UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
ANÁLISIS DEL SISTEMA INVERSOR DE UN VEHÍCULO
HÍBRIDO, TOYOTA PRIUS
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
VÍCTOR HUGO JURADO FLORES
DIRECTOR: ING. JULIO MORALES
DECLARACIÓN
Yo, VÍCTOR HUGO JURADO FLORES, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________ Víctor Hugo Jurado Flores
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Análisis del sistema inversor de un vehículo híbrido, Toyota Prius”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz, fue desarrollado por Víctor Hugo Jurado Flores, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación, artículos 18 y 25.
___________________
Julio Morales Director del trabajo
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN xiii
ABSTRACT xiv
1. INTRODUCCIÓN 1
2. MARCO TEÓRICO 6
2.1. AUTOS HÍBRIDOS 6
2.2. CONFIGURACIÓN DEL VEHÍCULO HÍBRIDO 9
2.3. IMPACTO AMBIENTAL DE UN HÍBRIDO 11
2.4. EL PRIUS Y SUS GENERACIONES 13
2.5. MEDIDAS DE SEGURIDAD PARA ALTA TENSIÓN 21
2.6. SISTEMAS COMPLEMENTARIOS DEL INVERSOR 22
2.6.1. MOTO-GENERADORES 22
2.6.2. MG1 23
2.6.3. MG2 24
2.6.4. CABLES ELÉCTRICOS 26
2.6.5. CONJUNTO DE LA BATERÍA HV (HIGH VOLTAGE) 26
2.6.6. ELECTRÓNICA EN POTENCIA 28
2.6.6.1. Dispositivos semiconductores de potencia 29
ii
2.6.6.3. Aplicaciones 31
2.6.7. INVERSOR EN LA ELECTRÓNICA 32
2.6.7.1. Funcionamiento 33
2.7. SISTEMA INVERSOR DEL TOYOTA PRIUS 35
2.7.1. SISTEMA GENERADOR 39
2.7.2. SISTEMA CONVERTIDOR DE ELEVACIÓN DE TENSIÓN 39
2.7.3. EL MOTOR ELÉCTRICO 40
2.7.4. SISTEMA CONVERTIDOR DE CC/CC 40
2.7.5. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN DEL INVERSOR,
MG1 Y MG2 41
2.7.6. MÓDULO DEL SISTEMA INVERSOR DEL TOYOTA PRIUS 44
2.7.7. INSTALACIÓN Y ELEMENTOS DE ALTA TENSIÓN 44
2.8. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA HYBRID SYNERGY
DRIVE (HSD) 46
3. METODOLOGÍA 51
3.1 ENFOQUE GENERAL 52
3.2. HERRAMIENTAS/TÉCNICAS 53
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS 57
4.1. PROCESO DE DESARMADO 58
4.1.1. SEGURIDAD BÁSICA E INTRODUCCIÓN 58
iii 4.1.2. RECONOCIMIENTO DEL SISTEMA INVERSOR Y SUS
ANCLAJES 64
4.1.3. DESMONTAJE DE PARTES Y CONEXIONES 66 4.2. ANÁLISIS GENERAL 74 4.3. GUÍA DE MANTENIMIENTO DEL INVERSOR 82
4.3.1. INDICACIONES GENERALES 82
4.3.2. ACCIONES PERMITIDAS 83
4.3.3. MATERIALES A UTILIZAR 84
4.4. CUIDADOS Y PRECAUCIONES 85
4.5. TIPOS DE MANTENIMIENTOS 86
4.6. CÓDIGOS DE FALLA 88
4.6.1. CÓDIGOS FRECUENTES 88 4.6.2. DTC P3120: MAL FUNCIONAMIENTO DE LA TRANSMISIÓN HÍBRIDA 89 4.6.3. DTC P3125: MAL FUNCIONAMIENTO DEL CONVERSOR INVERSOR DC-DC 89 4.6.4. DTC P3000: MAL FUNCIONAMIENTO DE LA BATERÍA HÍBRIDA 90 4.6.5. P3009: FUGA DE AISLAMIENTO DETECTADA 90 4.7. RESUMEN DE CÓDIGOS 91
iv 4.8.1. COMPARACIÓN CON UN MOTOR DE COMBUSTIÓN
INTERNA 93
4.8.3. DIAGNÓSTICO 97
4.8.3.1. Análisis de datos OBD II mediante el scanner automotriz 98
4.8.3.2. Conector de Diagnóstico OBD II 99
4.8.3.3. Simbología de los Códigos de Diagnóstico OBD II 101
4.8.4. CONSUMO DE COMBUSTIBLE 103
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 104
5.1 CONCLUSIONES 104
5.2. RECOMENDACIONES 106
NOMENCLATURA O GLOSARIO 107
v
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Configuración del Sistema en serie 9
Figura 2. Configuración del Sistema en paralelo 10
Figura 3. Configuración del Sistema Combinado o Mixto 11
Figura 4.Toyota Prius, 1ª generación 16
Figura 5. Toyota Prius, 2ª generación 17
Figura 6. Condiciones de trabajo 18
Figura 7. Condiciones en variables de caminos 18
Figura 8. Especificaciones generales 21
Figura 9. Moto-generadores 23
Figura 10. Conjunto de cables de alta tensión 26
Figura 11. Conjunto de batería HV 27
Figura 12. Inversor de voltaje de 24 V 33
Figura 13. Esquema de funcionamiento de un inversor convencional 34
Figura 14. Inversor Prius 3 generación 35
Figura 15. Sistema inversor observado internamente 36
vi Figura 17. Función de conversión de elevación de tensión 38
Figura 18. Diagrama del sistema convertidor 40
Figura 19. Diagrama del sistema convertidor CC/CC 41
Figura 20. Conjunto de refrigeración del sistema inversor 42
Figura 21. Circuitos de refrigeración del sistema inversor 43
Figura 22. Componentes y cables de alto voltaje 45
Figura 23. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en 46
Figura 24. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en 47
Figura 25. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en 48
Figura 26. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en 48
Figura 27. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en marcha atrás 49
Figura 28. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en detención 50
Figura 29. Especificaciones técnicas Toyota Prius 2010 53
Figura 30. Toyota Prius 2010, tercera generación 54
Figura 31. Guantes aislantes para descargas eléctricas 55
Figura 32. Sistema Inversor 55
Figura 33. Software de diagnóstico automotriz TechStream de Toyota 56
vii
Figura 35. Módulo IPM del sistema Inversor 60
Figura 36. Esquema de un circuito del módulo IPM 61
Figura 37. Jumper 62
Figura 38. Batería del sistema híbrido 62
Figura 39. Cables de alimentación de alto voltaje 63
Figura 40. Baterías sin alimentación de corriente 63
Figura 41. Sistema inversor en la zona del motor 64
Figura 42. Advertencia de alta tensión 65
Figura 43. Cables de alta tensión de color naranja 65
Figura 44. Tuercas y pernos de sujeción 66
Figura 45. Desmontaje de las tapas de protección 67
Figura 46. Pequeño enchufe de seguridad estilo jumper 67
Figura 47. Enchufe interno se seguridad 68
Figura 48. Contactos de los cables de alta tensión del compresor, de la
batería híbrida y de MG1 y MG2 69
Figura 49. Anclaje de contacto de la batería del sistema híbrido 70
Figura 50. Enchufe de seguridad estilo jumper 70
viii
Figura 52. Fusible de cuarzo 71
Figura 53. Inversor totalmente desconectado de sus elementos 72
Figura 54. Depósito del sistema de refrigeración del conjunto inversor 73
Figura 55. Base visible del sistema inversor 74
Figura 56. Desarmado con guantes de seguridad 75
Figura 57. Socket de la ECU del sistema híbrido 76
Figura 58. Contactos de los pines de la ECU 77
Figura 59. Contactos de los pines del sistema inversor 77
Figura 60. Carcasa del sistema inversor 78
Figura 61. Bomba eléctrica de agua en despiece del sistema inversor 79
Figura 62. Manguera de refrigeración hacia los moto generadores 80
Figura 63. Radiador individual del sistema inversor 80
Figura 64. Revisión del sistema trabajando correctamente 81
Figura 65. Advertencia de alto voltaje 82
Figura 66. Inversor 83
Figura 67. Cuidados en la manipulación 84
Figura 68. Carcasa del inversor 85
ix Figura 70. Franela colocada para evitar derrame de refrigerante 88
Figura 71. Componentes principales del Toyota Prius 92
Figura 72.Diagrama del control del sistema híbrido 93
Figura 73. Motor de combustión interna, Toyota Prius 2010 94
