Vehículos Híbridos, fundamentos. -Organización Autolibre-

A que se llama vehículos híbridos?, como funciona un Vehiculo Hibrido? Vivimos tiempos, en que la tecnología, evoluciona en diferentes formas; por supuesto que los vehículos, no podían mantenerse al margen del avance de la ciencia. Por ello, cuando se trata de vehículos; existen factores, que obligan a los fabricantes a buscar apoyo, en la tecnología de punta, para seguir con el negocio de fabricar coches. El organismo encargado de la preservación del medio ambiente, [EPA] regula o presiona, a los fabricantes de vehículos a desarrollar mecanismos y/o tecnología, que ayude a evitar que se contamine el medio ambiente, con los desechos tóxicos, consecuentes del uso, y desuso de un vehiculo automotor. Es bueno entender; que los considerándoos que se aplican, para desarrollar o buscar nuevas formas o fuentes de energía, se apoyan principalmente, en la protección del medio ambiente. La gasolina, mezclada con aire, en la proporción [14.7 partes de aire por 1 de gasolina], permiten un funcionamiento, adecuado del motor; pero cuando el vehiculo requiere fuerza, sea en subidas y/o en trabajos pesados, el motor ocupa consumir mas de esta mezcla. Igualmente, de acuerdo a necesidades de funcionamiento, se requiere administrar el equilibrio de esta mezcla, tanto para encendido en frió [mezcla rica], como en desaceleraciones [mezcla pobre]. Por defecto, cuando el vehiculo, no requiere fuerza o va cuesta abajo, el requerimiento de la potencia del motor es mínimo; y es, desde este punto de vista, que busco fuentes de energía, que sean menos contaminantes. Los vehículos híbridos están construidos, para funcionar, combinando fuentes de energía, con la pretensión de lograr que el vehiculo aproveche al máximo, la fuerza obtenida de los componentes del sistema. Un Vehiculo Hibrido usa mecanismos, que tienen la habilidad de administrar el funcionamiento de sus componentes, logrando con ello, que el vehiculo, mantenga cubierto las necesidades de rendimiento y autonomía; alternando la función de sus componentes, dándole preferencia al componente, o modo, que menos contamine.

Posiblemente usted esta creyendo, que estos vehículos son difíciles de entender en su funcionamiento; pero no es así. Lo difícil es entender los términos técnicos que se usan para describirlos; debido a ello, empezaremos describiendo los componentes, así facilitamos el entendimiento. Motor Eléctrico - Si usted conoce un motor de arranque [marcha, arrancador, o estárter], un ventilador etc.; entonces ya conoce un Motor Electrico. Si usted conoce un alternador, o un dinamo; también conoce un Generador. Para facilitar el entendimiento, pongamos en relieve dos términos muy usados en el campo de la electricidad, y ahora muy relacionados en el lenguaje técnico relativo a los vehículos híbridos. Conexión en Serie y Conexión en Paralelo: En electricidad se usan estos términos, para describir, la forma o modo en que se conectan los circuitos; la descripción permite reconocer la forma en que se consume la energía. Dentro de un circuito, se puede combinar el uso de estas conexiones; pero eso es material para otro tema. Continuemos: Circuito en serie, la corriente recorre los componentes uno por uno; En este circuito la energía o potencia es compartida entre todos los focos [bulbos], en consecuencia; a mayor cantidad de focos conectados, mas débil será la iluminación que estas den,[aun con una batería suficientemente cargada]. En este sistema, si; se afloja, quiebra, u apaga un foco, los otros, automáticamente también se apagaran.

Asimismo el amperaje es igual en cualquier parte del circuito.

Circuito en paralelo, la, corriente fluye independientemente, por varios focos a la vez, la potencia de iluminación, la determina el nivel de carga de la batería. En este sistema si se apaga, quiebra, u afloja un foco, los otros seguirán funcionando.[el amperaje varia o es diferente, acorde a la resistencia de cada foco o bulbo]

