UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
TEMA:
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN “SISTEMA ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO, PARA AUMENTAR LA AUTONOMÍA ELÉCTRICA DE UN
VEHÍCULO HÍBRIDO MARCA TOYOTA, MODELO PRIUS, ADAPTANDO UN SISTEMA PHEV (Plug-In Hybrid Electric Vehicle), EN UN SISTEMA
HEV (Hybrid Electric Vehicle)”.
AUTOR: EMILIO SANTIAGO GUEVARA GARZÓN
DIRECTOR: ING. JULIO MORALES
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2015 Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo EMILIO SANTIAGO GUEVARA GARZÓN, 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.
(Firma)
_________________________
(SANTIAGO GUEVARA)
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓN DE UN “SISTEMA ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO, PARA AUMENTAR LA AUTONOMÍA ELECTRICA DE UN VEHÍCULO HÍBRIDO MARCA TOYOTA, MODELO PRIUS, ADAPTANDO UN SISTEMA PHEV (Plug-In Hybrid Electric Vehicle), EN UN SISTEMA HEV (Hybrid Electric Vehicle)”, que, para aspirar al título de Ingeniero
Automotriz fue desarrollado por Santiago Guevara, 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.
(Firma)
(Julio Morales)
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
A mi familia, en especial a mis padres, Lourdes Garzón y Marco Guevara, quienes con su apoyo y esfuerzo me brindaron la oportunidad de realizar mis estudios a nivel Universitario y cumplir mis metas como estudiante. Y a quienes agradezco infinitamente por enseñarme valores y principios que me han servido a lo largo de mi vida.
AGRADECIMIENTO
En primer lugar a Dios, por bendecirme al recibir el mejor legado como son los estudios. A mis profesores, quienes entregaron su mayor esfuerzo para impartir los conocimientos que he adquirido durante la carrera Universitaria. Finalmente a mi familia y amistades por su incondicional apoyo.
i
ÍNDICE DE CONTENIDO
RESUMEN xii ABSTRACT xiv 1. INTRODUCCIÓN 1 2. MARCO TEÓRICO 22.1 HISTORIA, DISEÑO Y ESTRUCTURA DE LOS VEHÌCULOS
HÍBRIDOS 3
2.1.1 HÍBRIDOS EN SERIE 6
2.1.2 HÍBRIDOS EN PARALELO 7
2.1.3 HÍBRIDOS EN SERIE Y PARALELO 9
2.2 EL VEHÍCULO HÍBRIDO PIONERO 10
2.2.1 TOYOTA PRIUS 10
2.2.1.1 Vehículo sin movimiento 13
2.2.1.2 Inicio de la tracción 14
2.2.1.3 Velocidad normal 14
2.2.1.4 Aceleraciones fuertes 15
2.2.1.5 Freno regenerativo y desaceleración 16
2.2.1.6 Marcha atrás 17
2.3 PRINCIPALES ELEMENTOS DEL SISTEMA HÍBRIDO 20
2.3.1 MOTOR TÉRMICO 20
2.3.2 MOTOR ELÉCTRICO 22
2.3.3 TRANSMISIÓN 23
ii
2.3.4.1 E.C.U. HV (Control del Sistema Híbrido) 26
2.3.4.2 E.C.M. (Control de Motor De Combustión) 27
2.3.4.2 Skid control E.C.U. (Control de Derrape) 27
2.3.4.3 E.C.U. Battery hv (Control de la batería híbrida) 28
2.3.4.4 Brake E.C.U. (Unidad de Control de freno ABS) 28
2.3.4.5 E.C.U. Transmission (Control de la Caja) 28
2.4 BATERÍA DE ALTO VOLTAJE 29
2.4.1 CONTROL DE LA TEMPERATURA 31
2.4.2 CONTROL DE ALIMENTACIÓN DE VOLTAJE 32
2.4.3 SENSOR DE CORRIENTE 33
2.4 FUNCIONAMIENTO DEL INVERSOR 34
2.5.1 CIRCUITO ELEVADOR DE VOLTAJE 35
2.5.2 ALIMENTACIÓN DE LOS MOTOGENERADORES 36
2.5.3 SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO 39
2.5.4 RECARGA DE LA BATERÍA AUXILIAR 40
3.1 DISEÑO DEL SISTEMA ENCHUFABLE 41
3.2 ELEMENTOS DEL SISTEMA HÍBRIDO ENCHUFABLE 41
3.3 CARACTERÍSTICAS DEL VEHÍCULO TOYOTA PRIUS C 42
3.4 CARATERÍSTICAS DE LAS BATERÍAS DE ALTA TENSIÓN
HÍBRIDAS 42
3.5 COMPROBACIÓN DEL ESTADO DE CARGA DE LAS BATERÍAS 43
3.6 ELEMENTOS QUE CONFORMAN EL CARGADO DE BATERÍAS 47
iii
3.6.2 CAJA METÁLICA 48
3.6.3 PORTAFUSIBLE 49
3.6.4 FUSIBLE 50
3.6.5 INTERRUPTOR 50
3.6.6 LED (Diodo Emisor de Luz) 51
3.6.7 RESISTENCIA 52
3.6.8 CAPACITOR ELECTROLÍTICO 52
3.6.9 AMPERÍMETRO ANALÓGICO 52
3.6.10 FOCO HALÓGENO 53
3.6.11 CABLES 54
3.7 CONSTRUCCIÓN DEL CARGADOR DE BATERÍAS 54
3.8 FUNCIONAMIENTO DEL CARGADOR DE BATERÍAS 54
3.8.1 CARGA Y DESCARGA DE BATERÍAS 57
3.9 ADAPTACIÓN DEL CONJUNTO ADICIONAL DE BATERÍAS
DE ALTA TENSIÓN 61
3.10 CIRCUITO DE ACOPLAMIENTO DE LAS BATERÍAS 63
3.11 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA HÍBRIDO ENCHUFABLE 66
3.12 MAPA CONCEPTUAL DEL SISTEMA HÍBRIDO CONVENCIONAL 66
3.13 MAPA CONCEPTUAL DEL SISTEMA HÍBRIDO ENCHUFABLE 67
3.14 NIVELES DE HIBRIDACIÓN 69
iv 3.16 PUEBA DE RECORRIDO CON VEHÍCULO
HÍBRIDO ENCHUFABLE 73
3.17 FÓRMULAS UTILIZADAS EN LA INVESTIGACIÓN 75
3.17.1 VOLTAJE DE LOS CONJUNTOS DE BATERIAS
DE ALTA TENSIÓN 75
3.17.2 INTENSIDAD DE CORRIENTE DE CADA CONJUNTOS DE
BATERÍAS DE ALTO VOLTAJE 75
3.17.3 POTENCIA TOTAL DEL PAQUETE ADICIONAL DE
BATERÍAS DE ALTA TENSIÓN 76
3.17.4 VOLTAJE TOTAL DE LOS CONJUNTOS DE
BATERÍAS DE ALTO VOLTAJE 76
3.17.5 INTENSIDAD DE CORRIENTE DE LOS CONJUNTOS DE
BATERÍAS DE ALTO VOLTAJE 77
3.17.6 POTENCIA TOTAL DEL CONJUNTO ORIGINAL DE
BATERÍAS DE ALTO VOLTAJE 77
4.1 CONEXIÓN DE LAS BATERÍAS ADICIONALES 79
4.2 CONEXIÓN DE LAS BATERÍAS ORIGINALES 79
4.3 POTENCIA DEL CONJUNTO ADICIONAL DE BATERÍAS DE ALTO
VOLTAJE 80
4.4 POTENCIA DEL CONJUNTO ORIGINAL DE BATERÍAS DE ALTO
VOLTAJE 81
4.5 VOLTAJE, INTENSIDAD Y POTENCIA DE LOS DOS
v 4.6 TIEMPO DE RECARGA DE LA BATERÍA HÍBRIDA ADICIONAL 83
4.7 COMPARACIÓN DEL SISTEMA HÍBRIDO NORMAL CON EL
SISTEMA HÍBRIDO ENCHUFABLE 84
5.1 CONCLUSIONES 86
5.2 RECOMENDACIONES 87
vi
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Condiciones de operación del sistema híbrido. 19
Tabla 2. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 1. 45 Tabla 3. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 2 46 Tabla 4. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 3. 47
Tabla 5. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 1
recargado previamente. 59
Tabla 6. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 2
recargado previamente. 60
Tabla 7. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 3
recargado previamente. 61
Tabla 8. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido normal. 71 Tabla 9. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido normal y modo
EV activado. 72
Tabla 10. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido enchufable. 73
Tabla 11. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido enchufable y
modo EV activado. 74
Tabla 12. Voltaje total del conjunto adicional de baterías híbridas. 79 Tabla 13. Intensidad total del conjunto adicional de baterías híbridas. 79
vii
Tabla 14 Voltaje total del conjunto original de baterías híbridas. 80
Tabla 15. Intensidad total del conjunto original de baterías híbridas. 80
Tabla 16. Potencia del conjunto adicional de baterías híbridas. 80
Tabla 17. Potencia del conjunto original de baterías híbridas. 81
