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Introducción a Los Vehículos Eléctricos Híbridos
Prof. Ing. Néstor A. Martínez
Primero una historia con reflexión….
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Una historia con moraleja
• Hace mucho tiempo atrás existían máquinas que estaban presentes en todas nuestras oficinas, talleres, y hogares…..
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La máquina de escribir • La máquina de escribir es un dispositivo mecánico, electromecánico o
electrónico, con un conjunto de teclas (llamadas tipos) que, al ser presionadas, imprimen caracteres en un documento, normalmente papel. La persona que opera una máquina de escribir recibe el nombre de mecanógrafo.
• Las máquinas de escribir fueron herramientas indispensables en las oficinas de todo el mundo, así como para la literatura, el cine, el teatro y cualquier actividad que requiriera escribir desde finales del siglo XIX y casi todo el siglo XX.
• Entre las compañías que manufacturaban máquinas de escribir y sus accesorios se encontraban Smith-Corona, Olympia, Olivetti, Adler-Royal, Canon, Brother y Nakajima fueron las últimas compañías occidentales que fabricaron las máquinas de escribir mecánicas, pues Olivetti ha dejado de producir máquinas de escribir
• La última empresa dedicada a la fabricación de máquinas de escribir, la india Godrej and Boyce, cerró su última fábrica en abril de 2011.
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Y entonces llegaron ellos…..
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Reflexión….. • En 1981 la introducción de la Computadora Personal brindó
innumerables posibilidades en múltiples campos.
• Cientos de personas se dedicaban a diseñar, fabricar y mantener muchos mecanismos como las máquinas de escribir….y después de 1981 muchos de ellos siguieron desarrollando sus tareas sin advertir del profundo cambio que se había producido…. su mundo profesional cambió pero ellos no fueron capaces de leer el cambio y adecuarse a ese “nuevo” mundo…
• Todos conocemos el final de esta historia…
• La ingeniería mecánica, con justa razón, basa muchos de sus logros en los motores de combustión interna (MCI)…pero el “1981” de los vehículos está teniendo lugar hoy mismo, lentamente en nuestro país, pero no en el resto del mundo… Insistir en el paradigma de los MCI puede ser valioso durante algún tiempo más, pero en 20 años estará casi al nivel de la historia de la máquina de escribir….
• Ojalá podamos leer el cambio esta vez.
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Una Introducción
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¿Porqué mejorar la
Tecnología Automotriz?
Preocupación Ambiental Calentamiento Global Emisiones Tóxicas
Explotación Petrolera depredadora Agotamiento de Fuentes Energéticas
Los combustibles Fósiles no son renovables
Algún día se acabarán Preocupación Política
Dependencia de los países petroleros Cumplir acuerdos medioambientalistas
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¿Qué opciones existen?
No hacer nada
Eso se hizo por décadas
Precios de la Gasolina suben continuamente
La calidad del aire empeora
La cantidad de CO2 aumenta cada día
Diseñar y fabricar Vehículos Eléctricos
Ventajas
Eliminar las amenazas ambientales y políticas
Desventajas
Baja potencia
Poca autonomía y tiempo de recarga grande
Diseñar y fabricar Celdas de Combustibles
Ventajas
Eliminar las amenazas ambientales y políticas
Desventajas
Tecnología en pleno desarrollo y con limitaciones
La mejor Opción:
Tecnología Híbrida
Ventajas Disminución del consumo de combustible
Reducir la contaminación
Reducir la dependencia de combustibles no renovables
No existe tiempo de recarga
Más factible que las celdas de combustible
Desventajas Baterías pesadas
Menor potencia que los vehículos convencionales
Aún requieren de combustibles fósiles
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¿Qué es un Híbrido?
Vehículo que combina la ventajas de los motores de combustión y los motores eléctricos: La fácil y el corto de tiempo de recarga de los
motores de combustión
La alta eficiencia de los motores eléctricos
Vehículo que desecha las desventajas de los motores de combustión y los motores eléctricos. Altas emisiones de los motores de combustión
La baja eficiencia de los motores de combustión
Baja potencia de lo motores eléctricos
Recarga manual de las baterías
Recargado de
Batería
¿Cómo funciona un Vehículo Híbrido?
Motor Eléctrico Motor de
Combustión Interna
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Cómo funciona el motor eléctrico? • El motor eléctrico emplea,
genéricamente, energía eléctrica almacenada en un sistema de baterías.
