Vehículos híbridos y eléctricos Diseño del tren propulsor

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1 Vehículos híbridos y eléctricos Diseño del tren propulsor

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3 Vehículos híbridos y eléctricos Diseño del tren propulsor José María López Martínez D XTRA EDITORIAL

4 Consulte la página Diseño y fotografía de cubierta: TheIdeas José María López Martínez Sección de Publicaciones de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. Universidad Politécnica de Madrid Dextra Editorial S.L. C/Arroyo de Fontarrón, 271, Madrid Teléfono: Reservados todos los derechos. Está prohibido, bajo las sanciones penales y el resarcimiento civil previstos en las leyes, reproducir, registrar o trasmitir esta publicación, íntegra o parcialmente por cualquier sistema de recuperación y por cualquier medio, sea mecánico, electrónico, magnético, electroóptico, por fotocopia o por cualquier otro, sin la autorización expresa por escrito de Dextra Editorial. S.L. ISBN: Depósito legal: M Impreso en España. Printed in Spain

5 Sistemas de almacenamiento de energía 5 ÍNDICE Prólogo Sistemas de almacenamiento de energía Introducción Baterías Ultracondensadores Motores eléctricos Introducción Motores de continua Motores de alterna (CA) Motor de imanes permanentes Motor de reluctancia conmutada Criterios de selección de los motores eléctricos Diseño del sistema propulsor de un vehículo eléctrico Introducción Configuración de un vehículo eléctrico Comportamiento de un vehículo eléctrico Esfuerzo de tracción en conducción normal Determinación de la potencia y de la energía de las baterías Hibridación del sistema de almacenamiento de energía Fundamentos de la frenada regenerativa Introducción Energía de frenado consumida en ciclo urbano Energía de frenado frente a velocidad del vehículo Energía de frenado frente a potencia de frenado Potencia de frenado frente a velocidad Energía de frenado frente a deceleración Energía de frenado en los ejes delantero y trasero Frenado y recuperación de energía

6 6 Vehículos híbridos y eléctricos. Diseño del tren propulsor 4.9. Sistemas de frenado en los vehículos híbridos, eléctricos y de pila de combustible Concepto de hibridación y configuraciones Introducción Arquitecturas híbridas Principio de diseño de un sistema propulsor híbrido en serie Introducción Modos de operación Estrategias de control Diseño de los principales componentes de la configuración en serie Principio de diseño de un sistema propulsor híbrido paralelo Introducción Configuración del sistema propulsor y objetivos de diseño Estrategias de control Diseño paramétrico del tren propulsor Principio de diseño de un sistema propulsor híbrido serie-paralelo Introducción Control del tren propulsor Estrategias de control Diseño de los componentes del tren propulsor Vehículos eléctricos híbridos enchufables Introducción Configuraciones Estrategias de funcionamiento Estadística de la distancia media recorrida Estrategia de gestión de la energía Diseño de las baterías

7 Índice La pila de combustible y su sistema Introducción Rendimiento ideal El efecto de la presión y de la concentración del gas Irreversibilidades de la pila de combustible Rendimiento de la pila de combustible Consumo de oxidante y combustible. Relación estequiométrica Gasto másico de oxígeno, de aire y de hidrógeno en función de la potencia de la pila de combustible Gasto másico de aire en la salida de la pila de combustible Características del sistema de pila de combustible Producción de agua Gestión del agua Refrigeración de la pila de combustible Presión de funcionamiento en la pila de combustible Elementos del sistema de compresión Almacenamiento del hidrógeno Diseño del sistema propulsor con pila de combustible Introducción Sistemas híbridos pila de combustible-baterías o ultracondensadores Configuración del sistema propulsor Estrategia de control Diseño del motor eléctrico Diseño de la potencia del sistema de pila de combustible Diseño de la capacidad y potencia de las baterías Sistemas de almacenamiento de energía no eléctrica Introducción Vehículos con volante de inercia Vehículos híbridos con acumulador hidráulico Bibliografía