Tabla 18. Voltaje total nominal de los conjuntos de baterías híbridas. 82
Tabla 19. Intensidad total de los conjuntos de baterías híbridas. 82
Tabla 20. Potencia total de los conjuntos de baterías híbridas. 82
Tabla 21. Intensidad total de los conjuntos de baterías híbridas. 83
Tabla 22. Ahorro de combustible utilizando el sistema plug-in o enchufable. 84
Tabla 23. Aumento en la autonomía del vehículo utilizando el sistema plug-in o enchufable. 85
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Sistema de propulsión híbrido tipo serie 6
Figura 2. Sistema de propulsión híbrido tipo paralelo 8
Figura 3. Configuración de propulsión híbrida tipo paralelo-serie 9
Figura 4. Etapas de funcionamiento del motor térmico y el motor eléctrico 10
Figura 5. Componentes de la transmisión del sistema híbrido 12
Figura 6. Sistema híbrido en operación “Ready On” y vehículo detenido 13
Figura 7. Sistema híbrido en operación de inicio de la tracción 14
Figura 8. Sistema Híbrido en operación de velocidad normal 15
Figura 9. Sistema híbrido en operación de aceleración fuerte 16
Figura 10. Sistema híbrido en operación de desaceleración y frenado
regenerativo 17
Figura 11. Sistema híbrido en operación de marcha en reversa 18
Figura 12. Motor de combustión interna Toyota Prius 21
Figura 13. Diagrama de distribución del funcionamiento real del ciclo
Atkinson 21
Figura 14. Diagrama presión vs. volumen del ciclo Atkinson 22
Figura 15. Motogeneradores del sistema híbrido 23
ix
Figura 17. Conjunto de engranajes planetarios 24
Figura 18. Sensor de velocidad del eje de salida 25
Figura 19. Elementos de control del sistema híbrido 26
Figura 20. Conjunto de la batería de alto voltaje 30
Figura 22. Diagrama resistencia vs. temperatura de los termistores de la
batería HV 31
Figura 23. Diagrama eléctrico de los sensores de temperatura de
la batería HV 32
Figura 24. Esquema del sensor de corriente de la batería HV 33
Figura 25. Esquema del sistema inversor 34
Figura 26. Diagrama eléctrico del Booster y gráfica en osciloscopio 35
Figura 27. Esquema de la activación del transistor T2 para recargar la
batería HV 36
Figura 28. Conexión de los moto-generadores con el inversor y
la ECU HV 37
Figura 29. Esquema de los motogeneradores y su estructura 38
Figura 30. Diagrama del inversor para accionar el motor del aire
acondicionado 39
x
Figura 32. Baterías de alta tensión del Toyota Highlander 43
Figura 33. Medida de voltaje del conjunto de baterías 44
Figura 34. Descarga del conjunto de baterías 44
Figura 35. Puente de diodos 48
Figura 36. Vista de la caja metálica del cargador 49
Figura 37. Portafusible 49
Figura 38. Fusible 50
Figura 39. Interruptor 51
Figura 40. Diodo Emisor de Luz 51
Figura 41. Capacitor electrolítico 52
Figura 42. Amperímetro de tipo aguja 53
Figura 43. Foco halógeno 53
Figura 44. Diagrama eléctrico del cargador 55
Figura 45. Vista interna del cargador 56
Figura 46. Vista externa del cargador 56
Figura 47. Circuito de corrientes antes y después del puente rectificador 57
Figura 48. Recarga del conjunto de baterías 58
xi
Figura 50. Conjunto adicional de baterías de alta tensión 62
Figura 51. Caja-Soporte de las baterías de alta tensión adicionales 63
Figura 52. Circuito eléctrico de acoplamiento de las baterías 64
Figura 53. Circuito real de acoplamiento de las baterías 65
Figura 54. Recarga del sistema híbrido enchufable 65
Figura 55. Ahorro de combustible de los vehículos híbridos 69
xii
RESUMEN
Una de las grandes ventajas que tienen los vehículos híbridos es la posibilidad de convertirse en híbridos enchufables, para recargar las baterías de alto voltaje a través de la red eléctrica, lo cual se lleva a cabo implementando un conjunto adicional de baterías de alto voltaje y un cargador electrónico. De tal manera que el vehículo tendrá una fuente de energía adicional y utilizará con menor frecuencia el motor de combustión interna; sin ningún problema de autonomía, ya que mientras dure la carga de la batería adicional el vehículo puede tomar esa energía eléctrica y recorrer más tiempo en modo sólo eléctrico y cuando la carga disminuya, el sistema se comportará como un híbrido normal.
En este proyecto de titulación, se realizó un estudio del funcionamiento y características de las baterías de alto voltaje, para que las mismas formen parte del paquete adicional del sistema plug-in o enchufable. Se analizaron las formas de recuperar el estado de carga de las baterías de alto voltaje y como éstas deben actuar en correcto funcionamiento.
Para el diseño de los componentes del sistema enchufable, se realizaron cálculos de potencia, intensidad y voltaje. Para establecer la energía eléctrica requerida para cargar las baterías de alto voltaje y que autonomía proporcionan al vehículo para que este pueda rodar en la ciudad y en carretera.
Las pruebas se realizaron en un circuito cerrado, para identificar cual fue el incremento de la autonomía del desplazamiento del vehículo en modo híbrido y en modo sólo eléctrico.
Uno de los componentes importantes de este proyecto es el cargador electrónico, que sirve como fuente de recarga de las baterías y proporciona la energía eléctrica que estas necesitan para volver a almacenar la energía eléctrica que será ocupada cuando el vehículo esté rodando. El cargador se conecta a la red eléctrica normal de 110 voltios y no existe riesgo de
xiii sobrecarga ya que la energía que almacena en las baterías se equilibra con la red doméstica al momento de llegar al límite de la carga.
xiv
ABSTRACT
One of the great advantages that hybrid vehicles have is the possibility of becoming plug-in hybrids, to recharge the high voltage battery through the electrical network, which is performed by implementing an additional set of hybrid batteries and an electronic charger. So that the vehicle will have an additional source of energy and less frequently used internal combustion engine; no problem of autonomy, because the extra battery of the vehicle can take that power and go longer, in electric mode; if the load decreases, the system will behave as a normal hybrid.
This project was made with a study of the operation and characteristics of the high voltage batteries, because they are part of the additional package of plug-in system. High voltage batteries were fixed to recover their state of charge and operate appropriately.
Some analyzes of power, amperage and voltage, were performed for the design of the components of the plug-in system, to check the quantity of electricity is required to charge high voltage batteries and provide autonomy to the vehicle, so that it can roll into town and highway.
