Análisis Técnico – Sistema de frenado eléctrico – brake-by-wire

Uno de los elementos que va a dar mucho que hablar este año y que tiene una importancia vital tanto para las prestaciones de un buen monoplaza como para la integridad piloto que lo utilice es el brake-by-wire, o control electrónico de los frenos. Si el nuevo motor V6 turbo y sus sistemas de recuperación de energía ya era un quebradero de cabeza para los ingenieros, el nuevo control electrónico de los frenos traseros, precisamente necesarios por el uso de los sistemas de recuperación de energía en el MGU-K, está siendo más complejo de lo esperado.

Este sistema de frenado electrónico que los coches montan en el eje trasero es algo totalmente nuevo, y ha sido imprescindible adoptarlo por el mayor rendimiento de los sistemas de recuperación de energía cinética (MGU-K), que absorben la energía cinética de las ruedas traseras, y generan en ellas un efecto de frenado que puede variar mucho dependiendo de la energía que estén recuperando.

Con el brake-by-wire, la electrónica mide cuánto está pisando el piloto el pedal de freno, y con la información de la cantidad de energía recuperada, o lo que es lo mismo, la fuerza de frenado que el motor-generador está realizando en el eje trasero, la ECU determina en cada instante cuánta presión debe ejercer sobre los frenos traseros para que el piloto tenga siempre un reparto de frenada delante-detrás igual, que no se vea afectada por lo que los sistemas de recuperación hagan. Por tanto el sistema suaviza el proceso, frenando el coche de una manera coherente, al mismo tiempo que garantiza la cosecha máxima de energía para las ERS.

Arquitectura Brake-by-wire

La arquitectura general de un sistema de frenado eléctrico se compone de principalmente de cinco tipos de elementos:

• Los procesadores que incluyen una unidad de control electrónico y otros procesadores locales ECU
• Memoria
• Sensores
• Impulsores
• La red de comunicación.

Un vehículo que use la tecnología brake-by-wire emplea una serie de impulsores, comúnmente propulsado por un motor eléctrico de corriente continua imantado, de unos 42 voltios, cerca de las ruedas traseras que producen presión de frenado. Por seguridad, los monoplazas tienen dos sistemas de frenos, delantero y trasero, para que si uno falla el otro pueda frenar el coche

Cada impulsor está gobernado por unidades de control electrónicas que, a su vez, están conectados al pedal de freno. La interacción del piloto con este pedal es convertido en una serie de instrucciones eléctricas, que son comunicadas a través del sistema de frenado por la red de comunicación. Como esta red podría no ser capaz de comunicarse correctamente con las pinzas de freno debido a fallos en la red, los datos sensoriales HMI también son transmitidas directamente a cada pinza a través de un bus de datos por separado.

Una serie de sensores, como el sensor de la posición del pedal de freno, sensores de velocidad de la rueda, sensores de ángulo de dirección, velocidad en curva o aceleración lateral, ayudan a una evaluación apropiada de la situación del monoplaza (carga de energía en el MGU-K, duración de frenado, intensidad de frenada, etc.) ajustando la presión de frenado necesaria.

Basado en cuán fuerte o hasta cuando el piloto presiona el pedal de freno bajo diferentes circunstancias, los sensores transmiten la información a la ECU (unidad de control de energía), que forma una imagen de la suavidad o emergencia de la situación de frenado y, en consecuencia, decide la presión de frenado que ha de poner en cada rueda. El sistema también es capaz de incrementar la presión en un lado o en otro dependiendo de si el coche tiene sobreviraje o subviraje, e incluso, ajustar las condiciones de frenado al grip de la pista.

Motores de corriente continua

Los motores de corriente continua son, de lejos, los motores eléctricos más simples y operan de la misma forma. Hay un estator (la parte más grande de la maquinaria) y un rotor (la parte más pequeña que gira alrededor de un eje en el estator). En el estator hay imanes y una bobina en el rotor que se encarga de cargar magnéticamente el rotor.

Los cepillos son los responsables de transferir la corriente desde la fuente estacionaria de corriente continua al rotor hilado. Dependiendo de la posición, la carga magnética varía produciendo movimiento en el motor. Se necesitan pocos controles al usar un propulsor de este tipo. Para controlar la velocidad en línea de resistencia variable ha de ser usado para cambiar la cantidad de corriente al llegar a las bobinas.

