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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
TEMA:
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN “SISTEMA ELÉCTRICO Y
ELECTRÓNICO, PARA AUMENTAR LA AUTONOMÍA ELÉCTRICA DE UN
VEHÍCULO HÍBRIDO MARCA TOYOTA, MODELO PRIUS, ADAPTANDO
UN SISTEMA PHEV (Plug-In Hybrid Electric Vehicle), EN UN SISTEMA
HEV (Hybrid Electric Vehicle)”.
AUTOR: EMILIO SANTIAGO GUEVARA GARZÓN
DIRECTOR: ING. JULIO MORALES
Quito, 2015
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2015
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo EMILIO SANTIAGO GUEVARA GARZÓN, declaro que el trabajo aquí
descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para
ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
vigente.
(Firma)
_________________________
(SANTIAGO GUEVARA)
C.I. 171744740-1
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓN DE UN “SISTEMA ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO,
PARA AUMENTAR LA AUTONOMÍA ELECTRICA DE UN VEHÍCULO
HÍBRIDO MARCA TOYOTA, MODELO PRIUS, ADAPTANDO UN
SISTEMA PHEV (Plug-In Hybrid Electric Vehicle), EN UN SISTEMA HEV
(Hybrid Electric Vehicle)”, que, para aspirar al título de Ingeniero
Automotriz fue desarrollado por Santiago Guevara, bajo mi dirección y
supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las
condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos
18 y 25.
(Firma)
(Julio Morales)
DIRECTOR DEL TRABAJO
C.I. 1711275592
DEDICATORIA
A mi familia, en especial a mis padres, Lourdes Garzón y Marco Guevara,
quienes con su apoyo y esfuerzo me brindaron la oportunidad de realizar mis
estudios a nivel Universitario y cumplir mis metas como estudiante. Y a
quienes agradezco infinitamente por enseñarme valores y principios que me
han servido a lo largo de mi vida.
AGRADECIMIENTO
En primer lugar a Dios, por bendecirme al recibir el mejor legado como son
los estudios. A mis profesores, quienes entregaron su mayor esfuerzo para
impartir los conocimientos que he adquirido durante la carrera Universitaria.
Finalmente a mi familia y amistades por su incondicional apoyo.
i
ÍNDICE DE CONTENIDO
RESUMEN xii
ABSTRACT xiv
1. INTRODUCCIÓN 1
2. MARCO TEÓRICO 2
2.1 HISTORIA, DISEÑO Y ESTRUCTURA DE LOS VEHÌCULOS
HÍBRIDOS 3
2.1.1 HÍBRIDOS EN SERIE 6
2.1.2 HÍBRIDOS EN PARALELO 7
2.1.3 HÍBRIDOS EN SERIE Y PARALELO 9
2.2 EL VEHÍCULO HÍBRIDO PIONERO 10
2.2.1 TOYOTA PRIUS 10
2.2.1.1 Vehículo sin movimiento 13
2.2.1.2 Inicio de la tracción 14
2.2.1.3 Velocidad normal 14
2.2.1.4 Aceleraciones fuertes 15
2.2.1.5 Freno regenerativo y desaceleración 16
2.2.1.6 Marcha atrás 17
2.3 PRINCIPALES ELEMENTOS DEL SISTEMA HÍBRIDO 20
2.3.1 MOTOR TÉRMICO 20
2.3.2 MOTOR ELÉCTRICO 22
2.3.3 TRANSMISIÓN 23
2.3.4 ELEMENTOS DE CONTROL DEL SISTEMA HÍBRIDO 25
ii
2.3.4.1 E.C.U. HV (Control del Sistema Híbrido) 26
2.3.4.2 E.C.M. (Control de Motor De Combustión) 27
2.3.4.2 Skid control E.C.U. (Control de Derrape) 27
2.3.4.3 E.C.U. Battery hv (Control de la batería híbrida) 28
2.3.4.4 Brake E.C.U. (Unidad de Control de freno ABS) 28
2.3.4.5 E.C.U. Transmission (Control de la Caja) 28
2.4 BATERÍA DE ALTO VOLTAJE 29
2.4.1 CONTROL DE LA TEMPERATURA 31
2.4.2 CONTROL DE ALIMENTACIÓN DE VOLTAJE 32
2.4.3 SENSOR DE CORRIENTE 33
2.4 FUNCIONAMIENTO DEL INVERSOR 34
2.5.1 CIRCUITO ELEVADOR DE VOLTAJE 35
2.5.2 ALIMENTACIÓN DE LOS MOTOGENERADORES 36
2.5.3 SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO 39
2.5.4 RECARGA DE LA BATERÍA AUXILIAR 40
3.1 DISEÑO DEL SISTEMA ENCHUFABLE 41
3.2 ELEMENTOS DEL SISTEMA HÍBRIDO ENCHUFABLE 41
3.3 CARACTERÍSTICAS DEL VEHÍCULO TOYOTA PRIUS C 42
3.4 CARATERÍSTICAS DE LAS BATERÍAS DE ALTA TENSIÓN
HÍBRIDAS 42
3.5 COMPROBACIÓN DEL ESTADO DE CARGA DE LAS BATERÍAS 43
3.6 ELEMENTOS QUE CONFORMAN EL CARGADO DE BATERÍAS 47
3.6.1 PUENTE RECTIFICADOR 47
iii
3.6.2 CAJA METÁLICA 48
3.6.3 PORTAFUSIBLE 49
3.6.4 FUSIBLE 50
3.6.5 INTERRUPTOR 50
3.6.6 LED (Diodo Emisor de Luz) 51
3.6.7 RESISTENCIA 52
3.6.8 CAPACITOR ELECTROLÍTICO 52
3.6.9 AMPERÍMETRO ANALÓGICO 52
3.6.10 FOCO HALÓGENO 53
3.6.11 CABLES 54
3.7 CONSTRUCCIÓN DEL CARGADOR DE BATERÍAS 54
3.8 FUNCIONAMIENTO DEL CARGADOR DE BATERÍAS 54
3.8.1 CARGA Y DESCARGA DE BATERÍAS 57
3.9 ADAPTACIÓN DEL CONJUNTO ADICIONAL DE BATERÍAS
DE ALTA TENSIÓN 61
3.10 CIRCUITO DE ACOPLAMIENTO DE LAS BATERÍAS 63
3.11 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA HÍBRIDO ENCHUFABLE 66
3.12 MAPA CONCEPTUAL DEL SISTEMA HÍBRIDO CONVENCIONAL 66
3.13 MAPA CONCEPTUAL DEL SISTEMA HÍBRIDO ENCHUFABLE 67
3.14 NIVELES DE HIBRIDACIÓN 69
3.15 PRUEBA DE RECORRIDO CON VEHÍCULO HÍBRIDO NORMAL 70
iv
3.16 PUEBA DE RECORRIDO CON VEHÍCULO
HÍBRIDO ENCHUFABLE 73
3.17 FÓRMULAS UTILIZADAS EN LA INVESTIGACIÓN 75
3.17.1 VOLTAJE DE LOS CONJUNTOS DE BATERIAS
DE ALTA TENSIÓN 75
3.17.2 INTENSIDAD DE CORRIENTE DE CADA CONJUNTOS DE
BATERÍAS DE ALTO VOLTAJE 75
3.17.3 POTENCIA TOTAL DEL PAQUETE ADICIONAL DE
BATERÍAS DE ALTA TENSIÓN 76
3.17.4 VOLTAJE TOTAL DE LOS CONJUNTOS DE
BATERÍAS DE ALTO VOLTAJE 76
3.17.5 INTENSIDAD DE CORRIENTE DE LOS CONJUNTOS DE
BATERÍAS DE ALTO VOLTAJE 77
3.17.6 POTENCIA TOTAL DEL CONJUNTO ORIGINAL DE
BATERÍAS DE ALTO VOLTAJE 77
4.1 CONEXIÓN DE LAS BATERÍAS ADICIONALES 79
4.2 CONEXIÓN DE LAS BATERÍAS ORIGINALES 79
4.3 POTENCIA DEL CONJUNTO ADICIONAL DE BATERÍAS DE ALTO
VOLTAJE 80
4.4 POTENCIA DEL CONJUNTO ORIGINAL DE BATERÍAS DE ALTO
VOLTAJE 81
4.5 VOLTAJE, INTENSIDAD Y POTENCIA DE LOS DOS
CONJUNTOS DE BATERÍAS DE ALTO VOLTAJE CONECTADOS 81
v
4.6 TIEMPO DE RECARGA DE LA BATERÍA HÍBRIDA ADICIONAL 83
4.7 COMPARACIÓN DEL SISTEMA HÍBRIDO NORMAL CON EL
SISTEMA HÍBRIDO ENCHUFABLE 84
5.1 CONCLUSIONES 86
5.2 RECOMENDACIONES 87
6. BIBLIOGRAFÍA 88
vi
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Condiciones de operación del sistema híbrido. 19
Tabla 2. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 1. 45
Tabla 3. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 2 46
Tabla 4. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 3. 47
Tabla 5. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 1
recargado previamente. 59
Tabla 6. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 2
recargado previamente. 60
Tabla 7. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 3
recargado previamente. 61
Tabla 8. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido normal. 71
Tabla 9. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido normal y modo
EV activado. 72
Tabla 10. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido enchufable. 73
Tabla 11. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido enchufable y
modo EV activado. 74
Tabla 12. Voltaje total del conjunto adicional de baterías híbridas. 79
Tabla 13. Intensidad total del conjunto adicional de baterías híbridas. 79
vii
Tabla 14 Voltaje total del conjunto original de baterías híbridas. 80
Tabla 15. Intensidad total del conjunto original de baterías híbridas. 80
Tabla 16. Potencia del conjunto adicional de baterías híbridas. 80
Tabla 17. Potencia del conjunto original de baterías híbridas. 81
Tabla 18. Voltaje total nominal de los conjuntos de baterías híbridas. 82
Tabla 19. Intensidad total de los conjuntos de baterías híbridas. 82
Tabla 20. Potencia total de los conjuntos de baterías híbridas. 82
Tabla 21. Intensidad total de los conjuntos de baterías híbridas. 83
Tabla 22. Ahorro de combustible utilizando el sistema plug-in
o enchufable. 84
Tabla 23. Aumento en la autonomía del vehículo utilizando el sistema
plug-in o enchufable. 85
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Sistema de propulsión híbrido tipo serie 6
Figura 2. Sistema de propulsión híbrido tipo paralelo 8
Figura 3. Configuración de propulsión híbrida tipo paralelo-serie 9
Figura 4. Etapas de funcionamiento del motor térmico y el motor eléctrico 10
Figura 5. Componentes de la transmisión del sistema híbrido 12
Figura 6. Sistema híbrido en operación “Ready On” y vehículo detenido 13
Figura 7. Sistema híbrido en operación de inicio de la tracción 14
Figura 8. Sistema Híbrido en operación de velocidad normal 15
Figura 9. Sistema híbrido en operación de aceleración fuerte 16
Figura 10. Sistema híbrido en operación de desaceleración y frenado
regenerativo 17
Figura 11. Sistema híbrido en operación de marcha en reversa 18
Figura 12. Motor de combustión interna Toyota Prius 21
Figura 13. Diagrama de distribución del funcionamiento real del ciclo
Atkinson 21
Figura 14. Diagrama presión vs. volumen del ciclo Atkinson 22
Figura 15. Motogeneradores del sistema híbrido 23
Figura 16. Transmisión del sistema híbrido 24
ix
Figura 17. Conjunto de engranajes planetarios 24
Figura 18. Sensor de velocidad del eje de salida 25
Figura 19. Elementos de control del sistema híbrido 26
Figura 20. Conjunto de la batería de alto voltaje 30
Figura 22. Diagrama resistencia vs. temperatura de los termistores de la
batería HV 31
Figura 23. Diagrama eléctrico de los sensores de temperatura de
la batería HV 32
Figura 24. Esquema del sensor de corriente de la batería HV 33
Figura 25. Esquema del sistema inversor 34
Figura 26. Diagrama eléctrico del Booster y gráfica en osciloscopio 35
Figura 27. Esquema de la activación del transistor T2 para recargar la
batería HV 36
Figura 28. Conexión de los moto-generadores con el inversor y
la ECU HV 37
Figura 29. Esquema de los motogeneradores y su estructura 38
Figura 30. Diagrama del inversor para accionar el motor del aire
acondicionado 39
Figura 31. Diagrama del conversor DC – DC 40
x
Figura 32. Baterías de alta tensión del Toyota Highlander 43
Figura 33. Medida de voltaje del conjunto de baterías 44
Figura 34. Descarga del conjunto de baterías 44
Figura 35. Puente de diodos 48
Figura 36. Vista de la caja metálica del cargador 49
Figura 37. Portafusible 49
Figura 38. Fusible 50
Figura 39. Interruptor 51
Figura 40. Diodo Emisor de Luz 51
Figura 41. Capacitor electrolítico 52
Figura 42. Amperímetro de tipo aguja 53
Figura 43. Foco halógeno 53
Figura 44. Diagrama eléctrico del cargador 55
Figura 45. Vista interna del cargador 56
Figura 46. Vista externa del cargador 56
Figura 47. Circuito de corrientes antes y después del puente rectificador 57
Figura 48. Recarga del conjunto de baterías 58
Figura 49. Simbología eléctrica de las baterías adicionales 62
xi
Figura 50. Conjunto adicional de baterías de alta tensión 62
Figura 51. Caja-Soporte de las baterías de alta tensión adicionales 63
Figura 52. Circuito eléctrico de acoplamiento de las baterías 64
Figura 53. Circuito real de acoplamiento de las baterías 65
Figura 54. Recarga del sistema híbrido enchufable 65
Figura 55. Ahorro de combustible de los vehículos híbridos 69
Figura 56. Esquema de la ruta establecida para el recorrido 70
xii
RESUMEN
Una de las grandes ventajas que tienen los vehículos híbridos es la
posibilidad de convertirse en híbridos enchufables, para recargar las baterías
de alto voltaje a través de la red eléctrica, lo cual se lleva a cabo
implementando un conjunto adicional de baterías de alto voltaje y un
cargador electrónico. De tal manera que el vehículo tendrá una fuente de
energía adicional y utilizará con menor frecuencia el motor de combustión
interna; sin ningún problema de autonomía, ya que mientras dure la carga de
la batería adicional el vehículo puede tomar esa energía eléctrica y recorrer
más tiempo en modo sólo eléctrico y cuando la carga disminuya, el sistema
se comportará como un híbrido normal.
