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ESCUELA POLITECNICA NACIONALHBRIDOS

Ing. Andrs Zumrraga, M.Sc.

IntroduccinLa demanda global de energa ha superado la planificacin de abastecimiento gradual.

IntroduccinExiste una Creciente preocupacin por el calentamiento global debido al CO2 y dems gases de efecto invernadero.Posibles marcos regulatorios que excedan tanto la capacidad tcnica como la viabilidad comercial de generacin de energa.

IntroduccinIMPORTANCIA DEL DESARROLLO ESTRATEGIAS DE TRANSPORTACIN.Es necesario desarrollar nuevas estrategias de transportacin para reducir la dependencia de petrleo

AOSCONSUMO ANUAL GENERALIZADOCURVAS: a-b-c. Tendencia de consumo con vehculos actuales.a-d-e. Primeros 20 aos desarrollo de vehculos hbridos y luego todos hbridos.a-b-f-g. Primeros 20 aos desarrollo celda de carga y luego 20 ao introduccin. a-d-f-g. Primeros 20 aos introduccin hbridos y luego 20 aos de introduccin celdas de carga.4Proyeccin de Nuevas Tecnologas

Fundamentos de vehculos hbridosSe conoce como vehculo hibrido al automotor que opera con una combinacin de dos fuentes de energa, uno o varios motores elctricos y un motor de combustin interna.

La ventaja de los sistemas hbridos de propulsin sobre los sistemas tradicionales es la eficiencia en su operacin, ya que permiten recuperar parte de la energa cintica gracias a los frenos regenerativos.

Fundamentos de vehculos hbridosUn vehculo hbrido tiene como principal fuente de propulsin un motor de combustin interna y como auxiliar un motor elctrico. El motor elctrico opera cuando la demanda de energa o poder es reducida debido a la poca capacidad de almacenamiento de las bateras actuales.

Lead-AcidNiMHLi-IonGasolinaDiesel ( # 2)Biodiesel (B100)Etanol (E100)ButanoPropanoMetanolCNGE85Hbrido de TransporteLas opciones para el desarrollo de los tipos de sistemas de transporte se resumen en el grfico siguiente:

Ciclo de ManejoCiclo de CargaTrfico Continuo (Autopista)Carga PesadaCarga LivianaCamionetaDe trabajoAutomvil de TrabajoBus Hbrido a DieselCamin para carreteraAuto a gasolina, sin remolque, para autopista & SUV (Todo terreno)Auto de Ciudad(Hbrido a Gas)

GasHbridoConvencionalTrfico Intermitente(Ciudad)Tipos de sistemas hbridosLos sistemas hbridos se clasifican de la siguiente manera:

SISTEMA HBRIDO EN PARALELOEn el sistema hbrido en paralelo, el motor elctrico funciona en paralelo con el motor de combustin interna para movilizar el vehculo. Este tipo de sistema es eficiente en carretera ya que se puede tener una configuracin de motor de combustin interna conectado directamente a las ruedas generando poder.

Los tipos de sistemas hbridos en paralelo son: Tipo medio (Mild) Usa el motor elctrico como un apoyo al motor de combustin interna (MCI). Este tipo de sistemas no pueden operar solamente con el sistema elctrico, siempre tiene que estar activado el motor de combustin interna. Este tipo de sistema tambin es conocido como sistema de autoencendido (start-stop)Tipo Autoencendido BAS Utiliza un motor generador en lugar del alternador tradicional para apagar y encender el motor.Tipo Autoencendido FAS Utiliza un motor generador instalado entre el motor y la caja de cambios para apagar y encender el motor.

