8 AUTOM

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8 AUTOMÓVILES HÍBRIDOS
8.1. INTRODUCCIÓN 8.2. GENERALIDADES 8.3.
DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMNTOS PRINCIPALES 8.4.
FUNCIONAMIENTO Y TIPOS 8.5. DESCRIPCIÓN DE LOS
COMPONENTES PRINCIPALES
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• 8. AUTOMÓVILES HÍBRIDOS
• 8.1 INTRODUCCIÓN
• Un vehículo híbrido posee tanto motor eléctrico,
  como térmico.
• Al utilizar el motor térmico para recargar las
  baterías, se necesitan menor número de estas por
  lo que el peso total del vehículo es menor ya que
  el motor térmico suele ser pequeño. El principal
  inconveniente que tienen es la mayor
  contaminación y mas pérdidas de energía además de
  requerir mas mantenimiento.
• Frente a los vehículos tradicionales tienen la
  ventaja de contaminar menos, incluso no
  contaminar en ciudad usando sólo el motor
  eléctrico y de consumir menos ya que el motor
  térmico es más pequeño y se puede hacer funcionar
  a velocidad prácticamente constante y en zonas de
  alto rendimiento, usando el eléctrico para las
  aceleraciones bruscas además de poder usar
  frenado regenerativo.
• Tienen la desventaja de ser más caros. Tanto la
  velocidad máxima, como la autonomía son parecidas
  a los puramente térmicos y el peso puede ser
  también parecido si se usan carrocerías ligeras
  de aluminio, fibra de carbono o fibra de vidrio.

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• 8.2 GENERALIDADES
• El vehículo híbrido es aquel que tiene su planta
  motriz compuesta por motores de distinto tipo,
  normalmente eléctricos y de gasolina.
• Hay dos tipos de híbridos. Los llamados
  "paralelos" funcionan con una doble propulsión
  térmica y eléctrica el motor térmico asegura la
  velocidad máxima, buena aceleración y un radio de
  acción amplio el eléctrico se utiliza en ciudad.
  Casi todos los fabricantes (Volvo, Renault,
  Peugeot, Chrysler, Ford, etc.) están trabajando
  en vehículos eléctricos e híbridos, aunque
  algunos utilizan como segundo combustible gas
  natural o GLP en vez de gasolina o gasoil.
• El segundo tipo, "de serie", incorpora un
  alternador impulsado por un pequeño motor
  térmico, que se utiliza para recargar las
  baterías y para obtener algo más de empuje en
  cuestas y adelantamientos no obstante, este
  motor térmico funciona a régimen constante, lo
  que evita golpes de acelerador, responsables de
  la contaminación.

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• 8.3 DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS PRINCIPALES
• - Batería sería el depósito. El problema es su
  peso para 100 Km de autonomía, el peso está
  entre 200 y 300 Kilos. Hay dos tipos frías
  (funcionan a temperatura ambiente) y calientes
  (funcionan a 300 grados y necesitan un circuito
  de refrigeración de aceite).
• - Cargador transforma la corriente alterna de
  220 voltios obtenida en las tomas en corriente
  continua a la tensión determinada.
• - Motor actualmente se utilizan motores de
  corriente continua. Se investigan, por razones de
  ligereza, robustez y rendimiento, motores de
  alterna trifásica, cuyo funcionamiento sería
  parecido a un motor de 3 cilindros.
• - Variador Toma energía de la batería y la
  inyecta en el motor en función de la posición del
  acelerador. Es decir, que transforma corriente
  continua procedente de la batería en alterna
  variable. Sería comparable con la bomba de
  inyección de un motor de explosión.

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• Los motores eléctricos giran en ambos sentidos,
  por eso no se suele instalar embrague ni marcha
  atrás mecánica. Además funciona a una temperatura
  relativamente baja (50 a 100 grados centígrados)
  no obstante, necesita ser enfriado bien mediante
  un ventilador de aire o un circuito de agua.
• - Reductor sería la caja de cambios. La potencia
  en estos motores se desarrolla en toda la gama de
  funcionamiento, desde bajas a altas velocidades.
  Esto permite una "caja de cambios" muy simple.
  Sólo suele tener una marcha, sin embrague (ya que
  arranca sólo y no tiene ralentí) ni marcha atrás.
  
