Pags de muestra libro hbridos2redux · 2018-09-25 · VW Touareg - Porsche Cayenne ... TREN DE...
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Concepto
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Generalidades
Introducción
El futuro según Toyota y Bosch
Funcionamiento del vehículo híbrido
Sistemas
Tipos de vehículos híbridos (en serie)
Tipos de vehículos híbridos (en paralelo)
Tipos de vehículos híbridos (en paralelo-serie)
Resumen de tipos de vehículos híbridos
Motores eléctricos
Características y motores de corriente continua
Motores de corriente alterna
Recuperación de energía
Introducción
Baterías
Cuestionario
Generalidades, sistemas, motores, recuperación de energía
Vehículos
Tecnología microhíbrida, semihíbrida e híbrida pura
Chevrolet
Chevrolet Volt (híbrido en serie)
Chevrolet Volt (batería)
Chevrolet Volt (transmisión, motor eléctrico y generador)
Engranaje planetario o epicicoidal
Chevrolet Volt (modos de funcionamiento)
Honda
Honda Civic (híbrido en paralelo)
Honda Civic (modos de funcionamiento)
Honda (elementos y funcionamiento IMA)
Tecnología Honda (motor térmico)
Tecnología Honda (motor eléctrico, compresor híbrido)
Tecnología Honda (compresor híbrido, bomba de agua eléctrica)
Tecnología Honda (batería de alta tensión)
Tecnología Honda (batería de alta tensión, inversor)
Tecnología Honda (frenada regenerativa)
Tecnología Honda (unidad de potencia hidráulica de frenos)
Tecnología Honda (mantenimiento del sistema de freno)
Tecnología Honda (transmisión)
Cuestionario
Vehículos, Chevrolet, Honda
Toyota
Toyota Prius y Auris (híbridos en paralelo-serie)
Tecnología Toyota (modos de funcionamiento)
Tecnología Toyota (componentes principales)
Tecnología Toyota (transeje híbrido)
ÍNDICE
ÍND
ICE
HÍBRIDOS
Toyota (continuación)
Tecnología Toyota (batería de alta tensión)
Tecnología Toyota (refrigeración batería HV)
Tecnología Toyota (desconexión de la batería HV)
Tecnología Toyota (sustitución de las baterías)
Tecnología Toyota (inversor)
Tecnología Toyota (refrigeración del inversor)
Tecnología Toyota (UCE de HV, de motor, de batería y SMR)
Tecnología Toyota (sistema de frenos)
Tecnología Toyota (pedal de acelerador, ayuda cuesta arriba)
Tecnología Toyota (palanca de cambio, modos de conducción)
Tecnología Toyota (modos de conducción)
Tecnología Toyota (cuadro de instrumentos)
Tecnología Toyota (cuadro de instrumentos y diagnosis EOBD)
Tecnología Toyota (aire acondicionado eléctrico)
Tecnología Toyota (motor térmico)
Tecnología Toyota (distribución variable)
Tecnología Toyota (nuevo motor térmico)
Tecnología Toyota (nuevo motor y generador eléctrico)
Tecnología Toyota (modo inspección)
Tecnología Toyota (modo certificación)
Cuestionario
Toyota
Volkswagen
VW Touareg - Porsche Cayenne
Argumentos a favor de la tecnología híbrida
Componentes de la máquina eléctrica
Módulo electrónico de potencia y control para la tracción
Batería de alto voltaje
Conector de mantenimiento del sistema de alto voltaje
Cables de alto voltaje
Conectores de alto voltaje
Línea eléctrica de seguridad con conectores de seguridad
Medidas de seguridad
Sensores de la máquina eléctrica
Batería de 12 voltios y actuador de presión para embrague
Compresor de climatización eléctrico
Comunicación mediante buses de datos
Gestión del sistema híbrido
Indicación en el cuadro de avería del sistema híbrido
Esquema eléctrico de funciones del sistema híbrido
Cuestionario
Volkswagen
Bibliografía, agradecimientos y sugerencias.