Cuando hablamos de un Motor Electrico, en un carro que se mueve en base a electricidad, estamos hablando de un motor similar a un motor de arranque [starter], solo que mas grande, o de mas potencia, y por consiguiente consume mas corriente. La corriente eléctrica que consumimos regularmente tiene 2 términos para denominarlos o clasificarlos = Corriente Alterna [AC-sigla en ingles]; y Corriente Continua [CD- Corriente Directa, en ingles]. Se conoce como corriente alterna, la corriente que se encuentra en los enchufes de nuestras casas, y que regularmente lleva un voltaje de 120 o 240 voltios. Se conoce como Corriente Continua, la corriente que encontramos en las baterias o pilas, con las cuales funcionan los instrumentos o accesorios de nuestro vehiculo y los componentes electrónicos de nuestra vida cotidiana. La diferencia entre un tipo de corriente, y el otro; consiste: En que la corriente alterna fluye en ambas direcciones y no tiene una polaridad definida; en cambio la corriente continua se mueve en una sola dirección, y tiene dos polos definidos, negativo y positivo; y la corriente viaja de negativo a positivo Para efectos de simplificar la observación, diremos: que para transformar la corriente alterna, en corriente continua se requiere algunos componentes electrónicos concluyendo en lo que se conoce como "rectificación" de la corriente.

OK los vehículos Eléctricos pueden ser equipados, con motores eléctricos, que funcionan a base de corriente alterna o con motores eléctricos que funcionan a base de, corriente continua. Un vehiculo eléctrico, cumple con los requisitos de sus necesidades básicas pero debe recargarse en una fuente externa, después de cierta cantidad de horas de recorrido Debido a ello, estos vehículos requieren tener un paquete o set de baterias, de cierta calidad, que les permita almacenar energía, que ayude a la autonomía del vehiculo. Como se trata de un vehiculo movido por electricidad se entiende que la energía de las baterias, no solo se consumen moviendo el vehiculo también se debe tomar en cuenta, la instalación, y movimiento de una bomba de vacío, para apoyar el funcionamiento de los frenos; igualmente la instalación, y movimiento del compresor de aire acondicionado, etc. La transmisión o caja de velocidades, es regulada a un solo cambio, debido a que la potencia eléctrica es regulada por el pedal de aceleración, [su funcionamiento es similar, al pedal de la maquina de coser eléctrica] Cuando es necesario contar con un coche que nos permita todo tipo de autonomías se expone como alternativa. El Vehiculo Hibrido. Se conoce como Hibrido, al vehiculo que es movido como consecuencia de la combinación de dos fuentes de energía diferentes; ejemplo, gasolina/electricidad, Diesel/electricidad, etc. Para no confundirnos; en estas páginas, hablaremos de un Vehiculo Hibrido, que se mueve en base a electricidad, y gasolina. El vehiculo con Motor a gasolina, ya lo conocemos, tiene un tanque de gasolina, el cual se carga, y permite mantener una autonomía de aproximadamente 300 millas en promedio. Cuando Hablamos de un Generador en un Vehiculo Hibrido; estamos hablando, de un Generador de corriente, similar a un alternador, solo que es mas grande, mas sofisticado, y con gran capacidad de carga. En los modelos mas recientes de Vehículos Híbridos, los motores eléctricos, son mas sofisticados y cumplen función doble: gastan energía para darle movimiento

al vehiculo; y generan energía para cargar las baterias. [Hacen la función de motor y Generador] Ahora entremos en materia con el Vehiculo Hibrido: El Vehiculo Hibrido tiene un Motor a gasolina, tan igual al que se ve en cualquier vehiculo, con la diferencia que; en un Vehiculo Hibrido, el motor es mas pequeño, y usa tecnología avanzada, para reducir la contaminación y mejorar el rendimiento El Motor Electrico viene equipado con sofisticados adelantos de la electrónica, que le permite hacer la función de motor, y Generador. Por ejemplo; puede usar la carga de la batería, para acelerar el vehiculo; pero también actúa como un Generador [no en todos los casos], si el vehiculo no requiere fuerza; retornando energía a las baterías. Las baterías en un Vehiculo Hibrido son la energía almacenada para el Motor Electrico, El Motor Electrico en un carro hibrido puede consumir; y recargar las baterias.[se entiende que, en todos los casos el consumo es mayor] La transmisión [caja de velocidades] difiere, entre las formas o combinaciones de funcionamiento. Tome nota: que la forma de aplicar fuerza en pro de mover el vehiculo, determinara el tipo de transmisión, que se debe usar. Como funcionan? tenemos varias versiones o combinaciones, las cuales explicamos a continuación:

1] Motor Electrico, 2] Transmisión de un solo cambio, 3] Paquete de baterias.