Tests were made in a closed circuit to identify which was the increase in vehicle range in hybrid mode and single electric mode.
An important component of this project is the electronic charger, which serves as a source to recharge the batteries and provides electric power that these need to re-store the electricity that will be occupied when the vehicle is rolling. The charger is connected to the normal 110 volt network and there is not risk of overloading as the energy stored in batteries is balanced with the home network when reaching the limit of the load.
1 Como punto de partida de este proyecto de investigación, se realizará un estudio correspondiente al vehículo Toyota Prius, donde se analizarán varios puntos como: generalidades, características técnicas, funcionamiento y sistemas que integran el vehículo, tales como: la batería de alto voltaje, el estado de carga S.O.C (State Of Charge), el inversor, el motor de combustión interna y su ciclo Atkinson, el motor eléctrico y sus componentes, la transmisión, el sistema de control, el sistema de freno regenerativo, entre otros.
Este proyecto tiene por objetivo adaptar un sistema híbrido enchufable en un sistema híbrido normal, con lo cual será posible aumentar la autonomía de desplazamiento del vehículo a modo eléctrico y se disminuirá de manera considerable las emisiones de dióxido de carbonoal medio ambiente.
Como objetivo primordial de este proyecto se efectuará la adaptación del sistema híbrido enchufable P.H.E.V. (Plug In Hybrid Electric Vehicle), en el sistema híbrido normal H.E.V. (Hybrid Electric Vehicle), para demostrar de qué manera puede convertirse un auto híbrido normal, en un híbrido enchufable a la red eléctrica. Esto aumentará la autonomía del coche y hará que el mismo pueda desplazarse por más tiempo utilizando únicamente energía eléctrica.
La industria automotriz ha desarrollado varios inventos y avances en todos los sistemas que conforman los vehículos. Innovaciones mecánicas, eléctricas y electrónicas que han caracterizado su desarrollo.
Sin embargo, la posibilidad de que el uso de los vehículos siga siendo tan aceptado como lo es hoy en día, depende de la posibilidad de contar siempre con fuentes de energía renovables; debido al problema que los combustibles derivados del petróleo son y serán cada vez más costosos.
A esto se agrega el problema del cambio climático originado por las emisiones de dióxidos de carbono; residuo de la combustión más perfecta que puede obtenerse al quemar combustibles fósiles.
2 Los motores de combustión modernos, con todos los equipos que llevan incorporados y que sirven para disminuir la contaminación, persiguen como único objetivo lograr la combustión ideal, en la cual solo produce dióxido de carbono y agua en forma de vapor.
Sin embargo, este objetivo que fue siempre primordial, hoy enfrenta un desafío importante que consiste en la disminución de las emisiones de dióxido de carbono.
De tal manera que existen dos problemas importantes a solucionar, por un lado un combustible no renovable y por el otro, la quema del mismo, que sigue aumentando el problema del cambio climático.
Para ello, una de las mejores soluciones es el vehículo híbrido, que constituye una de las innovaciones más aceptables que van en la línea de la disminución de la contaminación ambiental. Por un lado, disminuye las emisiones de dióxido de carbono al hacer más eficiente el uso de la energía del combustible; y por otro, la posibilidad de avanzar al concepto del híbrido enchufable o plug-in, que es la solución más viable antes del vehículo cien por ciento eléctrico.
El gran problema que existe a nivel mundial, es el excesivo manejo de combustibles derivados del petróleo, que generan problemas como la contaminación y el calentamiento global; por lo tanto el uso de vehículos híbridos, brinda una solución importante a la reducción del consumo de combustibles fósiles y la contaminación.
El vehículo híbrido HEV, tiene ventajas comparativas con el sistema tradicional de un solo motor de combustión interna, sin embargo en ciertas etapas de funcionamiento utiliza el motor a gasolina consumiendo combustible y generando contaminación; al utilizar un sistema PHEV se tiene la posibilidad de aumentar la autonomía del vehículo, funcionando por más tiempo en modo sólo eléctrico.
3
2.1 HISTORIA, DISEÑO Y ESTRUCTURA DE LOS VEHÌCULOS
HÍBRIDOS
Alcanzar la meta de emisiones cero con respecto a los altos índices de contaminación ambiental por la quema de combustibles fósiles, ha sido el objetivos principal de la industria automotriz en las últimas décadas, lo cual ha generado grandes inventos como la propulsión eléctrica; sin embargo, mientras se deja de lado la propulsión por motores de combustión interna, y se da paso al uso de una batería de combustible, que es un transformador de energía química en energía eléctrica, la solución más viable es la hibridación.
“Los desastrosos resultados comerciales de los vehículos eléctricos a pesar de las ayudas acordadas por el estado o los proveedores, confirman el impase en el que se encuentra esta tecnología. En el almacenamiento de la energía sólo se ha progresado mínimamente a partir de comienzos de siglo. Con autonomías casi sistemáticas inferiores a 100 Km, los automóviles y pequeños utilitarios eléctricos sólo han podido interesar a algunas flotas cautivas y únicamente para recorridos perfectamente establecidos. En los garajes de los grupos, esencialmente públicos, o colectividades locales que adquirieron en su tiempo este tipo de motorización para cumplir con las obligaciones legales, no se vería con malos ojos que desaparecieran del parque los últimos vehículos eléctricos. Y a pesar del interés por el marketing que tienen los constructores por parecer <<urbanos>>, Automobiles Peugeot ha dejado de fabricar desde hace tiempo los vehículos eléctricos. Citroën, por su parte, sólo produce los Berlingo VU”. (Martinez, 2000)
El Berlingo es una furgoneta pequeña, vendida por la marca Citroën desde el año 1996. Existen varios modelos de este vehículo, los que son de dos plazas, y los de pasajeros de cinco plazas. El modelo puede llevar en su
4 diseño una o dos puertas correderas según el año y la versión; el portón trasero es de dos hojas o de puerta abatible.
La tecnología aplicada a los vehículos híbridos, parte de la base de la unión de dos sistemas de propulsión diferentes que se complementan, o que uno se alimenta de otro en el funcionamiento. La idea es combinar dos fuentes de energía, los híbridos son vehículos que poseen dos motores de características distintas, un motor de combustión interna, ya sea que funcione con gasolina, diesel, hidrógeno, etc., y un motor eléctrico; de manera que ambos trabajen en conjunto y el funcionamiento sea lo más eficiente posible.
Cuando las condiciones de manejo, en un vehículo híbrido, deben ser realizadas durante períodos de tiempo prolongados y recorridos largos, el sistema solicita mayor uso del motor de combustión, mientras que para recorridos en ciudad o condiciones de tráfico vehicular, el sistema recurre más al uso del motor eléctrico y utiliza ambas fuentes de energía en aceleraciones fuertes.
En el vehículo Toyota Prius, en su versión C Sport, el motor de combustión interna (M.C.I.) es un motor pequeño, de cilindrada modesta, 1500 cm3, y posee un motor eléctrico conformado por dos moto-generadores (MG1 y MG2); en la hibridación la potencia de las dos fuentes de energía se suman, obteniéndose mayores y mejores prestaciones.
“En el año de 1997, Toyota introdujo en el mercado su primer vehículo híbrido de fabricación en serie, el Prius, con el sistema híbrido de Toyota de primera generación, que comprende un motor térmico de 72 caballos de vapor, un motor eléctrico, un generador, y un paquete de baterías de Níquel, Metal-Hidruro, instalado en 38 módulos que poseen una tensión total de 274 Voltios. En el sistema híbrido de primera generación desarrollado por Toyota, el generador eléctrico suministra energía a las baterías o al motor eléctrico y es accionado por el motor térmico”. (Martinez, 2000)
5 Cuando se enciende el vehículo, al parecer no sucede nada, pero cuando se presiona el pedal del acelerador, rápidamente comienza el trabajo del motor de combustión, a través del generador, hasta llegar a su temperatura de funcionamiento y a partir de ese momento la electrónica comanda el funcionamiento tanto del motor eléctrico como el de gasolina.
