JORNADA DEL AUTOMÓVIL FUTURO 13 DE NOVIEMBRE 2003 Vehículos híbridos Jesús Casanova Kindelán Florentino Gómez Moñux Grupo de Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales Universidad Politécnica de Madrid Vehículos híbridos 1 Problemas de los sistemas de propulsión convencionales Condiciones continuamente cambiantes: transitorios aceleración y deceleración. Buen rendimiento solo en ciertas zonas de trabajo de. Rendimiento baja con el grado de carga Bajas emisiones en ciertas zonas de trabajo del motor pero no en otras Dificultades de adaptación del sistema de transmisión de potencia motor rueda a todas las condiciones posibles dimensionado para máxima potencia, utilización normal en baja potencia. Vehículos híbridos 2 1
Estrategias de futuro Reducir el impacto ambiental: Reducir emisiones en tráfico urbano. Nuevos conceptos de vehículos de bajas emisiones Reducir consumo de carburante para bajar las emisiones de CO 2 Mejorar la conductibilidad del vehículo: suavidad en arranque y parada Utilizar motores de menor cilindrada para reducir pérdidas mecánicas y consumo Vehículos híbridos 3 La propulsión híbrida como solución Se basa en propulsar con una combinación de motores (motor eléctrico y/o térmico) y normalmente un sistema de acumulación de energía Optimización de la gestión de los flujos de energía en el vehículo Su éxito dependerá del grado de Exigencias medioambientales requeridas Modificación del panorama de abastecimiento energético mundial Esfuerzos de investigación realizados Es imprescindible contar con un grado de penetración amplio en los mercados que garantice la viabilidad económica de estos sistemas. Vehículos híbridos 4 2
Estrategias de futuro Diesel Impacto ambiental Gasolina Postratamiento escape Reformulación carburante Hibridación Pila comb. H 2 1,0 2,0 3,0 Rendimiento relativo Vehículos híbridos 5 La propulsión de base eléctrica Propulsión eléctrica pura. Acumuladores de energía eléctrica Propulsión híbrida: Térmica + eléctrica Térmica + acumulador de energía Sistemas mecánicos: inercias rotativas, acumuladores hidráulicos o neumáticos Sistemas eléctricos: baterías, supercondensadores Pilas de combustible con acumulación de energía. Cualquier combinación de las anteriores Vehículos híbridos 6 3
Ventajas adicionales de la propulsión híbrida de menor potencia, motor eléctrico y acumuladores de energía ayudan en las aceleraciones y arranque. térmico se para cuando vehículo se detiene Recuperación de energía en las frenadas Suavidad de arranque y marcha Mejor conductibilidad La propulsión híbrida es básicamente una optimización de la gestión de la energía (térmica, eléctrica y mecánica) en el vehículo Vehículos híbridos 7 Planteamiento ideal de la gestión de energía Potencia Periodos con ayuda de motor eléctrico (baterías) Potencia media en el recorrido Periodos con recuperación de energía a baterías Tiempo Vehículos híbridos 8 4
Híbridos configuración en paralelo Características básicas El motor térmico y el eléctrico están conectados a la transmisión El motor térmico puede hacerse más pequeño porque el motor eléctrico ayuda para aumentar a la potencia de tracción El motor térmico arranca y para cuando sea necesario Vehículos híbridos 9 Híbridos configuración en paralelo M T R D MT: Térmico R: Reductor M/GE: Generador B: Batería D: Diferencial M T R M/GE Eje Simple: Adición de Par de tracción B D M/GE B R Transmisión por correa Eje Doble: Adición de Par de tracción M T R D R M T M/GE D Planetarios D B Eje Doble: Adición de Potencia de Tracción B M/GE Eje Doble: Adición de Revoluciones Vehículos híbridos 10 5
Configuración en paralelo Objetivo: optimizar la gestión de la energía de motor a rueda Par motor POTENCIA Plena carga Térmico Incrementa consumo Baja rendimiento Plena carga Eléctrico Régimen (r/min) Vehículos híbridos 11 Híbridos configuración en serie Características básicas El motor térmico carga las baterías mediante un generador El motor térmico no propulsa directamente el vehículo La frenada regenerativa se utiliza para ayudar en la recarga de las baterías Vehículos híbridos 12 6
Configuración en serie MT: Térmico R: Reductor G: Generador ME: eléctrico B: Batería D: Diferencial M T G PC ME D ME D B B Con Térmico y Generador. Con Pila de Combustible Vehículos híbridos 13 Configuración en serie Objetivo: mantener el motor térmico en su zona de óptimo rendimiento Par motor POTENCIA Plena carga Térmico Régimen (r/min) Vehículos híbridos 14 7
Híbridos configuración mixta Características básicas Aprovecha las ventajas de las configuraciones serie y paralelo. Utiliza un distribuidor de potencia basado normalmente en engranajes planetarios Puede funcionar como motor térmico puro o como motor eléctrico puro dependiendo de las condiciones Vehículos híbridos 15 Historia de los vehículos de propulsión híbrida Pieper (1899) Entz (1897) Vendovelli (1898) Woods (1917) Auto Mixte (1906) Jenatzy (1901) Vehículos híbridos 16 8
