Proyecto Integrado sobre los vehículos híbridos eléctricos

(Toyota Prius)

Jesús Sánchez

Domínguez 2º Automoción

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ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN…………………………………………………. Págs. 3-4 2. EVOLUCIÓN HISTÓRICA………………………………………. Págs. 4-6 3. ELEMENTOS PRINCIPALES…………………………………… Págs. 6-11 4. TIPOS DE HÍBRIDOS…………………………………………….. Págs. 11-12

4.1. Semihíbridos…………………………………………………. Pág. 11 4.2. Híbrido medio………………………………………………... Pág. 12 4.3. Híbrido puro………………………………………………….. Pág. 12

5. TIPOS DE TRENES DE PROPULSIÓN………………………… Págs. 13-18 5.1. En serie………………………………………………………. Pág. 13 5.2. En paralelo…………………………………………………… Pág. 14

5.2.1. Tipos……………………………………………………... Pág. 14 5.2.2. Modos de funcionamiento……………………………….. Pág. 15

6. DATOS DEL VEHÍCULO TOYOTA PRIUS…………………… Págs. 19-20 6.1. Tabla de datos del vehículo………………………………….. Pág. 19 6.2. Dimensiones del vehículo……………………………………. Pág. 20

7. FUNCIONAMIENTO DEL TOYOTA PRIUS…………………... Págs. 21-23 8. TRANSMISIÓN……………………………………………………. Pág. 23 9. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN……………………………….. Pág. 24 10. CONTROL………………………………………………………….. Pág. 24 11. CADENA ENERGÉTICA DE UN VEHÍCULO HÍBRIDO……. Págs. 24-27

11.1. La cadena cinemática………………………………………… Pág. 24 11.2. La potencia…………………………………………………… Pág. 25 11.3. La eficiencia………………………………………………….. Pág. 25 11.4. El problema del almacenamiento en las baterías…………….. Pág. 27

12. TIPOS DE VEHÍCULOS…………………………………………... Pág. 27 13. VENTAJAS Y DESVENTAJAS…………………………………… Pág. 28 14. ESTRATEGIAS PARA EL FURURO…………………………….. Pág. 29 15. MODELOS EXISTENTES EN LA ACTUALIDAD…………….. Págs. 29-31 16. VALORACIÓN PERSONAL……………………………………… Pág. 31 17. GLOSARIO…………………………………………………………. Pág. 32

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1. Introducción

Ya existía anteriormente un Toyota Prius, del que se vendió más de 100.000 unidades en todo el mundo. Han pasado seis años hasta la llegada del nuevo Prius, que mejora considerablemente el rendimiento termodinámico de su motor mixto, que combina una unidad de combustión de 1.500 cc enlazada a un motor eléctrico de un rendimiento extraordinario. Y no solo eso, esta peculiar arquitectura energéticas permite al Prius incorporar algunas soluciones técnicas en sus componentes (sistema de comunicación con el conductor, frenos y aire acondicionado eléctrico) que lo sitúan a la vanguardia tecnológica del mercado mundial de la automoción.

Un vehículo eléctrico híbrido es un vehículo de

propulsión alternativa1 movido por energía eléctrica proveniente de baterías y, alternativamente, de un motor de combustión interna que mueve un generador. Normalmente, el motor también puede impulsar las ruedas de forma directa.

En el diseño de un automóvil híbrido, el motor térmico es la fuente de energía que se utiliza como última opción, y se dispone un sistema electrónico para determinar qué motor usar y cuándo hacerlo.

En el caso de híbridos gasolina-eléctricos, cuando el motor de combustión

interna funciona, lo hace con su máxima eficiencia. Si se genera más energía de la necesaria, el motor eléctrico se usa como generador y carga las baterías del sistema. En otras situaciones, funciona sólo el motor eléctrico, alimentándose de la energía guardada en la batería.

En algunos es posible recuperar la energía cinética al frenar, que suele

dispersarse en forma de calor en los frenos, convirtiéndola en energía eléctrica. Este tipo de frenos se suele llamar "regenerativos".

La combinación de un motor de combustión operando siempre a su máxima

eficiencia, y la recuperación de energía del frenado (muy útil en la ciudad), hace que estos vehículos alcancen mejores rendimientos que los vehículos convencionales.

Todos los coches eléctricos utilizan baterías cargadas por una fuente externa, lo

que les ocasiona problemas de autonomía de funcionamiento sin recargarlas. Esta queja habitual se evita con los coches híbridos.

