VEHICULOS HIBRIDOS
Introducción
El término propulsión híbrida es utilizado para referirse a vehículos con más de una fuente de propulsión. Los sistemas híbridos pueden incorporar varios tipos de acumuladores de energía y/o convertidores de energía.
El objetivo del desarrollo de las tecnologías híbridas es combinar dos fuentes de energía, de manera que las cualidades de cada sistema sean utilizadas bajo condiciones de generación variables, de tal forma que las ventajas globales del desarrollo del sistema híbrido pesen más que el costo de su configuración.
En este trabajo se presenta una clasificación de los vehículos híbridos, una descripción de la tecnología incluyendo ventajas y desventajas de este tipo de vehículos, experiencias realizadas, una comparación con motores convencionales y por último una descripción del sistema híbrido del tipo turbina-eléctrico.
Un vehículo eléctrico híbrido es un vehículo en el cual la energía eléctrica que lo impulsa proviene de baterías y, alternativamente, de un motor de combustión interna que mueve un generador.
Normalmente, el motor también puede impulsar las ruedas en 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 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 la 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 disiparse 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 (útil especialmente 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.
Soluciones MCI-eléctricas
Aquellos híbridos que combinan un motor de combustión interna (MCI) y un motor eléctrico son los únicos sistemas híbridos que han tenido un desarrollo serio. Existen dos tipos básicos de sistema: híbridos en serie e híbridos en paralelo.
Híbridos en serie:
Utilizan el MCI acoplado a un generador, el que produce electricidad para el motor eléctrico que acciona el giro de las ruedas. Es llamado híbrido en serie pues el flujo de energía se mueve en línea directa. Al estar el MCI desacoplado de la tracción, es posible que opere a una velocidad constante en una vecindad próxima a su punto óptimo de operación en términos de eficiencia y emisiones, mientras carga la batería.
Una desventaja del sistema es que la energía debe ser convertida varias veces, siendo la eficiencia mecánica entre el MCI y el eje de tracción difícilmente superior al 55% (esto incluye la eficiencia de almacenamiento de la batería). Otra desventaja es que requiere un motor más grande y pesado que en el sistema en paralelo, lo que no presenta graves consecuencias en buses para transporte público.
Se presenta la configuración de un bus híbrido eléctrico de arreglo en serie.
Bus híbrido eléctrico en serie
Motor eléctrico
Compresor y bomba de dirección
Ventilador para motor eléctrico
Motor Diesel con alternador
Ventilador para ventilación de baterías
Control electrónico
Baterías
Equipo enfriamiento de baterías
Resistor de freno.
Dependiendo de la aplicación particular, el sistema eléctrico es diseñado para que los rendimientos sean aproximadamente similares al de un bus diesel estándar.
Híbridos en paralelo:
Utilizan tanto el MCI como el eléctrico para accionar la tracción, asignando la energía de cada uno de acuerdo a las condiciones de conducción. Es llamado híbrido en paralelo pues la energía fluye en líneas paralelas. En este sistema, el MCI puede accionar la tracción al mismo tiempo que carga las baterías. Estos tipos de vehículos son los más populares y sobre los que más se investiga. Se pueden categorizar en cuatro tipos, de acuerdo a como combinan su energía, que se describen a continuación.
Combinación de fuerzas de tracción: el torque producido en cada motor es entregado a distintos pares de ruedas, por ejemplo, el motor eléctrico entrega torque a las ruedas traseras, mientras que el segundo motor entrega torque al tren delantero.
Combinación de torques: el torque de ambos motores es combinado mediante un arreglo de ejes antes de ser aplicado a la transmisión.
Combinación de torque en el eje: el torque de ambos motores es combinado en un mismo eje antes de ser aplicado a la transmisión.
Combinación de velocidades: ambos motores funcionan a velocidades distintas, y sus torques son acoplados en una compleja caja de engranajes antes de la transmisión. Este sistema fue desarrollado, construido y probado por "Southwest Research Institute" (SWRI). El desarrollo comprendió un MCI de 1.0 [lt] Geo Metro, 3 cilindros y 40 [KW] como potencia máxima, con un motor de inducción A. C. De 325 [V] y 53 [KW] como potencia máxima, además de un paquete de baterías de 7,5 [Kwh.]. Ambos sistemas acoplados en un sistema planetario de engranajes capaz de desacoplar al MCI, permitiendo así que este opere en su región óptima. Para transmitir el torque a las ruedas del vehículo se utilizó una caja de transmisión continua (CVT), a diferencia de las que conocemos hasta hoy que son discretas.