• El controlador transmite corriente eléctrica a un motor de Corriente Alterna.
• La potencia y el torque sobre el eje son proporcionales a la variación de resistencia en el potenciómetro provocada por la presión sobre la palanca.
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Comparación
Primeros autos eléctricos
• Flocken Elektrowagen
• Andreas Flocken
• 1888, Alemania
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Comienzos
• Baker Electric, 1889
• Primera producción en masa de vehículos eléctricos (EV)
• Velocidad : 14-20 mph
• Alcance : 50 mi les
Los mejores días • Fines del siglo 19 y principios del
s iglo 20.
• 1900 - 38% de los automóviles de los Estados Unidos estaban potenciados por medio de la electricidad
• Importantes progresos en las baterías y en la administración de potencia
• Creciente costo de oportunidad ante los incrementos del precio de los combustibles fósiles
• Aparece una presión clara para cobrar conciencia de la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero
adopción de nuevos vehículos eléctricos
La actualidad
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Beneficios de los autos eléctricos
• Producen una reducción significativa de la contaminación ambiental
• Proveen una gran reducción en las emisiones de gases de efecto invernadero y otros gases
• Reducen la dependencia de las importaciones de combustibles
• No producen ruidos, y aceleran de manera suave y tranquila
Desventajas de los autos eléctricos • Mayor costo
• Carencia de infraestructura de recarga (fuera de la recarga en el domicilio)
• Ansiedad por la incertidumbre en la autonomia
• Mayor precio
• Pocas opciones para la elección del consumidor (pequeña selección de modelos)
Cifras orientativas
• A Noviembre de 2014, el número de autos de pasajeros y utilitarios completamente eléctricos producidos en masa capaces de circular por autopistas disponibles en le Mercado llegaba a menos de los 30 modelos, principalmente en los Estados Unidos, Japón, Países de Europa Oriental y China
• Las ventas de autos eléctricamente puros en 2012 fueron lideradas por Japón con un 28% market share de las ventas globales, seguidas por la de los Estados Unidos con un 26% share, China con 16%, Francia con 11%, y Noruega con 7%
• El auto eléctrico más vendido en el mundo capaz de circular por autopistas es el Nissan Leaf, lanzado al Mercado en Diciembre de 2010 que se vende en 35 países, con ventas globales de más de 150,000 unidades a Noviembre de 2014.
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Introducción
• El primer vehículo hibrido de producción en los U.S. A. fue el vehículo Honda Insight, el cual fue introducido en el año de 1999.
• Sin embargo, ha habido varios intentos para desarrollar vehículos con propulsión eléctrica desde principios del año de 1890.
• Lo que parece que le ha dado más ímpetu al desarrollo de los vehículos híbridos de la actualidad es la legislación la cual fue aprobada en California en los años de 1980 y de 1990. Esta legislación intento demandar que el diez por ciento de los vehículos vendidos en el estado de California para el año 2003, deberían estar catalogados como Vehículos con Cero Emisiones Contaminantes (Zero Emission Vehicles - ZEV).
• Esta regulación no fue cumplida pero esta ha sido un factor que ha impulsado el desarrollo de los vehículos diseñados como Vehículos Bajos En Emisiones Contaminantes (Low Emission Vehicles - LEV) hasta vehículos ZEV
Introducción
• Los Vehículos Híbridos por definición son vehículos los cuales utilizan más de un tipo de sistema de propulsión.
• Los vehículos híbridos de la actualidad utilizan un Motor De Combustión Interna (Internal Combustion Engine - ICE) con motores eléctricos de corriente AC los cuales pueden propulsar el vehículo a bajas velocidades o asistir al Motor de Combustión Interna (ICE) bajo condiciones de conducción severas.
• Estos motores eléctricos son energizados por medio de baterías de alto voltaje las cuales son recargadas por los motores eléctricos durante el frenado normal del vehículo.
• Esta es la razón del porque los motores eléctricos son conocidos como Motores Generadores (Motorgenerators - MG). El concepto de combinar el Motor de Combustión Interna (ICE) con un Motor Eléctrico fue desarrollado y patentado hace mucho tiempo en el año de 1900 en Bélgica.
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Foto de Thomas Edison con el Modelo Eléctrico de Detroit 47 de 1914 del Museo Smithsonian
Vehículos Eléctricos Híbridos (HEV)
Qué pasó con ellos?