Figura 74. Inversor de Toyota Prius con sus respectivos cables 97
Figura 75. Alerta de avería del sistema híbrido 98
Figura 76. Scanner automotriz G-Scan 99
Figura 77. Conector de Diagnóstico (DLC3) 100
x
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Venta de vehículos híbridos por marca (unidades) 4
Tabla 2. Importación de vehículos híbridos al Ecuador (unidades) 5
Tabla 3. Comparación de emisión de gases 7
Tabla 4. Comparación de consumo de combustible combinado
(carretera-urbano) 8
Tabla 5. Niveles de emisión en Decibeles 12
Tabla 6. Ficha Técnica de un MG1 del Toyota Prius 2010 24
Tabla 7. Ficha Técnica de un MG2 del Toyota Prius 2010 25
Tabla 8. Especificaciones de la batería híbrida del Prius 2010 28
Tabla 9. Mantenimientos del inversor 86
Tabla 10. Códigos de falla 91
Tabla 11. Fichas Técnicas de Toyota Prius y Toyota Corolla 95
Tabla 12. Descripción de los dígitos de los códigos de 102
xiii
RESUMEN
Este trabajo se realizó tomando en cuenta el análisis del sistema inversor del vehículo híbrido Toyota Prius. El objetivo del trabajo se basó en analizar el sistema inversor del vehículo mencionado, además de un análisis breve a los sistemas complementarios y a la vez fortalecer el proceso de aprendizaje personal en materia de nuevas tecnologías, en este caso tecnología híbrida.
El análisis del sistema inversor conllevó al entendimiento de las partes del sistema híbrido, que son: batería de alta tensión, conversor de elevación de tensión, motor generador 1, motor generador 2, y la batería de 12 V, todos ellos analizados superficialmente; juntos realizan el siguiente proceso: sale de la batería de alto voltaje una corriente continua de 210 V pasando por el conversor de alta tensión, la cual eleva a 500 V la corriente continua, después pasa por el inversor transformándola a corriente alterna trifásica, dando marcha a los MG1 y MG2 para que funcione el vehículo de forma totalmente eléctrica, y el inversor hace que se cargue la batería de alta tensión. Las fuentes de alimentación del equipo auxiliar del vehículo, como son el panel de control, las luces de salón, el equipo de sonido, las luces exteriores, así como las ECU, se basan en un sistema de 12 V CC.
xiv
ABSTRACT
This work was realized taking into account the investor Analysis System Toyota Prius hybrid vehicle. The objective of this study was based on analyzing the inverter system about the vehicle mentioned, and a brief analysis of the complementary systems while strengthening the personal learning process in new technologies , in this case hybrid technology.
The analysis of the inverter system led to the understanding of the parts of the
hybrid system that are high-voltage battery, voltage boost converter, an engine
generator 1 generator 2 engine and 12-volt battery, all superficially analyzed together perform the following process: out of the high-voltage battery of 210V direct current through the high voltage converter the bringing to 500V DC after passing through the inverter transforming pedaling phase alternating current to MG1 and MG2 to operate the vehicle in a completely electric and makes reverse charge the high voltage battery. The power supply of the vehicle auxiliary equipment, such as control panel, room lights, sound equipment, exterior lights and the ECU, is based on a set of 12 V DC.
The intention of both theoretical and practical - training analysis on this issue was conducted to understand the performance of the inverter system Toyota
Prius, taking into account the care and handling that should be on this system,
improving performance in knowledge and thus be more competitive and getting more professional assessment of this branch of Hybrid technologies and
contributing to the improvement of university education on these issues in
1
1. INTRODUCCIÓN
El estudio realizado en este tema se basa en una revisión general acerca del funcionamiento del sistema inversor de un vehículo híbrido, fallas comunes, tipos de mantenimientos, reconocimiento de sus elementos, principios de funcionamiento y tipos de corrientes de trabajo, de esta manera atendiendo a la necesidad actual de los alumnos de la carrera de Ingeniería Automotriz de la Universidad Tecnológica Equinoccial y también de técnicos particulares, ya que tienen poco conocimiento acerca del funcionamiento de un vehículo híbrido, en especial sobre el sistema inversor que, además de ser una parte fundamental del mismo, debe conocerse muy bien su manipulación.
A partir de esta carencia, se ha proyectado un análisis que aporte de manera general al manejo y conocimiento del sistema inversor de un vehículo híbrido, tomando en cuenta que se hablará también brevemente de electricidad y electrónica que servirán de bases para entender cómo trabaja un Toyota Prius, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería (UTE), específicamente para la carrera de Ingeniería Automotriz.
La investigación tiene como objetivo fundamental realizar un análisis el cual permita comprender la correcta funcionalidad del inversor en un vehículo Prius. Previo a este análisis, se resumirá su funcionamiento, y se presentará una breve historia de un vehículo híbrido del segmento Toyota, para aportar una idea más clara del objeto de análisis. En el marco teórico se atenderá a los componentes más importantes e influyentes en el sistema inversor.
2 diagnósticos y reparaciones, es por eso que se realizará una pequeña guía de manipulación, cuidado y códigos de falla del sistema inversor.
Se realiza este análisis del sistema inversor para obtener un conocimiento más amplio de su uso y aplicación, cuidados y manipulación debido que la tecnología no deja de avanzar y los futuros profesionales tienen la obligación de estudiar, investigar y actualizarse sobre estos temas para que logren ser profesionales capacitados y conozcan sobre lo que prepara la industria automotriz en el futuro.
En nuestro medio hacen falta herramientas de estudio de estas características tecnológicas como manuales, libros, archivos digitales o material didáctico y de haberlos son muy limitados, en los cuales los estudiantes y técnicos puedan estudiar, comprender y poder familiarizarse con las nuevas tecnologías híbridas que de a poco van acaparando más la industria automotriz en el país y a nivel mundial, por lo tanto en corto plazo requerirán de profesionales capacitados para respectivos mantenimientos o manipulaciones.
3 El Toyota Prius es un automóvil híbrido, llamado así por la combinación de un motor de combustión interna de 4 tiempos a gasolina y de un motor eléctrico, fusionando asi dos tipos de tecnologías para brindar un desempeño mucho más limpio en niveles de contaminación, en donde se podrá entender que función aporta el sistema inversor en convertir una tecnología mecánica en una eléctrica.