El impulsor mostrado es una versión simplificada de un motor de ‘dos polos’ que usa dos imanes en el estator. En este caso, los imanes en el estator son imanes permanentes. Los cepillos suministran corriente desde una fuente de energía continua que provee de potencia un campo magnético hacia el final del rotor. La polaridad del campo depende, simplemente, del flujo de la corriente. A medida que el rotor gira, las escobillas hacen contacto con un lado de la fuente de energía.

A continuación, dejan de hacer contacto con la superficie, y luego continúa haciendo contacto con la otra cara de la fuente, cambiando la polaridad del rotor. El tiempo de este cambio varía en función de la geometría de los cepillos. La animación ayuda a ilustrar cómo cambia la polaridad en el momento de máxima atracción. En este momento, cambia la repulsión máxima que acelera el eje del rotor obligando a girar al motor.

Los componentes de un motor eléctrico de corriente continua son los siguientes:

• Estator: El estator es la parte fija de una máquina rotativa y uno de los dos elementos fundamentales para la transmisión de potencia.
• Rotor: El rotor es el componente que rota en una máquina eléctrica. Junto con su contraparte fija, el estator, forma el conjunto fundamental para la transmisión de potencia en motores y máquinas eléctricas en general.
• Conmutador: Un motor de corriente continua no usa un dispositivo de conmutación de corriente externo, sino que utiliza un conector mecánico denominado conmutador, que es un manguito segmentado generalmente de cobre, montado sobre el eje giratorio. La corriente se suministra a través de cables.
• Cepillos: A medida que el motor hace girar las escobillas, estas se deslizan sobre los segmentos del colector, creando un campo magnético variable en los diferentes brazos a lo largo de los segmentos del conmutador conectados a las bobinas. Al aplicar voltaje, se crea un campo electromagnético dinámico.

Sensores de posición

Los sensores de posición son usados en los monoplazas para determinar la posición del volante, posición del pedal, posición en el asiento, la posición de las válvulas, mandos e impulsores. Hay tres tipos de sensores de posición: angular, rotatorio y lineal. Estos dispositivos utilizan tecnología variada para captar la posición, incluyendo potenciómetros de barrido, reflexión óptica o imágenes y detectores del efecto Hall.

Los potenciómetros de barrido son usualmente utilizados para la medición de la posición angular. Como eje rotatorio, el brazo barre toda la pista de resistencia. La resistencia entre los extremos de la superficie indica el movimiento.

Los sensores ópticos de posición emplean un fototransistor para seguir el movimiento de marcas ópticas o cambios en una imagen. Por ejemplo, los sensores de movimiento del cigüeñal detectan la luz reflejada por la superficie del eje de rotación gracias a la alternancia de luz y marcas oscuras. Son bastante susceptibles a la suciedad y otras impurezas en el área del objeto.

Los detectores del efecto Hall se encargan de comprobar la existencia de un campo magnético en el flujo de corriente en un conductor. Estos sensores, generalmente, detectan la posición del sensor con respecto a un imán permanente. Tienen la ventaja de no ser de contacto, y por tanto, inmunes a la suciedad y vibración (aunque se pueden averiar con grandes campos electromagnéticos). Requieren una tensión operacional para que funcionen y, normalmente, son instalados para averiguar la inclinación del pedal del acelerador.

Los sensores inductivos miden la proximidad de un material magnético, como acero o un bucle de alambre. Constan de una pequeña bovina de alambre, accionado por una corriente variable en el tiempo. La inductancia de la bovina cambia al estar en cercanía de un material cargado eléctricamente. Como los dispositivos del efecto Hall, son sensores activos, es decir, necesitan de corriente para poder funcionar.

Sensores de aceleración

Detectores de aceleración línea, también llamados sensores de fuerzas G, son dispositivos que miden la aceleración causada por el movimiento, vibración, colisión, etc. Todos los sensores de aceleración operan basados en el segundo principio simple de la ley de Newton para una masa y un resorte. Una masa está conectada al a base del sensor a través de un resorte equivalente. Puesto que la fuerza entre la masa y la basa es proporcional al impulso de la masa y la distancia relativa entre ellos, tiene una relación lineal con la fuerza, debido al resorte. La aceleración es calculada a partir de la posición relativa de la masa o fuerza sobre el muelle, que varía con el tiempo. En general, los sensores más comunes traen consigo: un sensor de piezoelectricidad, piezoresistencia, capacitancia variable y una reluctancia variable.

