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VEHICULOS HIBRIDOS DIAGNOSIS Y FUNCIONAMIENTO

NOVIEMBRE - DICIEMBRE 2012

CLIENTE: Automotive Technical Projects, es socio de:

VEHICULOS HIBRIDOS DIAGNOSIS Y FUNCIONAMIENTO AGENDA DEL CURSO

Recepción asistentes. Cumplimentación Documentación. Desarrollo sesión teórica. “Coffee – Break” Desarrollo sesión teórica. Desarrollo sesión teórico – práctica. Ruegos y preguntas. Cumplimentación Documentación.

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VEHICULOS HIBRIDOS DIAGNOSIS Y FUNCIONAMIENTO INDICE DE CONTENIDOS

1. MEDIOAMBIENTE Y MOVILIDAD: •

La contaminación medioambiental y el automóvil

•

Movilidad alternativa (propulsión híbrida y eléctrica).

•

Reseña histórica de la movilidad alternativa.

2. VEHICULOS HIBRIDOS. •

¿Qué es un vehículo híbrido?

•

Catalogación.

•

Automóviles: • THS – Toyota. • IMA – Honda.

Descripción de las características técnicas particulares de estos vehículos.

3. DIAGNOSIS MODO TALLER Y OBD


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VEHICULOS HIBRIDOS DIAGNOSIS Y FUNCIONAMIENTO 1.

MEDIOAMBIENTE Y MOVILIDAD.

MEDIOAMBIENTE Y MOVILIDAD Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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• El Automóvil, actualmente esta en el “ojo del huracán”. • La contaminación ambiental es un verdadero problema que debe atajarse. • Los recursos combustibles fósiles, su coste y su disponibilidad no son “valores estables”.


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La industria de la automoción esta obligada a encontrar soluciones encaminadas a: • Reducir impacto medioambiental. • Mejorar la tecnología de diseño de vehículos. • Desarrollar específicamente vehículos de bajas y/o cero emisiones. •Cumplir con las normas de homologan y anticontaminación vigentes.


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Algunos datos que reflejan la actual crisis medioambiental y energética, desde el punto de vista del petróleo.


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MEDIOAMBIENTE Y MOVILIDAD. CONTAMINACIÓN MEDIOAMBIENTAL Y EL AUTOMÓVIL.

Algunos datos que reflejan la actual crisis medioambiental y energética, desde el punto de vista de las emisiones de gases contaminantes.

Según composición química del hidrocarburo (Cx Hy)


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En 1998, ACEA (Asociación Constructores Europeos Automóviles ACEA se planteo:  Pasar de los 186 a 140 g/km durante el periodo 1998-2008.  Directiva Europea que fuerza las emisiones de CO2 a 120 g/km en el 2012 Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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El CO2 es uno de los principales causantes del efecto invernadero y es directo responsable, entre otros factores medioambientales, del nocivo calentamiento terrestre.


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Algunos datos que reflejan la actual crisis medioambiental y energética, desde el punto de vista de las emisiones de gases contaminantes. PM / NOx en Vehículos Industriales Ligeros en Europa

Euro3 = 2000 Euro4 = 2005 Euro5 = 2010 Euro6 = 2015

En Diesel reducir simultáneamente las PM y NOx es difícil Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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HV = Vehículo Híbrido Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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MEDIOAMBIENTE Y MOVILIDAD. MOVILIDAD ALTERNATIVA (PROPULSION HIBRIDA Y ELECTRICA)

El actual estado de desarrollo de la tecnología en el sector, “apunta” varias soluciones, siendo en este momento las más “tangibles”: 1. HV (Hybrid Vehicle): Propulsión híbrida con motor térmico de gasolina optimizado y motor eléctrico de apoyo, en sinergia. 2. EV (Electric Vehicle): Propulsión 100% eléctrica.

HV = Toyota PRIUS – THS III

EV = MITSUBISHI MiEV


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MEDIOAMBIENTE Y MOVILIDAD. MOVILIDAD ALTERNATIVA (PROPULSION HIBRIDA Y ELECTRICA)

El concepto HV y EV, cuenta con mas de 100 años de historia ¡¡¡

EV: 1839 – Robert Anderson

HV: 1906 – Auto Mixte

HV: Pieper – 1899

EV: 1941 – Peugeot VLV

HV 4x4: 1901 Lohner – Porsche

HV: 1997 – Toyota Prius THS I


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VEHICULOS HIBRIDOS.

VEHICULOS HIBRIDOS


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VEHICULOS HIBRIDOS. ¿QUE ES UN VEHICULO HIBRIDO?

• Biología cataloga como “HIBRIDO”, al animal o vegetal, procedente del cruce de por lo menos, dos organismos de razas o especies diferentes. • Esa unión proporciona al nuevo espécimen, características, fortaleza y productividad mejoradas, respecto de la genética de sus especiales originales. • Ejemplos de ello son la mula y el pomelo.

MULA: Yegua + Burro

POMELO: Pampelimusa + Naranja dulce.


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• En el mundo de la automoción, un vehículo HIBRIDO es aquel que posee dos diferentes fuentes de energía motriz: • Motor térmico: Gasolina 4T (el más común), o Diesel 4T (incipiente). •Motor eléctrico: Alternadores trifásicos.