En este proyecto de titulación, se realizó un estudio del funcionamiento y
características de las baterías de alto voltaje, para que las mismas formen
parte del paquete adicional del sistema plug-in o enchufable. Se analizaron
las formas de recuperar el estado de carga de las baterías de alto voltaje y
como éstas deben actuar en correcto funcionamiento.
Para el diseño de los componentes del sistema enchufable, se realizaron
cálculos de potencia, intensidad y voltaje. Para establecer la energía
eléctrica requerida para cargar las baterías de alto voltaje y que autonomía
proporcionan al vehículo para que este pueda rodar en la ciudad y en
carretera.
Las pruebas se realizaron en un circuito cerrado, para identificar cual fue el
incremento de la autonomía del desplazamiento del vehículo en modo
híbrido y en modo sólo eléctrico.
Uno de los componentes importantes de este proyecto es el cargador
electrónico, que sirve como fuente de recarga de las baterías y proporciona
la energía eléctrica que estas necesitan para volver a almacenar la energía
eléctrica que será ocupada cuando el vehículo esté rodando. El cargador se
conecta a la red eléctrica normal de 110 voltios y no existe riesgo de
xiii
sobrecarga ya que la energía que almacena en las baterías se equilibra con
la red doméstica al momento de llegar al límite de la carga.
xiv
ABSTRACT
One of the great advantages that hybrid vehicles have is the possibility of
becoming plug-in hybrids, to recharge the high voltage battery through the
electrical network, which is performed by implementing an additional set of
hybrid batteries and an electronic charger. So that the vehicle will have an
additional source of energy and less frequently used internal combustion
engine; no problem of autonomy, because the extra battery of the vehicle can
take that power and go longer, in electric mode; if the load decreases, the
system will behave as a normal hybrid.
This project was made with a study of the operation and characteristics of the
high voltage batteries, because they are part of the additional package of
plug-in system. High voltage batteries were fixed to recover their state of
charge and operate appropriately.
Some analyzes of power, amperage and voltage, were performed for the
design of the components of the plug-in system, to check the quantity of
electricity is required to charge high voltage batteries and provide autonomy
to the vehicle, so that it can roll into town and highway.
Tests were made in a closed circuit to identify which was the increase in
vehicle range in hybrid mode and single electric mode.
An important component of this project is the electronic charger, which
serves as a source to recharge the batteries and provides electric power that
these need to re-store the electricity that will be occupied when the vehicle is
rolling. The charger is connected to the normal 110 volt network and there is
not risk of overloading as the energy stored in batteries is balanced with the
home network when reaching the limit of the load.
1. INTRODUCCIÓN
1
Como punto de partida de este proyecto de investigación, se realizará un
estudio correspondiente al vehículo Toyota Prius, donde se analizarán varios
puntos como: generalidades, características técnicas, funcionamiento y
sistemas que integran el vehículo, tales como: la batería de alto voltaje, el
estado de carga S.O.C (State Of Charge), el inversor, el motor de
combustión interna y su ciclo Atkinson, el motor eléctrico y sus
componentes, la transmisión, el sistema de control, el sistema de freno
regenerativo, entre otros.
Este proyecto tiene por objetivo adaptar un sistema híbrido enchufable en un
sistema híbrido normal, con lo cual será posible aumentar la autonomía de
desplazamiento del vehículo a modo eléctrico y se disminuirá de manera
considerable las emisiones de dióxido de carbono al medio ambiente.
Como objetivo primordial de este proyecto se efectuará la adaptación del
sistema híbrido enchufable P.H.E.V. (Plug In Hybrid Electric Vehicle), en el
sistema híbrido normal H.E.V. (Hybrid Electric Vehicle), para demostrar de
qué manera puede convertirse un auto híbrido normal, en un híbrido
enchufable a la red eléctrica. Esto aumentará la autonomía del coche y hará
que el mismo pueda desplazarse por más tiempo utilizando únicamente
energía eléctrica.
La industria automotriz ha desarrollado varios inventos y avances en todos
los sistemas que conforman los vehículos. Innovaciones mecánicas,
eléctricas y electrónicas que han caracterizado su desarrollo.
Sin embargo, la posibilidad de que el uso de los vehículos siga siendo tan
aceptado como lo es hoy en día, depende de la posibilidad de contar
siempre con fuentes de energía renovables; debido al problema que los
combustibles derivados del petróleo son y serán cada vez más costosos.
A esto se agrega el problema del cambio climático originado por las
emisiones de dióxidos de carbono; residuo de la combustión más perfecta
que puede obtenerse al quemar combustibles fósiles.
2
Los motores de combustión modernos, con todos los equipos que llevan
incorporados y que sirven para disminuir la contaminación, persiguen como
único objetivo lograr la combustión ideal, en la cual solo produce dióxido de
carbono y agua en forma de vapor.
Sin embargo, este objetivo que fue siempre primordial, hoy enfrenta un
desafío importante que consiste en la disminución de las emisiones de
dióxido de carbono.
De tal manera que existen dos problemas importantes a solucionar, por un
lado un combustible no renovable y por el otro, la quema del mismo, que
sigue aumentando el problema del cambio climático.
Para ello, una de las mejores soluciones es el vehículo híbrido, que
constituye una de las innovaciones más aceptables que van en la línea de la
disminución de la contaminación ambiental. Por un lado, disminuye las
emisiones de dióxido de carbono al hacer más eficiente el uso de la energía
del combustible; y por otro, la posibilidad de avanzar al concepto del híbrido
enchufable o plug-in, que es la solución más viable antes del vehículo cien
por ciento eléctrico.
El gran problema que existe a nivel mundial, es el excesivo manejo de
combustibles derivados del petróleo, que generan problemas como la
contaminación y el calentamiento global; por lo tanto el uso de vehículos
híbridos, brinda una solución importante a la reducción del consumo de
combustibles fósiles y la contaminación.
El vehículo híbrido HEV, tiene ventajas comparativas con el sistema
tradicional de un solo motor de combustión interna, sin embargo en ciertas
etapas de funcionamiento utiliza el motor a gasolina consumiendo
combustible y generando contaminación; al utilizar un sistema PHEV se
tiene la posibilidad de aumentar la autonomía del vehículo, funcionando por
más tiempo en modo sólo eléctrico.
2. MARCO TEÓRICO
3
2.1 HISTORIA, DISEÑO Y ESTRUCTURA DE LOS VEHÌCULOS
HÍBRIDOS
Alcanzar la meta de emisiones cero con respecto a los altos índices de
contaminación ambiental por la quema de combustibles fósiles, ha sido el
objetivos principal de la industria automotriz en las últimas décadas, lo cual
ha generado grandes inventos como la propulsión eléctrica; sin embargo,
mientras se deja de lado la propulsión por motores de combustión interna, y
se da paso al uso de una batería de combustible, que es un transformador
de energía química en energía eléctrica, la solución más viable es la
hibridación.
“Los desastrosos resultados comerciales de los vehículos eléctricos a pesar
de las ayudas acordadas por el estado o los proveedores, confirman el
impase en el que se encuentra esta tecnología. En el almacenamiento de la
energía sólo se ha progresado mínimamente a partir de comienzos de siglo.
Con autonomías casi sistemáticas inferiores a 100 Km, los automóviles y
pequeños utilitarios eléctricos sólo han podido interesar a algunas flotas
cautivas y únicamente para recorridos perfectamente establecidos. En los
garajes de los grupos, esencialmente públicos, o colectividades locales que
adquirieron en su tiempo este tipo de motorización para cumplir con las
obligaciones legales, no se vería con malos ojos que desaparecieran del
parque los últimos vehículos eléctricos. Y a pesar del interés por el
marketing que tienen los constructores por parecer <<urbanos>>,
Automobiles Peugeot ha dejado de fabricar desde hace tiempo los vehículos
eléctricos. Citroën, por su parte, sólo produce los Berlingo VU”. (Martinez,
2000)
El Berlingo es una furgoneta pequeña, vendida por la marca Citroën desde el
año 1996. Existen varios modelos de este vehículo, los que son de dos
plazas, y los de pasajeros de cinco plazas. El modelo puede llevar en su
4
diseño una o dos puertas correderas según el año y la versión; el portón
trasero es de dos hojas o de puerta abatible.
La tecnología aplicada a los vehículos híbridos, parte de la base de la unión
de dos sistemas de propulsión diferentes que se complementan, o que uno
se alimenta de otro en el funcionamiento. La idea es combinar dos fuentes
de energía, los híbridos son vehículos que poseen dos motores de
características distintas, un motor de combustión interna, ya sea que
funcione con gasolina, diesel, hidrógeno, etc., y un motor eléctrico; de
manera que ambos trabajen en conjunto y el funcionamiento sea lo más
eficiente posible.
Cuando las condiciones de manejo, en un vehículo híbrido, deben ser
realizadas durante períodos de tiempo prolongados y recorridos largos, el
sistema solicita mayor uso del motor de combustión, mientras que para
recorridos en ciudad o condiciones de tráfico vehicular, el sistema recurre
más al uso del motor eléctrico y utiliza ambas fuentes de energía en
aceleraciones fuertes.
En el vehículo Toyota Prius, en su versión C Sport, el motor de combustión
interna (M.C.I.) es un motor pequeño, de cilindrada modesta, 1500 cm3, y
posee un motor eléctrico conformado por dos moto-generadores (MG1 y
MG2); en la hibridación la potencia de las dos fuentes de energía se suman,
obteniéndose mayores y mejores prestaciones.
“En el año de 1997, Toyota introdujo en el mercado su primer vehículo
híbrido de fabricación en serie, el Prius, con el sistema híbrido de Toyota de
primera generación, que comprende un motor térmico de 72 caballos de
vapor, un motor eléctrico, un generador, y un paquete de baterías de Níquel,
Metal-Hidruro, instalado en 38 módulos que poseen una tensión total de 274
Voltios. En el sistema híbrido de primera generación desarrollado por
Toyota, el generador eléctrico suministra energía a las baterías o al motor
eléctrico y es accionado por el motor térmico”. (Martinez, 2000)
5
Cuando se enciende el vehículo, al parecer no sucede nada, pero cuando se
presiona el pedal del acelerador, rápidamente comienza el trabajo del motor
de combustión, a través del generador, hasta llegar a su temperatura de
funcionamiento y a partir de ese momento la electrónica comanda el
funcionamiento tanto del motor eléctrico como el de gasolina.
“El consumo en ciudad y recorridos interurbanos muy densos puede bajar a
5,1l/100Km, a pesar de los frecuentes arranques. En carretera, manteniendo
la velocidad alrededor de 100Km/h, el consumo ha bajado a los 4.4l/100Km”.
(Martinez, 2000)
“Luego del lanzamiento del Prius de primera generación Toyota Hybrid
System, Toyota puso en el mercado una nueva versión del vehículo, no sólo
en su estética, sino también en su funcionamiento, con el sistema híbrido de
segunda generación THS II, que le confiere una función más importante al
motor eléctrico y al cual se le ha dotado de mayor potencia, incrementando
23 CV, lo cual se refleja en la velocidad del vehículo que puede rodar
10Km/h más rápido que su primera versión y emite 16g de CO2 menos por
cada kilómetro. Esto es posible forzando el funcionamiento eléctrico a través
del repartidor de potencia, el cual reparte la potencia motriz entre las ruedas
y el generador”. (Martinez, 2000)
Dentro del diseño de los vehículos híbridos, existen tres tipos diferentes de
construcción de estos autos, los cuales son:
- Híbridos en serie
- Híbridos en paralelo
- Híbridos en serie y paralelo
6
2.1.1 HÍBRIDOS EN SERIE
En la configuración en serie de los vehículos híbridos, éstos llevan el motor
térmico acoplado a un generador, el cual es el encargado de producir la
electricidad para el motor eléctrico, siendo éste el que proporciona el
movimiento de giro a las ruedas. Esta configuración es llamada en serie ya
que el flujo de electrones se mueve en línea recta.
El motor de combustión no está acoplado a la tracción, es decir, sólo la parte
eléctrica da tracción, el motor térmico se usa para generar electricidad; en
consecuencia es posible que el sistema funcione a una velocidad constante,
en un punto próximo a su margen de operación con respecto a eficiencia y
emisiones, mientras la batería de alto voltaje es cargada.
Para el funcionamiento, el motor de combustión impulsa al generador
eléctrico, que generalmente es un alternador trifásico, que una vez
rectificada la corriente, recarga la batería de alto voltaje y genera la
electricidad que será entregada al motor eléctrico para dar tracción a las
ruedas e impulsar al vehículo, como se muestra en la figura 1.
