UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS DE MADRID Estudio preliminar de las ITV para vehículos híbridos y eléctricos Proyecto fin de carrera Autor: Sofía Cobo de Guzmán Domínguez Director: Juan de Norverto Moriñigo Mayo de 2011
ÍNDICE DE LA MEMORIA Índice de la memoria Parte I Memoria... 2 Capítulo 1 Introducción... 3 1.1 Estudio de los trabajos existentes / tecnologías existentes... 3 1.2 Motivación del proyecto... 5 1.3 Objetivos... 8 1.4 Metodología / Solución desarrollada... 9 1.5 Recursos / herramientas empleadas... 10 Capítulo 2 Tecnologías de los vehículos híbridos y eléctricos... 11 2.1 Vehículos híbridos... 11 2.1.1 Configuración en serie... 12 2.1.2 Configuración en paralelo y en paralelo compleja... 14 2.1.3 Grado de hibridación eléctrica... 16 2.1.4 Funcionamiento... 18 2.2 Vehículos eléctricos... 20 2.3 Retos tecnológicos... 23 2.3.1 Vehículos híbridos... 23 2.3.2 Vehículos eléctricos... 24 Capítulo 3 Análisis de la situación actual de las ITV... 26 3.1 Introducción... 26 3.2 Qué se revisa?... 28 3.3 Requisitos de las estaciones de ITV... 31 II
ÍNDICE DE LA MEMORIA 3.4 Legislación... 33 Capítulo 4 Componentes de los nuevos vehículos... 35 4.1 Batería... 36 4.1.1 Introducción... 36 4.1.2 Funcionamiento... 36 4.1.3 Características y tipos... 38 4.2 Ultracondensadores... 47 4.3 Enchufe... 49 4.4 Máquina eléctrica... 53 4.4.1 Máquinas asíncronas o de inducción... 53 4.4.2 Máquinas síncronas... 56 4.4.3 Máquinas de reluctancia conmutada... 58 4.4.4 Motores de flujo axial... 58 4.4.5 Motores de corriente continua sin escobillas... 59 4.5 Convertidor electrónico... 60 4.6 Unidad de control... 63 4.7 Grupo diferencial... 64 4.8 Generador de ruido... 65 4.8.1 El ruido... 65 4.8.2 Aplicación a los vehículos... 67 4.9 Freno regenerativo... 70 4.9.1 Introducción... 70 4.9.2 Funcionamiento... 71 4.10 Paneles solares... 77 Capítulo 5 Diseño de pruebas... 78 5.1 Batería y cableado... 79 5.1.1 Seguridad en caso de accidente... 80 5.1.2 Objeto de la prueba... 81 5.1.3 Procedimiento... 83 5.2 Ultracondensadores... 84 III
ÍNDICE DE LA MEMORIA 5.3 Enchufe... 84 5.4 Máquina eléctrica y controladores electrónicos... 85 5.4.1 Normativa actual... 86 5.4.2 Sería necesaria una prueba?... 87 5.5 Grupo diferencial... 89 5.6 Generador de ruido... 90 5.6.1 Objeto de la prueba... 90 5.6.2 Procedimiento... 94 5.6.3 Coste de implantación... 95 5.7 Freno regenerativo... 98 5.7.1 Objeto de la prueba... 98 5.7.2 Procedimiento... 102 Capítulo 6 Conclusiones... 103 Bibliografía 105 Parte II Anexos... 107 Capítulo 1 Capítulo 2 ANEXO I: Aparatos de medida... 108 ANEXO II: Laboratorio de medida de emisiones... 113 IV
ÍNDICE DE FIGURAS Índice de figuras Figura 1.1: Previsión de vehículos hasta 2050.... 4 Figura 1.2: Previsión de ventas globales de vehículos híbridos enchufables y eléctricos hasta 2050 (datos en millones de unidades).... 4 Figura 1.3: Atlas de polución.... 5 Figura 1.4: Emisiones de gases contaminantes según el tipo de vehículo.... 6 Figura 1.5: Tipos de vehículos en España.... 7 Figura 2.1: Configuración serie de un vehículo híbrido.... 13 Figura 2.2: Configuración paralelo de un vehículo híbrido.... 14 Figura 2.3: Configuración paralelo-serie de un vehículo híbrido.... 15 Figura 2.4: Clasificación de los VH en función de los GHE.... 17 Figura 2.5: Funcionamiento de un vehículo híbrido.... 19 Figura 2.6: Funcionamiento según estado de conducción.... 19 Figura 2.7: Eficiencia energética de un VE.... 22 Figura 4.1: Funcionamiento del vehículo híbrido... 38 Figura 4.2: Gráfico de densidad de energía por masa y por volumen.... 44 Figura 4.3: Tensión de salida del ultracondensador.... 48 Figura 4.4: Máquina asíncrona de rotor bobinado.... 55 Figura 4.5: Máquina asíncrona de rotor de jaula de ardilla.... 56 Figura 4.6: Circuito del Rectificador-Inversor.... 62 Figura 4.7: Engranajes planetarios... 64 Figura 4.8: Motores y sistema de transmisión de un VH serie-paralelo.... 65 V