Ambos motores trabajan de la forma mas eficiente posible, por separado, o conjuntamente. Esa estrategia se denomina sinergia: “colaboración para la mejora mutua final” Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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La sinergia híbrida en una imagen inapelable, en relación al rendimiento del conjunto motor térmico + motor eléctrico.


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VEHICULOS HIBRIDOS. CATALOGACION.

Podemos catalogar los vehículos híbridos, de diferentes formas: • Según la categoría de vehículo y servicio de transporte que desarrollan: TURISMOS (M1) - AUTOBUSES URBANOS (M2) - MOTOCICLETAS (L4) • Según la “estrategia híbrida” (interrelación motor térmico y eléctrico), constructiva: 1. MICRO-HIBRIDO: Motor térmico se detiene en ralentí o paradas prolongadas:

Disponen de sistema eléctrico reforzado: Batería/s (hasta 2), motor de arranque reforzado: 500.000 activaciones (normal: 100.000), alternador reforzado, sinergia motor de arranque alternador, frenado regenerativo y sistema de gestión electrónica de “detección” de las condiciones de uso y activación y parado del motor térmico. Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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Un MICRO-HIBRIDO, en realidad no es un verdadero vehículo híbrido, no obstante se les considera el primer paso en la reducción de emisiones contaminantes, debido a la reducción de las mismas en los periodos de parada (velocidad = 0 km/h), especialmente en uso urbano. Deben evolucionar para mejorar en algunos aspectos en los que son “precarios” en definición y construcción, básicamente: • Confort pasajeros:  Traqueteo y ruido del motor durante el proceso de “parada – arranque – parada”, especialmente nuevas unidades con motor térmico Diesel.  Climatización del habitáculo durante las paradas del motor. • Refrigeración y lubricación del motor. • Peso general del vehículo: Sistema eléctrico específico, batería/s y motor arranque – alternador reversibles, son más voluminosos y pesados. Fabricantes como Citröen (Grupo PSA), con sus unidades C3, desde 2004 y Audi con unidades A3, desde 2009, han sido de los primeros en usar esta tecnología (Start & Stop), en sus vehículos. Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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2. HIBRIDO SERIE: Batería

Motor Eléctrico

=

La principal particularidad de este sistema, estriba en que el motor térmico no esta conectado a la transmisión de energía a las ruedas. Su misión es la de producir energía eléctrica, gracias al accionamiento, por su parte, de un generador. Es un motor eléctrico el que transmite la energía propulsora a las ruedas. Un sistema electrónico (inversor), gestiona la energía eléctrica y sus sucesivas transformaciones de voltaje tipo: alterna – continua – alterna (generador-bateríamotor eléctrico). Puede disponer de frenado regenerativo. Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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3. HIBRIDO PARALELO: Batería

En este caso, ambos motores (térmico y eléctrico), participan conjuntamente en la aportación de energía motriz a las ruedas. El motor térmico acciona una “máquina eléctrica”, que funcionará de forma “reversible” siendo a la vez motor o generador, según interese. El inversor gestiona la energía eléctrica y sus transformaciones de voltaje tipo: alterna – continua – alterna (generador-batería-motor eléctrico). Dispone de frenado regenerativo. La transmisión es automática y controla la interacción de los motores y el frenado regenerativo. Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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Los HIBRIDOS PARALELOS, a su vez se sub-catalogan en dos tipos:  MILD HYBRID: También denominado “ligero”, debido a que en estos sistemas, el motor eléctrico:  Es incapaz de mover por si solo el vehículo.  No puede actuar a la vez como motor y generador. Solo ayuda al térmico durante el arranque, máxima potencia y frenado regenerativo. FULL HYBRID: Llamado “integral”. Es la estrategia de sinergia híbrida más “fuerte”, ya que en esta configuración el motor/es eléctrico/s:  Es capaz de mover por si solo el vehículo.  Puede actuar como motor y generador a la vez.  Puede escoger la estrategia de sinergia híbrida mas conveniente: o Solo motor eléctrico. o Solo motor térmico. o Ambos motores en proporciones continuamente variables de sinergia. Funciona solo y/o ayuda al térmico en todo momento, pudiendo a la vez aportar energía para la aceleración y regenerar corriente de recarga de la batería híbrida. En realidad se trata de un hibrido de concepción SERIE - PARALELO Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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 MILD HYBRID: HONDA IMA


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 FULL HYBRID – Serie-Paralelo: TOYOTA THS II


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Comparación gráfica plataformas motrices híbridas:


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Una nueva tendencia de desarrollo de FULL HYBRID (paralelo integral), son las unidades PLUG-IN, que confieren a los mismos, las capacidades de un VE (vehículo eléctrico). Ejemplo: Toyota PRIUS THS II plug-in (2010): Autonomía y prestaciones en modo VE, ampliadas sobre THS II: • 20 kms. circulando a una velocidad máxima de 100 km/h. “Enchufable” para recarga de la batería. En caso de agotar completamente batería: • 90´ - 230 voltios / 100´ - 200 voltios / 180´ - 100 voltios


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DE MICRO HIBRIDO (START ¬ STOP) A FULL HYBRID “Plug – in” (HYBRID SYNERGI DRIVE)