Figura 1. Sistema de propulsión híbrido tipo serie
(FITSA. Fundación Instituto Tecnológico para la Seguridad en el Automóvil, 2007)
7
“En los híbridos en serie el vehículo es impulsado enteramente por el motor
eléctrico gracias a la electricidad suministrada por el motor de combustión, el
cual arrastra a su vez un generador eléctrico”. (FITSA, 2007)
“Si le energía proviene siempre esencialmente de la recarga en una toma
doméstica de 16 Amperios o en conectores públicos y la recuperación
durante las frenadas, se añade la producida por un generador de energía
eléctrica embarcado. Estamos en presencia de un híbrido <<serie>>”.
(Martinez, 2000)
2.1.2 HÍBRIDOS EN PARALELO
Estructuralmente los híbridos en paralelo incorporan dos motores: uno de
combustión interna y otro eléctrico, como se muestra en las figura 2, que
funcionan de forma alternada o en conjunto, es decir, tanto el motor eléctrico
como el motor térmico pueden dar tracción a las ruedas. El motor de
combustión interna actúa en los recorridos largos y en velocidades que
demanden su funcionamiento, mientras que el motor eléctrico es solicitado
para los recorridos en ciudad; si el conductor realiza una aceleración fuerte,
ambos motores trabajan al mismo tiempo.
Una ventaja comparativa de la configuración en paralelo, con respecto al
sistema en serie, es que se evita las perdidas por la transformación de
energía mecánica en energía eléctrica.
Debido a la demanda de potencia que le corresponden al motor de
combustión interna, se obtiene la ventaja que las baterías pueden ser mucho
menores y lo cual se refleja en menor peso.
Cuando el vehículo necesita de más energía, entra en funcionamiento el
motor térmico y al ir disminuyendo la velocidad del auto, ya sea
desacelerando o utilizando el freno, el sistema aprovecha la energía
empleada al frenar para recargar la batería HV o de alto voltaje, lo que se
conoce como freno regenerativo.
8
Para recorridos cortos y frecuentes, el vehículo trabaja sólo con el motor
eléctrico, pero la desventaja es que actualmente las baterías de los autos
híbridos tienen muy poca autonomía y por lo tanto se necesita del
funcionamiento del motor de combustión.
“En los híbridos con arquitectura paralela tanto el motor de combustión como
el motor eléctrico trabajan simultáneamente para impulsar las ruedas del
vehículo”. (FITSA, 2007)
Figura 2. Sistema de propulsión híbrido tipo paralelo
(FITSA, 2007)
Dentro de la configuración de híbridos en paralelo, se encuentran dos
subtipos de este sistema: con generador independiente y con moto-
generador.
El sistema con generador independiente, también llamado híbrido paralelo-
serie, posee mayor número de componentes en su sistema: el generador, un
conversor de corriente, de alterna a continua, y la transmisión entre el motor
de combustión y el generador. Mientras que en el sistema con moto-
generador se aprovecha el espacio físico del vehículo ya que posee menor
9
cantidad de componentes en su sistema. Sin embargo, el rendimiento puede
disminuir.
2.1.3 HÍBRIDOS EN SERIE Y PARALELO
Este sistema también es conocido como híbrido paralelo-serie y es la
configuración más utilizada por Toyota, en su modelo Prius.
El sistema tiene varios modos de operación; uno de ellos es cuando el motor
térmico es requerido y acciona un generador que es el encargado de
recargar la batería de alta tensión y lo hace a través del inversor de
corriente, en este caso el sistema funciona como un híbrido serie. Cuando el
motor de combustión ayuda al motor eléctrico a dar impulso al vehículo, el
sistema opera como en la configuración híbrido paralelo, esto sucede por
ejemplo en aceleraciones fuertes. Además hay un modo de operación del
sistema, en el que el motor de combustión interna realiza dos funciones al
mismo tiempo, es decir, una parte de su energía se utiliza para dar tracción a
las ruedas y la otra para recargar la batería de alto voltaje; en esta condición
de operación el vehículo funciona como un híbrido paralelo serie, como se
muestra en la figura 3.
Figura 3. Configuración de propulsión híbrida tipo paralelo-serie
(FITSA, 2007)
10
En cada una de las configuraciones de propulsión mencionadas
anteriormente, existen etapas de funcionamiento de cada fuente de energía,
como se muestra en la figura 4.
Para diferenciar un motor de otro, la gráfica muestra al motor de combustión
(Engine) y al motor eléctrico (Motor).
Figura 4. Etapas de funcionamiento del motor térmico y el motor
eléctrico
(TOYOTA MOTOR CORP. 2003)
2.2 EL VEHÍCULO HÍBRIDO PIONERO
2.2.1 TOYOTA PRIUS
Sobre la base de las emisiones contaminantes, por la quema de
combustibles derivados del petróleo y los elevados precios de los mismos, la
industria automotriz ha logrado desarrollar tecnologías alternativas que
permiten la comercialización de vehículos ecológicos, que son amigables
con el medio ambiente.
Una de estas novedosas tecnologías es la de los vehículos híbridos, ya que
ofrece una solución muy importante en cuanto a la reducción de gases
contaminantes, colocándose en el nivel de emisiones cero de forma parcial.
11
Esto significa que por momentos un vehículo híbrido funciona sin emitir
gases contaminantes, lo que reduce en gran medida los altos índices de
contaminación que se tienen en la actualidad.
“La base importante de un vehículo híbrido está dada por un motor de
combustión interna que trabaja de forma alternada con un motor eléctrico,
este motor puede ser también generador en algunas condiciones y todo el
sistema utiliza una batería de alto voltaje, para almacenar carga eléctrica.
Esta tecnología es bastante avanzada y permite utilizar, por ejemplo la
cinética del frenado, para convertir al motor en generador y restablecer la
carga de la batería de alta tensión. Lógicamente todo este evento se logra
por la electrónica incorporada en cada unidad de control del sistema”. (CISE
ELECTRONICS, 2009)
Una de la grandiosas ventajas de los vehículos híbridos, es que también
pueden ser modificados para transformarse en autos enchufables a la red
eléctrica, sin tener la desventaja de pérdidas de autonomía por la descarga
de la batería de alto voltaje, ya que al disminuir su carga y llegar al umbral
máximo permisible de descarga, que es el 40% del voltaje total, el vehículo
funciona como un híbrido normal.
Para el funcionamiento del vehículo híbrido el sistema precisa de algunas
condiciones, que deben estar establecidas antes de que la ECU HV del
sistema híbrido comience la estrategia de operación. La estructura de
funcionamiento de un vehículo híbrido consta de un motor de combustión, un
motor eléctrico, que a su vez se divide en dos moto-generadores y un
conjunto planetario de engranajes, como se muestra en la figura 5. Tanto
MG1 como MG2 y el motor de combustión interna MCI, están acoplados a
los ejes planetarios. Respectivamente, planetario o sol, corona y satélites.
12
Figura 5. Componentes de la transmisión del sistema híbrido
(Martinez, 2000)
Cuando el vehículo está detenido y el motor de combustión interna está en
funcionamiento, su movimiento no se transmite a las ruedas; ya que la
corona, que es solidaria a MG2, está detenida. En estas condiciones la única
posibilidad de movimiento es para MG1, ya que se mueve por reacción,
convirtiéndose en generador y cargando la batería de alta tensión.
Con el vehículo detenido pero con el motor de combustión apagado, si el
sistema comanda el arranque de MCI, tiene que accionarse a MG1, que
funciona como motor de arranque, y debido a que la corona está detenida, el
movimiento pasa del engranaje sol hacia los satélites, permitiendo que el
motor térmico arranque.
El momento que la corona no está detenida y MG2 se mueve, este
movimiento pasa a las ruedas y por consiguiente el vehículo empieza a
rodar. Si se aplica movimiento contrario a MG2, el auto se moverá en
marcha hacia atrás. En el caso que el vehículo se encuentre en neutro y una
fuerza externa lo impulse, MG2 no tendrá otra opción más que moverse, ya
que está acoplado al eje de salida de movimiento a las ruedas.
13
Con esta breve aclaración acerca del funcionamiento de los
motogeneradores y el motor de combustión interna, a continuación se detalla
cada una de las estrategias que el sistema de la unidad híbrida adopta para
operar las diferentes marchas del vehículo.
2.2.1.1 Vehículo sin movimiento
Cuando el vehículo está detenido, MCI está apagado, como se muestra en la
figura 6, siempre que las condiciones de carga de la batería HV sean altas;
en caso contrario el motor térmico se encenderá. El sistema híbrido de
Toyota, a partir de la segunda generación, no precisa del motor de
combustión interna para el funcionamiento de la dirección, ni del aire
acondicionado, ya que para el caso de la dirección se emplea un motor de
corriente directa y para el aire acondicionado un motor trifásico de frecuencia
variable; estos sistemas son comandados por el sistema híbrido.
Figura 6. Sistema híbrido en operación “Ready On” y vehículo
detenido
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
14
2.2.1.2 Inicio de la tracción
Si las condiciones de carga del vehículo son bajas, el movimiento lo acciona
MG2, mientras que MCI está apagado, como se muestra en la figura 7, y la
energía que se utiliza para el movimiento proviene de la batería de alto
voltaje. A su vez, si las condiciones de carga son altas, el movimiento será
accionado por MG2 y MCI. Para los cálculos de carga del vehículo, es muy
importante la posición del pedal del acelerador, que posee un sensor APP,
cuya señal es detectada por la ECU del sistema híbrido.
Figura 7. Sistema híbrido en operación de inicio de la tracción
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
2.2.1.3 Velocidad normal
A velocidades entre 30 y 70Km/h aproximadamente, MG2 ayuda con carga
eléctrica, transformándola en energía mecánica y MCI genera potencia,
como se muestra en la figura 8. MG1 gira en el mismo sentido que MG2 y
15
entrega energía eléctrica al mismo, para que éste a su vez ayude a MCI a
impulsar el vehículo.
Figura 8. Sistema Híbrido en operación de velocidad normal
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
2.2.1.4 Aceleraciones fuertes
Cuando la demanda de velocidad es alta, o cuando se realiza una
aceleración fuerte, como se muestra en la figura 9, MG2 ayuda al motor
térmico MCI para generar potencia, mientras que MG1 gira en reversa lo que
crea una sobre marcha u overdrive.
“Cuando el conductor acelera fuerte (para acelerar mucho o para subir una
rampa), el motor eléctrico alimentado por la batería ayuda al motor térmico.
Esto es sólo posible mientras la carga de la batería no baje de una cierto
límite”. (CISE ELECTRONICS, Introducción al Sistema Híbrido, 2009)
16
Figura 9. Sistema híbrido en operación de aceleración fuerte
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
2.2.1.5 Freno regenerativo y desaceleración
Para esta condición de operación, MCI se apaga y MG1 gira en sentido
contrario a MG2; además MG2 pasa a funcionar como generador, como se
muestra en la figura 10, convirtiendo la energía cinética del vehículo en
movimiento, en energía eléctrica para cargar la batería HV, a través del
inversor. El freno regenerativo comienza en el momento que el conductor
dejar de acelerar y también cuando ejerce una fuerza sobre el pedal del
freno, controlando la operación de forma hidráulica.
En la acción de frenado regenerativo no se requiere que el motor térmico
esté prendido, pues para recargar la batería de alto voltaje se utiliza el
movimiento del mismo auto. Por lo tanto MG1 estará con valores negativos
de revoluciones, para no encender al motor térmico y MG2 con valores
positivos, cuyo movimiento será utilizado para recargar la batería HV y de
freno eléctrico.
17
Figura 10. Sistema híbrido en operación de desaceleración y frenado
regenerativo
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
2.2.1.6 Marcha atrás
Para esta condición de funcionamiento, MG2 gira en sentido contrario, en
revoluciones negativas, haciendo que el vehículo se mueva en reversa. MG1
gira en revoluciones positivas, pero no genera energía eléctrica, como se
muestra en la figura 11.
Esta es la única condición en la que MG2 adquiere valores negativos de
revoluciones, ya que el sentido de marcha del vehículo está en reversa; por
el contrario MG1 adquiere valores positivos de revoluciones, sin que esté
recargando a la batería de alto voltaje, ni tratando de encender al motor de
combustión interna; su valor de revoluciones se da por el movimiento
mecánico que adquiere en esta condición de operación.
18
Figura 11. Sistema híbrido en operación de marcha en reversa
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
Cada moto-generador funciona como motor o como generador en distintas
etapas de trabajo del vehículo, como lo muestran los datos presentados en
la tabla 1.
Los espacios marcados con una línea indican que los moto-generadores o
MCI no realizan ninguna función.
