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Sistemas de tracción híbrido-eléctricospara vehículos de transporte y
servicios públicosPonente:
• D. Martín Sastre(Responsable accionamientos de velocidad variable – aplicaciones especiales,SIEMENS)
JUEVES 18, 12:10-13:10
6ª SESIÓN
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ELFA® – the e●Drive from Siemens for City Buses
Flexibility3 YOUR Hybrid Drive
Transporte urbano hacia la sostenibilidad.
Noviembre JAI’ 2010
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Productos Hybrid Drives
Historia del sistema ELFA®
El sistema ELFA®
Referencias
Información técnica
Contenidos
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Productos
Hybrid Drives
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LD T Productos = “Outdoor Equipment”*)
Traction Drives Hybrid Drives Mining DrivesPr
opul
sion
equ
ipm
ent f
or:
LocomotivesHigh Speed TrainsEMUs / DMUsMetro VehiclesLight Rail Vehicles
TrucksShovelsDraglines
City VehiclesCranesBoats
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LD T HD Productos = “Outdoor Equipment”*)
10,000
500
5010 25
100
5,000
Peso del vehículo (t)
Potencia (kW)
100 500 5,000
*) LD T HD – los expertos en sistemas de tracción para condiciones ambientes “outdoor” (temperatura, humedad, vibraciones, salitre, etc.).
Bus urbano y camión de reparto
Mining trucks & drag lines
Vehículos especiales
Grúas RTG (vía MC)
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Historia del sistema ELFA®
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Historia del sistema ELFA® de SiemensLos primeros proyectos empezaron hace 12 años, inicialmente con MANAntes de eso Siemens sólo estaba en proyectos de tracción para trolebuses basados en la tecnología de los tranvíasEl desarrollo del sistema ELFA se basaba en componentes del automóvil provenientes de coches eléctricos, adaptados para el uso en autobuses (horas de funcionamiento, condiciones ambientales) y apoyados por nuestra extensa experiencia en las tecnologías de los accionamientos.Comienzo de la producción en serie en 1999 con el Mercedes Cito Midibus (se hicieron más de 600 unidades) hasta 2003Primer contrato en Asia con Mitsubishi Fuso en 2000Inicio de la colaboración con ISE Corp. (San Diego) para el mercado de EEUU en 2002 (que se mantiene en la actualidad)Diversificación hacia las pilas de combustible, buses de baterías, ultracondensadores e híbridos batería, barcos, grúas portuarias (RTG), camiones de reparto y de recogida de residuos urbanos.
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Historia del sistema ELFA® de Siemens – ¿Qué hemos aprendido?
Se necesitó mucho paciencia – los sistemas de almacenamiento de energía llevaron más tiempo de lo que se esperaba. La pila de combustible no es una opción a corto plazo, aunque a medio plazo las pilas de combustible son una alternativa a los autobuses híbridos.Con el tiempo los sistemas de almacenamiento de energía mejoran, con lo que se consigue una disminución el tamaño del motor de combustión. Por lo que, el sistema de tracción tiene que ser capaz de asumir estos cambios sin cambiar el sistema de tracción en sí.Debido a la naturaleza de los ciclos de conducción en los centro urbanos con muchas paradas y arranques combinado con las bajas velocidades, es importante que los sistemas auxiliares (bomba de dirección, compresor de aire, aire acondicionado) del vehículo funcionen de manera independiente al funcionamiento del motor de combustión. Es importante que toda la energía de frenado pueda recuperarse por el sistema de tracción hasta la parada para conseguir ahorros de combustibles óptimos – aprox. 150 kW en un autobús de 12 m cargado.
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Historia del sistema ELFA® de Siemens – Conclusiones
El híbrido serie es la configuración óptima para los vehículos urbanosTotalmente flexible respecto a la fuente de energíaMáxima recuperación posible (alta potencia del motor de tracción en funcionamiento regenerativo)Sin cambios de los componentes ante futuros cambios de la fuente de energía, como una reducción en el tamaño del motor de combustión y una batería más grande, o cambio de un motor de combustión pequeño a un pila de combustible pequeña, o cambio a vehículos con sólo bateríasAlta flexibilidad para el diseño del vehículo Es posible el funcionamiento con bajo nivel de ruido, las vueltas del motor de combustión no depende de la velocidad del vehículo
El sistema de accionamiento híbrido debe tener un diseño modular para ser capaz de equipar a todos los tipos de vehículos urbanos comerciales.