+

Micro hybrid

Strong hybrid Plug-in


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VEHICULOS HIBRIDOS. AUTOMOVILES. THS TOYOTA

THS, acrónimo de Toyota Hybrid System, es en la actualidad sinónimo de máxima tecnología y desarrollo de plataformas motrices híbridas. Llegar al actual estado de desarrollo de la tecnología híbrida no ha sido rápido y ha requerido años de evolución y constante mejora. La primera aparición en escena a nivel mundial de un vehículo híbrido creíble, se presento por parte de Toyota en 1997, evolucionando en tres diferentes “model years” hasta la actual tecnología THS II Plug-in. THS 1ª G. 1997 ÷ 2003 THS II 2ª G. 2003 ÷ 2009 THS II 3ª G. 2009 ÷ ………

El principal desafío evolutivo ha consistido en mejorar la “output density” (potencia específica), o lo que es lo mismo, reducir el peso y volumen de los componentes del sistema híbrida a la vez que aumentan las prestaciones y se minimiza el uso de energía (gasolina y electricidad). Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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El presente gráfico muestra la evolución de los vehículos híbridos de Toyota en los últimos 15 años aproximadamente Mayo 09 3ª gen.

THS bajo consumo y emisiones 1º turismo mundial híbrido fabricado en serie

THS-ll: Menos emisiones y mayores prestaciones que THS

2010 3ª gen. Plug-in

THS-II

THS-II sistema aplicado a más modelos (Lexus)

Pequeño bus urbano híbrido serie

Híbrido paralelo con CVT Híbrido paralelo diesel Híbrido ligero

Micro-Híbrido


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¿ Qué es una plataforma motriz híbrida con tecnología THS ? : 1. Motor térmico de gasolina, ciclo 4T Atkinson (ICE). 2. Batería de alto voltaje (HVB). 3. Motor – Generador 1, principalmente generador y motor de arranque (MG1). 4. Motor – Generador 2, principalmente motor (MG2). 5. Unidad Electrónica de Control Híbrido (H ECU). 6. Inversor – Conversor de voltaje (transformador HV-LV-HV, además de rectificador AC-DC-AC). 7. Transmisión automática (PSD: Power Split Device).


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1. Motor térmico de gasolina, ciclo 4T Atkinson (ICE): Desarrollado en 1882 por James Atkinson (de ahí el nombre), para evitar los “royalties” de uso del motor ideado por Otto. Su diseño original, características:

poseía

las

siguientes

 Mayor rendimiento térmico que el ciclo Otto convencional, aunque menor potencia.  Menor consumo de combustible.  Solo necesitaba 1 revolución para cumplir el ciclo de 4T (embielaje pistón-cigüeñal, especial).  Relación de expansión (carrera de explosión larga), mayor que la relación de compresión (carrera de compresión corta). http://www.animatedengines.com/atkinson.shtml


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Características generales motor Atkinson, “según” Toyota: •Diseñado pensado en su sinergia híbrida. •Doble árbol de levas en cabeza (DOHC) y 16 válvulas, limitado a 5.000 rpm. • Record mundial de emisiones bajas de HC y Nox, para un motor de combustión interna •Distribución variable en árbol de levas de admisión (VVT-i) mejorar llenado y fase de compresión (aumento Rc 13:1 geométrica). •Bancada de cigüeñal, desalineada del eje longitudinal de los cilindros 12,0 mm. (carreras de compresión y expansión diferentes). • 4 cilindros en línea de cilindrada total igual a 1.500 (THS I y II), o 1.800 cm3 (THS II). En la 3ª generación, se aumenta la cilindrada, para:  Aumentar la potencia - Disminuir rpm. Disminuir consumo de combustible.


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Comparativo características motores THS (1997) 1ª gen. a THS II (2009) 3ª gen.


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El sistema de distribución variable de la admisión de ToyotaVVT-i (Variable Valve Timing Intelligent), controla el diagrama de distribución de las válvulas de admisión mediante un accionamiento hidráulico, activado por la presión de aceite del motor y cuya válvula de control es gestionada por la ECU motor. Ajusta la relación entre la impulsión del árbol de levas (engranaje y cadena) y el propio árbol de levas.


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Sistema de control de la gestión del motor.


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El “desfase” de la admisión tanto en AAA como en RCA, llega hasta los 41º ¡¡


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2. Batería de alto voltaje (HVB): Las baterías se pueden clasificar en dos tipos: de arranque y de tracción. • Baterías de arranque: Las comúnmente instaladas en los automóviles (12 v.). Adaptadas a el suministro de intensidades elevadas instantáneamente. Sus características principales son la tensión, capacidad, amperaje y CCA (ej.: 12 v – 24 Ah – 300 A). El CCA (Cold Crank Amperage), es la capacidad de entregar corriente durante el arranque sin que la tensión caiga por debajo de 10,5 v.

Batería de arranque (acido-plomo)

• Baterías de tracción: Se emplean en vehículos de tracción eléctrica. Suministran una intensidad constante durante mucho tiempo. Se las conoce como baterías de “gel” (electrólito “pastoso”, no se evapora y hace más segura y cómoda su utilización). Batería de tracción (gel) Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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La empleada en el sistema híbrido es de tracción. Cohabitan dos tipos: • Ni – MH (Níquel – Metal hidruro):  Ánodo (borne +): Hidróxido de níquel.  Cátodo ( borne -): Aleación de hidruro metálico.

