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5/14/2018 VehiculosHibridos2 - slidepdf.com

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LOS COCHES HÍBRIDOS Electrón ica del Au tomóvil

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LOS COCHES HÍBRIDOSJuan Carlos Chicón Domínguez

Narcís Vidal Sanz

Resumen:El objeto de este trabajo es mostrar una visión generalde los desarrollos que se están llevando a cabo en elmercado de los coches híbridos tanto en el mundo co-mercial como en el de la investigación, definir los dife-rentes tipos de vehículos híbridos junto con los compo-nentes de los que están formados y finalmente poner demanifiesto la situación actual en la que se encuentra estatecnología.

1. Porqué vehículos híbridosActualmente la gran mayoría de los medios de trans-porte están equipados con motores de combustión inter-na de dos o cuatro tiempos y con encendido por chispa opor compresión. Estos modelos permanecen invariablesdesde hace muchos años. No obstante en los últimosaños se ha logrado un ajuste de los ciclos habiéndosedisminuido mucho las emisiones de contaminantes yhabiéndose logrado un importante incremento en losrendimientos. Los problemas en los abastecimientos decarburantes y la creciente conciencia medioambientalhacen necesaria la disminución de las emisiones conta-

minantes que los motores actuales generan.En los últimos años las investigaciones van encamina-das a conseguir nuevos sistemas de propulsión para losvehículos. Se empieza a valorar seriamente el conceptode coches eléctricos, coches de pila de combustible,coches de hidrógeno y otros sistemas de propulsión máslimpios y ecológicos que los motores actuales.

Sin embargo no podemos olvidarnos de las prestacionesque se le requieren a un vehículo, sobre todo en losturismos. Los nuevos motores tienen que lograr unasprestaciones similares a las de los coches actuales yaque el confort y la seguridad son factores igual o más

valorados que el consumo en la actualidad, y aquí esdonde los vehículos híbridos tienen un importante papel.

2. El concepto de vehículo híbrido.Un vehículo eléctrico híbrido es un vehículo que utilizados fuentes de energía para su movimiento. Una basadaen un motor eléctrico, y la otra basada en un motortérmico de cualquiera de los modelos conocidos hastaahora, como son turbina de gas, diesel, gasolina, Stirlingy el resto de los modelos existentes en el mercado.

El modo en que se almacena la energía eléctrica es tam-bién una de las características principales de los coches,y uno de los campos en los que más se está trabajandoen los últimos años.

Debido al estado de la tecnología resulta complicadoalmacenar grandes cantidades de energía eléctrica, porlo que la fuente principal será el combustible que sealmacene para el motor térmico.

Sin embargo algunas de las ventajas de la utilización delos coches híbridos son las que provienen del origen

eléctrico del movimiento. Como son:

• Frenada regenerativa, que permite recargar lasbaterías y contribuye a minimizar la energía perdida enlas frenadas habituales de la conducción.

• Motor térmico más pequeño, de acuerdo con lacarga media de la conducción, ya que es el motor eléc-trico el que soporta los picos de carga como son losadelantamientos o aceleraciones. Esto nos permiteajustar el peso del vehículo al máximo, disminuyendolas pérdidas de energía por rozamiento.

• Gran disminución en el consumo, que puede llegar

al 50% del consumo normal de un vehículo.• Descenso en las emisiones contaminantes, ya que elmotor térmico trabaja en regímenes altamente eficien-tes. También se produce una reducción del consumo decombustible.

• Empleo de combustible alternativos, reduciéndosela dependencia de los combustibles fósiles debido a lagran variedad de motores térmicos que se pueden utili-zar.

Sin embargo, independientemente de qué tipo de motorse esté utilizando, podemos dividir los coches híbridosen dos bloques principales.

2.1. Configuración serie.Un coche híbrido de configuración serie se caracterizapor que el motor térmico se emplea únicamente pararecargar las baterías de las cuales se alimenta el motoreléctrico. Por tanto, el trabajo lo genera únicamente elmotor eléctrico.

Las principales ventajas de este tipo de configuraciónson:




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• El motor térmico no trabaja nunca en vacío, por loque reducen las emisiones contaminantes y el consumode combustible.

