VEHÍCULOS HÍBRIDOS Y ELÉCTRICOS

INTRODUCCIÓN

• La definición de un vehículo híbrido según la Society American Engineers (SAE) es “aquel vehículo con dos o más sistemas de almacenamiento de energía los cuales deben proporcionar potencia al sistema propulsor bien juntos o de modo independiente”.

• En la práctica, los VEH típicamente requieren de ambas fuentes para proporcionar total capacidad de prestaciones al vehículo. De las dos fuentes de propulsión el motor de combustión interna (MCIA) es el de mayor potencia siendo su funcionamiento continuo prácticamente, mientras que el motor eléctrico (ME) se dimensiona para la máxima cantidad de energía que puede recuperar durante la frenada y aquellas condiciones de movimiento a baja velocidad y apoyo en par en situaciones de alta potencia.

INTRODUCCIÓN

• GRAN POTENCIAL – LOS VEH HAN DEMOSTRADO UN SIGNIFICATIVO

POTENCIAL PARA REDUCIR LAS EMISIONES CONTAMINANTES Y EL CONSUMO

– LOS AVANCES EN LAS BATERÍAS Y EN LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA HAN PERMITIDO SU COMERCIALIZACIÓN

– COMPORTAMIENTO SIMILAR A LOS VEHÍCULOS CONVENCIONALES

• BARRERAS – LA ELEVADA COMPLEJIDAD IMPLICA ALTOS COSTES

– LA MEJORA EN EL RENDIMIENTO DEPENDERÁ DEL: • TIPO DE CICLO

• TIPO DE HÍBRIDO

• TIPO DE APLICACIÓN

INTRODUCCIÓN

• LOS PRINCIPALES ELEMENTOS QUE COMPONEN EL SISTEMA DE PROPULSIÓN DE LOS VEH SON LOS SIGUIENTES: – Baterías (como sistema de almacenamiento)

– Motor térmico (como elemento que aporta de energía)

– Motor / Generador eléctrico

– Transmisión

Configuración de un VEH en serie.

Generador y

Convertidor

BATERÍA

Motor y

Convertidor

Tran

smisió

n

DIF

MOTOR TÉRMICO

Las flechas en negro corresponden a conexiones mecánicas

FUNCIONAMIENTO ÓPTIMO DEL MCI TRANSMISIÓN MECÁNICA MÁS SIMPLE INSTALACIÓN SEPARADA DE AMBOS MOTORES

Configuración de un VEH en paralelo.

Las flechas en negro corresponden a conexiones mecánicas

BATERÍA

MOTOR ELÉCTRICO

Y

CONVERTIDOR

Tran

smisió

n

DIF

EMBRAGUES

MENORES REQUERIMIENTOS DE POTENCIA PARA AMBOS MOTORES. MAYOR COMPLEJIDAD DEL CONTROL Y ACOPLAMIENTOS MECÁNICOS.

Configuración de un VEH

• STRIGEAR

Generador

BATERÍA

Motor

Trans

misión

DIF Transmisión

Configuración de un VEH

• POWER SPLIT

Generador

BATERÍAS

Motor

Tra

nsm

isió

n

DIF

Componentes principales del sistema

de propulsión del Toyota Prius de tercera generación.(Fuente: TOYOTA)

ESTUDIO COMPARATIVO

COMPONENTES SERIE PARALELO STRIGEAR POWER SPLIT

MCI 1 1 1 1

MÁQ. ELÉCT. 2 1 2 2

BATERÍA 1 1 1 1

CAJA CAMB. 1 1 2 1

ELECT. POT. 2 1 2 2

EMBRAGUE - - (2) 1 -

PLANETARIO - - - 1

TOTAL 7 5 (7) 9 8

ESTUDIO COMPARATIVO CONFIGURACIÓN ASPECTOS POSITIVOS ASPECTOS NEGATIVOS

SERIE El punto de operación del MCI

se puede seleccionar

libremente.

Posible desconexión del MCI.

El MCI se puede montar en

cualquier sitio.

Muchas conversiones

energéticas: bajo rendimiento.

Diseño del motor eléctrico para

absorber la máxima potencia.

PARALELO Conexión directa del MCI a

las ruedas.

El punto de operación del MCI

se puede seleccionar

libremente debido al motor

eléctrico y caja de cambios.

El MCI y el motor eléctrico

deben motarse juntos.