Tendencias de diseño diferentes Vehículos ligeros Turismos de uso urbano (en Japón y EE.UU) Grandes turismos (en Europa) Todoterrenos (en EE.UU.) Microbuses (Japón) Vehículos pesados Autobuses urbanos Pequeños camiones (Japón) Vehículos híbridos 17 Vehículos híbridos ligeros Algunos ya están en el mercado Vehículos híbridos 18 9
Estructura básica 1. Baterías de alto voltage 2. Unidad de control de potencia 3. térmico (Diesel o MEP) 4. Inversor (CC / CA) 5. Diferencial y caja reductora 6. /generador eléctrico Vehículos híbridos 19 Estructura básica Vehículos híbridos 20 10
Vehículos híbridos ligeros Algunos vehículos híbridos en venta o previstos Marca y modelo Tipo Consumo (l/100km) Disponibilidad Honda Insight Turismo medio 3,1 2004 Honda Civic Turismo pequeño 3,4 2003 Toyota Prius Turismo pequeño 3,2 2002 Ford Escape Todoterreno 7,8 2005 GM Saturn Turismo medio N.D. 2005 GMC Sierra PHT Pick up N.D. 2007 Lexus RX Hybrid SUV Todoterreno N.D. N.D. Mercedes S Class Turismo grande N.D. 2006 Nissan Tino H Turismo medio 5,0 2002 Toyota Estima H Turismo medio 5,6 2002 Vehículos híbridos 21 Comparación de consumo sistema híbrido versus motor diesel l/100km 1 D-1 L (VW) G. Gasolina D: Diesel H: Híbrido 2 HD-ES 3 (Toyota) US PNVG 3 4 5 HG-WFV Exp. 120 g/co 2 /km (EU) 140 g/co 2 /km (EU) HG-Insight (Honda) EU 3 L car D Lupo (VW) HG-Prius (Toyota) HG-Civic (Honda) HG-Estima (Toyota) 500 1000 1500 2000 Peso del vehículo kg Vehículos híbridos 22 11
Híbrido térmico eléctrico paralelo MOTOR TÉRMICO MOTOR ELÉCTRICO GENERADOR SISTEMA PLANETARIO REDUCTOR Generador incorporado al volante Vehículos híbridos 23 Funcionamiento sistema mixto Repartidor de potencia Generador Baterías de tracción Caja de engranajes planetarios eléctrico Vehículos híbridos 24 12
Funcionamiento sistema mixto Arranque: motor eléctrico enciende a motor térmico y le ayuda Alta potencia: motor eléctrico ayuda a motor térmico Repartidor de potencia Generador Baterías de tracción eléctrico Vehículos híbridos 25 Funcionamiento sistema mixto Media potencia: motor térmico propulsa y recarga baterías Repartidor de potencia Generador Baterías de tracción eléctrico Vehículos híbridos 26 13
Funcionamiento sistema mixto Frenada: las ruedas arrastran el generador que recarga las baterías. térmico puede pararse si se llega a detener el vehículo Repartidor de potencia Generador Baterías de tracción eléctrico Vehículos híbridos 27 Funcionamiento sistema mixto Funcionamiento como motor térmico puro Repartidor de potencia Generador Baterías de tracción eléctrico Vehículos híbridos 28 14
Funcionamiento sistema mixto Funcionamiento como motor eléctrico puro Repartidor de potencia Generador Baterías de tracción eléctrico Vehículos híbridos 29 Vehículos híbridos pesados Vehículo MAN diesel: 162 kw eléctrico asíncrono: 2 x 100 kw Generador: 150 kw Sistema de almacenamiento por ultracondensadores Vehículo Allison (GM) Reducción de emisiones respecto a versión diesel PM: 90% HC: 90% NOx: 50% CO: 90% Ciclo CBD-14 Vehículos híbridos 30 15
Autobuses urbanos híbridos Comportamiento en régimen muy variable de carga Fuertes aceleraciones y deceleraciones Significativa recuperación de energía en frenadas 70 60 velocidad Ciclo lento 50 km / h 40 30 100 90 80 velocidad Ciclo rápido 20 70 60 10 km / h 50 0 0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900 4200 4500 segundos 40 30 20 Ejemplo de datos de velocidad tomados en dos líneas de autobuses de Madrid 10 0 0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 segundos Vehículos híbridos 31 Autobuses urbanos híbridos Ejemplo de reducciones de consumo obtenidas Peso total: Autobús urbano 11995 kg Configuración: serie y estrategia on off 2 es eléctricos asíncronos con relación de transmisión fija 7.2 100 módulos baterías Pb ácido de C/3 54 Ah y 19 kg por módulo MEC de 206 g/kwh de consumo mínimo Consumo de combustible (l/100km) Ciclo de conducción lento Ciclo de conducción rápido Autobús convencional 70,65 37,74 Autobús híbrido 36,24 35,57 Escasa ventaja en velocidades altas y constantes Vehículos híbridos 32 16
Tecnología de baterías Objetivos de la USABC Característica Unidades Medio Plazo Largo Plazo Energía específica Wh/kg 80-100 150-200 Densidad de energía Wh/litro 130 300 Densidad de potencia W/litro 250 600 Ciclos de carga y descarga Ciclos 600 1000 Vida Años 5 >10 Tiempos de recarga Horas <6 3-6 Recarga rápida al 40% Minutos 15 15 Temperatura de funcionamiento ºC -30 a +65-40 a +85 Coste (10.000 unidades/año) $/kwh >150 >100 Vehículos híbridos 33 Tendencias en propulsión de vehículos ligeros 100% 80% 60% 40% 20% Gasolina MPI convencional Gasolina combinación de I. D. y menores cilindradas Gasolina I. D. Ajuste completamente variable de las válvulas Cilindradas pequeñas con turbo Híbridos, incluido pilas de combustible Gas Natural Comprimido Diesel I.D. 0% 2000 2005 2010 2015 AÑO Diesel I.I.D. Fuente: FEV 2001 Vehículos híbridos 34 17