8 AUTOMÓVILES HÍBRIDOS

1. 8 AUTOMÓVILES HÍBRIDOS 8.1. INTRODUCCIÓN 8.2. GENERALIDADES 8.3. DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMNTOS PRINCIPALES 8.4. FUNCIONAMIENTO Y TIPOS 8.5. DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES PRINCIPALES

2. 8. AUTOMÓVILES HÍBRIDOS 8.1 INTRODUCCIÓN Un vehículo híbrido posee tanto motor eléctrico, como térmico. Al utilizar el motor térmico para recargar las baterías, se necesitan menor número de estas por lo que el peso total del vehículo es menor ya que el motor térmico suele ser pequeño. El principal inconveniente que tienen es la mayor contaminación y mas pérdidas de energía además de requerir mas mantenimiento. Frente a los vehículos tradicionales tienen la ventaja de contaminar menos, incluso no contaminar en ciudad usando sólo el motor eléctrico y de consumir menos ya que el motor térmico es más pequeño y se puede hacer funcionar a velocidad prácticamente constante y en zonas de alto rendimiento, usando el eléctrico para las aceleraciones bruscas además de poder usar frenado regenerativo. Tienen la desventaja de ser más caros. Tanto la velocidad máxima, como la autonomía son parecidas a los puramente térmicos y el peso puede ser también parecido si se usan carrocerías ligeras de aluminio, fibra de carbono o fibra de vidrio.

3. 8.2 GENERALIDADES El vehículo híbrido es aquel que tiene su planta motriz compuesta por motores de distinto tipo, normalmente eléctricos y de gasolina. Hay dos tipos de híbridos. Los llamados "paralelos" funcionan con una doble propulsión térmica y eléctrica; el motor térmico asegura la velocidad máxima, buena aceleración y un radio de acción amplio; el eléctrico se utiliza en ciudad. Casi todos los fabricantes (Volvo, Renault, Peugeot, Chrysler, Ford, etc.) están trabajando en vehículos eléctricos e híbridos, aunque algunos utilizan como segundo combustible gas natural o GLP en vez de gasolina o gasoil. El segundo tipo, "de serie", incorpora un alternador impulsado por un pequeño motor térmico, que se utiliza para recargar las baterías y para obtener algo más de empuje en cuestas y adelantamientos; no obstante, este motor térmico funciona a régimen constante, lo que evita golpes de acelerador, responsables de la contaminación.

4. 8.3 DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS PRINCIPALES - Batería: sería el depósito. El problema es su peso; para 100 Km de autonomía, el peso está entre 200 y 300 Kilos. Hay dos tipos: frías (funcionan a temperatura ambiente) y calientes (funcionan a 300 grados y necesitan un circuito de refrigeración de aceite). - Cargador: transforma la corriente alterna de 220 voltios obtenida en las tomas en corriente continua a la tensión determinada. - Motor: actualmente se utilizan motores de corriente continua. Se investigan, por razones de ligereza, robustez y rendimiento, motores de alterna trifásica, cuyo funcionamiento sería parecido a un motor de 3 cilindros. - Variador: Toma energía de la batería y la inyecta en el motor en función de la posición del acelerador. Es decir, que transforma corriente continua procedente de la batería en alterna variable. Sería comparable con la bomba de inyección de un motor de explosión.

