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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
ANÁLISIS DEL SISTEMA INVERSOR DE UN VEHÍCULO
HÍBRIDO, TOYOTA PRIUS
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
VÍCTOR HUGO JURADO FLORES
DIRECTOR: ING. JULIO MORALES
Quito, enero 2016
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016
Reservados todos los derechos de reproducción.
DECLARACIÓN
Yo, VÍCTOR HUGO JURADO FLORES, 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.
_________________________
Víctor Hugo Jurado Flores
C.I. 1714062062
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Análisis del sistema
inversor de un vehículo híbrido, Toyota Prius”, que, para aspirar al
título de Ingeniero Automotriz, fue desarrollado por Víctor Hugo Jurado
Flores, 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.
___________________
Julio Morales
Director del trabajo
C.I.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN xiii
ABSTRACT xiv
1. INTRODUCCIÓN 1
2. MARCO TEÓRICO 6
2.1. AUTOS HÍBRIDOS 6
2.2. CONFIGURACIÓN DEL VEHÍCULO HÍBRIDO 9
2.3. IMPACTO AMBIENTAL DE UN HÍBRIDO 11
2.4. EL PRIUS Y SUS GENERACIONES 13
2.5. MEDIDAS DE SEGURIDAD PARA ALTA TENSIÓN 21
2.6. SISTEMAS COMPLEMENTARIOS DEL INVERSOR 22
2.6.1. MOTO-GENERADORES 22
2.6.2. MG1 23
2.6.3. MG2 24
2.6.4. CABLES ELÉCTRICOS 26
2.6.5. CONJUNTO DE LA BATERÍA HV (HIGH VOLTAGE) 26
2.6.6. ELECTRÓNICA EN POTENCIA 28
2.6.6.1. Dispositivos semiconductores de potencia 29
2.6.6.2. Convertidores de la energía eléctrica 30
ii
2.6.6.3. Aplicaciones 31
2.6.7. INVERSOR EN LA ELECTRÓNICA 32
2.6.7.1. Funcionamiento 33
2.7. SISTEMA INVERSOR DEL TOYOTA PRIUS 35
2.7.1. SISTEMA GENERADOR 39
2.7.2. SISTEMA CONVERTIDOR DE ELEVACIÓN DE TENSIÓN 39
2.7.3. EL MOTOR ELÉCTRICO 40
2.7.4. SISTEMA CONVERTIDOR DE CC/CC 40
2.7.5. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN DEL INVERSOR,
MG1 Y MG2 41
2.7.6. MÓDULO DEL SISTEMA INVERSOR DEL TOYOTA PRIUS 44
2.7.7. INSTALACIÓN Y ELEMENTOS DE ALTA TENSIÓN 44
2.8. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA HYBRID SYNERGY
DRIVE (HSD) 46
3. METODOLOGÍA 51
3.1 ENFOQUE GENERAL 52
3.2. HERRAMIENTAS/TÉCNICAS 53
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS 57
4.1. PROCESO DE DESARMADO 58
4.1.1. SEGURIDAD BÁSICA E INTRODUCCIÓN 58
4.1.1.1. Módulo IPM 59
iii
4.1.2. RECONOCIMIENTO DEL SISTEMA INVERSOR Y SUS
ANCLAJES 64
4.1.3. DESMONTAJE DE PARTES Y CONEXIONES 66
4.2. ANÁLISIS GENERAL 74
4.3. GUÍA DE MANTENIMIENTO DEL INVERSOR 82
4.3.1. INDICACIONES GENERALES 82
4.3.2. ACCIONES PERMITIDAS 83
4.3.3. MATERIALES A UTILIZAR 84
4.4. CUIDADOS Y PRECAUCIONES 85
4.5. TIPOS DE MANTENIMIENTOS 86
4.6. CÓDIGOS DE FALLA 88
4.6.1. CÓDIGOS FRECUENTES 88
4.6.2. DTC P3120: MAL FUNCIONAMIENTO DE LA
TRANSMISIÓN HÍBRIDA 89
4.6.3. DTC P3125: MAL FUNCIONAMIENTO DEL
CONVERSOR INVERSOR DC-DC 89
4.6.4. DTC P3000: MAL FUNCIONAMIENTO DE LA
BATERÍA HÍBRIDA 90
4.6.5. P3009: FUGA DE AISLAMIENTO DETECTADA 90
4.7. RESUMEN DE CÓDIGOS 91
4.8. COMPONENTES Y SISTEMAS 92
iv
4.8.1. COMPARACIÓN CON UN MOTOR DE COMBUSTIÓN
INTERNA 93
4.8.3. DIAGNÓSTICO 97
4.8.3.1. Análisis de datos OBD II mediante el scanner automotriz 98
4.8.3.2. Conector de Diagnóstico OBD II 99
4.8.3.3. Simbología de los Códigos de Diagnóstico OBD II 101
4.8.4. CONSUMO DE COMBUSTIBLE 103
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 104
5.1 CONCLUSIONES 104
5.2. RECOMENDACIONES 106
NOMENCLATURA O GLOSARIO 107
BIBLIOGRAFÍA 111
v
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Configuración del Sistema en serie 9
Figura 2. Configuración del Sistema en paralelo 10
Figura 3. Configuración del Sistema Combinado o Mixto 11
Figura 4.Toyota Prius, 1ª generación 16
Figura 5. Toyota Prius, 2ª generación 17
Figura 6. Condiciones de trabajo 18
Figura 7. Condiciones en variables de caminos 18
Figura 8. Especificaciones generales 21
Figura 9. Moto-generadores 23
Figura 10. Conjunto de cables de alta tensión 26
Figura 11. Conjunto de batería HV 27
Figura 12. Inversor de voltaje de 24 V 33
Figura 13. Esquema de funcionamiento de un inversor convencional 34
Figura 14. Inversor Prius 3 generación 35
Figura 15. Sistema inversor observado internamente 36
Figura 16. Inversor Prius 37
vi
Figura 17. Función de conversión de elevación de tensión 38
Figura 18. Diagrama del sistema convertidor 40
Figura 19. Diagrama del sistema convertidor CC/CC 41
Figura 20. Conjunto de refrigeración del sistema inversor 42
Figura 21. Circuitos de refrigeración del sistema inversor 43
Figura 22. Componentes y cables de alto voltaje 45
Figura 23. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en 46
Figura 24. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en 47
Figura 25. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en 48
Figura 26. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en 48
Figura 27. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en marcha atrás 49
Figura 28. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en detención 50
Figura 29. Especificaciones técnicas Toyota Prius 2010 53
Figura 30. Toyota Prius 2010, tercera generación 54
Figura 31. Guantes aislantes para descargas eléctricas 55
Figura 32. Sistema Inversor 55
Figura 33. Software de diagnóstico automotriz TechStream de Toyota 56
Figura 34. Diagrama eléctrico del Sistema Inversor 59
vii
Figura 35. Módulo IPM del sistema Inversor 60
Figura 36. Esquema de un circuito del módulo IPM 61
Figura 37. Jumper 62
Figura 38. Batería del sistema híbrido 62
Figura 39. Cables de alimentación de alto voltaje 63
Figura 40. Baterías sin alimentación de corriente 63
Figura 41. Sistema inversor en la zona del motor 64
Figura 42. Advertencia de alta tensión 65
Figura 43. Cables de alta tensión de color naranja 65
Figura 44. Tuercas y pernos de sujeción 66
Figura 45. Desmontaje de las tapas de protección 67
Figura 46. Pequeño enchufe de seguridad estilo jumper 67
Figura 47. Enchufe interno se seguridad 68
Figura 48. Contactos de los cables de alta tensión del compresor, de la
batería híbrida y de MG1 y MG2 69
Figura 49. Anclaje de contacto de la batería del sistema híbrido 70
Figura 50. Enchufe de seguridad estilo jumper 70
Figura 51. Anclaje de contactos del sistema convertidor 71
viii
Figura 52. Fusible de cuarzo 71
Figura 53. Inversor totalmente desconectado de sus elementos 72
Figura 54. Depósito del sistema de refrigeración del conjunto inversor 73
Figura 55. Base visible del sistema inversor 74
Figura 56. Desarmado con guantes de seguridad 75
Figura 57. Socket de la ECU del sistema híbrido 76
Figura 58. Contactos de los pines de la ECU 77
Figura 59. Contactos de los pines del sistema inversor 77
Figura 60. Carcasa del sistema inversor 78
