urbana alimentada pela frenagem regenerativa, aumentando assim o alcance do automóvel.
Operação de veículo elétrico ferroviário
Durante a frenagem, as conexões do motor de tração são alteradas para transformá-las em geradores elétricos. Os campos do motor são conectados através do gerador de tração principal (MG) e as armaduras do motor são conectadas através da carga. O MG agora excita os campos motores. A locomotiva rolante ou as múltiplas rodas unitárias giram as armaduras do motor, e os motores atuam como geradores, enviando a corrente gerada através dos resistores internos (frenagem dinâmica) ou de volta para o fornecimento (frenagem regenerativa).
Para uma dada direção de percurso, o fluxo de corrente através das armaduras do motor durante a frenagem será oposto àquele durante o automobilismo. Portanto, o motor exerce torque em uma direção oposta à direção de rolagem.
O esforço de frenagem é proporcional ao produto da força magnética do campo de vento, o mesmo que o dos enrolamentos da armadura.
Poupança de 17% é reivindicada para Virgin Trains Pendolinos [4]. Há também menos desgaste nos componentes de fricção por fricção. O Metro Delhi salvo aproximadamente 90000 toneladas de dióxido de carbono sendo liberado na atmosfera por 112.500 Megawatt Regeneração horas de eletricidade através do uso de sistemas de travagem regenerativa entre 2004 e 2007. Durante Espera-se que o Metro Delhi vai economizar mais de 100.000 toneladas de carbono Dióxido de ser emitido por ano, uma vez que sua fase II é concluída através do uso de frenagem regenerativa.
Comparação de freios dinâmicos e regenerativos
Freios dinâmicos ("freios reostáticos" no Reino Unido), diferentemente dos freios regenerativos, dissipam a energia elétrica como calor, passando a corrente através de grandes bancos de resistências variáveis. Os veículos que usam freios dinâmicos incluem empilhadeiras, locomotivas diesel-elétricas e bondes elétricos. Se projetado adequadamente, esse calor pode ser usado para aquecer o veículo interno. Se dissipado externamente, grandes capas tipo radiador são empregadas para abrigar os bancos de resistores.
A principal desvantagem dos freios regenerativos quando comparados com os freios dinâmicos é a necessidade de combinar a corrente gerada com as características de suprimento. Com suprimentos DC, isso requer que a tensão seja controlada de perto. Somente com o desenvolvimento da eletrônica de potência isso foi possível com fontes CA, onde a frequência de alimentação deve ser ajustada (isso se aplica a locomotivas onde uma alimentação CA é retificada para motores CC).
Um pequeno número de ferrovias de montanha tem usado fontes de alimentação trifásicas e motores de indução trifásicos. Isso resulta em uma velocidade constante para todos os trens, pois os motores giram com o suprimento de frequência ao dirigir e frear.
Sistemas de recuperação de energia cinética
Os sistemas de recuperação de energia cinética (KERS) estão atualmente em desenvolvimento tanto para o esporte a motor da Fórmula 1 como para os veículos rodoviários. O conceito de transferência de energia cinética do veículo utilizando armazenamento de energia do volante foi postulado por físico Richard Feynman na década de 1950 e é exemplificado em sistemas complexos de alta finais: tal como o Zytek, Flybrid [6], Torotrak e Xtrac usado em F1 e simples, facilmente fabricado e sistemas diferenciais integrados, como o Sistema de Recuperação de Energia Cinética de Passageiros / Veículos Comerciais de Cambridge (CPC-KERS).
O Xtrac & Flybrid são licenciados das tecnologias da Torotrak, que empregam uma caixa de velocidades auxiliar pequena e sofisticada, incorporando uma transmissão continuamente variável (CVT). O CPC-KERS é semelhante ao que faz parte do conjunto de transmissão. No entanto, todo o mecanismo, incluindo o volante, fica totalmente no cubo do veículo (parecendo um freio a tambor). No CPC-KERS, um diferencial substitui o CVT e transfere o torque entre o volante, a roda motriz e a roda de estrada.
Use no esporte a motor
FIA
As equipes de F1 começaram a testar o Kinetic Energy Recovery Systems, ou KERS, em janeiro de 2009. As equipes disseram que devem responder de maneira responsável aos desafios ambientais do mundo.