Tipos de sistemas hbridosLos sistemas hbridos se clasifican de acuerdo en los siguientes tipos:

SISTEMA HBRIDO EN SERIE

En este sistema, el motor elctrico es la nica fuente de poder para movilizar el vehculo, este motor recibe el poder desde las bateras del vehculo o desde un generador conectado a un motor de combustin interna pequeo. Se considera la configuracin mas simple ya qua la el motor de combustin interna funciona solamente como un generador de electricidad para cargar las bateras o entregar energa directamente el motor elctrico, el motor de combustin interna nunca esta contado al tren motriz Debido a que este sistema funciona principalmente con electricidad las bateras de este sistema son mas grandes que en el sistema en paralelo

Los tipos de sistema en serie son:

Tipo conectable (Plug-in) El motor de combustin interna sirve como un apoyo para recargar las bateras de los motores elctricos. El vehculo se mueve con el poder de los motores elctricos.

Tipos de sistemas hbridosLos sistemas hbridos se clasifican de acuerdo en los siguientes tipos:

SISTEMA HBRIDO EN SERIE

Tipos de sistemas hbridosLos sistemas hbridos se clasifican de acuerdo en los siguientes tipos:SISTEMA HBRIDO EN SERIE

Tipos de sistemas hbridosLos sistemas hbridos se clasifican de acuerdo en los siguientes tipos:

SISTEMA HBRIDO EN SERIE/PARALELO

Este tipo de sistema utiliza las dos tecnologas (serie y paralelo) en un mismo automvil. Cuando el vehculo se encuentra a baja velocidad funciona como un hbrido en serie utilizando solamente los motores elctricos para mover el vehculo. Cuando el vehculo llega a velocidad crucero o se encuentra en carretera se utiliza el motor de combustin interna para movilizar el vehculo y cargar las bateras. Este tipo de sistemas es costoso ya que se necesita equipos de control mas finos y bateras mas grandes para satisfacer las demandas de energa de todos los componentes.

Los tipos de sistemas en serie / paralelo son:

Tipo Total (Full) Este tipo de sistema puede operar independientemente con el motor elctrico o el de combustin o en conjunto ambos para mover al vehculo.

Tipos de sistemas hbridosLos sistemas hbridos se clasifican de acuerdo en los siguientes tipos:SISTEMA HBRIDO EN SERIE/PARALELO

Sistemas hbridos en Paralelo Autoencendido BASEl sistema Hbrido de autoencendido es el cual el motor se apaga durante la marcha mnima del motor o en desaceleracin.

Este tipo de sistema esta en desarrollo y es la opcin econmica para los sistemas hbridos mas complejos.

La ventaja de este tipo de sistema es el bajo precio de transformacin sobre el modelo estndar y su bajo costo.

La deficiencia que tiene este tipo de sistema es el bajo ahorro de combustible (alrededor de 10%) y la sensibilidad a la temperatura ambiente.

Sistemas hbridos en Paralelo Autoencendido BASEsquema de operacin del sistema Hbrido de autoencendido BAS:

FUENTE: Hyundai Motor CoSistemas hbridos en Paralelo Autoencendido BASVentajas del sistema Hbrido de autoencendido BAS:

El sistema de autoencendido BAS tiene un costo reducido de instalacin en comparacin a los sistemas totales.

Presenta reducciones de hasta el 15% de consumo de combustible y emisiones de gases contaminantes.

Al utilizar la unidad MGU se puede eliminar el uso del motor de arranque.

Sistemas hbridos en Paralelo Autoencendido BASDesventajas del sistema Hbrido de autoencendido BAS:

El sistema opera con una batera de 36v y un motor de poca potencia, lo que le obliga a que el sistema no sea muy eficiente.

Los valores de reduccin de consumo de combustible y emanacin de gases de escape no son representativos.

El sistema es muy susceptible a la temperatura ambiente, obligando que en temporadas fras el sistema hbrido no se active.

El freno regenerativo tiene una configuracin muy compleja

Sistemas hbridos en Paralelo Autoencendido FASEl sistema Hbrido medio (Mild) de operacin de volante (Flywheel alternator starter; FAS) se caracteriza por poseer un motor elctrico instalado entre el motor de combustin interna y la caja de cambios del vehculo.

En este tipo de sistema el alternador y el motor de arranque es reemplazado por un motor compacto constituido por un rotor empernado directamente sobre la salida del cigeal y un estator sujeto directamente sobre el bloque del motor.

