Nuevos vehículos de propulsión híbrida: situación actual y perspectivas Jesús Casanova Kindelán Dpto. Ingª Energética y Fluidomecánica Universidad Politécnica de Madrid
Introducción Concepto de vehículo de propulsión híbrida (VH): Disponen de dos tipos de motores debidamente conjugados. Y, normalmente acumulación de energía, regulación entrega de potencia y recuperación de energía. Dos principios: Vehículos eléctrico que tiene motor térmico para aumentar autonomía y recargar baterías. Vehículo convencional que incorpora sistemas de acumulación y gestión de al menos dos tipos de energías para optimizar su eficiencia. 1
Precursores de los vehículos de propulsión híbrida Entz (1897) Pieper (1899) 2
Primeros vehículos de propulsión híbrida Motor de gasolina de 4 cilindros Baterías Auto Mixte (1906) Motor generador Woods (1917) 3
Primeros vehículos de propulsión híbrida Motor de gasolina de 4 cilindros Baterías Auto Mixte (1906) Motor generador Woods (1917) 4
Otras soluciones híbridas no eléctricas Híbridos térmico hidráulicos: Motor térmico + motor hidráulico Frenadas: acumulación como energía hidráulica Uso en furgonetas de reparto (Eaton + UPS). 5
La propulsión híbrida como solución energética Razonable relación coste efectividad Combinación de motores térmicos + motores eléctricos + acumuladores Aplicados en la ingeniería desde hace más de 100 años Eficiencia energética optimización de flujos de energía Control electrónico computerizado y sofisticado Adecuado para tráfico de régimen dinámico muy variable: urbano, rural, etc. 6
Origen de la propulsión híbrida: tres filosofías 1. Motor eléctrico aporta potencia a motor térmico en ciertos momentos. Vehículos potentes, todoterreno, competición, etc. 2. Eficiencia energética del conjunto del sistema de propulsión: gestión de energías y recuperación en frenadas. Vehículos eficientes 3. Evolución de tracción eléctrica pura para aumentar autonomía. Electrificación de la propulsión es predominante Motor térmico recarga acumuladores Ejemplos: Lexus RX400h: Potencia Toyota Pruis: Eficiencia Chevrolet Volt: Electrificación 7
Tendencias del mercado de VHs Vehículos ligeros Turismos de uso urbano (en Japón y EE.UU y ahora Europa) Grandes turismos (en Europa) Todo terreno (en EE.UU. (SUV)) Microbuses (Japón) Vehículos pesados Autobuses urbanos Pequeños camiones de reparto urbano (Japón) 8
Ahorro de energía en los VHs Motor térmico de menor tamaño (y potencia), menores pérdidas mecánicas Motor eléctrico contribuye en potencia máxima y aceleraciones: motor térmico de mejor rendimiento. Optimización del punto de funcionamiento del motor térmico, centrándose en zonas de trabajo más eficientes. Parada del motor térmico al detenerse el vehículo (6-10 % del consumo urbano) Recuperación de energía en frenadas. Menor desgaste de frenos. A resolver: Confort del habitáculo en las paradas del motor Motor térmico arranca y para repetidamente: enfriamiento y lubricación. Mayor peso y tamaño por máquinas eléctricas + baterías + inversores 9
Gasolina o diesel? Actualmente el mercado principal de híbridos es EE.UU. y Japón gasolina Motor de encendido provocado (gasolina, etanol, GN o GLP) más apropiado para frecuentes arranques y paradas Motor de encendido provocado más barato que motor diesel con menores emisiones compensa parte del sobrecoste 10
Clasificación de los sistemas híbridos por flujo de la energía Híbrido SERIE. Motor térmico Generador eléctrico Baterías Motor eléctrico Tracción Híbrido PARALELO Motor térmico Tracción + Generador eléctrico Baterías Motor eléctrico Tracción Híbrido MIXTO (serie paralelo) Puede funcionar como SERIE o como PARALELO, según la demanda de potencia y el nivel de carga. 11
Clasificación de los sistemas híbridos por flujo de la energía MT: Motor térmico R: Reductor G: Generador M T G ME: Motor eléctrico B: Batería D: Diferencial Par motor POTENCIA Plena carga Motor Térmico ME D B Régimen (r/min) 12
Clasificación de los sistemas híbridos por flujo de la energía MT: Motor Térmico R: Reductor M/GE: Motor Generador B: Batería D: Diferencial M T R M/GE B Eje Simple: Adición de Par D Par motor Potencia Plena carga Motor Térmico Incrementa consumo D R M T M/GE D Baja rendimiento Plena carga Motor Eléctrico Régimen (r/min) B Eje Doble: Adición de Potencia de Tracción 13
