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a mayor parte de las emisiones de CO2

que provocan el efecto invernadero proviene

del tráfico motorizado de carretera. La con-

trapartida es que este tipo de tráfico es más

flexible que el ferrocarril, el medio más elec-

trificado actualmente, lo que significa que las

zonas de nuevo establecimiento, industrial y

de vivienda, pueden ser servidas sin necesi-

dad de una red ferroviaria.

La compatibilidad con el medio

ambiente es cada vez más

importante

De manera imparable se reducen los valo-

res límites de la carga contaminante provo-

cada por las emisiones de los vehículos pri-

vados. Las autoridades del estado nortea-

mericano de California, por ejemplo, exigen

que a partir del año 2003 el 10 % de los ve-

hículos suministrados tengan un nivel nulo

de emisiones.

En la actualidad, la mayor parte de los ca-

miones y autobuses están equipados con

accionamientos diesel. Recientemente se ha

planteado la exigencia de que los vehículos

pesados tengan menor carga contaminante

sobre el medio ambiente. El concepto de

compatibilidad ecológica no sólo significa

menor contaminación del aire, es decir, tener

menores emisiones de óxidos de nitrógeno,

de hidrocarburos y de sustancias en suspen-

sión; también significa seleccionar adecua-

damente los materiales y tener en cuenta las

posibilidades de reciclado después del uso,

sin olvidar el problema de los ruidos.

Hasta ahora, los accionamientos eléctri-

cos compatibles con el medio ambiente no

han conseguido imponerse debido a la falta

de baterías recargables adecuadas. Para

conseguir un radio de acción aceptable sin

necesidad de frecuentes recargas, hay que

usar baterías de un tamaño que las hace

poco prácticas, pues ocupan una gran parte

del espacio destinado a la carga.

Una solución realista:

los vehículos con propulsor híbrido

Hoy por hoy, la única solución realista para

este problema es el propulsor híbrido, es

decir, un motor con batería y con máquina

de combustión interna. Los vehículos híbri-

dos hacen posible una transporte de mer-

cancías silencioso y limpio, y aumentan el

atractivo del transporte público. Esto es váli-

do tanto para las aglomeraciones urbanas

europeas, con calzadas a menudo estre-

chas y con núcleos urbanos llenos de activi-

dad, como para los paisajes urbanos de

América, con sus barrios periféricos en ver-

tiginoso crecimiento y centros urbanos va-

cíos por la noche.

Los dos vehículos experimentales que

presentamos en este artículo, el camión hí-

brido Volvo ECT (Environmental Concept

Truck) y el autobús híbrido Volvo ECB (Envi-

ronmental Concept Bus), han sido construi-

dos especialmente para funcionar en zonas

urbanas .

Objetivos de desarrollo y premisas

del diseño constructivo

Aunque en el desarrollo de los modernos ca-

miones y autobuses se concede una gran

importancia a la exigencia de compatibilidad

medioambiental, al mismo tiempo se desea

conservar la flexibilidad propia del tráfico por

carretera.

En régimen de funcionamiento puro con

batería, es decir, con la turbina a gas desco-

nectada, el grupo propulsor híbrido permite

circular durante determinado tiempo sin emi-

tir gases de escape. En esta caso se exigió

un radio de acción mínimo de 25 km para el

camión híbrido y de 5 km para el autobús.

De los vehículos híbridos se exige un

comportamiento de marcha tan bueno como

el de cualquier otro vehículo de carretera; es

decir, un autobús híbrido ha de prestar apro-

ximadamente los mismos servicios que un

autobús público urbano. Ambos vehículos

experimentales han sido diseñados para que

alcancen una velocidad de 100 km/h en hori-

zontal y 80 km/h en rampa del 2 %. Para ello

se precisa una potencia de propulsión per-

manente de 100 kW y una potencia máxima

de 150 kW; esta, aunque por breve tiempo,

también ha de estar disponible en régimen

de propulsión sólo eléctrica.