“El consumo en ciudad y recorridos interurbanos muy densos puede bajar a 5,1l/100Km, a pesar de los frecuentes arranques. En carretera, manteniendo la velocidad alrededor de 100Km/h, el consumo ha bajado a los 4.4l/100Km”. (Martinez, 2000)
“Luego del lanzamiento del Prius de primera generación Toyota Hybrid System, Toyota puso en el mercado una nueva versión del vehículo, no sólo en su estética, sino también en su funcionamiento, con el sistema híbrido de segunda generación THS II, que le confiere una función más importante al motor eléctrico y al cual se le ha dotado de mayor potencia, incrementando 23 CV, lo cual se refleja en la velocidad del vehículo que puede rodar 10Km/h más rápido que su primera versión y emite 16g de CO2 menos por cada kilómetro. Esto es posible forzando el funcionamiento eléctrico a través del repartidor de potencia, el cual reparte la potencia motriz entre las ruedas y el generador”. (Martinez, 2000)
Dentro del diseño de los vehículos híbridos, existen tres tipos diferentes de construcción de estos autos, los cuales son:
- Híbridos en serie
- Híbridos en paralelo
6
2.1.1 HÍBRIDOS EN SERIE
En la configuración en serie de los vehículos híbridos, éstos llevan el motor térmico acoplado a un generador, el cual es el encargado de producir la electricidad para el motor eléctrico, siendo éste el que proporciona el movimiento de giro a las ruedas. Esta configuración es llamada en serie ya que el flujo de electrones se mueve en línea recta.
El motor de combustión no está acoplado a la tracción, es decir, sólo la parte eléctrica da tracción, el motor térmico se usa para generar electricidad; en consecuencia es posible que el sistema funcione a una velocidad constante, en un punto próximo a su margen de operación con respecto a eficiencia y emisiones, mientras la batería de alto voltaje es cargada.
Para el funcionamiento, el motor de combustión impulsa al generador eléctrico, que generalmente es un alternador trifásico, que una vez rectificada la corriente, recarga la batería de alto voltaje y genera la electricidad que será entregada al motor eléctrico para dar tracción a las ruedas e impulsar al vehículo, como se muestra en la figura 1.
Figura 1. Sistema de propulsión híbrido tipo serie
7 “En los híbridos en serie el vehículo es impulsado enteramente por el motor eléctrico gracias a la electricidad suministrada por el motor de combustión, el cual arrastra a su vez un generador eléctrico”. (FITSA, 2007)
“Si le energía proviene siempre esencialmente de la recarga en una toma doméstica de 16 Amperios o en conectores públicos y la recuperación durante las frenadas, se añade la producida por un generador de energía eléctrica embarcado. Estamos en presencia de un híbrido <<serie>>”. (Martinez, 2000)
2.1.2 HÍBRIDOS EN PARALELO
Estructuralmente los híbridos en paralelo incorporan dos motores: uno de combustión interna y otro eléctrico, como se muestra en las figura 2, que funcionan de forma alternada o en conjunto, es decir, tanto el motor eléctrico como el motor térmico pueden dar tracción a las ruedas. El motor de combustión interna actúa en los recorridos largos y en velocidades que demanden su funcionamiento, mientras que el motor eléctrico es solicitado para los recorridos en ciudad; si el conductor realiza una aceleración fuerte, ambos motores trabajan al mismo tiempo.
Una ventaja comparativa de la configuración en paralelo, con respecto al sistema en serie, es que se evita las perdidas por la transformación de energía mecánica en energía eléctrica.
Debido a la demanda de potencia que le corresponden al motor de combustión interna, se obtiene la ventaja que las baterías pueden ser mucho menores y lo cual se refleja en menor peso.
Cuando el vehículo necesita de más energía, entra en funcionamiento el motor térmico y al ir disminuyendo la velocidad del auto, ya sea desacelerando o utilizando el freno, el sistema aprovecha la energía empleada al frenar para recargar la batería HV o de alto voltaje, lo que se conoce como freno regenerativo.
8 Para recorridos cortos y frecuentes, el vehículo trabaja sólo con el motor eléctrico, pero la desventaja es que actualmente las baterías de los autos híbridos tienen muy poca autonomía y por lo tanto se necesita del funcionamiento del motor de combustión.
“En los híbridos con arquitectura paralela tanto el motor de combustión como el motor eléctrico trabajan simultáneamente para impulsar las ruedas del vehículo”. (FITSA, 2007)
Figura 2. Sistema de propulsión híbrido tipo paralelo
(FITSA, 2007)
Dentro de la configuración de híbridos en paralelo, se encuentran dos subtipos de este sistema: con generador independiente y con moto-generador.
El sistema con generador independiente, también llamado híbrido paralelo-serie, posee mayor número de componentes en su sistema: el generador, un conversor de corriente, de alterna a continua, y la transmisión entre el motor de combustión y el generador. Mientras que en el sistema con moto-generador se aprovecha el espacio físico del vehículo ya que posee menor
9 cantidad de componentes en su sistema. Sin embargo, el rendimiento puede disminuir.
2.1.3 HÍBRIDOS EN SERIE Y PARALELO
Este sistema también es conocido como híbrido paralelo-serie y es la configuración más utilizada por Toyota, en su modelo Prius.
El sistema tiene varios modos de operación; uno de ellos es cuando el motor térmico es requerido y acciona un generador que es el encargado de recargar la batería de alta tensión y lo hace a través del inversor de corriente, en este caso el sistema funciona como un híbrido serie. Cuando el motor de combustión ayuda al motor eléctrico a dar impulso al vehículo, el sistema opera como en la configuración híbrido paralelo, esto sucede por ejemplo en aceleraciones fuertes. Además hay un modo de operación del sistema, en el que el motor de combustión interna realiza dos funciones al mismo tiempo, es decir, una parte de su energía se utiliza para dar tracción a las ruedas y la otra para recargar la batería de alto voltaje; en esta condición de operación el vehículo funciona como un híbrido paralelo serie, como se muestra en la figura 3.
Figura 3. Configuración de propulsión híbrida tipo paralelo-serie
10 En cada una de las configuraciones de propulsión mencionadas anteriormente, existen etapas de funcionamiento de cada fuente de energía, como se muestra en la figura 4.
Para diferenciar un motor de otro, la gráfica muestra al motor de combustión (Engine) y al motor eléctrico (Motor).
Figura 4. Etapas de funcionamiento del motor térmico y el motor
eléctrico
(TOYOTA MOTOR CORP. 2003)
2.2 EL VEHÍCULO HÍBRIDO PIONERO
2.2.1 TOYOTA PRIUS
Sobre la base de las emisiones contaminantes, por la quema de combustibles derivados del petróleo y los elevados precios de los mismos, la industria automotriz ha logrado desarrollar tecnologías alternativas que permiten la comercialización de vehículos ecológicos, que son amigables con el medio ambiente.
Una de estas novedosas tecnologías es la de los vehículos híbridos, ya que ofrece una solución muy importante en cuanto a la reducción de gases contaminantes, colocándose en el nivel de emisiones cero de forma parcial.
11 Esto significa que por momentos un vehículo híbrido funciona sin emitir gases contaminantes, lo que reduce en gran medida los altos índices de contaminación que se tienen en la actualidad.