Figura 61. Bomba eléctrica de agua en despiece del sistema inversor 79
Figura 62. Manguera de refrigeración hacia los moto generadores 80
Figura 63. Radiador individual del sistema inversor 80
Figura 64. Revisión del sistema trabajando correctamente 81
Figura 65. Advertencia de alto voltaje 82
Figura 66. Inversor 83
Figura 67. Cuidados en la manipulación 84
Figura 68. Carcasa del inversor 85
Figura 69. Depósito de refrigerante con marcas para guía y chequeo 87
ix
Figura 70. Franela colocada para evitar derrame de refrigerante 88
Figura 71. Componentes principales del Toyota Prius 92
Figura 72.Diagrama del control del sistema híbrido 93
Figura 73. Motor de combustión interna, Toyota Prius 2010 94
Figura 74. Inversor de Toyota Prius con sus respectivos cables 97
Figura 75. Alerta de avería del sistema híbrido 98
Figura 76. Scanner automotriz G-Scan 99
Figura 77. Conector de Diagnóstico (DLC3) 100
Figura 78. Cable de Interfaz Mongoose 101
x
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Venta de vehículos híbridos por marca (unidades) 4
Tabla 2. Importación de vehículos híbridos al Ecuador (unidades) 5
Tabla 3. Comparación de emisión de gases 7
Tabla 4. Comparación de consumo de combustible combinado
(carretera-urbano) 8
Tabla 5. Niveles de emisión en Decibeles 12
Tabla 6. Ficha Técnica de un MG1 del Toyota Prius 2010 24
Tabla 7. Ficha Técnica de un MG2 del Toyota Prius 2010 25
Tabla 8. Especificaciones de la batería híbrida del Prius 2010 28
Tabla 9. Mantenimientos del inversor 86
Tabla 10. Códigos de falla 91
Tabla 11. Fichas Técnicas de Toyota Prius y Toyota Corolla 95
Tabla 12. Descripción de los dígitos de los códigos de 102
Tabla 13. Pruebas de consumo de combustible realizadas en Quito 103
xiii
RESUMEN
Este trabajo se realizó tomando en cuenta el análisis del sistema inversor del
vehículo híbrido Toyota Prius. El objetivo del trabajo se basó en analizar el
sistema inversor del vehículo mencionado, además de un análisis breve a los
sistemas complementarios y a la vez fortalecer el proceso de aprendizaje
personal en materia de nuevas tecnologías, en este caso tecnología híbrida.
El análisis del sistema inversor conllevó al entendimiento de las partes del
sistema híbrido, que son: batería de alta tensión, conversor de elevación de
tensión, motor generador 1, motor generador 2, y la batería de 12 V, todos ellos
analizados superficialmente; juntos realizan el siguiente proceso: sale de la
batería de alto voltaje una corriente continua de 210 V pasando por el conversor
de alta tensión, la cual eleva a 500 V la corriente continua, después pasa por el
inversor transformándola a corriente alterna trifásica, dando marcha a los MG1
y MG2 para que funcione el vehículo de forma totalmente eléctrica, y el inversor
hace que se cargue la batería de alta tensión. Las fuentes de alimentación del
equipo auxiliar del vehículo, como son el panel de control, las luces de salón, el
equipo de sonido, las luces exteriores, así como las ECU, se basan en un
sistema de 12 V CC.
La intención del análisis tanto teórico como práctico-didáctico de este tema se
realizó para comprender el correcto funcionamiento del sistema inversor del
Toyota Prius, tomando en cuenta los cuidados y manipulaciones que se debe
tener sobre este sistema, mejorando resultados en el conocimiento para de esta
manera ser más competitivos profesionalmente y obtener mayor valoración de
esta rama de tecnologías híbridas, aportando al mejoramiento de la educación
universitaria sobre estos temas en el Ecuador.
xiv
ABSTRACT
This work was realized taking into account the investor Analysis System Toyota
Prius hybrid vehicle. The objective of this study was based on analyzing the
inverter system about the vehicle mentioned, and a brief analysis of the
complementary systems while strengthening the personal learning process in
new technologies , in this case hybrid technology.
The analysis of the inverter system led to the understanding of the parts of the
hybrid system that are high-voltage battery, voltage boost converter, an engine
generator 1 generator 2 engine and 12-volt battery, all superficially analyzed
together perform the following process: out of the high-voltage battery of 210V
direct current through the high voltage converter the bringing to 500V DC after
passing through the inverter transforming pedaling phase alternating current to
MG1 and MG2 to operate the vehicle in a completely electric and makes reverse
charge the high voltage battery. The power supply of the vehicle auxiliary
equipment, such as control panel, room lights, sound equipment, exterior lights
and the ECU, is based on a set of 12 V DC.
The intention of both theoretical and practical - training analysis on this issue
was conducted to understand the performance of the inverter system Toyota
Prius, taking into account the care and handling that should be on this system,
improving performance in knowledge and thus be more competitive and getting
more professional assessment of this branch of Hybrid technologies and
contributing to the improvement of university education on these issues in
Ecuador.
1
1. INTRODUCCIÓN
El estudio realizado en este tema se basa en una revisión general acerca del
funcionamiento del sistema inversor de un vehículo híbrido, fallas comunes,
tipos de mantenimientos, reconocimiento de sus elementos, principios de
funcionamiento y tipos de corrientes de trabajo, de esta manera atendiendo a la
necesidad actual de los alumnos de la carrera de Ingeniería Automotriz de la
Universidad Tecnológica Equinoccial y también de técnicos particulares, ya que
tienen poco conocimiento acerca del funcionamiento de un vehículo híbrido, en
especial sobre el sistema inversor que, además de ser una parte fundamental
del mismo, debe conocerse muy bien su manipulación.
A partir de esta carencia, se ha proyectado un análisis que aporte de manera
general al manejo y conocimiento del sistema inversor de un vehículo híbrido,
tomando en cuenta que se hablará también brevemente de electricidad y
electrónica que servirán de bases para entender cómo trabaja un Toyota Prius,
en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería (UTE), específicamente para la
carrera de Ingeniería Automotriz.
La investigación tiene como objetivo fundamental realizar un análisis el cual
permita comprender la correcta funcionalidad del inversor en un vehículo Prius.
Previo a este análisis, se resumirá su funcionamiento, y se presentará una
breve historia de un vehículo híbrido del segmento Toyota, para aportar una
idea más clara del objeto de análisis. En el marco teórico se atenderá a los
componentes más importantes e influyentes en el sistema inversor.