1] Motor a gasolina, 2 Transmisión o caja de velocidades, 3] Tanque de gasolina

Vehiculo Hibrido en Serie 1] Motor Electrico 2] transmisión de un solo cambio 3] paquete de baterias 4] tanque de gasolina 5] Motor a gasolina 6] Generador El motor a gasolina [5], da vueltas al Generador [6]; el Generador carga las baterias [3]; y estas dan fuerza al Motor Electrico [1], para que este a su vez, de

vueltas a la transmisión [2], generando así, el movimiento del vehiculo; El motor a gasolina en este sistema, no mueve directamente al vehiculo. La transmisión [2] en este sistema, es similar a la de un vehiculo eléctrico. [No tiene engranes de cambios]

Vehiculo Hibrido en Paralelo 1] Motor a gasolina 2] Trasmisión del tipo convencional 3] Motor Electrico 4] Paquete de baterias 5] Tanque de gasolina Tiene un tanque de gasolina que alimenta el Motor a gasolina convencional; y un set de baterias que suplen poder al Motor Electrico; ambos motores pueden mover la trasmisión y hacer girar las ruedas al mismo tiempo. La trasmisión en este caso es similar a la de un vehiculo convencional [Tiene cambios]

OK. Ahora veamos el funcionamiento, de algunos ejemplos que circulan en nuestras carreteras. El Honda "Insight" es un vehiculo Hibrido Paralelo simplificado; tiene un Motor Electrico [2], acoplado al Motor a gasolina [1], exactamente donde va el volante [flywheel]. Este sistema es llamado " ayuda integrada del motor"; el "Insight", tiene una transmisión (3) manual convencional de cinco velocidades o un CVT, automático [trasmisión continuamente variable] El Motor Electrico: ayuda al Motor a gasolina, proporcionando, energía adicional, cuando el vehiculo necesita aceleración, y/o subiendo una colina Usa las desaceleraciones y/o frenado, para ayudar a cargar las baterias Arranca al Motor a gasolina, eliminando la necesidad de un arrancador [marcha. estárter]

Sin embargo, el Motor Electrico, no puede accionar el coche por si mismo, el Motor a gasolina debe funcionar para que el vehiculo se mueva.

Para conseguir el mejor kilometraje posible, Honda utilizo, todos los puntos de la eficacia, discutidos previamente, Pero el "Insight", apoya su fuerte en tres áreas, Reduce el peso; haciendo el vehiculo lo mas liviano posible, usando materiales de poco peso, como el aluminio, Usa un motor lo mas pequeño posible, que pueda mantener el funcionamiento del vehiculo, acorde a las expectativas. [ pesa menos de 1900 libras, o sea 500 libras menos que el honda civic mas ligero], y utiliza técnicas de aerodinámica avanzada. El Motor a gasolina del honda "Insight", que se muestra, es pequeño, pero eficiente; pesa solo 124 lbs [56 kgs ] 1.0L tres cilindros; produce 67 caballos de fuerza a 5700 rpm. Lleva incorporada la tecnología de combustión VTEC. para obtener el máximo de rendimiento. El "Insight", cumple las exigencias de la EPA [conservación del medio ambiente] y obtiene 60millas por galon en ciudad, y 66 millas por galón en carreteras; igualmente con la energía adicional proporcionada por el pequeño Motor Electrico; este sistema alcanza una aceleración de 0 a 60mph en cerca de 11 segundos. Cuando el Motor Electrico esta funcionando, el "Insight", consigue 73 caballos de fuerza a 5700 rpm; si lo comparamos; a lo que obtiene el Motor a gasolina solo; nos da la impresión, que el Motor Electrico agrega solamente 6 caballos de fuerza; Pero la eficacia real del Motor Electrico, se obtiene a bajas velocidades del Motor a gasolina El Motor Electrico en este vehiculo es clasificado en 10 kilowatios [ cerca de 13 caballos de fuerza] en 3000 rpm. Torsión: Sin; el Motor Electrico el ""Insight"", hace su esfuerzo de torsión máximo de 66 libras, pie en 4800 rpm. Con el Motor Electrico, hace 79 lbs-pie a 1500 rpm. lo que significa que el Motor Electrico agrega la mayor cantidad de torque posible, en el rango o gama de velocidad donde esta mas débil el motor. Esta; es la agradable innovación, que permite que Honda, de a un motor pequeño, la sensación de ser mucho mas grande El "Insight" utiliza técnicas de aerodinámica avanzada. La parte posterior del vehiculo es mas estrecho que el frente. Las ruedas traseras, están parcialmente cubiertas por la carrocería, para proporcionar una figura mas lisa; y algunas partes de la superficie inferior del vehiculo, se incluyen con los paneles plásticos. Estos detalles, dan como resultado un coeficiente de resistencia de 0.25, que le hace uno de los coches mas aerodinámicos del mercado El "Insight", no es muy diferente de un coche convencional, cuando usted acelera el Motor a gasolina hace la mayoría del trabajo;. Si usted acelera rápidamente, el Motor Electrico lo apoya dándole poder extra necesario. Cuando usted esta viajando a lo largo de una autopista, el Motor a gasolina esta haciendo todo el trabajo, cuando usted deja de acelerar o frena, el Motor Electrico aprovecha para generar energía y almacenarla en las baterias Este vehiculo no requiere que se conecte o enchufe, en fuente de energía externa; el motor genera toda la energía necesaria para cargar las baterias