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 4.9: Fuentes principales del ruido urbano... 67 Figura 4.10: Funcionamiento del generador de ruido de Nissan.... 70 Figura 4.11: Configuración de un sistema de frenado... 72 Figura 4.12: Relación de distribución de las fuerzas hidráulicas y regenerativas de las ruedas traseras y delanteras.... 75 Figura 4.13: Característica de la válvula de compensación.... 76 Figura 5.1: Espectros de ruido típicos de módulos inversores basados en IGBT s... 88 Figura 5.2: Curvas de Fletcher y Munson.... 92 Figura 5.3: Comprobador de velocímetro.... 97 VI
ÍNDICE DE TABLAS Índice de tablas Tabla 2.1: Ventajas e inconvenientes de los VH... 12 Tabla 2.2: Comparativa de las distintas configuraciones de vehículos híbridos... 16 Tabla 2.3: Ventajas e inconvenientes de los VE.... 21 Tabla 3.1: Precio ITV para turismos en el año 2010.... 28 Tabla 4.1: Motor y Batería de algunos vehículos híbridos y eléctricos.... 36 Tabla 4.2: Características y aplicaciones principales de las baterías recargables. 42 Tabla 4.3: Ventajas e inconvenientes de las baterías de Pb-ácido.... 43 Tabla 4.4: Comparativa características de las baterías de Pb-ácido, Ni-MH y Liión.... 46 Tabla 4.5: Tiempos de carga de algunos VE.... 51 Tabla 4.6: Características de los distintos tipos de motores eléctricos.... 60 Tabla 4.7: Tipos de convertidores... 61 Tabla 4.8: Niveles de intensidad del sonido.... 66 Tabla 5.1: Normas sobre EMC en automoción.... 87 Tabla 5.2: Niveles de presión sonora y efectos en el oído humano... 93 Tabla 6.1: Resumen de las pruebas nuevas propuestas.... 103-1 -
Introducción Parte I MEMORIA - 2 -
Introducción Capítulo 1 INTRODUCCIÓN En los dos primeros capítulos se hace una introducción del estado del arte y de la motivación que ha hecho posible este proyecto. En el capítulo 3 se analiza el estado actual de las estaciones de ITV. Posteriormente, en la sección 4, se explican detalladamente varios componentes de los vehículos híbridos y eléctricos y, en la sección 5, se proponen modificaciones o creaciones de pruebas con las que se debería comprobar la seguridad de estos vehículos. 1.1 ESTUDIO DE LOS TRABAJOS EXISTENTES / TECNOLOGÍAS EXISTENTES En la actualidad no existe ninguna estación de ITV en España que realice pruebas distintas según si un vehículo es convencional, ya sea gasolina o diesel, o si es híbrido o eléctrico. Pero es algo que se debería plantear a corto plazo ya que, según el Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE), la demanda prevista de vehículos híbridos y eléctricos aumentará progresivamente según se estima en la figura 1.1. - 3 -
Introducción Figura 1.1: Previsión de vehículos hasta 2050. (Fuente: IDAE) Y si se considera sólo la demanda de vehículos híbridos y eléctricos, sin especificar el tipo, se puede observar en la figura 1.2, que para 2050 se espera que ya haya tantos vehículos híbridos enchufables como eléctricos. Figura 1.2: Previsión de ventas globales de vehículos híbridos enchufables y eléctricos hasta 2050 (datos en millones de unidades). (Fuente: IEA, 2009) Lo que sí existe ya es un reglamento, concretamente el Reglamento nº 100 de la Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa (CEPE/ONU), en el que se indica qué aspectos deben cumplir los nuevos vehículos en lo que se refiere a seguridad eléctrica. Estos aspectos deberán ser comprobados por los fabricantes - 4 -
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS Introducción de cara a obtener la homologación del vehículo, por lo que en él se explica detalladamente el procedimiento de medida y comprobación. 1.2 MOTIVACIÓN DEL PROYECTO Durante los últimos años han surgido nuevas alternativas al vehículo convencional, con motor de combustión interna, con el fin de hacer que nuestro sistema de transporte sea lo más sostenible posible. Esto es, crear una conciencia social de respeto al medio ambiente y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero como el CO2, como se ilustra en la figura 1.3. Figura 1.3: Atlas de polución. (Fuente: www.e-missionneutral.com) -5-