• El grupo motor - generador trabaja en el punto parael que ha sido diseñado, lográndose un rendimientoóptimo.

• Se permite una gran variedad de emplazamientosdel grupo motor - generador, ya que no es necesaria unatransmisión mecánica motor térmico – ruedas.

• En algunos casos podemos evitarnos la transmisión,eliminando así una de las causas que reducen la eficien-cia del sistema.

Fig. 1 - Configuración serie.

Modos de funcionamiento: El motor térmico puede estartrabajando o no y el motor eléctrico puede estar funcio-nando como motor o generador.

2.2. Configuración paralelo.Un coche híbrido de configuración paralelo se caracteri-za porque el motor tiene transmisión directa mecánica

con las ruedas, al igual que el motor eléctrico. Ambospueden trabajar simultáneamente o de tal forma que elmotor térmico mueva el coche y al motor eléctrico, quefuncionará como generador.

Fig. 2 - Configuración paralelo.

Algunas de las ventajas de este tipo de configuracionesserán:

• El vehículo será más potente debido a que ambospueden trabajar juntos simultáneamente.

• La mayoría de los vehículos configurados de estamanera no necesitan un generador, con el consiguienteahorro de coste y de espacio.

Modos de funcionamiento: Este tipo de configuración, adiferencia de la configuración serie debe ser capaz desoportar diversos modos de funcionamiento.

• Motor eléctrico y térmico generando potencia a lasruedas.

• Motor eléctrico generando potencia, y motor térmi-co en reposo.

• Motor térmico generando potencia y motor eléctri-co cargando las baterías.

• Motor térmico en reposo y motor eléctrico cargan-do las baterías.

3. Elección de los componentes.La elección de los componentes de un vehículo híbridose ha de hacer entre todas las opciones viables, dandoprioridad a la potencia o a la economía a la hora deescoger la configuración y los componentes del coche.

3.1. El motor eléctrico.El motor eléctrico y su mecanismo de control es una delas piezas fundamentales de cualquier vehículo híbrido.Debe ser capaz de generar electricidad o de generarpotencia mecánica de manera que se ajuste rápidamentea las necesidades del coche. Además debe de hacerlo deforma que su eficiencia sea elevada.

Las dos posibilidades existentes en cuanto a motoreseléctricos son el uso de la corriente continua o de lacorriente alterna.

3.1.1. Motores de corriente continua.Este es el tipo de motores utilizados en el pasado paralas aplicaciones de velocidad variable con motoreseléctricos. Sin embargo, gracias al desarrollo de la elec-trónica de potencia se están imponiendo en la actualidadlos motores de corriente alterna. El control de los moto-res de corriente continua se realiza de forma fácil ysencilla, por lo que los controladores son muy baratos.Por el contrario los motores de corriente continua sonmuy grandes y pesados. Tenemos dos posibles configu-raciones:

Excitación serie:

• Par de arranque elevado.

• Par a altas velocidades bajo ⇒ cambio de marchas.

Excitación paralelo:

• Mejores prestaciones que en excitación serie.

• Par constante por debajo de la velocidad nominal.

• Potencia constante por encima de la velocidad no-minal.

• No necesitan cambio de marchas.




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3.1.2. Motores de corriente alterna.Los motores de corriente alterna necesitan para su ma-nejo y control a velocidad variable, instrumentos deelectrónica de potencia que logren variar la frecuenciade la señal que le llega al motor. Por lo tanto los con-troladores para este tipo de motores son, por lo general,más caros que los de corriente continua, por el contrarioel motor en sí mismo es más pequeño y ligero.

Motor síncrono:

• Tienen un buen rendimiento.

• Son más ligueros y compactos.

• Pueden alcanzar altas velocidades de giro.

• Por el contrario, los controladores son más caros,encareciendo bastante el precio del conjunto.

Motor asíncrono:

• En VEH, se utilizan los de inductor formado porimanes permanentes (Brushless).

• Son muy eficientes y ligeros.

• La ausencia de escobillas hace que su manteni-miento sea muy simple.