La transmisión manual, esta separada del motor a gasolina y Motor Electrico, por el embrague [clutch]. Esto significa que si usted es del tipo de conductor, que le gusta pisar el clutch o poner la caja en neutro, cuando va en bajada o esta parado, evitara que el Motor Electrico recupere energía; pues para ello se requiere que el vehiculo este en cambio o engrane. Toyota "Prius" Hibrido Una de las principales logros del Toyota "Prius" es mejorar las emisiones [reducción de residuos contaminantes] conduciendo en ciudad. Para lograr esto; Toyota diseño un Vehiculo Hibrido paralelo -powertrain.; llamado Toyota Hybrid System [THS], que agrega algunas de las ventajas de un Vehiculo Hibrido en serie. Al igual que Honda, Toyota se ha enfocado principalmente en el powertrain [tren de potencia], para lograr sus metas en cuanto a la reducción de emisiones;. y aumentar el rendimiento en kilometraje. El "Prius" pesa 2900 libras [1315 kls] y tiene tanto espacio interior, y en la cajuela, como un Corolla. El "Prius" se apoya en dos características principales para optimizar su eficiencia; y reducir las emisiones.

El Motor a gasolina funciona solo bajo ciertas condiciones de velocidad y carga : Para reducir las emisiones, el "Prius" puede acelerar a una velocidad de 15 mph antes de activar el Motor a gasolina. El Motor a gasolina solo empieza su funcionamiento una vez que el vehiculo ha pasado cierta velocidad; y una vez que el Motor a gasolina arranca, el rango que tiene para acelerar es bastante reducido. 1] Motor a gasolina 1.5L 4 cilindros 2] Generador 3] Motor eléctrico 4] Power split device 5] Baterias

6] Tanque de gasolina Toyota usa un componente llamado Power split device [componente que divide o administra la energía o fuerza] el Motor a gasolina puede ser ajustado para funcionar lo mas eficientemente posible, en ciertas condiciones de velocidad y carga. El power split device, en el "Prius" permite que el Motor a gasolina, permanezca, en su rango mas eficiente de carga y velocidad, la mayor parte del tiempo. Toyota diseño el Motor a gasolina de 1.5L, en el "Prius", para funcionar a una velocidad máxima de solo 5000 rpm donde hace 76 caballos de fuerza. Mantener el máximo de velocidad en nivel bajo, permite el uso de componentes mas ligeros que mejoren su eficiencia. El Motor Electrico en el "Prius" es clasificado en 67 caballos de fuerza ; de 1200 A 1540rpm; y produce 295 libra pies, de torque, desde 0 a 1200rpm, lo cual es mas que suficiente, para que el vehiculo se desplace sin la ayuda del Motor a gasolina. El power split device, viene a ser el corazón del Toyota "Prius", este es una caja de engranajes, que tiene una función versátil: engancha el Motor a gasolina, Generador y Motor Electrico juntos; y permite que el vehiculo funcione como un Vehiculo Hibrido paralelo; El Motor Electrico puede mover el vehiculo por si mismo; el Motor a gasolina puede mover el vehiculo por si mismo; igualmente pueden mover el vehiculo juntos. En otras palabras el power split device, permite que el vehiculo funcione también como un Vehiculo Hibrido en serie. El Motor a gasolina puede operar independientemente de la velocidad del vehiculo cargando las baterias o apoyando el movimiento del vehiculo cuando este lo requiera; también actúa como una trasmisión continuamente variable CVT; eliminando la necesidad de una trasmisión manual o automática y finalmente el dispositivo permite que el Generador encienda el Motor a gasolina; por lo cual, ya no se requiere un motor de arranque.