Soluciones de los cuestionarios
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ÍNDICE
ÍND
ICE
HÍBRIDOS
TIPOS DE VEHÍCULOS HÍBRIDOS (EN SERIE)
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TE
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SISTEMAS
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HÍBRIDOS
INVERSORCONVERTIDORTREN DE
RODAJE
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DEPÓSITO DECOMBUSTIBLE
MOTOR TÉRMICOY GENERADOR
CARGA DELA RED
BATERÍA DEI O N - L I T I O
MOTOR ELÉCTRICOY TRANSMISIÓN
MOTOR TÉRMICOY GENERADOR
MOTORELÉCTRICO
INVERSORCONVERTIDOR
BATERÍA DE ION-LITIOEN FORMA DE T
DEPÓSITO DECOMBUSTIBLE
CARGA DELA RED
Los híbridos en serie son en realidad vehículos eléctricos, a los que se les ha acoplado un motor térmico queasume la función de hacer funcionar un potente generador para cargar las baterías.En esencia el vehículo está pensado para funcionar siempre en eléctrico con las baterías cargadas desde lared doméstica. El problema aparece cuando el desplazamiento necesario supera la reducida autonomía deestos vehículos. En este caso, cuando el sistema electrónico detecta que la carga de las baterías es baja, seconecta automáticamente un motor térmico para mover un generador que carga las baterías y el vehículopuede seguir funcionando sin necesidad de parar para conectarlo a la red.Los fabricantes denominan este sistema como vehículo eléctrico de autonomía extendida. La utilizaciónideal de estos vehículos es para personas que efectúan un número de Km. menor que la autonomía de lasbaterías (unos 60 Km). Es decir que las baterías se carguen desde la red doméstica y a ser posible en horariode tarifa reducida.En este sistema, el motor térmico nunca puede mover el vehículo, ya que no está conectado a latransmisión.
TIPOS DE VEHÍCULOS HÍBRIDOS (EN PARALELO)
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SISTEMAS
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HÍBRIDOS
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MOTORTÉRMICO
MOTOR-GENERADORELÉCTRICO
CAJA DE CAMBIOS
BATERÍA DEION-LITIO
CABLERÍA DEALTO VOLTAJE
INVERSORCONVERTIDOR
TREN DERODAJE
DEPÓSITO DECOMBUSTIBLE
MOTOR-GENERADORELÉCTRICO
BATERÍA DENi-MH
MOTOR TÉRMICO
CAJA DECAMBIOS
En los híbridos en paralelo tanto el motor térmico como el eléctrico pueden mover el vehículo. De formaindividual (cuando se requiere poca potencia) o conjunta (para obtener el máximo de potencia disponible).El motor eléctrico actúa como generador para cargar la batería en retenciones y frenadas (frenoregenerativo). También asume la función de arranque del motor térmico (sistema star-stop).Como norma general, el inicio de la marcha se efectúa con el motor térmico, en fase de aceleración suavesigue funcionando sólo el térmico. Si se acelera más intensamente se conecta el motor eléctrico, a velocidadconstante entre 15 y 45 Km/h en carretera llana y sin acelerar se deja de inyectar gasolina al térmico y funcionasólo en eléctrico. A velocidad de crucero sin mucha demanda energética es el motor térmico el que mueveel vehículo. Sólo en retenciones y frenadas se carga la batería, cuando el vehículo se detiene, por ejemploen un semáforo, se paran los dos motores y el consumo y emisiones son cero.En este sistema, el motor eléctrico ayuda al térmico en momentos puntuales de requerimiento depotencia.
