Sistema de recuperación de energía cinética

Un sistema de recuperación de energía cinética ( KERS ) es un sistema automotriz para recuperar la energía cinética de un vehículo en movimiento durante el frenado . La energía recuperada se almacena en un depósito (por ejemplo, un volante de inercia o baterías de alto voltaje) para su uso posterior durante la aceleración. Los ejemplos incluyen sistemas complejos de alta gama como Zytek , Flybrid, ^[1] Torotrak ^{[2] [3]} y Xtrac utilizados en carreras de Fórmula Uno y sistemas basados ​​en diferenciales simples, fáciles de fabricar e integrar, como el sistema de recuperación de energía cinética para vehículos comerciales/de pasajeros de Cambridge (CPC-KERS).

Tanto Xtrac como Flybrid son licenciatarios de las tecnologías de Torotrak, que emplean una pequeña y sofisticada caja de cambios auxiliar que incorpora una transmisión variable continua (CVT). El CPC-KERS es similar, ya que también forma parte del conjunto de la transmisión. Sin embargo, todo el mecanismo, incluido el volante, se asienta íntegramente en el cubo del vehículo (pareciendo un freno de tambor ). En el CPC-KERS, un diferencial reemplaza a la CVT y transfiere el par entre el volante, la rueda motriz y la rueda de carretera.

El primero de estos sistemas que se presentó fue el Flybrid. ^[4] Este sistema pesa 24 kg (53 lbs) y tiene una capacidad de energía de 400 kJ después de tener en cuenta las pérdidas internas. Está disponible un aumento de potencia máxima de 60 kW (81,6  PS , 80,4 HP) durante 6,67 segundos. El volante de inercia de 240 mm (9,4 in) de diámetro pesa 5,0 kg (11 lbs) y gira a hasta 64.500 rpm. El par máximo en el volante de inercia es de 18 Nm (13,3 ftlbs), y el par en la conexión de la caja de cambios es correspondientemente mayor para el cambio de velocidad. El sistema ocupa un volumen de 13 litros. ^[4]

En 2006, en el marco del desarrollo de la "Fórmula S2000", en la EPFL (Escuela Politécnica Federal de Lausana) se estudió un primer sistema KERS basado en supercondensadores. Se desarrolló un sistema de 180 kJ en colaboración con otros institutos (Multiphysic Modeling of a Hybrid Propulsion System for a Racecar Application, A. Rufer, P. Barrade, M. Correvon y J.-F. Weber, iamf EET-2008: European Ele-Drive Conference, International Advanced Mobility Forum, Ginebra, Suiza, 11-13 de marzo de 2008).

En 2008 se registraron dos incidentes menores durante las pruebas de varios sistemas KERS . El primero ocurrió cuando el equipo Red Bull Racing probó su batería KERS por primera vez en julio: funcionó mal y provocó un incendio que llevó a la evacuación de la fábrica del equipo. ^[5] El segundo fue menos de una semana después, cuando un mecánico de BMW Sauber recibió una descarga eléctrica cuando tocó el coche equipado con KERS de Christian Klien durante una prueba en el circuito de Jerez . ^[6]

La Fórmula Uno ha declarado que apoya soluciones responsables a los desafíos medioambientales del mundo, ^[7] y la FIA permitió el uso del KERS de 60 kW (82 PS; 80 bhp) en las regulaciones para la temporada 2009 de Fórmula Uno . ^[8] Los equipos comenzaron a probar sistemas en 2008: la energía puede almacenarse como energía mecánica (como en un volante) o como energía eléctrica (como en una batería o un supercondensador ). ^[9]

Con la introducción del KERS en la temporada 2009, solo cuatro equipos lo utilizaron en algún momento de la temporada: Ferrari , Renault , BMW y McLaren . Finalmente, durante la temporada, Renault y BMW dejaron de utilizar el sistema. Nick Heidfeld fue el primer piloto en conseguir una posición de podio con un coche equipado con KERS, en el Gran Premio de Malasia. McLaren Mercedes se convirtió en el primer equipo en ganar un GP de F1 utilizando un coche equipado con KERS cuando Lewis Hamilton ganó el Gran Premio de Hungría el 26 de julio de 2009. Su segundo coche equipado con KERS acabó quinto. En la siguiente carrera, Lewis Hamilton se convirtió en el primer piloto en conseguir la pole position con un coche KERS, mientras que su compañero de equipo, Heikki Kovalainen, clasificó segundo. Esta fue también la primera vez que una primera fila totalmente con KERS. El 30 de agosto de 2009, Kimi Räikkönen ganó el Gran Premio de Bélgica con su Ferrari equipado con KERS. Fue la primera vez que el KERS contribuyó directamente a una victoria en carrera, con el segundo clasificado Giancarlo Fisichella afirmando: "En realidad, fui más rápido que Kimi. Me ganó sólo gracias al KERS al principio". ^[10]

