En el presente informe damos a conocer información amplia sobre los vehículos híbridos que son de gran ayuda para el medio ambiente
ABSTRACT: In this report we present comprehensive information on hybrid vehicles that are helpful to the environment
Un automóvil híbrido es un automóvil que posee un motor eléctrico y un motor térmico. Con la combinación de estos dos motores se consigue reducir el mayor problema de los carros enteramente eléctricos que es de mucho peso, tamaño y costo de las baterías actualmente, por estas razones los autos híbridos son una muy buena opción hasta que se logre fabricar mejores baterías.
Frente a los autos eléctricos, los autos híbridos contaminan más y tiene muchas pérdidas de energía así como un mayor precio de mantenimiento.
A comparación con los autos convencionales estos tienen la gran ventaja de contaminar a nivel muy bajo, inclusive a no contaminar si nos referimos a un uso solamente en la ciudad.
II- A. Generalidades
Dicho anteriormente el automóvil híbrido es el que cuenta con motores de diferente funcionamiento. Estos motores suelen ser mayoritariamente eléctricos y de gasolina.[2], [7]. Los vehículos que poseen esta planta motriz poseen ventajas de consumo de combustible y de contaminación a nuestro medio ambiente. [1]
Fig. 1. Configuración interna de un auto hibrido
Los automóviles eléctricos no son ninguna novedad, ya que un motor eléctrico es mucho más antiguo que el de combustión, y en 1899 superaba el record en velocidad de 100 Km/h. [2], [7] Sin embargo los motores eléctricos fueron olvidados dada la evolución del motor de combustión.
En la actualidad la preocupación por el medioambiente ha incitado a poner en marcha proyectos de automóviles impulsados eléctricamente, y se han creado automóviles eléctricos para solucionar los problemas de autonomía de los solamente eléctricos.
Fig. 2. Hibrido con un generador independiente
-Empleando el motor eléctrico como un generador._ Se baja notablemente la cantidad de piezas que lo componen pero su rendimiento puede disminuir.
Fig. 3. Hibrido utilizando el motor eléctrico como un generador
II-B. MOTOR ELÉCTRICO
Un automóvil llega a usar un motor eléctrico empleando 2 motores en cada rueda de un solo eje o 4 distribuidos uno en cada rueda, por lo tanto se pueden usar motores en DC(Corriente Continua) o motores en AC(Corriente alterna). [3], [7]
II-B1. CORRIENTE CONTINUA
Si realizamos una comparación los motores de corriente continua son más fáciles de maniobrar que los motores de corriente alterna, puesto que solo se debería controlar la amplitud. [3], [7]
La desventaja de estos, es que se necesitan de escobillas y colector de delgas, por ende requerirán de mantenimiento extra, aunque en la actualidad se han creado motores de continua sin brushless/escobillas que descartan el inconveniente mencionado, aunque estos motores son síncronos de imán permanente con un conversor electrónico DC-AC agregado. [3]
Dentro de los motores de continua existen varios tipos aunque los más operados son los serie, los paralelo y los de excitación independiente.
Los serie tienen un par de arranque que suelen dar potencias breves muy elevadas, esto es de mucha ayuda en los vehículos híbridos paralelos cuando se lo pone en marcha usando el motor térmico y se necesite de una fuerte aceleración. Su desventaja es que su par disminuye proporcionalmente al cuadrado de la velocidad.
II-B2. CORRIENTE ALTERNA
Los motores que funcionan con corriente alterna son más dificultosos de operar ya que es necesario manipular la frecuencia de la tensión con la cual se alimentan, al igual que su amplitud. Estos se clasifican en síncronos y de inducción.
Los síncronos giran a velocidad invariable llamada también velocidad de sincronismo la cual indiferentemente a la carga, esta velocidad está marcada por la frecuencia del voltaje de ingreso. El inconveniente que presenta es que no pueden arrancar por sí mismos debido a que solo pueden girar a la velocidad del sincronismo. El inductor también puede ser de imanes permanentes.