STRIGEAR Ofrece la solución más

eficiente respecto a las

pérdidas.

Reduce el número de

transformaciones de potencia

El tamaño de los componentes

es fijo tanto si trabaja en serie

como en paralelo.

Elevado número de

componentes.

Retraso en los cambios de

modo de operación

POWER SPLIT Posible desconexión del MCI.

Posible elección del régimen

de giro del MCI ajustando el

régimen de giro del generador.

Posibilidad de incurrir en un

círculo vicioso de potencia:

bajo rendimiento.

HIBRIDACIÓN

• Orden de hibridación: es igual al número de diferentes sistemas que se necesitan para construir un determinado tren de potencia

• Grado de hibridación eléctrica (GHE

total

.eléct

N

NGHE

HIBRIDACIÓN

Grado de hibridación térmica (GHT):

Ratio de hibridación (RH): es un indicativo

de la contribución de cada fuente de

potencia en la configuración global

total

MCI

N

NGHT

MCI

.eléctMCIMCI.eléct

N

NRHNNSi

.eléct

MCI.eléct.eléctMCI

N

NRHNNSi

Principales ventajas e inconvenientes de los vehículos híbridos.

VENTAJAS INCONVENIENTES

Recuperación de parte de la energía durante las deceleraciones (frenado regenerativo)

Mayor peso que un vehículo convencional debido, fundamentalmente, al peso añadido por el motor eléctrico y las baterías

Menor consumo y emisiones de CO2

Más complejo, más posibilidad de averías

El motor térmico tiene una potencia más ajustada al uso habitual.

Mayor coste en comparación con los vehículos convencionales

Esquema de una configuración de VEHÍCULO ELÉCTRICO.

α SISTEMA PROPULSIVO

BATERÍA

Convertidor

Potencia

Motor

Eléctrico

Tra

nsm

isió

n

FUENTE

CARGA

Tracción

Freno regenerativo

Controlador

Electrónico

Inverter

UTILIZA EXCLUSIVAMENTE ENERGÍA ELÉCTRICA

FUENTE EXTERNA DE ENERGÍA

ALMACENAMIENTO EN BATERÍAS

(ELECTROQUÍMICA)

Ventajas y requerimientos para el futuro de los VE.

Ventajas de los VE Requerimientos de los VE para su penetración en el

mercado CO2 neutro utilizando energía renovable

Aseguramiento de un nivel autonomía adecuado

Alto rendimiento del sistema propulsor

Seguridad en el sistema de almacenamiento de energía eléctrica

Bajo coste de operación Amplia disponibilidad de puntos de carga

Funcionamiento silencioso Tiempos de carga aceptables Posibilidad de utilización de la red eléctrica existente

Disponibilidad de energías renovables para el suministro a vehículos

Emisiones cero en el punto de uso

Reducción del coste inicial de las baterías y otros componentes.

Vehículos Eléctricos Enchufables VEHE (Plug-in)

Transición descarga-sostenimiento de carga en un PHEV

BATERÍAS: componentes • Electrodo positivo: Es un óxido o algún otro

componente que sea capaz de reducirse durante el proceso de descarga. Este electrodo consume electrones de circuito externo durante la descarga. Ejemplo de electrodos positivos son el óxido de plomo (PbO2) y el oxihidróxido de níquel (NiOOH). Los materiales del electrodo están en estado sólido.

• Electrodo negativo: Es un metal o una aleación que sea capaz de oxidarse durante el proceso de descarga. Estos electrodos generan electrones en el circuito externo durante la descarga. Ejemplos de electrodos negativos son el plomo (Pb) y el cadmio (Cd). Los materiales del electrodo también están en estado sólido.

BATERÍAS: componentes

• Electrolito: Es un medio que permite la conducción iónica entre el electrodo positivo y negativo de una celda. El electrolito debe tener una alta y selectiva conductividad para los iones que toman parte en la reacciones de los electrodos, pero debe ser aislante para los electrones para evitar la autodescarga. El electrolito puede ser líquido, gel o sólido, y ácido o alcalino, en función del tipo de batería. En las baterías de plomo-ácido el electrolito es una solución acuosa de ácido sulfúrico (SO4H2). Baterías más avanzadas como las plomo-ácido selladas, níquel-metal hidruro y litio-ión, utilizan un electrolito tipo gel, pasta o resina. En las baterías de litio-polímero, el electrolito es sólido.