Aunque el KERS seguía siendo legal en la F1 en la temporada 2010, todos los equipos habían acordado no usarlo. ^[11] Las nuevas reglas para la temporada 2011 de F1, que aumentaron el límite de peso mínimo del coche y del piloto en 20 kg hasta los 640 kg, ^[12] junto con el acuerdo de los equipos de la FOTA de volver a utilizar los dispositivos KERS, significaron que el KERS volvió para la temporada 2011. ^[13] El uso del KERS seguía siendo opcional, como en la temporada 2009; y al comienzo de la temporada 2011, tres equipos decidieron no usarlo. ^[14]

WilliamsF1 desarrolló su propio sistema KERS basado en volante de inercia, pero decidió no utilizarlo en sus monoplazas de F1 debido a problemas de empaquetado y, en su lugar, desarrolló su propio sistema KERS eléctrico. Sin embargo, creó Williams Hybrid Power para vender sus desarrollos. En 2012 se anunció que los coches híbridos Audi Le Mans R18 utilizarían Williams Hybrid Power. ^[15]

Desde 2014, la capacidad de potencia de las unidades KERS se ha incrementado de 60 kilovatios (80 CV) a 120 kilovatios (160 CV). Esto se introdujo para equilibrar el cambio de los motores V8 de 2,4 litros a los motores turbo V6 de 1,6 litros. ^[16]

Bosch Motorsport Service está desarrollando un KERS para su uso en carreras de coches. Estos sistemas de almacenamiento de electricidad para funciones híbridas y de motor incluyen una batería de iones de litio con capacidad escalable o un volante de inercia, un motor eléctrico de cuatro a ocho kilogramos (con un nivel de potencia máxima de 60 kW (81 CV)), así como el controlador KERS para la gestión de la energía y la batería. Bosch también ofrece una gama de sistemas híbridos eléctricos para aplicaciones comerciales y de servicio ligero. ^[17]

Varios fabricantes de automóviles han estado probando sistemas KERS. ^[18] En los 1000 km de Silverstone de 2008 , Peugeot Sport presentó el Peugeot 908 HY , una variante híbrida eléctrica del 908 diésel, con KERS. Peugeot planeó hacer campaña con el coche en la temporada 2009 de Le Mans Series , aunque no se le permitió sumar puntos para el campeonato. ^[19]

McLaren comenzó a probar su sistema KERS en septiembre de 2008 en Jerez como preparación para la temporada 2009 de F1 , aunque en ese momento todavía no se sabía si operarían con un sistema eléctrico o mecánico. ^[20] En noviembre de 2008, se anunció que Freescale Semiconductor colaboraría con McLaren Electronic Systems para desarrollar aún más su KERS para los autos de Fórmula Uno de McLaren a partir de 2010. Ambas partes creían que esta colaboración mejoraría el sistema KERS de McLaren y ayudaría al sistema a transferir su tecnología a los autos de carretera. ^[21]

Toyota ha utilizado un supercondensador para la regeneración en su coche de carreras híbrido Supra HV-R que ganó la carrera de resistencia de 24 horas de Tokachi en julio de 2007. Este Supra se convirtió en el primer coche híbrido en la historia del automovilismo en ganar una carrera de este tipo. ^[22]

En el NAIAS 2011 , Porsche presentó una variante RSR de su concept car Porsche 918 , que utiliza un KERS basado en un volante de inercia que se ubica junto al conductor en el compartimiento de pasajeros y potencia los motores eléctricos duales que impulsan las ruedas delanteras y el motor de gasolina V8 de 565 CV que impulsa las traseras a una potencia combinada de 767 CV. Este sistema tiene muchos problemas, incluido el desequilibrio que causa al vehículo debido al volante de inercia. Porsche está desarrollando actualmente un sistema de almacenamiento eléctrico. ^[23]