El power split device, es un set de engranes y planetarios; el Motor Electrico, esta conectado. al aro dentado del set de engranes y también esta conectado directamente al diferencial, el cual mueve las ruedas, lo que significa que la rotación del Motor Electrico, y aro dentado determinan la velocidad del vehiculo. El Generador esta conectado al eje central del set de engranes, y el motor de gasolina esta conectado a la jaula en donde están montados los planetarios, la rotación del aro dentado [ring gear] depende de los tres componentes, lo cual

significa que todos tienen que trabajar juntos siempre, para controlar la velocidad de salida. Cuando usted acelera, inicialmente el Motor Electrico y las baterias, proporcionan toda la energía. El aro dentado [ring gear] del power split device, esta conectado al Motor Electrico, asi que comienzan a rotar juntos. La jaula de los planetarios que esta conectado al Motor a gasolina esta inmóvil por que el Motor a gasolina no esta funcionando. Cuando el aro dentado [ring gear] esta girando, los planetarios también giran, en consecuencia. el engrane central y Generador rotan; al acelerar, el Generador gira a la velocidad suficiente para mantener el motor apagado.

Una vez que alcanza las 40mph [64klm] , el Motor a gasolina será activado. [El Generador repentinamente cambia de velocidad, dando lugar a que la jaula de planetarios gire y arranque el Motor a gasolina]. Una vez que el Motor a gasolina esta funcionando, se mantiene a una velocidad constante, mientras el Generador varía su propia velocidad, para igualar la velocidad de salida con el Motor Electrico. Si usted acelera bruscamente, el Motor Electrico consumirá energía extra de las baterias. Al igual que el "Insight", el "Prius" no requiere ser recargado externamente, el Generador del vehiculo en forma automática mantiene el apropiado nivel de carga de las baterías. Como ambos vehículos tienen frenos regenerativos, las pastillas de frenos tendrán una duración un poco mayor a las de un vehiculo convencional Ahora veamos un vehiculo hibrido de gran porte, con motores eléctricos adelante y atrás y un motor de combustión de 6 cilindros.

Vehiculo Hibrido Paralelo/Serie

En esta grafica, se puede observar los componentes básicos de este sistema: Motor a gasolina convencional , 6 cilindros V6 [Engine] Motor Electrico situado en la parte del frente del vehiculo [Front Elec.Motor] Paquete de baterias [Battery] y Motor Electrico situado en la parte de atrás. Como nos daremos cuenta; en esta grafica, podemos observar que, los motores

eléctricos están haciendo la función de Generadores, trasladando o generando energía para cargar las baterías. Se entiende, que en las desaceleraciones, o cuando el vehiculo no requiere fuerza el sistema aprovecha para cargar baterias.

Ahora observemos esta grafica; Aquí los dos motores eléctricos, están haciendo uso o descargando las baterias, en pro de mover el vehiculo. El Motor a gasolina, esta apoyando la rotación del Motor Electrico delantero, al mismo tiempo que apoya el movimiento de tracción en las ruedas delanteras. A continuación, fotos del este sistema a la vista.

Tren de Potencia ENGINE = Motor a gasolina de 6 cilindros en "V" POWER CONTROL UNIT= Centro de control principal GENERATOR=Generador MOTOR=Motor Electrico POWER SPLIT DEVICE=Componente que divide, o administra la potencia; y/o funcionamiento del sistema.

Tren delantero

Paquete de baterias, y tanque de gasolina

Motor Electrico en la parte de atrás --------------------------- * -----------------------------