• Como inconvenientes, resaltar que son menos ro-bustos y mas caros, sobre todo por el precio de losimanes permanentes (éstos deben de estar refrigera-dos ya que la temperatura afecta mucho a su rendi-miento).

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Síncrono Brushless

Asíncrono

Corriente continua

Fig. 3 - Comparativa del rendimiento de los motores

eléctricos en vehículos eléctricos.

3.2. Almacenamiento de energía eléctrica.Los sistemas de almacenaje de energía eléctrica son enla actualidad el gran problema que tienen los cocheseléctricos, ya que:

• La autonomía, respecto a los motores que usancombustibles fósiles, es muy limitada.

• El tiempo de recarga es largo.

• Ocupan mucho espacio y por lo general son muypesados.

Esta es una de las principales ventajas de los cocheshíbridos, que combinan la alta capacidad energética delos combustibles fósiles con las ventajas de los cocheseléctricos en cuanto a economía y máxima eficiencia.

3.2.1. Baterías.Las baterías son el sistema clásico de almacenamientode energía. En ellas se utilizan reacciones químicasreversibles.

Ventajas: La tecnología de desarrollo de las baterías esuna tecnología madura en comparación con las otrasopciones que se mencionan en este apartado.

Inconvenientes: Las baterías formadas por nuevas alea-ciones son extremadamente caras y completamenteinviables para su comercialización en la actualidad.

Además, la mayoría de las baterías tienen un ciclo devida mucho más corta que la del conjunto de coche endonde las situamos, lo que hace necesaria una cara sus-titución.

Características Unidad Pb/Acido Ni/MH Li/ion

Energía esp. Wh/kg 50 70 120Potencia esp. W/kg 350 180 300Tiempo vida Ciclos 800 1.000 1.200Carga rápida Euros

/kWh

NO 50%

0’5 h

Estudio

Reciclabilidad SI SI EstudioCoste 120 540 700Rendimiento 0’8 0’75 0’9

Fig. 4 - Síntesis de datos de algunas baterías

3.2.2. Volantes de inercia.Las ruedas volantes son unos discos con una alta masaespecífica en los que almacenamos energía cinética enforma de rotación. Funcionan como un rotor de un mo-tor que genera electricidad a costa de la energía cinéticade rotación que tiene el disco y, a su vez, almacena laenergía en forma de energía cinética aumentando lavelocidad de giro del disco.

Ventajas: Esta forma de almacenar la energía resulta

muy eficiente. Además es capaz de entregar la energíaque tiene almacenada de forma más rápida que las bate-rías.

Inconvenientes: Actualmente este tipo de sistemas tie-nen todavía una baja energía específica, y existen pro-blemas de seguridad debido a la posibilidad de que sepierda el control sobre un disco que permanece girandoa tantas revoluciones. Otro tipo de problemas que seplantean son los relativos a los efectos giroscópicos deldisco que pueden desestabilizar el coche.




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3.2.3. Ultracondensadores.El almacenar la carga mediante condensadores permiteuna muy rápida descarga de la misma. Por lo tanto re-sulta ideal para los cambios bruscos de velocidad.

Ventajas: Los capacitores no tienen partes móviles y,

por lo tanto, tienen una gran vida de servicio. Además,tienen esa capacidad de almacenar la energía rápida-mente, lo que hace que sean el sistema ideal de almace-namiento de energía durante los frenazos bruscos ycederla durante las aceleraciones.

Inconvenientes: Los condensadores tienen muy pocacapacidad y la tecnología para grandes condensadoresse encuentra todavía muy poco avanzada.

Acumuladores Pot. espec. W/kg Ciclos de vida

Batería de plomo/acido 300 800

Pila de combustible 1000 7000

Volante de inercia 800 3000

Supercondensador 2000 5000 Fig. 5 - Tabla comparativa de las prestaciones quepresentan los diversos sistemas de acumulación

3.2.4. Pila de combustible.En los últimos tiempos se está investigando muchoacerca de las pilas de hidrógeno. Es un combustible queno contamina puesto que de su combustión con el oxí-geno sólo emana agua.

Este tipo de motor, si bien todavía no se encuentra muydesarrollado es uno de los modelos en los que más seestá trabajando hoy en día por su nula contaminación.