5. Los motores eléctricos giran en ambos sentidos, por eso no se suele instalar embrague ni marcha atrás mecánica. Además funciona a una temperatura relativamente baja (50 a 100 grados centígrados); no obstante, necesita ser enfriado bien mediante un ventilador de aire o un circuito de agua. - Reductor: sería la caja de cambios. La potencia en estos motores se desarrolla en toda la gama de funcionamiento, desde bajas a altas velocidades. Esto permite una "caja de cambios" muy simple. Sólo suele tener una marcha, sin embrague (ya que arranca sólo y no tiene ralentí) ni marcha atrás. - Convertidor: Es una batería muy pequeña que alimenta, a una tensión baja y poco peligrosa (12 V.), luces, limpiaparabrisas, etc., mediante un convertidor electrónico a transistores. - Bomba de vacío: proporciona la depresión necesaria para el sistema de frenos, que no puede ser obtenida del motor principal. - Supervisor o control: es el elemento encargado de coordinar todos los calculadores electrónicos del variador, cargador, batería, cuadro de instrumentación, etc. En un vehículo híbrido la situación se complica, ya que además de todos los elementos de un vehículo convencional hay que añadir los anteriores para que funcione correctamente la planta motriz eléctrica.

6. 8.4 FUNCIONAMIENTO Y TIPOS 8.4.1 HÍBRIDO SERIE En la configuración serie el motor térmico se usa solamente para alimentar al motor eléctrico y recargar las baterías, no interviene en la tracción. El motor térmico impulsa un generador eléctrico, normalmente un alterador trifásico, que recarga las baterías, una vez rectificada la corriente, y alimenta al motor o motores eléctricos y estos son los que impulsan al vehículo.

7. Sólo admite dos modos de funcionamiento: sólo eléctrico y eléctrico con recarga de las baterías por parte del motor térmico. La ventaja que tiene esta configuración es que el motor térmico al no usarse en la tracción se puede hacer funcionar a velocidad constante en su régimen de mayor rendimiento. Otra ventaja es que necesitan un sistema de control más sencillo. Los inconvenientes que tiene es que toda la energía producida por el motor térmico tiene que atravesar el generador sufriendo muchas pérdidas, debido al cambio de energía mecánica a eléctrica, y toda la energía para la tracción tiene que pasar por el motor eléctrico. Otro inconveniente es que tanto el motor térmico como el eléctrico tienen que estar dimensionados para una conducción por carretera y sus tamaños pueden ser excesivos.

8. 8.4.2 HÍBRIDO PARALELO La configuración paralelo es la más utilizada. En esta configuración tanto el motor térmico como el eléctrico están conectados a la transmisión pudiendo funcionar cada uno en solitario o los dos a la vez. 8.4.2.1 Tipos Dentro de los paralelos hay principalmente dos tipos: usando un generador independiente para cargar las baterías, o usar el mismo motor como generador. • Con generador independiente. Su inconveniente es que tiene mas componentes, el alternador, el conversor AC-DC y la transmisión ente el motor térmico y el generador por lo que será más pesado y caro. Sin embargo tiene la ventaja que el generador al estar diseñado para funcionar sólo como generador será más eficiente que el motor funcionando como generador. • Usando el motor eléctrico como generador. Se disminuye el número de componentes, pero puede disminuir el rendimiento.

9. Híbrido paralelo con generador independiente.

10. Híbrido paralelo usando el motor eléctrico como generador.

11. 8.4.2.2 Modos de funcionamiento · Sólo eléctrico. Hasta velocidades normalmente de 40 km/h solo funciona el motor eléctrico consumiendo la energía de las baterías, sin que estas sean recargadas por el motor térmico. Este es el funcionamiento normal en ciudad. También es el funcionamiento marcha atrás, ya que durante la marcha atrás se limita la velocidad a velocidades bajas.

12. • Sólo térmico. A velocidad mayor de 40 km/h sólo funciona el motor térmico Este es el funcionamiento normal en carretera.

13. • Térmico más carga de baterías. Si estando funcionando en modo sólo térmico sobra energía del motor, esta es usada en cargar las baterías.

14. • Térmico más eléctrico. Estando en funcionamiento térmico si se necesita mas potencia, por ejemplo para acelerar, entra en funcionamiento el motor eléctrico en paralelo con el térmico consiguiendo así una mayor potencia.