• La tecnología de las baterías se desarrolló muy
lentamente.
• La tecnología de los Motores de Combustión
Interna (Internal combustion engine - ICE) se desarrollo rápidamente.
• Henry Ford inventó la línea de ensamblado en
masa.
• Los vehículos ICE se volvieron más convenientes
para las masas.
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Vehículos Eléctricos Híbridos(HEV)
Where Are We Now
En qué punto se encuentran hoy
2008 Toyota Highlander – More sophisticated
computer systems than the Apollo moon shots
Características Técnicas
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Batería
Motor
Eléctrico
Motor Combustión Interna
Repartidor
de Potencia Generador
Los vehículos Híbridos combinan los beneficios de los motores a gasolina y los motores eléctricos para mejorar el ahorro del combustible
Elementos Principales
Componentes de un Híbrido
Tanque de Gasolina
Motor de Combustión Interna
Transmisión
Dispositivos de almacenamiento de
energía eléctrica
Motor/generador eléctrico
Dispositivos de almacenamiento de
energía eléctrica
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El motor de C.I. de un Híbrido
Su objetivo es generar la potencia principal
Su configuración es similar a los motores tradicionales aunque más pequeños
Algunos poseen una Tecnología avanzada para reducir las emisiones y mejorar su eficiencia Turbinas o Celdas de combustible
Ignición sin Chispa
Sistema Inteligente de Cableado Estructurado
Materiales Termoeléctricos
Combustible Limpio
El motor de combustión interna provee la mayor cantidad de potencia y el motor eléctrico provee la potencia adicional cuando se requiere, por ejemplo, para acelerar y pasar a otro
vehículo. Esto hace que el motor de gasolina sea más chico y tenga mayor eficiencia
El motor de C.I. de un Híbrido
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Los materiales termoeléctricos que se hallan en un Generador Termoeléctrico permiten generar un voltaje producto de la diferencia de temperaturas aplicado a dichos materiales. El objetivo es aprovechar el calor desechado en los motores de combustión a través de un intercambiador de
calor y aplicarlo a un fluido de trabajo que active el G.T. y usar esta energía eléctrica para suplir energía a accesorios eléctricos.
Tecnología Termoeléctrica
Tanque de Gasolina
El tanque es el almacen de la energía de la
gasolina
La gasolina tiene mayor densidad energética
que las baterías
Se requieren alrededor de 120 Kg en peso de
baterías para almacenar 1 Lt (0.78 Kg) de
gasolina
Se requiere menos combustible a medida
que la densidad energética de las baterías se incrementan
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Transmisión de un Híbrido
Transmite la energía mecánica a las ruedas
A diferencia de las transmisiones convencionales, es capaz de recibir energía
del motor eléctrico y el motor de Combustión Interna
Transmisión
Motor
Motor Eléctrico
Motor Eléctrico / Generador
El mismo dispositivo actúa como motor
así como generador
Motor para acelerar el vehículo
Generador para el frenado
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Almacenamiento Eléctrico
de los Híbridos
Recarga rápida de diferentes fuentes
Descarga rápida
Ciclo de vida útil largo
Energía específica alta
Costos de fabricación bajos
Seguridad
Baterías
Volantes de Inercia
Ultra condensadores
Volantes de Inercia Eléctricos
Un cilindro rota sobre rodamientos magnéticos almacenando energía
Un Turbo generador se usa para girar el cilindro
Para extraer energía y actuar como generador se excitan los campos magnéticos.
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Operan en un amplio
rango mayor de
temperaturas que las
baterías y los
capacitores
La vida útil no es un
inconveniente
Mayor energía
específica que las
batería de ácido y
plomo
Costo
Material
Manufactura
Inseguro !!!!
Ventajas Desventajas
Volantes de Inercia Eléctricos
Baterías de los Híbridos
Expansión de un sistema de 12-voltios
de un sistema convencional
Sistema de 42 voltios puede energizar funciones menores mejorando en un 10%
el consumo de combustible
Dirección
Bomba de gasolina
Los sistemas de 144 a 288 voltios mejoran el consumo de combustible entre 15% y 200%
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Baterías de Hidruros de Nickel Metálico
Alta energía
específica
Vida útil larga
Alta cinética
Ambientalistamente
amigable
Aún requiere
mejoras técnicas
Ventajas Desventajas
Ultracapacitores
Mitad Batería / Mitad Capacitador Similitudes con una Batería
Dispositivo Electromecánico
Almacena Energía electrostáticamente polarizando una solución electrolítica
Aplicando un potencial en la placa positiva, ésta atrae los iones negativos del electrolito, mientras la placa negativa atrae los iones positivos
Similitudes con un Capacitor
Dos placas porosas no reactivas aplicadas con un voltaje
Dos capas de almacenamiento capacitivo, una donde las cargas son separadas en la placa positiva y otra en la placa negativa.