El sistema inversor de un vehículo híbrido produce ciertas fallas muy distintas a
la de otros sistemas eléctricos, en donde se necesita de gente especializada
con conocimiento de las nuevas tecnologías para poder realizar sus
2
diagnósticos y reparaciones, es por eso que se realizará una pequeña guía de
manipulación, cuidado y códigos de falla del sistema inversor.
Se realiza este análisis del sistema inversor para obtener un conocimiento más
amplio de su uso y aplicación, cuidados y manipulación debido que la
tecnología no deja de avanzar y los futuros profesionales tienen la obligación de
estudiar, investigar y actualizarse sobre estos temas para que logren ser
profesionales capacitados y conozcan sobre lo que prepara la industria
automotriz en el futuro.
En nuestro medio hacen falta herramientas de estudio de estas características
tecnológicas como manuales, libros, archivos digitales o material didáctico y de
haberlos son muy limitados, en los cuales los estudiantes y técnicos puedan
estudiar, comprender y poder familiarizarse con las nuevas tecnologías híbridas
que de a poco van acaparando más la industria automotriz en el país y a nivel
mundial, por lo tanto en corto plazo requerirán de profesionales capacitados
para respectivos mantenimientos o manipulaciones.
Por esta razón se plantea este análisis de forma práctica-didáctica para poder
conocer las partes y funcionamiento del sistema inversor de un vehículo híbrido
y las fallas más frecuentes que pueden llegar a presentarse y así plantear los
siguientes objetivos: llegar a determinar el funcionamiento e importancia que
puede presentar un inversor en el correcto desempeño de un Toyota Prius
híbrido, los cuidados a tener en su manipulación y las herramientas necesarias
para realizar cualquier manipulación, dichas herramientas serán mencionadas
más adelante, ya sea en un proceso de desarmado o de mantenimiento,
tomando en cuenta las respectivas precauciones al momento de manipular los
sistemas de alto voltaje del sistema inversor de un vehículo híbrido.
3
El Toyota Prius es un automóvil híbrido, llamado así por la combinación de un
motor de combustión interna de 4 tiempos a gasolina y de un motor eléctrico,
fusionando asi dos tipos de tecnologías para brindar un desempeño mucho más
limpio en niveles de contaminación, en donde se podrá entender que función
aporta el sistema inversor en convertir una tecnología mecánica en una
eléctrica.
Los vehículos híbridos en el Ecuador cada día van ganando más campo, se
espera que hasta el 2020 el 20% de su parque automotor esté compuesto por
vehículos híbridos. Así lo informó en el 2010 el subsecretario de energía
alternativa Eduardo Rosero.
A pesar de que la venta de vehículos híbridos en el país ha decrecido
considerablemente debido al retiro de la exoneración de impuestos y aranceles
que tenían estos vehículos según el Anuario 2012 de la Asociación de
Empresas Automotrices del Ecuador (AEADE), el 2010 fue el año con más
ventas de vehículos con tecnología híbrida en el Ecuador.
Asi se muestra en la tabla 1, a continuación con una información más detallada
para conocer el número d vehículos híbridos de acuerdo a su marca que fueron
vendidos entre el 2010 y el 2012.
4
Tabla 1. Venta de vehículos híbridos por marca (unidades)
MARCA Número de vehículos
vendidos en el 2010*
Número de vehículos
vendidos en el 2012
TOYOTA 1840 1352
FORD 1056 3
CHEVROLET 711 3
LEXUS 500 2
BMW 154 5
MERCEDES BENZ 86 0
PORSCHE 54 25
GMC 53 3
OTRAS 55 7
TOTAL 4509 1400
*En comparación con el año de mayor ventas en el país (AEADE, 2012)
En el Ecuador hasta mediados del 2010, el ingreso de vehículos híbridos
estaban exonerados el 35% de aranceles, pero el Gobierno dio marcha atrás y
estableció un cobro en función de la cilindrada, solo los vehículos con motor de
hasta 2.0 litros de capacidad están exentos de dichos aranceles, en cambio, los
vehículos con mayor capacidad pagan entre 10% y 35%, un valor que los volvió
más costosos, debido a esto Toyota ya no comercializa su modelo SUV el
Toyota Highlander Hybrid, pero mantiene sus dos modelos livianos en el
mercado: el Toyota Prius C Sport y el Toyota Prius 3G, el resto de marcas que
reportaron alguna importación en el 2011 prácticamente han disminuido
totalmente sus pedidos al exterior para el año 2012 como se pueden observar
en la siguiente tabla 2. (El Universo, 2013)
5
Tabla 2. Importación de vehículos híbridos al Ecuador (unidades)
MARCA 2009 2010 2011 2012
TOYOTA 1545 1994 319 1387
PORSCHE 0 75 82 26
MERCEDES BENZ 16 116 69 0
LEXUS 434 424 29 3
GMC 53 50 5 4
FORD 206 1669 19 4
CHEVROLET 96 858 174 4
CADILLAC 39 27 1 0
BMW 38 183 61 6
OTRAS 7 55 42 10
TOTAL 2434 5451 801 1444
(AEADE, 2012)
Los modelos de vehículos híbridos ahora en nuestro país es limitada a un
reducido número de modelos o versiones, que han llegado para hacer una
competencia al Toyota Prius en el mercado automotriz.
6
2. MARCO TEÓRICO
2.1. AUTOS HÍBRIDOS
Los autos híbridos son automóviles que trabajan con dos motores: Un motor de
combustión interna o de gasolina y un motor eléctrico alimentado por baterías,
sus principales características son menor consumo de combustible y menor
emisión de gases nocivos al medio ambiente dentro de la ciudad, son vehículos
que aprovechan la energía desperdiciada en el momento de la desaceleración y
frenado en el cual los vehículos convencionales desechan en forma de calor, o
lo que se conoce como pérdida de la energía calorífica. (Pellicer, 1997) (Centro
de tecnología y transporte, 2012)
Los vehículos híbridos tienen varias ventajas como la disminución de consumo
de combustible y la menor emisión de gases nocivos al medio ambiente ya
antes nombrados; también tiene desventajas (menos en comparación con las
ventajas) como el que no se encuentran muchos talleres con la capacidad de
poder dar mantenimiento a este tipo de vehículo y el precio de sus repuestos
son elevados en comparación de un vehículo convencional, a continuación se
detalla lo dicho.
Como desventajas se puede considerar que a pesar de que las baterías
híbridas suelen ser confiables, si se llegara a averiarse se gastaría
aproximadamente $2000 (Precio establecido en 2013), así como los costos de
mantenimiento y reparación, como dice Francisco Javier Díaz, "A pesar de que
pruebas sobre la durabilidad de las baterías utilizadas en la mayoría de los
autos híbridos han superado la década, todavía es una tecnología que está en
pleno proceso de evolución, mejora y desarrollo." (Díaz, 2012).
7
Su peso es mayor en comparación a un auto convencional de similares
dimensiones, incluyendo los motores eléctricos y las baterías; es un
inconveniente en trayectos más largos ya que el vehículo tiene que incrementar
la energía para poder desplazarlo. (Sociedad de Técnicos de Automoción
(STA), 2011).
Las compañías usan recursos muy escasos para fabricar las baterías y
sistemas complementarios de los moto generadores y del inversor, tales como
el neodimio y lantano que son dos de los elementos bases para su fabricación.