Ni – MH (2004 a 2009 / THS y THS II)

Esta fabricada por Panasonic y es la batería con la densidad de energía mas alta del mundo entre las baterías de su tamaño. Pesa solo 39,0 kg. La carcasa metálica exterior esta sellada y aislada de masa y los módulos interiores, envueltos en una carcasa plástica anti-fugas. Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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• Voltaje total 201,6 v. 28 módulos de Ni-MH, que a la vez contienen 6 células, las cuales proporcionan un voltaje de 1,2 v. • Capacidad de hasta 6,5 Ah / 1,31 kW/h. • Potencia máxima es de 27 kW • Densidad de energía llega a los 80 Wh/kg.

Módulo de 6 células de Ni – MH

Tensión módulo Ni – MH: 7,2 v (6 x 1,2)

Estas baterías poseen “efecto memoria” (perdida de capacidad de carga tras reiteradas cargas – descargas incompletas). Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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• Li – ion (Iones de Litio):  Ánodo (borne +): Grafito.  Cátodo ( borne -): Oxido de cobalto, trifilina (Li Fe PO4) u Oxido de manganeso. La principal diferencia – mejora sobre las de Ni . MH reside en una densidad de energía elevada hasta los 115 Wh/kg., así como una mayor resistencia al “efecto memoria”. Utilizada exclusivamente en la versión THS II 2010 plug-in.

Li – Ion (2010 a …… / THS II plug-in) Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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Algunos datos comparativos de las diferentes baterías empleadas en los sistemas THS


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Tendencias de desarrollo de prestaciones a medio - largo plazo en baterías de tracción


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Comparativo de potencia específica para diferentes tecnologías aplicadas en baterías


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Comparativo de potencia específica para diferentes tecnologías aplicadas en baterías

La gasolina posee una energía específica de 12.000 Wh/kg


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La batería es “espiada” constantemente por su ECU específica, la cual controla y evita que se descargue o cargue fuera de los límites de seguridad SOC (State Of Charge) que evita su deterioro por causa de una sobrecarga (sobre-temperatura), o una sobredescarga (cristalización y alta resistencia de placas)


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Para controlar el proceso e carga y descarga y su temperatura asociada al normal funcionamiento de la batería, la ECU, “lee” el valor de corriente en ambos casos. Se utiliza un sensor amperimétrico.


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La temperatura debe ser controlada para evitar daños mayores a la batería, por lo cual dispone de sensores de la misma, repartidos a lo largo del conjunto de módulos. Si el valor supera el “umbral” de seguridad establecido, se activa un ventilador que fuerza el paso se aire alrededor del cuerpo exterior de la batería (desde el habitáculo al paso de rueda trasero derecho), con un sistema unidireccional. El rendimiento de las baterías esta afectado nocivamente por temperaturas extremas (altas y bajas ¡¡)


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Esquema del proceso de ventilación – refrigeración de la batería HVB


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Esquema del proceso de ventilación – refrigeración de la batería HVB


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Las fugas de corriente con los niveles de tensión que se emplean, son realmente peligrosas para el sistema y los usuarios. La ECU de la HVB, controla también este parámetro y lo correlaciona con la tensión de la batería. Cuando estos parámetros y la temperatura, se descuadran, se puede dar lugar a la desconexión automática de seguridad de la batería, para evitar su destrucción.


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Esta desconexión automática está controlada por la ECU, la cual desactiva la excitación de los relés de seguridad SMR (Security Main Relay). En caso de colisión y activación de airbags, también se desconectan los SMR ´s


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De ser necesario el servicio y/o manipulación de la HVB o la instalación eléctrica de HV, se debe desconectar el fusible principal de seguridad de la batería, dispuesto en el costado izquierdo de la misma, en su habitáculo en la zona de carga.

El fusible es de 125 A ¡¡, es obligatorio usar guantes aislantes de seguridad de hasta 1.000 v y esperar 5 minutos después de su desconexión antes de manipular batería, cables de alta tensión y sistema electrónico de control ¡¡ Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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Para el resto de servicios de baja tensión, disponemos de una batería auxiliar convencional (acido-plomo) MF de 12v, alojada en el compartimento de carga, en su lado derecho. La misma suministra tensión a los circuitos de batería clásicos. Es una batería especial (OEM), concebida para interactuar con la HVB y su conjunto electrónico de regulación


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En caso de fallo de la misma el portón trasero no podrá abrirse. Existe un conector puente en el vano motor en la zona de la caja de fusibles principal, que permite hacer un puente de alimentación entre el mismo (+) y masa de la carrocería (-), reactivando los servicios de baja tensión.


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3. Motor – Generador 1, principalmente generador y motor de arranque (MG1). Se trata de un GENERADOR eléctrico trifásico de corriente alterna, síncrono, sin escobillas (“brushless”) y de rotor de imanes permanentes (PM). Es arrastrado por el motor térmico y no tiene conexión directa con las ruedas del vehículo. Su principal cometido es actuar como generador de corriente, para recargar y mantener dentro de su nivel ideal de SOC, la batería híbrida (HVB). Es el MOTOR de arranque del motor térmico.* Puede alimentar directamente a MG2 (motor)* Actúa como “regulador” del sistema CVT (transmisión automática). Variando sus rpm regula la relación de transmisión del cambio automático*. •Controlado por la acción del sistema electrónico.