• Piezoeléctrico

  Un sensor de aceleración piezoeléctrico emplea el efecto piezoeléctrico para medir la distancia relativa entre la masa y la base del sensor, y a continuación, representa la aceleración en términos de una tensión de salida. Los cristales de cuarzo se utilizan en ocasiones como elementos sensores. Pero por lo general, se utilizan materiales piezoeléctricos cerámicos tales como titanato de bario, titanato de circonita de plomo (PZT), y metaniobite de plomo. Los sensores de aceleración piezoeléctricos son ampliamente utilizados debido a su tamaño compacto y peso ligero, pero no pueden ser utilizados para medir aceleraciones de estado estacionario.

• Efecto piezorresistivo

  En un detector de aceleración piezorresistivo, un material piezorresistivo se coloca de modo que se deforma por la posición de la masa de cambiar su resistencia. Este tipo de sensor de aceleración generalmente tiene un tamaño pequeño, gran amplitud de la señal y buena linealidad, pero puede ser sensible a las variaciones en la temperatura. Los sensores piezorresistivos pueden ser utilizados para medir tanto en estado estacionario como en las aceleraciones dinámicas.

• Capacitancia variable

  Un sensor de aceleración de capacitancia variable utiliza los cambios en la capacitancia causados por un desplazamiento en la masa para detectar su posición. Estos tipos de sensores de aceleración tienen buena sensibilidad, salida lineal, buena respuesta a la corriente continua, baja disipación de potencia y sensibilidad a bajas temperaturas. Un inconveniente de los sensores de capacitancia variable es que pueden ser susceptibles a interferencias electromagnéticas.

• Reluctancia variable

  Un sensor de aceleración de reluctancia variable utiliza los cambios en la inductancia de una bobina causada por un desplazamiento en una masa hecha de material magnético para detectar la posición de la masa.

  En la mayoría de los sensores de aceleración, el muelle no es un resorte de alambre en espiral, pero es algo que tiende a restaurar la masa a su posición inicial. Algunos sensores emplean péndulos o diafragmas en lugar de muelles.

  Los sensores de equilibrio de fuerza trabajan en un bucle cerrado. Estos sensores monitorizan la relación de fuerzas entre la masa y el muelle y los mantienen en un estado de equilibrio. Este mecanismo minimiza los errores causados por la no linealidad del resorte, pero aumenta el coste.

• Sensores de aceleración microelectromecánicos

  Sensores basados en tecnología micro. Se están haciendo cada vez más populares en sistemas automotrices, siendo bastante pequeños y resistentes en comparación con otras tecnologías. Están hechos en silicona que se integran bastante más fácil con la electrónica del sistema.

  El elemento sensible es una estructura similar a un peine de condensadores diferenciales dispuestos en paralelo en una viga (la formación de la masa sísmica) apoyado de resortes grabados desde el sustrato de silicio. El condensador diferencial forma un medio-puente capacitivo accionado por un generador de alta frecuencia de onda cuadrada. Cuando se aplica la aceleración perpendicular a la masa sísmica, el condensador diferencial no coincide y aparece un voltaje distinto de cero en la placa central. Esta señal es preamplificada, demodulada amplificando y saliendo como una tensión proporcional a la aceleración aplicada.

Sensores de la velocidad en una rueda

Los dispositivos de detección de velocidad de un neumático miden la velocidad y dirección de una goma en el asfalto. Estos sensores proporcionan un número de datos de diferentes sistemas en vehículos, incluyendo el mecanismo antibloqueo de frenos y control electrónico de estabilidad. Incluyen típicamente un árbol dentado y un sensor magnético. El detector cuenta la velocidad del paso de los dientes, pudiendo monitorizar la velocidad del cigüeñal o el eje de transmisión.

Dispositivos de medición de velocidad angular

Miden el cambio de velocidad angular alrededor de un eje en grados por segundo o radianes por segundo. Utilizan giroscopios de estructura vibrante y se emplean para medir la velocidad en curva, además de su ángulo de giro.

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