• - Convertidor Es una batería muy pequeña que
  alimenta, a una tensión baja y poco peligrosa (12
  V.), luces, limpiaparabrisas, etc., mediante un
  convertidor electrónico a transistores.
• - Bomba de vacío proporciona la depresión
  necesaria para el sistema de frenos, que no puede
  ser obtenida del motor principal.
• - Supervisor o control es el elemento encargado
  de coordinar todos los calculadores electrónicos
  del variador, cargador, batería, cuadro de
  instrumentación, etc.
• En un vehículo híbrido la situación se complica,
  ya que además de todos los elementos de un
  vehículo convencional hay que añadir los
  anteriores para que funcione correctamente la
  planta motriz eléctrica.

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• 8.4 FUNCIONAMIENTO Y TIPOS
• 8.4.1 HÍBRIDO SERIE
• En la configuración serie el motor térmico se usa
  solamente para alimentar al motor eléctrico y
  recargar las baterías, no interviene en la
  tracción. El motor térmico impulsa un generador
  eléctrico, normalmente un alterador trifásico,
  que recarga las baterías, una vez rectificada la
  corriente, y alimenta al motor o motores
  eléctricos y estos son los que impulsan al
  vehículo.

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• Sólo admite dos modos de funcionamiento sólo
  eléctrico y eléctrico con recarga de las baterías
  por parte del motor térmico.
• La ventaja que tiene esta configuración es que el
  motor térmico al no usarse en la tracción se
  puede hacer funcionar a velocidad constante en su
  régimen de mayor rendimiento. Otra ventaja es que
  necesitan un sistema de control más sencillo.
• Los inconvenientes que tiene es que toda la
  energía producida por el motor térmico tiene que
  atravesar el generador sufriendo muchas pérdidas,
  debido al cambio de energía mecánica a eléctrica,
  y toda la energía para la tracción tiene que
  pasar por el motor eléctrico.
• Otro inconveniente es que tanto el motor térmico
  como el eléctrico tienen que estar dimensionados
  para una conducción por carretera y sus tamaños
  pueden ser excesivos.

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• 8.4.2 HÍBRIDO PARALELO
• La configuración paralelo es la más utilizada. En
  esta configuración tanto el motor térmico como el
  eléctrico están conectados a la transmisión
  pudiendo funcionar cada uno en solitario o los
  dos a la vez.
• 8.4.2.1 Tipos
• Dentro de los paralelos hay principalmente dos
  tipos usando un generador independiente para
  cargar las baterías, o usar el mismo motor como
  generador.
• Con generador independiente.
• Su inconveniente es que tiene mas componentes, el
  alternador, el conversor AC-DC y la transmisión
  ente el motor térmico y el generador por lo que
  será más pesado y caro. Sin embargo tiene la
  ventaja que el generador al estar diseñado para
  funcionar sólo como generador será más eficiente
  que el motor funcionando como generador.
• Usando el motor eléctrico como generador.
• Se disminuye el número de componentes, pero puede
  disminuir el rendimiento.

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• Híbrido paralelo con generador independiente.

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• Híbrido paralelo usando el motor eléctrico como
  generador.

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• 8.4.2.2 Modos de funcionamiento
• Sólo eléctrico. Hasta velocidades normalmente
  de 40 km/h solo funciona el motor eléctrico
  consumiendo la energía de las baterías, sin que
  estas sean recargadas por el motor térmico. Este
  es el funcionamiento normal en ciudad. También es
  el funcionamiento marcha atrás, ya que durante la
  marcha atrás se limita la velocidad a velocidades
  bajas.

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• Sólo térmico. A velocidad mayor de 40 km/h sólo
  funciona el motor térmico Este es el
  funcionamiento normal en carretera.

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• Térmico más carga de baterías. Si estando
  funcionando en modo sólo térmico sobra energía
  del motor, esta es usada en cargar las baterías.

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• Térmico más eléctrico. Estando en
  funcionamiento térmico si se necesita mas
  potencia, por ejemplo para acelerar, entra en
  funcionamiento el motor eléctrico en paralelo con
  el térmico consiguiendo así una mayor potencia.

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• Frenado regenerativo. Al frenar o decelerar, el
  motor eléctrico funciona como generador y recarga
  las baterías. Al apagar el motor térmico, ahorra
  combustible

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• Parado y cargando. Cuando el vehículo esta
  parado para recargar las baterías se pone en
  funcionamiento el motor térmico desacoplado de la
  transmisión.

