COMPONENTES DE LOS VEHÍCULOS HÍBRIDOS

8/13/2019 COMPONENTES DE LOS VEHCULOS HBRIDOS

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1.1. COMPONENTES DE LOS VEHCULOS HBRIDOS1.1.1. MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA (M.C.I)1El motor de combustin interna (o motor de explosin) es un mecanismo destinado atransformar la energa calorfica en trabajo. Es decir es un tipo de mquina que obtiene

energa mecnica directamente de la energa qumica producida por un combustible quearde dentro de una cmara de combustin, convirtindose en la parte principal de un motor.

1.1.1.1. FUNCIONAMIENTOEl principio de funcionamiento del motor de combustin interna se basa en: un pistnsituado en un cilindro que se expande y contrae ejerciendo una fuerza. El lquidointroducido dentro del cilindro es un derivado del petrleo (gasolina) al que, acontinuacin, se prende fuego. Al estar sometido a presin, el combustible no ardenormalmente, sino que estalla. Esta explosin empuja el pistn hacia afuera, ejerciendo untrabajo. Posteriormente, entra nuevo combustible en el cilindro y se vuelve a comprimirpara empezar de nuevo el ciclo.

Los motores comerciales se fabrican con varios cilindros, ya que este sistema permiteobtener ms potencia y ofrece menos problemas que los que plantea un motor provisto deun nico cilindro de mayor tamao. En este dispositivo, la posicin de los cilindros secalcula para que, en un momento dado, cada uno se halle en un ciclo distinto, uno enadmisin, otro en compresin, otro en explosin y otro en escape. De este modo, se obtieneun funcionamiento ms estable, sin vibraciones, y en el que cada cilindro, al hacerexplosin, ayuda a los dems a moverse.

1.1.1.2. DISPOSICIN DE LOS CILINDROSLos cilindros de un motor pueden estar dispuestos de varias formas, siempre en relacincon su nmero y con las dimensiones del vehculo que deban impulsar. En el motor de losautomviles, se colocan generalmente en:

Lnea, si van todos paralelos;

Figura 1.14 Motor en LneaEn v, si la mitad se halla inclinada en un pequeo ngulo con respecto a la otra mitad;

1http://www.portalplanetasedna.com.ar/motor_explosion.htm


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Figura 1.15 Motor en V

En Bxer o contrapuestos, si unos se encuentran enfrentados a los otro

Figura 1.16 Motor Bxer

Los automviles normalmente tienen motores de combustin interna que rondan entre los60 y 180 CV de potencia mxima. Esta potencia se requiere en situaciones particulares,tales como aceleraciones a fondo, subida de grandes pendientes con gran carga del vehculoy a gran velocidad. El hecho de que la mayora del tiempo dicha potencia no sea requeridasupone un despilfarro de energa, puesto que sobredimensionar el motor paraposteriormente emplearlo a un porcentaje muy pequeo de su capacidad, sita el punto defuncionamiento en un lugar donde el rendimiento es bastante malo. Un vehculo medioconvencional, si se emplea mayoritariamente en ciudad o en recorridos largos yestacionarios a velocidad moderada, ni siquiera necesitar desarrollar 20 caballos.

El hecho de desarrollar una potencia muy inferior a la que el motor puede dar supone undespilfarro por dos motivos: por una parte se incurre en gastos de fabricacin del motorsuperiores a lo que requerira realmente, y por otra, el rendimiento de un motor que puedadar 100 caballos cuando da slo 20 es muy inferior al de otro motor de menor potenciamxima funcionando a plena potencia y dando esos mismos 20 caballos. Este segundofactor es el principal responsable de que el consumo urbano de un mismo vehculoequipado con un motor de gran potencia consuma, en recorridos urbanos, muchsimo msque uno del mismo peso equipado con un motor ms pequeo. En conclusin, el motor hade ser el idneo para el uso al que se destina.

Otro factor que penaliza el rendimiento brutalmente en recorridos urbanos es la forma dedetener el vehculo. sta detencin se realiza mediante un proceso tan ineficiente cmo esdisipar y destruir la energa en forma de movimiento, energa cintica, que lleva el vehculopara transformarla en calor liberado intilmente al ambiente


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Figura 1.17 Motor Vehculo Hibrido

Sin embargo, tampoco parece razonable limitar la potencia mxima de un motor en demasaen pro de conseguir excelentes consumos, puesto que en ciertas ocasiones es estrictamentenecesario disponer de potencia para determinados esfuerzos tan puntuales como inevitables,tales como adelantamientos y aceleraciones en pendiente. He aqu donde el sistema hbridotoma su mayor inters. Por una parte combina un pequeo motor trmico, suficiente para eluso en la inmensa mayora de las ocasiones, de buen rendimiento y por tanto bajo consumoy emisiones contaminantes, con un sistema elctrico capaz de realizar dos funciones vitales.