19
Tabla 1. Condiciones de operación del sistema híbrido
Condiciones de
operación del vehículo MG1 MG2 MCI SMG1 SMG2 CP1 CN1
Detenido con carga
suficiente
___
___
___
___
___
___
___
Detenido arranca MCI
Motor
___
___
Señal
(PWM)
___
___
___
Detenido cargando
batería
Generador
___
Motor
___
___
Señal
(PWM)
___
Movimiento eléctrico con
carga baja
___
Motor
___
___
Señal (PWM)
___
___
Movimiento media
potencia cargando
Generador
___
Motor
___
___
Señal
(PWM)
___
Movimiento alta
potencia cargando
batería
Generador
Motor
Motor
___
Señal (PWM)
Señal
(PWM)
___
Movimiento potencia
máxima
Motor
Motor
Motor
Señal
(PWM)
Señal (PWM)
___
Señal
(PWM)
Frenado regenerativo
Motor- D
Generador
___
Señal-D
___
Señal
(PWM)
___
Generador-
B
___ - B
Reversa
___
Motor
(Inversa)
___
___
Señal (PWM)
(inversa)
___
___
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
20
2.3 PRINCIPALES ELEMENTOS DEL SISTEMA HÍBRIDO
2.3.1 MOTOR TÉRMICO
El motor de combustión interna utilizado en el Toyota Prius, es una fuente de
energía que funciona con combustibles derivados del petróleo, como se
muestra en la figura 12. Actualmente en el Ecuador las diferentes versiones
del vehículo utilizan motores a gasolina, con cilindradas de 1.8lts., para el
modelo Prius y 1.5lts., para el modelo Prius C Sport.
El funcionamiento es semejante a cualquier otro sistema, en cuanto al
control electrónico de inyección. El motor incorpora elementos como:
catalizador, sistema de emisiones evaporativas, válvula EGR, distribución
VVT-i, sistema de encendido COP y sistema de mariposa motorizado TAC.
El ciclo de funcionamiento del motor es el ciclo Atkinson, como se muestra
en la figura 13, el cual es más eficiente en comparación al ciclo Otto, ya que
se consiguen relaciones de compresión más altas, debido a que la carrera
de compresión dura menos que la carrera de expansión y esto se logra
retrasando el cierre de las válvulas de admisión mientras asciende el pistón.
Además se obtiene mayor rendimiento termodinámico, como se muestra en
la figura 14, con la única diferencia que se genera menor potencia; sin
embargo el motor eléctrico aporta la potencia que falta.
En el ciclo Atkinson la mezcla de aire y combustible que proporciona la
fuerza para el giro del motor es comprimido hasta su máxima eficiencia, esto
se logra con el retraso al cierre de las válvulas cuando el pistón comienza la
compresión. En el ciclo Atkinson se retrasa el cierre de las válvulas de
admisión, volviendo así, parte de la mezcla al conducto de admisión. Con
este procedimiento se consigue un considerable ahorro de combustible, una
menor temperatura y presión en el cilindro restando vibraciones al motor y
aumentando la eficiencia global del ciclo.
21
Figura 12. Motor de combustión interna Toyota Prius
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
Figura 13. Diagrama de distribución del funcionamiento real del ciclo
Atkinson
(TOYOTA MOTOR CORP. 2003)
22
Figura 14. Diagrama presión vs. volumen del ciclo Atkinson
(TOYOTA MOTOR CORP. 2003)
2.3.2 MOTOR ELÉCTRICO
En el sistema híbrido de Toyota el motor eléctrico está formado por dos
moto-generadores trifásicos llamados MG1 y MG2, como se muestra en la
figura 15, cada uno cumple con una función específica. En el caso de MG1,
este moto-generador es el encargado de generar electricidad que recarga la
batería HV, o que es aprovechada por MG2 en ciertas condiciones de
manejo del vehículo; MG1 también funciona como motor de arranque para
encender al motor de combustión interna, cuando el vehículo está detenido,
y cuando está en movimiento el arranque se logra por la unión de MG1 y
MG2.
La función de MG2 es la de proporcionar tracción a las ruedas y así dar
movimiento al vehículo, tanto en marcha hacia adelante, como hacia atrás.
MG2 también funciona como generador, pero sólo en las desaceleraciones y
frenadas, aprovechando la energía cinética y transformándola en energía
23
eléctrica, que servirá para recargar la batería HV, a través del inversor. Cabe
mencionar que todo el funcionamiento es controlado por la ECU del sistema
híbrido.
Figura 15. Motogeneradores del sistema híbrido
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
2.3.3 TRANSMISIÓN
El conjunto de engranajes planetarios del Toyota Prius, que se muestra en la
figura 16, es un sistema de transmisión continua, que está constituido de tres
parte que son: engranaje sol, corona y satélites. En el proceso intervienen de
forma alternada MG2 y MCI, los cuales están acoplados, respectivamente, a
la corona y a los satélites; y MG1 que va acoplado al engranaje sol, como se
muestra en la figura 17.
“Este sistema varía un poco de las transmisiones convencionales puesto que
en el interior no existen elementos multiplicadores que cambien de relación
en los diferentes cambios, en este conjunto a medida que el vehículo está
aumentando de velocidad aumenta la rotación RPM del conjunto, por lo tanto
existe mucha eficiencia puesto que hay menos componentes en donde se
pierda energía como ocurre con la fricción. En este conjunto la estrategia de
MG1
MG2
24
operación del planetario está dada hacia la intervención de MG1, MG2 y el
motor de combustión en el conjunto de engranajes, pero controlada en todo
momento por la unidad de control del sistema híbrido ECU HV”. (CISE
ELECTRONICS, 2009)
Figura 16. Transmisión del sistema híbrido
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
Figura 17. Conjunto de engranajes planetarios
(TOYOTA MOTOR CORP. 2003)
25
En el proceso de estacionamiento del vehículo interviene la unidad de
control denominada ECU TRANSMISSION. El funcionamiento que realiza el
mecanismo es bloquear y desbloquear de forma directa el eje de salida.
Para controlar el correcto funcionamiento del conjunto de la transmisión, el
sistema dispone de tres sensores que miden la velocidad del eje de salida e
informan a la ECU HV, como se muestra en la figura 18.
Figura 18. Sensor de velocidad del eje de salida
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
2.3.4 ELEMENTOS DE CONTROL DEL SISTEMA HÍBRIDO
Cada una de las operaciones del vehículo están gestionadas por las
diferentes unidades de control del sistema, tales como: ECU HV (Unidad de
Control del Sistema Híbrido), ECM (Unidad de Control del Motor de
Combustión), SKID CONTROL ECU (Unidad De Control de Derrape), ECU
BATTERY HV (Unidad de Control de la Batería de alto voltaje), como se
muestran en la figura 19.
26
Todas las unidades de control se comunican con sus sistemas de forma
directa y también entre ellas, a través del BUS DE DATOS CAN (Control
Area Network).
Figura 19. Elementos de control del sistema híbrido
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
2.3.4.1 E.C.U. HV (Control del Sistema Híbrido)
Las principales funciones de la ECU HV son:
- Controlar el estado de carga y la temperatura de la batería de alto voltaje.
- Supervisar MG1 y MG2 para optimizar el funcionamiento de estos
elementos.
27
- Limitar la rotación de MG2, cuando no hay tracción en las ruedas motrices,
para proteger el conjunto de engranajes planetarios y evitar que MG1
proporcione demasiada energía eléctrica.
- Conectar el circuito de alta tensión a través del control del SMR
- Detener eléctricamente a MG1 y MG2 cuando la posición de cambio está
en neutro
2.3.4.2 E.C.M. (Control de Motor De Combustión)
Las funciones principales de esta unidad de control son:
- Recibir información de todos los sensores del sistema de inyección
electrónica a excepción del sensor APP (Sensor de la posición del pedal
del acelerador), ya que esa información la recibe la ECU HV.
- Comunicarse con la ECU HV, a través de la red CAN
- Controlar el sistema ETCS-i (Electronic Throttle Control System with
intelligence) y el sistema VVT-i (Variable Valve Timing with intelligence).
- Permitir el funcionamiento del motor a diferentes regímenes.
2.3.4.2 Skid control E.C.U. (Control de Derrape)
Dentro de las principales funciones de esta unidad de control se encuentran
las siguientes:
- Calcular la fuerza de frenado total y solicitar el frenado regenerativo a la
ECU HV.
- Controlar el sistema de frenado EBD (Electronic Brake-Force Distribution).
28
- Medir los movimientos de centro de gravedad del vehículo, para obtener
un mejor funcionamiento del sistema de frenos.
- Intercambiar información con la ECU HV, a través de la red CAN.
2.3.4.3 E.C.U. Battery hv (Control de la batería híbrida)
Las principales funciones de esta unidad de control son:
- Monitorear la temperatura de refrigeración de la batería de alto voltaje.
- Controlar el ventilador de refrigeración, para mantener una temperatura
optima de la batería de alto voltaje.
- Medir el voltaje de los paquetes que constituyen la batería HV.
- Medir la corriente de entrada y salida de la batería HV, a través del sensor
de corriente.
2.3.4.4 Brake E.C.U. (Unidad de Control de freno ABS)
Esta unidad de control tiene las siguientes funciones principales:
- Gestionar el frenado del vehículo de forma hidráulica, con el sistema ABS
(Anti-Lock Braking System).
- Comunicarse con todas la demás unidades de control, a través de la red
CAN.
2.3.4.5 E.C.U. Transmission (Control de la Caja)
Las funciones de esta unidad de control son las siguientes:
- Gestionar la operación de parqueo del vehículo.
29
- Comunicarse con la ECU HV, a través de la red CAN.
2.4 BATERÍA DE ALTO VOLTAJE
Para el análisis de la batería de alta tensión y de sus componentes, se
toman como ejemplo las versiones Toyota Hybrid System desde el año 2005
hasta el año 2011 y se mencionarán también datos técnicos del conjunto en
el modelo Prius C Sport.
En el caso del vehículo Toyota Prius, desde el 2005 hasta el 2011, la batería
está formada por 28 celdas de 7.2 V cada una y que van conectadas en
serie de dos en dos, formando paquetes de 14.4 V cada uno, hasta unirse en
un total de 14 paquetes con 201.6 V de voltaje nominal y 241.92 V de voltaje
máximo de carga, valor que representa un 20% más de la carga nominal.
Por otra parte, para el modelo Prius C Sport, existen 20 celdas con 7.2 V
cada una, que de igual manera forman paquetes de dos en dos, con voltajes
de 14,4 V, pero que alcanzan un máximo de 10 paquetes totales, con 144V
de voltaje nominal, 172.8V de voltaje máximo y 6.5 A/h de intensidad de
corriente.
La batería del sistema híbrido está constituida por varios elementos, como
se muestra en la figura 20, los cuales trabajan en conjunto para que el
sistema funcione de manera correcta y se eviten posibles fallas.
La batería cuenta con un dispositivo de seguridad que divide el circuito en
dos partes, esta clavija es conocida como Jumper, como se muestra en la
figura 21, el cual posee un enclavamiento mecánico que tiene un fusible en
su interior y que permite el paso de corriente, informando a la ECU HV que
se encuentra correctamente ubicado. Si por el contrario el enclavamiento es
incorrecto o el fusible está dañado, la ECU BATTERY HV no entrará en
funcionamiento.
30
Figura 20. Conjunto de la batería de alto voltaje
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
Figura 21. Divisor de tensión de la batería de alto voltaje
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
JUMPER
31
2.4.1 CONTROL DE LA TEMPERATURA
La batería de alta tensión dispone de un sistema de desfogue de vapores,
para evitar que los mismos se depositen en las partes eléctricas y
electrónicas del circuito. Además existe un ventilador de enfriamiento, el cual
se acciona comandado por la unidad de control de la batería HV, a través de
la información que ésta recibe de los sensores de temperatura que posee la
batería de alto voltaje. Mientras más baja sea la temperatura, más alta será
la resistencia de los sensores y mientras más alta sea la temperatura, más
baja será dicha resistencia, como se muestra en la figura 22.
Los sensores son tres o cuatro, dependiendo del diseño, como se muestra
en la figura 23; son termistores del tipo NTC (Coeficiente Negativo de
Temperatura), lo que quiere decir que varían su resistencia en función de la
temperatura que vaya tomando la batería HV.
Figura 22. Diagrama resistencia vs. temperatura de los termistores de
la batería HV
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
32
Figura 23. Diagrama eléctrico de los sensores de temperatura de la
batería HV
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
2.4.2 CONTROL DE ALIMENTACIÓN DE VOLTAJE
El sistema de funcionamiento de la batería HV dispone de un conjunto de
relevadores de activación del sistema, denominado SMR. Este conjunto está
formado por 3 tres relés que son: SMR1, SMR2 y SMR3.
Para el funcionamiento del conjunto, SMR3 está conectado al negativo de la
batería y es el primer relé que se activa, luego en la parte positiva se activa
SMR1, que lleva conectada en serie una resistencia de 20 ohm, que sirve de
protección al sistema, midiendo la corriente que pasa; si todo está correcto
se activa SMR2, que también está conectado al positivo de la batería y
permite el paso de corriente de forma directa.
33
Por otra parte, si SMR1 detecta un problema en el paso de corriente, SMR2
no se activará y SMR3 se desactivará.
2.4.3 SENSOR DE CORRIENTE
La batería de alto voltaje posee un sensor de corriente de efecto hall, como
se muestra en la figura 24, que está montado en el polo negativo de la
batería HV. Este sensor emite una tensión que va desde 0 a 5 voltios; si la
tensión del sensor de corriente es mayor a 2.5 V, indica que la batería HV se
está descargando y si la tensión es menor a 2.5 V indica que se está
cargando.
Figura 24. Esquema del sensor de corriente de la batería HV
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
34
2.4 FUNCIONAMIENTO DEL INVERSOR
El inversor cumple con cinco funciones principales que están monitoreadas
por la unidad de control del sistema híbrido, como se muestra en la figura 25.
Estas funciones son:
- Elevar el voltaje de la batería híbrida a un voltaje mayor, a través del
circuito amplificador de tensión.
- Generar corriente alterna trifásica para mover a MG1 y MG2.
- Llevar energía eléctrica hacia la batería de alta tensión cuando MG1 y
MG2 funcionan como generadores.