Los vehículos eléctricos ya son familiares al público, pero su precio, corta autonomía y bajas prestaciones han limitado siempre su aceptación. Los motores de combustión interna se han utilizado durante más de un siglo, pero la creciente demanda de vehículos de un menor consumo y menos contaminantes preparan el terreno a un nuevo enfoque y desarrollos futuros.

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Actualmente, los sistemas híbridos serán el enlace entre los vehículos híbridos de gasolina de hoy y los vehículos con células de combustible2 del mañana. En los vehículos híbridos con células de combustible (FCHV), la célula de combustible almacenada en pilas sustituye el motor térmico como la fuente de potencia principal y se combina con una batería secundaria que funciona como un regulador de energía.

La generación actual de sistemas híbridos depende del motor de gasolina para generar las máximas prestaciones, llevando el motor eléctrico de forma auxiliar. El concepto “Hybrid Synergy Drive” confiere al motor eléctrico un papel más importante en el suministro de potencia al vehículo tanto para alcanzar un menor consumo como para obtener el máximo de prestaciones, intensificando la unión entre la potencia eléctrica y de gasolina.

El motor eléctrico es mucho más potente que antes, lo cual significa que el motor de gasolina se solicitara menos. Como el motor eléctrico tiene bastante mas rendimiento que el de gasolina, esto también se traducirá en un menor consumo, a pesar de la mejora en las prestaciones. Ahí es donde Toyota ha trabajado más para aumentar la eficacia del Prius. El secreto se llama THS-II3. 2. Evolución histórica

El primer paso hacia un vehículo híbrido que se cree que es en 1665, cuando Fernando Verbiest, un sacerdote jesuita, comenzó a trabajar en los planes de un simple vehículo de cuatro ruedas que podría ejecutarse en vapor o ser arrastrado por un caballo. Durante un período de quince años, Verbiest trabajó para refinar su creación, aunque no hay pruebas de que este vehículo híbrido nunca llegó a buen término.

Nicholas Cugnot vino para arriba con un transporte de

vapor en 1769. Lamentablemente, era necesario mucha cantidad de vapor para viajar cualquier distancia, por lo que este proyecto del francés no pasó a ser un medio de transporte masivo.

En el siglo XIX, Escocia fue el lugar de los primeros coches eléctricos en 1839.

Diseñado por Robert Anderson, el vehículo tuvo un alcance limitado y la energía de la batería que era difícil de recarga. En 1870, Sir David Salomón había llegado a un motor más ligero de transporte, pero aún enfrentan problemas para crear una batería que fácilmente pueda ser recargada y fiable. Con una gama muy limitada y un costoso proceso de recarga, su idea no llegó muy lejos.

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En el siglo XX, en el 1900 vio la creación de un híbrido de gas y electricidad en Bélgica. Desarrollado por Pieper, un fabricante belga que unión los 3.5 CV de potencia a un motor eléctrico, que se encuentra debajo del asiento. Cuando el vehículo necesita algo más de poder para hacer su camino hasta una pendiente, el motor eléctrico le da un impulso al motor de gas.

A partir de 1910, una empresa con el nombre de "Camiones Comerciales

construido", utiliza un cuatro cilindros de gas, que alimenta un generador, eliminando la necesidad de un paquete de baterías. La empresa suspendió la producción en 1918.

Después de un largo período de silencio,

los automóviles híbridos aparecen de nuevo en 1969. La General Motors 512 fue diseñado para ejecutarse en su totalidad de energía eléctrica a una velocidad de menos de 16 Km. /h. De 16 a 21 Km. /h, el vehículo corrió a una combinación de energía eléctrica y de gas de combustión. Más de 21 km / h, el vehículo se basó estrictamente en el motor de gas.

Tras el embargo de petróleo de 1973, el interés por los automóviles híbridos

subió. Volkswagen desarrolló un vehículo híbrido llamado Taxi, que fue ampliamente demostrado siendo muy popular en los Estados Unidos y otros lugares. El taxi tenía la capacidad de alternar entre un motor eléctrico y un motor de gasolina con un mayor rango de eficacia que cualquier híbrido había existido hasta ese momento.

En 1975, American Motor había desarrollado una flota de furgonetas eléctricas

para el Servicio Postal. Lamentablemente, el proyecto no cumplía con el nivel de éxito que todos esperábamos.

Dave Arthurs desarrolló un vehículo híbrido en 1979, utilizando su Opel GT

como el marco para crear un híbrido mezcla con 6 CV de una cortadora de césped, y una serie de seis voltios. Arthurs pudo demostrar que sus híbridos podrían obtener combustible de 31,89 Km. /l.