Los vehículos híbridos en el Ecuador cada día van ganando más campo, se espera que hasta el 2020 el 20% de su parque automotor esté compuesto por vehículos híbridos. Así lo informó en el 2010 el subsecretario de energía alternativa Eduardo Rosero.
A pesar de que la venta de vehículos híbridos en el país ha decrecido considerablemente debido al retiro de la exoneración de impuestos y aranceles que tenían estos vehículos según el Anuario 2012 de la Asociación de Empresas Automotrices del Ecuador (AEADE), el 2010 fue el año con más ventas de vehículos con tecnología híbrida en el Ecuador.
4 Tabla 1. Venta de vehículos híbridos por marca (unidades)
MARCA Número de vehículos vendidos en el 2010*
Número de vehículos vendidos en el 2012
TOYOTA 1840 1352
FORD 1056 3
CHEVROLET 711 3
LEXUS 500 2
BMW 154 5
MERCEDES BENZ 86 0
PORSCHE 54 25
GMC 53 3
OTRAS 55 7
TOTAL 4509 1400
*En comparación con el año de mayor ventas en el país (AEADE, 2012)
5 Tabla 2. Importación de vehículos híbridos al Ecuador (unidades)
MARCA 2009 2010 2011 2012
TOYOTA 1545 1994 319 1387
PORSCHE 0 75 82 26
MERCEDES BENZ 16 116 69 0
LEXUS 434 424 29 3
GMC 53 50 5 4
FORD 206 1669 19 4
CHEVROLET 96 858 174 4
CADILLAC 39 27 1 0
BMW 38 183 61 6
OTRAS 7 55 42 10
TOTAL 2434 5451 801 1444
(AEADE, 2012)
6
2. MARCO TEÓRICO
2.1. AUTOS HÍBRIDOS
Los autos híbridos son automóviles que trabajan con dos motores: Un motor de combustión interna o de gasolina y un motor eléctrico alimentado por baterías, sus principales características son menor consumo de combustible y menor emisión de gases nocivos al medio ambiente dentro de la ciudad, son vehículos que aprovechan la energía desperdiciada en el momento de la desaceleración y frenado en el cual los vehículos convencionales desechan en forma de calor, o lo que se conoce como pérdida de la energía calorífica. (Pellicer, 1997) (Centro de tecnología y transporte, 2012)
Los vehículos híbridos tienen varias ventajas como la disminución de consumo de combustible y la menor emisión de gases nocivos al medio ambiente ya antes nombrados; también tiene desventajas (menos en comparación con las ventajas) como el que no se encuentran muchos talleres con la capacidad de poder dar mantenimiento a este tipo de vehículo y el precio de sus repuestos son elevados en comparación de un vehículo convencional, a continuación se detalla lo dicho.
7 Su peso es mayor en comparación a un auto convencional de similares dimensiones, incluyendo los motores eléctricos y las baterías; es un inconveniente en trayectos más largos ya que el vehículo tiene que incrementar la energía para poder desplazarlo. (Sociedad de Técnicos de Automoción (STA), 2011).
Las compañías usan recursos muy escasos para fabricar las baterías y sistemas complementarios de los moto generadores y del inversor, tales como el neodimio y lantano que son dos de los elementos bases para su fabricación. (Miscocheselectricos.com, 2013)
Como ventajas, la más destacada se basa en que las emisiones de gases nocivos son mucho menor a diferencia de los autos con motores de combustión interna a gasolina, tal como se muestra en la siguiente tabla 3, los vehículos híbridos no lanzan tanta cantidad de monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2) al ambiente. (Díaz, 2012)
Tabla 3. Comparación de emisión de gases
Modelo Emisiones gCO2/Km
TOYOTA PRIUS 1.8L 92
CHEVROLET CRUZE 1.8L 151
MAZDA 6 1.8L 155
(Instituto para la diversificacion y ahorro de la energia, 2013)
8 a consumir 20 L/100 km, mientras que el vehículo híbrido puede llegar a consumir 8L/100km (Comparación entre vehículos con motores de similar cilindrada). (Instituto para la diversificacion y ahorro de la energia, 2013)
Tabla 4 . Comparación de consumo de combustible combinado (carretera-urbano)
(Instituto para la diversificacion y ahorro de la energia, 2013)
La regeneración de energía que produce al momento de frenar el vehículo y de la desaceleración al momento de bajar la velocidad sin el uso de los frenos. Los vehículos híbridos aprovechan este tipo de energía para energizar componentes dentro del auto y al motor eléctrico. (Díaz, 2012)
Es mucho menos ruidoso que un coche convencional ya que su motor eléctrico es extremadamente silencioso. Lo mismo sucede cuando se produce el cambio de un motor a otro, ya que también el motor de combustión interna, al estar complementado por el motor eléctrico se ve menos forzado y así funciona más silencioso que el motor de un coche convencional. (Sociedad de Técnicos de Automoción (STA), 2011)
Modelo Consumo L/Km
TOYOTA PRIUS 1.8L 4.0
CHEVROLET CRUZE 1.8L 6.4
9
2.2. CONFIGURACIÓN DEL VEHÍCULO HÍBRIDO
Los vehículos híbridos tienen diferentes disposiciones de los elementos que los componen por lo que se clasifican en sistemas híbridos en serie, sistemas híbridos en paralelo y sistemas híbridos combinados o mixtos
Sistemas Híbridos En Serie
Los vehículos híbridos en serie son impulsados solamente por el motor eléctrico que es alimentado por un generador movido por el motor de combustión interna el cual a su vez carga las baterías como se muestra en la figura 1, en donde el generador representa al moto generador principal (MG1), el motor eléctrico representa el moto generador secundario (MG2) y la unidad de control se trata del Sistema Inversor. El vehículo con mayor autonomía eléctrica utiliza esta configuración, estamos hablando del Chevrolet Volt de General Motors. (Sociedad de Técnicos de Automoción (STA), 2011)
10
Sistemas Híbridos En Paralelo
A pesar de que en este sistema las ruedas son accionadas por el motor de combustión interna y el motor eléctrico, la fuente de propulsión principal es el motor térmico debido a la poca autonomía que presentan la batería híbrida, mientras que el motor eléctrico es un apoyo de potencia en la aceleración y potencia al motor como se muestra en la figura 2 y al frenar o desacelerar aprovecha esa energía para cargar las baterías. (e-auto.com.mx, 2013).
El transporte público con mayor demanda en la ciudad de Quito es un vehículo híbrido con este sistema, hablamos del Trolebús-Q.
Figura 2. Configuración del Sistema en paralelo
Sistemas Híbridos Combinado O Mixto
11 tener mayor rendimiento del vehículo como se muestra en la figura 3, en este sistema el motor térmico puede dar propulsión a las ruedas y generar energía a las baterías mediante el generador (MG1). El vehículo híbrido más vendido en el mundo tiene este sistema, estamos hablando del Toyota Prius. (e-auto.com.mx, 2013).
Figura 3. Configuración del Sistema Combinado o Mixto
2.3. IMPACTO AMBIENTAL DE UN HIBRIDO
12 Tabla 5. Niveles de emisión en Decibeles
Fuente de ruido Niveles de emisión en dB(A)
Vehículo Híbrido 69-73
Vehículo de turismo 70-77
Tractor 77-85
Camión 80-90
Discoteca 90-110
Avión 110-130
(Castells, 2012)
A pesar de que las compañías automotrices han estado en la pelea de ser lo más ecológicas posibles pero con la mentalidad de no perder eficiencia y performance de los automóviles; Toyota es una de las compañías más grandes que invierte en estudios para crear nuevas tecnologías y vehículos más limpios o que menos impacto ambiental tienen, por eso Toyota desarrollo el sistema híbrido con modelo Prius. (e-auto.com.mx, 2013).
