FREIO REGENERATIVO KERS - VEÍCULO ELÉTRICO

​​1. O QUE É KERS

Kinetic Energy Recovery System (KERS), também conhecido como Sistema de Recuperação de Energia Cinética (SREC) ou simplesmente Freio Regenerativo, é um mecanismo que recupera parte da energia cinética gerada na desaceleração (frenagem) do veículo e a armazena — seja como energia eletroquímica (carregamento de baterias) ou como energia mecânica em um volante de inércia. 

Posteriormente, essa energia armazenada pode ser utilizada pelo condutor, seja para simplesmente movimentar o carro ou para se obter um ganho extra de potência (dependendo do tipo de sistema existente). Ou seja, sempre que o freio do carro for utilizado, é gerada energia que será armazenada em baterias e posteriormente poderá ser reutilizada pelo condutor conforme necessário. 

Um grande diferencial dos carros elétricos e híbridos é contar com KERS, um recurso que proporciona diversas vantagens muito além das ultrapassagens no automobilismo. Porém, essa tecnologia não é nova — na verdade ela é utilizada desde o começo do século XX: em 1902, na cidade inglesa de Newcastle, usou-se esse sistema de frenagem para os bondes da cidade. No caso, os freios eram acoplados a geradores para auxiliar na produção de energia diante de uma possível crise energética.

frenagem regenerativa kers
Imagem do bonde elétrico usado na cidade de Newcastle, na Inglaterra, em 1903



​​2. HÁ DIFERENÇA ENTRE KERS E SREC?

Não. As siglas significam a mesma coisa, com a diferença de que KERS está em inglês (Kinetic Energy Recovery System) e SREC em português (Sistema de Recuperação de Energia Cinética). Há outras nomenclaturas comuns para se referir à mesma tecnologia, como Sistema de Frenagem Regenerativa e Freio Regenerativo.



​​3. QUAIS CARROS TÊM FREIOS KERS?

O KERS está presente nos diferentes tipos de veículos elétricos — tanto nos carros híbridos (HEV – Hybrid Electric Vehicle), quanto nos carros híbridos plug-in (PHEV – Plug-In Hybrid Electric Vehicle) e puramente elétricos (BEV – Battery Electric Vehicle). 

Nos carros híbridos HEV, que não possuem entrada para abastecimento por carregadores elétricos, a energia gerada pelo KERS é a única forma de abastecimento da bateria, que funciona como um complemento do motor a combustão. Já nos híbridos plug-in (o PHEV, que possui uma espécie de “tomada” para carregar o veículo, mas ainda possui motor a combustão, além da bateria e do motor elétrico), o KERS é uma das formas de carregamento, embora o carro também possa ser abastecido com carregadores.

Importante ressaltar: todos os veículos HEV, PHEV e BEV possuem recursos de freios regenerativos, que em alguns casos podem não ser chamados de KERS. A diferença é que em alguns modelos esse recurso é mais avançado e mais eficiente do que em outros.
tipos de carros elétricos e híbridos



​4. O CONCEITO DE ENERGIA CINÉTICA

Para entender a diferença entre os freios tradicionais dos carros com motor a combustão (que utilizam combustíveis fósseis, como a gasolina) e os veículos elétricos e híbridos com freio do tipo SREC/ KERS, primeiro é importante entender o conceito de energia cinética. 

A energia cinética é a energia que um objeto possui devido ao seu movimento. Se quisermos acelerar um objeto, devemos aplicar uma força que exige que façamos um trabalho. Depois que o trabalho foi feito, a energia foi transferida para o objeto, que irá se mover com uma certa velocidade. Essa energia transferida para o objeto é conhecida como energia cinética e depende da massa e da velocidade alcançada.


​5. ONE PEDAL DRIVING: O PEDAL NOS VEÍCULOS ELÉTRICOS

Para compreender como funciona a frenagem regenerativa (ou KERS) também é muito importante entender algumas características dos pedais dos carros que utilizam essa tecnologia. 

Há veículos nos quais o KERS é acionado diretamente no pedal de freio, mas a tendência é que cada vez mais o freio regenerativo esteja combinado com a tecnologia one pedal driving, que consiste no uso de apenas um pedal para acelerar e frear, trazendo uma direção mais confortável e segura.

O one pedal driving funciona da seguinte forma: para acelerar o veículo elétrico, o motorista deve pisar no acelerador da mesma forma que faria em um carro a combustão. Porém, quando houver a necessidade de frear, não é necessário que o condutor utilize o pedal específico de freio, pois o sistema faz que o carro breque automaticamente assim que o motorista retirar um pouco o pé do acelerador. 