Modularidad de los componentes hardware Modularidad de la funcionalidad del software
Los componentes del accionamiento híbrido han de tener un diseño que se pueda fabricar en una producción de gran volumen automatiza para poder garantizar la calidad.Sistema de 600V para minimizar el tamaño de los cables.
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El sistema ELFA®
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Definición de autobús urbano
Funcionamiento con muchos arranques y paradas
Velocidad media baja
Muchas horas de funcionamiento
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Por qué usar una tracción híbrida en autobuses urbanos
Aumento de las presiones globales y locales para la reducción de emisiones contaminantes como CO2
Aumento de las exigencias de reducción de ruido.Más suavidad y comodidad en la conducciónLograr ahorros significativos
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¿Dónde se producen los ahorros?
Función start-stop para el motor de combustión
Concepto de auxiliares optimizados
Funcionamiento del motor de combustión en sus puntos óptimos, reducción de transitorios
Recuperación de la energía de frenado
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Drive shaft
Principalmente hay dos tipos de sistemas disponibles para autobuses urbanos:
Electric Traction Motor
Energy Storage
Drive shaft
Combustion Engine
Gear Box
Híbrido paralelo Híbrido serie
Electric Traction Motor/ Generator
Energy Storage
Generator
Fuel Cell
battery and
down-sized
engine
down-sized combustion engine
Generator
Battery
Conceptos sobre híbridos
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Bus urbano híbrido paralelo
Bus urbano híbrido serie
Emisiones reducidas
Consumo de combustible reducido
Bus urbano con batería
Bus urbano con pila combustible
?
Vehículos “cero emisiones”
Bus urbano convencional con motor de combustión
Tiempohoy ca. 2010 ca. 2015 ?
Evolución en el futuro de los autobuses urbanos
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Clave del éxito
El híbrido serie es la solución óptima y del futuro en los autobuses urbanos.Los componentes de un sistema de accionamiento para un vehículos híbrido ha de ser modular para poder equipar a los distintos tipos de vehículos volumenLos componentes de un sistema de accionamiento para vehículos híbridos han de ser diseñados en una producción automatizada para poder garantizar la calidad.
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Módulogeneraciónde energía
Motor de Combustión
o pila de combustible
Módulo detracción
Eje de tracción y cardán
Módulo resistenciade frenado
Módulo de energía auxiliar
Energy StorageModule
(without energy storage)
Circuito intermedio
Nominal 650 V DC
1 Inverter
Phase
Siemens ELFA e●Drive System
Elección del OEM
Los módulos del sistema ELFA proporcionan Flexibilidad³
Batería o
ultracondensadores
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Módulo de generación de energía
120*)
200
240
160
160
125
90
Potencia motor combustión (kW)
P6
P7
P5
P4
P3
P2
P1
Módulo generaciónenergía
Flexibilidad en el tamaño del bus y en integración mecánica
*)= Fuel Cell
12,18 (2 ejes)T7
12 ,18 (2 ejes)T6
24T5
15, 18T4
12T3
12, 15, (18*) * = flat topography
T2
12T1
Tipo de bus(largo en m)Módulo de tracción
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2001 Mono Inverter1DB2007 + Damping CouplingP6
120*)1 Mono Inverter2 Inductance BoxesP7
2401 Mono Inverter1FV5168 + Damping Coupling + Step-up GearP5
1601 Mono Inverter1FV5168 + Damping CouplingP4
1601 Mono Inverter1FV5139 + Damping Coupling + Step-up GearP3
1251 Mono Inverter1FV5139 + Damping CouplingP2
901 Mono Inverter1FV5135 + Damping CouplingP1
Potencia del motor de
combustión (kW)
Módulo de generación de energía (PGM)
*)= Fuell Cell
Módulo de generación de energía
Flexibilidad en el tamaño del autobús
BACK UP
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12,18 (2 ejes)2 Mono InverterZF eje inc. 2 motores T7
12 ,18 (2 ejes)2 Mono Inverter2 x 1PV5135 + ARM ejeT6