En este tipo de configuracin se puede poner un motor mas fuerte (14KW) en lugar del motor de 8KW utilizado en el tipo BAS

Sistemas hbridos en Paralelo Autoencendido FASGracias a los nuevos procesos de fabricacin (suelda de bobinas por laser) los motores del sistema hbrido FAS pueden ser muy compactos sin alargar el tamao total del tren de transmisin.

El generador ubicado entre el motor y la caja de cambios agrega ciertas funciones mejoradas sobre el sistema BAS. La entrega de poder es mas suave durante las fases de arranque de motor y se puede tener sistemas de frenos regenerativos mas simples.

El sistema opera con una batera de 42V que es recargada con el funcionamiento del moto de gasolina o con el freno regenerativo.

El sistema de control del generador puede entregar 42VDC, 42VAC, 14VAC y 120 VAC.

Sistemas hbridos en Paralelo Autoencendido FASA continuacin se presenta el esquema del sistema hbrido FAS.

Sistemas hbridos en Paralelo Autoencendido FASA continuacin se presenta un diagrama de operacin del sistema hbrido FAS.

Sistemas hbridos en Paralelo Autoencendido FASVentajas del sistema Hbrido de autoencendido FAS:

En el sistema de autoencendido FAS tiene una operacin mas suave y homognea que el sistema BAS.

Presenta reducciones de hasta el 20% de consumo de combustible y emisiones de gases contaminantes.

La utilizacin del sistema FAS pude permitir que el sistema pase de un sistema medio a total utilizando motores elctricos mas fuertes y bateras de mayor carga.

Sistemas hbridos en Paralelo Autoencendido FASDesventajas del sistema Hbrido de autoencendido FAS:

En el sistema entrega poco poder de aceleracin en ciertas circunstancias.

Debido al uso de motores elctricos para los accesorios, la direccin se le siente un poco dura.

En este tipo de sistema hbrido el motor tiene que estar girando siempre ya que el motor elctrico esta unido al volante.

Sistemas hbridos en SerieEn el sistema hbrido es serie, el motor de combustin interna no entrega directamente poder hacia las ruedas motrices. El motor de combustin solamente se lo utiliza para mover un generador que cargar las bateras o energiza los motores que mueven el vehculo.

Este tipo de sistema tiene adicionalmente conectores externos para recargar las bateras desde la red de distribucin elctrica, esto permite que el consumo de combustible global del auto sea reducido.

Este tipo de sistema es muy til para ciudades con alto trfico, ya que su uso principal es para avanzar en el flujo intermitente de autos.

Sistemas hbridos en SerieLos sistema en serie tienen sus inicios en los aos 90s del siglo pasado, cuando una serie de modelos elctricos aparecieron en el mercado y tuvieron mucha aceptacin.

Los fabricantes de estos modelos los retiraron para destruirlos debido a las siguientes razones:

Las bateras no estaban completamente desarrolladas y no tenan una capacidad alta de operacin.

El uso de estos vehculos estaba restringido a la capacidad de las bateras.

No se tena un sistema de distribucin de energa adecuado para poder recargar as unidades fuera de casa (falta de estaciones carga)

Sistemas hbridos en SerieElementos del sistema PHEV.

MotorUnidad de Conduccin ElctricaBatera Litio-IonPuerto de CargaSistemas hbridos en SerieVentajas del sistema hibrido en serie:

El consumo de combustible de los vehculo conectables es muy reducido.

Las distancias recorridas pueden ser extendidas con el uso de un motor de combustin interna. Este motor trabaja en la zona de mximo poder y bajo consumo.

La recarga de las autos conectables se la realizara en las noches utilizando la red cuando tiene menos demanda.

Durante la operacin del vehculo, este tiene sistemas de recuperacin de carga (frenos regenerativos) que le permiten ser mas eficientes que los tradicionales hbridos.

Sistemas hbridos en SerieDesventajas del sistema hibrido en serie:

Los vehculos hbridos conectables todava dependen del combustible fsil.