13 por el motor eléctrico se ve menos forzado, teniendo un funcionamiento mucho menos ruidoso que el de un vehículo convencional. (Castells, 2012) (Ludevid, 2009).
Fue el primer vehículo producido en serie, lanzado en el año 1997 en el mercado japonés. Para el 2001 el Toyota Prius comenzó a expandirse a otros mercados, en el 2008 las ventas alcanzaron el millón de Prius, al año siguiente llegaron a los dos millones, y ya en el 2011 se vendía en más de 70 países, con primacía de Estados Unidos y Japón. Este modelo de automóvil respeta la economía y el medio ambiente.
2.4. EL PRIUS Y SUS GENERACIONES
Se debe aclarar que el Prius no es un automóvil eléctrico, ya que la tercera versión de este modelo cuenta con un motor de gasolina de 1,8 litros de cilindrada (en las anteriores el cilindraje era de 1.5 litros), que trabaja coordinadamente con un motor eléctrico, en una configuración híbrida. El motor eléctrico sirve de apoyo al de gasolina para encontrar las condiciones ideales de funcionamiento, e incluso en determinadas condiciones puede mover independientemente al auto, que en tal caso se desplaza sin consumir combustible y reduce el ruido del motor.
El motor eléctrico se alimenta de una serie de baterías que se recargan
mientras el automóvil está en movimiento, lo que se conoce como Hybrid
14 Además posee otra estrategia de ahorro de combustible, a través de la cual el motor de gasolina se apaga en las constantes detenciones que se dan en el tráfico como es muy característico en Quito.
El Toyota Prius supera los problemas de baja autonomía, largo tiempo de recarga y escasas prestaciones de los vehículos eléctricos, y se convierte en el automóvil con motor de combustión interna de más alto rendimiento y más bajas emisiones disponible actualmente, según la normativa de la Unión Europea.
También el Prius utiliza un sistema de transmisión continuamente variable denominado E-CTV. La palanca de selección está sobre el tablero y tiene cuatro posiciones: D, R, N y B. Los primeros son los habituales Drive y Reverse y la B es un modo en el que el sistema ofrece mayor resistencia al avance para facilitar los descensos y frenadas. No hay posición de parqueo, ya que en el Prius se activa con un botón independiente. Carece de caja de cambios y no tiene marcha atrás, sino que invierte el sentido de giro del motor eléctrico principal para retroceder.
Para arrancar el vehículo, la llave debe estar dentro de su ranura, o simplemente, en el interior del vehículo, se pisa el freno y se presiona el botón Power, que enciende el motor. El arranque usualmente solo emplea el motor eléctrico, por lo cual es inmediato y silencioso. El manejo es distinto al que se puede experimentar en un auto convencional. La activación de cada motor es completamente imperceptible para el conductor, y lo único que se percibe es el silencio y la suavidad en cada maniobra.
15 En mayo de 2000, Toyota lanzó al mercado la primera generación del vehículo en América del Norte. Se vendieron aproximadamente cincuenta mil Prius (modelo 2001-2003) y la firma publicó una guía de respuestas ante emergencias (Toyota, 2015).
Con el lanzamiento de la 2ª generación del Prius en octubre de 2003 se publicó
una nueva Guía de respuesta ante emergencias (Toyota Motor Corporation,
2004). Pese a que gran parte de las características son similares al modelo de la 1ª generación, los servicios de emergencias deben reconocer y comprender las nuevas características actualizadas:
Actualización completa del modelo con un nuevo diseño exterior e interior.
Adopción del nombre Hybrid Synergy Drive para el sistema híbrido de
gasolina y eléctrico Toyota. El sistema Hybrid Synergy Drive incluye un
convertidor elevador en el conjunto del inversor que aumenta la tensión disponible para el motor eléctrico hasta los 500 V. Este permite reducir la tensión de la batería del vehículo híbrido de alta tensión a 201 V.
Se añadió un compresor de aire acondicionado que funciona con un motor
eléctrico de alta tensión de 201 V.
Se incluyó un nuevo selector electrónico del cambio de la transmisión
automática.
Se eliminó el interruptor de encendido convencional para incluir un nuevo
16
Están presentes airbags frontales, airbags laterales para los pasajeros
delanteros (opcionales) y airbags de cortina para los pasajeros delanteros y
traseros (opcionales).
Entre los temas adicionales recogidos en la guía se incluyen la identificación del Toyota Prius; las ubicaciones y descripciones de los componentes principales
del sistema Hybrid Synergy Drive; información acerca del rescate, incendios, de
recuperación y respuestas de emergencia adicionales; e información de asistencia en carretera.
Los modelos de los Prius son los siguientes y se encuentran detallados en la figura 4 y figura 5.
Modelo de 2001-2003 (1ª generación)
17
Modelo de 2004 (2ª generación)
Figura 5. Toyota Prius, 2ª generación (Toyota Motor Corporation, 2004)
El Toyota Prius continúa siendo en su 2ª generación un vehículo híbrido de gasolina y eléctrico. Cuenta con dos fuentes de alimentación de energía incorporado:
- Gasolina almacenada en el depósito de combustible para el motor de combustión interna de 4 tiempos.
- Electricidad almacenada en una batería para vehículo híbrido (HV) de alta tensión para el motor eléctrico y el funcionamiento del inversor.
Como resultado, se consume menos combustible y se reducen las emisiones. El motor de gasolina alimenta también un generador eléctrico para recargar la batería; por lo que el Prius no necesita recargarse desde una fuente de alimentación eléctrica externa.
18 vehículo es propulsado por el motor eléctrico y el motor de gasolina está apagado; durante la conducción normal es propulsado principalmente por el motor de gasolina, como se muestra en la figura 6.
Figura 6. Condiciones de trabajo (Toyota Motor Corporation, 2004)
En aceleraciones a fondo como, por ejemplo, al subir una pendiente, el vehículo es propulsado tanto por el motor de gasolina como por el eléctrico. Durante la desaceleración (al frenar) el vehículo regenera la energía cinética de las ruedas delanteras para producir electricidad y recargar la batería. Con el vehículo detenido, el motor de gasolina y el eléctrico están apagados, no obstante, el vehículo permanece encendido y operativo (Toyota Motor Corporation, 2004).
La siguiente figura 7 resume estas características:
19
El Prius 2004 es un hatchback de cinco puertas. El número de identificación con
diecisiete caracteres alfanuméricos se encuentra en el cubretableros del parabrisas delantero y en el montante de la puerta del conductor. El modelo Prius se identifica mediante los primeros seis caracteres.
Cuenta con un selector electrónico del cambio de la transmisión automática montado en el salpicadero, en cuyo centro se hallan un grupo de instrumentos: velocímetro, indicador de combustible, indicador Ready e indicadores de advertencia. Una pantalla LCD muestra el consumo de combustible, el control de energía, de la radio y del A/C.
El motor de gasolina tiene una capacidad de 1,5 litros, y está hecho de una aleación de aluminio (Toyota Motor Corporation, 2004).
Sus componentes principales y su ubicación son las siguientes:
Batería auxiliar de 12 V ubicada en el espacio de carga, lado del pasajero
(es una batería de plomo y ácido de baja tensión que controla todo el equipo
eléctrico a excepción del motor eléctrico, el generador, el
inversor/convertidor y el compresor del A/C).