TIPOS DE VEHÍCULOS HÍBRIDOS (EN PARALELO-SERIE)
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HÍBRIDOS
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MOTORTÉRMICO
MOTOR-GENERADORELÉCTRICO
BATERÍA DENi-MH
BATERÍAAUXILIAR
INVERSOR
CABLERÍA DEALTO VOLTAJE
INVERSORCONVERTIDOR
DEPÓSITO DECOMBUSTIBLE
MOTOR, GENERADORELÉCTRICO Y TRANSMISIÓN
HÍBRIDA
BATERÍA DENi-MH
MOTOR TÉRMICO
TREN DERODAJE
Los híbridos en paralelo-serie son exclusivos de Toyota y sus marcas asociadas, ya que tienen patentado elsistema.Tanto el motor térmico como el eléctrico pueden desplazar el vehículo de forma individual o conjunta. Lo dosmotores están conectados a un engranaje planetario que tiene salida al diferencial y a las ruedas.La diferencia respecto a los otros sistemas radica en que dispone de un motor eléctrico y un generadorindependientes.El motor eléctrico está diseñado como motor y es muy eficiente, pero también puede funcionar como generador.El generador está diseñado como generador por tanto es más eficiente que un motor funcionando comogenerador, pero también puede funcionar como motor.Es un híbrido que podemos denominar "fuerte" ya que puede iniciar la marcha y circular hasta 50 Km/hsólo en eléctrico.
MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA
MO
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MOTORES ELÉCTRICOS
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HÍBRIDOS
MOTOR SÍNCRONO
BOBINADO DE EXCITACIÓNEN CASO DE ROTOR BOBINADO
ESTATOR
ROTOR
IMANES EN EL CASODE MOTOR DE IMANES
PERMANENTESBOBINADO DEL
ROTOR
SEGUNDOPOLO S
VENTAJAS- Muy alta densidad de potencia- Alta capacidad de sobrecarga y par de arranque- Muy alta eficiencia- Opera en los cuatro cuadrantes- Control sencillo- Nivel bajo de ruido y vibraciones- Muy pocas variaciones de par- Tamaño y peso reducido- Robustez mecánica y térmica- Fabricación y mantenimiento fácil
INCONVENIENTES- Baja gama de velocidades- Coste económico elevado
Son los motores utilizados en vehículos híbridos, bien acoplados al motor térmico en los sistemas enparalelo (Honda) o en la transmisión hibrida en los sistemas paralelo-serie (Toyota).Tambien se utiliza en vehículos pesados como motor de tracción gracias a su elevada densidad depar.
Par
Nm
Po
ten
cia
KW
rpm
60 KW
207 Nm
CURVAS DE PAR Y POTENCIA DEL MOTORELÉCTRICO DEL TOYOTA PRIUS III
El impresionante par a bajo régimen, permite iniciar lamarcha del vehículo desde parado y hasta 50 Km/h.Es un motor síncrono fabricado por Toyota y según susinformaciones es el motor eléctrico más potente delmundo en relación a su tamaño.La tensión máxima de trabajo es de 650V y enretenciones y frenadas se transforma en generador decorriente alterna.Mediante un engranaje reductor, se consigue aumentarel par a 546 Nm.
Los fabricantes que utilizan el sistema paralelo, también instalan motores síncronos acoplados en el lugar delembrague, pero son menos potentes (unos 20 cv) y se utilizan como apoyo al motor térmico. También asumenla función star-stop pero rara vez desplazan el vehículo sólo en eléctrico.En retenciones y frenadas se convierten en generador y su tensión de trabajo está entre los 100 y 650Vdependiendo del fabricante.
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BATERÍAS
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RECUPERACIÓN DE ENERGÍA
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HÍBRIDOS
BATERÍAS DE ION-LITIO (continuación)
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RESERVAS PROBADAS DE LITIOEstos datos pueden variar ya que se continúanbuscando nuevas minas de litio en diverso paises.Concretamente un grupo de geólogos americanoshan descubierto un mega yacimiento de litio enAfganistan que dejaría a Bolivia en un segundo plano,ya que sus reservas serían superiores a las queposee el país andino en el salar de Uyuni.Si se encuentran y explotan nuevos yacimientos delitio, se solucionará el problema de disponibilidad yalto precio de este mineral.1.- USA 2%2.- Canadá 2%3.- Australia 2%4.- Brasil 6%5.- Argentina 13%6.- China 18%7.- Chile 20%8.- Bolivia 37%
BATERÍAS DE NIQUEL-METALHIDRURO (NiMH)VENTAJAS- Bajo peso (alta densidad de energía)- Poco peligroso para el medio ambiente- Efecto memoria mediano
INCONVENIENTES- Alto coste- Tecnología bastante nueva- Mediana disponibilidad- Problemas de temperatura- Es necesaria ventilación- Baja durabilidad- 10% de autodescarga- Si se descarga totalmente no puede recuperarse, hayque sustituirla
Actualmente es muy utilizada en vehículos híbridos.Pero la tendencia es cambiarlas por las de litio.