1

A C C I O N A M I E N T O H Í B R I D O

Peter Chudi

Anders Malmquist

ABB Hybrid Systems AB

L

Propulsor híbridocon bajo nivel decontaminantes paracamiones y auto-buses modernosConjuntamente con la empresa Volvo, ABB ha desarrollado un propulsor híbri-

do de alta eficacia, formado por una turbina a gas con generador y batería,

que cumple los más estrictos requisitos de conservación de la pureza del

aire. El nuevo motor, concebido especialmente para camiones y autobuses

destinados al tráfico urbano, ya ha sido instalado en dos vehículos experi-

mentales, con los que se obtendrá la experiencia necesaria para su futura

aplicación comercial.

R e v i s t a A B B 6 / 7 1 9 9 6 13

Grupo propulsor híbrido y bloque

de máquinas HSG

En el terreno de los grupos propulsores hí-

bridos hay que distinguir entre la disposi-

ción en paralelo y la disposición en serie.

En el primer caso es posible conmutar

entre el motor eléctrico y el de combustión

interna; por el contrario, en la configuración

en serie la propulsión viene siempre del

motor eléctrico. La función del motor de

combustión interna es mantener la batería

en estado cargado.

Los dos vehículos experimentales con bajo nivel de sustancias contaminantes con propulsor híbrido, el camión (a) y elautobús (b), son especialmente adecuados para el tráfico en zonas urbanas. Están equipados con propulsores híbridosdispuestos en serie que comprenden tres baterías, una turbina a gas con generador de alta velocidad en línea y unaccionamiento eléctrico trasero. El propulsor híbrido reduce las emisiones de sustancias contaminantes y permite durantecierto tiempo el funcionamiento con batería con ausencia total de gases de escape.

1

Estop EstopMain controlunit ( MCU )

Modeselector

Ignitionkey

‘Gear switch’

Acc.pedal

Brakepedal

Vehicle management unit ( VMU ) Motor controller ( MPS )

Over-voltage

protection( OVP )

Main-charger

G

HSG module

Gas turbine

Box Y1

Box Y2

DC/DCconverter

Auxiliarypowersupply

BatteryBatteryBatteryBattery

managementsystem (BMS)

Auxiliarysystems

GT starterinverter

Rectifier

Inverter S7

Inverter S7

Inverter S7

M/41 motor

Transmissionand axle

CAB

Esquema del sistema de accionamiento y regulación de los vehículos experimentales 2

a b

A C C I O N A M I E N T O H Í B R I D O

14 R e v i s t a A B B 6 / 7 1 9 9 6

Los vehículos experimentales, desarrolla-

dos por Volvo Aero Turbines y por ABB

Hybrid Systems AB, tienen grupos propulso-

res con disposición en serie , .

El grupo propulsor de los vehículos expe-

rimentales contiene un agregado HSG (High

Speed Generation), formado por una turbina

a gas y un generador de alta velocidad .

Las baterías son la segunda fuente de ener-

gía. El desarrollo y la construcción del grupo

propulsor están basados en los ensayos y

en la experiencia de fabricación del Volvo

ECC, un automóvil de turismo experimental

con propulsión por turbina a gas que fue

presentado al público en 1992 con ocasión

del Salón del Automóvil de París [1].

Puesto que en el interior del vehículo la

energía se transmite eléctricamente, se tiene

gran libertad para instalar los distintos com-

ponentes. El grupo propulsor híbrido contie-

3

21

ne una sola pieza móvil, el eje principal con

la rueda de turbina, el rotor del compresor y

el inducido del generador.

Etanol, combustible ecológico

para la turbina

La turbina a gas del grupo propulsor HSG

está formada por la turbina propiamente

dicha, el compresor, la cámara de combus-

tión y el intercambiador de calor, que utiliza

el calor de los gases de escape y actúa a la

vez como silenciador.

En principio, la turbina a gas puede fun-

cionar con cualquier combustible líquido o

gaseoso. Para los vehículos experimentales

se ha elegido el etanol (alcohol etílico) fabri-

cado a partir de plantas, es decir, a partir de

materias primas renovables disponibles en

muchos países en grandes cantidades. Al

contrario de lo que sucede con los combus-

tibles fósiles, el etanol es ecológicamente

neutro en cuanto a las emisiones de CO2; no

refuerza, por tanto, el efecto invernadero.