No existe una reacción química en este mecanismo de almacenaje.
Altamente reversible, permitiendo cargas y descargas ilimitadas.
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La superficie de un Ultracapacitador es más grande que los capacitadores convencionales Usa un electrodo de material poroso y carbónico
con una superficie de 2000 m2 por gramo
La distancia que separa la carga del Ultracapacitador es muchísima menor que la de los condensadores convencionales Esta distancia está determinada por el tamaño de
los iones de los electrolitos atraídos hacia el electrodo.
La luz de carga (menos de 10 angstroms) es mucho más pequeña que la de los materiales dieléctricos convencionales
Ultracapacitores
La combinación de la
amplia superficie y la pequeñísima separación. Le da al
ultracapacitador su alta capacitividad con
relación a los condensadores tradicionales
Ultracapacitores
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Circuito Convencional
Circuito de Híbrido
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Tipos de Híbridos
En Paralelo
El motor de C.I. y el motor eléctrico
impulsan la transmisión al
mismo tiempo
Capaz de trabajar simultánea e independientemente
En Serie
El motor de C.I. impulsa al generador
El generador puede
cargar las baterías o alimentar al motor
eléctrico. Sólo el motor eléctrico alimenta la transmisión
En un diseño en serie, el motor principal es conectado al generador que produce electricidad. La electricidad carga las baterías, las cuales alimentan al motor eléctrico y éste a su vez hace girar la transmisión y consiguientemente las ruedas del vehículo.
Operación de un Híbrido en Serie
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Híbridos en Serie
• Un Híbrido en Serie usa la energía del motor de C.I. para conducir el generador y alimentar las baterías y el motor eléctrico: Los Híbridos en Serie no presentan conexión entre el motor de C.I. y las ruedas, esto significa que la transformación de la potencia va de energía química a mecánica luego a eléctrica y otra vez a energía mecánica hasta las ruedas
• El motor nunca trabaja en vacío • El motor puede operar continuamente en régimen permanente en su región
más eficiente
• El motor conduce al generador con su mejor rendimiento
• El diseño permite una variedad de opciones en el montaje del motor y sus componentes
• Algunos Híbridos en Serie no requieren transmisión
• La desventaja de los Híbridos en Serie es que requieren baterías más grandes y pesadas que los Híbridos en Paralelo, además el motor trabaja más para mantener la carga de las baterías y existe una pérdida de eficiencia por las conversiones
Operación de un Híbrido en Paralelo
En un diseño en paralelo, la unidad de conversión de energía y el sistema
de propulsión eléctrico están conectados directamente a la transmisión. El motor principal es usado para carreteras y el motor eléctrico provee potencia adicional en subidas, aceleraciones y otros períodos de alta demanda.
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• Un Híbrido en paralelo tiene una conexión directa entre el Motor de C.I. y las ruedas como un vehículo convencional, pero además, tiene un motor eléctrico conectado a las ruedas y pueden ser usado simultáneamente en condiciones de aceleración y carga elevada.
Las ventajas de un Híbrido en Paralelo son:
• Motor de C.I. más pequeño, más eficiente y menos consumo de combustible sin sacrificar la potencia de aceleración
• La mayoría de los Híbridos en paralelo no necesitan un generador porque el mismo motor eléctrico actúa regenerando las baterías.
• Existe menor reconversión de energía y por lo tanto es más eficiente.
Híbridos en Paralelo
Condiciones de Marcha
de un Híbrido
Conducción Normal La Potencia se divide
entre las ruedas y el
generador
La electricidad del
generador da potencia a
las ruedas y recarga las
baterías
El motor eléctrico
energiza las ruedas sólo
cuando:
Hay cargas livianas
En las partidas
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Operación de un Híbrido
Desaceleración y
Frenado El motor de C.I. se apaga
El Motor eléctrico actúa
como un generador
Las ruedas conducen al
motor eléctrico
La electricidad generada
es convertida y usada
para cargar las baterías
Operación de un Híbrido
Aceleración Elevada La batería provee
potencia adicional para
alimentar a la
transmisión
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ENCENDIDO Cuando el vehículo es encendido, el motor se enciende y ca lienta. Si es necesario, el motor eléctrico actúa como un generador, convirtiendo la energía del motor en electricidad y a lmacenándolo en la batería.