- Transformar la energía eléctrica de la batería HV en corriente alterna
trifásica, para el motor eléctrico del aire acondicionado.
- Utilizar la batería de alto voltaje como fuente de carga, para recargar la
batería auxiliar de 12V, a través del circuito conversor DC – DC.
Figura 25. Esquema del sistema inversor
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
35
2.5.1 CIRCUITO ELEVADOR DE VOLTAJE
También denominado BOOSTER, este circuito está compuesto por un
reactor o bobina y un módulo IPM (Intelligent Power Module), el cual está
formado por transistores IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). El circuito
cumple con dos funciones específicas que son:
- Elevar la tensión de la batería HV que será utilizada por los moto-
generadores.
- Permitir la recarga de la batería HV cuando MG1 y MG2 trabajan como
generadores.
En el funcionamiento, la ECU envía pulsos a un transistor que se
denominará T1, posteriormente desactiva a este transistor creándose una
autoinducción del reactor, y la tensión pasa a través del diodo denominado
D2 que se polariza con un voltaje positivo que va hacia el condensador
llamado C1 y el diodo llamado D2 no permite el paso del voltaje positivo al
lado de masa, como se muestran en la figura 26.
Figura 26. Diagrama eléctrico del Booster y gráfica en osciloscopio
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
36
Cuando el sistema necesita recargar la batería HV, la energía debe ser
convertida de corriente alterna a corriente directa, a través del IPM. En el
funcionamiento, la ECU HV deja de enviar pulsos al transistor T1 y activa T2,
permitiendo el paso de la tensión que viene desde los moto-generadores al
reactor, el cual no genera gran caída de tensión debido a su baja resistencia,
como se muestra en la figura 27.
Figura 27. Esquema de la activación del transistor T2 para recargar la
batería HV
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
2.5.2 ALIMENTACIÓN DE LOS MOTOGENERADORES
Tanto MG1 como MG2 son motores y generadores trifásicos de corriente
alterna, cada una de las fases denominadas U, V y W, están desfasadas
entre sí a 120 grados con relación a la rotación de motor, como se muestra
en la figura 28.
En cada una de las fases debe existir un flujo de corriente que cambie de
sentido con relación al tiempo, toda esta estrategia de generar corriente
alterna y desfasarla en el momento correcto la gestiona la ECU HV, pero la
37
potencia de este mecanismo está dada por el inversor, a través de los
transistores IGBT.
Figura 28. Conexión de los moto-generadores con el inversor y la
ECU HV
(CISE LELECTRONICS CORP. 2009)
“Los motores de corriente alterna y los motores de corriente directa se basan
en el mismo principio de funcionamiento, el cual establece que si un
conductor por el cual circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la
acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse
38
perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético”. (CISE
ELECTRONICS, 2009)
Las características constructivas de los moto-generadores son las mismas,
sus partes fundamentales son el rotor y el estator, como se muestran en la
figura 29. El estator se compone de otras partes como son la carcasa, que
sirve de protección al núcleo magnético, que posee unas láminas
ferromagnéticas aisladas por medio de barnices, los bobinados que tienen la
función de producir el campo magnético, y que van alojados en las ranuras
del núcleo, y la bornera que tiene por objetivo conectar a la red los
terminales del bobinado estatórico.
El rotor está formado por un eje cuyos extremos se alojan en unos bujes o
rodamientos, también posee un conjunto de láminas ferromagnéticas que
tienen unas ranuras para alojar a las bobinas rotóricas.
Figura 29. Esquema de los motogeneradores y su estructura
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
39
2.5.3 SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO
Para el funcionamiento del motor trifásico del aire acondicionado, el inversor
trabaja con la tensión de la batería de alto voltaje sin intervenir la etapa de
recarga ni el módulo IPM, como se muestra en la figura 30, en esta
condición trabaja un regulador de tensión VCC (Voltaje de Alimentación
Electrónica).
“El sistema de control está dispuesto por la ECU del sistema híbrido y pata
su operación el sistema evalúa parámetros importantes como la tensión, la
temperatura y la corriente”. (CISE ELECTRONICS, Operación del Sistema
Inversor, 2009)
Figura 30. Diagrama del inversor para accionar el motor del aire
acondicionado
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)
40
2.5.4 RECARGA DE LA BATERÍA AUXILIAR
Cuando el vehículo está en movimiento sin utilizar el MCI, tiene disponible el
funcionamiento de todos los accesorios, tales como: luces, radio, panel de
instrumentos, entro otros. Por tal motivo utiliza la energía almacenada en la
batería de 12V, la cual no precisa de un alternador para su recarga, ya que
el MCI no está en funcionamiento en todo momento. En el Toyota Prius, la
recarga de la batería auxiliar se la realiza a través del inversor, con el
conversor DC – DC, como se muestra en la figura 31, el cual reduce la
tensión de la batería de alto voltaje a 12V para la batería auxiliar, todo esto a
través de la electrónica de potencia y el monitoreo de la unidad de control
del sistema híbrido.
La corriente alterna es inducida en la bobina, a través del conjunto de
transistores de potencia; dicha bobina y los diodos funcionan como un
rectificador de onda completa que rectifica la onda negativa a través del
condensador de filtrado.
Figura 31. Diagrama del conversor DC – DC
(CISE ELECTRONICS CORP. 2009
3. METODOLOGÍA
41
3.1 DISEÑO DEL SISTEMA ENCHUFABLE
Para el desarrollo del sistema híbrido enchufable fue necesario recopilar
algunos datos de funcionamiento del vehículo híbrido Prius C. lo cual ya se
explicó en el funcionamiento del auto anteriormente. Adicional a ello, fue
necesario saber donde serían ubicados los elementos del sistema
enchufable y como debería ser ubicados en el auto para aprovechar el
espacio de la cajuela al máximo. De tal manera que para el diseño, todos los
elementos tuvieron que ser colocados en el maletero del vehículo,
generando una desventaja pues no quedó lugar para poder colocar equipaje
en caso de un viaje y además de ello se generó peso adicional el cual se
explica más adelante en el presente capítulo.
En el sistema enchufable existen dos elementos principales para el
funcionamiento, el cargador y el acumulador de energía. Por una parte el
cargador está formado par varias piezas electrónicas que se detallan más
adelante y por otra parte las baterías que son las encargadas de almacenar
la energía eléctrica que necesita el auto para moverse.
Se decidió utilizar un soporte de acrílico para las baterías ya que en el caso
de existir un cortocircuito, el acrílico no es conductor de la electricidad y
evitará así un accidente por descarga eléctrica.
3.2 ELEMENTOS DEL SISTEMA HÍBRIDO ENCHUFABLE
Los principales elementos utilizados para la modificación del sistema híbrido
convencional HEV a híbrido enchufable PHEV, fueron los siguientes:
- Vehículo Toyota Prius C Sport.
- Baterías adicionales de NiMH.
- Cargador electrónico de baterías.
- Caja-Soporte de baterías.
42
3.3 CARACTERÍSTICAS DEL VEHÍCULO TOYOTA PRIUS C
“El Toyota Prius C Sport está incorporado motor de 1500 centímetros
cúbicos de cilindraje, que brinda un ahorro de combustible muy eficiente,
superior a los 4.7 L/100 Km. Además cuenta con el sistema de encendido
tipo COP, de bobinas independientes. La distribución es de tipo variable
VVT-i y el sistema de mariposa de aceleración es motorizado. El régimen
máximo de operación de este motor se encuentra alrededor de las 4500
revoluciones por minuto y ofrece una eficiencia muy importante debido al
ciclo de trabajo Atkinson, el cual trata de aprovechar las ventajas de una alta
relación de compresión reduciendo la carrera de compresión con respecto a
la de expansión, esto se logra retrasando el cierre de la válvula de admisión,
permitiendo el reflujo de gases hacia el colector de admisión mientras el
pistón asciende. Esa mezcla se aprovecha en el siguiente ciclo de
aspiración”. (TOYOTA MOTOR CORP. 2003)
3.4 CARATERÍSTICAS DE LAS BATERÍAS DE ALTA TENSIÓN
HÍBRIDAS
Para aumentar la autonomía de la batería de alto voltaje del vehículo híbrido,
es necesario incrementar el amperaje de la misma, esto se lleva a cabo
implementando un paquete adicional de baterías de alta tensión, que pueden
estar conformadas en 20 celdas de baterías de un Toyota Prius o en 15
celdas de baterías de un Toyota Highlander, extraídas del conjunto completo
de 30 celdas, ya que en ambos casos se obtiene el mismo voltaje nominal
que es de 144 V. Para el desarrollo de este proyecto, se decidió utilizar un
conjunto de baterías de alta tensión del Toyota Highlander, que fueron
adquiridas en la empresa Importadora Tomebamba S.A., en la ciudad de
Quito.
Estas baterías están compuestas de Níquel, Metal-Hidruro y subdivididas en
3 conjuntos de los cuales, dos contienen 12 celdas y uno tiene 6 celdas,
como se muestra en la figura 32, cada celda tiene un voltaje de 9.6 voltios,
43
que en total proporcionan un voltaje nominal de 288 V y un voltaje máximo
de carga de 345 V.
Figura 32. Baterías de alta tensión del Toyota Highlander
3.5 COMPROBACIÓN DEL ESTADO DE CARGA DE LAS
BATERÍAS
Un correcto funcionamiento de las baterías híbridas se refleja en su
capacidad de mantener un voltaje alto y no descargarse de manera rápida,
sino lenta y progresivamente.
Para determinar el estado de carga de las baterías, se realizaron pruebas de
medición de voltajes en cada uno de los tres conjuntos, utilizando un
multímetro digital en la función de voltímetro que es capaz de medir la caída
de tensión tanto en corriente directa como alterna, como se muestra en la
figura 33 y un foco halógeno de 110 V y 300 W, conectado en paralelo, para
descargar las baterías y verificar si las mismas eran capaces de mantener su
carga, como se muestra en la figura 34.
BATERÍAS BATERÍAS BATERÍAS
44
Figura 33. Medida de voltaje del conjunto de baterías
Figura 34. Descarga del conjunto de baterías
BATERÍAS
MULTÍMETRO
LÁMPARA HALÓGENA
45
En el conjunto 1 que contiene 12 celdas, los voltajes se midieron cada diez
minutos y fueron disminuyendo rápidamente, lo cual indica un deterioro de
las baterías, es decir que no estaban descargándose de manera lenta, lo
cual es ideal, sino rápidamente como lo muestran los datos presentados en
la tabla 2. Se observa la caída de tensión cada diez minutos y una diferencia
entre 5 V y 10 V que es una pérdida de voltaje defectuosa ya que debería
ser de menos de 3 V.
El tiempo de descarga total fue de dos horas y cuarenta minutos.
Tabla 2. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 1
TIEMPO (MIN) VOLTAJES (V)
0 138.3
10 128.1
20 125.0
30 123.6
40 121.8
50 119.2
60 117.3
70 115.4
80 112.6
90 99.1
100 70.3
110 40.3
120 29.2
130 17.7
140 8.75
150 4.70
160 0.67
46
En el segundo conjunto que también contiene 12 celdas, llamado conjunto 2,
se realizaron las mismas pruebas que en el paquete 1 y de igual manera se
determinó que las baterías se descargaban y como se explicó anteriormente,
eso indica deficiencia en el conjunto, e igual que en el caso anterior se
realizó la prueba en el mismo tiempo. Los valores obtenidos se muestran en
los datos de la tabla 3.
Tabla 3. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 2
TIEMPO (MIN) VOLTAJES (V)
0 138.2
10 127.3
20 124.0
30 122.5
40 121.2
50 119.5
60 117.5
70 113.2
80 111.3
90 99.0
100 72.3
110 40.0
120 29.5
130 16.5
140 8.6
150 4.3
160 0.59
De la misma manera se realizaron pruebas de voltaje en el paquete que
contiene 6 celdas, llamado paquete 3, los resultados fueron semejantes a los
47
dos conjuntos anteriores, en la misma cantidad de tiempo. Se determinó así
que las baterías perdían rápidamente la carga ya que estaban defectuosas.
Los valores obtenidos se muestran en los datos de la tabla 4.
El tiempo de descarga total fue de una hora y diez minutos
Tabla 4. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 3
TIEMPO (MIN) VOLTAJES (V)
0 67.5
10 62.2
20 58.1
30 52.6
40 23.1
50 10.6
60 2.2
70 0.33
3.6 ELEMENTOS QUE CONFORMAN EL CARGADO DE
BATERÍAS
El cargador suministra la energía eléctrica necesaria para recargar las
baterías de alta tensión, desde una toma de corriente de 110V. Está
conformado por los siguientes elementos:
3.6.1 PUENTE RECTIFICADOR
Es un circuito electrónico que se usa para convertir la corriente alterna en
corriente continua a través de los diodos que lo conforman; un ejemplo de
este elemente se muestra en la figura 35.
48
Se decidió utilizar el puente de diodos del modelo cuadrado porque se puede
fijar de mejor manera gracias a su superficie plana y debido a que posee los
contactos cortos y rígidos, resulta mejor poder conectar los cables a través
los terminales.
Así mismo gracias a su estructura metálica, ayuda a disipar mejor el calor.
Figura 35. Puente de diodos
3.6.2 CAJA METÁLICA
Es un soporte de tamaño pequeño, como se muestra en la figura 36,
diseñado para ocupar un espacio mínimo en la parte posterior del vehículo.
