Vehículos Híbridos Mauricio Osses, Carlos Montero, Reinaldo Kühn Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile, Casilla 2777, Santiago, Chile Correo electrónico de contacto:
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1. Introducción El término propulsión híbrida es utilizado para referirse a vehículos con más de una fuente de propulsión. Los sistemas híbridos pueden incorporar varios tipos tipos de acumuladores acumuladores de energía energía y/o converso c onversores res de energía. El objetivo del desarrollo de las tecnologías híbridas es combinar dos fuentes de energía, de manera que las cualidades de cada sistema sean utilizadas bajo condiciones de generación variables, de tal forma que las ventajas globales del desarrollo del sistema híbrido pesen más que el costo de su configuración. En este trabajo se presenta una clasificación de los vehículos híbridos, una descripción de la tecnología incluyendo ventajas y desventajas de este tipo de vehículos, experiencias realizadas, una comparación con motores convencionales y por último una descripción del sistema híbrido del tipo turbina-eléctrico.
2. Soluciones MCI-eléctricas Aquellos híbridos que combinan un motor de combustión interna (MCI) y un motor eléctric eléctri c o son los únicos sistemas sistemas híbridos que han tenido un desarrollo serio. Existen dos tipos básicos de sistema: híbridos en serie e híbridos en paralelo.
2.1. Híbridos en serie:
Utilizan el MCI acoplado a un generador, el que produce electricidad para el motor eléctrico que acciona el giro de las ruedas. Es llamado híbrido en serie pues el flujo de energía se mueve en línea directa. Al estar el MCI desacoplado de la tracción, es posible que opere a una velocidad constante en una vecindad próxima a su punto óptimo de operación en términos de eficiencia y emisiones, mientras carga la batería. Una desventaja desventaja del sistema es que la energía debe ser ser convertida convertida varias veces, siendo la eficiencia mecánica entre el MCI y el eje de tracción difícilmente superior al 55% (esto incluye la eficiencia de almacenamiento de la batería). Otra desventaja es que requiere un motor más grande y pesado que en el sistema en paralelo, lo que no presenta graves consecuencias en buses para transporte público. Se presenta la configuración de un bus híbrido eléctrico de arreglo en serie.
Bu s híbrid o eléctri co en serie 1. M o t o r e 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
léctrico Compresor y bomba de dirección Ventilador para motor eléctrico Motor Diesel con alternador Ventilador para ventilación ventilación de baterías Control Control electrónic electrónico o Baterías Equipo enfriamiento de baterías Resistor de freno.
Dependiendo de la aplicación particular, el sistema eléctrico es diseñado para que los rendimientos sean aproximadamente similares al de un bus diesel estándar.
2.2. Híbridos en paralelo:
Utilizan tanto el MCI como el eléctrico para accionar la tracción, asignando la energía de cada uno de acuerdo a las condiciones de conducción. Es llamado híbrido en paralelo pues la energía fluye en líneas paralelas. En este sistema, el MCI puede accionar la tracción al mismo tiempo que carga las baterías. Estos tipos de vehículos son los más populares y sobre los que más se investiga. Se pueden categorizar en cuatro tipos, de acuerdo a como combinan su energía, que se describen a continuación.
Combinación de fuerzas de tracción: el torque producido en cada motor es entregado a distintos pares de ruedas, por ejemplo, el motor eléctrico entrega torque a las ruedas traseras, mientras que el segundo motor entrega torque al tren delantero.
Combinación de torques: el torque de ambos motores es combinado mediante un arreglo de ejes antes de ser aplicado a la transmisión.
Combinación de torque en el eje: el torque de ambos motores es combinado en un mismo eje antes de ser aplicado a la transmisión.
Combinación de velocidades: ambos motores funcionan a velocidades distintas, y sus torques son acoplados en una compleja caja de engranajes antes de la transmisión. Este sistema fue desarrollado, construido y probado por “Southwest Research Institute” (SWRI). El desarrollo comprendió un MCI de 1.0 [lt] Geo Metro, 3 cilindros y 40 [KW] como potencia máxima, con un motor de inducción A. C. De 325 [V] y 53 [KW] como potencia máxima, además de un paquete de baterías de 7,5 [Kwh.]. Ambos sistemas acoplados en un sistema planetario de engranajes capaz de desacoplar al MCI, permitiendo así que este opere en su región óptima. Para transmitir el torque a las ruedas del vehículo se utilizó una caja de transmisión continua (CVT), a diferencia difere ncia de las ue conocemo conocem os hasta hast a
hoy que son discretas.
La tecnología híbrida fue diseñada para operar en zonas urbanas, donde existan problemas de polución ambiental, por lo que el sistema híbrido es muy adecuado para cumplir con el objetivo de reducción de emisiones contaminantes atmosféricas, especialmente en buses de transporte público. Operando únicamente como vehículo eléctrico, con la energía guardada en las baterías, tienen una autonomía de 80 a 200 km.