Además, las emisiones de NOX son una dé-

cima parte de las de los motores diesel mo-

dernos y las de sustancias en suspensión

tienen también un valor bajo (Tabla 1).

Regulación de velocidad y potencia

de la turbina a gas

La velocidad de la turbina puede variar entre

50 000 y 70 000 rpm, lo que corresponde a

una potencia de generador de 30 a 110 kW.

El ordenador del vehículo registra la de-

manda instantánea de potencia, que depen-

de de la situación del tráfico y del tempera-

mento del conductor y está por tanto some-

tida a grandes fluctuaciones, sobre todo en

el tráfico urbano. La demanda media de po-

tencia Pmed del motor es la integral de la de-

manda de potencia instantánea Pmom en

función del tiempo:

El valor de consigna Pref definitivo de la po-

tencia de la turbina a gas equivale por tanto

a la suma de la potencia media Pmed y de

una componente Pb que contribuye a re-

cargar las baterías. Esta componente au-

menta cuando las baterías tiene un bajo es-

tado de carga.

Actualmente no es posible controlar di-

rectamente la potencia de la turbina. Por

esta razón se ha transformado el valor de

consigna de la potencia Pref en un valor de

consigna Umref para la tensión del circuito

eléctrico intermedio, la cual corresponde a

una determinada velocidad de rotación del

eje turbina-generador. Puesto que la relación

entre velocidad de rotación y potencia de la

turbina está determinada unívocamente para

una temperatura dada de combustión, se

hace posible regular la potencia de salida del

generador.

Actualmente, la regulación de la poten-

cia no incluye retroacción. La experiencia

de que disponemos permite renunciar a

ella, ya que el sistema es «tolerante» en

este sentido. La batería compensa las dis-

crepancias entre la producción y el consu-

mo: un exceso de producción hace que las

Tabla 1: Datos técnicos de los dos vehículos híbridos de 15 t

Camión Autobús

Grupo propulsor HSGPotencia kW 110 110Rendimiento a plena carga % 32 32Emisiones de sustancias contaminantes

NOx g/kWh 0,5 0,5Sustancias en suspensión g/kWh 0,05 0,05

Baterías NIHMAcumulación de energía (valor nominal) kWh 72 45Tensión nominal en corriente continua V 400 250Capacidad nominal Ah 3×60 3×60

Accionamiento eléctrico en eje posteriorPotencia permanente kW 94 94Potencia máxima kW 142 142Par máximo Nm 2850 2850Rendimiento a plena carga % 85 85

Rendimiento global a plena carga % 27 27

Vehículo completoVelocidad máxima en rampa de 2 % km/h 80 80Trayecto en régimen sin gases de escape km 25 >5

Masas (valores aproximados)Grupo propulsor HSG (turbina y generador) kg 400 400Motor eléctrico kg 100 100Electrónica de potencia y servoaccionamientos kg 500 500Baterías kg 1800 1100Cables kg 100 100Instalación refrigeradora kg 200 200

Masa total kg 3100 2400

A C C I O N A M I E N T O H Í B R I D O

P

med=

1T

Pmom

dt∫

R e v i s t a A B B 6 / 7 1 9 9 6 15

baterías se carguen más rápidamente y que

la turbina se desconecte en el momento en

que las baterías están cargadas; una pro-

ducción demasiado baja, que llevaría a una

descarga lenta de las baterías, queda com-

pensada por el valor de consigna progresi-

vo de la tensión.

Generador de alta velocidad para

70 000 rpm

El generador de alta velocidad es una má-

quina síncrona trifásica con excitación por

imán permanente, con arrollamiento anular

dispuesto en el entrehierro. Las solicitacio-

nes perimetrales, magnéticas, eléctricas y

mecánicas, son muy altas debido a la eleva-

da velocidad. Este hecho se ha tenido en

cuenta en el diseño constructivo a la hora de

seleccionar los materiales.

El generador puede alcanzar una veloci-

dad de rotación de 70 000 rpm, punto en el

que alcanza su potencia máxima de 110 kW.