Sirve para alojar en su interior a todos los elementos que conforman el
circuito eléctrico del cargador. Las dimensiones de este elemento son: 15 cm
de alto x 15 cm de ancho x 10 cm de profundidad. Se decidió utilizar una
caja de metal que pueda resistir el calor que se genera en su interior debido
a la corriente que circula por los elementos del cargador. Además debe estar
sujeta para evitar que se mueva bruscamente en el momento de la
conducción del vehículo, a través de pernos que van en el soporte del
maletero.
49
Figura 36. Vista de la caja metálica del cargador
3.6.3 PORTAFUSIBLE
Este elemento sirve como alojamiento para el fusible del circuito eléctrico y
además provee seguridad al fusible, para evitar que se rompa o se deteriore.
Se decidió utilizar este modelo de protección ya que es una cápsula plástica
que en su interior posee dos chapas metálicas que realizan la función de
contactos para el fusible, un ejemplo de este componente del cargador se
muestra en la figura 37.
Figura 37. Portafusible
Baterías adicionales
Caja metálica. Cargador de baterías
Multímetro
50
3.6.4 FUSIBLE
Es un elemento que sirve de protección al circuito eléctrico contra la
sobrecarga de corriente.
Se utilizó un fusible sencillo de tal manera que concuerde con el portafusible
seleccionado anteriormente y pueda caber en el interior del mismo.
Para el diseño del cargado se utilizó un fusible de 5 A, ya que la corriente de
carga de las baterías se encuentra en el orden de 0.8 A a 1 A. En la figura
38, se puede observar la imagen del fusible y su simbología eléctrica. Este
elemento soporta fácilmente la corriente que se genera después del puente
de diodos.
Figura 38. Fusible
3.6.5 INTERRUPTOR
Su función es la de permitir el paso de corriente cuando es accionado a su
posición de continuidad y cortar el paso de corriente cuando está en la
posición de circuito abierto, un ejemplo de este elemento se muestra en la
figura 39.
El interruptor seleccionado fue de modelo simple de dos contactos ya que
sirve para poder encender y apagar el cargador.
51
Figura 39. Interruptor
3.6.6 LED (Diodo Emisor de Luz)
Sirve para comprobar si el capacitor electrolítico del cargador está
funcionando, un ejemplo de este elemento se muestra en la figura 40.
Se decidió utilizar este elemento para que sirva como alerta de aviso en
caso de que el cargador no funcione, ya que siendo ese el caso, el led no se
encenderá.
Figura 40. Diodo Emisor de Luz
52
3.6.7 RESISTENCIA
En el circuito eléctrico del cargador, la resistencia sirve como protección para
el diodo LED.
La resistencia que su utilizó es de 10 kΩ y 0.5 W. ya que con esas
características puede soportar la cantidad de corriente que pasa por el
circuito.
3.6.8 CAPACITOR ELECTROLÍTICO
Para la construcción del cargador se utilizó un condensador de 220µf x 450V
como se muestra en la figura 41. Este elemento sirve para almacenar la
carga, y moderar el voltaje de salida de la corriente rectificada. Además su
diseño de base plana facilita la sujeción a la caja.
Figura 41. Capacitor electrolítico
3.6.9 AMPERÍMETRO ANALÓGICO
Su función es la de captar la cantidad de corriente que pasa hacia las
baterías. El amperímetro que se utilizó para construir el cargador es de tipo
aguja, ya que muestra la escala de amperaje cuando pasa corriente a través
de él, contrario de los digitales que precisan de una pila. Tiene una escala de
53
0 a 20 A, que es suficiente para marcar el amperaje de carga, entre 0.8 A a 1
A. Como se muestra en la figura 42.
Figura 42. Amperímetro de tipo aguja
3.6.10 FOCO HALÓGENO
Dentro del circuito, la función del foco es la de absorber parte de la corriente
que pasa a las baterías de alta tensión.
El foco que se utilizó para la construcción del cargador es de 110V y 500W
ya que el filamento interno soporta fácilmente el calor que se genera por el
paso de corriente, omo se muestra en la figura 43.
Figura 43. Foco halógeno
54
3.6.11 CABLES
Tienen la función de permitir el paso de la corriente eléctrica a través de
todos los componentes del cargador, mencionados anteriormente.
3.7 CONSTRUCCIÓN DEL CARGADOR DE BATERÍAS
Una vez ya obtenidos todos los elementos de carga del sistema enchufable,
se realizó la construcción del cargador de las baterías de alto voltaje.
Iniciando con la toma de corriente alterna, que puede ser conectada a
cualquier enchufe doméstico de 110 V, luego se conectó el fusible de 5 A y
el interruptor simple de dos contactos. Posteriormente se conecta el puente
rectificador en la tomas de alterna. La toma de positivo del puente de diodos
va hacia la parte positiva del capacitor electrolítico, y la parte negativa del
puente, a la parte negativa del capacitor. Desde la parte positiva del
capacitor se conectó un cable que va hacia el lado positivo del amperímetro
y se ramificó otro cable que va hacia el contacto positivo del diodo emisor de
luz, a través de la resistencia de 10KΩ. La parte negativa del diodo está
conectada a la parte negativa del capacitor, desde donde se ramificó otro
cable que sale a la parte negativa de las baterías de alto voltaje. Luego del
amperímetro se conectó el foco halógeno de 110 V y 300 W y
posteriormente se ramificó un cable que va hacia la parte positiva del
conjunto de baterías de alto voltaje.
3.8 FUNCIONAMIENTO DEL CARGADOR DE BATERÍAS
En el funcionamiento, la corriente alterna proveniente de la fuente de 110
voltios (V1), viaja hacia el fusible (F1) y el interruptor (SW1) que debe ser
activado para que exista paso de corriente hacia el puente rectificador (BR1),
convirtiéndose en corriente directa a la salida del mismo. Posteriormente la
energía eléctrica viaja por el cableado hasta en capacitor electrolítico (C1)
que está conectado en paralelo y sirve como filtro para el paso de corriente.
Luego la energía va hacía el diodo LED (D1), que sirve para verificar si el
55
capacitor y el cargador están operando, como se mencionó anteriormente.
Finalmente, la corriente pasa al amperímetro (A), al foco (LA1) y por último
llega hasta la toma del conjunto de baterías de alta tensión (B1), como se
muestra en la figura 44.
Figura 44. Diagrama eléctrico del cargador
En el interior de la caja metálica se alojan todos los elementos del circuito
eléctrico, como se muestra en la figura 45. Donde se distinguen los cables
de colores rojo y blanco, el foco halógeno con su filamento encendido de
color amarillo, el capacitor electrolítico de color negro, que está a la derecha
de la figura y el puente de diodos fijado en la parte baja de la caja, que se
puede distinguir por su color plateado. En el exterior de la caja se pueden
observar, el amperímetro de color blanco y su tapa de protección
transparente, el diodo LED encendido de color rojo, el portafusible de color
negro y el interruptor de color negro, entre el amperímetro y el portafusible.
Se puede observar el enchufe a la fuente de 110V de color amarillo, como se
muestra en la figura 46.
56
Figura 45. Vista interna del cargador
Figura 46. Vista externa del cargador
Es muy importante que la corriente que pasa a las baterías sea de tipo
continua y no alterna. Para poder verificar la corriente que pasa antes del
puente rectificador y después del mismo, se utilizan dos osciloscopios en la
función de multímetro gráfico, como se muestra en la figura 47, donde la
57
gráfica superior izquierda representa la corriente alterna de 110V y la gráfica
inferior representa la corriente rectificada después del puente de diodos
Figura 47. Circuito de corrientes antes y después del puente
rectificador
Una vez comprobado el correcto funcionamiento del cargador, el mismo se
utilizó para recargar los 3 conjuntos de baterías de alta tensión, de manera
individual, como se muestra en la figuras 48.
3.8.1 CARGA Y DESCARGA DE BATERÍAS
Para mejorar el estado de carga de las baterías de alto voltaje, éstas se
cargaron y descargaron continuamente, dos o tres veces. De esta manera
las baterías recuperaron su estado de carga óptimo. Esto se debe a que
durante su funcionamiento, en el interior de las baterías se formaron
calcificaciones y cuando se aplicó el procedimiento de recarga y descarga,
dichas calcificaciones se disolvieron en el interior de las baterías.
58
Para aplicar la carga se utilizó el cargador de baterías que fue construido y
conectado en paralelo a las baterías de alto voltaje y para la descarga un
foco halógeno de 110 V y 300 W como ya se explicó anteriormente.
Este experimento se realizó en un lugar seguro evitando tener materiales
volátiles o inflamables alrededor de las baterías ya que cualquier falla por
cortocircuito genera una chispa altamente peligrosa.
Figura 48. Recarga del conjunto de baterías
Para verificar si el estado de carga de las baterías mejoró, los 3 conjuntos
fueron sometidos a una recarga completa, es decir, hasta su voltaje máximo,
e inmediatamente fueron descargados para comprobar si las baterías eran
capaces de mantener su carga. Los valores de voltaje del conjunto 1 se
presentan en los datos de la tabla 5.
Al igual que en los experimentos anteriores de descarga, se utilizó un tiempo
de dos horas y cuarenta minutos en los cuales las baterías presentaron una
mejora en su descarga, es decir que fueron capaces de mantener un voltaje
alto y descargarse cada diez minutos en el orden de menos de tres voltios, lo
que indica un buen estado de carga.
Baterías
Cargador
59
Tabla 5. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 1
recargado previamente
TIEMPO (MIN) VOLTAJES (V)
0 138.2
10 136.4
20 134.0
30 132.8
40 130.7
50 128.1
60 125.8
70 122.7
80 120.4
90 118.2
100 116.0
110 113.0
120 110.7
130 108.5
140 105.4
150 101.1
160 97.3
Los valores de voltaje del conjunto 2 se presentan en los datos de la tabla 6.
Al igual que en el conjunto 1 se aplicó descarga durante el mismo tiempo
explicado anteriormente y señalando el voltaje cada diez minutos, de la
misma manera las baterías presentaron un buen estado de carga que en el
conjunto anterior.
60
Tabla 6. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 2
recargado previamente
TIEMPO (MIN) VOLTAJES (V)
0 138.0
10 135.8
20 133.5
30 131.7
40 129.1
50 127.0
60 126.1
70 123.7
80 120.8
90 117.6
100 115.3
110 112.9
120 110.3
130 107.6
140 105.4
150 102.8
160 98.2
Los valores de voltaje del conjunto 3 se presentan en los datos de la tabla 7.
De la misma manera que en los dos conjuntos anteriores, las baterías
mejoraron su estado de carga y mostraron que eran capaces de mantener
un voltaje alto durante el tiempo de descarga, que fue de una hora y diez
minutos.
61
Tabla 7. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 3
recargado previamente
TIEMPO (MIN) VOLTAJES (V)
0 69.0
10 65.7
20 61.2
30 57.1
40 54.3
50 50.8
60 47.2
70 43.3
3.9 ADAPTACIÓN DEL CONJUNTO ADICIONAL DE
BATERÍAS DE ALTA TENSIÓN
Una vez mejorado el estado de carga de las baterías de alta tensión, de las
30 celdas que conforman el paquete completo, las quince mejores 15 fueron
seleccionadas para la construcción del conjunto adicional de baterías de alta
tensión, esto se debe a que cada una de las baterías seleccionadas
presentó un buen estado de carga y adicionalmente quince baterías
conectadas en serie de 9.6 V dan una suma total de 144 V que es el mismo
voltaje del conjunto de baterías original del vehículo. Como se explicó
anteriormente, cada celda fue conectada a otra en configuración serie, como
se muestra en la figura 49, y el conjunto fue acoplado en un soporte de
acrílico grueso que sirve de alojamiento y evita un cortocircuito en caso de
falla del sistema, como se muestra en la figura 50.
62
Figura 49. Simbología eléctrica de las baterías adicionales
Figura 50. Conjunto adicional de baterías de alta tensión
Como se mencionó anteriormente, el soporte de las 15 celdas fue fabricado
en acrílico, como se muestra en la figura 3.20, cuyas dimensiones son: 33.5
cm de ancho x 45 cm de largo x 16 cm de profundidad y 7 mm de espesor
en cada lado.
63
Figura 51. Caja-Soporte de las baterías de alta tensión adicionales
3.10 CIRCUITO DE ACOPLAMIENTO DE LAS BATERÍAS
Una vez armado el conjunto adicional de baterías de alto voltaje, se realizó
el acoplamiento del mismo con el conjunto de baterías híbridas del vehículo,
como se muestra en las figuras 52 y 53.
En primer lugar se acopla el cargador a las baterías de alto voltaje y como el
interruptor está en la posición off o apagado no hay paso de energía
eléctrica al conjunto adicional de baterías. Luego desde la parte positiva de
del conjunto adicional de baterías de alto voltaje (B1), se ramifican dos
cables, uno que sirve para conectar un relé de activación (RL2) del sistema a
través de dos diodos de 40 V (D2 y D4) cada uno y conectados en paralelo
que sirven para evitar que la corriente de carga del sistema original regrese
a la batería adicional. Se utilizó este tipo de diodos ya que al estar
conectados en paralelo soportan cargas de hasta 80 V lo cual es favorable
para evitar que se dañen o deterioren por el paso de corriente del sistema.
La corriente llega a los diodos ya filtrada pasando por un capacitor de
poliéster (C2) y una resistencias de 10 Ω y 0.5 W (R4), la segunda
ramificación va hacia otro relé de activación (RL1) que se conecta con dos
resistencias de 50 Ω y 10 W (R2 y R3) que soportan el paso de corriente
64
desde las baterías de alta tensión del conjunto adicional, hacia las baterías
de alta tensión del conjunto original del vehículo (B2).
