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Jul 05, 2023

Frenando por más

Los vehículos eléctricos de batería imponen nuevas exigencias al chasis, especialmente cuando

Los vehículos eléctricos de batería imponen nuevas exigencias al chasis, especialmente en lo que respecta al frenado y la recuperación. Los desarrolladores del Grupo Porsche están trabajando en nuevos conceptos para la distribución de la fuerza de frenado que permitirán una mejor recuperación sin comprometer la comodidad.

Los desarrolladores de chasis enfrentan el desafío de la electrificación en dos frentes: las baterías hacen que los vehículos sean más pesados ​​pero, por otro lado, los vehículos suelen exhibir una mejor dinámica de conducción. Ambos factores generalmente requieren un freno de rueda hidráulico más potente. Sin embargo, esto reduce la eficiencia y sacrifica autonomía porque aumenta el peso y aumenta el consumo.

El Porsche Taycan se las arregla sin un sistema de frenos más grande, gracias a la recuperación: tan pronto como el conductor presiona el pedal del freno, los motores eléctricos cambian al modo de generación. Una vez que lo hacen, ya no son los motores los que mueven las ruedas, sino al revés. Esto frena el vehículo y, al mismo tiempo, genera electricidad que se puede utilizar para cargar la batería. Lo que es crucial para los desarrolladores de chasis es que la recuperación no requiere que el freno se haga más grande a pesar del aumento en la dinámica de conducción. Por lo tanto, el freno no tiene un impacto negativo en el alcance.

En el Taycan, el 90 por ciento de todas las veces el conductor frena en situaciones cotidianas, esto se puede hacer usando solo energía eléctrica, es decir, sin la participación del sistema hidráulico. Este último sólo se utiliza a velocidades inferiores a 5 km/h, cuando los motores eléctricos apenas desarrollan potencia de frenado. Además, el freno de fricción interviene cuando los motores eléctricos no tienen suficiente potencia de desaceleración, por ejemplo, durante el frenado total desde altas velocidades. El Taycan Turbo S (consumo de energía eléctrica* combinado (WLTP) 23,4 – 22,0 kWh/100 km, emisiones de CO₂* combinado (WLTP) 0 g/km, autonomía eléctrica* combinada (WLTP) 440 – 467 km, autonomía eléctrica* en ciudad (WLTP) 524 – 570 km) puede generar hasta 290 kW de energía eléctrica durante el frenado. A este nivel de potencia, dos segundos de desaceleración son suficientes para generar electricidad para recorrer unos 700 metros. En general, la recuperación aumenta la autonomía hasta en un 30 por ciento.

Uno de los principales desafíos técnicos en el desarrollo de chasis para vehículos eléctricos de batería (BEV) es la combinación, que es cuando se combinan el frenado regenerativo e hidráulico. “El conductor no debe sentir la transición entre los sistemas”, enfatiza Martin Reichenecker, Gerente Senior de Pruebas de Chasis en Porsche Engineering.

Garantizar una transición suave impone grandes exigencias a la tecnología, porque los sistemas de frenado funcionan de manera diferente: mientras que un motor eléctrico siempre proporciona el mismo par de frenado, el par de su contraparte hidráulica puede variar cada vez debido a influencias ambientales como la temperatura y la humedad. Por lo tanto, puede darse el caso de que la potencia de frenado hidráulica difiera de la potencia de frenado eléctrica en el punto de transición. El conductor siente esto como una sacudida.

Porsche ha desarrollado algoritmos para el Taycan que evitan que esto suceda. Supervisan el sistema hidráulico de forma continua: durante cada proceso de carga, el freno se calibra para determinar la relación actual entre el recorrido del pedal de freno y la fuerza del pedal de freno. Esto permite que el algoritmo calcule cuánta potencia entregará el sistema hidráulico la próxima vez que se frene el vehículo y lo implemente con precisión para que la transición al modo de recuperación sea suave.

En los vehículos, la potencia de frenado suele distribuirse de forma desigual: dos tercios de la misma la proporciona el eje delantero y un tercio el eje trasero. La misma relación se aplica al sistema eléctrico del Taycan: el motor eléctrico delantero proporciona dos tercios de la potencia de frenado, el trasero proporciona un tercio, aunque el motor trasero es más grande y teóricamente podría contribuir (y recuperar) más. Este potencial podría aprovecharse variando la distribución de la fuerza de frenado entre los ejes. En este contexto, es importante señalar que, por razones de estabilidad de conducción, la contribución máxima del eje trasero debe limitarse según la situación para garantizar una reserva de estabilidad suficiente. "El motor eléctrico que puede absorber la mayor cantidad de energía generará el mayor par de frenado", explica Ulli Traut, desarrollador de funciones e ingeniero de integración de frenado regenerativo en Porsche AG.