Audi estrena un híbrido en 1989, llamado el Audi Duo. El híbrido utiliza un

motor de 12,6 CV de fuerza eléctrica, que fue alimentado por una batería de níquel-cadmio. El motor eléctrico alimenta las ruedas traseras del vehículo, mientras que un 2.3 litros de cinco cilindros de gas alimenta las ruedas delanteras.

En 1997, Toyota presentó el Prius

exclusivamente a su mercado japonés. Ese primer año, el Prius vendió 18.000 automóviles y parece ser la primera gran masa de vehículos híbridos comercializados en el mundo.

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Honda rompió el mercado americano en 1999 con el Insight, un híbrido ligero de dos puertas. El vehículo fue capaz de demostrar una calificación de 25,93 Km. /l en la ciudad y 31,89 Km. /l en carretera.

En el nuevo milenio hizo ver lo que el Toyota Prius podía llegar a ser a los

Estados Unidos, que se convirtió en el primer vehículo de cuatro puertas sedán híbrido que se comercializa en los EE.UU., que para no quedarse a atrás, lanzó el Honda.

3. Elementos principales

Elementos que pueden ser utilizados en la configuración de la cadena energética de un vehículo híbrido, y deben de estar coordinados mediante un sistema electrónico-informático:

• 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 más 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. Permiten concentrar en un sólo eje potencias elevadas en un reducido tamaño.

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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.

• 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.

• Baterías de alta capacidad: para almacenar energía eléctrica como para mover

el vehículo. En ellas se utilizan reacciones químicas reversibles.

Ventajas: El desarrollo de las baterías es una tecnología confortable y útil. Inconvenientes: Las baterías formadas por nuevas aleaciones son extremadamente caras y completamente imposibles para su comercialización en la actualidad. Además, la mayoría de las baterías tienen un ciclo de vida mucho más corta que la del conjunto de coche en donde las situamos, lo que hace necesaria una cara situación.

• Generador: es el elemento que transforma en electricidad el trabajo del motor térmico; también funciona como motor de arranque del motor térmico. Y gira como máximo al doble de régimen que el motor térmico.

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• Inversor: Se encarga de transformar y administrar el flujo de electricidad entre la batería y el motor eléctrico. Además posee un convertidor integrado que envía parte de la electricidad del sistema a la batería auxiliar de 12 V.

• Pila de combustible: Esta produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxígeno para conseguir almacenar energía eléctrica en forma de combustible y transformarla en el momento de su utilización. De esa forma se consiguen capacidades de almacenamiento energético similares o superiores a las del depósito de combustible.

• Paneles fotovoltaicos: están formados por un

conjunto de celdas (células fotovoltaicas) que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos. Se utiliza como ayuda a la recarga de las baterías.

• Batería inercial: es un acumulador eléctrico que almacena energía, en forma de

energía cinética, utilizando para ello un volante o disco giratorio. Esta permite recuperar la energía desprendida en la frenada. Las baterías no se cargan bajo picos de energía cortos y muy altos, así que acelerar un volante de inercia y luego utilizar esa energía cinética para ir cargando lentamente dichas baterías se perfila como una buena opción.

• Ultracondensadores: El almacenar la carga mediante condensadores permite una muy rápida descarga de la misma. Por lo tanto resulta ideal para los cambios bruscos de velocidad.

Ventajas: No tienen partes móviles y, por lo tanto, tienen una gran vida de servicios. Además, tienen la capacidad de almacenar la energía rápidamente, lo que hace que sean el sistema ideal de almacenamiento de energía durante los frenazos bruscos y cederla durante las aceleraciones. Inconvenientes: Los condensadores tienen muy poca capacidad y la tecnología para grandes condensadores se encuentra todavía muy poco avanzada.

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• Frenos regenerativos: este sistema de generación de energía consiste en que la energía que se desprende en las frenadas habituales de la conducción, es utilizada para recargar las baterías y así minimizar la perdida de esta energía tan aprovechable. Y su función es hacer actuar al motor eléctrico como generador mientras el vehículo desacelera o frena, y almacena esta energía eléctrica en la batería. Al mismo tiempo, utiliza la resistencia de la operación, que ejerce el motor eléctrico durante la generación de electricidad, como fuerza de frenado.

- Características:

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• Volante de inercia: Son unos discos en los que almacenamos energía cinética en forma de rotación. De forma que permite recuperar la energía desprendida en la frenada. Ventajas: Esta forma de almacenar energía es muy eficaz. Además es capaz de entregar la energía que tienes almacenada de forma más rápida que las baterías.