Introducción Veamos ahora por qué es tan importante reducir las emisiones de los turismos. Si se observan las figuras 1.4 y 1.5, se puede ver que en 2008 en España más del 70% de los vehículos, de un total de entorno a 30 millones, eran turismos y que éstos eran responsables de casi un 50% de las emisiones de CO 2 del sector transporte en España (sector que depende fuertemente del petróleo). Esto, unido a que estamos muy lejos de cumplir el límite de emisiones pactado en el protocolo de Kyoto, hace que la popularización de los nuevos vehículos sea muy necesaria. Por otro lado, el uso de estos vehículos aumentará la calidad de vida en las grandes ciudades, que son un foco de emisiones nocivas por contaminación tanto acústica como del aire. Figura 1.4: Emisiones de gases contaminantes según el tipo de vehículo. (Fuente: INSIA) - 6 -
Introducción Figura 1.5: Tipos de vehículos en España. (Fuente: DGT, 2008) Las dos formas alternativas que más se han impuesto han sido los vehículos eléctricos, que están alimentados por baterías, y los vehículos híbridos, que además de un motor de combustión interna, tienen un motor eléctrico. La combinación de un motor de combustión operando siempre a su máxima eficiencia y la recuperación de energía de frenado, hace que estos vehículos alcancen un mejor rendimiento que los vehículos convencionales, especialmente en entornos urbanos, donde se centra la mayor parte del tráfico, de forma que se reducen significativamente tanto el consumo de combustible como las emisiones contaminantes. Los vehículos eléctricos utilizan baterías recargadas por una fuente externa lo que les ocasiona problemas de autonomía. El sector de los vehículos eléctricos representa un sector creciente y plantea excelentes oportunidades, principalmente porque las grandes empresas del sector automovilístico se han mantenido al margen, pues han centrado sus esfuerzos en las tecnologías híbridas. Además gracias a ellos se puede fomentar una mayor presencia de energías renovables dentro del mix de generación eléctrica. - 7 -
Introducción Los objetivos de la implantación de estos vehículos son, por tanto, reducir las emisiones de CO 2 para combatir contra el cambio climático, mejorar la calidad del aire en las ciudades y disminuir la dependencia del petróleo. Ante la creciente demanda de este tipo de vehículos vista en el apartado anterior, se debe analizar si sus diferencias con los vehículos convencionales hacen que sea necesaria una modificación de la ITV actual, para comprobar el correcto funcionamiento de éstos y garantizar así la seguridad de los pasajeros como de los demás usuarios de la vía pública. 1.3 OBJETIVOS El primer objetivo de este proyecto es realizar un análisis de la situación actual de la ITV. Esto permite saber el tipo de pruebas que se están realizando actualmente, para comprobar que las distintas partes de los vehículos funcionan correctamente, y así garantizar la seguridad de los pasajeros como de los demás usuarios de la vía pública. Después habría que ver si sería conveniente modificar alguna de las pruebas existentes en función del tipo de vehículo o crear una prueba nueva dirigida a estos nuevos vehículos. Para ello habrá que indagar cuáles son los componentes de estos nuevos vehículos y sus diferencias con los vehículos convencionales, porque en ellas residen los factores determinantes para realizar las modificaciones. Una vez vistos los aspectos que deberían ser comprobados en las nuevas pruebas, realizar una propuesta de prueba, describiendo el tipo de inspección, su procedimiento de actuación, la tecnología a usar, el tiempo necesario para realizar - 8 -