Debido a la complejidad de los sistemas de control estos vehculos son muy costosos y estn en fase de experimentacin.

Debido a que los vehculos conectables todava tienen un motor de combutn interna arrojan gases contaminantes al ambiente.

Sistemas hbridos en SerieDesventajas del sistema hibrido en serie:

Los vehculos hbridos conectables son mas pesados que los vehculos solamente elctricos (ideal).

Las bateras de este tipo de sistema son las mas grandes de todos los hbridos.

La autonoma elctrica se ve afectada por las condiciones climticas.

Sistema hbrido Serie/ParaleloHbrido TotalEn los hbridos en serie/paralelo o totales, el vehculo puede movilizarse solamente con la fuerza del motor elctrico, o solamente con la fuerza del motor de combustin interna o una combinacin de ambos motores

Bateras de gran capacidad se necesitan para satisfacer las necesidades de corriente del motor elctrico y de los sistemas auxiliares.

Estos vehculos tienen sistemas especiales de transmisin que permiten que la computadora a bordo seleccione el tipo de motorizacin (MCI o Elctrico) mas adecuado para la operacin solicitada. Los cambios entre los dos tipos de motor son rpidos e imperceptibles para el conductor.

Normalmente el motor de combustin se apaga cuando la unidad esta detenida y se enciende cuando se necesita recargar las bateras.

Sistema hbrido Serie/ParaleloHbrido TotalA continuacin se presenta un esquema del sistema hbrido serie/paralelo

Sistema hbrido Serie/ParaleloHbrido TotalEste tipo de sistema hbrido fue pensado para suplir las deficiencias de los sistemas por separado.

El sistema en serie es eficiente a bajas velocidades, cuando se debe arrancar y parar en el trfico normal de las ciudades congestionadas. Pero es deficiente cuando se necesita velocidad mantenida o alto poder, ya que le energa es transformada de mecnica a elctrica y luego a mecnica.

El sistema en paralelo es eficiente a altas velocidades o mximo poder, ya que el motor esta trabajando a rgimen optimo de poder cargando las bateras y movilizando el vehculo. Pero es deficiente a bajas velocidades ya que el motor debe trabajar en la faja de bajo poder (bajas RPMs).

Sistema hbrido Serie/ParaleloHbrido TotalModo de operacin del sistema hibrido serie/paralelo:

Vehculo detenido. Cuando el vehculo se encuentra detenido, por ejemplo en un semforo, el motor de combustin interna se apaga para ahorra combustible. El vehculo en este momento esta operando en modo elctrico. El motor elctrico esta en modo de espera para entregar poder al momento en que el conductor presione el pedal de acelerador. Cuando la unidad se encuentra en trfico pesado este tipo de conduccin puede ahorra mucho combustible.

Aceleracin inicial o baja velocidad. Cuando la unidad avanza luego de un semforo o a baja velocidad, el vehculo se desplaza solamente con los motores elctricos y el motor de combustin interna esta apagado. Este tipo de arranque y para a baja velocidad se vuelve eficiente ya que los motores elctricos son eficientes en este tipo de rgimen. Los motores elctricos se activan solamente cuando el pedal de acelerador es presionado suavemente, si el conductor presiona fondo el pedal (aceleracin mxima) el sistema de control no activa los motores elctricos y enciende a motor de combustin interna para entregar mximo poder.

Durante las fases 1 y 2 el sistema opera como hbrido en serie.

Sistema hbrido Serie/ParaleloHbrido TotalModo de operacin del sistema hibrido serie/paralelo:

Alta aceleracin. Cuando el conductor del vehculo demanda mximo poder desde la posicin detenida, el sistema activa el motor de combustin inerna para trabajar en conjunto con el motor elctrico para otener el mxima aceleracin.