Cada uno de los relés se activa a través de unos interruptores simples on/off
de dos contactos (SW2 y SW4) que van conectados a la batería de 12 V del
vehículo, los relés son del diseño simple inversor de cinco contactos.
En la figura 54 se observa el acoplamiento de las baterías cargándose desde
la fuente de 110 V.
Figura 52. Circuito eléctrico de acoplamiento de las baterías
65
Figura 53. Circuito real de acoplamiento de las baterías
Figura 54. Recarga del sistema híbrido enchufable
Batería
12 V
Batería de alta
tensión. Conjunto
original.
Batería de alta tensión.
Conjunto adicional.
Cargador
66
3.11 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA HÍBRIDO
ENCHUFABLE
Cuando el conjunto adicional de baterías ya ha sido cargado y ha alcanzado
su voltaje máximo, se presiona el botón power del vehículo para encender el
sistema, a continuación se acciona el relé que lleva conectadas las
resistencias y se espera un minuto para accionar el relé que lleva
conectados los diodos. Este tiempo de un minuto es requerido por el sistema
para igualar las cargas de los dos conjuntos de baterías, a través de las
resistencias, procedimiento que se verá favorecido porque normalmente el
motor de combustión interna arranca luego de unos segundos de haber
encendido el vehículo, para cargar un poco más la batería original. Se puede
notar fácilmente que los diodos no permitirán que la recarga de la batería
original pase a la batería adicional.
3.12 MAPA CONCEPTUAL DEL SISTEMA HÍBRIDO
CONVENCIONAL
En el siguiente mapa se puede observar los beneficios que brinda un
vehículo con sistema híbrido convencional, con respecto a las emisiones de
gases contaminantes y a las prestaciones de comodidad y confort.
67
3.13 MAPA CONCEPTUAL DEL SISTEMA HÍBRIDO
ENCHUFABLE
En el siguiente mapa se pueden apreciar los beneficios que se obtienen al
convertir un vehículo híbrido normal a híbrido enchufable, en términos de
disminución de combustible y mejora del medio ambiente.
SISTEMA HÍBRIDO CONVENCIONAL HYBRID SYNERGY DRIVE
BENEFICIOS DE LOS VEHÍCULOS HÍBRIDOS
EFICIENCIA DEL
COMBUSTIBLE
BAJAS
EMISIONES
MEJORES
PRESTACIONES
Y MAYOR
CONFORT
CONDUCCIÓN
SILENCIOSA
TECNOLOGÍA HÍBRIDA
ARRANQUE Y
CONDUCCIÓN
URBANA
FUNCIONAMIENTO
CONDUCCIÓN
EN
CARRETERAS Y
AUTOPISTAS
GRANDES
ACELERACIONES
DESACELERACIÓN,
FRENADAS,
PARADO
MOTOR
ELÉCTRICO
MOTOR
ELÉCTRICO Y
MOTOR DE
COMBUSTIÓN
MOTOR
ELÉCTRICO Y
MOTOR DE
COMBUSTIÓN
MOTOR
ELÉCTRICO EN
FUNCIÓN DE
GENERADOR
68
SISTEMA HÍBRIDO ENCHUFABLE PLUG-IN HYBRID SYNERGY DRIVE
BENEFICIOS DE LOS VEHÍCULOS HÍBRIDOS ENCHUFABLES
MODO ELÉCTRICO MODO HÍBRIDO
TRAYECTOS CORTOS INFERIORES A 25 Km
AHORRO DE COMBUSTIBLE DEL 50%
DOS VEHÍCULOS EN UNO EV-HV
CERO EMISIONES DE CO2 EN ENTORNOS URBANOS
MAYOR AUTONOMÍA
TRAYECTOS LARGOS
TECNOLOGÍA HÍBRIDA
69
3.14 NIVELES DE HIBRIDACIÓN
Un vehículo híbrido proporciona un gran ahorro de combustible, de acuerdo
a las diferentes etapas de conducción en las que se encuentre, como se
muestra en la figura 55.
Figura 55. Ahorro de combustible de los vehículos híbridos
(Van Dijck, 2013)
70
3.15 PRUEBA DE RECORRIDO CON VEHÍCULO HÍBRIDO
NORMAL
El recorrido se lo realizó desde el sector de la Magdalena desde el Colegio
Paulo Sexto en el sur de la ciudad de Quito, hasta el Valle de los Chillos a la
altura del puente 7, como se muestra en la figura 56. La distancia recorrida
difiere de la distancia marcada por el auto, sin embargo la ruta es la misma
que se realizó. Los datos obtenidos se presentan en la tabla 8.
Figura 56. Esquema de la ruta establecida para el recorrido
(Google maps)
Usando el vehículo con el sistema híbrido normal, se realizó una prueba de
ruta para determinar la distancia recorrida hasta alcanzar un estado de carga
alto, es decir de cien por ciento. Se realizó una sola prueba ya que el en el
vehículo se ha efectuado varias veces la misma ruta y los resultados de
distancia y tiempo son casi siempre los mismos, al igual que el consumo de
71
combustible ya que las condiciones de tráfico y de manejo son similares y
por lo tanto los datos que detalla el auto en la pantalla son muy parecidos en
cada viaje, además la carga de la batería siempre marca 8 barras en la
pantalla, lo cual indica una carga total de las baterías de alta tensión.
Los patrones de manejo fueron normales, es decir que la manera de
conducción fue la misma que se ha realizado antes en la misma ruta,
utilizando el modo híbrido en su totalidad, funcionando automáticamente con
el modo eléctrico en aceleraciones leves y utilizando la ayuda del motor de
combustión interna en aceleraciones fuertes y con el modo ECO activado,
que es un modo de conducción de ahorro de combustible, de tal manera que
haciendo el análisis de la ruta, el motor de combustión interna estuvo
funcionando en el noventa por ciento del recorrido aproximadamente.
Tabla 8. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido normal
Distancia Tiempo Consumo de
combustible
Estado de Carga
12.9 Km 28 min 7.2 l/100km 8 barras
La velocidad promedio de conducción que se aplicó en todo el recorrido fue
de aproximadamente 70 Km/h siendo la velocidad máxima de 90 km/h y la
velocidad mínima de 60 Km/h, haciendo cuatro paradas en semáforos que
hay en la ruta establecida generando un tiempo de aproximadamente 6
minutos que el vehículo se detiene durante el recorrido, sin generar consumo
de combustible ni de energía eléctrica. La ruta se efectuó con un tráfico leve
ya que no se realizó el recorrido en horas pico.
Durante el recorrido el porcentaje de inclinación de las vías es de
aproximadamente el sesenta por ciento ya que se realizó una ruta de viaje al
Valle de los Chillos que está a una menor altura que Quito.
72
El dato de tiempo se obtuvo utilizando un cronómetro y comparando con los
datos que proporciona la pantalla del vehículo en el momento de finalizar el
recorrido. Detallando la velocidad promedio, el tiempo recorrido, la cantidad
de combustible que se utilizó y la velocidad promedio.
Una vez finalizada la prueba de ruta se realizó el análisis de los datos
obtenidos y como se mostró en la tabla anterior, el consumo fue de 7.2 l/100
Km lo cual refleja un ahorro de combustible muy aceptable a comparación de
vehículos con motores de la misma cilindrada que consumen más cantidad
de gasolina. La prueba fue exitosa ya que el objetivo de la misma era llegar
a tener las ocho barras de carga cuando la batería está totalmente cargada.
Cuando ya se alcanzó un estado de carga alto de la batería híbrida del
vehículo, se realizó otra prueba de ruta en un circuito cerrado y presionando
el botón EV (Electric Vehicle), para que el auto recorriera en modo sólo
eléctrico, hasta que disminuyera la carga y se desactivara el modo EV
automáticamente. Los datos se presentan en la tabla 9.
Se decidió realizar la prueba de ruta en un circuito cerrado sin pendientes
para poder determinar el mayor tiempo de duración de las baterías de alta
tensión sin sobreesfuerzos, ni asistencia del motor de combustión interna y
verificar la distancia que es posible recorrer utilizando solo energía eléctrica,
sin tráfico y sin realizar paradas. La velocidad promedio utilizada en el
circuito cerrado fue de 25 Km/h, siendo la velocidad máxima 32 Km/h y la
velocidad mínima 19 Km/h.
Tabla 9. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido normal y modo EV
activado
Distancia Tiempo Consumo Estado de Carga
2.1 Km 8 min 0.0 l/100Km 8 barras a
2 barras
73
Para realizar la prueba de ruta en modo EV, fue necesario conducir el
vehículo a una velocidad de aproximadamente 30 Km/h y sin realizar
aceleraciones fuertes, ya que a una velocidad mayor a 50 km/h se desactiva
el modo de conducción EV automáticamente.
Como se pudo observar en los datos de la tabla anterior, la distancia
recorrida fue de aproximadamente 2 Km en un tiempo total de 8 minutos en
condiciones de conducción sin tráfico y sin realizar paradas, hasta llegar a
las dos barras de carga que es cuando el motor de combustión interna se
activa automáticamente para reponer la carga del conjunto de baterías de
alta tensión del vehículo.
3.16 PUEBA DE RECORRIDO CON VEHÍCULO HÍBRIDO
ENCHUFABLE
Para realizar la prueba de ruta con el vehículo híbrido y las dos baterías de
alto voltaje, previamente se realizó la recarga de la batería adicional,
alcanzando un tensión de 159 V. El recorrido se realizó en la misma ruta que
en la prueba con sistema híbrido normal y habilitando en el sistema plug-in el
relé que va conectado a las resistencias, para que el vehículo recargue las
dos baterías de alto voltaje, los datos de la prueba se presentan en la tabla
10.
Tabla 10. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido enchufable
Distancia Tiempo Consumo de
combustible
Estado de Carga
12.9 Km 27 min 6.9 l/100KM 8 barras
Se puede verificar en la tabla anterior que los valores de distancia y estado
de carga son iguales, en el tiempo se recorrió un minuto menos lo cual no
genera una diferencia significativa para la prueba realizada. Se puede
74
observar también el valor de consumo de combustible, que si resulta
significativo para la prueba realizada ya que es un ahorro de
aproximadamente el cinco por ciento en cada viaje, lo cual genera menor
cantidad de emisiones de dióxido de carbono, ya que sin el sistema
enchufable se emiten aproximadamente ochenta y nueve gramos por cada
kilómetro, según estudios realizados por Toyota Motor Corporation y con ello
se consigue mejorar la calidad del medioambiente.
Una vez que se alcanzó el estado de carga de ocho barras, se realizó la
segunda prueba con vehículo híbrido enchufable, es decir activando el modo
EV y el relé que lleva los diodos, para que la energía eléctrica se dirija
únicamente desde la batería adicional a la batería original del vehículo, en la
misma ruta de circuito cerrado que se realizó anteriormente. Los datos se
presentan en la tabla 11.
Tabla 11. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido enchufable y
modo EV activado
Distancia Tiempo Consumo Estado de carga
3.0Km 13min 0.0l/100Km 8 barras a 2
barras
De la misma manera que en la prueba con vehículo normal y modo EV
activado, en la prueba realizada con vehículo enchufable y modo EV, se
realizó la conducción del auto a una velocidad de aproximadamente 30Km/h
y sin aceleraciones fuertes, para evitar que el modo EV se desactive
automáticamente. El consumo de combustible que marca el vehículo es
exactamente igual que en la prueba con sistema híbrido normal, al igual que
el estado de carga que disminuyó de ocho barras a dos barras. La diferencia
se nota tanto en el tiempo como en la distancia recorrida, ya que se pudieron
recorrer tres kilómetros, es decir un kilómetro más en modo eléctrico puro,
que refleja el cincuenta por ciento más en la autonomía de las baterías de
75
alto voltaje. El tiempo también aumento a 13 minutos de recorrido. Se puede
notar así que las baterías adicionales proporcionaron mayor cantidad de
energía eléctrica que sirve para dar impulso al vehículo a través del motor
eléctrico.
3.17 FÓRMULAS UTILIZADAS EN LA INVESTIGACIÓN
3.17.1 VOLTAJE DE LOS CONJUNTOS DE BATERIAS DE ALTA
TENSIÓN
La ecuación 3.1 indica la sumatoria de voltajes de cada uno de los paquetes
de baterías, en configuración serie
VT= V1 + V2 +…+ Vn [3.1]
Donde:
VT: Voltaje total de las baterías adicionales conectadas en serie [V]
V1: Voltaje de la primera batería de la serie [V]
V2: Voltaje de la segunda batería de la serie [V]
Vn: Voltaje enésimo de la baterías de la serie [V]
3.17.2 INTENSIDAD DE CORRIENTE DE CADA CONJUNTOS DE
BATERÍAS DE ALTO VOLTAJE
En la ecuación 3.2 se observa la intensidad de corriente total, que es igual a
las intensidades de cada paquete de baterías en configuración serie.
IT =I1 = I2 =…= In [3.2]
Donde:
IT: Intensidad de corriente total de cada conjunto de baterías [A]
I1: Intensidad de corriente de la primera batería de la serie [A]
76
I2: Intensidad de corriente de la segunda batería de la serie [A]
In: Intensidad de corriente enésima de la baterías de la serie [A]
3.17.3 POTENCIA TOTAL DEL PAQUETE ADICIONAL DE BATERÍAS DE
ALTA TENSIÓN
La ecuación 3.3 indica la potencia total del paquete adicional de baterías,
que se conecta en configuración paralelo al paquete original.