Introducción la prueba y el coste de implantación para las concesiones de ITV, ya que esto supondrá un incremento en el precio actual de inspección a pagar por los usuarios. Como la inspección no puede durar más de un cierto tiempo ni los costes de implantación pueden ser demasiado elevados, habrá que hacer un análisis de viabilidad de la propuesta de prueba para concluir si debería añadirse y por tanto la ITV debería ser modificada o si, por el contrario, no debería añadirse y la ITV debería quedarse como está actualmente. 1.4 METODOLOGÍA / SOLUCIÓN DESARROLLADA El proyecto consta de tres fases: 1) Obtención de información 2) Análisis y diagnóstico 3) Análisis económico y viabilidad de las propuestas En la fase 1, se buscará información acerca de los vehículos híbridos y eléctricos, así como de los diferentes tipos que pudiera haber y se elegirá un modelo de vehículo representativo para cada tipo. De cada modelo se buscará información relativa a las especificaciones técnicas. También habrá que ver cómo funciona la ITV actual, esto es, en qué consisten las pruebas y para qué se hace cada una. En la fase 2, se analizará en profundidad cada uno de los tipos de vehículos, para ver si algún aspecto de los mismos no está contemplado en las pruebas actuales de las ITV y debería ser objeto de análisis en las mismas para garantizar la seguridad del vehículo. Esta fase no se podrá realizar en paralelo con la fase 1 ya que esta última es la base del análisis. - 9 -
Introducción Una vez concluido este análisis, se debe decidir, en el caso de que se hayan encontrado factores que deberían ser comprobados en las ITV, cómo se va a llevar a cabo esa prueba y qué tecnología se va a emplear. Por tanto, habrá que buscar información relacionada con esa tecnología necesaria para realizar la prueba así como si ésta existe o no. En la fase 3, se calculará el coste de implantación de la/s prueba/s nueva/s y se analizará la viabilidad de la/s propuesta/s concluyendo si se debería realizar alguna modificación a la actual ITV o si, por el contrario, debería quedarse como está. Esta fase se podrá ir realizando en paralelo con la fase 2 en la medida en que se vaya teniendo alguna propuesta. Sin embargo, se deberá esperar hasta el final de la fase 2 para tener una solución final que englobe todo el análisis anterior y finalizar así con este proyecto. 1.5 RECURSOS / HERRAMIENTAS EMPLEADAS Para llevar a cabo la correcta finalización del proyecto se hará uso de los siguientes recursos: Herramientas de software: Microsoft Word, Excel. Internet para la búsqueda de documentación en los temas de estudio y/o análisis. Bibliografía referente a los vehículos híbridos y eléctricos, así como de los procesos de inspección y pruebas actuales. Legislación relativa al tema en cuestión. - 10 -
Tecnologías de los vehículos híbridos y eléctricos Capítulo 2 TECNOLOGÍAS DE LOS VEHÍCULOS HÍBRIDOS Y ELÉCTRICOS 2.1 VEHÍCULOS HÍBRIDOS Los vehículos híbridos son aquellos vehículos que además de un motor térmico poseen un motor eléctrico. Están concebidos como una transición entre los vehículos convencionales y los vehículos eléctricos, al ser más eficientes que los convencionales pero no tan limpios, de cara al medio ambiente, como los eléctricos. El motor térmico se utiliza para aumentar la autonomía del vehículo, para recargar la batería o para proporcionar energía. Además este tipo de vehículos cuenta con una batería que, a diferencia de la de los vehículos eléctricos, que tiene que almacenar una gran cantidad de energía para ir liberándola poco a poco, está continuamente interviniendo en los ciclos de carga y descarga. Esto se verá más en detalle en el Capítulo 4 apartado 4.1. En la tabla que se muestra a continuación (Tabla 2.1), se pueden ver las ventajas e inconvenientes de este tipo de vehículos en comparación con los vehículos convencionales. - 11 -