Es refrigerado mediante circuito refrigerante común con MG2 y conversor –inversor. Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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Comparativo de características de MG1 entre THS II, 2ª (2003) y 3ª (2009) generación


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4. Motor – Generador 2, principalmente motor (MG2). Se trata de un MOTOR eléctrico trifásico de corriente alterna, síncrono, sin escobillas (“brushless”) y de rotor de imanes permanentes (PM). Se impulsa mediante la energía eléctrica de MG1 o de la HVB y tiene conexión directa con las ruedas del vehículo, generando parte de su fuerza motriz. Recarga la HVB (generador) durante deceleraciones y frenadas (frenada regenerativa). Concebido para trabajar de forma sinérgica con el ICE. Fabricado específicamente por Toyota. Motor eléctrico de mejor potencia específica a nivel mundial, incluido el sector industrial. Es refrigerado mediante circuito refrigerante común con MG2 y conversor –inversor.


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Comparativo de características de MG2 entre THS II, 2ª (2003) y 3ª (2009) generación


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Características de MG2 entre THS II, 2ª generación (2003)


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5. Unidad Electrónica de Control Híbrido (H ECU). Gestiona la potencia de salida requerida por el conductor al accionar el pedal del acelerador y aplicada a las ruedas de forma combinada (ICE + MG2 + MG1). Se interrelaciona mediante una línea CAN Bus (comunicación de datos), con: • Pedal de acelerador. • ECU EBC + Pedal de freno • Sensor de velocidad del vehículo. • Accionamiento del AA • ECU PSD + Palanca de cambio. • ECU HVB y tensión HVB. •ECU motor. •ECU VSC (control estabilidad). Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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LINEA CAN-BUS: Sistema de comunicación entre las diferentes unidades electrónicas de un vehículo Similar a una red de ordenadores. CAN: “Controller Area Network“ = Área de Control en Red“ - BUS: Comunicación. Los automóviles actuales poseen múltiples ECU: EFI, ABS, ESP, ASR, etc. La comunicación en red permite rápida comunicación y evita duplicidad de sensores a la vez que reduce la longitud de la cabrería y conexiones.


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La información "viaja" y se comparte entre las unidades a través de dos cables (bus), uno llamado CAN-H (High = alto) y el otro CAN-L (Low =bajo). Por último, estarían los elementos de cierre o terminadores, que son resistencias conectadas a los extremos de los cables H y L.

Cada ECU, según un “protocolo” (preferencia y orden), selecciona o desprecia la información que recibe, de acuerdo a sus necesidades de cálculo o la situación de conducción, climatización, estabilidad, etc. del vehículo. En el interior de la ECU, se dispone de un microprocesador específico para la gestión CAN – Bus, compuesto por un Controlador y un Transmisor-Receptor.


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Pedal acelerador sistema “Ride by wire”


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Palanca de cambio sistema “Ride by wire”

D: Marcha normal N: Neutro R: Marcha atrás B: Marcha con retención Botón P: Freno de mano eléctrico (bloqueo transmisión) Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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En el sistema de frenado EBC aplicado por Toyota en sus plataformas híbridas, la maniobra de frenado incluye frenada regenerativa. Para ello, se combinan las acciones de la frenada hidráulica y la eléctrica en forma de resistencia electromagnética del motor eléctrico MG2, que en la frenada invierte su función a generador (freno electromagnético).

MG2 Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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El pedal de freno accionado por el conductor: • Genera presión hidráulica. • Informa a la ECU del EBC, de la tipología de la frenada y esta decide la cuantía de la regenerativa y acciona un simulador de fuerza de frenada que da al conductor un tacto de frenada hidráulica al 100%.


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6. Inversor – Conversor de voltaje (HV–LV AC–DC): Gestiona las diferentes transformaciones de energía eléctrica entre: • MG1: 500 v AC • MG2: 500 v AC • HVB: 201,6 v DC • LVB: 14,0 v DC • Compresor de aire acondicionado: 201,6 v DC Dispone de una “etapa” Booster (amplificadora), que permite elevar la tensión de HVB de 201,6 v DC, hasta 650 v DC máx. de forma puntual. Como seguridad dispone de micro-interruptor abertura de la tapa, que desconecta de la línea de alta tensión del vehículo el conversor-inversor. Comparte sistema de refrigeración con MG1 y MG2 Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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Esquema de transformaciones del conversor - inversor


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Esquema de ubicación del conversor - inversor


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Esquema de sistema de refrigeración del conversor - inversor


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Esquema de sistema de refrigeración del conversor - inversor

Circuito de refrigerante en la base del conversor - inversor Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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El IGBT (Integrated Gate Bipolar Transistor), controlado por voltaje, es el principal “actor” del sistema y es el encargado de la transformación de la tensión de la HVB (201,6 v DC) a la tensión de MG1 – MG2 (500 v AC) y viceversa. El convertidor consta del IPM (Integrated Power Modul) de elevación de tensión con un IGBT que efectúa la conmutación y el reactor (resistencia) que almacena la energía, con estos componentes el convertidor eleva la tensión. Cuando MG1 o MG2 actúan de generador, el inversor convierte la corriente alterna a corriente continua y luego el convertidor de elevación la reduce a 201,6v para la batería HV.

IGBT


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Los circuitos para MG1 y MG2 cada uno consta de 6 transistores de potencia (IGBT). Cuando MG2 necesita alimentación el convertidor eleva los 201,6 v a 500 v, después de la elevación, el inversor convierte la corriente continua (DC) a corriente alterna (AC).


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La “conducción de la corriente de alta tensión de la parte delantera a la trasera del vehículo y entre los elementos y sistemas que la generan o consumen se hace por medio de un cableado especial de aluminio e identificado como norma de seguridad en color naranja. Cualquier manipulación de los mismos, requiere la desconexión del fusible princial de la HVB y el uso de guantes de protección para HV.