3.3. Los motores térmicos.El motor térmico de un coche híbrido convierte la ener-gía química liberada en la combustión de un combusti-ble en energía cinética que aprovecharemos para moverlas ruedas o para generar energía eléctrica.

3.3.1. Motores de encendido provocado.Un motor de encendido provocado es el clásico motorde gasolina que trabaja según el ciclo de Otto.

Ventajas: El motor de ciclo Otto ha sido el más utiliza-

do en el pasado, lo que hace que sea en la actualidaduna de las máquinas más precisas, contaminen menosque en sus orígenes y su coste es muy escaso.

Inconvenientes: El motor de gasolina produce contami-nantes que resultan difíciles de controlar con un bajocoste. El sistema de control de estos motores, basado enel estrangulamiento del aire a la entrada, así como lagran cantidad de piezas móviles, hace que la eficienciadisminuya.

3.3.2. Motores dieselEl motor diesel tiene el mismo aspecto que el motor degasolina, sin embargo su diferencia está en el proceso dealimentación, ya que el combustible no viene premez-clado como en los motores de gasolina. Esto hace que sele pueda aumentar el factor de compresión.

Ventajas: El motor diesel ha sido usado desde hacemuchos años y también se encuentra muy optimizado.Además por su constitución tiene características quehacen que sea más eficiente que el motor de gasolinacomo son que el paso del aire no está impedido y que lainyección del combustible se realiza en el interior delpistón, en el momento en que queramos que salte lachispa, lo que hace que sea posible aumentar la relaciónde compresión y, a su vez, el par motor a bajas revolu-ciones.

Inconvenientes: El motor diesel es muy pesado ya quesus paredes tienen que estar preparadas para soportar lasaltas presiones que el fluido ejerce en el interior delcilindro, es más ruidoso y tiene una mayor emisión decontaminantes (esto último debido principalmente a lano existencia de catalizadores para este tipo de moto-res).

3.3.3. Turbina de gas.La turbina de gas trabaja en un ciclo de Brayton encontinuo. En este ciclo un compresor, generalmente deflujo radial incrementa la presión y la temperatura de unfluido que posteriormente es quemado, aumentando supresión y su temperatura. Finalmente el fluido es con-

ducido a una turbina dónde se expande y enfría, produ-ciendo un trabajo mecánico.

Ventajas: Las ventajas de las turbinas son su gran rela-ción potencia – tamaño, además de trabajar sin desequi-librios, tener una emisión de contaminantes muy baja yque poder trabajar con una gran cantidad de combusti-bles.

Desventajas: La principal desventaja de las turbinas essu alto coste de fabricación, debido a su complicadodiseño, y que los cambios de régimen se producen demanera mucho más lenta.

3.3.4. Motores StirlingEs un motor térmico de combustión externa basado enel ciclo de Stirling, en el que la transmisión de calor ysu evacuación tienen lugar a temperaturas constantes.

Ventajas: Teóricamente el ciclo Stirling tiene la másalta eficiencia posible, debido a que en un ciclo de com-bustión externa se pueden utilizar gran variedad decombustibles y controlando de forma muy eficaz lasemisiones que producen.




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Inconvenientes: Como inconvenientes a este ciclo caberesaltar la poca experiencia adquirida aún, así como laescasa potencia específica alcanzada hasta el momentopor este tipo de motores, el gran tiempo de respuestaque tienen frente a cambios en la carga o en el requeri-miento y las grandes superficies de intercambio que son

necesarias para su funcionamiento eficiente.

3.3.5. ConclusionesComo conclusión podemos decir que la elección del tipode motor ideal para nuestro vehículo híbrido estaráinfluenciado de manera muy importante por el tipo deconfiguración que el vehículo va a tener.

En el caso de una configuración serie el motor térmicono va a verse sometido a cambios bruscos de carga, loque hace posible que sea un motor de turbina de gas,Stirling o de un tipo que no tenga largos tiempos derespuesta.

En cambio si se trata de una configuración en paralelo,será necesario instalar un motor con tiempos de repuestalo suficientemente pequeños como para que no afecten ala conducción del vehículo.