Tecnologías de los vehículos híbridos y eléctricos VENTAJAS Recuperación de parte de la energía durante las deceleraciones (frenado regenerativo). Menor consumo y emisiones de CO 2 al tratarse de un motor más pequeño que trabaja en el punto de rendimiento óptimo. El motor térmico tiene una potencia más ajustada al uso habitual (funcionamiento óptimo o cerca de él). INCONVENIENTES Mayor peso que un vehículo convencional debido fundamentalmente al peso añadido por el motor eléctrico y las baterías. Más complejo, más posibilidad de averías. Mayor coste en comparación con los vehículos convencionales. Tabla 2.1: Ventajas e inconvenientes de los VH (Fuente: Vehículos híbridos y eléctricos, Monografías ASEPA, 2010) Existen, principalmente, tres tipos de configuraciones de vehículos híbridos: Ø Serie Ø Paralelo Ø Paralelo-serie o paralelo compleja. 2.1.1 CONFIGURACIÓN EN SERIE En esta configuración, el motor térmico es el encargado de mover el motor eléctrico. Esto significa que sólo la parte eléctrica da tracción y el motor térmico se utiliza para generar electricidad. El motor térmico es el encargado de hacer girar al generador produciendo corriente alterna. Esta corriente alterna será convertida a continua por el rectificador y otra vez a alterna por el inversor para mover el motor eléctrico. En caso de haber un exceso de energía (generar más energía de la necesaria), la que no se utilice para mover el motor eléctrico puede ser usada para cargar la batería, que está conectada entre los dos convertidores electrónicos. - 12 -
Tecnologías de los vehículos híbridos y eléctricos En las figuras 2.1 se representa el diagrama de cajas y de flujo de energía de esta configuración. Figura 2.1: Configuración serie de un vehículo híbrido. (Fuente: www.mecanicavirtual.org y Toyota) El motor térmico está diseñado para operar en su rango de mayor rendimiento y, de este modo, poder conseguir un ahorro energético importante. Una ventaja de este tipo de configuración es la separación de los dos motores en cuanto a montaje. Esto se traduce en un mejor reparto del peso del sistema de propulsión del vehículo. Un ejemplo de vehículo híbrido con configuración serie es el Chevrolet Volt o el Opel Ampera. Se trata de vehículos eléctricos con extensión de autonomía gracias a la incorporación de un pequeño motor térmico que se usa para cargar la batería - 13 -
Tecnologías de los vehículos híbridos y eléctricos sobre la marcha, de ahí a que se clasifiquen como vehículos híbridos con configuración serie. 2.1.2 CONFIGURACIÓN EN PARALELO Y EN PARALELO COMPLEJA En esta configuración los dos motores pueden dar tracción. El motor eléctrico se mueve gracias a la energía eléctrica almacenada en la batería y el térmico por la quema de combustible. Los dos motores están acoplados mediante un engranaje planetario que combina los pares de ambas fuentes de energía. Si además en ese engranaje está acoplado un generador (figuras 2.3), se trata de una configuración en paralelo compleja (o paralelo-serie), pero si no lo está (figura 2.2), la máquina eléctrica puede funcionar como motor o como generador. Cuando esté funcionando como generador cargará la batería y cuando esté funcionando como motor estará dando potencia a eje. Figura 2.2: Configuración paralelo de un vehículo híbrido. (Fuente: Toyota) - 14 -
Tecnologías de los vehículos híbridos y eléctricos En el caso de configuración paralelo, el motor eléctrico sólo sirve para dar apoyo al térmico en los picos de potencia (aceleraciones) ya que se trata de un motor normalmente pequeño que no es capaz de arrancar el vehículo. La potencia propulsiva requerida en el motor eléctrico es menor que en el caso de configuración serie ya que el motor térmico se encarga de complementarlo, por lo que el tamaño del motor eléctrico puede ser menor. Figura 2.3: Configuración paralelo-serie de un vehículo híbrido. (Fuente: www.jcpais.cl y Toyota) - 15 -