15. • Frenado regenerativo. Al frenar o decelerar, el motor eléctrico funciona como generador y recarga las baterías. Al apagar el motor térmico, ahorra combustible

16. • Parado y cargando. Cuando el vehículo esta parado para recargar las baterías se pone en funcionamiento el motor térmico desacoplado de la transmisión.

17. 8.5 DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES PRINCIPALES El esquema completo de funcionamiento de un vehículo serie es el de la figura a, y el del híbrido paralelo con generador independiente es el que se muestra en la figura b. En los dos tipos las partes de que están compuestos son prácticamente las mismas, lo único que cambia es la conexión de algunas de estas partes. Figura a. MT = Motor térmico; A = Alternador; B = Batería; C = Conversor; ME = Motor eléctrico; T = Transmisión.

18. Figura b. Esquema de funcionamiento de un híbrido paralelo. MT = Motor térmico; A = Alternador; B = Batería; C = Conversor; ME = Motor eléctrico; T = Transmisión.

19. 8.5.1 MOTOR TÉRMICO El motor térmico es el encargado de impulsar al generador eléctrico. Puede ser cualquier tipo de motor térmico que consuma cualquier tipo de combustible, no tiene porque ser un motor de gasolina o diesel. Actualmente los mas utilizados son los de gasolina, diesel y de turbina de gas. Los motores de gasolina y diesel son prácticamente iguales a los usados en los vehículos tradicionales aunque se suelen usar de menor tamaño y menor potencia debido a la doble motorizaron. En los híbridos en paralelo se dimensionan para el funcionamiento normal en carretera pero no para grandes aceleraciones ya que en este caso el motor eléctrico también actúa. El motor térmico tiene que tener un dispositivo de aceleración como una válvula mariposa o un sistema de inyección que se pueda controlar electrónicamente. El motor de turbina de gas que se emplea, sigue siendo un motor sencillo debido a que sólo gira en vez de tener un movimiento alternativo como los motores de gasolina. Funciona con pocas vibraciones y produce un buen par motor por lo que puede utilizar transmisiones simplificadas. Permiten concentrar en un sólo eje potencias elevadas en un reducido tamaño.

20. Los motores térmicos suelen necesitar un motor de arranque por lo que pueden usar el motor eléctrico de tracción como motor de arranque o utilizar un motor de arranque independiente alimentado por la batería auxiliar. Esquema de funcionamiento de motor térmico.

21. 8.5.2 MOTOR ELÉCTRICO El vehículo puede usar un sólo motor eléctrico, dos (uno en cada una de las ruedas de un eje) o cuatro (uno en cada rueda). Se pueden usar motores de corriente continua o de corriente alterna. 8.5.2.1 Corriente continua. Tienen la ventaja de ser mas fáciles de controlar que los de alterna ya que solo hay que controlar la amplitud. Motor de corriente continua con excitación serie.

22. Los paralelo (shunt) dan pares de arranque menores pero más estables. Los de excitación independiente son los mejores aunque también son más complicados de controlar debido a que no solo hay que controlar la tensión aplicada al inducido, sino también al inductor (excitación). Con este doble control se puede obtener cualquier curva par-velocidad. Motor de corriente continua Motor de corriente continua con excitación en paralelo. con excitación independiente.

23. 8.5.2.2 Corriente alterna. Son más difíciles de controlar que los de continua ya que hay que controlar la frecuencia de la tensión de alimentación y la amplitud de esta tensión. Pueden ser síncronos o de inducción. Los síncronos giran a velocidad constante, independiente de la carga (velocidad de sincronismo), esta velocidad viene fijada por la frecuencia de la tensión de alimentación. El mayor problema que tienen es que no pueden arrancar por si mismos ya que sólo pueden girar a la velocidad de sincronismo. Los de inducción pueden ser de Jaula de ardilla o de anillos rozantes. El de jaula de ardilla es el motor mas robusto de todos ya que no necesita escobillas.