Al igual que con la interacción entre los frenos hidráulicos y generativos, los cambios en las fuerzas no deben comprometer la comodidad del conductor o del pasajero. Una solución sería tener dos algoritmos funcionando al mismo tiempo: el primero analiza la situación de conducción y sugiere un "pasillo" en el que la fuerza de frenado se distribuye de manera óptima entre los ejes delantero y trasero, según los datos del banco de pruebas. Un segundo algoritmo selecciona una distribución que se adapte a la situación de conducción actual del "pasillo" más eficiente. Según el experto Traut, esta solución garantizaría una deceleración ideal y aportaría una "ganancia significativa de autonomía".

Hasta ahora, el freno en la ingeniería automotriz ha sido un sistema propio relativamente aislado. Esto ahora ha cambiado en los vehículos eléctricos, porque muchas más partes del vehículo están involucradas en la desaceleración: tren motriz, electrónica de potencia y batería. Además, el freno tiene su propia pantalla en el cuadro de instrumentos. Todo esto requiere un trabajo más interdisciplinario por parte de los desarrolladores de chasis. Los ingenieros que trabajan en el freno, por ejemplo, tendrán que consultar más de cerca con sus colegas que trabajan en la transmisión en el futuro, por ejemplo, porque la recuperación también involucra al motor eléctrico y, por lo tanto, a la transmisión (el Taycan tiene una transmisión de dos velocidades en el eje trasero).

Esto crea nuevas demandas en su capacidad de carga, pero también ofrece nuevas oportunidades, como señala Reichenecker: "Los desarrolladores tienen grados de libertad completamente nuevos". La capacidad potencial de hacer que la distribución de la fuerza de frenado entre los ejes delantero y trasero sea variable es el mejor ejemplo de esto, dice. Reichenecker espera que la tecnología para el chasis y los componentes de la transmisión continúen fusionándose. "En arquitecturas futuras, la mayoría de las funciones de software presumiblemente estarán unidas en una sola unidad de control".

En lo que respecta a la conducción, algunos fabricantes de vehículos eléctricos se están concentrando en lo que se conoce como conducción con un solo pedal. El principio es que cuando el conductor quita el pie del pedal, el vehículo comienza a recuperar energía de inmediato y, en casos extremos, frena con tanta fuerza que se encienden las luces de freno. Esto significa que, en la mayoría de las situaciones, el automóvil se puede conducir con un solo pedal.

Porsche, por otro lado, hace uso de la conducción por inercia, que es el proceso más natural de permitir que el vehículo continúe rodando sin motor. La recuperación solo comienza cuando se pisa el pedal del freno. "Esta es una forma de conducción más eficiente, porque mantiene la energía cinética en el vehículo", dice Reichenecker. La conducción con un pedal, por otro lado, se recupera primero y solo luego convierte la energía recuperada nuevamente en propulsión. "Eso da como resultado el doble de pérdidas".

Otro efecto positivo de la recuperación es que hay menos desgaste en los frenos hidráulicos. "Esperamos que las pastillas de freno tengan que ser reemplazadas debido al envejecimiento en el futuro en lugar del desgaste", como conjetura Traut. Se ha desarrollado una función para que el Taycan mantenga limpios los discos de freno, ahora que se usan con menos frecuencia: el vehículo frena a intervalos regulares usando solo el sistema hidráulico, y sin los motores eléctricos, para eliminar la suciedad de los discos. Esto podría ser una ventaja considerable en el futuro, porque la UE planea que los frenos emitan menos partículas en el futuro. La nueva norma de emisiones Euro 7, que entrará en vigor en 2025, será la primera vez que se establezcan límites para la abrasión de los frenos. Esto pondrá entonces a los vehículos eléctricos como el Taycan, que solo consume electricidad nueve de cada diez veces que frena, en una buena posición de partida.

Texto publicado por primera vez en Porsche Engineering Magazine, número 1/2023

Texto: Constantin Gillies

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