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La ECU del sistema híbrido, escanea constantemente las fugas de tensión y desconecta la batería en caso de que pueda llegar a ser peligrosa. La canaleta de conducción de los cables de alta tensión bajo el piso del vehículo, comparte también la línea de bajo voltaje desde la batería de servicio en el maletero a los sistemas y periféricos distribuidos a lo largo de todo el vehículo.


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7. Transmisión automática (PSD: Power Split Device): Consiste en un tren epicicloidal de engranajes, en el cual se une de forma mecánica y se interrelacionan las acciones del ICE – MG1 y MG2. Gracias a ello y a la gestión de la ECU del sistema hibrido, se determina la sinergia de ICE - MG2 – MG1 y las acciones de generación y consumo de energía del sistema en los dos sentidos, del sistema a las ruedas y de las ruedas al sistema. El interior del conjunto, además alberga MG1 y MG2 y grupo diferencial.


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MG1

PSD (Tren Epic.)

MG2

DIFERENCIAL


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Modos de funcionamiento del vehículo

MODO ELÉCTRICO (EV)

MARCHA RÁPIDA

NORMAL

WARM UP

MARCHA ATRÁS (REVERSE)


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Modos de funcionamiento del vehículo: - A: Estado de READY, encendido del motor térmico - B: Arranque inicial, inicio de la marcha con MG2 (Modo 100% eléctrico) - C: Ligera aceleración con el motor de gasolina - D: Marcha de crucero con poca carga - E: Aceleración máxima - F: Desaceleración - G: Marcha atrás


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Flujo de energía “desde y hacia” la HVB según modos de funcionamiento del vehículo

ENERGÍA PARA MOVER EL VEHÍCULO

MG1 y MG2

MG2


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Nomogramas de transmisión, según los modos de funcionamiento.


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Nomogramas de transmisión, según los modos de funcionamiento.

ICE MG2

MG1

RUN


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(A) Arranque del motor térmico (ICE).

MG1 mueve al motor térmico. MG1 se alimenta de la batería HV. Para evitar que MG1 haga girar la corona exterior y con ello las ruedas, se aplica a MG2 una corriente eléctrica para hacer de freno (control reactivo).


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(A) Arranque del motor térmico (ICE).

En el momento que el motor térmico esta en marcha MG1 actúa como generador para cargar la batería HV.


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(B) Arranque inicial. Inicio de la marcha.

MG2 impulsa, ICE está parado y MG1 invierte el sentido de giro y está pasivo no genera electricidad.


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Al solicitar mas par con MG2, MG1 arranca ICE. ICE también se arrancaría si SOC desciende o ICE frio.


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Con ICE en marcha, MG1, actúa como generador, recargando la HVB.


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(B) Arranque inicial. Inicio de la marcha. Pulsando el botón EV en el salpicadero del vehículo, se puede “forzar” la tracción eléctrica exclusivamente. No obstante deben de cumplirse las siguientes condiciones.

El recorrido en modo EV es bajo y depende de la solicitación del acelerador y la velocidad de circulación, comúnmente por encima de 45 km/h se desactiva y no se recorre mas de 1 km. La versión “plug-in”, es capaz de llegar hasta 20 km a una velocidad de 80 km/h. Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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EV Modo eléctrico. Ídem que en modo arranque inicial. MG2 impulsa, ICE está parado y MG1 invierte el sentido de giro y está pasivo no genera electricidad.


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EV Modo eléctrico. Ídem que en modo arranque inicial. MG2 impulsa, ICE está parado y MG1 invierte el sentido de giro y está pasivo no genera electricidad.


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(C) Ligera aceleración con ICE.

ICE arrastra MG1 y aplica energía motriz ruedas. MG1 alimenta MG2 regulando CVT. MG” aplica energía motriz a las ruedas.


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(D) Marcha de crucero con poca carga.

ICE y MG2 impulsan las ruedas. ICE arrastra MG1, que genera corriente para MG2


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(E) Aceleración máxima.

ICE y MG2 impulsan las ruedas. MG1 alimenta MG2. MG2 es alimentado a la vez por MG1 y HVB


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(F) Deceleración o frenado. Posición palanca cambio “D”.

ICE está parado. MG2 es impulsado por las ruedas y crea regeneración. MG1 controla CVT y no genera corriente


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(F) Deceleración o frenado. Posición palanca cambio “B”.

MG2 es impulsado por las ruedas y alimenta MG1 y carga HVB. MG1 mantiene ICE en marcha, pero sin combustión (bomba de aire – retención).


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(G) Marcha atrás.

MG2 impulsa las ruedas alimentado por HVB, siempre que mantenga su SOC. MG1 regula el CVT. ICE está parado.


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(G) Marcha atrás.

Cuando SOC de HVB desciende, se activa MG1 por parte de HVB y arranca ICE.


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(G) Marcha atrás.

Con ICE en marcha, MG1 recarga batería. NG2 es el único que aplica fuerza motriz a las ruedas.


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VEHICULOS HIBRIDOS. AUTOMOVILES. IMA HONDA

IMA, acrónimo de Integrated Motor Assist, es la implantación de Honda de un vehículo híbrido paralelo.

En 1999, Honda comercializó su primera generación de vehículos híbridos con el Insight. Expandiéndose más tarde hacia otros modelos.