(Miscocheselectricos.com, 2013)
Como ventajas, la más destacada se basa en que las emisiones de gases
nocivos son mucho menor a diferencia de los autos con motores de combustión
interna a gasolina, tal como se muestra en la siguiente tabla 3, los vehículos
híbridos no lanzan tanta cantidad de monóxido de carbono (CO) y dióxido de
carbono (CO2) al ambiente. (Díaz, 2012)
Tabla 3. Comparación de emisión de gases
Modelo Emisiones gCO2/Km
TOYOTA PRIUS 1.8L 92
CHEVROLET CRUZE 1.8L 151
MAZDA 6 1.8L 155
(Instituto para la diversificacion y ahorro de la energia, 2013)
El consumo de combustible es muy inferior a un automóvil con motor de
combustión interna a gasolina, como se muestra en la tabla 4, que puede llegar
8
a consumir 20 L/100 km, mientras que el vehículo híbrido puede llegar a
consumir 8L/100km (Comparación entre vehículos con motores de similar
cilindrada). (Instituto para la diversificacion y ahorro de la energia, 2013)
Tabla 4 . Comparación de consumo de combustible combinado
(carretera-urbano)
(Instituto para la diversificacion y ahorro de la energia, 2013)
La regeneración de energía que produce al momento de frenar el vehículo y de
la desaceleración al momento de bajar la velocidad sin el uso de los frenos. Los
vehículos híbridos aprovechan este tipo de energía para energizar
componentes dentro del auto y al motor eléctrico. (Díaz, 2012)
Es mucho menos ruidoso que un coche convencional ya que su motor eléctrico
es extremadamente silencioso. Lo mismo sucede cuando se produce el cambio
de un motor a otro, ya que también el motor de combustión interna, al estar
complementado por el motor eléctrico se ve menos forzado y así funciona más
silencioso que el motor de un coche convencional. (Sociedad de Técnicos de
Automoción (STA), 2011)
Modelo Consumo L/Km
TOYOTA PRIUS 1.8L 4.0
CHEVROLET CRUZE 1.8L 6.4
MAZDA 6 1.8L 6.7
9
2.2. CONFIGURACIÓN DEL VEHÍCULO HÍBRIDO
Los vehículos híbridos tienen diferentes disposiciones de los elementos que los
componen por lo que se clasifican en sistemas híbridos en serie, sistemas
híbridos en paralelo y sistemas híbridos combinados o mixtos
Sistemas Híbridos En Serie
Los vehículos híbridos en serie son impulsados solamente por el motor eléctrico
que es alimentado por un generador movido por el motor de combustión interna
el cual a su vez carga las baterías como se muestra en la figura 1, en donde el
generador representa al moto generador principal (MG1), el motor eléctrico
representa el moto generador secundario (MG2) y la unidad de control se trata
del Sistema Inversor. El vehículo con mayor autonomía eléctrica utiliza esta
configuración, estamos hablando del Chevrolet Volt de General Motors.
(Sociedad de Técnicos de Automoción (STA), 2011)
Figura 1. Configuración del Sistema en serie
10
Sistemas Híbridos En Paralelo
A pesar de que en este sistema las ruedas son accionadas por el motor de
combustión interna y el motor eléctrico, la fuente de propulsión principal es el
motor térmico debido a la poca autonomía que presentan la batería híbrida,
mientras que el motor eléctrico es un apoyo de potencia en la aceleración y
potencia al motor como se muestra en la figura 2 y al frenar o desacelerar
aprovecha esa energía para cargar las baterías. (e-auto.com.mx, 2013).
El transporte público con mayor demanda en la ciudad de Quito es un vehículo
híbrido con este sistema, hablamos del Trolebús-Q.
Figura 2. Configuración del Sistema en paralelo
Sistemas Híbridos Combinado O Mixto
Este sistema funciona con el motor eléctrico a baja velocidad y a alta velocidad,
el motor de combustión interna trabaja en conjunto con el motor eléctrico para
11
tener mayor rendimiento del vehículo como se muestra en la figura 3, en este
sistema el motor térmico puede dar propulsión a las ruedas y generar energía a
las baterías mediante el generador (MG1). El vehículo híbrido más vendido en
el mundo tiene este sistema, estamos hablando del Toyota Prius. (e-
auto.com.mx, 2013).
Figura 3. Configuración del Sistema Combinado o Mixto
2.3. IMPACTO AMBIENTAL DE UN HIBRIDO
Los vehículos convencionales (solamente vehículos con motores de combustión
interna) han sido un gran impacto contaminante en el ambiente; desde su fase
de fabricación hasta los gases emitidos han sido una enorme importancia
negativa en la contaminación del aire atmosférico, la emisión de ruidos, como
se muestran en la tabla 5, en el daño a la capa de ozono y por lo tanto en el
calentamiento global.
12
Tabla 5. Niveles de emisión en Decibeles
Fuente de ruido Niveles de emisión en
dB(A)
Vehículo Híbrido 69-73
Vehículo de turismo 70-77
Tractor 77-85
Camión 80-90
Discoteca 90-110
Avión 110-130
(Castells, 2012)
A pesar de que las compañías automotrices han estado en la pelea de ser lo
más ecológicas posibles pero con la mentalidad de no perder eficiencia y
performance de los automóviles; Toyota es una de las compañías más grandes
que invierte en estudios para crear nuevas tecnologías y vehículos más limpios
o que menos impacto ambiental tienen, por eso Toyota desarrollo el sistema
híbrido con modelo Prius. (e-auto.com.mx, 2013).
Los vehículos híbridos son más amigables con el medio ambiente ya que estos
coches pueden recorrer hasta 2 km a 40 km/h, velocidad máxima, con el uso
exclusivo del motor eléctrico, sin utilizar ni una gota de combustible o emitir
CO2, y cuando se acelera el vehículo para obtener mayor velocidad se activa el
motor térmico, la tecnología híbrida equilibra el consumo de combustible con el
motor eléctrico para minimizar las emisiones, estos vehículos también son
extraordinariamente silenciosos, incluso cuando se frena y funciona como
generador para cargar las baterías el ruido es casi imperceptible, lo mismo
sucede cuando se enciende el motor térmico ya que al estar complementado
13
por el motor eléctrico se ve menos forzado, teniendo un funcionamiento mucho
menos ruidoso que el de un vehículo convencional. (Castells, 2012) (Ludevid,
2009).
Fue el primer vehículo producido en serie, lanzado en el año 1997 en el
mercado japonés. Para el 2001 el Toyota Prius comenzó a expandirse a otros
mercados, en el 2008 las ventas alcanzaron el millón de Prius, al año siguiente
llegaron a los dos millones, y ya en el 2011 se vendía en más de 70 países, con
primacía de Estados Unidos y Japón. Este modelo de automóvil respeta la
economía y el medio ambiente.
2.4. EL PRIUS Y SUS GENERACIONES
Se debe aclarar que el Prius no es un automóvil eléctrico, ya que la tercera
versión de este modelo cuenta con un motor de gasolina de 1,8 litros de
cilindrada (en las anteriores el cilindraje era de 1.5 litros), que trabaja
coordinadamente con un motor eléctrico, en una configuración híbrida. El motor
eléctrico sirve de apoyo al de gasolina para encontrar las condiciones ideales
de funcionamiento, e incluso en determinadas condiciones puede mover
independientemente al auto, que en tal caso se desplaza sin consumir
combustible y reduce el ruido del motor.