La tecnología híbrida fue diseñada para operar en zonas urbanas, donde existan problemas de polución ambiental, por lo que el sistema híbrido es muy adecuado para cumplir con el objetivo de reducción de emisiones contaminantes atmosféricas, especialmente en buses de transporte público. Operando únicamente como vehículo eléctrico, con la energía guardada en las baterías, tienen una autonomía de 80 a 200 km.
Compresor y bomba de dirección
Ventilador para motor eléctrico
Motor Diesel con alternador
Ventilador para ventilación de baterías
Control electrónico
Baterías
Equipo enfriamiento de baterías
Resistor de freno.
Dependiendo de la aplicación particular, el sistema eléctrico es diseñado para que los rendimientos sean aproximadamente similares al de un bus diesel estándar.
Híbridos en paralelo:
Utilizan tanto el MCI como el eléctrico para accionar la tracción, asignando la energía de cada uno de acuerdo a las condiciones de conducción. Es llamado híbrido en paralelo pues la energía fluye en líneas paralelas. En este sistema, el MCI puede accionar la tracción al mismo tiempo que carga las baterías. Estos tipos de vehículos son los más populares y sobre los que más se investiga. Se pueden categorizar en cuatro tipos, de acuerdo a como combinan su energía, que se describen a continuación.
Combinación de fuerzas de tracción: el torque producido en cada motor es entregado a distintos pares de ruedas, por ejemplo, el motor eléctrico entrega torque a las ruedas traseras, mientras que el segundo motor entrega torque al tren delantero.
Combinación de torques: el torque de ambos motores es combinado mediante un arreglo de ejes antes de ser aplicado a la transmisión.
Combinación de torque en el eje: el torque de ambos motores es combinado en un mismo eje antes de ser aplicado a la transmisión.
Combinación de velocidades: ambos motores funcionan a velocidades distintas, y sus torques son acoplados en una compleja caja de engranajes antes de la transmisión. Este sistema fue desarrollado, construido y probado por "Southwest Research Institute" (SWRI). El desarrollo comprendió un MCI de 1.0 [lt] Geo Metro, 3 cilindros y 40 [KW] como potencia máxima, con un motor de inducción A. C. De 325 [V] y 53 [KW] como potencia máxima, además de un paquete de baterías de 7,5 [Kwh.]. Ambos sistemas acoplados en un sistema planetario de engranajes capaz de desacoplar al MCI, permitiendo así que este opere en su región óptima. Para transmitir el torque a las ruedas del vehículo se utilizó una caja de transmisión continua (CVT), a diferencia de las que conocemos hasta hoy que son discretas.
La tecnología híbrida fue diseñada para operar en zonas urbanas, donde existan problemas de polución ambiental, por lo que el sistema híbrido es muy adecuado para cumplir con el objetivo de reducción de emisiones contaminantes atmosféricas, especialmente en buses de transporte público. Operando únicamente como vehículo eléctrico, con la energía guardada en las baterías, tienen una autonomía de 80 a 200 km.
Elementos característicos:
Sistema de frenos regenerativo:
Al desacelerar o frenar, el motor eléctrico actúa como generador, recuperando la energía cinética desde las ruedas, convirtiéndola en electricidad que puede ser guardada en la batería. Frenos de fricción tradicionales son requeridos, así como un sistema de control electrónico que permita maximizar la recuperación de energía y pueda operar el sistema dual de frenos. Sistemas comerciales en uso permiten recuperar alrededor de un 30% de la energía cinética típicamente perdida como calor en frenos de fricción. La energía recuperada al freno puede reducir el consumo energético en 15% en conducción en ciudad.
Al desacelerar o frenar, el motor eléctrico actúa como generador, recuperando la energía cinética desde las ruedas, convirtiéndola en electricidad que puede ser guardada en la batería. Frenos de fricción tradicionales son requeridos, así como un sistema de control electrónico que permita maximizar la recuperación de energía y pueda operar el sistema dual de frenos. Sistemas comerciales en uso permiten recuperar alrededor de un 30% de la energía cinética típicamente perdida como calor en frenos de fricción. La energía recuperada al freno puede reducir el consumo energético en 15% en conducción en ciudad.
Generador:
Un generador sincrónico de corriente alterna produce la electricidad para cargar las baterías. Funciona también como motor de partida para el motor diesel.