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El sistema IMA se ha implementado en un total de 6 vehículos:

Honda J-VX (1997 concept car)

Honda Insight (1999-2006, 2010-presente)

Honda Civic Hybrid (2003-presente)

Honda Accord Hybrid (2005-2007)

Honda Dualnote (2001 concept car)

Honda CR-Z (2010-presente)


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Evolución de la tecnología híbrida IMA Tipo de vehículo

Insight 1999

Civic IMA 2003

Accord Hybrid 2005

Civic Hybrid 2006

Insight 2010

CR-Z 2010

Distancia entre ejes

2400mm

2619mm

2741mm

2700mm

2550mm

2435mm

Tipo de motor

3 cilindros en línea


V6




Potencia del motor de gasolina

67CV a 5700rpm

85CV a 5700rpm

255CV a 6000rpm

110CV a 6000rpm

88CV a 5800rpm

124CV a 6000rpm

Potencia del motor eléctrico

10kW a 3000rpm

10kW a 2500rpm

12kW a 840rpm

15kW a 2000rpm

10kW a 1500rpm

10kW a 1500rpm

Capacidad batería

6,5Ah

6Ah

6Ah

5,5Ah

5,75Ah

5,75Ah


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¿ Qué es una plataforma motriz híbrida con tecnología IMA ? : 1. Motor térmico de gasolina, ciclo 4T Otto. 2. Motor – Generador eléctrico. 3. Unidad de energía inteligente (IPU). 4. Transmisión automática (CVT).


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1. Motor térmico de gasolina, ciclo 4T Otto: El motor de explosión ciclo Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo inventó, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina. Es el motor más utilizado en propulsión de automóviles

Necesita dos vueltas de cigüeñal para completar los 4 procesos que componen el ciclo.

http://www.animatedengines.com/otto.shtml


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Los motores actuales con sistema IMA comparten una serie de características generales: • Simple árbol de levas en cabeza (SOHC) y 12 válvulas. •Distribución variable inteligente en árbol de levas (i-VTEC), mejora el llenado del motor en función de las revoluciones. • 4 cilindros en línea Los motores que montan el sistema IMA son de distinta cilindrada dependiendo del vehículo y su generación, los que se montan actualmente son: •1.3L en los Honda Insight y Civic. •1.5L en el Honda CR-Z


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El motor de gasolina (en todas sus versiones) dispone de dos válvulas de admisión y una de escape. El sistema de distribución variable inteligente (i-VTEC) controla las revoluciones del motor y abre una o las dos válvulas de admisión dependiendo del régimen de giro y la demanda de potencia.

Con esto se consigue tanto un bajo consumo como buenas prestaciones. Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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Otra característica del motor es la tecnología de administración de cilindro variable (VCM). Esta tecnología permite deshabilitar la combustión en los cilindros y la apertura de las válvulas.

Se consigue el máximo aprovechamiento de la frenada regenerativa.


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2. Motor – generador eléctrico:

Es un motor de corriente continua sin escobillas (BLDC), esta montado entre el motor de gasolina y la transmisión variable. Asiste a la propulsión del vehículo cuando se necesita, permitiendo el uso de un motor de gasolina de menor cilindrada. Opera como generador, utilizando el exceso de energía (como en una frenada) para recargar la batería Hace la función de alternador, cargando también la batería accesoria de 12v Se usa para arrancar el motor de gasolina, muy rápida y silenciosamente. Esto permite apagar el motor de gasolina cuando no se le necesita sin ningún tipo de retraso en el rearranque. Equilibra las variaciones de velocidad del cigüeñal, eliminando vibraciones.


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3. Unidad de energía inteligente (IPU): La unidad de energía inteligente (o Intelligent Power Unit) contiene todas las partes de alto voltaje del sistema IMA, que son: 1. 2. 3. 4.

Batería de tracción Controlador del estado de la batería (BCM) Unidad electrónica de control (PCU) Unidad de control del motor (MCM)

Es donde mas se ha trabajado durante la evolución del sistema para aumentar su densidad energética


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Situación de componentes de la Intelligent Power Unit (IPU) Battery Condition Monitor (BCM) Motor Driver Module (MDM)

Convertidor DC-DC

Motor Control Module (MCM)

Power Control Unit (PCU) Ventilador

Batería

Ventilador


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Batería de tracción • Ni – MH (Níquel e hidruro metálico)  Ánodo (borne +): Hidróxido de níquel.  Cátodo ( borne -): Aleación de hidruro metálico.

Esta fabricada por Panasonic y actualmente es de 100,8V con 5,75 Ah de capacidad y tan solo 20,4 kg.


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Battery Control Module (BCM) El BCM monitoriza el estado de la batería, vía cuatro sensores de temperaturas y 10 sensores de voltaje en la batería. También usa un sensor de corriente para determinar el ratio de carga/descarga. Mantiene la batería entre un 20% y un 80% de la carga para optimizar su vida. Se encarga de la protección de la batería


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Unidad Electrónica de Control (PCU) La unidad de control o Power Control Unit (PCU), esta formada por diversos elementos: 1. Motor Driver Module (MDM)  Se encarga de suministrar energía al motor.  Permite la recarga de la batería en frenadas. 2. Convertidor DC-DC  Convierte la corriente proveniente del motor a 12V para la batería accesoria. 3. Disipador de calor  Disipa el calor generado por el resto de componentes de la PCU


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Unidad de control del motor (MCM) Llamada Motor Control Module (MCM), es la parte principal de la IPU y del sistema IMA. Controla el resto de módulos electrónicos, es el “cerebro” del sistema. Decide la cantidad de ayuda que produce el motor eléctrico y también la cantidad de energía regenerada que absorbe, es decir, decide los modos de operación.