El motor eléctrico se alimenta de una serie de baterías que se recargan
mientras el automóvil está en movimiento, lo que se conoce como Hybrid
Synergy Drive (Conducción Híbrida de Sinergia), y por tanto no requiere una
fuente externa, problema que sufren los vehículos eléctricos, los cuales tienen
que ser enchufados periódicamente para recargarse.
14
Además posee otra estrategia de ahorro de combustible, a través de la cual el
motor de gasolina se apaga en las constantes detenciones que se dan en el
tráfico como es muy característico en Quito.
El Toyota Prius supera los problemas de baja autonomía, largo tiempo de
recarga y escasas prestaciones de los vehículos eléctricos, y se convierte en el
automóvil con motor de combustión interna de más alto rendimiento y más
bajas emisiones disponible actualmente, según la normativa de la Unión
Europea.
También el Prius utiliza un sistema de transmisión continuamente variable
denominado E-CTV. La palanca de selección está sobre el tablero y tiene
cuatro posiciones: D, R, N y B. Los primeros son los habituales Drive y Reverse
y la B es un modo en el que el sistema ofrece mayor resistencia al avance para
facilitar los descensos y frenadas. No hay posición de parqueo, ya que en el
Prius se activa con un botón independiente. Carece de caja de cambios y no
tiene marcha atrás, sino que invierte el sentido de giro del motor eléctrico
principal para retroceder.
Para arrancar el vehículo, la llave debe estar dentro de su ranura, o
simplemente, en el interior del vehículo, se pisa el freno y se presiona el botón
Power, que enciende el motor. El arranque usualmente solo emplea el motor
eléctrico, por lo cual es inmediato y silencioso. El manejo es distinto al que se
puede experimentar en un auto convencional. La activación de cada motor es
completamente imperceptible para el conductor, y lo único que se percibe es el
silencio y la suavidad en cada maniobra.
El Prius lleva más de diez años en el mercado y la demanda siempre ha ido en
aumento. Toyota construyó casi cien mil unidades en 2004, treinta mil más de
las previstas.
15
En mayo de 2000, Toyota lanzó al mercado la primera generación del vehículo
en América del Norte. Se vendieron aproximadamente cincuenta mil Prius
(modelo 2001-2003) y la firma publicó una guía de respuestas ante
emergencias (Toyota, 2015).
Con el lanzamiento de la 2ª generación del Prius en octubre de 2003 se publicó
una nueva Guía de respuesta ante emergencias (Toyota Motor Corporation,
2004). Pese a que gran parte de las características son similares al modelo de
la 1ª generación, los servicios de emergencias deben reconocer y comprender
las nuevas características actualizadas:
Actualización completa del modelo con un nuevo diseño exterior e interior.
Adopción del nombre Hybrid Synergy Drive para el sistema híbrido de
gasolina y eléctrico Toyota. El sistema Hybrid Synergy Drive incluye un
convertidor elevador en el conjunto del inversor que aumenta la tensión
disponible para el motor eléctrico hasta los 500 V. Este permite reducir la
tensión de la batería del vehículo híbrido de alta tensión a 201 V.
Se añadió un compresor de aire acondicionado que funciona con un motor
eléctrico de alta tensión de 201 V.
Se incluyó un nuevo selector electrónico del cambio de la transmisión
automática.
Se eliminó el interruptor de encendido convencional para incluir un nuevo
sistema de llave electrónica de serie o un sistema inteligente de entrada y
arranque con llave electrónica opcional.
16
Están presentes airbags frontales, airbags laterales para los pasajeros
delanteros (opcionales) y airbags de cortina para los pasajeros delanteros y
traseros (opcionales).
Entre los temas adicionales recogidos en la guía se incluyen la identificación del
Toyota Prius; las ubicaciones y descripciones de los componentes principales
del sistema Hybrid Synergy Drive; información acerca del rescate, incendios, de
recuperación y respuestas de emergencia adicionales; e información de
asistencia en carretera.
Los modelos de los Prius son los siguientes y se encuentran detallados en la
figura 4 y figura 5.
Modelo de 2001-2003 (1ª generación)
Figura 4.Toyota Prius, 1ª generación
(Toyota Motor Corporation, 2004)
17
Modelo de 2004 (2ª generación)
Figura 5. Toyota Prius, 2ª generación
(Toyota Motor Corporation, 2004)
El Toyota Prius continúa siendo en su 2ª generación un vehículo híbrido de
gasolina y eléctrico. Cuenta con dos fuentes de alimentación de energía
incorporado:
- Gasolina almacenada en el depósito de combustible para el motor de
combustión interna de 4 tiempos.
- Electricidad almacenada en una batería para vehículo híbrido (HV) de alta
tensión para el motor eléctrico y el funcionamiento del inversor.
Como resultado, se consume menos combustible y se reducen las emisiones.
El motor de gasolina alimenta también un generador eléctrico para recargar la
batería; por lo que el Prius no necesita recargarse desde una fuente de
alimentación eléctrica externa.
En función de las condiciones de conducción, se utilizará una o ambas fuentes
para impulsar el vehículo. Durante aceleraciones suaves a bajas velocidades el
18
vehículo es propulsado por el motor eléctrico y el motor de gasolina está
apagado; durante la conducción normal es propulsado principalmente por el
motor de gasolina, como se muestra en la figura 6.
Figura 6. Condiciones de trabajo
(Toyota Motor Corporation, 2004)
En aceleraciones a fondo como, por ejemplo, al subir una pendiente, el vehículo
es propulsado tanto por el motor de gasolina como por el eléctrico. Durante la
desaceleración (al frenar) el vehículo regenera la energía cinética de las ruedas
delanteras para producir electricidad y recargar la batería. Con el vehículo
detenido, el motor de gasolina y el eléctrico están apagados, no obstante, el
vehículo permanece encendido y operativo (Toyota Motor Corporation, 2004).
La siguiente figura 7 resume estas características:
Figura 7. Condiciones en variables de caminos
(Toyota Motor Corporation, 2004)
19
El Prius 2004 es un hatchback de cinco puertas. El número de identificación con
diecisiete caracteres alfanuméricos se encuentra en el cubretableros del
parabrisas delantero y en el montante de la puerta del conductor. El modelo
Prius se identifica mediante los primeros seis caracteres.
Cuenta con un selector electrónico del cambio de la transmisión automática
montado en el salpicadero, en cuyo centro se hallan un grupo de instrumentos:
velocímetro, indicador de combustible, indicador Ready e indicadores de
advertencia. Una pantalla LCD muestra el consumo de combustible, el control
de energía, de la radio y del A/C.
El motor de gasolina tiene una capacidad de 1,5 litros, y está hecho de una
aleación de aluminio (Toyota Motor Corporation, 2004).
Sus componentes principales y su ubicación son las siguientes:
Batería auxiliar de 12 V ubicada en el espacio de carga, lado del pasajero
(es una batería de plomo y ácido de baja tensión que controla todo el equipo
eléctrico a excepción del motor eléctrico, el generador, el
inversor/convertidor y el compresor del A/C).
Batería del vehículo híbrido (HV), ubicada en el espacio de carga, montada
en el travesaño, detrás del asiento trasero (es una batería de níquel e
hidruro metálico (NiMH) de 201 V que consta de 28 módulos de baja tensión
(7,2 V) conectados en serie).
Cables eléctricos en la parte inferior del vehículo y compartimiento del motor
(los de color naranja transportan corriente continua (CC) de alta tensión
entre la batería HV y el inversor/convertidor. También transporta corriente
alterna (CA) trifásica entre el inversor/convertidor, el motor, el generador y el
compresor del A/C).