Encendiddo
VELOCIDAD DE CRUCERO El motor de gasolina induce potencia a la transmisión a velocidad de crucero y s i es es necesario provee de energía a las baterías
Velocidad de crucero
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ACELERACION En casos de aceleración profunda o cuando se requiere potencia adicional, ambos motores operan conjuntamente a la transmisión del vehículo, parte de la energía que va a l motor eléctrico puede venir de
las baterías si es necesario.
Aceleración
FRENADO: PARTE 1 El frenado regenerativo convierte la energía, antes desechada, en electricidad y la a lmacena en las baterías. En el frenado regenerativo, el motor eléctrico es revertido, es decir, en lugar de usar la energía para mover las ruedas, el gi ro de las ruedas conducen a l motor eléctrico quien genera electricidad. Al usar la energía cinética del vehículo, éste disminuye su velocidad.
Frenado
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FRENADO: PARTE 2
Si se requiere potencia adicional de frenado, se usan los frenos convencionales de fricción, frenos de disco, de manera automática.
Frenado
PARADA
Cuando el vehículo es parado, por ejemplo, en un semáforo, ambos motores paran automáticamente, de tal manera que no hay pérdida de energía y la batería continúa suministrando energía a los sistemas auxiliares como aire acondicionado y otros.
Batería
Parada
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Futuro de los Híbridos
ÚLTIMA GENERACIÓN DE HÍBRIDOS
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Algo muy importante de comprender
Seguridad ! ADVERTENCIA! Los Vehículos Eléctricos Híbridos contienen circuitos de Alto
Voltaje. Un manejo inadecuado o un manejo sin cuidado del sistema hibrido
puede resultar en una electrocución y un daño a los componentes del vehículo .
Must Haves
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Alto Voltaje Catalogados
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con Cubierta Exterior de Piel.
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Un poco más de detalle…
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Como Están Catalogados Los Vehículos
ZEV
Los Vehículos Con Cero Emisiones (Zero Emission Vehicles) tienen cero emisiones en el tubo del escape y son 98% más l impios que el promedio de vehículos nuevos del año modelo 2003.
AT PZEV
Tecnología Avanzada PZEV (Advanced Technology PZEV) cumplen las normas de emisiones del escape de los vehículos SULEV, tienen una garantía de 15 años /150,000 mi l las, tienen cero emisiones evaporativas e incluyen componentes de tecnología avanzada. Por ejemplo, un vehículo hibrido enchufable (plug-in hybrid) o un vehículo con gas natural comprimido caería dentro de esta categoría.
PZEV
Vehículos De Cero Emisiones Parciales (Partial Zero Emission Vehicles) que cumplen las normas de emisiones del tubo del escape de los vehículos SULEV, tienen una garantía de 15 años /150,000 mi llas y tienen cero emisiones evaporativas
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Vehículos Convencionales
Un Tren de Fuerza de un vehículo convencional y su distribución eléctrica son algo de lo que estamos más familiarizados. El Motor de Combustión Interna (Internal Combustion Engine – ICE) proporciona el 100% de la potencia, moviendo las ruedas y el alternador para el sistema eléctrico del vehículo.
Tipos De Híbridos
Los vehículos híbridos vienen en diferentes configuraciones y diferentes términos son utilizados para describir el mismo tipo de hibrido.
Estos son algunos de los términos y como son utilizados. Aunque, como con muchas innovaciones, algunas publicaciones pueden diferir sobre como son utilizados estos términos
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Tipos De Híbridos
El Micro Hibrido (Micro Hybrid)
Los vehículos micro híbridos tienen motores eléctricos los cuales no suministran potencia a las ruedas motrices. Los motores eléctricos en estos vehículos están diseñados para proporcionar potencia suplementaria. Estos cargaran las baterías durante el frenado del vehículo (Frenos Regenerativos) y actuaran como un motor de arranque/generador en el arranque del motor cuando está detenido en marcha mínima y el motor se ha apagado
• Esto puede también ser conocido como un vehículo Hibrido Medio (Mild Hybrid) o aun un “Hibrido De Arranque Y Frenado (Start Stop Hybrid). •Los ahorros en la economía de combustible esperados son del 4% al 7%.