3. Elementos característicos: §
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Sistema de frenos regenerativo : Al desacelerar o frenar, el motor eléctrico actúa como generador, recuperando la energía cinética desde las ruedas, convirtiéndola en electricidad que puede ser guardada en la batería. Frenos de fricción tradicionales son requeridos, así como un sistema sistem a de control electrónico que permita permita maximizar maximizar la recuperación recuperación de energía energía y pueda operar operar el sistema dual de frenos. Sistemas comerciales en uso permiten recuperar alrededor de un 30% de la energía cinética típicamente perdida como calor en frenos de fricción. La energía recuperada al freno puede reducir el consumo energético en 15% en conducción en ciudad. Generador : Un generador sincrónico de corriente alterna produce la electricidad para cargar las baterías. Funciona también como motor de partida para el motor diesel. Motor eléctrico : Un motor sincrónico de corriente alterna, compacto, de bajo peso y alta eficiencia. Inversor : El inversor cambia la corriente continua de la batería en corriente alterna para mover el motor eléctrico, y cambia la corriente alterna del generador en corriente continua para cargar la batería. También varía la frecuencia de la corriente, dependiendo de las revoluciones del motor eléctrico para maximizar la eficiencia. El inversor debe ser enfriado por agua. Divisor de potencia (híbridos en paralelo): paralelo):
El sistema híbrido en paralelo necesita de un divisor de potencia, que utiliza un engrane planetario que distribuye el giro del motor C.I entre la tracción y el generador. Controlando las revoluciones del generador, el divisor funciona también como una transmisión continua y variable. §
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Baterías : Se utilizan utilizan las baterías diseñadas para vehículos eléctricos, una alta densidad de energía, peso liviano y una larga vida.
requiriendo
Ultracapacitores : Se ha desarrollado también la tecnología de ultracapacitores para el almacenamiento de la energía. energía. Al no depender de reacciones reacciones químicas (como las baterías) pueden ser cargados y descargados descargados rápidamente. El ultracapacitor entrega la energía almacenada en él, como un pulso eléctrico poderoso. Se encuentran encuentran en etapa de desarrollo comercial. comercial.
4. Ventajas y desventajas 4.1. Ventajas: §
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No necesitan de carga externa : Al contrario de los autos eléctricos, los híbridos no necesitan una carga externa, por lo que no tienen los problemas de autonomía de los vehículos eléctricos. El único abastecimiento que necesita es combustible, como los vehículos diesel convencionales - pero en una menor cantidad. Evitan marchas en vacío : Los vehículos híbridos encienden y apagan el MCI según segú n lo requerido. Cuando el vehículo esta parado o se encuentra a bajas velocidades, el motor se apaga completamente. Los sistemas convencionales requieren que el motor sea diseñado para responder a los peak de demanda, sin embargo el vehículo usualmente opera a niveles significativamente menores, lo que implica que los motores sean mayores de lo necesario para la mayor parte de la operación, consumiendo por lo tanto más combustible y generando mayores emisiones. En los sistemas híbridos, los peak de demanda pueden ser satisfechos por la potencia de las baterías en combinación con el motor. Menores emisiones : La reducción de emisiones, comparado con un vehículo tradicional, es del orden de 90% para NOx, 70% para VOC, 30% para CO y 100% para material particulado. Comparación de la marcha con MCI convencional : Un bus híbrido en serie permite al motor diesel trabajar de forma constante bajo condiciones óptimas, reduciendo consumo y emisiones. Se muestra en la figura siguiente un esquema de la condición de marcha, marcha, comparándola con un bus diesel estándar.
4.2. Desventajas: §
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Emisiones : Emisiones : Los híbridos no son vehículos de cero emisión, emiten contaminantes a la atmósfera. Más aún, como la performance de emisiones de un motor de combustión tiende a deteriorarse con el tiempo, las emisiones de contaminantes probablemente aumentaran con la antigüedad del vehículo. Costo : Los vehículos híbridos, al tener dos sistemas de generación a bordo, son más complejos y costosos de construir. Baterías : Baterías : Las baterías están sujetas a altas cargas específicas, que incrementan las pérdidas internas y hacen necesario el uso de equipos auxiliares para el sistema de baterías.
Como se muestra en la siguiente tabla, un vehículo híbrido puede recorrer el doble de la distancia que uno tradicional con la misma cantidad de energía. El motor de combustión interna es ineficiente, no solo debido a las pérdidas al transformar la energía desde el combustible al tren de tracción, sino que también es ineficiente cuando el vehículo no se encuentra en movimiento y el motor está en marcha.