Clasificación de los sistemas híbridos por nivel de electrificación Atendiendo al nivel de electrificación Stop Start (micro híbridos). Baterías mayores y gestión del motor Motor de arranque convencional Alternador reversible Arranque directo (inyección directa de gasolina) Híbridos ligeros (mild hybrid). Cambios sustanciales en diseño motor, transmisión y baterías con mayor capacidad Motor térmico siempre propulsa. Motor eléctrico arranque + ayuda en aceleración Recuperación frenadas Híbridos integrales (full hybrid). Gestión compleja del sistema Motor térmico y motor eléctrico pueden propulsar independientemente o coordinados Híbridos enchufables (plug in hybrid). Baterías de gran capacidad de carga Pueden recargar electricidad desde la red con un enchufe 14
Clasificación de los sistemas híbridos por nivel de electrificación 15
Clasificación de los sistemas híbridos por nivel de electrificación 16
Clasificación de los sistemas híbridos por nivel de electrificación 17
Clasificación de los sistemas híbridos por nivel de electrificación Motor térmico Caja de engranajes planetarios Repartidor de potencia Generador Baterías Motor eléctrico 18
Sistemas de acumulación de energía eléctrica HP: alta potencia Baterías Energía acumulada (Wh/kg) Supercondensadores Potencia específica (W/kg) Carga y descarga muy rápida Inercias rotativas Solo en competición Potencia específica (W/kg) Litio HP Supecondensadores Volante de inercia NiCdHP NiMHHP Plomo HP HP Plomo NiCd NiMH Litio Litio Gasolina: 12.000 Wh/kg Energía específica acumulada (Wh/kg) 19
Máquinas eléctricas de tracción CC AC Inversores Reducción de peso y tamaño aumentar revoluciones 20
Aumento de revoluciones de los motores de tracción Comparación del motor eléctrico del Lexus RX400h frente al Toyota Prius 21
Motores incorporados en la llanta Reducción de tamaño Flexibilidad de diseño 22
VHs comercializados en EE.UU. Marca y modelo Chevrolet Tahoe Hybrid (2008) Ford Escape Hybrid (2008) GMC Yukon Hybrid (2008) Honda Civic Hybrid (2008) Lexus GS 450h (2008) Lexus LS 600h L (2008) Lexus RX 400h (2008) Mazda Tribute Hybrid (2008) Mercury Mariner Hybrid (2008) Nissan Altima Hybrid (2008) Saturn Aura Green Line (2008) Saturn Vue Green Line (2008) Toyota Camry Hybrid (2007) Toyota Highlander Hybrid (2008) Toyota Prius (2008) Clase SUV SUV SUV Turismo Turismo Turismo SUV SUV SUV Turismo Turismo SUV Turismo SUV Turismo 23
Vehículos híbridos enchufables (PHEV) PHEV Batería de al menos 4 kw h Medio de recarga externa Posibilidad de funcionar al menos 16 km en modo eléctrico puro Motor eléctrico robusto para poder funcionar sin motor térmico Mínimo 60 km en eléctrico puro Ventaja si kwh de la red eléctrica más barato que de combustible Tendencia de híbrido paralelo a híbrido serie (en dos generaciones) 24
Modos de funcionamiento de los PHEVs Modo de agotamiento de carga (Charge-depletion mode). Eléctrico puro hasta cierto nivel de carga de baterías Modo de mantenimiento de carga (Charge-sustaining mode). Mantiene carga baterías, no usa electricidad de red. Modo combinado (Blended mode). Motor térmicos ayuda ocasionalmente. Extiende el rango de uso en eléctrico puro Modo mixto (Mixed mode). Combina los tres anteriores 25
Presente y futuro VHs 0,5 % mercado (Europa, 2007) EE.UU. 2007 y 2008 despegue del mercado de VHs, sobre todo SUV. Fabricantes europeos aun no propulsión híbrida ligera o integral Stop-Start ya es una opción por casi todos los fabricantes Extra-coste = 2000 3000 Euros. Acuerdo ACEA - U.E. para reducir el CO 2 acicate para soluciones más o menos electrificadas. Honda, Mercedes, Grupo PSA y Volkswagen tienen ya casi listos vehículos de propulsión híbrida ligera. Su coste (1500 2000 Euros) y menores ventajas que híbridos integrales Su comercialización despega. Los VH en la oferta de fabricantes europeos reducir las emisiones medias de CO 2 en 10 a 50 g/km. Probable incremento de oferta de VH en modelos como Audi A7, Porsche Cayenne, VW Torran, BMW X3, Mercedes clase M y S en los próximos años. Se prevé llegar a 1,3 millones de vehículos en 2012. 26
Las claves del éxito de los vehículos híbridos Exigencias medioambientales futuras: directivas comunitarias de CO 2 y gases contaminantes + exigencias locales o regionales en zona sensibles. Modificación del panorama de abastecimiento energético mundial, reducción de reservas de combustibles fósiles. Esfuerzos de investigación y desarrollo realizados con objeto de reducir costes y acercarlos a los de las mecánicas convencionales. Es imprescindible contar con un grado de penetración amplio en los mercados que garantice la viabilidad económica de estos sistemas apoyos económicos y de financiación necesarios para favorecer el mercado durante al menos 5 a 8 años 27