20
El inversor/convertidor que se encuentra ubicado en el compartimiento del
motor aumenta y convierte la electricidad de alta tensión de la batería HV a
electricidad de CA trifásica que impulsa el motor eléctrico.
También convierte la electricidad de CA del generador eléctrico y del motor
cuando esta en estado de la frenada regenerativa en CC para recargar la
batería HV.
El motor de gasolina se encarga de dos funciones: impulsar el vehículo e
impulsar el generador encargado de recargar la batería HV. El ordenador del
vehículo controla el encendido y apagado del motor.
El motor eléctrico que se ubica en el compartimiento del motor de gasolina
es también un motor eléctrico de CA trifásica con imanes permanentes
integrado en el transeje y se utiliza para impulsar el vehículo.
El generador eléctrico genera CA trifásica integrado en el transeje. Se utiliza
para recargar la batería HV.
El compresor del A/C (compartimiento del motor) funciona con un motor
eléctrico de CA trifásica.
El depósito de combustible suministra gasolina al motor a través de una
tubería de combustible. La tubería de combustible pasa por el lado del
pasajero, bajo la bandeja del piso (Toyota Motor Corporation, 2004).
A continuación en la figura 8 se muestra una ilustración detallada sobre lo
mencionado anteriormente, indicando sus especificaciones técnicas de manera
mas concisa y descriptiva.
21
Figura 8. Especificaciones generales
(Toyota Motor Corporation, 2004)
2.5. MEDIDAS DE SEGURIDAD PARA ALTA TENSIÓN
La batería HV alimenta el sistema eléctrico de alta tensión mediante electricidad
de CC. Los cables eléctricos de alta tensión positivo y negativo van desde la
batería, pasando por debajo de la bandeja del piso del vehículo, hasta el
inversor/convertidor. El inversor/convertidor contiene un circuito que aumenta la
tensión de la batería HV de 201 a 500 V CC. El inversor crea CA trifásica para
alimentar los motores situados en el compartimiento del motor. Los cables
eléctricos van del inversor a cada uno de los motores de alta tensión (motor
eléctrico, generador eléctrico y compresor del A/C) en grupos de tres (Toyota
Motor Corporation, 2004).
Las personas y los servicios de emergencias se encuentran aislados de la
electricidad de alta tensión porque un fusible de alta tensión brinda protección
22
ante cualquier cortocircuito de la batería HV. También los cables de alta tensión
(positivo y negativo) que se conectan a la batería HV son controlados por relés
de 12 V que generalmente están abiertos y, al apagar el vehículo, impiden que
el flujo eléctrico abandone la batería. Como se encuentran aislados del chasis
de metal, no se producen descargas al tocarlo. En adición, el sistema está
habilitado con un control de fallos en la conexión a masa, y en caso de
detectarse se encenderá un indicador de advertencia tanto en el grupo de
instrumentos como en la pantalla LCD. De existir una colisión, los relés de la
batería se abrirán para interrumpir el flujo de electricidad y activar los airbags
(Toyota Motor Corporation, 2004).
2.6. SISTEMAS COMPLEMENTARIOS DEL INVERSOR
2.6.1. MOTO-GENERADORES
Los moto-generadores son motores eléctricos trifásicos de imán permanente
que trabajan con un voltaje nominal de 650 V y sus ventajas dentro del vehículo
híbrido son su compacidad, su fácil refrigeración, su bajo mantenimiento, su
baja sonoridad tal como lo indican los catálogos Toyota; también tienen
desventajas como su posibilidad de desmagnetización, riesgo de averías en el
inversor, su limitada entrega de par a alta velocidad y por supuesto su alto costo
en caso de avería y requiera ser reemplazado, estos motores son parte
fundamental para que el sistema híbrido del Toyota Prius funcione; son dos los
que utiliza este vehículo que se detallan a continuación en la figura 9:
(Catalogo Toyota Prius 3ra Generación, 2010) (Castillo & Torres, 2011)
23
Figura 9. Moto-generadores
(Toyota Motor Corporation, 2004)
2.6.2. MG1
A pesar de que el moto-generador MG1 tiene su principal función de generar
corriente alterna (AC) trifásica para recargar la batería HV; tiene también
funciones como dar energía al moto-generador MG2 como apoyo y reemplazar
el motor de arranque para encender el motor de combustión interna, sus
especificaciones se muestran a continuación en la Tabla 6. (Urdiales & Limón,
2012) (Castillo & Torres, 2011)
24
Tabla 6. Ficha Técnica de un MG1 del Toyota Prius 2010
(Urdiales & Limón, 2012)
2.6.3. MG2
El moto-generador MG2 es más conocido como motor eléctrico por generar
propulsión al vehículo de forma eléctrica hasta 50 km/h o ayudar al motor de
combustión interna para alcanzar 100 km/h en 10.9 segundos; también tiene
funciones de generador eléctrico al momento de frenadas y desaceleraciones y
aportando a la carga de la batería HV, este moto generador tiene una potencia
25
máxima de 60 Kw y un Par máximo de 207 Nm pero acoplado al reductor de
velocidad (mencionado anteriormente) este se eleva a 546 Nm; 146 Nm mas
que el Moto-generador incluido en la anterior versión del Toyota Prius el cual
entregaba 400 Nm (Mendez, 2008) (Manual Toyota Motor Corporation, 2009);
sus especificaciones se muestran a continuación en la Tabla 7:
Tabla 7. Ficha Técnica de un MG2 del Toyota Prius 2010
(Urdiales & Limón, 2012)
26
2.6.4. CABLES ELÉCTRICOS
Los cables eléctricos de alta tensión del sistema híbrido de los Toyota son de
color naranja y su función es conducir corriente continua (DC) de alta tensión
desde la batería HV hasta el inversor y viceversa, también transportan corriente
alterna trifásica (AC) desde el inversor hasta el moto-generador MG1, el moto-
generador MG2 y el compresor eléctrico de aire acondicionado (A/C) tal como
se observa en la figura 10. (Manual Toyota Motor Corporation, 2009)
Figura 10. Conjunto de cables de alta tensión
(Toyota Motor Corporation, 2010)
2.6.5. CONJUNTO DE LA BATERÍA HV (HIGH VOLTAGE)
El conjunto de la batería HV es de tipo níquel-hidruro metálico (NiMH) con 201.6
Voltios de corriente continua (DC), conformado por 28 celdas de 7.2 Voltios
conectadas en serie, el conjunto de batería HV está colocada en la parte trasera
del vehículo debajo del asiento trasero para tener menor riesgo de deformación
en caso de un impacto o choque del vehículo, el electrolito que contiene las
27
celdas del conjunto de baterías es en gel para minimizar cualquier riesgo de
fugas, también está protegida por carcasas metálicas, el conjunto de la batería
HV cuenta con una ECU HV, situada junto a la batería HV, para poder controlar
y conocer el estado de carga y temperatura de la batería, para poder realizar
diagnósticos y crear códigos de falla (DTC) si es el caso, como se observa en la
figura 11. (Augeri, 2012) (Amaguaya & Cachupud, 2011) (Urdiales & Limón,
2012), a continuación se muestran las especificaciones en la Tabla 8:
Figura 11. Conjunto de batería HV
(Toyota Motor Corporation, 2010)
28
Tabla 8. Especificaciones de la batería híbrida del Prius 2010
(Catálogo Toyota Prius 3ra Generación, 2010)
2.6.6. ELECTRÓNICA EN POTENCIA
La expresión electrónica en potencia se utiliza para diferenciar el tipo de
aplicación que se le da a dispositivos electrónicos, en este caso para
transformar y controlar voltajes y corrientes de niveles significativos. Se
diferencia así este tipo de aplicación de otras de la electrónica denominadas de
baja potencia o también de corrientes débiles
En este tipo de aplicación se reencuentran la electricidad y la electrónica, pues
se utiliza el control que permiten los circuitos electrónicos para controlar la
conducción (encendido y apagado) de semiconductores de potencia para el
29
manejo de corrientes y voltajes en aplicaciones de potencia, esto al conformar
equipos denominados convertidores estáticos de potencia. (Wikipedia, 2012)
De esta manera, la electrónica de potencia permite adaptar y transformar la
energía eléctrica para distintos fines tales como alimentar controladamente
otros equipos, transformar la energía eléctrica de continua a alterna o viceversa,
y controlar la velocidad y el funcionamiento de máquinas eléctricas, etc.