Pad= (Vad) x (Iad) [3.3]
Donde:
Pad: Potencia de la batería adicional [W]
Vad: Voltaje de la batería adicional [V]
Iad: Intensidad de corriente de la batería adicional [A]
3.17.4 VOLTAJE TOTAL DE LOS CONJUNTOS DE BATERÍAS DE ALTO
VOLTAJE
El voltaje total de los dos conjuntos de batería es igual al voltaje de cada uno
de los mismos, ya que están conectados en configuración paralelo como se
puede apreciar en la ecuación 3.4
VT= V1 = V2 [3.4]
Donde:
VT: Voltaje total de las dos baterías conectadas en paralelo [V]
V1: Voltaje de la batería adicional [V]
V2: Voltaje de la batería original [V]
77
3.17.5 INTENSIDAD DE CORRIENTE DE LOS CONJUNTOS DE
BATERÍAS DE ALTO VOLTAJE
La intensidad total de los dos conjuntos de baterías, el original y el adicional,
es igual a la suma de las intensidades totales de cada uno de los conjuntos,
ya que están conectados en configuración paralelo, como se puede apreciar
en la ecuación 3.5.
IT= I1 + I2 [3.5]
Donde:
IT: Intensidad de corriente total de las baterías en paralelo [A]
I1: Intensidad de corriente de la batería adicional [A]
I2: Intensidad de corriente de la batería original [A]
3.17.6 POTENCIA TOTAL DEL CONJUNTO ORIGINAL DE BATERÍAS DE
ALTO VOLTAJE
La ecuación 3.6 indica la potencia total del conjunto original de baterías de
alto voltaje.
Pori= (Vori) x (Iori) [3.6]
Donde:
PorI: Potencia de la batería original [W]
Vori: Voltaje de la batería original [V]
IorI: Intensidad de corriente de la batería original [A]
En la ecuación 3.7 se puede definir la potencia total como la suma de las
potencias de los dos conjuntos de baterías de alto voltaje.
PT= Pad + Pori [3.7]
78
Donde:
Pad: Potencia de la batería original [W]
Vad: Voltaje de la batería original [V]
Iad: Intensidad de corriente de la batería original [A]
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
79
4.1 CONEXIÓN DE LAS BATERÍAS ADICIONALES
Como se explicó anteriormente, el conjunto de baterías adicionales fue
conformado por 15 celdas conectadas en serie y el conjunto fue conectado
en paralelo a la batería original, estos datos se presentan en la tabla 12.
Tabla 12. Voltaje total del conjunto adicional de baterías de alto tensión
Número de
celdas
Voltaje unitario Voltaje total
nominal
Voltaje total
máximo (+20%)
15 9.6V 144V 172.8V
El conjunto adicional de baterías alcanzó una tensión alta ya que cada
voltaje de las celdas se suma por la configuración serie de conexión,
mientras que la intensidad de corriente se mantiene igual en cada una de las
celdas y por lo tanto en el conjunto completo, como se muestra en los datos
de la tabla 13.
Tabla 13. Intensidad total del conjunto adicional de baterías de alta tensión
Numero de celdas Intensidad unitaria Intensidad Total
15 6.5A/h 6.5A/h
4.2 CONEXIÓN DE LAS BATERÍAS ORIGINALES
Para determinar la conexión de la batería original del vehículo, la misma fue
desmontada y se analizó el voltaje, los datos se muestran en la tabla 14.
80
Tabla 14. Voltaje total del conjunto original de baterías de alta tensión
Número de
celdas
Voltaje unitario Voltaje total
nominal
Voltaje total
máximo
20 7.2V 144V 172.8
En el conjunto original de baterías se midió una tensión alta ya que cada
voltaje de las celdas se suma por la configuración serie de conexión,
mientras que la intensidad de corriente se mantiene igual en cada una de las
celdas y por lo tanto en el conjunto completo, como se muestra en los datos
de la tabla 15.
Tabla 15. Intensidad total del conjunto original de baterías de alta tensión
Número de celdas Intensidad unitaria Intensidad total
20 6.5A/h 6.5A/h
4.3 POTENCIA DEL CONJUNTO ADICIONAL DE BATERÍAS
DE ALTO VOLTAJE
Una vez obtenidos los valores de intensidad de corriente y tensión del
conjunto adicional de baterías, se realizó el cálculo para determinar la
potencia del mismo, los datos obtenidos se presentan en la tabla 16.
Tabla 16. Potencia del conjunto adicional de baterías de alta tensión
Número de
celdas
Voltaje unitario Intensidad
unitaria
Potencia
15 9.6V 6.5A 936W
81
Ya realizados los cálculos de potencia del conjunto adicional de baterías de
alto voltaje, se obtuvo un valor de 936W o 1KW aproximadamente.
4.4 POTENCIA DEL CONJUNTO ORIGINAL DE BATERÍAS DE
ALTO VOLTAJE
Los mismos cálculos que fueron realizados en el conjunto adicional de
baterías, también se realizaron en el conjunto original de baterías de alta
tensión del vehículo, los datos obtenidos se presentan en la tabla 17.
Tabla 17. Potencia del conjunto original de baterías de alta tensión
Número de
celdas
Voltaje unitario Intensidad
unitaria
Potencia
20 7.2V 6.5A 936W
En el caso del conjunto original de baterías de alto voltaje, se determinó una
potencia de 936W en la batería original o de 1KW aproximadamente.
4.5 VOLTAJE, INTENSIDAD Y POTENCIA DE LOS DOS
CONJUNTOS DE BATERÍAS DE ALTO VOLTAJE
CONECTADOS
La conexión de los dos conjuntos de baterías híbridas entre sí, se realizó en
la configuración paralelo, con lo cual se mantuvo el voltaje, como se muestra
en los datos de la tabla 18.
82
Tabla 18. Voltaje total nominal de los conjuntos de baterías de alta tensión
Voltaje de la batería
adicional
Voltaje de la batería
original
Voltaje total del sistema
plug-in o enchufable
144V 144V 144V
En esta misma configuración de conexión en paralelo se aumentó la
intensidad de corriente ya que las intensidades de cada conjunto de baterías
se suman, como los muestran los datos de la tabla 19.
Tabla 19. Intensidad total de los conjuntos de baterías de alta tensión
Intensidad de la batería
adicional
Intensidad de la batería
original
Intensidad total del
sistema plug-in o
enchufable
6.5A/h 6.5A/h 13A/h
La potencia que se determinó en la conexión de los dos conjuntos de
baterías se presenta en los datos de la tabla 20.
Tabla 20. Potencia total de los conjuntos de baterías de alta tensión
Potencia de la batería
adicional
Potencia de la batería
original
Potencia total del
sistema plug-in o
enchufable
936W 936W 1872W
Las potencias de los dos conjunto se suman, duplicando la potencia total del
sistema que es de 936W originalmente y llevándola a 1872W o de 2KW
aproximadamente.
83
4.6 TIEMPO DE RECARGA DE LA BATERÍA ALTA TENSIÓN
ADICIONAL DEL SISTEMA HÍBRIDO
La capacidad para entregar corriente que tiene la batería adicional es de
6.5A/h, es decir que cada celda es capaz de entregar 6.5 amperios en una
hora, asumiendo un funcionamiento netamente eléctrico del vehículo durante
un tiempo de 60 minutos, el conjunto adicional de baterías estaría
completamente descargado. Para reponer la energía eléctrica a través del
cargador, el tiempo que se debe emplear es de 3 a 6 horas de recarga
aproximadamente, ya que el cargador permite el paso de corriente a una
tasa baja de carga, entre 1 a 2 amperios, ya que con eso se incrementa la
vida útil de la batería y también dependiendo del estado de carga del
conjunto de baterías adicional, como lo muestran los datos de la tabla 21.
Tabla 21. Intensidad total de los conjuntos de baterías híbridas
Estado de carga de la batería Tiempo de recarga
0% 6 horas
50% 3 horas
El voltaje máximo que pasa a través del cargador a las baterías es de 160V
con lo cual no existe ningún inconveniente si el cargador queda enchufado
por mayor tiempo al estimado ya que la tensión máxima de carga de las
baterías es de 172V y una vez que alcanzaron el voltaje de 160V, ya no hay
más transferencia de energía desde el cargador a las baterías debido a que
las cargas están iguales, además el foco del cargador sirve como regulador,
con lo cual a medida que las baterías van incrementando su carga, el
amperaje que pasa por el cargador va disminuyendo.
84
4.7 COMPARACIÓN DEL SISTEMA HÍBRIDO NORMAL CON
EL SISTEMA HÍBRIDO ENCHUFABLE.
En las pruebas de ruta realizadas con el vehículo con sistema convencional
y con el sistema enchufable sin activar el modo EV de conducción, se pudo
notar una reducción potencial en el consumo de combustible, como lo
muestran los datos de la tabla 22.
Tabla 22. Ahorro de combustible utilizando el sistema plug-in o enchufable
Tipos de
sistemas
híbridos
Distancia Relé de
resistencias
Relé de
diodos
Consumo
Híbrido
normal
12.9Km inexistente inexistente 7.2l/100Km
Híbrido
enchufable
12.9Km Activado Desactivado 6.9l/100Km
Ahorro de
combustible
4.16%
En cuanto al ahorro de combustible en lo que a costos se refiere, se
disminuye en un cinco por ciento, siendo así un total de trescientos cuarenta
y dos dólares de consumo al año con el sistema enchufable, a diferencia del
sistema normal que es de trescientos sesenta dólares. Y lo cual se reflejaría
durante el período de vida útil de las baterías de alta tensión que es de tres a
cinco años.
Cuando se realizó la prueba de ruta con el modo EV activado y con los dos
sistemas de funcionamiento, respectivamente. Se notó un incremento en la
autonomía de desplazamiento del vehículo, recorriendo a modo eléctrico, los
datos obtenidos se presentan en la tabla 23.
85
Tabla 23. Aumento en la autonomía del vehículo utilizando el sistema plug-in
o enchufable
Tipos de
sistemas
híbridos
Distancia Relé de
resistencias
Relé de
diodos
Tiempo
Híbrido
normal
2.1Km Inexistente Inexistente 8min
Híbrido
enchufable
3Km Desactivado Activado 13min
Aumento de
distancia (%)
+42.86% Aumento de
tiempo (%)
+62.5%
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
86
5.1 CONCLUSIONES
El mayor rendimiento, es decir el ahorro del 4.16% de combustible diario, se
obtiene al utilizar el vehículo en modo plug-in o enchufable, es decir dejando
que el motor de combustión interna funcione en forma combinada con los
moto-generadores; ya que de esa manera se permite recargar la batería
adicional a un régimen de carga muy bajo y se alcanza una importante
reducción en los primeros kilómetros de recorrido.
El desempeño del vehículo en modo EV, que si bien no utiliza combustible,
lleva al SOC de la batería a un estado muy bajo, que luego se necesita
cargar rápidamente.
Es notable que el vehículo PHEV no tiene limitaciones de autonomía, ya que
mientras tenga combustible en el depósito y al disminuir la carga de la
batería, el motor de combustión interna recarga la batería híbrida. La ventaja
es que si el conductor lo conecta diariamente, el consumo de combustible
disminuye notablemente, como se explicó anteriormente.
Con el vehículo PHEV y modo EV activado, se recorre al menos 1Km más
de distancia, que con el vehículo HEV y EV activado, lo cual demuestra un
aumento en la autonomía de las baterías y hacen que el híbrido enchufable
sea una solución muy aceptable, al menos hasta que el vehículo 100%
eléctrico sea más aceptado y mejorado con respecto a la autonomía.
La desventaja, con respecto a la conversión de un vehículo HEV a PHEV, es
el peso adicional que se suma al auto, el cual es de mil setecientos
cincuenta kilogramos (1750Kg) por las baterías adicionales las cuales suman
cincuenta kilogramos (50Kg) adicionales al vehículo.
87
5.2 RECOMENDACIONES
En el cargador se utiliza distintos elementos que permiten el paso de
corriente hacia las baterías, generando calor. Por lo tanto es importante
tener un sistema de enfriamiento que permita que el cargador y sus
elementos no se vean afectados por el incremento de temperatura, lo cual se
puede lograr con un transformador de corriente de 110V a 12V y utilizando
un ventilador.
De la misma manera se pueden utilizar dos ventiladores conectados a la
batería de 12V, para enfriar el sistema de las baterías adicionales ya que al
recibir carga eléctrica a través del cargador, también aumenta la temperatura
en las baterías adicionales y lo aconsejable es que se mantengan a una
temperatura no mayor de 37°C, como ocurre con las baterías del conjunto
original del vehículo.
Para mejorar el diseño de todo el sistema de baterías adicionales, es
necesario ubicar el circuito en un espacio donde no haya peligro de que las
baterías estén sueltas, por tal motivo se recomienda ubicar todo el sistema
enchufable en la parte posterior del vehículo, donde va ubicada la llanta de
emergencia, ya que es un espacio amplio donde caben perfectamente todos
los componentes del sistema plug-in.
Para permitir al sistema trabajar con un S.O.C. del 100% total de la carga
diaria recibida, se debe construir un circuito emulador del estado de carga de
la batería, el cual se presenta a manera de recomendación para trabajos
futuro.
6. BIBLIOGRAFÍA
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hybrid or Hydrogen fuel cell. Lóndres, Inglaterra.
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Electrical Engineers. Lóndres, Inglaterra.
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