8 8 Vehículos híbridos y eléctricos. Diseño del tren propulsor

9 Sistemas de almacenamiento de energía 9 PRÓLOGO Escribir el prólogo de esta obra, atendiendo a la invitación de su autor, es para mí un honor y motivo de gran satisfacción, no solo por la relación personal y profesional que mantengo con el Profesor López sino, también, por la calidad del trabajo y la contribución que, estoy seguro, hace a la literatura técnica, en español, de un tema tan actual y de tanta importancia para la formación de jóvenes ingenieros y de otros especialistas. El incremento en los programas académicos de asignaturas relacionadas con los sistemas alternativos de propulsión de los vehículos automóviles tanto en Grado como en Master y la escasez de textos didácticos explicando estos conceptos, hacen de este libro una importante guía para facilitar la comprensión de las tecnologías involucradas. Las limitaciones de los recursos de los combustibles fósiles y el cambio climático son dos cuestiones que preocupan socialmente y que, además, irán ganado en importancia en los próximos años. El incremento continuo de la movilidad y del consumo de energía en las regiones emergentes hace que estos problemas se acentúen aún más. La industria del automóvil tiene, por tanto, que encontrar y realizar soluciones sostenibles para la movilidad y los sistemas de transporte del futuro. Posiblemente las soluciones tecnológicas que se obtengan, tendrán unos requerimientos más estrictos que los que aplican en la actualidad. Las condiciones de contor-

10 10 Vehículos híbridos y eléctricos. Diseño del tren propulsor no por las que se van a mover dichas soluciones serán la eficiencia energética, basada en el aseguramiento de la fuente de energía y combustibles limpios, así como bajas emisiones contaminantes y de ruido. Después de más de cien años de investigación, las perspectivas de un mayor grado de optimización de los motores de combustión interna alternativos son limitadas a pesar de los enormes y continuos esfuerzos de la industria automovilística. La pila de combustible ofrece un nuevo punto de partida, con un elevado rendimiento energético y bajas emisiones (emisiones cero en el punto de uso), la posibilidad de utilizar varias fuentes de energía y el potencial de alcanzar niveles de coste de mercado. En la actualidad ya existen automóviles que funcionan con mezclas de biocombustibles y otros que incorporan novedosos conceptos y complejos sistemas de propulsión como los vehículos híbridos, los vehículos puramente eléctricos y los de pila de combustible. Todavía existe campo de investigación necesarios para explorar la mejorar combinación tipo de combustible y concepto de vehículo para una aplicación y ciclo de conducción dados. El núcleo de la electrificación del transporte por carretera es el vehículo eléctrico basado en la tracción eléctrica y los módulos y componentes que forman parte de esta. Conceptos diferentes de turismos, camiones y autobuses son el principal objeto de las actuales actividades de investigación, como los sistemas híbridos enchufables, que son vehículos eléctricos con un pequeño motor término especial para una mayor autonomía. Los vehículos puramente eléctricos, debido a su condición de emisiones cero, en su punto de uso, y menor potencial de emisiones de gases de efecto invernadero (si se utilizan fuentes renovables) se consideran la opción más limpia y marcarán los hitos del transporte sostenible. Los vehículos híbridos micro, medio y completos son un punto de entrada favorable en este proceso. El libro trata sobre las bases teóricas y metodológicas de diseño de vehículos híbridos, eléctricos y de pila de combustible. Cubre los aspectos relacionados con las prestaciones del vehículo, configuraciones y estrategias de control y metodológica de diseño de vehículos actuales. Incluye el análisis del tren propulsor, las configuraciones de vehículos eléctricos y las arquitecturas de los vehículos híbridos serie, paralelo y serie-paralelo, así como la descripción de los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica y no eléctrica, de los motores eléctricos, los fundamentos de la frenada regenerativa y de las pilas de combustible y el diseño del tren propulsor con pila de combustible.

11 Prólogo 11 Estoy convencido de que este libro será muy apreciado por profesores, estudiantes de ingeniería y especialistas de diferentes sectores relacionados con los vehículos, el transporte y el medioambiente. Solo me queda felicitar muy sinceramente al Profesor López por este importante trabajo, que es fruto de su alto grado de especialización y conocimiento de los temas que aborda en él y desearle toda clase de éxitos a través del mismo. Francisco Aparicio Izquierdo Director del INSIA