BATERÍA HV
Para la refrigeración de las baterías de alto voltaje seutilizan sistemas de ventilación formados porelectroventiladores que están gobernados por el módulode control de batería.Esta UCE recibe información de la temperatura de cadamódulo de baterías, de la tensión de cada bloque y dela resistencia interna.En caso de exceso de temperatura o avería de la batería,la UCE de control de batería desconectará el sistemahíbrido.Es muy importante mantener despejadas las tomas deaire de ventilación de baterías. Por ejemplo bandejaposterior en el Civic o lateral de la banqueta posterioren el Prius.
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CHEVROLET VOLT (transmisión, motor eléctrico y generador)
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El Chevrolet Volt dispone de dos motores eléctricos:uno de impulsión de 111 Kw (150 CV y 368 Nm de par)encargado de impulsar las ruedas y otro de 55 Kw (74CV) que asume las funciones de generador para cargarla batería, pero también puede apoyar al impulsor paradesplazar el vehículo cuando se circula a alta velocidad.El trabajo conjunto de los dos motores es capaz deimpulsar el vehículo a una velocidad de 160 Km/h.
Los dos motores eléctricos y el motor térmico se conectana un tren epicicoidal o conjunto planetario mediante tresembragues.
Motor impulsor
Planeta
CoronaPortasatélites
Desmultiplicaciónfinal
Relación 2,16Diferencial
Generador
Inversor
E1
E2
E3
Batería
Motor térmico
COMPONENTES DE LA TRANSMISIÓN
El embrague (E1) bloquea la corona. El embrague (E2) conecta el generador a la corona. El embrague (E3)conecta el motor térmico al generador.El motor eléctrico impulsor tiene conexión permanente con el planeta del tren epicicoidal. El generador puedeconectarse a la corona. El motor térmico puede conectarse al generador e indirectamente ala corona. El portasatélites constituye la salida hacia el direrencial y a las ruedas.El conjunto se comporta como una caja de cambios automática y consigue todas las relaciones necesariaspara el desplazamiento del vehículo a baja y alta velocidad.
En esencia hay cuatro modos de funcionamiento: dos con la batería cargada y el motor térmicoparado y otros dos con la batería descargada y el motor térmico funcionando.En las páginas siguientes se describen los cuatro modos de funcionamiento.
TECNOLOGÍA HONDA (batería de alta tensión)
HO
ND
A
HONDA
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HÍBRIDOS
CONDENSADORES INVERSOR BATERÍA BATERÍA DE ALTA TENSIÓN
Es una batería de Niquel Metal Hidruro (Ni.MH) de 158 voltios y una capacidad de 5,5 Ah. situada tras el
respaldo de la banqueta posterior.
Como hemos explicado, el sistema IMA dispone de un motor eléctrico y un compresor de AC que utilizan para
su funcionamiento potencia de alta tensión. Esto requiere de algunos elementos de seguridad.
! IMPORTANTE
Los componentes, cableados, tapas y clips de retención de alta tensión son de color naranja. Hay que
asegurarse de leer y aplicar todas las precauciones de seguridad indicadas en el manual de taller y poner la
máxima atención y precaución cuando se trabaje con estos componentes o cerca de los mismos.
mA20A
Hz
OFF
ms
20A mA COM
DESCONECTADOR DE ALTA TENSIÓN
Todos los modelos híbridos de Honda tienen un interruptor principal de desconexión de potencia ubicado en
la IPU (Unidad de Potencia Integrada). En el Civic híbrido 2006, este interruptor tiene una nueva característica
de seguridad que lo bloquea en la posición desactivado cuando se realiza el servicio del sistema. Para activar
el sistema se deberá apretar el botón de desbloqueo de color rojo situado al lado del interruptor.