3.4. TransmisiónLa transmisión se encarga de llevar el movimiento des-de los motores hasta las ruedas y desde el motor térmicoal generador. El sistema varía dependiendo de cadavehículo.

En los vehículos serie sólo el motor o los motores eléc-tricos tienen que transmitir el movimiento a las ruedas.Si se usa un solo motor eléctrico hace falta diferencialpara compensar la diferencia de velocidad lineal de lasruedas en las curvas, pero si se usan dos motores o in-cluso cuatro, uno en cada rueda, no hace falta diferen-cial con lo que se simplifica la parte mecánica pero secomplica el control. No hace falta caja de cambios yaque se puede controlar totalmente la velocidad del mo-tor, pero sí se suelen usar reductores fijos para adaptarlas revoluciones y par del motor al eje motriz.

En los paralelos la transmisión es más complicada yaque, tanto el motor térmico como el eléctrico, tienen quetransmitir el movimiento a las ruedas. Se pueden co-

nectar directamente al mismo eje el motor eléctrico y eltérmico a través de las apropiadas reducciones fijas yeste eje se conecta al eje motriz a través de un diferen-cial. Si se utiliza un generador independiente tambiéntendrá que estar conectado a este eje común o conectar-se al otro extremo del generador mediante engranjesplanetarios.

Además el motor térmico tendrá que poder desconectar-se de la transmisión cuando el vehículo funcione solocon el motor eléctrico mediante un embrague electro-magnético para que pueda ser controlado por el sistemade control. El motor eléctrico y el alternador no hace

falta desconectarlos de la transmisión, basta con desco-nectarle la alimentación con lo que no circulará intensi-dad por ellos y no producirán par resistente.

Otra posibilidad en los paralelos es usar el motor térmi-co en la tracción de un eje (el delantero por ejemplo) yel motor eléctrico en el otro, con lo que la conexión

entre ambos motores la realiza la carretera.

3.5. El sistema de controlLa misión del sistema de control de nuestro automóviles la de regular el funcionamiento de los dos motores denuestro vehículo o de cuando entran en funcionamientoy cuando paran, bajo estrategias de mayor ahorro decombustible, mínimas emisiones o exigencias de poten-cia.

La única manera de que todo lo anterior sea posible esdiseñar conjuntamente los parámetros de funciona-miento y los motores de tal forma que estén perfecta-

mente compenetrados.

En estos ejemplos se puede apreciar la gran cantidad deposibilidades que tenemos:

a) Modelo Paralelo con asistencia eléctrica: Estemodelo utiliza como fuente principal de energía mecá-nica el motor térmico. El motor eléctrico trabaja única-mente como una ayuda al motor térmico para que au-mente la potencia en los momentos en que sea necesa-rio, liberando al motor térmico de trabajar en zonas muyineficientes.

b) Modelo Paralelo con asistencia térmica: En este

caso es el motor eléctrico el que funciona como motorprincipal, dejando que el motor térmico únicamentetrabaje en los momentos de máxima carga o cuando lasbaterías ya se han descargado. Este es el sistema quemás utiliza la energía eléctrica, y por tanto suele ser elmás económico, a no ser que el motor térmico tenga queestar trabajando mucho tiempo a elevadas cargas, yaque entonces los motores resultan muy ineficientes.

c) Modelo termostático en serie: El objetivo de estemodelo es el de trabajar con energía eléctrica. Cuandolas baterías llegan a un punto de baja carga el que elmotor térmico y el generador se ponen en funciona-miento para reponerlas. La principal ventaja de este

sistema es que si el motor térmico está bien dimensio-nado puede permanecer todo el rato en sus condicionesde funcionamiento óptimas, es decir, con la mayor efi-ciencia.

d) Modelo serie de carga a nivel: Este modelo pre-tende suministrar la potencia media requerida por elmotor gracias al motor térmico y utilizar el motor eléc-trico para suministrar los picos de corriente que requiereel motor. La ventaja de este tipo de vehículo híbrido esque el tamaño de las baterías puede ser relativamentepequeño. Y su desventaja es que el motor térmico tiene




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que trabajar en gran cantidad de puntos de funciona-miento y esto hace que se pierda eficiencia.