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Inconvenientes: Actualmente este tipo de sistemas tienen todavía una baja energía específica, y existen problemas de seguridad debido a la posibilidad de que se pierda el control sobre un disco que permanece girando a tantas revoluciones. Otro tipo de problemas que se plantean son los reactivos a los efectos giroscópicos del disco que pueden desestabilizar el coche.

• Grupos electrógenos: se emplea para, en caso de niveles muy bajos de batería, consumir combustible para generar electricidad.

4. Tipos de Híbridos

Se entiende como vehículo híbrido aquel que utiliza un sistema mixto de propulsión, compuesto por un motor térmico y por un motor eléctrico.

La razón de ser de los vehículos híbridos es clara. Un motor térmico obtiene

potencias elevadas, necesarias para mover un coche, pero son contaminantes y en extremo ineficaces. El máximo rendimiento de un motor de explosión ronda al 30%, y siempre funcionando en condiciones cercanas a la plena carga. En el momento que nos alejamos de ese punto, como puede ser a baja carga en el tráfico urbano, el rendimiento decae, existiendo un uso mucho mas desaprovechado del motor desde el punto de vista energético, pero no disminuyendo en el mismo modo el consumo y las emisiones contaminantes.

Por su parte, los motores eléctricos no emiten sustancias contaminantes y son altamente eficientes, alcanzando cifras superiores al 80% de rendimiento.

Presentan el inconveniente de que para conseguir las potencias necesarias para

mover los vehículos a ciertas velocidades se necesitarían motores de grandes dimensiones.

La filosofía de vehículo híbrido pretende unir las ventajas de ambos motores. De este modo, emplea la energía eléctrica para mover el coche en bajos regímenes ahorrando así combustibles y emisiones contaminantes, y emplea la energía del motor térmico en altos regímenes, aprovechando la mayor potencia que este entrega. Se consigue así manejar la energía de una forma más eficiente.

Dentro de los vehículos híbridos, podemos distinguir distintos tipos: 4.1. Semihíbridos

No llegan a ser híbridos como tales. Utilizan ciertos sistemas eléctricos que ayudan al motor térmico en determinadas circunstancias, principalmente cuando la demanda de energía es casi nula.

Es el caso de los sistemas Star-Stop (“Stop and Go” en

algunos fabricantes), consiste en parar el motor térmico en condiciones de ralentí (paradas en semáforos, detenciones de tráfico, etc.). El modo reversible del alternador de 12V vuelve a arrancar el motor térmico de un modo silencioso a través de una electrónica de potencia y de control.

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4.2. Híbrido medio

En este tipo de vehículos además de la parada del motor térmico, en las detenciones, el motor eléctrico que incorporan ayuda al térmico en las aceleraciones. También poseen frenos regenerativo, es decir, son capaces de convertir la energía cinética proveniente de las frenadas, en energía eléctrica a través de un generador, y la almacenan en una batería.

4.3. Híbrido puro

Además de las características de un vehículo híbrido medio, le añaden la posibilidad de funcionar completamente como un vehículo eléctrico, a través de un generador alimentado por una batería de mayor tamaño y voltaje que las convencionales del automóvil.

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5. Tipos de trenes de propulsión

El Toyota Prius Hybrid Synergy Drive es un vehículo híbrido paralelo. Los vehículos híbridos se clasifican en dos tipos:

5.1. En serie Un coche híbrido de configuración en serie se caracteriza porque el

motor térmico se emplea únicamente para recargar las baterías de las cuales se alimenta el motor eléctrico. Por tanto, el trabajo lo genera únicamente el motor eléctrico.

Las principales ventajas de este tipo de configuración son:

• El motor térmico no trabaja nunca en vacío, por lo que reducen las emisiones contaminantes y el consumo de combustible.

• El grupo motor-generador trabaja en el punto para el que ha sido diseñado, lográndose un rendimiento óptimo.

• En algunos casos podemos evitarnos la transmisión, eliminando así una de las causas que reducen la eficiencia del sistema.

Modos de funcionamiento: El motor térmico puede estar trabajando o no y el motor eléctrico puede estar funcionando como motor o generador.

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5.2. Y en paralelo Un coche híbrido de configuración en 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.

Algunas de las ventajas de este tipo de configuraciones son: • El vehículo será más potente debido a que ambos pueden trabajar a la

vez. • La mayoría de los vehículos con esta configuración no necesitan un

generador, con el consiguiente ahorro de coste y de espacio.

5.2.1 Tipos

Dentro de los paralelos hay principalmente dos tipos: usando un generador independiente para cargar las baterías, o usar el mismo motor como generador.

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• Con generador independiente Su inconveniente es que tiene

más componentes, el alternador, el conversor y la transmisión entre 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.