BATERÍAS

– Plomo-Ácido (Pb-ácido)

– Níquel-Cadmio (Ni-Cd)

– Níquel-Metal Hidruro (Ni-MeH)

– Litio-Ión (Li-ión)

– Litio-Polímero (Li-pol)

– Sodio-Azufre (Na-S)

– Zinc-Aire (Zn-aire)

Pb-ácido

Su historia data de mediados del siglo XIX y actualmente es la tecnología más madura. La primera batería de Pb-ácido se fabricó en 1859. A comienzos de los 80 más de 100 millones de baterías se fabricaban por año.

En la operación de descarga los electrones que provienen del electrodo

negativo (Pb), se consumen en el positivo (PbO2) , convirtiendo el óxido de

plomo en sulfato de plomo y el plomo en sulfato de plomo.

Pb-ácido

• VENTAJAS:

• Bajo coste.

• Tecnología madura.

• Alta capacidad de

potencia (adecuada

para VEH).

• INCONVENIENTES

• Baja densidad de

energía.

• Pobre comportamiento

en frío.

• Presencia de H2 en las

auto-descargas.

Ni-Cd El electrodo positivo es un óxihidróxido de Ni y el

negativo es cadmio. Tiene casi dos veces más

energía específica que las de Pb-ácido.

El Ni es más ligero que el Pb y con buenas propiedades

electroquímicas.

Ni-Cd

• VENTAJAS:

• Alta potencia

específica.

• Larga vida.

• Alta capacidad de

carga (40-80% en

18 min).

• Amplio rango de

temperatura.

• INCONVENIENTES

• Alto coste

• Baja tensión por

celda (1,3 V)

• Peligroso

ambientalmente.

Ni-MeH

El electrodo positivo es un óxihidróxido de Ni y el

negativo es un metal hidruro que absorbe hidrógeno.

Se suelen utilizar las siguientes formulaciones: AB5 y

AB2. Donde A es Ni y B son tierras raras, en el 1º

caso o Ti en el 2º caso.

La reacción en el electrodo positivo es similar a la del Cd, el óxihidróxido de Ni

se convierte en hidróxido de Ni, durante la descarga. En el electrodo negativo

el H2 se libera del metal formando agua y electrones.

Ni-MeH

• VENTAJAS:

• Alta potencia

específica.

• Alta densidad de

energía.

• Alta capacidad de

recarga.

• INCONVENIENTES

• Alto coste

• Baja tensión por celda (1,2 V)

• Reacción exotérmica durante la carga (necesidad de refrigeración).

Na-MeCl (ZEBRA)

El Na posee una baja masa atómica y presenta buenas cualidades

electroquímicas (2,71 V). El electrodo negativo es Na y el electrodo

positivo es Cloruro de Ni. El electrolito es cloruro de Al y Na para el

electrodo positivo y cerámica para el negativo.

La energía eléctrica de descarga se obtiene combinando Na con NiCl2

para dar Ni y NaCl:

Na-MeCl

• VENTAJAS:

• Alta tensión por

celda (2,5 V).

• Alta energía

específica

• INCONVENIENTES

• Alta temperatura de

operación (300 ºC)

• Caída de tensión

durante la descarga

(2,5 V a 1,6 V).

Li-ión

– En el electrodo negativo:

LixC6 ↔ 6 C + x Li+ + x e-

(→: descarga; ← : carga)

– En el electrodo positivo:

x Li+ + x e- + Li(1-x)CoO2 ↔ LiCoO2

(→: descarga; ← : carga)

Li

Li

Li

e-

e-

Li+

Li+

Li+

e-

e-

Li+

Li+

Li+

Electrolito

Li CoO2

+ -

RL

Ca r bono

El Li es el más ligero de todos los metales y presenta extraordinarias

cualidades electroquímicas (3,045 V). El electrodo negativo es Li intercalado

con carbono (LixC). El electrodo positivo puede ser algunos de los siguientes

óxidos de Li, con Co, con Mn y con Ni.

Reservas Litio

Li-ión

• VENTAJAS:

• Alta tensión por

celda (3,5 V, tres

veces mayor que

Ni-Cd y Ni-MeH).

• Alta energía

específica.

• INCONVENIENTES

• Alto coste.

• Alta actividad del

litio con la

temperatura.