24. 8.5.3 GENERADOR Como generador se puede usar cualquier sistema que transforme la energía mecánica proveniente del motor térmico en energía eléctrica. Se puede usar un generador de corriente continua (dínamo) o uno de alterna. Lo más normal es usar un generador de alterna ya que aunque con el de continua no habría que rectificar la corriente los de alterna son más robustos. Dentro de los de corriente alterna lo más común es usar un generador síncrono, llamado normalmente alternador. También se pueden usar alternadores de imanes permanentes con lo que necesita escobillas pero no se puede controlar la excitación.

25. 8.5.4 CONVERSORES Hacen falta dos conversores, uno para convertir la electricidad alterna proveniente del alternador en corriente continua que pueda cargar la batería y otro que adapte la salida de las baterías al motor eléctrico. Existirá otro para controlar el campo de excitación del alternador y si el motor que se usa es de comente continua con excitación independiente también necesitará controlar su campo de excitación. 8.5.4.1 Generador - Baterías. El generador es siempre un alternador por lo que este conversor tendrá que ser un rectificador. La energía sólo tiene que fluir del generador a las baterías por lo que no hace falta que sea bidireccional. Debido a que la tensión de salida del alternador dependerá de la velocidad de este, tiene que ser capaz de dar una tensión de salida constante (la de las baterías). 8.5.4.2 Baterías - motor. Este conversor dependerá del tipo de motor que se utilice. Si se utiliza un motor de inducción trifásico este conversor será un inversor que convierta la tensión continua de las baterías en alterna trifásica que alimente al motor. Tendrá que poder variarse tanto la amplitud como la frecuencia para poder controlar velocidad y par.

26. Zonas de trabajo del conversor baterías-motor.

27. 8.5.5 BATERÍAS Debido a la recarga de las baterías por parte del motor térmico, necesita menos baterías que un vehículo solamente eléctrico, sin embargo las baterías utilizadas son del mismo tipo. 8.5.5.1 Plomo-ácido Eran las más utilizadas hasta hace poco. Es bastante eficiente y relativamente barata pero tienen el problema de ser muy pesadas y voluminosas, tienen poca densidad energética, unos 30 Wh/kg y se recargan ente 600 y 900 veces. 8.5.5.2 Níquel-cadmio Estas baterías se están imponiendo actualmente debido a su menor peso y tamaño que las de plomo-ácido. Su densidad energética es mas del doble que en las de plomo-ácido. Además tienen un tiempo de vida alto (se pueden recargar mas de 2000 veces) y altos niveles de potencia por lo que son muy buenas para los vehículos híbridos. El mayor problema es el precio. 8.5.5.3 Otras baterías. Actualmente también se están probando las baterías de níquel-metal-hidruro (Ni-MH) y se están investigando otras formas de almacenar energía que nos son exactamente baterías, como las células de combustible o la pila electrolítica que funciona con hidrógeno, produciendo electricidad.

28. 8.5.6 TRANSMISIÓN La transmisión lleva el movimiento desde los motores hasta las ruedas y desde el motor térmico al generador. El sistema depende de cada vehículo. En los vehículos serie sólo el motor o los motores eléctricos tienen que transmitir el movimiento a las ruedas. Si se usa un solo motor eléctrico hace falta diferencial para compensar la diferencia de velocidad lineal de las ruedas en las curvas, pero si se usan dos motores o incluso cuatro, uno en cada rueda, no hace falta diferencial con lo que se simplifica la parte mecánica pero se complica el control. No hace falta caja de cambios ya que se puede controlar totalmente la velocidad del motor, pero si se suelen usar reductores fijos para adaptar las revoluciones y par del motor al eje motriz.

29. Transmisión en vehículo serie. D = Diferencial; G = Generador; ME = Motor eléctrico; MT = Motor térmico.

30. En los paralelos la transmisión es más complicada ya que tanto el motor térmico, como el eléctrico tienen que transmitir el movimiento a las ruedas. Se pueden conectar directamente al mismo eje el motor eléctrico y el térmico a través de las reducciones fijas y este eje se conecta al eje motriz a través de un diferencial. Transmisión en vehículo paralelo. D = Diferencial; G = Generador; E = embrague; ME = Motor eléctrico; MT = Motor térmico.