Antes de realizar cualquier servicio en el sistema IMA, es imprescindible desconectar el interruptor principal
y esperar como mínimo 5 minutos para que se descarguen los condensadores.
Antes de manipular cualquier conector de alta tensión, hemos de verificar con un voltímetro conectado en los
terminales de alta tensión de la batería que la tensión existente es inferior a 30 voltios. Para realizar esta
verificación es necesario utilizar guantes de caucho aislantes y asegurarse de su perfecto estado, sin agujeros,
roturas u otros daños.
El sistema de alta tensión está totalmente aislado de la carrocería del vehículo. Lo que está conectado a chasis
es el circuito de 12 voltios como en cualquier vehículo convencional.
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TECNOLOGÍA TOYOTA (transeje híbrido)
TO
YO
TA
TOYOTAHÍBRIDOS
TRANSEJE HÍBRIDO (engranajes planetarios y transmisión)
Generador
Motor térmico
Distribuidor depotencia(conjunto planetarios)
Diferencial
Batería HV
Inversor
Motor eléctrico
Esquema simplificado de los componentes del sistema híbrido de Toyota
Engranaje planetario (tren epicicoidal) Corona MG2 Eje de satélites MT
Planeta MG1
Relaciones de transmisión del transeje híbrido.El transeje híbrido distribuye la fuerza motriz del motor de gasolina de la forma apropiada para impulsar
directamente al vehículo o para hacer girar el MG1 y generar corriente de alta tensión.
Tal como hemos explicado, la salida de fuerza hacia las ruedas se realiza mediante un tren epicicoidal. La
corona de este tren constituye la salida hacia las ruedas, con interposición de una cadena silenciosa, unos
engranajes y el diferencial.
La corona está unida al motor eléctrico (MG2). El planeta está unido al generador eléctrico (MG1), y el eje
de satélites está unido al motor térmico (MT).
En las páginas siguientes se explican las distintas relaciones de transmisión posibles con este mecanismo.
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TECNOLOGÍA TOYOTA (desconexión de la batería HV)
TO
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TOYOTA
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HÍBRIDOS
PRECAUCIONES PARA LA INSPECCIÓN Y MANTENIMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE ALTATENSIÓN
- El técnico que efectúe tareas de inspección y servicio en el sistema de alta tensión debe recibir una formaciónespecial.- Todos los conectores y el mazo de cables de alta tensión son de color naranja. La batería y los otros
componentes de alta tensión son identificados en el vehículo con etiquetas de advertencia "High Voltage".Extreme las precauciones cuando toque los cables y componentes.
- Antes de inspeccionar y reparar el sistema de alta tensión, hay que tomar las medidas de seguridad adecuadas,
como utilizar guantes aislantes y extraer el tapón de servicio para evitar que alguien se electrocute.
Mantenga el tapón de servicio extraído a buen recaudo en su bolsillo, para evitar que otros técnicos lo vuelvan
a instalar mientras repara el vehículo.
- Después de extraer el tapón de servicio, es necesario esperar 10 minutos para que se descarguen los
condensadores del inversor, antes de tocar cualquier conector o terminal de alta tensión.
- Antes de colocarse los guantes aislantes asegúrese de que no están rotos, agrietados, dañados o presentan
algún otro deterioro. No utilice guantes aislantes húmedos.
- Cuando repare un vehículo híbrido, evite llevar encima objetos de metal como puntas de trazar, herramientas
en los bolsillos, etc. que pudieran caer de forma accidental y provocar un cortocircuito.
- Antes de tocar un terminal de alta tensión pelado, debe ponerse los guantes aislantes y verificar con un
polímetro adecuado que no hay tensión.
- Tras desconectar o dejar al descubierto un conector o terminal de alta tensión, hay que protegerlo inmediatamente
con cinta aislante.
- Los tornillos de los terminales de alta tensión deben apretarse de forma segura y al par especificado. Un
par de apriete insuficiente o excesivo puede provocar fallos.
- Coloque en un lugar visible del vehículo un cartel que indique: "PRECAUCIONES: ALTA TENSIÓN. NOTOCAR DURANTE LA REPARACIÓN" para indicar al resto de técnicos que se está inspeccionando o
reparando un sistema de alta tensión.