El inducido de alta velocidad dispone de

un imán permanente cilíndrico bipolar, con

magnetización diametral, encajado en acero

austenítico de alta resistencia. El imán está

hecho con una aleación de neodimio-hierrro-

boro (NdFeB) con un contenido específico

de energía de 310 kJ/m3. El imán cilíndrico y

el circuito magnético permiten conseguir un

punto de trabajo cercano al contenido ener-

gético máximo. Puesto que el compresor y

la turbina están montados sobre el mismo

eje, el encapsulamiento del imán permanen-

te actúa en beneficio de la rigidez del rotor.

El rotor de alta velocidad ha sido fabrica-

do por ABB en instalaciones especiales,

bajo alta presión. La velocidad periférica del

rotor llega a unos 230 m/s.

El estator de alta frecuencia dispone de

un arrollamiento trifásico anular formado por

conductores de 3780 hilos aislados y retorci-

dos. El paquete de chapas estatórico, cons-

tituido por chapas magnéticas estampadas

de 0,2 mm de espesor, tiene unas pérdidas

por histéresis especialmente bajas, gracias a

que ha sido sometido a un tratamiento tér-

mico especial. El estator arrollado ha sido

impregnado con una resina epoxídica en una

instalación especial, con adición en vacío de

nitruro de boro, sustancia que incrementa la

resistencia mecánica y la conductibilidad tér-

mica. El estator está refrigerado por agua.

El haber prescindido de las chapas esta-

tóricas finales hace que se tengan pocas

pérdidas, de excitación en el rotor y del hie-

rro en el estator, con lo que el generador

llega a un rendimiento medio de cerca del

96 %. La elevada frecuencia de 1170 Hz

causa pérdidas adicionales en el estator,

pero se disipan con facilidad. Las armónicas

en el inducido quedan limitadas por efecto

de un filtro.

La tensión de salida del generador es

directamente proporcional a la velocidad. A

70 000 rpm, la tensión entre fases es de

450 V.

Durante la puesta en marcha de la turbi-

na a gas, el generador funciona como

motor de arranque, alimentado con una

tensión alterna cuya frecuencia y amplitud

aumentan hasta que la turbina puede em-

pezar a acelerarse por si misma. El mo-

mento de giro M del generador resulta de

la relación siguiente:

M = ∫ m × B dV

La integral de volumen se calcula extendida

a todo el volumen V del arrollamiento; el mo-

mento magnético m sólo está limitado por la

capacidad de refrigeración. La densidad de

flujo magnético B es resultado de la potencia

magnética constante que se desarrolla en el

imán permanente.

Batería de níquel e hidruro metálico,

compatible con el medio ambiente

Los vehículos experimentales están equipa-

dos con modernas baterías de níquel e hi-

druro metálico (NiHM), desarrolladas por la

empresa Varta Batterie AG. La batería NiHM

tiene la mitad de tamaño que una batería

usual de plomo y su compatibilidad me-

dioambiental es considerablemente mejor

que la de las baterías de plomo y NiCd, in-

cluidas las posibilidades de reciclado.

Puesto que aún no existen baterías con

suficiente capacidad para vehículos pesados

de carretera, es necesario conectar tres ba-

terías en paralelo, lo que al mismo tiempo

proporciona cierta redundancia. En principio,

el tamaño de las baterías depende de la dis-

tancia de desplazamiento sin emisiones que

se exige del vehículo; si se reducen las exi-

gencias puede emplearse baterías más pe-

queñas y ligeras.

En régimen de funcionamiento híbrido, el

grupo HSG recarga las baterías con relativa

rapidez, del 20 al 80 % en 20 minutos. Tam-

bién es posible recargarlas desde la red pú-

blica.

Transmisión de la fuerza

y motor eléctrico

Puesto que la fuerza se transite eléctrica-

mente y el motor eléctrico actúa directa-

Propulsor HSG para vehículos híbridos,que incluye una turbina a gas con generador de alta velocidad en línea.Se utiliza etanol como combustible.

3

A C C I O N A M I E N T O H Í B R I D O

16 R e v i s t a A B B 6 / 7 1 9 9 6

mente sobre el eje trasero, no se nece-

sita ni caja de cambios ni árbol cardán.

Muchos de los componentes pueden

ser colocados libremente, por ejemplo en

el techo, como se hace en el autobús

híbrido.