Los de inducción son: Jaula de ardilla o anillos rozantes. El motor jaula de ardilla es el que posee mayor potencia de todos ya que no precisa de escobillas, se usan trifásicos debido a que es imprescindible disponer de un campo magnético giratorio ya qué una corriente monofásica no podrá producir. Son dificultosos de manejar.
II-C. GENERADOR
Cualquier sistema que convierta la energía mecánica originada de un motor térmico en energía eléctrica, podrá ser usado como generador.
Se puede utilizar el generador de corriente continua o uno de alterna. [2], [7]
II-C1. GENERADOR-BATERÍAS
Este generador es considerado un alternador, por lo cual este conversor por asi decirlo tendrá que rectificar. La energía debe circular del generador hacia las baterías, y no es necesario que sea bidireccional. La tensión de la salida debe ser apto para ceder una tensión de salida constante.
Se sugiere usar un rectificador de onda completa formado por un puente de diodos y un convertidor DC-DC tipo boost si la tracción de salida tiene que ser mayor que la de entrada, se recomienda usar buck si tiene que ser inferior, o buck-boost si puede ser menor o mayor, usando transistores.
El sistema de control es el que proyecta los transistores adecuadamente para obtener una apropiada tensión de salida constante e invariable, también controla que la intensidad no sobrepase los límites que podrían dañar al sistema.
El circuito simplificado usando buck-boost se refleja en el siguiente gráfico;
Fig 4. Circuito simplificado del conversor generador- baterías.
El puente de diodos corrige la tensión alterna y una vez rectificada es filtrada por el condensador. Posteriormente el sistema de control abre o cierra el transistor para alcanzar la tensión de salida que se desee obtener.
II-D. BATERIAS MOTOR
Este conversor va a depender del motor que se emplee.
Si se usa un motor de inducción trifásico, el conversor será un inversor que transforme la tensión continua de las baterías en alterna trifásica que sustente al motor eléctrico. [8]
En este caso se debe trabajar en los cuatro cuadrantes ya que la tensión tendrá que ser bidireccional para ser capaz de girar en los dos sentidos y la intensidad tendrá que ser bidireccional para admitir el frenado regenerativo.
Fig5. Zonas de trabajo del conversor baterías- motor.
En marcha común conducirán dos de los transistores, en marcha atrás operarán los dos restantes, mientras que en frenado regenerativo la corriente irá del motor a las baterías a través de los diodos. El controlador decidirá cuándo abrir o cerrar los distintos transistores.
II-D1. BATERÍAS
Ya que se necesita que las baterías sean alimentadas por el motor térmico, se suele precisar poner un número menor de baterías a diferencia de un automóvil completamente eléctrico, pero con la similitud que estas son del mismo tipo. Existen una diversidad de baterías de las cuales las más usadas son las de plomo ácido (PbH2SO4) y las de niquel-cadmio (Ni-Cd).[11],[13], [8]
II-D2. Plomo Ácido
Solían ser de las más utilizadas, porque son eficientes y relativamente baratas, pero su inconveniente es que tienden a ser muy pesadas y voluminosas, poseen poca densidad de energía, alrededor de unos 30 Wh/kg y sólo se pueden recargar entre 600 y 900 veces. [11][9]
II-D3. Niquel-Cadmio
Estas baterías se utilizan en la actualidad ya que son más livianas y de menor tamaño que las de plomo ácido. Su densidad energética es el doble que las de plomo ácido y el tiempo de uso es muchísimo mayor que las anteriores debido a que se pueden recargar alrededor de 2000 veces, posee altos niveles de potencia, calidad y son muy ventajosas para los vehículos híbridos, por lo cual son baterías costosas. [13], [11]
II-D4. Otras baterías
Se están experimentando con baterías como las de níquel-metal-hidruro (Ni-MH), las de litio u otras formas de obtener energía y que son actualmente una novedad como las células de combustible, pila electrolítica que funciona con hidrógeno y provoca electricidad. [11]
II.C. TRANSMISIÓN
La transmisión transmite elmovimiento mecanico desde los motores hacia las ruedas y desde el motor térmico al generador. El sistema varía en cada vehículo. [8],[7]
En los vehículos serie, el motor o los motores eléctricos deben transferir el movimiento a las ruedas, si se emplea solo un motor eléctrico hace falta diferencial para remediar la diferencia de velocidad lineal de las ruedas en las curvas, pero si se usan dos motores, e inclusive cuatro, uno en cada rueda, no hace falta diferencial por lo cual se facilita la parte mecánica pero se dificulta la operación. No se precisa de caja de cambios, puesto que se puede controlar totalmente la velocidad del motor pero si se suelen aplicar reductores permanentes para adecuar las revoluciones y par del motor al eje motriz. [8]
Fig. 6. Trasmisión en vehículos serie
De la presente investigación hemos podido comprender de mejor manera el funcionamiento de los vehículos híbridos, así como las grandes ventajas que nos brinda cuidando lo más importante en el planeta el medio ambiente.