En 2011, Mazda anunció i-ELOOP, un sistema que utiliza un alternador de voltaje variable para convertir la energía cinética en energía eléctrica durante la desaceleración. La energía, almacenada en un condensador de doble capa , se utiliza para suministrar la energía que necesitan los sistemas eléctricos del vehículo. Cuando se utiliza junto con el sistema de arranque y parada de Mazda , i-Stop, la empresa afirma que se consigue un ahorro de combustible de hasta el 10 %. ^[24]

Bosch y PSA Peugeot Citroën han desarrollado un sistema híbrido que utiliza la hidráulica como forma de transferir energía hacia y desde un tanque de nitrógeno comprimido . Se afirma que se puede reducir el consumo de combustible hasta en un 45%, lo que corresponde a 2,9 l/100 km (81 mpg, 69 g CO2 _/ km) en el ciclo NEDC para un chasis compacto como el Peugeot 208. Se afirma que el sistema es mucho más asequible que los sistemas eléctricos y de volante de inercia de la competencia y se esperaba que estuviera disponible en los vehículos de carretera en 2016, pero se abandonó en 2015. ^{[25] [26]}

En 2020, FIAT lanzó la serie del FIAT Panda mild-hybrid con tecnología KERS. ^[27]

El jefe de carreras de KTM, Harald Bartol, reveló que la fábrica corrió con un sistema secreto de recuperación de energía cinética instalado en la motocicleta de Tomoyoshi Koyama durante la carrera de 125 cc del Gran Premio de motociclismo de la Comunidad Valenciana de 2008. Koyama terminó séptimo. ^[28] El sistema fue declarado ilegal más tarde y, por lo tanto, prohibido. ^{[ cita requerida ]} La motocicleta eléctrica Lit C-1 también utilizará un KERS como sistema de frenado regenerativo. ^[29]

El KERS también es posible en una bicicleta. La EPA , en colaboración con estudiantes de la Universidad de Michigan, desarrolló el sistema hidráulico de asistencia al arranque de los frenos regenerativos (RBLA) ^[30]

Esto también se ha demostrado montando un volante en el cuadro de una bicicleta y conectándolo con una transmisión variable continua a la rueda trasera. Al cambiar de marcha, el 20% de la energía cinética se puede almacenar en el volante, lista para dar un impulso de aceleración al cambiar de marcha. ^[31]

El Automobile Club de l'Ouest , organizador del evento anual 24 Horas de Le Mans y de la Le Mans Series , ha promovido el uso de sistemas de recuperación de energía cinética en la clase LMP1 desde finales de la década de 2000. ^[32] Peugeot fue el primer fabricante en presentar un automóvil LMP1 en pleno funcionamiento en la forma del 908 HY en la carrera Autosport 1000 km de 2008 en Silverstone. ^[33]

En las 24 Horas de Le Mans de 2011, Hope Racing participó con un KERS mecánico de Flybrid Systems, el primer coche que competía en el evento con un sistema híbrido. El sistema consistía en embragues deslizantes de alta velocidad que transfieren par hacia y desde el vehículo, acoplados a un volante de inercia de 60.000 rpm. ^{[ cita requerida ]}

Audi y Toyota desarrollaron coches LMP1 con sistemas de recuperación de energía cinética para las 24 Horas de Le Mans de 2012 y 2013. El Audi R18 e-tron quattro utiliza un sistema basado en volante de inercia , mientras que el Toyota TS030 Hybrid utiliza un sistema basado en supercondensadores . Cuando Porsche anunció su regreso a Le Mans en 2014, también presentó un coche LMP1 con un sistema de recuperación de energía cinética. El Porsche 919 Hybrid , presentado en 2014, utiliza un sistema de batería, a diferencia del anterior Porsche 911 GT3 R Hybrid que utilizaba un sistema de volante de inercia.

Un KERS que utiliza un volante de inercia de fibra de carbono, desarrollado originalmente para el equipo de carreras de Fórmula Uno Williams , ha sido modificado para su instalación en los autobuses de dos pisos existentes en Londres . 500 autobuses del Grupo Go-Ahead estarán equipados con esta tecnología entre 2014 y 2016, y se prevé que mejore la eficiencia del combustible en aproximadamente un 20%. ^[34] El equipo que desarrolló la tecnología recibió el Trofeo Dewar del Royal Automobile Club en 2015. ^[35]

Los vagones de pasajeros de Parry People Mover utilizan un motor pequeño y un volante de inercia de gran tamaño para desplazarse. El sistema también admite frenado regenerativo. ^[36]

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