Por una parte desarrolla el suplemento extra de potencia necesario en contadas, peroinevitables, situaciones como las anteriormente citadas. Por otra, no supone en absolutoningn consumo extra de combustible. Al contrario, supone un ahorro, puesto que laenerga elctrica es obtenida a base de cargar las bateras en frenadas o retenciones delvehculo al descender pendientes, momentos en los que la energa cintica del vehculo sedestruira (transformara en calor irrecuperable para ser ms exactos) con frenostradicionales. Adems, no slo aporta potencia extra en momentos de gran demanda desta, sino que posibilita emplear solo la propulsin elctrica en arrancadas tras detencionesprolongadas (semforos por ejemplo) o aparcamientos y mantener el motor trmico paradoen stas situaciones en las que no es empleado, o se requiere de l una potencia mnima, sincomprometer la capacidad para retomar la marcha instantneamente. Esto es posible porquetiene la capacidad de arrancar en pocas dcimas de segundo el motor trmico en caso denecesidad.

Adems de la altsima eficiencia, la posibilidad de emplear los motores elctricos,exclusivamente, durante un tiempo permite evitar la produccin de humos en situacionesmolestas, como por ejemplo en garajes.


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vehculo cuenta con un sistema hidrulico de frenado que opera de forma paralela similar acualquier vehculo con sistema ABS, solo que en este caso en particular tambin incorporacontrol electrnico de la presin de frenado EBD

Para el arranque del motor de combustin interna existe varias estrategias que incorporan

los Moto Generadores, puesto que no se cuenta con un motor de arranque convencional, enestado detenido el arranque lo maneja el Moto Generador 1, y en movimiento del vehculose logra por una unin de los dos MG1 y MG2, todos los movimientos del vehculo sonposibles por la accin de un sistema de transmisin continua que incorpora un eficientesistema de Engranajes Planetarios que relaciona el movimiento del vehculo con el Motorde combustin interna los Moto Generadores MG1 y MG2.

Figura 1.19 Moto generadores

1.1.3. INVERSOREste componente es parte fundamental del vehculo Hibrido, incorpora una gran cantidadde elementos electrnicos y elctricos pero toda la gestin de funcionamiento es controladapor la unidad de control del sistema Hibrido ECU HV, esta ltima se encarga de controlaral inversor y generar cualquier tipo de diagnostico del mismo incluidos los DTC. El

inversor se encarga de transformar y administrar el flujo de electricidad entre la batera y elmotor elctrico. Adems posee un convertidor integrado que enva parte de la electricidaddel sistema a la batera auxiliar de 12 V.

El inversor se encarga de las siguientes funciones: Convierte los 201,6 V DC (corriente continua) que entrega la batera HV en 201,6 VAC trifsica (corriente alterna). Multiplica estos 201,6 V AC trifsica hasta un mximo de500 V AC trifsica. al motor y al generador elctricos del THSD


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Convierte los 201,6 V DC en 201,6 V AC para el compresor elctrico del aireacondicionado. Convierte los 201,6 V DC en 12V DC y 100 A. para recargar la batera de 12V,dada la ausencia de alternador y alimentar a los dems elemento elctricos del vehculo(luces, audio, ventiladores, etc.). Permitir el control de los Moto Generadores MG1 - MG2 con un circuitoconstituido en su interior, que toma la tensin de la batera de alto voltaje HV la cual seencuentra en 220 V DC aproximadamente y mediante un circuito de potencia genera unacorriente alterna en tres fases que permita el movimiento de los motores elctricos Permitir el movimiento del Moto Generador 1 MG1 en condicin de arranque parael motor de combustin interna, esto especialmente en el momento que se genere unconsumo de la batera de alta tensin HV.

Figura 1.20 InversorDadas las condiciones normales de operacin en el vehculo este elemento requiere evacuarcalor, para esto cuenta con un sistema independiente de refrigeracin por agua con unabomba elctrica adicional, todo esto para permitir que la electrnica cuente con la seguridadnecesaria para su ptimo desempeo.