Conduccin en carretera. Cuando el vehculo se encuentra circulando en carretera a velocidad constante, el motor de combustin interna entrega todo el poder necesario para el desplazamiento y la carga de bateras. En este tipo de conduccin los vehculos hbridos no representan una mejora alta de consumo e combustible sobre los modelos no hbridos . Las mejoras en consumo de combustibe se presentan ya que la mayora de modelos hbridos totales trabajan con motores mas eficientes (clclo Miller o Atkinson) o poseen sistemas de control de entrega de poder (AFM).

Durante las fases 3 y 4 el sistema opera como hbrido en paralelo.

Sistema hbrido Serie/ParaleloHbrido TotalModo de operacin del sistema hibrido serie/paralelo:

Desaceleracin y freno. Durante una frenada ligera o desaceleracin utilizando la caja de cambios (freno motor), la energa cintica (que en los modelos normales es disipada como calor) es utilizada para recargara las bateras. Esto se debe a que los motores que entregaban poder a la caja de cambios pasan a trabajar en modo de generacin. Este tipo de recarga permite que estos modelos no necesiten ser conectados a la red de distribucin elctrica.Reversa. Cuando el vehculo debe ser desplazado en reversa utiliza solamente los motores elctricos ya que la potencia necesaria para este tipo de trabajo es baja.

Sistema hbrido Serie/ParaleloHbrido TotalOperacin del sistema hibrido serie/paralelo:

Ventajas de los vehculos hbridosLos vehculos hbridos consumen menos combustible que los vehculos similares convencionales, emitiendo menos gases contaminantes a la atmosfera.

Los vehculos hbridos tienen plazos de garanta mas largos debido a los sistemas nuevos que se estn ofreciendo.

Los vehculos hbridos tienen impuestos reducidos para su comercializacin.

El uso de vehculos hbridos reduce la dependencia mundial del petrleo y extiende la vida de las reservas conocidas.

Ventajas de los vehculos hbridosEl usos extendido de automviles hbridos en ciudades con altos ndices de congestin vehicular mejorar la calidad de aire.

Gracias al uso de frenos regenerativos (energa cintica), las bateras de los vehculos hbridos no necesitan ser recargadas por fuentes externas.

Los vehculos hbridos tienen comportamientos similares o mejores que los modelos iguales convencionales usando menos combustible y emitiendo menos gases contaminantes.

Desventajas de los vehculos hbridosLos vehculos hbridos tienen precios mayores que los mismos vehculos convencionales.

Los vehculos hbridos dependen todava de combustibles fsiles y emiten gases de efecto invernadero.

La tecnologa utilizada en los vehculos hbridos todava esta en desarrollo y se tiene que realizar mantenimiento en sitios especializados.

Las bateras de NiMH deben ser recuperadas por organizaciones especializadas luego de su vida til.

Desventajas de los vehculos hbridosLos vehculos hbridos operan con alto voltaje, por lo que se debe tener cuidado cando se repara o revisa un automvil de este tipo.

Los organismos de socorro deben ser entrenados para realizar rescates en vehculos hbridos.

Sistemas futuros de propulsinA continuacin se presenta la proyeccin de tecnologas de propulsin.

Mejora Economa de Combustible & EmisionesDesplaza alPetrleoVehculos Hbridos Elctricos (PHEV)Mejora del Motor de Combustin Interna y TransmisinPila de HidrgenoPetrleo (Convencional & Fuentes Alternativas)Biocombustibles (Etanol E85, Biodiesel)HidrgenoElectricidad (Convencional & Fuentes Alternativas)Vehculos de Batera Elctrica (E-REV)TiempoDiversificacinDe EnergaPROYECCIN DE LOS VEHCULOS HBRIDOS

Se debe revisar cual es el impacto de la nuevas tecnologas sobre las actuales existentes en los mercados.

Quin responder por defectos de los sistemas aledaos?PRECAUCIONES DE LOS VEHCULOS HBRIDOSUtilizar los equipos de proteccin personal adecuados para realizar los trabajo de inspeccin o reparacin. A continuacin se presenta un tabla de EPP:

Revisar que la llave no se encuentre en el cilindro de encendido.

Revisara que todos los sistemas de seguridad y control estn operando correctamente (interruptor de cap)