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El Micro Hibrido (Micro Hybrid)
Banda Con Alternador Y Motor De Arranque Sistema De Banda Con Alternador Y Motor De Arranque (Belt
Alternator Starter System - BAS) o Banda Con Generador Y Motor De Arranque (Belt Starter Generator - BSG)
• Delphi presento su Energen 10™, s istema con banda con alternador y
generador de 42 voltios (42 volt belt starter-generator system - SG) en el año de 2002. El s istema fue diseñado como un sistema doble de voltaje dual, de 42voltios/14voltios.
• Este sistema reemplazaba al alternador y el motor de arranque convencionales con un
sistema un sistema integral de generador y motor de arranque impulsados por medio de una banda.
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BAS Por causa de la configuración de un
s istema BAS, donde el motor de arranque/generador funciona como motor y generador, La tensión de la
banda y el torque deben estar controlados. El sistema BAS utiliza una combinación de fricción basado en la tens ión rotacional con un sistema de
tens ión hidráulica
• 2007 Saturn Vue With ECU
BAS
Motor de Arranque – Generador y el Controlador Inversor Regulador (RIC)
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Hibrido Medio (Medium Hybrid)
El hibrido medio (o en ocasiones es llamado hibrido mild)
utiliza un motor eléctrico que proporciona asistencia de
torque hacia las ruedas pero no propulsa el vehículo
independientemente del motor de combustión interna. El
motor se apagará cuando se detenga el vehículo.
El motor eléctrico cargara también las baterías de alto
voltaje por medio de los frenos regenerativos.
•Todos los vehículos Honda HEV utilizan este sistema
• La mejora promedio en la economía de combustible
es de un 15% a un 25%.
Flujo De Potencia De Un Hibrido Medio
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Hibrido Completo (Full Hybrid)
Los vehículos Híbridos Completos (Full hybrid
vehicles) tienen la capacidad de funcionar con motores eléctricos únicamente, en bajas velocidades o de utilizar los motores eléctricos en conjunto con el
motor de combustión interna para proporcionar asistencia de potencia
• Este sistema también es llamado un “Hibrido Fuerte.”
• Estos voltajes normalmente están en los rangos de 200 – 330
voltios.
• Toyota y Lexus pueden amplificar el voltaje hasta 650 voltios
• La mejora de la economía del combustible esta en el rango del
25% al 50%.
Hibrido Completo (Full Hybrid)
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Funcionamiento de un Vehículo Eléctrico Hibrido
Hibrido Enchufable (Plug In Hybrid)
• Están aun en pleno desarrollo los vehículos híbridos enchufables con algunos prototipos actualmente en el camino o en las instalaciones de prueba de los fabricantes. Este vehículo se espera que tenga una mejora adicional de manejo en el modo eléctrico de este vehículo
• Adicionalmente, la eficiencia mejorada de consumo de combustible será del
25% a l 50% o un valor superior.
• Además el rango eléctrico del vehículo será una parte normal del ciclo de manejo.
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Hibrido Enchufable (Plug In Hybrid)
Diseños
Hay tres diseños básicos de vehículos HEV: • Estos son los híbridos en serie • los híbridos en paralelo • los híbridos en serie paralelo
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Hibrido En Serie (Series Hybrid)
Con este diseño el motor eléctrico es la única fuente de propulsión hacia las ruedas. La fuente de energía que energiza el motor eléctrico proviene de una rejilla eléctrica que almacena energía o es una corriente eléctrica generada por el Motor de Combustión Interna o ICE.
Sin embargo, la fuente de la electricidad generada es un motor de combustión interna (ICE) el cual impulsa un generador para cargar las baterías.
Las baterías son la fuente de suministro de energía para el motor eléctrico.
Lo que es importante recordar aquí, es que el Motor de Combustión Interna (Internal Combustion Engine – ICE) nunca directamente propulsa las ruedas.
Sin embargo, General Motors tiene un representante de este sistema en el vehículo “Volt”, como un “vehículo eléctrico de rango extendido” y no es un vehículo hibrido en serie.