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Modos de operación

1. Vehículo estacionario: el motor esta apagado y el consumo de combustible es cero. 2. Arranque i aceleración desde parado: el motor actúa abriendo solo una válvula de admisión y tiene asistencia del motor eléctrico. 3. Aceleración rápida: el motor actúa abriendo las dos válvulas de admisión y tiene asistencia del motor eléctrico. 4. Crucero a baja velocidad: las válvulas de los 4 cilindros están cerradas y la combustión se detiene. El motor eléctrico impulsa el vehículo. 5. Aceleración suave y crucero a alta velocidad: el motor actúa abriendo solo una válvula de admisión. 6. Deceleración: las válvulas de los 4 cilindros están cerradas y la combustión se detiene. El motor eléctrico recupera la máxima cantidad de energía durante la deceleración y la almacena en la batería. Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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5. Transmisión automática: Se usa una transmisión automática continua (CVT: Continously Variable Transmission). Es una transmisión sin saltos


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Permite mantener siempre el motor en el rango optimo de funcionamiento Permite minimizar las aceleraciones del motor para alcanzar velocidad, consiguiendo bajas emisiones.


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DIAGNOSIS MODO TALLER Y OBD

Para que el motor térmico funcione continuamente en el caso de una prueba de gases, se puede conseguir mediante el equipo de diagnosis o bien mediante un procedimiento manual. Veamos este ultimo en primer lugar. El procedimiento indicado se debe realizar en un periodo máximo de 60 segundos: 1. Con la posición en “P” pulsar el botón de encendido (POWER) dos veces hasta llegar a la posición de contacto (luz del pulsador de color naranja).

+ 2x 2. Pisar a fondo el pedal del acelerador dos veces. 2x


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3. Pisar el pedal de freno y seleccionar la posición “N”.

+ 4. Pisar dos veces el pedal del acelerador. 2x

5. Pisar el pedal de freno y seleccionar la posición “P”.

+ Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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6. Pisar a fondo dos veces el pedal del acelerador. 2x

7. Pisar el pedal de freno y pulsar el botón de encendido POWER (luz del botón de color verde)

+ Una vez hecho este proceso se activara “READY” en el cuadro y el motor térmico se pondrá en funcionamiento continuo. Si no se pisa el pedal del acelerador el motor se mantendrá a 1000rpm, si se pisa hasta el 60% el motor no pasara de 1500rpm y se pulsa mas del 60% el motor no pasara de 2250rpm. Para finalizar el modo de inspección, pulsar el botón POWER a la posición Off Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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Mediante el equipo de diagnosis debemos: 1. Conectar el equipo de diagnosis a la toma de diagnosis (debajo del volante).

2. Colocar el botón POWER en ON.

3. Encender el equipo de diagnosis. 4. Seleccionar el menú: Powertrain (tren motor)/Hybrid control(control hibrido)/Active test(utilidad)/Inspection mode 2WD(modo inspección 2WD)


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En el caso de necesitar realizar una prueba en un frenómetro o en un velocímetro (caso de una ITV) esto se puede realizar mediante el equipo de diagnosis o bien mediante un procedimiento manual. Veamos este ultimo en primer lugar. El procedimiento indicado se debe realizar en un periodo máximo de 60 segundos: 1. Con la posición en “P” pulsar el botón de encendido (POWER) dos veces hasta llegar a la posición de contacto (luz del pulsador de color naranja).

+ 2x 2. Pisar a fondo el pedal del acelerador tres veces. 3x


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3. Pisar el pedal de freno y seleccionar la posición “N”.

+ 4. Pisar tres veces el pedal del acelerador. 3x

5. Pisar el pedal de freno y seleccionar la posición “P”.

+ Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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6. Pisar a fondo tres veces el pedal del acelerador. 3x

7. Pisar el pedal de freno y pulsar el botón de encendido POWER (luz del botón de color verde)

+ Una vez hecho este proceso se activara “READY” en el cuadro y el vehículo estará preparado para la realización de estas pruebas. Para finalizar el modo de inspección, pulsar el botón POWER a la posición Off Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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Mediante el equipo de diagnosis debemos: 1. Conectar el equipo de diagnosis a la toma de diagnosis (debajo del volante).

2. Colocar el botón POWER en ON.

3. Encender el equipo de diagnosis. 4. Seleccionar el menú: Powertrain (tren motor)/Hybrid control(control hibrido)/Active test(utilidad)/Inspection mode 2WD TRC(modo inspección 2WD chasis-dynamo). Automotive Technical Projects, S. L. 08173, Av. Corts Catalanes 2 - local 11 Sant Cugat del Vallès - BCN [email protected] - www.atprojects.es

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VEHICULOS HIBRIDOS DIAGNOSIS Y FUNCIONAMIENTO

• GRACIAS POR SU ATENCIÓN ¡¡ • PREGUNTAS ??


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Curso Vehiculos Hibridos Propulsion Hibrida Electrica Automoviles Toyota Honda Estructura Componentes Funcionamiento

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