Com o one pedal driving, o sistema do veículo entende a intenção do motorista de frear e, quanto mais o condutor subir o pé do pedal, maior será a frenagem. Em outras palavras: é possível dirigir o veículo elétrico usando apenas o acelerador, tanto para aumentar velocidade quanto para brecar.

Essa tecnologia faz com que o carro pare sem necessariamente ser “freado” com um pedal exclusivo para isso, mas sim “desacelerado até parar” com o mesmo pedal que o acelera. E, através desse processo, a energia cinética do automóvel é transformada em energia elétrica pelo KERS, para depois ser imediatamente armazenada na bateria do veículo elétrico (VE).


​6. COMO FUNCIONA A FRENAGEM REGENERATIVA NOS VEÍCULOS ELÉTRICOS

Quando o carro elétrico está parado e o pedal acelerador é acionado, a bateria envia energia para o motor elétrico e o veículo se movimenta. Ou seja, a aceleração é feita da mesma forma que em um carro a combustão, com o acionamento do acelerador (a única diferença nesse caso é que o “combustível” do VE é a energia da bateria e não algum composto líquido como gasolina, álcool ou diesel). 

No entanto, a freada funciona de modo diferente em um carro elétrico com as tecnologias One Pedal Driving e KERS. Nesse caso, quando há necessidade de parar o automóvel que está em movimento, basta ao motorista tirar o pé do pedal do acelerador para que ele suba, fazendo com que o sistema de tração do carro pare de acelerá-lo e comece a freá-lo, fazendo com que o automóvel desacelere. 

Em um carro a combustão, seria preciso acionar um pedal específico (o freio) para brecar o veículo, enquanto no carro elétrico ou híbrido tudo pode ser feito com um mesmo pedal que será responsável por fazer o freio regenerativo ser acionado. 


No carro elétrico, o processo de tirar o pé do pedal não faz apenas com que o veículo reduza velocidade ou pare. A característica mais importante do KERS é justamente esta: a reutilização de energia que ocorre quando o automóvel é freado. Nesse momento, o mecanismo KERS faz com que o motor elétrico do carro deixe de funcionar como um motor e funcione como um gerador —que, ao mesmo tempo em que breca o carro, também é capaz de utilizar essa energia para carregar o banco de bateria. 

De uma forma simples: quando o carro está em movimento (com o motorista pisando no acelerador), os motores elétricos consomem a energia elétrica armazenada. Porém, quando se tira o pé do pedal (para freá-lo), o motor elétrico passa a funcionar como gerador, reduzindo a velocidade do carro sem acionar seu freio hidráulico e gerando energia elétrica que volta a ser armazenada nas baterias. 

Essa energia elétrica gerada é, então, imediatamente enviada à bateria para ser armazenada e reutilizada posteriormente. Esse é o Sistema de Recuperação de Energia Cinética (SREC ou KERS, em inglês), que faz com que o carro consiga “produzir” energia nos momentos de freada e proporciona maior eficiência ao sistema.
Sistema de Recuperação de Energia Cinética  KERS

Dessa forma, fica claro que a principal vantagem da frenagem regenerativa é o reaproveitamento de energia, que proporciona maior eficiência, economia e sustentabilidade. O uso da tecnologia de freio regenerativo também ajuda na recarga da bateria, aumentando inclusive, a autonomia do veículo.



​7. O FREIO REGENERATIVO FUNCIONA QUANDO A BATERIA ESTÁ 100% CARREGADA?

Não. O sistema SREC pode enviar à bateria do carro apenas a quantidade de energia que ela é capaz de armazenar. Portanto, se a bateria estiver 100% carregada, não é possível armazenar energia elétrica além desse limite, mesmo que se acione o freio regenerativo. 

A situação é semelhante ao preenchimento de um tanque em um carro a combustão. Da mesma forma que não é possível adicionar mais gasolina se o tanque estiver cheio, também não é possível armazenar mais energia quando a bateria do carro elétrico estiver 100% carregada.


​8. COMO UTILIZAR O FREIO KERS DA MELHOR MANEIRA?

Diversos fatores podem impactar a quantidade de energia gerada e a eficiência do KERS, como a potência do motor, a refrigeração da bateria e a capacidade do inversor. Porém, o fator mais importante para o melhor uso do freio regenerativo é, sem dúvidas, a forma como o motorista dirige. Para isso, é fundamental frear “no momento certo”.

O melhor desempenho do sistema de frenagem regenerativa é alcançado quando motoristas diminuem a velocidade com bastante antecedência. Por outro lado, quando um condutor para o carro e utiliza o freio de forma brusca, no último momento, acaba por diminuir a eficiência do sistema, que pode acionar o sistema convencional freios nesses casos.