Batería del vehículo híbrido (HV), ubicada en el espacio de carga, montada
en el travesaño, detrás del asiento trasero (es una batería de níquel e hidruro metálico (NiMH) de 201 V que consta de 28 módulos de baja tensión (7,2 V) conectados en serie).
Cables eléctricos en la parte inferior del vehículo y compartimiento del motor
20
El inversor/convertidor que se encuentra ubicado en el compartimiento del
motor aumenta y convierte la electricidad de alta tensión de la batería HV a electricidad de CA trifásica que impulsa el motor eléctrico.
También convierte la electricidad de CA del generador eléctrico y del motor
cuando esta en estado de la frenada regenerativa en CC para recargar la batería HV.
El motor de gasolina se encarga de dos funciones: impulsar el vehículo e
impulsar el generador encargado de recargar la batería HV. El ordenador del vehículo controla el encendido y apagado del motor.
El motor eléctrico que se ubica en el compartimiento del motor de gasolina
es también un motor eléctrico de CA trifásica con imanes permanentes integrado en el transeje y se utiliza para impulsar el vehículo.
El generador eléctrico genera CA trifásica integrado en el transeje. Se utiliza
para recargar la batería HV.
El compresor del A/C (compartimiento del motor) funciona con un motor
eléctrico de CA trifásica.
El depósito de combustible suministra gasolina al motor a través de una
tubería de combustible. La tubería de combustible pasa por el lado del pasajero, bajo la bandeja del piso (Toyota Motor Corporation, 2004).
21 Figura 8. Especificaciones generales
(Toyota Motor Corporation, 2004)
2.5. MEDIDAS DE SEGURIDAD PARA ALTA TENSIÓN
La batería HV alimenta el sistema eléctrico de alta tensión mediante electricidad de CC. Los cables eléctricos de alta tensión positivo y negativo van desde la batería, pasando por debajo de la bandeja del piso del vehículo, hasta el inversor/convertidor. El inversor/convertidor contiene un circuito que aumenta la tensión de la batería HV de 201 a 500 V CC. El inversor crea CA trifásica para alimentar los motores situados en el compartimiento del motor. Los cables eléctricos van del inversor a cada uno de los motores de alta tensión (motor eléctrico, generador eléctrico y compresor del A/C) en grupos de tres (Toyota Motor Corporation, 2004).
22 ante cualquier cortocircuito de la batería HV. También los cables de alta tensión (positivo y negativo) que se conectan a la batería HV son controlados por relés de 12 V que generalmente están abiertos y, al apagar el vehículo, impiden que el flujo eléctrico abandone la batería. Como se encuentran aislados del chasis de metal, no se producen descargas al tocarlo. En adición, el sistema está habilitado con un control de fallos en la conexión a masa, y en caso de detectarse se encenderá un indicador de advertencia tanto en el grupo de instrumentos como en la pantalla LCD. De existir una colisión, los relés de la
batería se abrirán para interrumpir el flujo de electricidad y activar los airbags
(Toyota Motor Corporation, 2004).
2.6. SISTEMAS COMPLEMENTARIOS DEL INVERSOR
2.6.1. MOTO-GENERADORES
23 Figura 9. Moto-generadores
(Toyota Motor Corporation, 2004)
2.6.2. MG1
24 Tabla 6. Ficha Técnica de un MG1 del Toyota Prius 2010
(Urdiales & Limón, 2012)
2.6.3. MG2
25 máxima de 60 Kw y un Par máximo de 207 Nm pero acoplado al reductor de velocidad (mencionado anteriormente) este se eleva a 546 Nm; 146 Nm mas que el Moto-generador incluido en la anterior versión del Toyota Prius el cual entregaba 400 Nm (Mendez, 2008) (Manual Toyota Motor Corporation, 2009); sus especificaciones se muestran a continuación en la Tabla 7:
Tabla 7. Ficha Técnica de un MG2 del Toyota Prius 2010
26 2.6.4. CABLES ELÉCTRICOS
Los cables eléctricos de alta tensión del sistema híbrido de los Toyota son de color naranja y su función es conducir corriente continua (DC) de alta tensión desde la batería HV hasta el inversor y viceversa, también transportan corriente alterna trifásica (AC) desde el inversor hasta el generador MG1, el moto-generador MG2 y el compresor eléctrico de aire acondicionado (A/C) tal como se observa en la figura 10. (Manual Toyota Motor Corporation, 2009)
Figura 10. Conjunto de cables de alta tensión (Toyota Motor Corporation, 2010)
2.6.5. CONJUNTO DE LA BATERÍA HV (HIGH VOLTAGE)
27 celdas del conjunto de baterías es en gel para minimizar cualquier riesgo de fugas, también está protegida por carcasas metálicas, el conjunto de la batería HV cuenta con una ECU HV, situada junto a la batería HV, para poder controlar y conocer el estado de carga y temperatura de la batería, para poder realizar diagnósticos y crear códigos de falla (DTC) si es el caso, como se observa en la figura 11. (Augeri, 2012) (Amaguaya & Cachupud, 2011) (Urdiales & Limón, 2012), a continuación se muestran las especificaciones en la Tabla 8:
28 Tabla 8. Especificaciones de la batería híbrida del Prius 2010
(Catálogo Toyota Prius 3ra Generación, 2010)
2.6.6. ELECTRÓNICA EN POTENCIA
La expresión electrónica en potencia se utiliza para diferenciar el tipo de aplicación que se le da a dispositivos electrónicos, en este caso para transformar y controlar voltajes y corrientes de niveles significativos. Se diferencia así este tipo de aplicación de otras de la electrónica denominadas de baja potencia o también de corrientes débiles
29 manejo de corrientes y voltajes en aplicaciones de potencia, esto al conformar equipos denominados convertidores estáticos de potencia. (Wikipedia, 2012) De esta manera, la electrónica de potencia permite adaptar y transformar la energía eléctrica para distintos fines tales como alimentar controladamente otros equipos, transformar la energía eléctrica de continua a alterna o viceversa, y controlar la velocidad y el funcionamiento de máquinas eléctricas, etc.