[1] Energía y medioambiente: manual básico de innovaciones tecnológicas para su mejor aprovechamiento. Takeuchi, Noburo. Editorial Miguel Ángel Porrúa
[2] El libro práctico de los generadores transformadores y motores eléctricos. Enríquez Harper, Disponible en: https://es.scribd.com/doc/126304042/El-Libro-Practico-de-los-Generadores-Transformadores-y-Motores-Electricos-Gilberto-Enriquez-Harper-pdf
[3] Principios básicos de los motores de corriente continua. Jürgen Stumpp. Disponible en: http://www.festo-didactic.com/ov3/media/customers/1100/571785_leseprobe_es.pdf
[4] The design of the power for the control system of the switched reluctance motor applied to electrical vehicles based on the M57962L. Disponible en : http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=4677726&tag=1
[5] Design of switching power converter of PMSM power driver for Hybrid Electric Vehicle. Disponible en: http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=5729121&ta =1
[6] El ABC de las maquinas eléctricas II Motores de corriente alterna. Enríquez Harper
[7] Maquinas Eléctricas. Chapman 5ta Edición.
[8] Automóviles Eléctricos. Emilio Larrodé Pellicer. Disponible en: https://books.google.es/books?id=bDezKaL-QFMC&printsec=frontcover&hl=es&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false
[9] Hybrid Electric Vehicles. Disponible en: https://www.ieee.org/about/technologies/emerging/emerging_tech_phev.pdf
[10] Hybrid Car System Learns Fuel Efficiency. Jeremy Hsu. Disponible en: http://spectrum.ieee.org/cars-that-think/transportation/advanced-cars/hybrid-car-system-learns-fuel-efficiency
[11] Lithium Batteries for Hybrid Cars. John Voelcker. Disponible en: http://spectrum.ieee.org/transportation/advanced-cars/lithium-batteries-for-hybrid-cars
[12] http://sites.ieee.org/encs/files/2012/04/IEEE-DL-Lecture-Eastern-North-Carolina-April-19-2012.pdf
[13] Lithium Batteries Take to the Road. John Voelcker. Disponible en: http://spectrum.ieee.org/transportation/advanced-cars/lithium-batteries-take-to-the-road
BIOGRAFÍA
III-A. Paul Oswaldo Montoya Villavicencio nací el 3 de Octubre de 1994 en Loja; Ecuador, actualmente resido en la ciudad de Cuenca; mis estudios iniciaron en "Escuela Mercedes Navarrete", la secundaria en el "Colegio Fiscomisional Rio Upano", en la especialidad de Físico Matemático, luego comencé mis estudios de tercer nivel en la "Universidad Politécnica Salesiana", en la carrera de Ing. Eléctrica.
Autor:
Paul Montoya,
Universidad Politécnica Salesiana – Sede Cuenca