O KERS tende sempre a ter eficácia menor quando se dirige em velocidade muito baixa e, por isso, geralmente rende menos em momentos de muito trânsito, quando é impossível dirigir em alta velocidade. Nessas situações, a frenagem regenerativa não consegue capturar muita energia e alimentá-la de volta para a bateria, reduzindo significativamente os benefícios do sistema.

O peso do carro também influenciará bastante a capacidade do KERS em gerar eletricidade. Por exemplo: um veículo maior e mais pesado poderá ter mais impulso, com mais energia cinética para capturar — mas também será necessária mais energia para fazê-lo se mover novamente após uma parada, em comparação a um automóvel menor.   


​9. O CARRO ELÉTRICO TEM TAMBÉM O FREIO TRADICIONAL?

Sim, o freio tradicional (seja ele hidráulico ou mecânico) é item de segurança em qualquer veículo e também existe nos veículos elétricos. Porém, nos carros que contam com KERS combinado com a tecnologia one pedal driving, ele apenas é utilizado se houver necessidade de frenagem rápida e abrupta. 

E não se preocupe: o próprio sistema do carro definirá quando usar um ou outro tipo de freio durante o dia a dia. 

Em quase todas as situações, o freio regenerativo é suficiente para brecar o veículo elétrico ou híbrido que conta com KERS. Apenas em alguns casos, quando for necessária uma freada muito brusca, o sistema eletrônico do automóvel perceberá a necessidade de acionar também o freio tradicional por questão de segurança. 

Na prática os freios (geralmente hidráulicos) quase não são acionados em veículos elétricos e híbridos, o que proporciona redução de manutenção e evita a substituição de peças em todo o sistema de frenagem. Por isso, o freio de um veículo elétrico chega a durar 3 vezes mais do que os carros convencionais. 

No entanto, um cuidado deve ser observado: como o sistema de freio tradicional é pouco utilizado, uma das preocupações que o proprietário do veículo elétrico deve ter é usar o pedal do freio hidráulico de vez em quando para evitar oxidação excessiva nos discos e qualquer problema no sistema.


​10. TIPOS DE FREIOS KERS

Existem três tipos básicos de sistemas KERS: eletrônico, eletromecânico e mecânico. A principal diferença entre eles está na maneira como convertem a energia e como ela é armazenada no veículo.

​KERS ELETRÔNICO

No KERS eletrônico, a força rotacional de frenagem é feita por um motor elétrico/ unidade geradora (MGU, na sigla em inglês) montada no eixo do motor a combustão. Este MGU pega a energia elétrica que converte a energia cinética e a armazena em baterias. O botão de impulso então convoca a energia elétrica nas baterias para alimentar o MGU. 

O ponto mais complexo em um sistema de KERS eletrônico é como armazenar a energia elétrica. A maioria dos sistemas desse tipo usa uma bateria de lítio, que esquenta ao ser carregada. Assim, muitos dos carros com KERS contam também com dutos adicionais de resfriamento, já que o carregamento ocorrerá várias vezes durante o uso do veículo (sempre que o freio regenerativo for acionado).

Supercapacitores também podem ser usados para armazenar energia elétrica em vez de baterias, em alguns casos. De forma geral, um supercapacitor esquenta menos que uma bateria e pode ser mais eficiente, mas geralmente também armazena a energia por menos tempo. 

​KERS ELETROMECÂNICO

No KERS eletromecânico, a energia não é armazenada em baterias ou supercapacitores, mas sim gira um volante giratório interno também chamado de volante de inércia para armazenar a energia mecânica. Na prática, porém, esse sistema é uma bateria eletromecânica. 

Esse tipo de KERS pode ser usado, por exemplo, nos carros de corrida que possuem espaço limitado e, por isso, devem otimizar seu espaço com soluções pequenas e leves. Nesses casos, o volante deve girar muito rápido a velocidades de 50.000 - 160.000 rpm para atingir densidade de energia suficiente. 

Por esse sistema, a energia costuma ficar armazenada por pouco tempo e, portanto, precisa ser utilizada rapidamente (como nos carros de Fórmula 1).

​KERS MECÂNICO

O sistema KERS mecânico também tem um volante como dispositivo de armazenamento de energia, mas elimina a necessidade de MGUs (a unidade geradora de energia, geralmente o motor elétrico), substituindo-os por uma transmissão para controlar e transferir a energia para o sistema de transmissão, com o uso de eixos e engrenagens internas.