Tecnologías de los vehículos híbridos y eléctricos Algunos ejemplos de este tipo de vehículos son: el Toyota Prius en el caso de configuración paralelo compleja enchufable, el Toyota Auris en el caso de configuración paralelo compleja y los Honda Insight y Civic Hybrid en el caso de configuración en paralelo. Veamos una tabla (tabla 2.2) resumen de los diferentes tipos de vehículos híbridos: Tabla 2.2: Comparativa de las distintas configuraciones de vehículos híbridos. (Fuente: Toyota) 2.1.3 GRADO DE HIBRIDACIÓN ELÉCTRICA En la figura 2.4 se puede apreciar la clasificación de los vehículos híbridos en función de la relación entre la potencia eléctrica y la potencia total de tracción (grado de hibridación eléctrica). - 16 -
Tecnologías de los vehículos híbridos y eléctricos Figura 2.4: Clasificación de los VH en función de los GHE. (Fuente: Vehículos híbridos y eléctricos, Monografías ASEPA, 2010) Ø Vehículos con GHE bajo: son los llamados micro hybrid. Llevan incorporado un sistema start/stop, que para el motor de combustión interna cuando se detiene el vehículo y lo vuelve a arrancar al pisar el acelerador. Se evita así el consumo de energía cuando el motor se encuentra en ralentí, economizando el combustible (5-10%) y disminuyendo las emisiones. Ø Vehículos con GHE medio: son los llamados mild hybrid. Llevan incorporada una máquina eléctrica que proporciona un par de asistencia en la aceleración y en la frenada recuperan energía con el freno regenerativo, pero no pueden proporcionar tracción exclusivamente eléctrica. Ambos motores están dispuestos en configuraciones paralelo. Se pueden conseguir ahorros de combustible del 15-20%. Ø Vehículos con GHE alto: son los llamados full hybrid. Pueden funcionar en modo eléctrico a bajas velocidades o en una combinación de los dos motores. Si su uso es principalmente urbano, se puede reducir el consumo de combustible hasta un 25% usando el modo eléctrico. Ø Vehículos híbridos enchufables: son los llamados plug-in hybrid. Pueden cargar la batería si son enchufados a la red, además de a través del freno regenerativo. Esto hace que su autonomía en modo eléctrico aumente, aprovechando su uso como vehículo eléctrico al máximo. Este tipo de vehículos es atractivo para el uso urbano e interurbano, mientras que el eléctrico sólo sería ideal para un entorno urbano. Hoy por hoy es el - 17 -
Tecnologías de los vehículos híbridos y eléctricos tipo de vehículo con mejores prestaciones en cuanto a funcionamiento y a reducción de impacto ambiental sin tener problemas de autonomía. 2.1.4 FUNCIONAMIENTO Se procede a analizar el funcionamiento de los vehículos híbridos teniendo en cuenta el estado de conducción: Ø Arranque Ø Crucero normal Ø Aceleración Ø Deceleración Ø Parada Si el vehículo se encuentra parado y se disponen a arrancarlo, se estará utilizando el motor eléctrico ya que proporciona pares de arranque mayores (los motores eléctricos generan mayor par a velocidades bajas que los de MCI) y además no produce emisiones de CO 2. Una vez que se supere la velocidad de 50 km/h, arrancará el motor térmico y será el encargado de proporcionar el par necesario a las ruedas. En el momento en el que se necesite una mayor aceleración, el motor eléctrico actuará en combinación con el térmico para conseguir ese par mayor. Cuando se quiera frenar total o parcialmente el vehículo, el motor térmico se parará o estará girando sin consumir y se podrá recuperar parte de la energía gracias a la frenada regenerativa, por la cual será capaz de cargar la batería. Una vez que el vehículo esté completamente parado se pararán ambos motores para reducir un poco más el consumo y las emisiones. Todo esto está reflejado en la figura 2.5. - 18 -