- Asegúrese de instalar el tapón de servicio antes de arrancar el sistema híbrido. Si arranca el sistema
sin el tapón se pueden producir averías graves en la electrónica del vehículo.
EXTRACCIÓN DEL TAPÓN DE SERVICIO PARA DESCONECTAR LA ALTA TENSIÓN
- Pulse el interruptor de posición "P" y ponga el freno de estacionamiento.
- Desconecte el encendido, posición OFF. Retire la llave fuera del
alcance del sistema de arranque sin llave.
- Desconecte el terminal negativo de la batería auxiliar de 12 V.
- Quite el conector de servicio con los guantes aislantes puestos.
1.- Estirar de la anilla del conector en el sentido de la flecha.
2.- Girar 90 grados para desacoplar.
3.- Estirar del conector para extraerlo.
4.- Guarde el conector en sitio seguro para que nadie pueda conectarlo.
5.- Espere al menos 10 minutos antes de manipular el circuito de alta
tensión.
- Trabaje siempre con guantes aislantes y verifique con un polímetro
adecuado la ausencia de tensión.
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COMPONENTES DE LA MÁQUINA ELÉCTRICA
VO
LK
SW
AG
EN
VOLKSWAGEN
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HÍBRIDOS
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FUNCIONES ASIGNADAS A LA MÁQUINA ELÉCTRICAEn función de la situación de marcha y el modo de funcionamiento, la máquina eléctrica desempeña diferentes
funciones:
Cuando se pasa de un modo de tracción eléctrico al modo de conducción con el motor térmico, la máquina
eléctrica funciona como motor de arranque del motor de combustión. A continuación, durante el modo de
funcionamiento con el motor de combustión, el sistema híbrido invierte el funcionamiento de la máquina
eléctrica de forma que pase a trabajar como alternador.
La energía eléctrica obtenida se utiliza, mediante el transformador de tensión, para cargar la batería de alto
voltaje a 288 voltios y la batería de 12 voltios para los componentes convencionales.
Al desacelerar el vehículo, la máquina eléctrica funciona como alternador y suministra energía eléctrica a la
batería de alto voltaje y recupera de esta forma, como energía eléctrica, una parte de la energía cinética
excedente.
En el pedal de freno se dispone de un sensor que detecta el recorrido del pedal. En cuanto se detecta una
ligera frenada, el sistema híbrido invierte el funcionamiento de la máquina eléctrica para que actúe como
alternador y cargue la batería de alto voltaje. La energía que con los frenos hidráulicos convencionales se
transforma en calor, se puede almacenar ahora en la batería de alto voltaje.
Posteriormente esa energía se puede utilizar para desplazar el vehículo. Durante la recuperación se transforma
como mínimo tanta energía como necesita la red de 12 voltios. Durante este proceso, el motor de combustión
permanece desactivado.
En el modo de conducción eléctrico, el sistema híbrido invierte el funcionamiento de la máquina eléctrica para
que pase de alternador a motor eléctrico de propulsión.
Cuando el motor de combustión está desacoplado, la máquina eléctrica es la que se encarga de desplazar
el vehículo. En función de la resistencia que se oponga a la marcha (aerodinámica, de rodadura, al ascenso,
de fricción), el motor eléctrico podrá impulsar el vehículo hasta una velocidad de unos 50 Km/h. Cuando el
conductor desee acelerar más, la potencia de la máquina eléctrica ya no será suficiente para ejecutar este
deseo del conductor. Por ello, el sistema híbrido pone el marcha el motor de combustión de forma automatica.
La máquina eléctrica es alimentada por el módulo electrónico de potencia mediante un cable trifásico.
En resumen, la máquina eléctrica desempeña tres funciones:
1.- Motor de arranque del motor de combustión.
2.- Alternador para cargar la batería de alto voltaje.
3.- Motor eléctrico para posibilitar el despalazamiento del vehículo.
Volante de inercia
Disco de arrastrre del embraguePlato de presión del embrague
Carcasa del sistema híbrido
Estator
Rotor
Terminal de potencia para lamáquina eléctrica