4. Modelos existentes en la actualidadEn la actualidad existen numerosos programas de desa-rrollo de vehículos híbridos a cargo tanto de empresasautomovilísticas como a cargo de numerosas universi-dades estadounidenses y europeas. Así mismo existenvarios concursos técnicos y carreras en las que estosmodelos han participado.

En este artículo se hará mención de los más destacadoscon el fin de poner de manifiesto el grado actual demadurez de estas tecnologías:

TOYOTA PRIUS: este modelo se lanzó al mercado deJapón en 1997, y en el 2000 ya se habían vendido másde 37000 unidades. Está previsto un modelo de segundageneración para el lanzamiento europeo. La tecnologíaaplicada THS (Toyota Hybrid System) convierte al

Prius en el primer vehículo comercializado de estascaracterísticas incluyendo elevadas prestaciones: con-sultar http://prius.toyota.com

HONDA INSIGHT: presentado en el Salón del Auto-móvil de Francfort en septiembre del 99 incorpora unmotor de gasolina de 1 litro y 3 cilindros de alto rendi-miento, motor eléctrico de transmisión manual y ligerade cinco velocidades. Incorpora un sistema STOP&GOque optimiza más su rendimiento. Fue el primer híbridocomercializado en Estados Unidos en el 2001. Caracte-rísticas técnicas en:http://www.honda2001.com/models/insight

AUTOBÚS HÍBRIDO: una de las aplicaciones de latecnología de motores híbrido con más futuro se en-cuentra en los vehículos urbanos, puesto que la energíaque se genera en el frenado es muy grande. Un ejemploes el autobús híbrido de la marca Thoreb. Más informa-ción en http://www.tkgbg.se:280/system/ethh.htm

Proyecto de la universidad de Cornell: en esta universi-dad se encuentran desarrollando el Slipstream, un cochehíbrido basado en una pila de hidrógeno con el que yahan participado en varias competiciones. Más informa-ción en http://hev.cornell.edu

Lo cierto es que todas las marcas están desarrollando

sus prototipos, y la lista podría ser interminable: AUDIDUO, CHRYSLER CITADEL, CITROËN XSARADYNALTO, GM IMPACT, MITSUBISHI SUWADVANCE, RENAULT ESPACE VERT, VOLVOECC, etc.

5. ConclusionesPodemos concluir con lo visto en éstas páginas que sibien los coches híbridos no son el coche perfecto, lo quesí que es cierto es que son un avance de cara a una tec-nología más limpia y menos contaminante.

Con la tecnología existente en la actualidad resulta fac-tible la construcción de vehículos híbridos que no pier-dan prestaciones respecto de los vehículos actuales en elmercado. Todo esto puede ser logrado sin apenas in-cremento en el precio de venta de los vehículos.

En las ciudades debido al tipo de tráfico con paradasfrecuentes el empleo de coches y autobuses con estastecnologías hacen que sean posibles reducciones delconsumo de hasta el 50% y una reducción de las emi-siones contaminantes incluso superior debido a la desa-parición de los picos de carga.

Por lo visto anteriormente quizás sea éste el tipo de

vehículo que sustituya en un futuro cercano a los tradi-cionales vehículos de motor alternativo actuales.

Pero también parece probable que en cuanto se solucio-nen todos los problemas de confort y prestaciones detecnologías más limpias como la puramente eléctrica olas pilas de hidrógeno, el coche híbrido se convierta enun paso intermedio hacia la desaparición de las emisio-nes contaminantes en los vehículos.

6. ReferenciasOrganizaciones:

http://www.ott.doe.gov/hev

http://www.hev.cornell.edu/link/index.htm

http://catf.bcresearch.com

http://cipres.cec.uchile.cl

Artículos:

http://www.coches.net/magazine

http://www.tuauto.com/hiberido.htm

http://www.quo.navegalia.com/quo/96oct/tecno/coches1.htm

Informativos:

Propuesta de motor híbrido en:

http://www.geoticies.com/CapeCanaveral/2542/rsp.html

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