mediante el empleo de dispositivos electrónicos, principalmente
semiconductores. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control,
sistemas de compensación de factor de potencia y/o de armónicos como para
suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión de
sistemas eléctricos de potencia de distinta frecuencia. (Wikipedia, 2012)
El principal objetivo de esta disciplina es el manejo y transformación de la
energía de una forma eficiente, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos,
potenciales generadores de pérdidas por efecto Joule (se conoce como efecto
Joule al fenómeno irreversible por el cual si en un conductor circula corriente
eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor
debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el
que circulan, elevando la temperatura del mismo). Los principales dispositivos
utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así como semiconductores
trabajando en modo corte/saturación (on/off, encendido y apagado). (Wikipedia,
2012)
2.6.6.1. Dispositivos semiconductores de potencia
Para estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos
semiconductores de potencia, los cuales derivan del diodo o el transistor, entre
estos se encuentran los siguientes:
Rectificador controlado de silicio (SCR en inglés)
30
Transistor IGBT, sigla para Insulated Gate Bipolar Transistor, Transistor
Bipolar con compuerta aislada
Tiristor GTO, sigla para Gated Turnoff Thyristor, Tiristor apagado por
compuerta
Tiristor IGCT, sigla para Insulated Gate Controlled Thyristor, Tiristor
controlado por compuerta
Tiristor MCT, sigla para MOS Controlled Thyristor
2.6.6.2. Convertidores de la energía eléctrica
Conversión de potencia es el proceso de convertir una forma de energía en
otra, esto puede incluir procesos electromecánicos o electroquímicos, dichos
dispositivos son empleados en equipos que se denominan convertidores
estáticos de potencia, clasificados en:
Rectificadores: convierten corriente alterna en corriente continua
Inversores: convierten corriente continua en corriente alterna
Cicloconversores: convierten corriente alterna en corriente alterna de otra
frecuencia menor
Choppers: convierten corriente continua en corriente continua de menor
o mayor tensión
En la actualidad esta disciplina está cobrando cada vez más importancia debido
principalmente a la elevada eficiencia de los convertidores electrónicos en
comparación a los métodos tradicionales, y su mayor versatilidad, un paso
imprescindible para que se produjera esta revolución fue el desarrollo de
dispositivos capaces de manejar las elevadas potencias necesarias en tareas
de distribución eléctrica o manejo de potentes motores. (Wikipedia, 2012)
31
2.6.6.3. Aplicaciones
Las principales aplicaciones de los convertidores electrónicos de potencia son
las siguientes:
Fuentes de alimentación: En la actualidad han cobrado gran importancia
un subtipo de fuentes de alimentación electrónicas, denominadas fuentes
de alimentación conmutadas. Estas fuentes se caracterizan por su
elevado rendimiento y reducción de volumen necesario. El ejemplo más
claro de aplicación se encuentra en la fuente de alimentación de los
ordenadores. (Wikipedia, 2012)
Control de motores eléctricos: La utilización de convertidores electrónicos
permite controlar parámetros tales como la posición, velocidad o par
suministrado por un motor. Este tipo de control se utiliza en la actualidad
en los sistemas de aire acondicionado. Esta técnica, denominada
comercialmente como "inverter" sustituye el antiguo control
encendido/apagado por una regulación de velocidad que permite ahorrar
energía. Asimismo, se ha utilizado ampliamente en tracción ferroviaria,
principalmente en vehículos aptos para corriente continua (C.C.) durante
las décadas de los años 70 y 80, ya que permite ajustar el consumo de
energía a las necesidades reales del motor de tracción, en
contraposición con el consumo que tenían los vehículos controlados por
resistencias de arranque y frenado. Actualmente el sistema chopper
sigue siendo válido, pero ya no se emplea en la fabricación de nuevos
vehículos, puesto que actualmente se utilizan equipos basados en el
motor trifásico, mucho más potente y fiable que el motor de colector.
Calentamiento por inducción: Consiste en el calentamiento de un
material conductor a través del campo generado por un inductor. La
alimentación del inductor se realiza a alta frecuencia, generalmente en el
rango de los kHz, de manera que se hacen necesarios convertidores
32
electrónicos de frecuencia. La aplicación más vistosa se encuentra en las
cocinas de inducción actuales.
Otras: Como se ha comentado anteriormente son innumerables las
aplicaciones de la electrónica de potencia. Además de las ya
comentadas destacan: sistemas de alimentación ininterrumpida,
sistemas de control del factor de potencia, balastos electrónicos para
iluminación a alta frecuencia, interfase entre fuentes de energía
renovables y la red eléctrica, etc. (Wikipedia, 2012)
Las líneas de investigación actuales buscan la integración de dispositivos de
potencia y control en un único chip, reduciendo costes y multiplicando sus
potenciales aplicaciones. No obstante existen dificultades a salvar como el
aislamiento entre zonas trabajando a altas tensiones y circuitería de control, así
como la disipación de la potencia perdida.
2.6.7. INVERSOR EN LA ELECTRÓNICA
La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua
a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y
frecuencia deseada por el usuario o el diseñador. Los inversores se utilizan en
una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de alimentación
para computadoras como se muestra en la figura 12, hasta aplicaciones
industriales para controlar alta potencia. Los inversores también se utilizan para
convertir la corriente continua generada por los paneles solares fotovoltaicos,
acumuladores o baterías, etc, en corriente alterna y de esta manera poder ser
inyectados en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas aisladas.
33
Figura 12. Inversor de voltaje de 24 V
(Dispositivos y componentes eléctricos, 2011)
2.6.7.1. Funcionamiento
Un inversor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual
se utiliza para interrumpir la corriente entrante y generar una onda rectangular,
esta onda rectangular alimenta a un transformador que suaviza su forma,
haciéndola parecer un poco más una onda senoidal y produciendo el voltaje de
salida necesario. La forma de onda de salida del voltaje de un inversor ideal
debería ser sinusoidal. Una buena técnica para lograr esto es utilizar la técnica
de PWM logrando que la componente principal senoidal sea mucho más grande
que las armónicas superiores. (Wikipedia, 2012)
Los inversores más modernos han comenzado a utilizar formas más avanzadas
de transistores o dispositivos similares, como los tiristores, los triac o los IGBT.
Los inversores más eficientes utilizan varios artificios electrónicos para tratar de
llegar a una onda que simule razonablemente a una onda senoidal en la
entrada del transformador, en vez de depender de éste para suavizar la onda.