A FIA permitiu o uso de 60 kW KERS nos regulamentos para a temporada de 2009 da Fórmula 1.
A energia pode ser armazenada como energia mecânica (como em um volante) ou pode ser armazenada como energia elétrica (como em uma bateria ou supercapacitor).
Motocicletas
O patrão da KTM, Harald Bartol, revelou que a fábrica correu com um sistema secreto de recuperação de energia (KERS), equipado com a moto de Tommy Koyama, durante o fim-de-semana de 125cc do Grande Prémio de Valência.
História
O primeiro desses sistemas foi revelado no Flybrid, que apareceu em um artigo na revista Racecar Engineering.
O Flybrid Systems F1 KERS pesa 24 kg e tem uma capacidade de energia de 400 kJ após perdas internas. Um aumento de potência máxima de 60 kW (81,6 PS) por 6,67 seg está disponível. O volante de 240 mm de diâmetro pesa 5,0 kg e gira até 64.500 rpm. O torque máximo é de 18 Nm. O sistema ocupa um volume de 13 litros. Ele não será usado por todas as equipes de F1, mas alguns, como a Williams F1, vão usá-lo, se não na primeira corrida, em um ponto durante a temporada.
Dois pequenos incidentes foram relatados durante o teste dos sistemas KERS em 2008. O primeiro ocorreu quando a equipe da Red Bull Racing testou sua bateria KERS pela primeira vez em julho, apresentou mau funcionamento e provocou um incêndio, resultando na evacuação da fábrica da equipe. O mecânico da BMW Sauber sofreu um choque elétrico quando toquei o carro equipado com KERS de Christian Klien durante um teste no circuito de Jerez.
Corridas
O Automóvel Club de l'Ouest, o organizador do evento anual das 24 Horas de Le Mans e da Le Mans Series está atualmente "estudando regras específicas para o LMP1, que será equipado com um sistema de recuperação de energia cinética". A Peugeot foi o primeiro fabricante a revelar um carro LMP-1 totalmente funcional na forma do 908 HY na corrida 2008 Autosport 1000 km em Silverstone.
Fabricantes de autopeças
A Bosch Motorsport Service (parte da subsidiária Bosch Engineering GmbH) está desenvolvendo a KERS para uso em corridas de automóveis. Os sistemas híbridos por Bosch Motorsport compreender um sistema de armazenamento de energia (uma bateria de iões de lítio com capacidade de expansão ou um volante), o motor eléctrico (pesam entre quatro e oito kg com um nível de potência máxima de 60 kW) e o controlador Kers, contendo o sistema eletrônico de gerenciamento de energia, gerenciamento de bateria e gerenciamento para funções híbridas e de motor. O Grupo Bosch oferece uma gama de sistemas híbridos elétricos para aplicações comerciais e leves.
Montadores
BMW e Honda estão testando isso. Ao 2008 1000 Km de Silverstone, Peugeot Sport revelou o Peugeot 908 HY, uma variante diesel elétrica híbrida do 908, com um sistema KERS. A Peugeot planeja fazer uma campanha para o carro na temporada de 2009 da Le Mans Series, embora não seja capaz de marcar pontos no campeonato.
Vodafone McLaren Mercedes recentemente começaram a testar do seu sistema KERS na pista de testes de Jerez, em preparação para a temporada de F1 de 2009, ainda não é, mas se eles serão conhecidos operando um sistema elétrico ou mecânico. Em novembro de 2008, foi anunciado que Freescale Semiconductor irá colaborar com os sistemas electrónicos da McLaren para desenvolver o seu sistema KERS mais para carro de Fórmula 1 da McLaren a partir de 2010. Ambas as partes acreditam que esta colaboração irá melhorar o sistema KERS da McLaren e ajudar o sistema a filtrar a tecnologia de carros de rua.
A Toyota usou um supercapacitor para regeneração no carro de corrida híbrido Supra HV-R que venceu a corrida 24 Horas de Tokachi em julho de 2007.
Uso em carros de ar comprimido
Freios regenerativos estão sendo usados em carros de ar comprimido para reabastecer o tanque durante a frenagem.
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