Fuentes Fuentes de de Energía Energía / Pérdida Pérdidas s Vehículo Vehículo Híbrido Híbrido Eléctrico Eléctrico Combustible Pérdidas por transmisión Pérdidas por ociosidad Pérdidas en el motor Requerimientos Requerimientos de accesorios Freno regenerativo Energía Total remanente
100% -6% 0% -30% -2% 4% 66%
Motor de Combustión Interna Convencional 100% -6% -11% -65% -2% 0% 16%
5. Algunas experiencias prácticas: Experiencia de 5 buses híbridos en Aalborg La implementación del proyecto comenzó en Enero de 1997 cuando 5 buses híbridos de 12 metros fueron puestos en servicio. Especificaciones principales: Motor de tracción: tracción: dos motores eléctricos eléctricos de corriente alterna, alterna, cada uno de 75 kW; Motor /Generador: Motor petrolero Saab, 2.0 litros acoplado a un generador de corriente continua; Baterías: 10 Ni-Cd colocadas en el techo del bus, al estar totalmente cargadas el voltaje es de 400V; Inversor: transforma los 400V a corriente alterna de 3 fases. Emisiones y energía: Reducción importante respecto del standard EURO II para buses diesel y un pequeño incremento del consumo energético. En zonas urbanas centrales fueron conducidos en régimen de cero emisión. Servicio de Buses híbridos en Nueva Zelandia Modelo Shuttle , empezó operaciones en Diciembre de 1998. Es una versión de 20 asientos del híbrido-eléctrico Olymbus construido en Ashburton, Australia. Características: De tipo híbrido en serie; Baterías: Baterías: 54 baterías de solid gel, enfriadas por agua; Motor/generador: Motor diesel Europeo de bajas emisiones que gira a velocidad constante. Performance similar al bus diesel de ciudad, pero al estar en estado estacionario en tráfico pesado, no utiliza energía y no crea emisiones Bus híbrido Toyota: Coaster Tipo híbrido en serie, equipado con motor gasolina compacto de 1.5 litros. pasajeros.
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Venta de 5 buses híbridos de Nova BUS Corporation a New York Transit Authority en 1999 Esta tecnología es la culminación de 5 años de desarrollo, significando la primera venta para Nova BUS corp. Los buses utilizan un motor diesel de 160 HP para generar electricidad y almacenarla en baterías. El sistema es híbrido en paralelo, de forma que al necesitar una intensa aceleración tanto el pack de baterías como el motor C.I. proveen la energía necesaria. Esto permite tener un motor de 160 HP en vez de uno estándar de 250 HP. La compañía pertenece al grupo Volvo Bus Group de Suecia y al grupo Henlys Group de Gran Bretaña. Magnet_ Motor, GmbH, de Alemania Utiliza un motor diesel de un tercio del tamaño de uno normal, ocupando un volante para soportar condiciones de aceleración. Buses experimentales con esta tecnología se encuentran operando en Münich. Otros fabricantes que desarrollan tecnologías híbridas : Orion Industries, AVS, Ford, GMC, Cummins, Detroit Diesel, entre otros.
6. Sistema híbrido del tipo turbina-eléctrico La utilización de una microturbina en remplazo de un MCI en un vehículo híbrido eléctrico ofrece ventajas adicionales a la configuración híbrida. Las turbinas tienen una operación casi silenciosa, y por ser motores rotatorios, ofrecen una operación casi libre de vibraciones. Además, las turbinas poseen mayores temperaturas de operación, permitiendo una combustión más completa del combustible, lo que incide en menores emisiones. Características: Se utiliza una Microturbina, basada en una tecnología similar a la de las turbinas de los jet, pero utilizada como como generador eléctrico. Un ejemplo es la Micro Turbina construida por la empresa norteamericana CAPSTONE, la que es capaz de utilizar diferentes combustibles y de realizar una operación silenciosa y limpia. Esta fue instalada en un bus de transporte público en la ciudad de Chattanooga, TN, originalmente diseñado para funcionamiento eléctrico, tal como se muestra en la figura siguiente. Se utilizó como combustible gas natural comprimido (GNC), incorporando pequeños estanques en el bus.
Este sistema se encuentra en etapa de desarrollo, pero tiene muy buenas expectativas, debido a su versatilidad y disminución en emisiones contaminantes. Resumen: §
Muchos fabricantes están desarrollando vehículos híbridos.
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Las expectativas para el desarrollo comercial de esta tecnología son altas, especialmente para buses de transporte público en ciudades, con altos estándares de emisión. Aún se encuentra en etapa de desarrollo. Los costos son altos comparados con la alternativa GNC. El consumo de combustible baja con respecto al diesel convencional. Se debe considerar en los costos el recambio de baterías. A pesar de las bajas emisiones, no pueden considerarse como vehículos de cero emisión. Comparados con los vehículos eléctricos, no tienen problemas de autonomía.