“La base importante de un vehículo híbrido está dada por un motor de combustión interna que trabaja de forma alternada con un motor eléctrico, este motor puede ser también generador en algunas condiciones y todo el sistema utiliza una batería de alto voltaje, para almacenar carga eléctrica. Esta tecnología es bastante avanzada y permite utilizar, por ejemplo la cinética del frenado, para convertir al motor en generador y restablecer la carga de la batería de alta tensión. Lógicamente todo este evento se logra por la electrónica incorporada en cada unidad de control del sistema”. (CISE ELECTRONICS, 2009)
Una de la grandiosas ventajas de los vehículos híbridos, es que también pueden ser modificados para transformarse en autos enchufables a la red eléctrica, sin tener la desventaja de pérdidas de autonomía por la descarga de la batería de alto voltaje, ya que al disminuir su carga y llegar al umbral máximo permisible de descarga, que es el 40% del voltaje total, el vehículo funciona como un híbrido normal.
Para el funcionamiento del vehículo híbrido el sistema precisa de algunas condiciones, que deben estar establecidas antes de que la ECU HV del sistema híbrido comience la estrategia de operación. La estructura de funcionamiento de un vehículo híbrido consta de un motor de combustión, un motor eléctrico, que a su vez se divide en dos moto-generadores y un conjunto planetario de engranajes, como se muestra en la figura 5. Tanto MG1 como MG2 y el motor de combustión interna MCI, están acoplados a los ejes planetarios. Respectivamente, planetario o sol, corona y satélites.
12
Figura 5. Componentes de la transmisión del sistema híbrido
(Martinez, 2000)
Cuando el vehículo está detenido y el motor de combustión interna está en funcionamiento, su movimiento no se transmite a las ruedas; ya que la corona, que es solidaria a MG2, está detenida. En estas condiciones la única posibilidad de movimiento es para MG1, ya que se mueve por reacción, convirtiéndose en generador y cargando la batería de alta tensión.
Con el vehículo detenido pero con el motor de combustión apagado, si el sistema comanda el arranque de MCI, tiene que accionarse a MG1, que funciona como motor de arranque, y debido a que la corona está detenida, el movimiento pasa del engranaje sol hacia los satélites, permitiendo que el motor térmico arranque.
El momento que la corona no está detenida y MG2 se mueve, este movimiento pasa a las ruedas y por consiguiente el vehículo empieza a rodar. Si se aplica movimiento contrario a MG2, el auto se moverá en marcha hacia atrás. En el caso que el vehículo se encuentre en neutro y una fuerza externa lo impulse, MG2 no tendrá otra opción más que moverse, ya que está acoplado al eje de salida de movimiento a las ruedas.
13 Con esta breve aclaración acerca del funcionamiento de los motogeneradores y el motor de combustión interna, a continuación se detalla cada una de las estrategias que el sistema de la unidad híbrida adopta para operar las diferentes marchas del vehículo.
2.2.1.1 Vehículo sin movimiento
Cuando el vehículo está detenido, MCI está apagado, como se muestra en la figura 6, siempre que las condiciones de carga de la batería HV sean altas; en caso contrario el motor térmico se encenderá. El sistema híbrido de Toyota, a partir de la segunda generación, no precisa del motor de combustión interna para el funcionamiento de la dirección, ni del aire acondicionado, ya que para el caso de la dirección se emplea un motor de corriente directa y para el aire acondicionado un motor trifásico de frecuencia variable; estos sistemas son comandados por el sistema híbrido.
Figura 6. Sistema híbrido en operación “Ready On” y vehículo
detenido
14
2.2.1.2 Inicio de la tracción
Si las condiciones de carga del vehículo son bajas, el movimiento lo acciona MG2, mientras que MCI está apagado, como se muestra en la figura 7, y la energía que se utiliza para el movimiento proviene de la batería de alto voltaje. A su vez, si las condiciones de carga son altas, el movimiento será accionado por MG2 y MCI. Para los cálculos de carga del vehículo, es muy importante la posición del pedal del acelerador, que posee un sensor APP, cuya señal es detectada por la ECU del sistema híbrido.
Figura 7. Sistema híbrido en operación de inicio de la tracción
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
2.2.1.3 Velocidad normal
A velocidades entre 30 y 70Km/h aproximadamente, MG2 ayuda con carga eléctrica, transformándola en energía mecánica y MCI genera potencia, como se muestra en la figura 8. MG1 gira en el mismo sentido que MG2 y
15 entrega energía eléctrica al mismo, para que éste a su vez ayude a MCI a impulsar el vehículo.
Figura 8. Sistema Híbrido en operación de velocidad normal
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
2.2.1.4 Aceleraciones fuertes
Cuando la demanda de velocidad es alta, o cuando se realiza una aceleración fuerte, como se muestra en la figura 9, MG2 ayuda al motor térmico MCI para generar potencia, mientras que MG1 gira en reversa lo que crea una sobre marcha u overdrive.
“Cuando el conductor acelera fuerte (para acelerar mucho o para subir una rampa), el motor eléctrico alimentado por la batería ayuda al motor térmico. Esto es sólo posible mientras la carga de la batería no baje de una cierto límite”. (CISE ELECTRONICS, Introducción al Sistema Híbrido, 2009)
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Figura 9. Sistema híbrido en operación de aceleración fuerte
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
2.2.1.5 Freno regenerativo y desaceleración
Para esta condición de operación, MCI se apaga y MG1 gira en sentido contrario a MG2; además MG2 pasa a funcionar como generador, como se muestra en la figura 10, convirtiendo la energía cinética del vehículo en movimiento, en energía eléctrica para cargar la batería HV, a través del inversor. El freno regenerativo comienza en el momento que el conductor dejar de acelerar y también cuando ejerce una fuerza sobre el pedal del freno, controlando la operación de forma hidráulica.
En la acción de frenado regenerativo no se requiere que el motor térmico esté prendido, pues para recargar la batería de alto voltaje se utiliza el movimiento del mismo auto. Por lo tanto MG1 estará con valores negativos de revoluciones, para no encender al motor térmico y MG2 con valores positivos, cuyo movimiento será utilizado para recargar la batería HV y de freno eléctrico.
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Figura 10. Sistema híbrido en operación de desaceleración y frenado
regenerativo
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
2.2.1.6 Marcha atrás
Para esta condición de funcionamiento, MG2 gira en sentido contrario, en revoluciones negativas, haciendo que el vehículo se mueva en reversa. MG1 gira en revoluciones positivas, pero no genera energía eléctrica, como se muestra en la figura 11.
Esta es la única condición en la que MG2 adquiere valores negativos de revoluciones, ya que el sentido de marcha del vehículo está en reversa; por el contrario MG1 adquiere valores positivos de revoluciones, sin que esté recargando a la batería de alto voltaje, ni tratando de encender al motor de combustión interna; su valor de revoluciones se da por el movimiento mecánico que adquiere en esta condición de operación.
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Figura 11. Sistema híbrido en operación de marcha en reversa
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
Cada moto-generador funciona como motor o como generador en distintas etapas de trabajo del vehículo, como lo muestran los datos presentados en la tabla 1.
Los espacios marcados con una línea indican que los moto-generadores o MCI no realizan ninguna función.
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Tabla 1. Condiciones de operación del sistema híbrido
Condiciones de
operación del vehículo MG1 MG2 MCI SMG1 SMG2 CP1 CN1
Detenido con carga suficiente
___ ___ ___ ___ ___ ___ ___
Detenido arranca MCI
Motor ___ ___ Señal
(PWM)
___ ___ ___
Detenido cargando batería
Generador ___ Motor ___ ___ Señal
(PWM)
___
Movimiento eléctrico con carga baja
___ Motor ___ ___ Señal (PWM) ___ ___
Movimiento media potencia cargando
Generador ___ Motor ___ ___ Señal
(PWM)
___ Movimiento alta
potencia cargando
batería Generador Motor Motor ___ Señal (PWM) Señal
(PWM)
___
Movimiento potencia máxima
Motor Motor Motor Señal
(PWM) Señal (PWM) ___ Señal (PWM) Frenado regenerativo Motor- D Generador ___ Señal-D ___ Señal (PWM) ___ Generador- B ___ - B Reversa ___ Motor (Inversa) ___ ___ Señal (PWM) (inversa) ___ ___
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2.3 PRINCIPALES ELEMENTOS DEL SISTEMA HÍBRIDO
2.3.1 MOTOR TÉRMICO
El motor de combustión interna utilizado en el Toyota Prius, es una fuente de energía que funciona con combustibles derivados del petróleo, como se muestra en la figura 12. Actualmente en el Ecuador las diferentes versiones del vehículo utilizan motores a gasolina, con cilindradas de 1.8lts., para el modelo Prius y 1.5lts., para el modelo Prius C Sport.