5.2.2. 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.

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• Sólo térmico A velocidad mayor de 40 km/h sólo funciona el motor térmico.

Este es el funcionamiento normal en carretera.

• Térmico más carga de baterías Si estando funcionando en modo sólo térmico sobra energía del

motor, esta es usada en cargar las baterías.

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• Térmico más eléctrico Estando en funcionamiento el motor térmico, si se necesita más

potencia, por ejemplo para acelerar, entra en funcionamiento el motor eléctrico en paralelo con el térmico consiguiendo así una mayor potencia.

• Frenado regenerativo Al frenar o decelerar, el motor eléctrico funciona como generador

y recarga las baterías. Al apagar el motor térmico, ahorra combustible.

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• Parado y cargando Cuando el vehículo está parado para recargar las baterías se pone

en funcionamiento el motor térmico desacoplado de la transmisión.

Y a parte de en serie y en paralelo, los vehículos híbridos también pueden clasificarse en:

• Regulares, que utilizan el motor eléctrico como apoyo. • Enchufables, que emplean principalmente el motor eléctrico y que se pueden

recargar enchufándolos a la red eléctrica.

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6. Datos del vehículo Toyota Prius 6.1.Tabla de los datos del vehículo

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6.2. Dimensiones del vehículo

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7. Funcionamiento del Toyota Prius

El sistema está controlado por una centralita que distribuye la fuerza de cada elemento, de acuerdo con la fuerza que sea necesaria en cada momento y con el nivel de carga de la batería.

En la siguiente imagen se puede ver un ejemplo de funcionamiento. En las demás

imágenes se ve una ilustración del flujo de fuerza en cada caso, junto con el esquema que puede aparecer en el monitor del coche.

Figura 1 Puesta en marcha: el vehículo comienza a moverse sólo con el motor eléctrico y la energía de la batería.

Figura 2 Conducción normal: cuando el vehículo alcanza una velocidad constante, la fuerza que da el motor térmico o bien se divide entre el generador y el motor eléctrico, o se utiliza para mover mecánicamente al motor eléctrico. La corriente que da el generador en este caso puede ir a la batería o al motor eléctrico.

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Figura 3 Aceleración fuerte: cuando el conductor acelera fuerte (para acelerar mucho o para subir una rampa), el motor eléctrico alimentado por la batería ayuda al motor térmico. Esto es sólo posible mientras la carga de la batería no baje de un cierto límite.

Figura 4 Desaceleración: Si el conductor deja de pisar el acelerador, el motor térmico se para y el motor eléctrico se convierte en un generador. De esta forma, el consumo de combustible es nulo y –a través del motor eléctrico en función de generador- se transforma en electricidad parte de la energía cinética que se transmite a través de las ruedas.

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Figura 5 Parada: Cuando el vehículo queda completamente detenido, el motor se para. Sólo se pone en marcha con el vehículo parado si es preciso alimentar a la batería porque ha bajado de su límite de carga.

Hay un botón que anula completamente el motor térmico, si la batería no baja de una cierta carga y si el conductor no solicita demasiada fuerza del sistema (una aceleración fuerte, un rampa pronunciada o una velocidad superior a unos 50 km/h). Esta función puede ser útil para circular por espacios cerrados (como aparcamientos), sin que el coche contamine ni haga ruido.

8. 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.

No hace falta caja de cambios ya que se

puede controlar totalmente la velocidad del motor.

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9. Sistema de 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 líquido 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. Al igual que hay que refrigerar los equipos electrónicos equipándolos de radiadores térmicos mediante ventiladores, aunque el movimiento del aire debido al movimiento del vehículo puede ser suficiente. 10. 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 subidas de

tensiones que puedan dañar los componentes. 11. Cadena energética de un vehículo híbrido

11.1. La cadena cinemática Un vehículo necesita realizar trabajo para

desplazarse; para ello debe adquirir energía de alguna fuente y transformarla, con algún tipo de motor (térmico convencional, eléctrico, etc.), en energía cinética para que las ruedas giren y se produzca el desplazamiento.

Un vehículo clásico toma energía del combustible (p.e. gasolina) y que es liberada mediante la combustión en el interior de un motor térmico convencional. El par4 de salida de ese motor térmico se trasmite a las ruedas.

El motor eléctrico, combinado con el motor de gasolina, es una

alternativa al empleo de vehículos únicamente propulsados por energía procedente de fuentes no renovables. Tradicionalmente, los motores que han propulsado a los automóviles han sido sobredimensionados con respecto a lo estrictamente necesario para un uso habitual. El objetivo ha sido, y es aún, equipar con motores capaces de dar una potencia bastante grande, pero que sólo es requerida durante un mínimo tiempo en la vida útil de un vehículo.