mediante el empleo de dispositivos electrónicos, principalmente
semiconductores. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control, sistemas de compensación de factor de potencia y/o de armónicos como para suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión de sistemas eléctricos de potencia de distinta frecuencia. (Wikipedia, 2012)
El principal objetivo de esta disciplina es el manejo y transformación de la energía de una forma eficiente, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales generadores de pérdidas por efecto Joule (se conoce como efecto Joule al fenómeno irreversible por el cual si en un conductor circula corriente
eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor
debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el
que circulan, elevando la temperatura del mismo). Los principales dispositivos
utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así como semiconductores trabajando en modo corte/saturación (on/off, encendido y apagado). (Wikipedia, 2012)
2.6.6.1. Dispositivos semiconductores de potencia
Para estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de potencia, los cuales derivan del diodo o el transistor, entre estos se encuentran los siguientes:
30
Transistor IGBT, sigla para Insulated Gate Bipolar Transistor, Transistor
Bipolar con compuerta aislada
Tiristor GTO, sigla para Gated Turnoff Thyristor, Tiristor apagado por
compuerta
Tiristor IGCT, sigla para Insulated Gate Controlled Thyristor, Tiristor
controlado por compuerta
Tiristor MCT, sigla para MOS Controlled Thyristor
2.6.6.2. Convertidores de la energía eléctrica
Conversión de potencia es el proceso de convertir una forma de energía en otra, esto puede incluir procesos electromecánicos o electroquímicos, dichos dispositivos son empleados en equipos que se denominan convertidores estáticos de potencia, clasificados en:
Rectificadores: convierten corriente alterna en corriente continua
Inversores: convierten corriente continua en corriente alterna
Cicloconversores: convierten corriente alterna en corriente alterna de otra
frecuencia menor
Choppers: convierten corriente continua en corriente continua de menor
o mayor tensión
31 2.6.6.3. Aplicaciones
Las principales aplicaciones de los convertidores electrónicos de potencia son las siguientes:
Fuentes de alimentación: En la actualidad han cobrado gran importancia
un subtipo de fuentes de alimentación electrónicas, denominadas fuentes de alimentación conmutadas. Estas fuentes se caracterizan por su elevado rendimiento y reducción de volumen necesario. El ejemplo más claro de aplicación se encuentra en la fuente de alimentación de los ordenadores. (Wikipedia, 2012)
Control de motores eléctricos: La utilización de convertidores electrónicos
permite controlar parámetros tales como la posición, velocidad o par suministrado por un motor. Este tipo de control se utiliza en la actualidad en los sistemas de aire acondicionado. Esta técnica, denominada
comercialmente como "inverter" sustituye el antiguo control
encendido/apagado por una regulación de velocidad que permite ahorrar energía. Asimismo, se ha utilizado ampliamente en tracción ferroviaria, principalmente en vehículos aptos para corriente continua (C.C.) durante las décadas de los años 70 y 80, ya que permite ajustar el consumo de energía a las necesidades reales del motor de tracción, en contraposición con el consumo que tenían los vehículos controlados por resistencias de arranque y frenado. Actualmente el sistema chopper sigue siendo válido, pero ya no se emplea en la fabricación de nuevos vehículos, puesto que actualmente se utilizan equipos basados en el motor trifásico, mucho más potente y fiable que el motor de colector.
Calentamiento por inducción: Consiste en el calentamiento de un
32 electrónicos de frecuencia. La aplicación más vistosa se encuentra en las cocinas de inducción actuales.
Otras: Como se ha comentado anteriormente son innumerables las
aplicaciones de la electrónica de potencia. Además de las ya comentadas destacan: sistemas de alimentación ininterrumpida, sistemas de control del factor de potencia, balastos electrónicos para iluminación a alta frecuencia, interfase entre fuentes de energía renovables y la red eléctrica, etc. (Wikipedia, 2012)
Las líneas de investigación actuales buscan la integración de dispositivos de potencia y control en un único chip, reduciendo costes y multiplicando sus potenciales aplicaciones. No obstante existen dificultades a salvar como el aislamiento entre zonas trabajando a altas tensiones y circuitería de control, así como la disipación de la potencia perdida.
2.6.7. INVERSOR EN LA ELECTRÓNICA
33 Figura 12. Inversor de voltaje de 24 V
(Dispositivos y componentes eléctricos, 2011)
2.6.7.1. Funcionamiento
Un inversor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual se utiliza para interrumpir la corriente entrante y generar una onda rectangular, esta onda rectangular alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciéndola parecer un poco más una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario. La forma de onda de salida del voltaje de un inversor ideal debería ser sinusoidal. Una buena técnica para lograr esto es utilizar la técnica de PWM logrando que la componente principal senoidal sea mucho más grande que las armónicas superiores. (Wikipedia, 2012)
34 Se pueden utilizar condensadores e inductores para suavizar el flujo de corriente desde y hacia el transformador, además, es posible producir una llamada "onda senoidal modificada", la cual se genera a partir de tres puntos: uno positivo, uno negativo y uno de tierra. Una circuitería lógica se encarga de activar los transistores de manera que se alternen adecuadamente. Los inversores de onda senoidal modificada pueden causar que ciertas cargas, como motores, por ejemplo; operen de manera menos eficiente como se observa en la figura 13. (Wikipedia, 2012)
35 Los inversores más avanzados utilizan la modulación por ancho de pulsos con una frecuencia portadora mucho más alta para aproximarse más a la onda seno o modulaciones por vectores de espacio mejorando la distorsión armónica de salida. También se puede predistorsionar la onda para mejorar el factor de potencia (cos Φ). (Wikipedia, 2012)
Los inversores de alta potencia, en lugar de transistores utilizan un dispositivo de conmutación llamado IGBT (Insulated Gate Bipolar transistor ó Transistor Bipolar de Puerta Aislada). (Wikipedia, 2012)
2.7. SISTEMA INVERSOR DEL TOYOTA PRIUS
Este componente es parte fundamental del vehículo Híbrido el cual incorpora una gran cantidad de elementos electrónicos y eléctricos tales como transistores, módulos, etc, pero toda la gestión de funcionamiento es controlada por la unidad de control del sistema Hibrido ECU HV, esta última se encarga de controlar al inversor y generar cualquier tipo de diagnóstico del mismo incluidos los DTC o códigos de falla del sistema inversor, el cual se observa en la figura 14.
36 Dentro del conjunto que se conoce como Inversor, el cual convierte la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA) y a su vez la corriente alterna generada se convierte en corriente continua, podemos encontrar varias etapas o sistemas independientes.
Dentro de las funciones de este elemento se tienen por ejemplo:
• Permitir el control de los Moto Generadores MG1 – MG2 con un circuito constituido en su interior (que toma la tensión de la Batería de alto Voltaje HV la cual se encuentra en 220 VCC aproximadamente) y mediante un circuito de potencia generar una corriente alterna en tres fases que permita el movimiento de los motores eléctricos, el sistema sin carcaza se observa en la figura 15. (Urdiales & Limón, 2012)
Figura 15. Sistema inversor observado internamente (Toyota Motor Corporation, 2010)
37 • Permitir que mediante la tensión de la batería de alto voltaje HV, se pueda convertir la tensión a 12 V para mantener la carga a una batería de 12 V que funciona para accesorios, equipos eléctricos y electrónicos y mecanismos convencionales. (Urdiales & Limón, 2012)
• Permitir la carga de la batería de alta Tensión mediante los Moto Generadores MG1 y MG2, esto con una electrónica basada en transistores IGBT y rectificadores controlada por la unidad de control del sistema Hibrido ECU HV.
• Permitir el movimiento del Moto Generador 1 -MG1 - en condición de arranque para el motor de combustión interna.
Es un sistema que trabaja basándose en las señales proporcionadas por la Unidad de Control Electrónico (ECU) del Vehículo Híbrido (HV). El inversor de esta manera convierte una corriente continua procedente de la batería del HV a corriente alterna para el Moto Generador 1 (MG1) y Moto Generador 2 (MG2), o de manera opuesta, como se muestra en la figura 16.
38 Además de esto, el inversor suministra corriente alterna desde MG1 para la corriente alterna del MG2. No obstante, cuando la electricidad se suministra desde el MG1 al MG2, la electricidad se convierte a Corriente continua (CC) dentro del inversor. (Los autos híbridos, 2012)
La ECU de HV envía una señal al transistor de potencia del inversor para el conmutador de fase U (entrada de tensión), V (elevación de tensión), y W (salida de tensión) de la bobina del estator de MG1 y MG2, basándose en la información de la posición del rotor que previamente ha sido enviada desde el MG1 y el MG2 además de la señal de referencia de la batería HV enviada desde la ECU de la misma batería. Cuando se desconecta la corriente de MG1 y MG2, se envía una señal al inversor desde de la ECU de HV.