El funcionamiento es semejante a cualquier otro sistema, en cuanto al control electrónico de inyección. El motor incorpora elementos como: catalizador, sistema de emisiones evaporativas, válvula EGR, distribución VVT-i, sistema de encendido COP y sistema de mariposa motorizado TAC.
El ciclo de funcionamiento del motor es el ciclo Atkinson, como se muestra en la figura 13, el cual es más eficiente en comparación al ciclo Otto, ya que se consiguen relaciones de compresión más altas, debido a que la carrera de compresión dura menos que la carrera de expansión y esto se logra retrasando el cierre de las válvulas de admisión mientras asciende el pistón. Además se obtiene mayor rendimiento termodinámico, como se muestra en la figura 14, con la única diferencia que se genera menor potencia; sin embargo el motor eléctrico aporta la potencia que falta.
En el ciclo Atkinson la mezcla de aire y combustible que proporciona la fuerza para el giro del motor es comprimido hasta su máxima eficiencia, esto se logra con el retraso al cierre de las válvulas cuando el pistón comienza la compresión. En el ciclo Atkinson se retrasa el cierre de las válvulas de admisión, volviendo así, parte de la mezcla al conducto de admisión. Con este procedimiento se consigue un considerable ahorro de combustible, una menor temperatura y presión en el cilindro restando vibraciones al motor y aumentando la eficiencia global del ciclo.
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Figura 12. Motor de combustión interna Toyota Prius
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
Figura 13. Diagrama de distribución del funcionamiento real del ciclo
Atkinson
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Figura 14. Diagrama presión vs. volumen del ciclo Atkinson
(TOYOTA MOTOR CORP. 2003)
2.3.2 MOTOR ELÉCTRICO
En el sistema híbrido de Toyota el motor eléctrico está formado por dos moto-generadores trifásicos llamados MG1 y MG2, como se muestra en la figura 15, cada uno cumple con una función específica. En el caso de MG1, este moto-generador es el encargado de generar electricidad que recarga la batería HV, o que es aprovechada por MG2 en ciertas condiciones de manejo del vehículo; MG1 también funciona como motor de arranque para encender al motor de combustión interna, cuando el vehículo está detenido, y cuando está en movimiento el arranque se logra por la unión de MG1 y MG2.
La función de MG2 es la de proporcionar tracción a las ruedas y así dar movimiento al vehículo, tanto en marcha hacia adelante, como hacia atrás. MG2 también funciona como generador, pero sólo en las desaceleraciones y frenadas, aprovechando la energía cinética y transformándola en energía
23 eléctrica, que servirá para recargar la batería HV, a través del inversor. Cabe mencionar que todo el funcionamiento es controlado por la ECU del sistema híbrido.
Figura 15. Motogeneradores del sistema híbrido
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
2.3.3 TRANSMISIÓN
El conjunto de engranajes planetarios del Toyota Prius, que se muestra en la figura 16, es un sistema de transmisión continua, que está constituido de tres parte que son: engranaje sol, corona y satélites. En el proceso intervienen de forma alternada MG2 y MCI, los cuales están acoplados, respectivamente, a la corona y a los satélites; y MG1 que va acoplado al engranaje sol, como se muestra en la figura 17.
“Este sistema varía un poco de las transmisiones convencionales puesto que en el interior no existen elementos multiplicadores que cambien de relación en los diferentes cambios, en este conjunto a medida que el vehículo está aumentando de velocidad aumenta la rotación RPM del conjunto, por lo tanto existe mucha eficiencia puesto que hay menos componentes en donde se pierda energía como ocurre con la fricción. En este conjunto la estrategia de
MG1
24 operación del planetario está dada hacia la intervención de MG1, MG2 y el motor de combustión en el conjunto de engranajes, pero controlada en todo momento por la unidad de control del sistema híbrido ECU HV”. (CISE ELECTRONICS, 2009)
Figura 16. Transmisión del sistema híbrido
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
Figura 17. Conjunto de engranajes planetarios
25 En el proceso de estacionamiento del vehículo interviene la unidad de control denominada ECU TRANSMISSION. El funcionamiento que realiza el mecanismo es bloquear y desbloquear de forma directa el eje de salida.
Para controlar el correcto funcionamiento del conjunto de la transmisión, el sistema dispone de tres sensores que miden la velocidad del eje de salida e informan a la ECU HV, como se muestra en la figura 18.
Figura 18. Sensor de velocidad del eje de salida
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
2.3.4 ELEMENTOS DE CONTROL DEL SISTEMA HÍBRIDO
Cada una de las operaciones del vehículo están gestionadas por las diferentes unidades de control del sistema, tales como: ECU HV (Unidad de Control del Sistema Híbrido), ECM (Unidad de Control del Motor de Combustión), SKID CONTROL ECU (Unidad De Control de Derrape), ECU BATTERY HV (Unidad de Control de la Batería de alto voltaje), como se muestran en la figura 19.
26 Todas las unidades de control se comunican con sus sistemas de forma directa y también entre ellas, a través del BUS DE DATOS CAN (Control Area Network).
Figura 19. Elementos de control del sistema híbrido
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
2.3.4.1 E.C.U. HV (Control del Sistema Híbrido)
Las principales funciones de la ECU HV son:
- Controlar el estado de carga y la temperatura de la batería de alto voltaje.
- Supervisar MG1 y MG2 para optimizar el funcionamiento de estos elementos.
27 - Limitar la rotación de MG2, cuando no hay tracción en las ruedas motrices, para proteger el conjunto de engranajes planetarios y evitar que MG1 proporcione demasiada energía eléctrica.
- Conectar el circuito de alta tensión a través del control del SMR
- Detener eléctricamente a MG1 y MG2 cuando la posición de cambio está en neutro
2.3.4.2 E.C.M. (Control de Motor De Combustión)
Las funciones principales de esta unidad de control son:
- Recibir información de todos los sensores del sistema de inyección electrónica a excepción del sensor APP (Sensor de la posición del pedal del acelerador), ya que esa información la recibe la ECU HV.
- Comunicarse con la ECU HV, a través de la red CAN
- Controlar el sistema ETCS-i (Electronic Throttle Control System with intelligence) y el sistema VVT-i (Variable Valve Timing with intelligence).
- Permitir el funcionamiento del motor a diferentes regímenes.
2.3.4.2 Skid control E.C.U. (Control de Derrape)
Dentro de las principales funciones de esta unidad de control se encuentran las siguientes:
- Calcular la fuerza de frenado total y solicitar el frenado regenerativo a la ECU HV.
28 - Medir los movimientos de centro de gravedad del vehículo, para obtener
un mejor funcionamiento del sistema de frenos.
- Intercambiar información con la ECU HV, a través de la red CAN.
2.3.4.3 E.C.U. Battery hv (Control de la batería híbrida)
Las principales funciones de esta unidad de control son:
- Monitorear la temperatura de refrigeración de la batería de alto voltaje.
- Controlar el ventilador de refrigeración, para mantener una temperatura optima de la batería de alto voltaje.
- Medir el voltaje de los paquetes que constituyen la batería HV.
- Medir la corriente de entrada y salida de la batería HV, a través del sensor de corriente.