Ao contrário do KERS eletrônico, este método de armazenamento evita a necessidade de transformar energia cinética em elétrica. Assim, o KERS mecânico consegue eficiência superior, já que cada conversão de energia no KERS eletrônico traz algumas perdas. 
KERS Freio Fórmula 1
Carro de Fórmula 1 usando o sistema de frenagem tradicional para fazer uma curva no Grande Prêmio do Canadá em 2018



​11. O SISTEMA KERS NOS CARROS DE FÓRMULA 1

Em 2009, o KERS passou a ser utilizado na Fórmula 1 (F1) e logo se tornou uma grande atração da principal categoria do automobilismo mundial. 

No KERS da F1, a energia liberada a cada freada do veículo é guardada, assim como acontece com qualquer veículo elétrico que tenha a tecnologia. Depois, quando o piloto aciona um botão, ele consegue reutilizar essa energia e fazer o carro ganhar potência de cavalos (cv), facilitando ultrapassagens. 

O impulso do KERS pode fornecer a carros de Fórmula 1 até 80 cv adicionais por até 7 segundos por volta. O recurso já foi utilizado diversas vezes na categoria e, em 2009, o finlandês Kimi Raikkonen usou o KERS para ultrapassar o italiano Giancarlo Fisichella nos momentos finais do GP da Bélgica para se sagrar vencedor. 
Freio Kers ultrapassagem Fórmula 1
Kimi Räikkönen venceu a corrida do Grande Prêmio da Bélgica de 2009 com uma ultrapassagem auxiliada pelo KERS



​12. QUAL A DIFERENÇA DO KERS NOS CARROS ELÉTRICOS COMUNS E NA FÓRMULA 1?

A diferença central no uso da tecnologia KERS nos veículos elétricos e híbridos vendidos comercialmente e nos carros de Fórmula 1 é o sistema utilizado. 

Enquanto os carros da Fórmula 1 utilizam o KERS eletromecânico, que armazena a energia num volante de inércia que é capaz de rapidamente reinjetá-la de volta no trem de força (para fornecer aumento de potência adicional em conjunto com o motor), o carro elétrico ou híbrido tradicional utiliza o KERS eletrônico que armazena a bateria das frenagens em baterias. 

No dia a dia, o sistema KERS geralmente não é utilizado para realizar ultrapassagens, como acontece nas corridas de Fórmula 1. Porém, algumas montadoras, como a Volvo  , já começaram a desenvolver recursos adicionais para que carros convencionais possam também utilizar o KERS como um “turbo”, conseguindo reaproveitar a energia gerada com as frenagens de forma imediata — assim adicionando cavalos (CV) à aceleração, em vez de armazená-la na bateria. 


​13. COMO FUNCIONA O FREIO TRADICIONAL NOS CARROS A COMBUSTÃO

A principal diferença entre o freio tradicional (ligado ao motor a combustão) e o freio regenerativo (ligado ao motor elétrico) está na forma que a energia gerada para movimentar e frear o veículo é transformada e reutilizada.

Quando o veículo está parado e o pedal do acelerador é acionado, o motor a combustão queima combustível fóssil, gerando uma explosão. Com essa explosão, existe uma grande expansão de gases dentro do cilindro que faz com que o pistão comece a se movimentar. Esse movimento é transferido ao eixo do motor que, em conjunto com o movimento dos demais pistões, faz movimentar o eixo das rodas através do sistema de transmissão do veículo. Essa energia mecânica de rotação no eixo gerada faz com que o carro entre em movimento.

Na necessidade de parar o carro, o sistema de freios é acionado e as pastilhas são pressionadas contra os discos de freio, criando uma forte força de atrito entre essas peças fazendo com que o carro seja desacelerado. Esse processo gera muito calor e pode-se dizer que a energia que o veículo em movimento tinha foi praticamente toda transformada em calor no processo de atrito das peças componentes do freio. 

Vale ressaltar que existem diferentes tipos de freios de fricção para carros a combustão, como os sistemas de freios a disco (que funcionam com um disco de freio preso à roda, comprimido por pastilhas nos dois lados) e os sistemas de freios a tambor ou hidrovácuo/ freio a vácuo (compostos por tambor, sapatas, pistões e molas de retorna).

Entre os freios a disco, existem dois tipos: freios hidráulicos ou freios mecânicos. A diferença entre eles é a tecnologia utilizada para acionar as pastilhas (enquanto o freio mecânico utiliza cabos para conectar o pedal ao sistema de frenagem, o hidráulico realiza o processo através de um fluido). 

Os sistemas de freios de fricção são bem seguros e confiáveis, porém toda a energia gerada para movimentar o carro é perdida no momento que o motorista frear. Por esse motivo, o freio tradicional causa desperdício de energia e, consequentemente, ineficiência do sistema.