Tecnologías de los vehículos híbridos y eléctricos Figura 2.5: Funcionamiento de un vehículo híbrido. (Fuente: www.mecanicavirtual.org) Todo lo descrito anteriormente se refiere a configuraciones paralelo en las que los dos motores pueden dar tracción por separado (configuración paralelo-serie), ya que los dos se encuentran unidos al eje de las ruedas. Se puede observar en la figura 2.6 un resumen del funcionamiento de los vehículos híbridos con configuración paralelo compleja. Figura 2.6: Funcionamiento según estado de conducción. (Fuente: www.mecanicavirtual.org) - 19 -
Tecnologías de los vehículos híbridos y eléctricos Como ya se ha comentado con anterioridad, el motor eléctrico en configuraciones paralelo sólo es un motor de apoyo, por lo que el vehículo arrancará con el motor térmico. Durante el crucero funcionará también con éste hasta que necesite una potencia mayor, proporcionada por el motor eléctrico durante una aceleración. En deceleración recupera parte de la energía mediante el freno regenerativo, ya que la máquina eléctrica es reversible y, si está parado, se apaga el motor térmico. En configuraciones serie el motor térmico no va unido a las ruedas, por lo que sólo el eléctrico da tracción gracias a la energía eléctrica generada por el motor térmico. En este caso, en crucero se puede cargar la batería si hay un exceso de energía generada y en aceleración no habría tal exceso, ya que se emplearía en acelerar el vehículo. En el resto de estados, el funcionamiento es igual para las dos configuraciones. 2.2 VEHÍCULOS ELÉCTRICOS Los vehículos de tracción exclusivamente eléctrica cuentan con una máquina eléctrica conectada al eje de las ruedas, para darles tracción o para convertir la energía cinética de las ruedas en electricidad y cargar la batería. No cuentan, por tanto, con un motor térmico. La energía eléctrica para mover el motor se encuentra almacenada en la batería y a ésta llega a través del freno regenerativo o si se enchufa el vehículo y se deja cargando. Tienen un motor eléctrico de elevado rendimiento, robustez, flexibilidad en el control del par y de la velocidad y mantenimiento limitado que ofrece su par máximo a bajas velocidades. El motor está alimentado por la batería a través de un convertidor electrónico. - 20 -
Tecnologías de los vehículos híbridos y eléctricos Dependiendo del control, se pueden eliminar componentes como la caja de cambios mecánica o la marcha atrás y dependiendo del número de motores se puede eliminar el diferencial, al acoplar los motores directamente a cada rueda. Su gran ventaja es que no producen emisiones contaminantes como CO 2, CO, NO x y SO x cuando circulan y su principal inconveniente es la baja autonomía que tienen en la actualidad. Contrástense el resto de ventajas e inconvenientes de estos vehículos (tabla 2.3): VENTAJAS DE LOS VE CO 2 neutro utilizando energía renovable. Alto rendimiento del sistema propulsor. Bajo coste de operación. Funcionamiento silencioso. Red eléctrica existente. REQUERIMIENTOS DE LOS VE PARA SU PENETRACIÓN EN EL MERCADO Aseguramiento adecuado de la autonomía. Seguridad en el sistema de almacenamiento de energía eléctrica. Amplia disponibilidad de puntos de carga. Tiempos de carga aceptables. Uso de energías renovables para el suministro de la energía eléctrica. Emisiones cero en el punto de uso. Reducción del coste inicial del sistema de almacenamiento de energía eléctrica. Tabla 2.3: Ventajas e inconvenientes de los VE. (Fuente: Vehículos híbridos y eléctricos, Monografías ASEPA, 2010) Con ellos se pretende reducir la dependencia de combustibles fósiles y lograr una mayor eficiencia energética, incorporando energía proveniente de fuentes renovables para conseguir emisiones contaminantes nulas. Además el ruido que producen es escaso. - 21 -