Es te vehículo utiliza un motor de gasolina de 3 ci lindros de 1.7 l itros de desplazamiento para cargar las baterías y no utiliza el motor de combustión interna para aplicar directamente propulsión hacia las ruedas
Hibrido En Serie (Series Hybrid
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Hibrido En Paralelo (Parallel Hybrid)
• El motor eléctrico energizado por las baterías y el motor de combustión interna están Conectados a la transmisión.
• Utiliza un sistema de frenos regenerativos como un medio para cargar las baterías.
• Honda utiliza un sistema de diseño paralelo.
• El paquete de baterías está diseñado para una duración corta de energía y es un paquete
• Pequeño en comparación de las baterías de los
híbridos en serie.
Hibrido En Paralelo (Parallel Hybrid)
Instalando/Removiendo un rotor en un vehículo Honda (IMA)
motor eléctrico sin escobillas
(Se requiere una herramienta
especial).
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Serie Paralelo (Series Parallel Hybrid)
• Este sistema utiliza la potencia del motor de combustión interna (ICE) y del motor eléctrico para propulsar las ruedas o este únicamente utilizara el motor eléctrico.
• Este sistema también utiliza dos motores los cuales maximizan la eficiencia. Este tipo de configuración también permite que el sistema propulse las ruedas mientras que adicionalmente genera electricidad utilizando uno de los motores eléctricos como un generador.
Serie Paralelo (Series Parallel Hybrid)
•Sistema util izado en Toyota, Lexus, Nissan, Ford, Mercury, Mazda y en los vehículos GM De 2 modos. Estos también son conocidos como de modo doble y serán util izados por Chrysler, BMW y Mercedes.
•Bajo la mayoría de las condiciones el ICE se apagara cuando el vehículo frene. Esto es Es conocido como “Apagado del Motor en Marcha Mínima (Idle Stop.)
•La característica de “Apagado del Motor en Marcha Mínima (Idle Stop.) permite que el Motor del vehículo HEV maximice su eficiencia de combustible en el manejo de frenado y Aceleración.
•Estos vehículos util izan motores de alto voltaje para girar el motor a 1000 RPM o más Para el arranque.
•Todos tienen dirección Electro Hidráulica (Electric Power Steering EPS).
•Todos util izan un sistema de frenos regenerativos como un medio para
bajar la velocidad del vehículo y para recargar las baterías de alto voltaje.
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De La Economía De Combustible Y La Potencia De Los Vehículos Híbridos
Frenos Regenerativos
•Teoría De Operación • La energía no puede ser creada o destruida, únicamente
puede ser convertida a otra forma de energía. Los Frenos Regenerativos (Regenerative Braking - Regen) es un proceso donde la inercia del vehículo es utilizada para generar electricidad para recargar las baterías de alto voltaje.
• Esto es logrado al utilizar la energía cinética del vehículo
• La acción del frenado regenerativo se realiza al liberar el pedal del acelerador es muy parecido al frenado del motor que se realiza con el motor de combustión interna
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Frenos Regenerativos
• Cuando las ruedas motrices y el motor/generador mecánicamente estén unidos y las ruedas de impulsión están girando sin que el acelerador este siendo pisado
• El motor/generador produce corriente el cual es regresado a las
baterías de alto voltaje.
• Esto sucede durante una desaceleración normal o desacelerando en una pendiente. La cantidad de energía re capturada es proporcional a la velocidad y al peso del vehículo.
Funcionamiento De Los Frenos Regenerativos
• Un reto para los ingenieros de los vehículos híbridos fue crear un sistema de frenado el cual funcionaba de manera muy diferente al sistema de freno convencional del vehículo pero le otorgara al conductor del vehículo la misma retro alimentación o sensación como un sistema convencional.
• El Frenado Regenerativo es controlado por medio de una
computadora la cual verifica muchas señales de entrada de voltaje de información para determinar cuánto, si algún, frenado regenerativo o mecánico se util iza en cualquier punto
• El Frenado Regenerativo únicamente empezara cuando la computadora detecte que la mariposa no esté abierta. La computadora o unidad de control electrónico (Electronic Control Unit - ECU), como esta es denominada en Toyota
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Funcionamiento De Los Frenos Regenerativos
• Esta señales de entrada también determinan si el sistema de frenos antibloqueo (Antilock Braking System - ABS) debe de ser activado. El Frenado Regenerativo no se realiza cuando el sistema ABS esta activado.
El interior de los EV
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Circuitos Eléctricos Híbridos
• Todos los nuevos vehículos en la carretera en la actualidad son un laberinto complicado de cableado, electrónica, componentes, motores y computadoras para controlar estos dispositivos.