Figura 1.21 Conductos de refrigeracin en el interior del Inversor

1.1.4. BATERA DE ALTA TENSINLa batera de alta tensin provee un voltaje de 220 V en las versiones ms modernas, yvoltajes mayores para versiones anteriores del Prius, y lgicamente estos valores cambiandependiendo del fabricante, este voltaje en el caso del Pruis proviene de un paquete de 14bateras en serie.


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Existen 28 bateras pequeas de de 7,89 V cada una y estn conectadas en serie de dos endos para formar 14 paquetes de bateras de 15,78V cada una y a su vez estn conectadastodos estos 14 paquetes en serie para generar un total de 220 Voltios.

Figura 1.22 Ubicacin Baterade Alta tensin

Este voltaje es entonces el que acontinuacin ser utilizado en los motores trifsicos que son el moto-generador MG1, elmoto-generador MG2 y el motor del aire acondicionado. Este voltaje requiere ser tambinrestablecido y monitoreado constantemente por la ECU de la batera, adicionalmente labatera debe mantenerse a temperatura que no ocasione problemas.

Figura 1.23 Batera de Alta tensinEl paquete completo de batera posee 3 o 4 sensores de temperatura (termistores) que llevaninformacin a la ECU de la Batera de la temperatura a la que se encuentra la batera (unsensor superior y dos inferiores). Adicionalmente las bateras poseen un sistema dedesfogue de vapores para evitar que los vapores de la batera salgan y formen depsitos en

las partes elctricas y electrnicas cercanas, y tambin un sistema de ventilacin que circulaalrededor de la batera completa envolvindola con aire y posibilitando su enfriamiento.Los 3 sensores de temperatura de la batera se encuentran en la parte inferior del conjuntode la batera HV. La resistencia del termistor, que est integrada en cada sensor detemperatura de la batera, vara de acuerdo con los cambios de temperatura del conjunto dela batera HV. Cuanto ms baja sea la temperatura de la batera, ms alta ser la resistenciadel termistor. A su vez, mientras ms alta sea la temperatura, ms baja ser la resistencia


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Figura 1.24 Cubierta Batera de Alta tensin

1.1.5. TRANSMISINEn el caso de Toyota que denomina a la transmisin utilizada en el Prius como Power

Split Device. Esta transmisin no tiene una caja de cambios convencional con distintosengranajes, ni una caja automtica de variador continuo con correa. Este vehculo disponede un "engranaje planetario" para transmitir el movimiento a las ruedas. No tener una cajade cambio normal aporta ventajas notables y especialmente necesarias en un coche comoste: menos peso, ms espacio y menos prdidas por rozamiento.

Figura 1.25 Esquema interno de la transmisin


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Dado que el motor funciona siempre casi a plena carga y con un margen de revoluciones nomuy amplio, haca falta algo para que (en esas condiciones) valiera igual para arrancar enmarcha lenta y para ir a gran velocidad. Ese algo es el engranaje planetario, que tiene treselementos: un planeta o engranaje central; unos satlites que giran alrededor de l; yuna corona con un dentado interior a la cual tambin estn engranados los satlites.

El engranaje planetario utilizado en esta transmisin une cada uno de sus componentes:

o Engranaje central o "planetario" est unido al generador elctrico.o El portasatlites est unido al motor trmico.o La corona esta unida al motor elctrico.

Figura 1.26 Engranaje Planetario

A uno de estos elementos est engranado el motor trmico, al otro un generador elctrico yel otro es solidario con las ruedas el coche. La clave del sistema es que el giro delgenerador elctrico puede ser mayor o menor, en funcin de la resistencia que oponga. Si espreciso un desarrollo corto, el generador elctrico opone una gran resistencia almovimiento. A consecuencia de ello roba fuerza al motor trmico y la enva al motorelctrico, que tambin impulsa a las ruedas. La fuerza que va a parar al motor es finalmente

la misma, si no entran en juego las bateras. Pero, mediante este mtodo, el engranajeepicicloidal tiene el desarrollo corto que hace falta (por ejemplo para arrancar) y largo paraalcanzar una velocidad alta, a igualdad de rgimen del motor.