31. Otra posibilidad en los paralelos es usar el motor térmico en la tracción de un eje (el delantero por ejemplo) y el motor eléctrico en el otro, con lo que la conexión entre ambos motores la realiza la carretera. Transmisión en vehículo paralelo en doble eje. D = Diferencial; G = Generador; ME = Motor eléctrico; MT = Motor térmico.

32. 8.5.7 CONTROL El sistema de control de un vehículo híbrido es muy importante ya que se encarga de controlar tanto la parte eléctrica, como la térmica de forma que para el conductor no tiene que preocuparse de si está funcionando el motor eléctrico o el térmico, el control decidirá en función de la velocidad el modo de funcionamiento conectando o desconectando los motores eléctrico y térmico y el generador. Además el sistema de control tiene que vigilar que no se produzcan sobreintensidades o sobretensiones que puedan dañar los componentes.

33. 8.5.7.1 Motores Como todo sistema de control necesitará unas referencias que serán el estado deseado de las distintas variables, principalmente la velocidad y el par. Estas referencias provienen de los mandos del vehículo que serán el acelerador, el freno y la palanca de cambios que solo necesita tres posiciones: marcha adelante, marcha atrás y punto muerto. Con el freno se controla tanto los frenos mecánicos, como el eléctrico regenerativo. El control decide que tipo de freno aplicar en cada circunstancia. Con el acelerador se controla la velocidad deseada y por lo tanto el par necesario para pasar de la velocidad actual a la deseada. La palanca de cambios sólo conmuta entre marcha adelante y marcha atrás. En marcha atrás sólo funciona el motor eléctrico por lo que si el motor es de corriente continua basta con invertir las polaridades y si es un motor de inducción basta con intercambiar dos fases invirtiendo el orden de disparo de los transistores.

34. Esquema simplificado de funcionamiento del control. CTRL = Controles; CM = Comparador; R = Regulador; C = Conversor; ME = Motor eléctrico; MT = Motor térmico

35. 8.5.7.2 Generador y baterías. Hay que controlar que la tensión de salida del alternador para que sea la adecuada para la carga de las baterías. Esto se puede hacer variando la tensión de excitación del alternador o mediante el conversor AC-DC, abriendo o cerrando adecuadamente el transistor. También hay que controlar la intensidad que entra en las baterías, para que sea la adecuada para la carga. La carga de las baterías se realizara si el motor térmico no necesita toda su potencia para la tracción y éstas están descargadas por debajo de un cierto nivel.

36. 8.5.8 EQUIPOS AUXILIARES 8.5.8.1 Alimentación Además de alimentar al motor, habrá que suministrar energía a distintos componentes tales como las luces, motor de arranque si lo tiene, equipos electrónicos, etc. Esta energía pueden suministrarlas las mismas baterías de tracción a través de un conversor DC-DC para reducir la tensión al nivel adecuado para estos equipos, o usar una batería auxiliar como las de los automóviles tradicionales. 8.5.8.2 Refrigeración. Hay que refrigerar tanto el motor térmico como el eléctrico y el generador ya que están sometidos a altas intensidades que producirán mucho calor que los puede dañar. El motor térmico se refrigera del mismo modo que los tradicionales mediante agua, mientras que el eléctrico se puede refrigerar por liquido o por aire. También hay que refrigerar las baterías por la misma razón, se suelen refrigerar con agua o con algún otro líquido como disoluciones de agua con glicol. También hay que refrigerar los equipos electrónicos dotándolos de radiadores térmicos mediante ventiladores, aunque el movimiento del aire debido al movimiento del vehículo puede ser suficiente.