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• 8.5 DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES PRINCIPALES
• El esquema completo de funcionamiento de un
  vehículo serie es el de la figura a, y el del
  híbrido paralelo con generador independiente es
  el que se muestra en la figura b. En los dos
  tipos las partes de que están compuestos son
  prácticamente las mismas, lo único que cambia es
  la conexión de algunas de estas partes.
• Figura a.
• MT Motor térmico
• A Alternador
• B Batería
• C Conversor
• ME Motor eléctrico
• T Transmisión.

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• Figura b.
• Esquema de funcionamiento de un híbrido paralelo.
• MT Motor térmico
• A Alternador
• B Batería
• C Conversor
• ME Motor eléctrico
• T Transmisión.

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• 8.5.1 MOTOR TÉRMICO
• El motor térmico es el encargado de impulsar al
  generador eléctrico. Puede ser cualquier tipo de
  motor térmico que consuma cualquier tipo de
  combustible, no tiene porque ser un motor de
  gasolina o diesel. Actualmente los mas utilizados
  son los de gasolina, diesel y de turbina de gas.
• Los motores de gasolina y diesel son
  prácticamente iguales a los usados en los
  vehículos tradicionales aunque se suelen usar de
  menor tamaño y menor potencia debido a la doble
  motorizaron.
• En los híbridos en paralelo se dimensionan para
  el funcionamiento normal en carretera pero no
  para grandes aceleraciones ya que en este caso el
  motor eléctrico también actúa. El motor térmico
  tiene que tener un dispositivo de aceleración
  como una válvula mariposa o un sistema de
  inyección que se pueda controlar
  electrónicamente.
• El motor de turbina de gas que se emplea, sigue
  siendo un motor sencillo debido a que sólo gira
  en vez de tener un movimiento alternativo como
  los motores de gasolina. Funciona con pocas
  vibraciones y produce un buen par motor por lo
  que puede utilizar transmisiones simplificadas.
  Permiten concentrar en un sólo eje potencias
  elevadas en un reducido tamaño.

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• Los motores térmicos suelen necesitar un motor de
  arranque por lo que pueden usar el motor
  eléctrico de tracción como motor de arranque o
  utilizar un motor de arranque independiente
  alimentado por la batería auxiliar.
• Esquema de funcionamiento de motor térmico.

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• 8.5.2 MOTOR ELÉCTRICO
• El vehículo puede usar un sólo motor eléctrico,
  dos (uno en cada una de las ruedas de un eje) o
  cuatro (uno en cada rueda). Se pueden usar
  motores de corriente continua o de corriente
  alterna.
• 8.5.2.1 Corriente continua.
• Tienen la ventaja de ser mas fáciles de controlar
  que los de alterna ya que solo hay que controlar
  la amplitud.
• Motor de corriente continua con excitación serie.

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• Los paralelo (shunt) dan pares de arranque
  menores pero más estables.
• Los de excitación independiente son los mejores
  aunque también son más complicados de controlar
  debido a que no solo hay que controlar la tensión
  aplicada al inducido, sino también al inductor
  (excitación). Con este doble control se puede
  obtener cualquier curva par-velocidad.
• Motor de corriente continua Motor de corriente
  continua
• con excitación en paralelo. con excitación
  independiente.

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• 8.5.2.2 Corriente alterna.
• Son más difíciles de controlar que los de
  continua ya que hay que controlar la frecuencia
  de la tensión de alimentación y la amplitud de
  esta tensión. Pueden ser síncronos o de
  inducción.
• Los síncronos giran a velocidad constante,
  independiente de la carga (velocidad de
  sincronismo), esta velocidad viene fijada por la
  frecuencia de la tensión de alimentación. El
  mayor problema que tienen es que no pueden
  arrancar por si mismos ya que sólo pueden girar a
  la velocidad de sincronismo.
• Los de inducción pueden ser de Jaula de ardilla o
  de anillos rozantes. El de jaula de ardilla es el
  motor mas robusto de todos ya que no necesita
  escobillas.