2.3.4.4 Brake E.C.U. (Unidad de Control de freno ABS)
Esta unidad de control tiene las siguientes funciones principales:
- Gestionar el frenado del vehículo de forma hidráulica, con el sistema ABS (Anti-Lock Braking System).
- Comunicarse con todas la demás unidades de control, a través de la red CAN.
2.3.4.5 E.C.U. Transmission (Control de la Caja)
Las funciones de esta unidad de control son las siguientes:
29 - Comunicarse con la ECU HV, a través de la red CAN.
2.4 BATERÍA DE ALTO VOLTAJE
Para el análisis de la batería de alta tensión y de sus componentes, se toman como ejemplo las versiones Toyota Hybrid System desde el año 2005 hasta el año 2011 y se mencionarán también datos técnicos del conjunto en el modelo Prius C Sport.
En el caso del vehículo Toyota Prius, desde el 2005 hasta el 2011, la batería está formada por 28 celdas de 7.2 V cada una y que van conectadas en serie de dos en dos, formando paquetes de 14.4 V cada uno, hasta unirse en un total de 14 paquetes con 201.6 V de voltaje nominal y 241.92 V de voltaje máximo de carga, valor que representa un 20% más de la carga nominal.
Por otra parte, para el modelo Prius C Sport, existen 20 celdas con 7.2 V cada una, que de igual manera forman paquetes de dos en dos, con voltajes de 14,4 V, pero que alcanzan un máximo de 10 paquetes totales, con 144V de voltaje nominal, 172.8V de voltaje máximo y 6.5 A/h de intensidad de corriente.
La batería del sistema híbrido está constituida por varios elementos, como se muestra en la figura 20, los cuales trabajan en conjunto para que el sistema funcione de manera correcta y se eviten posibles fallas.
La batería cuenta con un dispositivo de seguridad que divide el circuito en dos partes, esta clavija es conocida como Jumper, como se muestra en la figura 21, el cual posee un enclavamiento mecánico que tiene un fusible en su interior y que permite el paso de corriente, informando a la ECU HV que se encuentra correctamente ubicado. Si por el contrario el enclavamiento es incorrecto o el fusible está dañado, la ECU BATTERY HV no entrará en funcionamiento.
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Figura 20. Conjunto de la batería de alto voltaje
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
Figura 21. Divisor de tensión de la batería de alto voltaje
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
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2.4.1 CONTROL DE LA TEMPERATURA
La batería de alta tensión dispone de un sistema de desfogue de vapores, para evitar que los mismos se depositen en las partes eléctricas y electrónicas del circuito. Además existe un ventilador de enfriamiento, el cual se acciona comandado por la unidad de control de la batería HV, a través de la información que ésta recibe de los sensores de temperatura que posee la batería de alto voltaje. Mientras más baja sea la temperatura, más alta será la resistencia de los sensores y mientras más alta sea la temperatura, más baja será dicha resistencia, como se muestra en la figura 22.
Los sensores son tres o cuatro, dependiendo del diseño, como se muestra en la figura 23; son termistores del tipo NTC (Coeficiente Negativo de Temperatura), lo que quiere decir que varían su resistencia en función de la temperatura que vaya tomando la batería HV.
Figura 22. Diagrama resistencia vs. temperatura de los termistores de
la batería HV
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Figura 23. Diagrama eléctrico de los sensores de temperatura de la
batería HV
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
2.4.2 CONTROL DE ALIMENTACIÓN DE VOLTAJE
El sistema de funcionamiento de la batería HV dispone de un conjunto de relevadores de activación del sistema, denominado SMR. Este conjunto está formado por 3 tres relés que son: SMR1, SMR2 y SMR3.
Para el funcionamiento del conjunto, SMR3 está conectado al negativo de la batería y es el primer relé que se activa, luego en la parte positiva se activa SMR1, que lleva conectada en serie una resistencia de 20 ohm, que sirve de protección al sistema, midiendo la corriente que pasa; si todo está correcto se activa SMR2, que también está conectado al positivo de la batería y permite el paso de corriente de forma directa.
33 Por otra parte, si SMR1 detecta un problema en el paso de corriente, SMR2 no se activará y SMR3 se desactivará.
2.4.3 SENSOR DE CORRIENTE
La batería de alto voltaje posee un sensor de corriente de efecto hall, como se muestra en la figura 24, que está montado en el polo negativo de la batería HV. Este sensor emite una tensión que va desde 0 a 5 voltios; si la tensión del sensor de corriente es mayor a 2.5 V, indica que la batería HV se está descargando y si la tensión es menor a 2.5 V indica que se está cargando.
Figura 24. Esquema del sensor de corriente de la batería HV
34
2.4 FUNCIONAMIENTO DEL INVERSOR
El inversor cumple con cinco funciones principales que están monitoreadas por la unidad de control del sistema híbrido, como se muestra en la figura 25. Estas funciones son:
- Elevar el voltaje de la batería híbrida a un voltaje mayor, a través del circuito amplificador de tensión.
- Generar corriente alterna trifásica para mover a MG1 y MG2.
- Llevar energía eléctrica hacia la batería de alta tensión cuando MG1 y MG2 funcionan como generadores.
- Transformar la energía eléctrica de la batería HV en corriente alterna trifásica, para el motor eléctrico del aire acondicionado.
- Utilizar la batería de alto voltaje como fuente de carga, para recargar la batería auxiliar de 12V, a través del circuito conversor DC – DC.
Figura 25. Esquema del sistema inversor
35
2.5.1 CIRCUITO ELEVADOR DE VOLTAJE
También denominado BOOSTER, este circuito está compuesto por un reactor o bobina y un módulo IPM (Intelligent Power Module), el cual está formado por transistores IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). El circuito cumple con dos funciones específicas que son:
- Elevar la tensión de la batería HV que será utilizada por los moto-generadores.
- Permitir la recarga de la batería HV cuando MG1 y MG2 trabajan como generadores.
En el funcionamiento, la ECU envía pulsos a un transistor que se denominará T1, posteriormente desactiva a este transistor creándose una autoinducción del reactor, y la tensión pasa a través del diodo denominado D2 que se polariza con un voltaje positivo que va hacia el condensador llamado C1 y el diodo llamado D2 no permite el paso del voltaje positivo al lado de masa, como se muestran en la figura 26.
Figura 26. Diagrama eléctrico del Booster y gráfica en osciloscopio
36 Cuando el sistema necesita recargar la batería HV, la energía debe ser convertida de corriente alterna a corriente directa, a través del IPM. En el funcionamiento, la ECU HV deja de enviar pulsos al transistor T1 y activa T2, permitiendo el paso de la tensión que viene desde los moto-generadores al reactor, el cual no genera gran caída de tensión debido a su baja resistencia, como se muestra en la figura 27.
Figura 27. Esquema de la activación del transistor T2 para recargar la
batería HV
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
2.5.2 ALIMENTACIÓN DE LOS MOTOGENERADORES
Tanto MG1 como MG2 son motores y generadores trifásicos de corriente alterna, cada una de las fases denominadas U, V y W, están desfasadas entre sí a 120 grados con relación a la rotación de motor, como se muestra en la figura 28.
En cada una de las fases debe existir un flujo de corriente que cambie de sentido con relación al tiempo, toda esta estrategia de generar corriente alterna y desfasarla en el momento correcto la gestiona la ECU HV, pero la
37 potencia de este mecanismo está dada por el inversor, a través de los transistores IGBT.
Figura 28. Conexión de los moto-generadores con el inversor y la
ECU HV
(CISE LELECTRONICS CORP. 2009)
“Los motores de corriente alterna y los motores de corriente directa se basan en el mismo principio de funcionamiento, el cual establece que si un conductor por el cual circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse
38 perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético”. (CISE ELECTRONICS, 2009)
Las características constructivas de los moto-generadores son las mismas, sus partes fundamentales son el rotor y el estator, como se muestran en la figura 29. El estator se compone de otras partes como son la carcasa, que sirve de protección al núcleo magnético, que posee unas láminas ferromagnéticas aisladas por medio de barnices, los bobinados que tienen la función de producir el campo magnético, y que van alojados en las ranuras del núcleo, y la bornera que tiene por objetivo conectar a la red los terminales del bobinado estatórico.