Motor eléctrico:
Un motor sincrónico de corriente alterna, compacto, de bajo peso y alta eficiencia.
Inversor:
El inversor cambia la corriente continua de la batería en corriente alterna para mover el motor eléctrico, y cambia la corriente alterna del generador en corriente continua para cargar la batería. También varía la frecuencia de la corriente, dependiendo de las revoluciones del motor eléctrico para maximizar la eficiencia. El inversor debe ser enfriado por agua.
Divisor de potencia (híbridos en paralelo):
El sistema híbrido en paralelo necesita de un divisor de potencia, que utiliza un engrane planetario que distribuye el giro del motor C.I entre la tracción y el generador. Controlando las revoluciones del generador, el divisor funciona también como una transmisión continua y variable.
El sistema híbrido en paralelo necesita de un divisor de potencia, que utiliza un engrane planetario que distribuye el giro del motor C.I entre la tracción y el generador. Controlando las revoluciones del generador, el divisor funciona también como una transmisión continua y variable.
Baterías:
Se utilizan las baterías diseñadas para vehículos eléctricos, requiriendo una alta densidad de energía, peso liviano y una larga vida.
Se utilizan las baterías diseñadas para vehículos eléctricos, requiriendo una alta densidad de energía, peso liviano y una larga vida.
Ultra capacitores:
Se ha desarrollado también la tecnología de ultra capacitores para el almacenamiento de la energía. Al no depender de reacciones químicas (como las baterías) pueden ser cargados y descargados rápidamente. El ultra capacitor entrega la energía almacenada en él, como un pulso eléctrico poderoso. Se encuentran en etapa de desarrollo comercial.
Ventajas y desventajas
Se ha desarrollado también la tecnología de ultra capacitores para el almacenamiento de la energía. Al no depender de reacciones químicas (como las baterías) pueden ser cargados y descargados rápidamente. El ultra capacitor entrega la energía almacenada en él, como un pulso eléctrico poderoso. Se encuentran en etapa de desarrollo comercial.
Ventajas y desventajas
Ventajas:
No necesitan de carga externa: Al contrario de los autos eléctricos, los híbridos no necesitan una carga externa, por lo que no tienen los problemas de autonomía de los vehículos eléctricos. El único abastecimiento que necesita es combustible, como los vehículos diesel convencionales - pero en una menor cantidad.
Evitan marchas en vacío: Los vehículos híbridos encienden y apagan el MCI según lo requerido. Cuando el vehículo esta parado o se encuentra a bajas velocidades, el motor se apaga completamente. Los sistemas convencionales requieren que el motor sea diseñado para responder a los peak de demanda, sin embargo el vehículo usualmente opera a niveles significativamente menores, lo que implica que los motores sean mayores de lo necesario para la mayor parte de la operación, consumiendo por lo tanto más combustible y generando mayores emisiones. En los sistemas híbridos, los peak de demanda pueden ser satisfechos por la potencia de las baterías en combinación con el motor.
Menores emisiones: La reducción de emisiones, comparado con un vehículo tradicional, es del orden de 90% para NOx, 70% para VOC, 30% para CO y 100% para material particulado.
Comparación de la marcha con MCI convencional: Un bus híbrido en serie permite al motor diesel trabajar de forma constante bajo condiciones óptimas, reduciendo consumo y emisiones. Se muestra en la figura siguiente un esquema de la condición de marcha, comparándola con un bus diesel estándar.
Desventajas:
Emisiones: Los híbridos no son vehículos de cero emisión, emiten contaminantes a la atmósfera. Más aún, como la performance de emisiones de un motor de combustión tiende a deteriorarse con el tiempo, las emisiones de contaminantes probablemente aumentaran con la antigüedad del vehículo.
Costo: Los vehículos híbridos, al tener dos sistemas de generación a bordo, son más complejos y costosos de construir.
Baterías: Las baterías están sujetas a altas cargas específicas, que incrementan las pérdidas internas y hacen necesario el uso de equipos auxiliares para el sistema de baterías.
Como se muestra en la siguiente tabla, un vehículo híbrido puede recorrer el doble de la distancia que uno tradicional con la misma cantidad de energía. El motor de combustión interna es ineficiente, no solo debido a las pérdidas al transformar la energía desde el combustible al tren de tracción, sino que también es ineficiente cuando el vehículo no se encuentra en movimiento y el motor está en marcha.
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