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• 8.5.3 GENERADOR
• Como generador se puede usar cualquier sistema
  que transforme la energía mecánica proveniente
  del motor térmico en energía eléctrica. Se puede
  usar un generador de corriente continua (dínamo)
  o uno de alterna. Lo más normal es usar un
  generador de alterna ya que aunque con el de
  continua no habría que rectificar la corriente
  los de alterna son más robustos.
• Dentro de los de corriente alterna lo más común
  es usar un generador síncrono, llamado
  normalmente alternador. También se pueden usar
  alternadores de imanes permanentes con lo que
  necesita escobillas pero no se puede controlar la
  excitación.

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• 8.5.4 CONVERSORES
• Hacen falta dos conversores, uno para convertir
  la electricidad alterna proveniente del
  alternador en corriente continua que pueda cargar
  la batería y otro que adapte la salida de las
  baterías al motor eléctrico. Existirá otro para
  controlar el campo de excitación del alternador y
  si el motor que se usa es de comente continua con
  excitación independiente también necesitará
  controlar su campo de excitación.
• 8.5.4.1 Generador - Baterías.
• El generador es siempre un alternador por lo que
  este conversor tendrá que ser un rectificador. La
  energía sólo tiene que fluir del generador a las
  baterías por lo que no hace falta que sea
  bidireccional. Debido a que la tensión de salida
  del alternador dependerá de la velocidad de este,
  tiene que ser capaz de dar una tensión de salida
  constante (la de las baterías).
• 8.5.4.2 Baterías - motor.
• Este conversor dependerá del tipo de motor que se
  utilice. Si se utiliza un motor de inducción
  trifásico este conversor será un inversor que
  convierta la tensión continua de las baterías en
  alterna trifásica que alimente al motor. Tendrá
  que poder variarse tanto la amplitud como la
  frecuencia para poder controlar velocidad y par.

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• Zonas de trabajo del conversor baterías-motor.

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• 8.5.5 BATERÍAS
• Debido a la recarga de las baterías por parte del
  motor térmico, necesita menos baterías que un
  vehículo solamente eléctrico, sin embargo las
  baterías utilizadas son del mismo tipo.
• 8.5.5.1 Plomo-ácido
• Eran las más utilizadas hasta hace poco. Es
  bastante eficiente y relativamente barata pero
  tienen el problema de ser muy pesadas y
  voluminosas, tienen poca densidad energética,
  unos 30 Wh/kg y se recargan ente 600 y 900 veces.
  
• 8.5.5.2 Níquel-cadmio
• Estas baterías se están imponiendo actualmente
  debido a su menor peso y tamaño que las de
  plomo-ácido. Su densidad energética es mas del
  doble que en las de plomo-ácido. Además tienen un
  tiempo de vida alto (se pueden recargar mas de
  2000 veces) y altos niveles de potencia por lo
  que son muy buenas para los vehículos híbridos.
  El mayor problema es el precio.
• 8.5.5.3 Otras baterías.
• Actualmente también se están probando las
  baterías de níquel-metal-hidruro (Ni-MH) y se
  están investigando otras formas de almacenar
  energía que nos son exactamente baterías, como
  las células de combustible o la pila
  electrolítica que funciona con hidrógeno,
  produciendo electricidad.

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• 8.5.6 TRANSMISIÓN
• La transmisión lleva el movimiento desde los
  motores hasta las ruedas y desde el motor térmico
  al generador.
• El sistema depende de cada vehículo. En los
  vehículos serie sólo el motor o los motores
  eléctricos tienen que transmitir el movimiento a
  las ruedas.
• Si se usa un solo motor eléctrico hace falta
  diferencial para compensar la diferencia de
  velocidad lineal de las ruedas en las curvas,
  pero si se usan dos motores o incluso cuatro, uno
  en cada rueda, no hace falta diferencial con lo
  que se simplifica la parte mecánica pero se
  complica el control.
• No hace falta caja de cambios ya que se puede
  controlar totalmente la velocidad del motor, pero
  si se suelen usar reductores fijos para adaptar
  las revoluciones y par del motor al eje motriz.

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• Transmisión en vehículo serie.
• D Diferencial
• G Generador
• ME Motor eléctrico
• MT Motor térmico.