A medida que el coche gana velocidad, el generador elctrico opone menos resistencia y sugiro aumenta. A causa de ello, el desarrollo se hace ms largo. Si las bateras no intervienenen la aceleracin, toda la fuerza de la que dispone el coche parte del motor trmico. Pero


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puede llegar a las ruedas bien a travs del motor elctrico, alimentado por el generador, obien directamente a travs del motor trmico, si el generador no acta

La corona del engranaje planetario est solidariamente unida a las ruedas delanteras delcoche, a travs de un diferencial con grupo 4,113 a 1. Esa relacin de 4,113 a 1 da un

desarrollo de 27,6 km/h cada 1.000 r.p.m. del motor elctrico. Si el coche puede salir desdeparado con una marcha tan larga, es porque hasta unos 25 km/h el par que puedegenerar el sistema de propulsin es unos 480 Nm. Como en cualquier otro coche, latransmisin multiplica ese par (en este caso por 4,113).

Figura 1.27 Componentes del sistema de transmisin

Por razones de espacio, la transmisin de par entre la corona y el diferencial se hacemediante una cadena de transmisin y dos pares de engranajes (figura inferior).

Figura 1.28 Pares de engranajes

Siempre que el coche esta en movimiento, la corona del engranaje planetario tambin semueve. La fuerza para moverse proviene del motor elctrico directamente o del empuje quele da el motor trmico. Cuanto ms lenta es la velocidad del coche, tanto mayor fuerzaproviene del motor elctrico. Cerca de la velocidad mxima, toda la fuerza proviene delmotor trmico.


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Estos son algunos ejemplos del funcionamiento del sistema:

* El coche se mueve slo con la energa de la batera. Un rgimen del motor elctricodistinto de cero indica que el coche est en marcha. El motor trmico est parado y el

generador funciona en sentido inverso, sin producir corriente.* El coche est parado y el motor trmico est recargando la batera. Si el coche est paradoy la batera llega al lmite tolerado de descarga, el motor trmico se pone en marcha. Elgenerador ofrece par resistente y por eso genera una energa que se destina a recargar labatera.* El coche est avanzado a velocidad constante. En este caso, el coche se est desplazandoporque el portasatlites (motor trmico) empuja a la corona (motor elctrico) mientras elque planeta est detenido (generador). En estas condiciones la propulsin es enteramentemecnica, aunque se realice (tambin mecnicamente) a travs del motor elctrico.* El coche acelera fuertemente. Cuando el coche est en marcha y el conductor pisa elacelerador, el generador se pone en marcha. En ese caso, la fuerza con que el motorelctrico impulsa a las ruedas procede de tres fuentes simultneamente: una, el motortrmico mueve al generador que a su vez alimenta al motor elctrico. Dos, el motor trmicoimpulsa mecnicamente al motor elctrico. Tres, la batera suministra electricidad al motorelctrico.

Hay otras condiciones de funcionamiento posibles, pero en cualquiera de ellas el principiode funcionamiento es el mismo. La energa que suministra el generador no depende slo desu giro. El sistema puede variar o eliminar completamente el par resistente del generadorpara adecuar la energa que genera a cada condicin de funcionamiento.Esta transmisin no dispone de marcha atrs, de esta funcin se encarga el motor elctricoque puede girar en ambos sentidos, por lo tanto la marcha atrs se har siempre con elmotor elctrico, para esta funcin no se utiliza el motor trmico.

Figura 1.29 Conjunto de la transmisin


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1.1.6. FRENO REGENERATIVOEl sistema de frenado regenerativo funciona cuando queremos disminuir la velocidad delvehculo, utilizando el motor trmico como freno o bien pisando el pedal de freno. En estasituacin el motor elctrico funciona como un generador, convirtiendo la energa cinticadel vehculo en energa elctrica, la cual se usa para cargar las bateras.

Este sistema es particularmente efectivo en recobrar energa cuando se circula por ciudad,donde se producen aceleraciones y deceleraciones frecuentes. Cuando se pisa el pedal defreno, el sistema controla la coordinacin entre el freno hidrulico del ECB (ElectronicControl Braking) y el freno regenerativo y preferentemente usa el freno regenerativo, porconsiguiente recobrando energa aun en las velocidades inferiores del vehculo.

Con este sistema se consigue una regeneracin de energa muy eficiente. En la grficainferior se ve como se ha mejorado el sistema de frenado regenerativo en el THS II conrespecto a la versin inicial (THS).

Figura 1.30 Graficas comparativas del Frenado Regenerativo

Las perdidas por rozamiento en la transmisin son mnimas ya que el movimiento de lasruedas se transmite a travs del diferencial y los engranajes intermedios al motor elctricoque se convierte en este caso en generador.

El sistema de frenado regenerativo consigue recuperar un 65% de la energa elctrica quecarga las bateras.


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Figura 1.31 Grafica del frenado regenerativo y el frenado hidraulico

Figura 1.32 Esquema del freno regenerativo

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