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11.2. La potencia

Los automóviles normalmente tienen motores de combustión interna que rondan entre los 60 y 180 CV de potencia máxima. Esta potencia se requiere en situaciones particulares, tales como aceleraciones a fondo, subida de grandes pendientes con gran carga del vehículo y a gran velocidad. El hecho de que la mayoría del tiempo dicha potencia no sea requerida supone un malgasto de energía, puesto que sobredimensionar el motor para posteriormente emplearlo a un porcentaje muy pequeño de su capacidad sitúa el punto de funcionamiento en un lugar donde el rendimiento es bastante malo. Un vehículo medio convencional, si se emplea mayormente en ciudad o en recorridos largos y estacionarios a velocidad moderada, ni siquiera necesitará desarrollar 20 CV.

El hecho de desarrollar una potencia muy inferior a la que el motor puede

dar supone un malgasto por dos motivos: por una parte se incide en gastos de fabricación del motor superiores a lo que requeriría realmente, y por otra, el rendimiento de un motor que pueda dar 100 CV cuando da sólo 20 es muy inferior al de otro motor de menor potencia máxima funcionando a plena potencia y dando esos mismos 20 CV. Este segundo factor es el principal responsable de que el consumo urbano de un mismo vehículo equipado con un motor de gran potencia consuma, en recorridos urbanos, muchísimo más que uno del mismo peso equipado con un motor más pequeño. En conclusión, el motor ha de ser el idóneo para el uso al que se destina.

11.3. La eficacia

Dado que el mayor consumo de los vehículos se da en ciudad, los

motores híbridos constituyen un ahorro energético notable, mientras que un motor térmico necesita incrementar sus revoluciones para aumentar su par, el motor eléctrico en cambio tiene un par (fuerza del motor) constante, es decir produce la misma aceleración al comenzar la marcha que con el vehículo en movimiento.

¿Por qué los vehículos híbridos son las más eficaces?

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Otro factor que penaliza el rendimiento brutalmente en recorridos urbanos es la forma de detener el vehículo. Ésta detención se realiza mediante un proceso tan ineficiente cómo es disipar y destruir la energía en forma de movimiento, energía cinética, que lleva el vehículo para transformarla en calor liberado inútilmente al ambiente.

Sin embargo, tampoco parece razonable limitar la potencia máxima de un

motor para conseguir excelentes consumos, puesto que en ciertas ocasiones es estrictamente necesario disponer de potencia para determinados esfuerzos tan puntuales como inevitables, tales como adelantamientos y aceleraciones en pendiente.

He aquí donde el sistema híbrido toma su mayor interés. Por una parte

combina un pequeño motor térmico, suficiente para el uso en la inmensa mayoría de las ocasiones, de buen rendimiento y por tanto bajo consumo y emisiones contaminantes, con un sistema eléctrico capaz de realizar dos funciones vitales.

Por una parte desarrolla el suplemento extra de potencia necesario en

contadas, pero inevitables, situaciones como las anteriormente citadas. Por otra, no supone ningún consumo extra de combustible. Al contrario, supone un ahorro, puesto que la energía eléctrica es obtenida a base de cargar las baterías en frenadas o retenciones del vehículo al descender pendientes, momentos en los que la energía cinética del vehículo se destruiría (transformaría en calor irrecuperable para ser más exactos) con frenos tradicionales. Además, no sólo aporta potencia extra en momentos de gran demanda de ésta, sino que posibilita emplear solo la propulsión eléctrica en arrancadas tras detenciones prolongadas (semáforos por ejemplo) o aparcamientos y mantener el motor térmico parado en éstas situaciones en las que no es empleado, o se requiere de él una potencia mínima, sin comprometer la capacidad para retomar la marcha instantáneamente. Esto es posible porque tiene la capacidad de arrancar en pocas décimas de segundo el motor térmico en caso de necesidad.

Además de la altísima eficiencia, la posibilidad de emplear los motores

eléctricos, exclusivamente, durante un tiempo permite evitar la producción de humos en situaciones molestas, como por ejemplo en garajes.

En conclusión, desde el punto de vista de la eficiencia energética, el

vehículo híbrido representa un avance nunca jamás antes alcanzado. El principal problema al que se enfrenta la industria del automóvil para

fabricar vehículos eficientes son las propias exigencias del consumidor. Debido al bajísimo precio (en relación a otras fuentes de energía) de los combustibles fósiles, gracias a que el petróleo es una fuente que la humanidad ha encontrado fácilmente disponible, no contribuye a concienciar a la población para un ahorro energético.