Al frenar, el motor eléctrico que mueve el

eje trasero actúa como generador. La ener-

gía de frenado, por tanto, no se disipa en

forma de calor sino que realimenta la bate-

ría, obteniéndose al mismo tiempo un frena-

do suave que prolonga la vida útil de los fo-

rros de frenos.

Estando el freno por motor conectado,

al accionar el pedal de freno se produce en

primer lugar un frenado eléctrico; los frenos

normales sólo actúan si la pedalada es bas-

tante fuerte. El motor de accionamiento

puede frenar y acelerar con la misma fuer-

za. Sólo se pierde una pequeña parte de la

energía durante la carga y descarga de la

batería.

Carrocería con accesorios

modernos

Gracias a la transmisión eléctrica de la fuer-

za, la cabina del conductor está situada sólo

a 60 cm del suelo. De este modo, el conduc-

tor conserva el contacto visual con todos los

implicados en el tráfico, como son los peato-

nes, ciclistas y conductores de automóviles

de turismo.

El autobús tiene los componentes de la

transmisión de energía en el techo. Para un

número de plazas constante de 24 a 33 pla-

zas de asiento, el vehículo es 1,5 m más

corto que los autobuses diesel usuales.

La instrumentación está formada por una

unidad principal situada en el centro del ta-

blero de a bordo y por dos unidades secun-

darias dispuestas a uno y otro lado de la co-

lumna de dirección y solidarios con ella .

Puesto que estas unidades siguen el movi-

miento de la columna de dirección, conser-

van en todo momento la distancia correcta

respecto del conductor.

Los faros están equipados con lámparas

de descarga de gas, completadas con lám-

paras UV especiales, que en la oscuridad

proporcionan una visibilidad doble que las

lámparas normales de incandescencia. Los

intermitentes, las luces de posición, de mar-

cha atrás y de frenado disponen de diodos

luminosos que se encienden con mucha

mayor rapidez que las lámparas de incan-

descencia. Así, manteniendo una distancia

suficiente de seguridad, el vehículo que

sigue dispone de una distancia de reacción

unos 5 m más larga en caso de frenazo

brusco.

Los vehículos experimentales

en funcionamiento

Los vehículos híbridos tienen muchos as-

pectos desacostumbrados. En lugar de

usar una llave de contacto, el conductor in-

troduce su tarjeta magnética personal en

un lector de tarjetas . Se enciende un

símbolo rojo en forma de camión para indi-

car que ha comenzado el proceso de

arranque. Tras la conexión de la batería

tiene lugar un control rápido de funciona-

miento de los componentes del sistema.

Una vez elevada la tensión de la batería

hasta 600 V, el sistema conecta sus ins-

talaciones auxiliares. Unos segundos des-

5

4

El tablero de instrumentos está formado por un cuadro principal y dos unidadessecundarias montadas a ambos lados de la columna de dirección.Así, los instrumentos de control siguen la regulación de posición del volantey están siempre a la misma distancia del conductor.

4

Tarjeta magnética personal devehículo y de conductor en la unidadlectora antes de arrancar el camiónhíbrido. Las tarjetas mecánicassustituyen las llaves de contacto.

5 El tablero de instrumentos permite,entre otras cosas, leer la temperaturaexterior, el régimen de marcha(con batería o híbrido) y el consumode combustible.

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A C C I O N A M I E N T O H Í B R I D O

R e v i s t a A B B 6 / 7 1 9 9 6 17

Flujo de energía en el camión experimental,en régimen híbrido de marcha

a Sin carga de bateríab Con carga de batería

7

Flujo de energía en el camión híbrido, en plenaaceleración

8

Flujo de energía en el camión híbrido en régimeneléctrico puro

a Régimen eléctrico puro (sin gases de escape)b FrenadoOVP Protección contra las sobretensiones

9

7a

8

9a 9b

7b

A C C I O N A M I E N T O H Í B R I D O

18 R e v i s t a A B B 6 / 7 1 9 9 6

pués, el símbolo del camión cambia de

color mostrando que el camión híbrido

está listo para empezar a rodar.