242 Mono Inverter1DB2024 + VPM (6 ph) T5
15, 182 Mono Inverter1DB2016 + VPM (6 ph) T4
121 Mono Inverter1DB2016 + VPM T3
12, 15, (18*) * = flat topography
2 Mono Inverter2 x 1PV5138 + Summation GearT2
122 Mono Inverter2 x 1PV5135 + Summation GearT1
Tipo de bus (long. en m)Módulo de tracción incl. DICO (TMD)
Módulo de tracción incl. DICO
Flexibilada del tamaño del autobús
BACK UP
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Módulos de tracción ELFA – en función del peso del vehículo
Peso del vehículo6 tons 12 tons 18 tons 24 tons
Summation Gear
ELFA2 inverter
1PV513X
1PV513X
Red. Gear
ELFA2 inverter
1PV513X
Summation Gear
ELFA2 inverter
1PV513X
1PV513X
ELFA2 inverter
1DB2016*)
ELFA2 inverter
1DB2024
ELFA2 inverter
ELFA2 inverter
1DB2016*)
ELFA2 inverter
1DB2016*)
ELFA2 inverter
2 driven axles
1 driven axle
Midi Bus Bus de un piso o doble Bus articulado
En producción*)prototipo
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Módulos de generación de energía ELFA – en función de la potencia del motor de combustión interna
Potencia del motor de combustión90 kW 125 kW 160 kW 240 kW
ELFA2 inverter
1DB2007*)
Generator
ELFA2 inverter
en producción *) prototipo
200 kW
ELFA2 inverter
1FV5168 G
enerator
ELFA2 inverter
Step up Gear
ELFA2 inverter
1FV5139 G
enerator
ELFA2 inverter
Step up Gear
1FV5135 G
enerator 1FV5168 G
enerator
1FV5139 G
enerator
en producción
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Mix energéticoHíbridoparalelo
ELFA
ELFA – Rango de funcionamiento de los híbridos serie
pure fuel cell
diesel-electric
battery hybrid
(“down-sizing”)
battery hybrid
Pow
er
100%
0%
Fuel Cell
Energy Storage
purebattery
fuel cell hybrid
Generator Set (diesel, gas, gasoline)
Tendency due to improved energy storage performance
Rango funcionamiento
Flexibilidad en la combinación energética
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Referencias
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9 m 12 m 18 m
Pre-series 2009, serie comienza en 2010T7P7
T6P6
T5P5
T4P4
T3P3
T2P2
T1P1
2 x
Proyectos de autobuses híbridos en todo el mundo –Citaro de Mercedes híbrido con baterías (GER)
energy storage
power of combustion
enginefuel cell
powermodule
tractionmodule
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9 m 12 m 18 m
Pre-series 2009, prueba en flota 2010
Proyectos de autobuses híbridos en todo el mundo–Autobús de pila de combustible y baterías de Mercedes Citaro (GER)
T7P7
T6P6
T5P5
T4P4
T3P3
T2P2
T1P1
energy storage
power of combustion
enginefuel cell
powermodule
tractionmodule
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9 m 12 m 18 m
Pre-series 2009, comienzo serie 2010
UCap
Proyectos de autobuses híbridos en todo el mundo –Autobús híbrido con UCaps de MAN (GER)
T7P7
T6P6
T5P5
T4P4
T3P3
T2P2
T1P1
energy storage
power of combustion
enginefuel cell
powermodule
tractionmodule
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9 m 12 m 18 m
aprox. 20 vehículos suministrados
Proyectos de autobuses híbridos en todo el mundo –Autobús de doble piso de Wrightbus (UK)
T7P7
T6P6
T5P5
T4P4
T3P3
T2P2
T1P1
energy storage
power of combustion
enginefuel cell
powermodule
tractionmodule
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9 m 12 m 18 m
50 sistemas suministrados (120 opción…)
Proyectos de autobuses híbridos en todo el mundo –Autobús articulado de Wrightbus (UK)
T7P7
T6P6
T5P5
T4P4
T3P3
T2P2
T1P1
energy storage
power of combustion
enginefuel cell
powermodule
tractionmodule
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9 m 12 m 18 m
Producción iniciada en 2010, 36 unidades
Proyectos de autobuses híbridos en todo el mundo –Castrosua (ES) Diesel y GNC
T7P7
T6P6
T5P5
T4P4
T3P3
T2P2
T1P1
energy storage
power of combustion
enginefuel cell
powermodule
tractionmodule
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9 m 12 m 18 m
Prototipo, hasta 100
Proyectos de autobuses híbridos en todo el mundo –Retrofit para TMB / EMT de autobús híbrido con UCaps (ES)