Sin embargo, no todos son ventajas actualmente. Los costes actuales de

producción de baterías, el peso de las mismas y la escasa capacidad de almacenamiento limitan aún su empleo generalizado.

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11.4. El problema del almacenamiento en las baterías

El gran problema actual con el que se encuentra el motor eléctrico para sustituir al térmico en el vehículo es la capacidad de acumulación de energía eléctrica, que es muy baja en comparación con la capacidad de acumulación de energía en forma de combustible. Aproximadamente, 1 kg de baterías puede almacenar la energía equivalente de 18 gramos de combustible, si bien este cálculo no tiene en cuenta el escaso aprovechamiento energético de esa energía en un motor de combustión, en comparación con un motor eléctrico. Aun así esto supone una barrera tecnológica importante para un motor eléctrico.

Los motores eléctricos han demostrado capacidades de sobra para

impulsar otros tipos de máquinas, como trenes y robots de fábricas, puesto que pueden conectarse sin problemas a líneas de corriente de alta potencia. Sin embargo, las capacidades de almacenamiento energético en un vehículo móvil obligan a los diseñadores a usar una complicada cadena energética híbrida, para sustituir a una sencilla y barata cadena energética clásica depósito-motor-ruedas. La electricidad facilita el uso de tecnologías muy diversas, ya que el motor eléctrico consume electricidad, independientemente de la fuente empleada para generarla.

Si bien el sobreprecio de un vehículo híbrido es amortizable durante la

vida de un automóvil, el consumidor raramente opta por realizar una fuerte inversión inicial en un vehículo de éste tipo. En cambio, en un futuro a medio plazo, en el que el precio del petróleo se dispare por su escasez y la única forma de suplir esta carencia sea aumentar la eficiencia y emplear biocombustibles (de mayor coste de producción que el petróleo en la actualidad) el vehículo híbrido seguramente pase de considerarse un lujo solo para ecologistas convencidos y pudientes, a la única forma viable de transporte por carretera. Gracias al empleo de tecnología híbrida se consiguen reducciones de consumo de hasta el 80% en ciudad y 40% en carretera, en comparación entre vehículos híbridos y convencionales de similares prestaciones. Las emisiones contaminantes tendrán un comportamiento paralelo.

12. Tipos de vehículos

• Autobuses: fabricados por Castrosua5. • Coches: los vehículos híbridos de la actualidad son: Toyota Prius, Ford Escape y

Honda Insight.

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13. Ventajas y desventajas Ventajas

• Menos ruido que un motor térmico. • Más par y más elasticidad que un motor convencional. • Respuesta más inmediata. • Recuperación de energía en desaceleraciones o frenadas (en caso de utilizar

frenos regenerativos). • Mayor autonomía que un eléctrico simple. • Mayor suavidad y facilidad de uso. • Recarga rápida de baterías. • Mejor funcionamiento en recorridos cortos. • Consumo muy inferior. Un automóvil térmico en frío puede llegar a consumir 20

L/100 km. • En recorridos cortos, no hace falta encender el motor térmico, evitando que

trabaje en frío, disminuyendo el desgaste. • El motor térmico tiene una potencia más ajustada al uso habitual. No se necesita

un motor más potente del necesario por si hace falta esa potencia en algunos momentos, porque el motor eléctrico suple la potencia extra requerida.

• Instalación eléctrica más potente y versátil. Es muy difícil que se quede sin batería, por dejarse algo encendido. La potencia eléctrica extra también sirve para usar algunos equipamientos, como el aire acondicionado, con el motor térmico parado.

• Descuento en el seguro, por su mayor nivel de eficiencia y menor grado de siniestralidad.

• En algunos países como México, adquirir un vehículo híbrido trae consigo beneficios fiscales, como la reducción en el Impuesto sobre la Renta y tasa 0% en el Impuesto del uso de vehículos.

Desventajas

• Mayor peso que un coche convencional (hay que sumar el motor eléctrico y las baterías), y por ello un incremento en la energía necesaria para desplazarlo.

• Más complejidad, lo que dificulta las revisiones y reparaciones del mismo. • Por el momento, también el precio.

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14. Estrategias para el futuro

• Reducir el impacto ambiental. - Reducir emisiones en tráfico urbano. Nuevos conceptos de

vehículos de bajas emisiones. - Reducir consumo de carburante para bajar las emisiones.

de CO2 y dependencia de combustibles fósiles. - Diversificar fuentes de energía. - Reducir ruido.