El conductor suelta el freno de mano, co-

loca la palanca de selección en la posición D

(Drive), acciona el «acelerador» y acelera si-

lenciosamente. Hasta ese momento no se

ha puesto en marcha la turbina. Junto a la

palanca de selección se encuentra un con-

mutador de régimen de marcha. En caso de

marcha híbrida, la turbina se conecta auto-

máticamente durante la marcha. El sonido

es un rumor suave, independiente de la velo-

cidad de desplazamiento.

En el tablero de a bordo, el conductor

puede leer el consumo de corriente, el esta-

do de carga de la batería, el consumo de

combustible y el radio de acción restante .

En general, el conductor sólo tiene que

accionar unos pocos interruptores y hacer

un par de movimientos manuales; esto le

permite concentrarse en el tráfico contribu-

yendo así a la seguridad del mismo.

Dos modos distintos de marcha: con

batería o en régimen híbrido

El vehículo híbrido de serie está impulsado

siempre eléctricamente, tanto en régimen de

marcha con batería como en régimen híbrido.

6

En régimen híbrido, el vehículo está ac-

cionado por el motor eléctrico del agregado

HSG. En caso de baja toma de energía se

dispone de un excedente que se acumula en

la batería . Si el accionamiento tiene una

gran demanda, la batería aporta la energía

suplementaria . Juntos, el agregado HSG

y la batería proporcionan una potencia máxi-

ma de 142 kW.

El conductor puede elegir entre la marcha

automática, es decir, con conexión y desco-

nexión de la turbina en función del nivel de

carga de la batería, y el funcionamiento con-

tinuo con turbina. En este segundo caso,

cuando la batería está totalmente cargada la

turbina funciona en vacío cuando.

En aquellas zonas en que está expresa-

mente prohibida la emisión de sustancias

nocivas, el vehículo funciona impulsado sólo

por batería. En este caso, el camión híbrido

tiene un radio de acción de unos 25 km.

Esta distancia, en principio, sólo está limita-

da por la capacidad de las baterías, que en

todo caso se recargan algo durante el frena-

do, ya que en ese momento el motor de pro-

pulsión funciona como generador .

Perspectivas

La propulsión híbrida ayuda a reducir la

9

8

7

carga del creciente tráfico viario sobre el

medio ambiente . Los dos vehículos ex-

perimentales han permitido poner a prueba

toda una serie de novedades, como la sus-

pensión elástica activa, la dirección asistida

que actúa sobre todas las ruedas y una téc-

nica innovadora de alumbrado. Algunas de

estas novedades sólo se encuentran hoy en

día en descapotables deportivos muy espe-

ciales o en vehículos experimentales. Un

efecto secundario del proyecto ha sido mos-

trar las posibilidades que la industria puede

ofrecer al mercado actual de transportes.

El desarrollo de vehículos híbridos no ha

sido un proyecto comercial, ha sido sólo una

etapa hacia la madurez para la fabricación en

serie. Lo que se buscaba, sobre todo, era

conseguir conocimientos y experiencias para

fabricar en el futuro vehículos compatibles

con el medio ambiente sin perder capacidad

para enfrentarse a la competencia. Las solu-

ciones que se apliquen en el futuro depende-

rán, por supuesto, de las necesidades espe-

cíficas del mercado y de las normativas lega-

les. En cualquier caso, el grupo propulsor

HSG tiene, en todos los sentidos, un gran po-

tencial de desarrollo para una sociedad cada

vez más consciente del medio ambiente.

Bibliografía

[1] Chudi, P.; Malmquist, A.: Accionamiento

híbrido para automóviles. Técnica ABB 9/93,

3–12.

[2] Chudi, P.; Malmquist, A.: Experiences

from a high speed system for hybrid vehi-

cles. Paper SPT IS03-3, Power Tech Confe-

rence, Estocolmo 1995.

Dirección de los autores

Peter Chudi

Anders Malmquist

ABB Hybrid Systems AB

S-72167 Västerås, Suecia

Telefax: +46 (0) 21 340 191

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El camión experimental es especialmente adecuado para el tráfico urbano.Su accionamiento eléctrico le permite recorrer cerca de 25 km sin emitir gas deescape alguno.

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