El rotor está formado por un eje cuyos extremos se alojan en unos bujes o rodamientos, también posee un conjunto de láminas ferromagnéticas que tienen unas ranuras para alojar a las bobinas rotóricas.
Figura 29. Esquema de los motogeneradores y su estructura
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2.5.3 SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO
Para el funcionamiento del motor trifásico del aire acondicionado, el inversor trabaja con la tensión de la batería de alto voltaje sin intervenir la etapa de recarga ni el módulo IPM, como se muestra en la figura 30, en esta condición trabaja un regulador de tensión VCC (Voltaje de Alimentación Electrónica).
“El sistema de control está dispuesto por la ECU del sistema híbrido y pata su operación el sistema evalúa parámetros importantes como la tensión, la temperatura y la corriente”. (CISE ELECTRONICS, Operación del Sistema Inversor, 2009)
Figura 30. Diagrama del inversor para accionar el motor del aire
acondicionado
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2.5.4 RECARGA DE LA BATERÍA AUXILIAR
Cuando el vehículo está en movimiento sin utilizar el MCI, tiene disponible el funcionamiento de todos los accesorios, tales como: luces, radio, panel de instrumentos, entro otros. Por tal motivo utiliza la energía almacenada en la batería de 12V, la cual no precisa de un alternador para su recarga, ya que el MCI no está en funcionamiento en todo momento. En el Toyota Prius, la recarga de la batería auxiliar se la realiza a través del inversor, con el conversor DC – DC, como se muestra en la figura 31, el cual reduce la tensión de la batería de alto voltaje a 12V para la batería auxiliar, todo esto a través de la electrónica de potencia y el monitoreo de la unidad de control del sistema híbrido.
La corriente alterna es inducida en la bobina, a través del conjunto de transistores de potencia; dicha bobina y los diodos funcionan como un rectificador de onda completa que rectifica la onda negativa a través del condensador de filtrado.
Figura 31. Diagrama del conversor DC – DC
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3.1 DISEÑO DEL SISTEMA ENCHUFABLE
Para el desarrollo del sistema híbrido enchufable fue necesario recopilar algunos datos de funcionamiento del vehículo híbrido Prius C. lo cual ya se explicó en el funcionamiento del auto anteriormente. Adicional a ello, fue necesario saber donde serían ubicados los elementos del sistema enchufable y como debería ser ubicados en el auto para aprovechar el espacio de la cajuela al máximo. De tal manera que para el diseño, todos los elementos tuvieron que ser colocados en el maletero del vehículo, generando una desventaja pues no quedó lugar para poder colocar equipaje en caso de un viaje y además de ello se generó peso adicional el cual se explica más adelante en el presente capítulo.
En el sistema enchufable existen dos elementos principales para el funcionamiento, el cargador y el acumulador de energía. Por una parte el cargador está formado par varias piezas electrónicas que se detallan más adelante y por otra parte las baterías que son las encargadas de almacenar la energía eléctrica que necesita el auto para moverse.
Se decidió utilizar un soporte de acrílico para las baterías ya que en el caso de existir un cortocircuito, el acrílico no es conductor de la electricidad y evitará así un accidente por descarga eléctrica.
3.2 ELEMENTOS DEL SISTEMA HÍBRIDO ENCHUFABLE
Los principales elementos utilizados para la modificación del sistema híbrido convencional HEV a híbrido enchufable PHEV, fueron los siguientes:
- Vehículo Toyota Prius C Sport.
- Baterías adicionales de NiMH.
- Cargador electrónico de baterías.
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3.3 CARACTERÍSTICAS DEL VEHÍCULO TOYOTA PRIUS C
“El Toyota Prius C Sport está incorporado motor de 1500 centímetros cúbicos de cilindraje, que brinda un ahorro de combustible muy eficiente,
superior a los 4.7 L/100 Km. Además cuenta con el sistema de encendido
tipo COP, de bobinas independientes. La distribución es de tipo variable VVT-i y el sistema de mariposa de aceleración es motorizado. El régimen máximo de operación de este motor se encuentra alrededor de las 4500 revoluciones por minuto y ofrece una eficiencia muy importante debido al ciclo de trabajo Atkinson, el cual trata de aprovechar las ventajas de una alta relación de compresión reduciendo la carrera de compresión con respecto a la de expansión, esto se logra retrasando el cierre de la válvula de admisión, permitiendo el reflujo de gases hacia el colector de admisión mientras el pistón asciende. Esa mezcla se aprovecha en el siguiente ciclo de aspiración”. (TOYOTA MOTOR CORP. 2003)
3.4 CARATERÍSTICAS DE LAS BATERÍAS DE ALTA TENSIÓN
HÍBRIDAS
Para aumentar la autonomía de la batería de alto voltaje del vehículo híbrido, es necesario incrementar el amperaje de la misma, esto se lleva a cabo implementando un paquete adicional de baterías de alta tensión, que pueden estar conformadas en 20 celdas de baterías de un Toyota Prius o en 15 celdas de baterías de un Toyota Highlander, extraídas del conjunto completo de 30 celdas, ya que en ambos casos se obtiene el mismo voltaje nominal que es de 144 V. Para el desarrollo de este proyecto, se decidió utilizar un conjunto de baterías de alta tensión del Toyota Highlander, que fueron adquiridas en la empresa Importadora Tomebamba S.A., en la ciudad de Quito.
Estas baterías están compuestas de Níquel, Metal-Hidruro y subdivididas en 3 conjuntos de los cuales, dos contienen 12 celdas y uno tiene 6 celdas, como se muestra en la figura 32, cada celda tiene un voltaje de 9.6 voltios,
43 que en total proporcionan un voltaje nominal de 288 V y un voltaje máximo de carga de 345 V.
Figura 32. Baterías de alta tensión del Toyota Highlander
3.5 COMPROBACIÓN DEL ESTADO DE CARGA DE LAS
BATERÍAS
Un correcto funcionamiento de las baterías híbridas se refleja en su capacidad de mantener un voltaje alto y no descargarse de manera rápida, sino lenta y progresivamente.
Para determinar el estado de carga de las baterías, se realizaron pruebas de medición de voltajes en cada uno de los tres conjuntos, utilizando un multímetro digital en la función de voltímetro que es capaz de medir la caída de tensión tanto en corriente directa como alterna, como se muestra en la figura 33 y un foco halógeno de 110 V y 300 W, conectado en paralelo, para descargar las baterías y verificar si las mismas eran capaces de mantener su carga, como se muestra en la figura 34.
44
Figura 33. Medida de voltaje del conjunto de baterías
Figura 34. Descarga del conjunto de baterías
BATERÍAS
MULTÍMETRO
45 En el conjunto 1 que contiene 12 celdas, los voltajes se midieron cada diez minutos y fueron disminuyendo rápidamente, lo cual indica un deterioro de las baterías, es decir que no estaban descargándose de manera lenta, lo cual es ideal, sino rápidamente como lo muestran los datos presentados en la tabla 2. Se observa la caída de tensión cada diez minutos y una diferencia entre 5 V y 10 V que es una pérdida de voltaje defectuosa ya que debería ser de menos de 3 V.
El tiempo de descarga total fue de dos horas y cuarenta minutos.
Tabla 2. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 1
TIEMPO (MIN) VOLTAJES (V) 0 138.3 10 128.1 20 125.0 30 123.6 40 121.8 50 119.2 60 117.3 70 115.4 80 112.6 90 99.1 100 70.3 110 40.3 120 29.2 130 17.7 140 8.75 150 4.70 160 0.67