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• En los paralelos la transmisión es más complicada
  ya que tanto el motor térmico, como el eléctrico
  tienen que transmitir el movimiento a las ruedas.
  Se pueden conectar directamente al mismo eje el
  motor eléctrico y el térmico a través de las
  reducciones fijas y este eje se conecta al eje
  motriz a través de un diferencial.
• Transmisión en vehículo paralelo.
• D Diferencial
• G Generador
• E embrague
• ME Motor eléctrico
• MT Motor térmico.

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• Otra posibilidad en los paralelos es usar el
  motor térmico en la tracción de un eje (el
  delantero por ejemplo) y el motor eléctrico en el
  otro, con lo que la conexión entre ambos motores
  la realiza la carretera.
• Transmisión en vehículo paralelo en doble eje.
• D Diferencial
• G Generador
• ME Motor eléctrico
• MT Motor térmico.

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• 8.5.7 CONTROL
• El sistema de control de un vehículo híbrido es
  muy importante ya que se encarga de controlar
  tanto la parte eléctrica, como la térmica de
  forma que para el conductor no tiene que
  preocuparse de si está funcionando el motor
  eléctrico o el térmico, el control decidirá en
  función de la velocidad el modo de funcionamiento
  conectando o desconectando los motores eléctrico
  y térmico y el generador.
• Además el sistema de control tiene que vigilar
  que no se produzcan sobreintensidades o
  sobretensiones que puedan dañar los componentes.

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• 8.5.7.1 Motores
• Como todo sistema de control necesitará unas
  referencias que serán el estado deseado de las
  distintas variables, principalmente la velocidad
  y el par.
• Estas referencias provienen de los mandos del
  vehículo que serán el acelerador, el freno y la
  palanca de cambios que solo necesita tres
  posiciones marcha adelante, marcha atrás y punto
  muerto.
• Con el freno se controla tanto los frenos
  mecánicos, como el eléctrico regenerativo. El
  control decide que tipo de freno aplicar en cada
  circunstancia.
• Con el acelerador se controla la velocidad
  deseada y por lo tanto el par necesario para
  pasar de la velocidad actual a la deseada. La
  palanca de cambios sólo conmuta entre marcha
  adelante y marcha atrás.
• En marcha atrás sólo funciona el motor eléctrico
  por lo que si el motor es de corriente continua
  basta con invertir las polaridades y si es un
  motor de inducción basta con intercambiar dos
  fases invirtiendo el orden de disparo de los
  transistores.

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• Esquema simplificado de funcionamiento del
  control.
• CTRL Controles CM Comparador
• R Regulador C Conversor
• ME Motor eléctrico MT Motor térmico

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• 8.5.7.2 Generador y baterías.
• Hay que controlar que la tensión de salida del
  alternador para que sea la adecuada para la carga
  de las baterías.
• Esto se puede hacer variando la tensión de
  excitación del alternador o mediante el conversor
  AC-DC, abriendo o cerrando adecuadamente el
  transistor.
• También hay que controlar la intensidad que entra
  en las baterías, para que sea la adecuada para la
  carga.
• La carga de las baterías se realizara si el motor
  térmico no necesita toda su potencia para la
  tracción y éstas están descargadas por debajo de
  un cierto nivel.

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• 8.5.8 EQUIPOS AUXILIARES
• 8.5.8.1 Alimentación
• Además de alimentar al motor, habrá que
  suministrar energía a distintos componentes tales
  como las luces, motor de arranque si lo tiene,
  equipos electrónicos, etc. Esta energía pueden
  suministrarlas las mismas baterías de tracción a
  través de un conversor DC-DC para reducir la
  tensión al nivel adecuado para estos equipos, o
  usar una batería auxiliar como las de los
  automóviles tradicionales.
• 8.5.8.2 Refrigeración.
• Hay que refrigerar tanto el motor térmico como el
  eléctrico y el generador ya que están sometidos a
  altas intensidades que producirán mucho calor que
  los puede dañar. El motor térmico se refrigera
  del mismo modo que los tradicionales mediante
  agua, mientras que el eléctrico se puede
  refrigerar por liquido o por aire. También hay
  que refrigerar las baterías por la misma razón,
  se suelen refrigerar con agua o con algún otro
  líquido como disoluciones de agua con glicol.
  También hay que refrigerar los equipos
  electrónicos dotándolos de radiadores térmicos
  mediante ventiladores, aunque el movimiento del
  aire debido al movimiento del vehículo puede ser
  suficiente.