T7P7
T6P6
T5P5
T4P4
T3P3
T2P2
T1P1
energy storage
power of combustion
enginefuel cell
powermodule
tractionmodule
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9 m 12 m 18 m
El primer prototipo presentado en FIAA 2010 not real picture
Proyectos de autobuses híbridos en todo el mundoAYATS – Bus turístico de doble piso con UCaps (ES)
T7P7
T6P6
T5P5
T4P4
T3P3
T2P2
T1P1
energy storage
power of combustion
enginefuel cell
powermodule
tractionmodule
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9 m 12 m 18 m
32 unidades en servicio
FCC Camiones de recogida de residuos urbanos (ES)
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T3P3
T2P2
T1P1
energy storage
power of combustion
enginefuel cell
powermodule
tractionmodule
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9 m 12 m 18 m
Prototipo. Presentado en FIAA 2010
Proyectos de autobuses híbridos en todo el mundo –Tata HISPANO (India)
T7P7
T6P6
T5P5
T4P4
T3P3
T2P2
T1P1
energy storage
power of combustion
enginefuel cell
powermodule
tractionmodule
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Alemania,
Prototipo + 20 planeados para 2010
FAUN
Auxiliaresoptimizados, reducción de
ruidos y emisiones
Proyectos híbridos adicionales – Rubbish Truck
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Producción serie a nivel mundial
(>100 sistemas entregados)
USA,
prototipos
Funcionamiento Optimizado, Ahorros de combustible hasta un 70%
Funcionamientooptimizado de
auxiliares,reducción deruido, mayor
rango de servicio
Proyectos híbridos adicionales – otros
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Proyectos híbridos adicionales – Coches con baterías
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Proyectos híbridos adicionales – Coches con baterías
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Proyectos híbridos adicionales – Vehículos con baterías
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Llegará una generación de coches …con una “arquitectura” diferente
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… y Siemens estará presente
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© Siemens AG 2010. All rights reserved.
Información técnica
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Sistema standard – Autobús urbano de 12 m 600 V Battery Hybrid with summation gear box
MOT I MOT II
ELFA II Inverter
DC 700V
GEN
DCAN System Bus
Engine Control
DICO
AUX
Vehicle(SAE CAN Interface)
SAE-CAN Control UnitBatterySystem
approx. 600 Vincl. BMU,
Main Contactor,Fuses
Brake Resistor Auxiliary Drive for
Steering Pump and Brake Compressor
Diesel Engine
ELFA II Inverter
ELFA II Inverter
ELFA II Inverter
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MOT I MOT II
ELFA II Inverter
DC 650V
GEN
DCAN System Bus
Control
DICO
AUX
EVCU(SAE CAN Interface)
SAE-CAN Control UnitUltracapSystem
300 V – 750 Vincl. BMU,
Main Contactor,Fuses
Brake Resistor
Reactor Circuit
Auxiliary Drive for Steering Pump and Brake Compressor
4/6-Cyl. Diesel Engine
ELFA II Inverter
ELFA II Inverter
ELFA II Inverter
2
Option
ELFA® Hybrid Drive System for 12m City Bus with Ultracapacitor
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Funciones ELFA® de control híbrido
Flexibilidad del software
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2 motores ELFA en una reductora Flender
2 inverters ELFA para los motores de tracción
ELFA Gateway Unit – drive control, hybrid control, safetycontrol and communication withthe CAN-bus system of thevehicle
Sistema Ultra-cap Resistencia de frenado ELFA
1 invreter ELFA MONO para el generador
1 generador ELFA con reductora StepUp
Adicional: cables de potencia y señal, sistema de refrigeración para los componentes ELFA (ca. 50 °C)
2 cajas de inductancia ELFA
Componentes ELFA® necesarios para un bus urbano de 12m
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ELECTRIC
Future is Power
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Title of the presentation
Manfred Schmidt
Martín Sastre
Gracias!