La siguiente figura 17 ilustra lo explicado previamente:
39 Cabe recalcar que toda la actividad de los transistores de potencia es controlada por la misma ECU de HV. Además, el inversor transmite la información necesaria para controlar la corriente, tal como el amperaje de salida o la misma tensión hacia la ECU de HV. (Los autos híbridos, 2012)
También es importante recordar que el MG1 y el MG2, incluyendo el inversor, son enfriado por el radiador de manera exclusiva, es decir, separado del sistema de refrigeración del motor de combustión interna.
2.7.1. SISTEMA GENERADOR
El sistema generador es el elemento que se encarga de transformar en electricidad el trabajo del motor térmico; puede también funcionar como motor de arranque del motor térmico de combustión interna. Este generador es de corriente alterna y en condiciones extremas gira al doble de régimen que el motor térmico de combustión interna. (Díaz, 2012)
2.7.2. SISTEMA CONVERTIDOR DE ELEVACIÓN DE TENSIÓN
40
Figura 18. Diagrama del sistema convertidor (Official Toyota Info, 2015)
2.7.3. EL MOTOR ELÉCTRICO
Este motor eléctrico lo fabrica la empresa dependiendo del vehículo híbrido que sea, en este caso Toyota. Es un motor de imanes permanentes de neodimio (elemento químico), el cual funciona a 500 Voltios (V) y puede dar 50 Kilowatt (kW) entre 1200 y 1540 revoluciones por minuto (rpm) y su par máximo viene a ser 400 Newton Metros (Nm) hasta 1200 rpm.
Basándose en detalles más específicos, tiene un peso aproximado de 105 kilogramos (kg) y según ha declarado Toyota: “No hay otro motor eléctrico en el mundo, ni en ningún otro sector de la industria, que dé más potencia con menos tamaño y peso que este”. (Toyota Motor Corporation, 2010)
2.7.4. SISTEMA CONVERTIDOR DE CC/CC
41 Puesto que el generador del Toyota Hybrid System II (THS-II) emite una tensión nominal de 201,6 V CC, el convertidor se usa para transformar la tensión desde 201,6 V CC a 12 V CC para recargar la batería auxiliar, como se muestra en la figura 19. El convertidor está instalado en la parte inferior del inversor. (Los autos híbridos, 2012)
Figura 19. Diagrama del sistema convertidor CC/CC (Priuschat, 2015)
2.7.5. SISTEMA DE REFRIGERACION DEL INVERSOR, MG1 Y MG2
42 Figura 20. Conjunto de refrigeración del sistema inversor
(Priuschat, 2015)
Dadas las condiciones normales de operación en el vehículo este elemento requiere evacuar calor, para esto cuenta con un sistema independiente de refrigeración con refrigerante y con una bomba eléctrica adicional, esto último para permitir que la electrónica cuente con la seguridad necesaria para su óptimo desempeño, en la siguiente figura 21 siguiente se pueden observar estos conductos para enfriamiento, además que el modo de refrigeración del sistema inversor es mediante un refrigerante automotriz de color rojo, el mismo que se utiliza en el sistema de refrigeración de cualquier vehículo.
43 presenta la fiebre, al aplicarlo la temperatura baja considerablemente y este mismo principio se utiliza con este gel que se encuentra en la base inferior del conjunto inversor estando muy cerca de las celdas de refrigeración, el cual en un caso de emergencia entra en acción reduciendo el incremento de temperatura y favoreciendo al correcto funcionamiento del sistema eléctrico que compone el conjunto inversor; cabe recalcar que este gel no brinda una refrigeración a largo plazo, es por eso que una vez presentada la falla en el sistema de refrigeración principal se debe realizar el mantenimiento correspondiente.
44 2.7.6. MÓDULO DEL SISTEMA INVERSOR DEL TOYOTA PRIUS
Este componente es una parte fundamental del vehículo híbrido, ya que incorpora una gran cantidad de elementos electrónicos y eléctricos. A pesar de eso, toda la gestión de funcionamiento es controlada por la unidad de control del sistema híbrido ECU HV, encargada de controlar al inversor y generar cualquier tipo de diagnóstico del mismo, incluidos los Códigos de Falla (DTC).
Al interior del conjunto conocido como inversor pueden encontrarse varias etapas o sistemas independientes: debe permitirse que se dé el control de los MG1-MG2 con un circuito constituido en su interior y mediante un circuito de potencia que genera una corriente alterna en tres fases que permita el movimiento de los motores eléctricos; un motor eléctrico acciona el mecanismo del acondicionador de aire, puesto que el motor de combustión interna se apaga por momentos aunque el auto siga en movimiento; es así que dadas las condiciones normales de operación en el vehículo, este elemento requiere evacuar calor, y para esto cuenta con un sistema independiente de refrigeración con refrigerante y una bomba eléctrica adicional. (Los autos híbridos, 2012)
Esto se ha hecho para permitir que la electrónica cuente con la seguridad necesaria para su óptimo desempeño.
2.7.7. INSTALACIÓN Y ELEMENTOS DE ALTA TENSIÓN
45 En cierto modo para reducir peso y también precio, la red de cables de alta tensión no es de cobre, sino de aluminio. Por ello hay sensores que cortan instantáneamente la corriente en caso de accidente o cortocircuito, como se ve en la figura 22.
La tensión de funcionamiento del circuito de alta tensión varía en función de la evolución del sistema híbrido THS. (Cise Electronics, 2011)
46
2.8. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA HYBRID SYNERGY
DRIVE (HSD)
El sistema Hybrid Synergy Drive (HSD) es el nombre que le dio Toyota al sistema de propulsión híbrida que combina dos motores eléctricos con un motor de gasolina de 1.8 litros, el cual funciona de la siguiente manera:
Aceleración Inicial o puesta en marcha:
Durante la aceleración inicial y a bajas revoluciones, figura 23, utiliza energía de la batería para mover el vehículo, en este caso solo el MG2 impulsa el vehículo, cuando el nivel de energía es bajo utiliza el motor de combustión interna para dar potencia al generador (MG1) y recargar la batería HV. (Ferrer & Domínguez, 2008).
Figura 23. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en aceleración inicial
Conducción Normal:
47 motor convencional pasa a ser la principal fuente de energía transmitiendo su potencia directamente a las ruedas, el generador (MG1) también trabaja como generador alimentando el motor eléctrico (MG2), el Hybrid Synergy Drive siempre trata de mantener la relación óptima entre la potencia de ambos motores para la disminución de gases emitidos y el ahorro de combustible del vehículo. (Urdiales & Limón, 2012) (Ferrer & Domínguez, 2008)
Figura 24. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en conducción normal.