• Mejorar la conductibilidad del vehículo: suavidad en

arranques y paradas.

• Reducir el peso y el tamaño de los vehículos.

15. Modelos existentes en la actualidad En la actualidad existen muchos programas de desarrollo de vehículos híbridos a cargo tanto empresas automovilísticas como a cargo de numerosas universidades estadounidenses y europeas. Así mismo existen varios concursos técnicos y carreras en las que estos modelos han participado.

En este proyecto he mencionado los más destacados con el fin de poner de manifiesto el grado actual de madurez de estas tecnologías:

• TOYOTA PRIUS: Este modelo se lanzó al mercado de Japón en 1997, y en el

2000 ya se habían vendido más de 37000 unidades. Está previsto un modelo de segunda generación para el lanzamiento europeo. La tecnología aplicada THS (Toyota Hybrid System) convierte al Prius en el primer vehículo comercializado de estas características incluyendo elevadas prestaciones: http://prius.toyota.com

• HONDA INSIGHT: Presentado en el Salón de Automóvil de Fráncfort en

septiembre de 1999 incorpora un motor de gasolina de 1 litro y 3 cilindros de alto rendimiento, motor eléctrico de transmisión manual y ligera de cinco velocidades. Incorpora un sistema STPO&GO que optimiza más su rendimiento. Fue el primer híbrido comercializado en Estados Unidos en el 2001. Características técnicas en: http://www.honda2001.com/models/insight

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• AUTOBÚS HÍBRIDO: Una de las aplicaciones de la tecnología de motores híbridos con más futuro se encuentra en los vehículos urbanos, puesto que la energía que se genera en el frenado es muy grande. Un ejemplo es el autobús híbrido de la marca Thoreb. Más información en: http://www.tkgbg.se:280/system/ethh.htm

Lo cierto es que todas las marcas están desarrollando sus prototipos, y la lista podría ser interminable: AUDI DUO, CHRYSLER CITADEL, CITROËN XSARA DYNALTO, GM IMPACT, MITSUBISHI SUW ADVANCE, RENAULT ESPACE VERT, VOLVO ECC, etc.

AUDI DUO

CITROËN XSARA DYNALTO GM IMPACT

CHRYSLER CITADEL

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MITSUBISHI SUW ADVANCE

VOLVO ECC RENAULT ESPACE VERT 16. Valoración Personal

En conclusión, desde el punto de vista de la eficacia energética, el vehículo híbrido representa un avance importante tanto en la reducción del consumo de combustible como de la contaminación. Sin embargo, no todos son ventajas, ya que actualmente los costes de producción de baterías, el peso de las mismas y la escasa capacidad de almacenamiento limitan aún su empleo generalizado.

Además de la altísima eficacia, la posibilidad de emplear los motores eléctricos,

exclusivamente, durante un tiempo permite evitar la producción de humos en situaciones molestas, como por ejemplo en garajes.

Otro punto que acompaño con respecto a los vehículos eléctricos híbridos es que

respeta uno de los problemas más preocupantes de la actualidad, el factor contaminación. De forma que tiene un grado de contaminación muy bajo ayudando así a mejorar ese factor tan cotidiano y problemático.

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17. Glosario • Propulsión alternativa1: son los vehículos alimentados por gasolina o diesel.

Este término incluye a los vehículos alimentados con bioetanol (combustible para automóviles, bien solo, o mezclado con gasolina para reducir el consumo), biodiesel (biocombustible sintético líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, nuevos o usados) e hidrógeno, a los vehículos eléctricos de batería, híbridos o vehículos eléctricos a pilas de combustible y a los vehículos de aire comprimido.

• Células de combustible2: es un dispositivo electroquímico cuyo concepto es

similar al de una batería. Consiste en la producción de electricidad mediante el uso de productos químicos, que normalmente son hidrógeno y oxígeno, donde el hidrógeno actúa como elemento combustible, y el oxígeno es obtenido directamente del aire.

• THS II3: es un sistema que se le ha aplicado al Toyota Prius para obtener un

motor de salida de 1,5 veces superior a la del sistema anterior, es decir, crear la experiencia y dinámica híbrido más suave y sensible.

• Par motor4: es la fuerza que es capaz de ejercer un motor en cada giro. El giro

de un motor tiene dos características: el par motor y la velocidad de giro. Por combinación de estas dos se obtiene la potencia, definida así:

donde: es el par motor (en "N·m") es la velocidad angular (en "rad/s")

• Castrosua5: es una empresa carrocera de autobuses Gallega, Carrocera

Castrosua, S.A.

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