Parámetros electroquímicos característicos de las tres químicas ión-litio comerciales y objetivos de USABC.

USABC. United States Advanced Battery Consortium (1991)

Objetivos económicos lejos de ser alcanzados (150 y 100

$/kWh)

Características técnicas de las diferentes baterías en uso y en desarrollo.

TIPO ENERGÍA

ESPECÍFICA

Wh/kg

POTENCIA

ESPECÍFICA

W/kg

RENDIMIENTO

%

CICLO DE

VIDA

COSTE

ESTIMADO

€/kWh

Pb-ácido 35-50 150-400 80 300-500 100-150

Ni-Cd 30-50 100-150 75 1.000-2.000 250-350

Ni-MeH 60-80 200-300 70 1.000-2.000 300-350

Al-aire 200-300 100 <50 No disponible No disponible

Zn-aire 100-220 30-80 60 No disponible 90-120

Na-S 150-240 230 85 1.000 200-350

Na-MeCl 90-120 130-160 80 1.000 250-350

Li-pol 150-200 350 No disponible 500 300

Li-ión 80-130 200-300 >95 1.000 300-600

Densidad de energía y de potencia para diferentes tipos de baterías.

Fuente: Johnson Control.

SAFT 2005 -2007

De entre las tecnologías de baterías, las de Li-ión son las que mejor

ventajas presentan cuando se quiere optimizar ambas densidad de

potencia y densidad de energía

REQUERIMIENTOS DE LA TRACCIÓN TERRESTRE

H

M

(V

)

M H

CONSUMO

n(r.p.m.) 1000 2000 3000 4000 5000 6000

10000

9000

8000

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000 0

1

2

3

4

F(N)

V(km/h.) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

MOTORES ELÉCTRICOS

• MOTORES DE CONTINUA SIN ESCOBILLAS

– MOTOR DE IMANES PERMANENTES

– MOTOR DE RELUCTANCIA CONMUTADA

• MOTORES DE ALTERNA

– MOTOR DE INDUCCIÓN – ASÍNCRONO

– MOTOR SÍNCRONO

Se pueden encontrar más de 20 motores eléctricos en un automóvil actual. La mayoría de estos motores son de corriente continua con escobillas y de imanes permanentes

Motor de imanes permanentes

Motor de reluctancia conmutada

MOTORES ELÉCTRICOS PARA VE Y VEH

MOTORES DE CC SIN ESCOBILLAS

-MUY ADAPTABLES A TRACCIÓN TERRESTRE

-ELIMINA INCONVENIENTES DE LAS ESCOBILLAS

-CONMUTACIÓNELECTRÓNICA

- NECESITAD DE POSICIONAMIENTO POR SENSORES Y SUS

INCONVENIENTES

Motor de inducción - asíncrono

VELOCIDAD ANGULAR (rd/s)

PAR

VELOCIDAD DE ROTACIÓN

DEL CAMPO MAGNÉTICO

MOTORES ELÉCTRICOS PARA VE Y VEH

MOTORES DE INDUCCIÓN

-MÁS DESARROLLADOS Y UTILIZADOS EN APLICACIONES

INDUSTRIALES

-BAJO COSTE

- ESCASO MANTENIMIENTO

-ROBUSTED

-

Motor síncrono

MOTOR SÍNCRONO IMANES PERMANENTES

MOTORES ELÉCTRICOS PARA VE Y VEH

MOTORES SINCRONOS DE IMANES

PERMANENTES

- MAYOR DENSIDAD DE POTENCIA

-RENDIMIENTO ELEVADO

-VELOCIDAD DE GIRO IGUAL A LA DEL CAMPO MAGNÉTICO

- MEJORAS CON MATERIALES MAGNÉTICOS CON

CARACTERÍSTICAS PERMANENTES

Rendimientos orientativos de diferentes componentes del sistema de propulsión de los vehículos para configuraciones

híbridas

Resumen de rendimientos considerando análisis “del pozo a la rueda” de tres grupos de vehículos.

VEHÍCULO

CONVENCIONAL

VEHÍCULO

HÍBRIDO

VEHÍCULO

ELÉCTRICO

ETAPA 1

Pozo al Tanque

0.80 0,80 0,37

ETAPA 2

Tanque a Rueda

0,16 0,24 0,80

1 2 0,13 0,19 0,30