Aceleración fuerte:
48
Figura 25. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en aceleración fuerte
Desaceleración y frenado:
Al dejar de acelerar y luego pisar el pedal del freno, el motor eléctrico (MG2) se convierte en generador y comienza a cargar la batería HV, mientras tanto, con la palanca de cambios en posición D, el motor de combustión interna se apaga para no consumir combustible, pero con la palanca de cambios en posición B el motor de combustión interna gira para dar freno motor y dar un apoyo extra a la batería HV con una carga más efectiva, como se muestra en la figura 26. (Manual Toyota Motor Corporation, 2009)
49
Marcha atrás o Retro:
Al colocar la palanca de cambios en posición R cuando se requiere un retroceso del vehículo, es netamente impulsado por el motor eléctrico (MG2) y el motor de combustión interna se enciende cuando es requerido para cargar la batería HV, caso contrario permanece apagado hasta el momento que sea requerido de nuevo, como se muestra en la figura 27. (Urdiales & Limón, 2012)
Figura 27. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en marcha atrás
Detención o parada:
51
3. METODOLOGÍA
El tipo de metodología que se utilizará en el presente análisis es descriptiva en primera instancia, el análisis empezará de esta forma y continuará avanzando hasta llegar a temas relacionados con los componentes, funcionamiento y estructura del auto híbrido, específicamente en lo que se refiere al sistema inversor del vehículo híbrido, dando cierta relevancia a los elementos que aportan a su trabajo, tanto en su estructura como en su funcionamiento.
El análisis, reconocimiento y manipulación de los componentes se harán en un taller automotriz previamente escogido, ya que este cuenta con todas las herramientas necesarias para desarmar partes elementales del vehículo como son: carcazas de protección del inversor, sistema de refrigeración, cubiertas plásticas de acceso a la batería; ya que con estos elementos ensamblados no se puede acceder al sistema inversor de manera práctica.
Una vez que se termine la fase de análisis, reconocimiento y manipulación, se pasará a la fase de desarmado del conjunto inversor, aquí se utilizará el método de análisis práctico-didáctico para observar y reconocer el funcionamiento que tiene este sistema en el vehículo híbrido.
52 Además otra de las razones por la cual se utiliza un inversor adicional, es debido a que este elemento es una parte vital y primordial del funcionamiento adecuado de un vehículo híbrido, además teniendo en cuenta que la manipulación incorrecta del mismo provocaría un daño grave el cual se soluciona intentando repararlo o como resultado más grave únicamente cambiando todo el sistema inversor, lo que sería un punto negativo en relación al uso que podrían tener los alumnos de la universidad.
Una vez aclarado este aspecto, se da como punto de partida que el inversor del vehículo Prius únicamente fue desarmado, visualizado y manipulado superficialmente, y el desarmado de piezas claves se realizó en el inversor del vehículo Highlander.
3.1 ENFOQUE GENERAL
53 Figura 29. Especificaciones técnicas Toyota Prius 2010
(Toyota Motor Corporation, 2010)
Se describirá en el análisis detalladamente la ubicación de cada elemento que forma parte del sistema inversor del vehículo, así como su funcionamiento. El fin de este análisis es aportar una fuente de información para capacitación de todos los estudiantes de la carrera de Ingeniería Automotriz en la Universidad Tecnológica Equinoccial, ya que actualmente la cantidad de información disponible sobre nuevas tecnologías, vehículos híbridos y sistemas complejos como el Inversor Híbrido, es muy limitada todavía en el país.
3.2. HERRAMIENTAS/TÉCNICAS
54 Figura 30. Toyota Prius 2010, tercera generación
Las herramientas que van a usarse para el desarrollo de este análisis son:
Vehículo Híbrido, Toyota Prius que se observó en la figura 30.
Llaves y destornilladores
55 Figura 31. Guantes aislantes para descargas eléctricas
Cámara de fotografías
Inversor Toyota Prius, como se observa en la figura 32
56
Software TechStream de Toyota, como se observa en la figura 33.
Figura 33. Software de diagnóstico automotriz TechStream de Toyota
La técnica que se utiliza es realizar un análisis didáctico y práctico directamente en el vehículo. Cuando se encuentre deshabilitado de todas sus fuentes de corriente, mediante la utilización del software TechStream, juntamente con la manipulación del sistema Inversor, para posteriormente analizar todos los datos obtenidos en función de lograr los objetivos de esta investigación y de esta manera culminar el análisis propuesto.
57
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Antes de iniciar con este capítulo se dará un breve resumen del sistema Inversor del vehículo Prius para recordar su funcionamiento y características principales; En el Sistema Inversor del Toyota Prius dentro de las funciones principales de este elemento se tienen por ejemplo:
• Permitir el control de los Moto Generadores MG1 – MG2 con un circuito constituido en su interior (que toma la tensión de la Batería de alto Voltaje HV la cual se encuentra en 220 VCC aproximadamente) y mediante un circuito de potencia generar una corriente alterna en tres fases que permita el movimiento de los motores eléctricos. (Urdiales & Limón, 2012)
• Permitir mediante la tensión de la Batería de alto Voltaje HV, generar una corriente alterna en tres fases que es utilizada para mover un motor eléctrico que acciona el mecanismo del aire acondicionado, puesto que el motor de combustión interna se apaga por momentos aunque el auto siga en movimiento.
• Permitir que mediante la tensión de la batería de alto voltaje HV, se pueda convertir la tensión a 12 V para mantener la carga a una batería de 12 V que funciona para accesorios, equipos eléctricos y electrónicos y mecanismos convencionales. (Urdiales & Limón, 2012)
• Permitir la carga de la batería de alta Tensión mediante los Moto Generadores MG1 y MG2, esto con una electrónica basada en transistores IGBT y rectificadores controlada por la unidad de control del sistema Hibrido ECU HV.
58 Es un sistema que trabaja basándose en las señales proporcionadas por la Unidad de Control Electrónico (ECU) del Vehículo Híbrido (HV). El inversor de esta manera convierte una corriente continua procedente de la batería del HV a corriente alterna para el Moto Generador 1 (MG1) y Moto Generador 2 (MG2), o de manera opuesta.
Basado en todo lo mencionado en la metodología y teniendo en cuenta que el principal objetivo de este estudio es realizar un análisis completo del sistema inversor, se realizaron procesos de desarmado y observación del sistema inversor, siguiendo todos los pasos de seguridad y es así que el análisis de resultado viene a ser didáctico y práctico, detallado a continuación
4.1. PROCESO DE DESARMADO
4.1.1. SEGURIDAD BÁSICA E INTRODUCCIÓN
Para el proceso de desarmado se deben tomar ciertas precauciones:
Desconectar el jumper (sistema que cumple la función de fusible que
permite el paso de corriente al sistema híbrido).
Desconectar la batería auxiliar de 12 V.
Observar que todas las fuentes de corriente estén desactivadas.
Manipular todos los elementos con guantes de seguridad.
59 existente en los cables de color naranja es capaz de matar a una persona y en el mejor de los casos dejarle quemaduras de alta gravedad.
Es importante también conocer que función cumplen cada uno de los cables que conectan el sistema inversor, estas funciones ya fueron explicadas en el marco teórico, es así que se puede conocer estas características con un diagrama eléctrico del sistema inversor, como se observa en la figura 34.
Figura 34. Diagrama eléctrico del Sistema Inversor (Toyota Motor Corporation, 2010)
4.1.1.1. Módulo IPM
Este módulo genera la conmutación a masa del reactor, utiliza transistores con
tecnología IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor – transistor bipolar de
60 permiten conmutar a altas frecuencias y cargas elevadas. Este módulo completa la salida de poder y sirve como protección lógica del circuito, el módulo desarmado se observa en la figura 35.
Figura 35. Módulo IPM del sistema Inversor (Toyota Motor Corporation, 2010)
Los IPM son módulos aislados, diseñados para aplicaciones de manejo de poder conmutado que operan en altas frecuencias, alrededor de 20 KHZ, contiene circuitos de control y sensores para una operación segura, contiene dos diodos de poder llamados free-wheel, esta denominación hace referencia hacia el voltaje y amperaje que manejen, las denominaciones varían entre fabricantes.