• Ahora, con las ventas de los vehículos híbridos incrementándose, los técnicos deben aprender a diagnosticar y reparar circuitos de corriente alterna de alto voltaje de tres fases así como los componentes los cuales son controlados por medio de estos altos voltajes.
• Del vehículo hibrido incluyen; inversores, convertidores DC a DC, baterías de alto voltaje y diversos motores controlados por medio de señales AC y DC así como las computadoras las cuales controlan estos dispositivos.
Convertidores DC - DC
• Los Convertidores DC – DC son esencialmente transformadores los cuales transforman el voltaje DC de un nivel de voltaje a otro, o es más bajo o es más alto.
• Some 42 volt systems use a
PEB (Power integrates the inverter and DC to DC converter into one (Power Electric Box unit) shown
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Convertidor DC-DC Ford Escape
• El Convertidor DC – DC en el vehículo Ford Escape está localizado en el compartimiento del motor detrás de dos depósitos de anticongelante.
• Este Convertidor transforma 330 voltios del Modulo de las Baterías de Alto Voltaje y lo transforma en 14.5 voltios para alimentar con voltaje a los accesorios
Inversor De Tensión
• Un inversor en un vehículo hibrido es un dispositivo que cambia un alto voltaje DC a un alto voltaje AC.
• Por causa de la manera que es cambiado el voltaje DC a voltaje AC al activar los transistores internos, una señal de onda senoidal modificada es producida. Estas ondas senoidales perecen mas como una corriente DC pulsante que una onda senoidal verdadera.
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2001 -2003 Toyota Prius, Inversor De tensión
3 Capacitor De 450 Voltios.
Motores De Corriente AC
• El inversor energiza los motores de corriente AC en los vehículos híbridos.
• El Motor/Generador de corriente es la fuente de energía suplementaria la cual asiste al motor de combustión interna.
Toyota MG 1 MG 2
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Motores De Corriente AC
• El Motor Generador 1 (MD1)funciona como el componente de control para la “Transmision De Potencia Dividida” (Power Splitting Transmission) la cual contiene un Conjunto de Engrane Planetario Continuamente Variable” (Continuously Variable Planetary Gear Set
• El Motor Generador 2 (MG 2) proporciona la energía para las ruedas motrices en bajas velocidades y esta suplementa la energía para las ruedas en altas velocidades. Adicionalmente esta actúa como el generador de las baterías de alto voltaje durante el frenado regenerativo.
Motores De Corriente DC
• Las aplicaciones de los motores e corriente DC en los vehículos híbridos incluyen muchas aplicaciones convencionales pero también pueden incluir la dirección electro hidráulica, tal como el motor de la dirección electro hidráulica de 42 voltios en los vehículos Tahoe y Yukon de 2- modos
• Existen motores de enfriamiento separados para la transmisión y el inversor
• Debe indicarse que Honda se refiere a su motor sin escobillas ( Integrated Motor Assist - IMA) como un motor de corriente DC sin escobillas. Sin embargo, este es alimentado por una corriente AC de tres fases. Para propósitos de diagnostico y de reparación este debe ser considerado un motor de corriente AC.
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Motores Generadores
Motores De Corriente DC
• Otro motor acoplara la posición de parking en la transmisión, así como mantendrá la presión de aceite durante el apagado del motor cuando frene el vehículo.
• Adicionalmente existe un motor y un ventilador para enfriar las baterías de alto voltaje.
• Cuando el motor de combustión interna está apagado por causa de que freno el vehículo un motor de 12 voltios circulara el refrigerante a través del cuerpo del calefactor para mantener cálida la cabina.
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Sistema de Frenos
• El vehículo utiliza un sistema de frenos electrónico en combinación con el sistema hidráulico.
• Este utiliza un transductor de presión y un simulador de carrera para determinar la presión de los frenos.
• El simulador de carrea también le da al conductor un sentimiento de contacto normal.
• Este sistema también tiene control de tracción y sistema de frenos anti bloqueo.
• A cada rueda se le aplica la correcta cantidad de frenado individual.
• Esto es controlado por medio de un PCU del freno. Este no tiene un reforzador del freno de potencia. Si el sistema electrónico falla los frenos son operados por el sistema hidráulico pero sin la asistencia de potencia.
• Los frenos también son operados por el sistema hidráulico cuando el sistema ABS esta activado.
