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25/10/2016
Introducción a Los Vehículos Eléctricos
Híbridos
Prof. Ing. Néstor A. Martínez
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Primero una historia con
reflexión….
2
1
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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, AdlerRoyal, 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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3
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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
¿Cómo funciona un Vehículo Híbrido?
Motor
Eléctrico
Motor de
Combustión
Interna
Recargado
de
Batería
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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
• Ba ker El ectric, 1889
• Pri mera producción en masa de vehículos eléctricos (EV)
• Vel ocidad : 14-20 mph
• Al ca nce : 50 mi l es
Los mejores días
• Fi nes del siglo 19 y pri ncipios del
s i glo 20.
• 1900 - 38% de l os automóviles de
l os Estados Unidos estaban
potenciados por medio de la
el ectricidad
La actualidad
• Importantes progresos en las baterías y
en l a administración de potencia
• Creci ente costo de oportunidad a nte
l os incrementos del precio de los
combustibles fósiles
• Apa rece una presión cl ara para cobrar
conci encia de l a necesidad de reducir
l a s emisiones de gases de efecto
i nvernadero
a dopción de nuevos vehículos eléctricos
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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)
En qué punto se encuentran hoy
Where
Are We
Now
2008 Toyota
Highlander
– More
sophisticated
computer systems than the Apollo moon shots
Características Técnicas
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Elementos Principales
Batería
Generador
Repartidor
de Potencia
Motor
Eléctrico
Motor
Combustión
Interna
Los vehículos Híbridos combinan los beneficios de los
motores a gasolina y los motores eléctricos para
mejorar el ahorro del combustible
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 C.I. de un Híbrido
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
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Tecnología Termoeléctrica
Los ma teriales termoeléctricos que se hallan en un Generador
Termoeléctrico permiten generar un voltaje producto de la diferencia de
temperaturas a plicado a dichos materiales. El objetivo es aprovechar el calor
des echado en los motores de combustión a través de un intercambiador de
ca l or y a plicarlo a un fl uido de tra bajo que a ctive el G.T. y usar esta energía
el éctrica para suplir energía a accesorios eléctricos.
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
Tra ns misión
Motor
Motor
El éctri co
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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Volantes de Inercia Eléctricos
Ventajas



Desventajas
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 !!!!
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
Ventajas




Desventajas
Alta energía
específica
Vida útil larga
Alta cinética
Ambientalistamente
amigable

Aún requiere
mejoras técnicas
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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Ultracapacitores

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
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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
Operación de un Híbrido en Serie
En un diseño en serie, el motor pri ncipal es conectado al generador que produce
el ectricidad. La electricidad ca rga las baterías, las cuales alimentan al motor
el éctrico y és te a su vez hace girar l a transmisión y consiguientemente las ruedas
del vehículo.
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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, l a unidad de conversión de energía y el sistema
de propulsión eléctrico están conectados directamente a l a transmisión. El
motor pri ncipal es usado para ca rreteras y el motor eléctrico provee
potencia a dicional en s ubidas, aceleraciones y otros períodos de alta
dema nda.
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Híbridos en Paralelo
• 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.
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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Encendiddo
ENCENDIDO
Cua ndo el vehículo es encendido, el motor s e enciende y ca lienta. Si es
necesario, el motor eléctrico a ctúa como un generador, convirtiendo la energía
del motor en electricidad y a lmacenándolo en la batería.
Velocidad de crucero
VELOCIDAD DE CRUCERO
El motor de gasolina i nduce potencia a la transmisión a velocidad
de crucero y s i es es necesario provee de energía a las baterías
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Aceleración
ACELERACION
En ca s os de a celeración profunda o cuando se requiere potencia
a di cional, ambos motores operan conjuntamente a la transmisión del
vehícul o, parte de la energía que va a l motor eléctrico puede venir de
l a s baterías si es necesario.
Frenado
FRENADO: PARTE 1
El frenado regenerativo convierte la energía, a ntes desechada, en electricidad y
l a a lmacena en l as baterías.
En el frenado regenerativo, el motor eléctrico es revertido, es decir, en lugar de
us a r la energía para mover las ruedas, el gi ro de las ruedas conducen a l motor
el éctrico quien genera electricidad. Al usar la energía ci nética del vehículo, éste
di s minuye su velocidad.
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Frenado
FRENADO: PARTE 2
Si s e requiere potencia a dicional de frenado, se usan los frenos
convencionales de fricción, frenos de disco, de manera a utomática.
Parada
Ba tería
PARADA
Cua ndo el vehículo es parado, por ejemplo, en un s emáforo, ambos motores paran
a utomáticamente, de tal manera que no hay pérdida de energía y l a batería continúa
s uministrando energía a l os sistemas a uxiliares como aire a condicionado y otros.
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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
Guantes De Hule Clase 0 Para
Alto Voltaje Catalogados
Para manipular 1000 Voltios
con Cubierta Exterior de Piel.
Cat III Figura 1-1, Multímetro
Digital Fluk e 1587
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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) ti enen cero emisiones
en el tubo del escape y s on 98% más l impios que el promedio de vehículos nuevos
del a ño modelo 2003.
AT PZEV
Tecnología Avanzada PZEV (Advanced Technology PZEV) cumplen las normas de
emi siones del escape de l os vehículos SULEV, tienen una garantía de 15 a ños
/150,000 mi l las, ti enen cero emisiones evaporativas e i ncluyen componentes de
tecnología avanzada. Por ejemplo, un vehículo hibrido enchufable (plug-in hybrid) o
un vehículo con gas natural comprimido caería dentro de esta ca tegoría.
PZEV
Vehículos De Cero Emisiones Parciales (Partial Zero Emission Vehicles) que cumplen
l a s normas de emisiones del tubo del escape de los vehículos SULEV, ti enen una
ga ra ntía de 15 a ños /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
66
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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)
• Del phi presento su Energen 10™, s istema con banda con alternador y
generador de 42 vol tios (42 vol t belt starter-generator system - SG) en el a ño
de 2002. El s istema fue diseñado como un sistema doble de voltaje dual, de
42vol ti os/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 ca us a de la configuración de un
s i stema BAS, donde el motor de
a rra nque/generador funciona como
motor y generador, La tensión de l a
ba nda y el torque deben estar
controlados. El sistema BAS utiliza una
combi nación 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
74
37
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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
• Adi ci onalmente, la eficiencia mejorada de consumo de combustible s erá del
25% a l 50% o un valor superior.
• Además el rango eléctrico del vehículo será una parte normal del ci clo de
ma nejo.
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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 es te 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
el éctrica que almacena energía o es una corriente eléctrica generada por el Motor
de Combustión Interna o ICE.
Si n embargo, l a fuente de la electricidad generada es un motor de combustión
i nterna (ICE) el cual impulsa un generador para cargar l as baterías.
La s baterías s on l a fuente de s uministro de energía para el motor eléctrico.
Lo que es i mportante recordar aquí, es que el Motor de Combustión Interna
(Internal Combustion Engine – ICE) nunca directamente propulsa l as ruedas.
Si n embargo, General Motors tiene un representante de este sistema en el
vehícul o “Volt”, como un “vehículo eléctrico de ra ngo extendido” y no es un
vehícul o hibrido en serie.
Es te vehículo utiliza un motor de gasolina de 3 ci lindros de 1.7 l itros de
des plazamiento para ca rgar l as baterías y no utiliza el motor de combustión i nterna
pa ra 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 escob illas
(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 utilizado 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 utilizados 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 utilizan 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 utilizan 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 utiliza 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
Toyota MG 1
MG 2
• 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.
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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 2modos
• 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.
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