​14. FREIO REGENERATIVO EM BICICLETAS ELÉTRICAS

Com algumas adaptações, a tecnologia KERS pode ser utilizada em todo veículo que utilizar eletricidade. Assim, há também uma disponibilidade cada vez maior de bicicletas elétricas com freios regenerativos, uma forte tendência no mercado de bikes. 

Há, no entanto, sérias dificuldades para que o KERS/ SREC se torne comum entre as bicicletas. A maior delas é o fato de que o freio regenerativo exige um motor de acionamento direto, que é diferente do motor encontrado em bicicletas elétricas convencionais. De forma geral, os motores de acionamento direto são mais pesados e é desafiador inseri-los nas bikes, veículos que por essência devem ser muito leves.

Além disso, apesar do barateamento da tecnologia, o KERS ainda é um recurso caro para ser instalado em uma bicicleta, já que aumentaria muito seu preço


​15. VANTAGENS E DESVANTAGENS DO FREIO KERS

As vantagens do sistema de frenagem KERS em veículos elétricos e híbridos são diversas. Listamos aqui algumas delas, já mencionadas no texto:

  • O KERS conserva a energia do carro elétrico e permite que ela seja reaproveitada, além de tornar o veículo elétrico mais eficiente (por aumentar a eficiência do carro);
  • No caso dos veículos híbridos, o KERS ajuda a reduzir o consumo de combustível, otimizando o uso da energia elétrica;
  • O KERS preserva as pastilhas e outros componentes de freio (lembre-se: os carros elétricos com frenagem regenerativa possuem também freios tradicionais, mas não precisam utilizá-los com frequência e proporcionam uma maior durabilidade e menor manutenção);
  • Por conservar a energia e o sistema de freios do carro elétrico, o Sistema de Recuperação de Energia Cinética traz grande economia e custo-benefício a longo prazo;
  • O sistema de frenagem regenerativa melhora a autonomia dos carros elétricos e o rendimento das baterias por quilômetro;
  • O KERS também traz diversos benefícios ambientais, já que é muito mais sustentável que os freios tradicionais, por gerar menos trocas e descartes de peças. Além disso, o freio regenerativo é um componente básico dos veículos elétricos (que são menos poluentes que os carros a combustão);
  • Geralmente os carros que contam com KERS também contam com a tecnologia One Pedal Only, que traz maior praticidade ao motorista (que pode dirigir apenas com o pedal acelerador) e gera menos desgaste nos pedais de forma geral. 

E AS DESVANTAGENS DO KERS?

Como principal desvantagem do KERS podemos citar o custo ainda alto dos veículos elétricos com essa tecnologia em comparação aos carros a combustão. Porém, há um rápido declínio no preço desses automóveis por conta de incentivos fiscais, avanços na linha de produção e o barateamento das tecnologias utilizadas nos chamados BEVs (Battery Electric Vehicle, o carro 100% elétrico) ou híbridos.

Podem ocorrer oscilações ao longo dos anos (por fatores como a variação do câmbio), mas, em uma perspectiva histórica, o preço de todos os componentes dos carros elétricos está em queda — tanto as tecnologias de baterias quanto os custos do sistema de frenagem e das peças em geral. 

Outra desvantagem pode ser o conforto do pedal. Especialmente os primeiros veículos elétricos fabricados com KERS (com o recurso atrelado ao pedal de freio) podem trazer uma sensação diferente na “pisada”. Há relatos de motorista que tiveram dificuldade para realizar paradas suaves com os primeiros freios regenerativos disponibilizados, porém o aprimoramento da tecnologia, de forma geral, solucionou esse problema.

Atualmente, em muitos carros elétricos é inclusive possível personalizar a sensação de uso do KERS de acordo com sua preferência.  Se quiser captar o máximo possível de energia perdida, o motorista pode configurá-lo para o ajuste máximo. Por outro lado, se o condutor odeia a sensação do carro freando, pode desligá-lo. 

Na maioria dos casos, as luzes de freio do carro acenderão se o carro estiver desacelerando rapidamente, mesmo se o motorista nem mesmo estiver tocando no pedal do freio. Alguns veículos têm até um sistema de controle de cruzeiro automático que usa a regeneração do freio — ou seja, o carro da frente é monitorado por sensores e a regeneração do freio é usada para corresponder à velocidade do carro na estrada.

No caso dos carros com a tecnologia one pedal driving também é possível que o motorista sinta alguma estranheza se não estiver acostumado a dirigir com apenas um pedal. No entanto, com pouco tempo de utilização a tendência é que esse tipo de sistema passe a ser considerado mais confortável e prático.