Tecnologías de los vehículos híbridos y eléctricos Cabe destacar el alto rendimiento del motor eléctrico (60-85%) frente al del motor de combustión interna (15-20%). Esto unido a la reducción de emisiones consagra al vehículo eléctrico como la forma de movilidad futura. Obsérvese el rendimiento de cada componente de un vehículo eléctrico en la figura 2.7. Figura 2.7: Eficiencia energética de un VE. El uso de este tipo de vehículos está especialmente indicado para entornos urbanos en los que, a causa del tráfico, se está continuamente acelerando y decelerando. Gracias al freno regenerativo se puede recuperar más de la mitad de la energía que se invierte en superar los efectos de inercia. Algunos ejemplos de vehículos eléctricos son: Ø Nissan Leaf Ø Mitsubishi i-miev Ø Renault Twizy Ø Cuadriciclos como, por ejemplo, coches de golf. - 22 -
Tecnologías de los vehículos híbridos y eléctricos 2.3 RETOS TECNOLÓGICOS La implantación de estas nuevas tecnologías presenta una serie de retos tecnológicos que deberán ser vencidos en un plazo medio para poder lograr la aceptación que se pretende en el mercado. Además se tiene que conseguir una producción a gran escala para que el precio de mercado no sea disparatado ya que si estos nuevos vehículos no son atractivos económicamente, el mercado se mostrará reacio a comprarlos. Por eso, es especialmente importante que los gobiernos contribuyan y favorezcan su desarrollo por medio de subvenciones. 2.3.1 VEHÍCULOS HÍBRIDOS Al llevar más componentes pesan más. Esto hace que haga falta un mayor consumo de combustible para mover el vehículo. Por eso estos vehículos deben ofrecer el máximo rendimiento con las menores emisiones posibles. La electrónica de potencia para controlar todos los componentes tanto de los vehículos híbridos como de los eléctricos, necesita seguir desarrollándose para lograr un sistema compacto de gestión térmica eficiente, fiable y duradera con un coste moderado. El precio del vehículo también es importante a la hora de elegir un vehículo híbrido frente a uno convencional, por lo que el comprador debe percibir el ahorro en combustible a costa de un mayor precio de compra. Los componentes que contribuyen especialmente al precio son la electrónica de potencia y la batería. - 23 -
Tecnologías de los vehículos híbridos y eléctricos Sólo al conseguir una mayor producción y estandarización se lograrán disminuir los precios. También hay que considerar la batería, ya que es un componente clave de la propulsión eléctrica. Se necesita mejorar el precio, el peso, la seguridad y la duración para su implantación en futuras generaciones de vehículos híbridos y eléctricos. Actualmente se está investigando acerca de la posibilidad de introducir una pila de combustible en vehículos híbridos para tener una ventaja en cuanto a la autonomía en modo eléctrico. 2.3.2 VEHÍCULOS ELÉCTRICOS El principal problema de estos vehículos es la autonomía. La duración de una batería totalmente cargada es de aproximadamente 100-150 km (cubre necesidades del transporte urbano diario, 50 km) lo que los hace poco atractivos si el cliente quiere un vehículo para realizar viajes de largo recorrido. Con lo cual, este tipo de vehículos está, hoy en día, orientado al uso urbano donde sí tienen un gran potencial para recuperar energía en las frenadas y aumentar así su autonomía. El causante de este problema es la batería. Se necesita, cada vez más, ser capaces de almacenar una mayor densidad energética y eso conlleva problemas de dimensionamiento y peso de la batería, de costes mayores y de seguridad. Debido a la creciente conciencia de protección medioambiental, deberían poder ser reciclables o tener un bajo impacto ambiental. Además, a todo esto, hay que sumarle el miedo de los conductores a quedarse tirados. El miedo constituye una poderosa arma que juega en contra de su - 24 -