Se pueden clasificar en general en dos tipos: 1) inversores monofásicos y 2)
inversores trifásicos.
34
Se pueden utilizar condensadores e inductores para suavizar el flujo de
corriente desde y hacia el transformador, además, es posible producir una
llamada "onda senoidal modificada", la cual se genera a partir de tres puntos:
uno positivo, uno negativo y uno de tierra. Una circuitería lógica se encarga de
activar los transistores de manera que se alternen adecuadamente. Los
inversores de onda senoidal modificada pueden causar que ciertas cargas,
como motores, por ejemplo; operen de manera menos eficiente como se
observa en la figura 13. (Wikipedia, 2012)
Figura 13. Esquema de funcionamiento de un inversor convencional
(es.slideshare.net, 2013)
35
Los inversores más avanzados utilizan la modulación por ancho de pulsos con
una frecuencia portadora mucho más alta para aproximarse más a la onda seno
o modulaciones por vectores de espacio mejorando la distorsión armónica de
salida. También se puede predistorsionar la onda para mejorar el factor de
potencia (cos Φ). (Wikipedia, 2012)
Los inversores de alta potencia, en lugar de transistores utilizan un dispositivo
de conmutación llamado IGBT (Insulated Gate Bipolar transistor ó Transistor
Bipolar de Puerta Aislada). (Wikipedia, 2012)
2.7. SISTEMA INVERSOR DEL TOYOTA PRIUS
Este componente es parte fundamental del vehículo Híbrido el cual incorpora
una gran cantidad de elementos electrónicos y eléctricos tales como
transistores, módulos, etc, pero toda la gestión de funcionamiento es controlada
por la unidad de control del sistema Hibrido ECU HV, esta última se encarga de
controlar al inversor y generar cualquier tipo de diagnóstico del mismo incluidos
los DTC o códigos de falla del sistema inversor, el cual se observa en la figura
14.
Figura 14. Inversor Prius 3 generación
(www.forocoches.com, 2011)
36
Dentro del conjunto que se conoce como Inversor, el cual convierte la corriente
continua (CC) en corriente alterna (CA) y a su vez la corriente alterna generada
se convierte en corriente continua, podemos encontrar varias etapas o sistemas
independientes.
Dentro de las funciones de este elemento se tienen por ejemplo:
• Permitir el control de los Moto Generadores MG1 – MG2 con un circuito
constituido en su interior (que toma la tensión de la Batería de alto Voltaje HV
la cual se encuentra en 220 VCC aproximadamente) y mediante un circuito de
potencia generar una corriente alterna en tres fases que permita el movimiento
de los motores eléctricos, el sistema sin carcaza se observa en la figura 15.
(Urdiales & Limón, 2012)
Figura 15. Sistema inversor observado internamente
(Toyota Motor Corporation, 2010)
• Permitir mediante la tensión de la Batería de alto Voltaje HV, generar una
corriente alterna en tres fases que es utilizada para mover un motor eléctrico
que acciona el mecanismo del aire acondicionado, puesto que el motor de
combustión interna se apaga por momentos aunque el auto siga en movimiento.
37
• Permitir que mediante la tensión de la batería de alto voltaje HV, se pueda
convertir la tensión a 12 V para mantener la carga a una batería de 12 V que
funciona para accesorios, equipos eléctricos y electrónicos y mecanismos
convencionales. (Urdiales & Limón, 2012)
• Permitir la carga de la batería de alta Tensión mediante los Moto Generadores
MG1 y MG2, esto con una electrónica basada en transistores IGBT y
rectificadores controlada por la unidad de control del sistema Hibrido ECU HV.
• Permitir el movimiento del Moto Generador 1 -MG1 - en condición de arranque
para el motor de combustión interna.
Es un sistema que trabaja basándose en las señales proporcionadas por la
Unidad de Control Electrónico (ECU) del Vehículo Híbrido (HV). El inversor de
esta manera convierte una corriente continua procedente de la batería del HV a
corriente alterna para el Moto Generador 1 (MG1) y Moto Generador 2 (MG2), o
de manera opuesta, como se muestra en la figura 16.
Figura 16. Inversor Prius
(Mecanica Virtual, 2015)
38
Además de esto, el inversor suministra corriente alterna desde MG1 para la
corriente alterna del MG2. No obstante, cuando la electricidad se suministra
desde el MG1 al MG2, la electricidad se convierte a Corriente continua (CC)
dentro del inversor. (Los autos híbridos, 2012)
La ECU de HV envía una señal al transistor de potencia del inversor para el
conmutador de fase U (entrada de tensión), V (elevación de tensión), y W
(salida de tensión) de la bobina del estator de MG1 y MG2, basándose en la
información de la posición del rotor que previamente ha sido enviada desde el
MG1 y el MG2 además de la señal de referencia de la batería HV enviada
desde la ECU de la misma batería. Cuando se desconecta la corriente de MG1
y MG2, se envía una señal al inversor desde de la ECU de HV.
La siguiente figura 17 ilustra lo explicado previamente:
Figura 17. Función de conversión de elevación de tensión
(Mecanica Virtual, 2015)
39
Cabe recalcar que toda la actividad de los transistores de potencia es
controlada por la misma ECU de HV. Además, el inversor transmite la
información necesaria para controlar la corriente, tal como el amperaje de salida
o la misma tensión hacia la ECU de HV. (Los autos híbridos, 2012)
También es importante recordar que el MG1 y el MG2, incluyendo el inversor,
son enfriado por el radiador de manera exclusiva, es decir, separado del
sistema de refrigeración del motor de combustión interna.
2.7.1. SISTEMA GENERADOR
El sistema generador es el elemento que se encarga de transformar en
electricidad el trabajo del motor térmico; puede también funcionar como motor
de arranque del motor térmico de combustión interna. Este generador es de
corriente alterna y en condiciones extremas gira al doble de régimen que el
motor térmico de combustión interna. (Díaz, 2012)
2.7.2. SISTEMA CONVERTIDOR DE ELEVACIÓN DE TENSIÓN
Este sistema denominado convertidor de elevación de tensión eleva la tensión
nominal de 201,6 V CC, que sale de la batería HV, a una tensión máxima de
500 V CC. Este sistema convertidor consta del Módulo de Poder Integrado
(IPM) que proporciona la elevación de tensión con el Transistor Bipolar de
Puerta Aislada (IGBT) que está incluido, el cual efectúa el control de
conmutación, y del mismo reactor que almacena la energía. Una vez que se
están empleando estos componentes, el sistema convertidor eleva la tensión,
como se muestra en la figura 18.
40
Figura 18. Diagrama del sistema convertidor
(Official Toyota Info, 2015)
2.7.3. EL MOTOR ELÉCTRICO
Este motor eléctrico lo fabrica la empresa dependiendo del vehículo híbrido que
sea, en este caso Toyota. Es un motor de imanes permanentes de neodimio
(elemento químico), el cual funciona a 500 Voltios (V) y puede dar 50 Kilowatt
(kW) entre 1200 y 1540 revoluciones por minuto (rpm) y su par máximo viene a
ser 400 Newton Metros (Nm) hasta 1200 rpm.
Basándose en detalles más específicos, tiene un peso aproximado de 105
kilogramos (kg) y según ha declarado Toyota: “No hay otro motor eléctrico en el
mundo, ni en ningún otro sector de la industria, que dé más potencia con menos
tamaño y peso que este”. (Toyota Motor Corporation, 2010)
2.7.4. SISTEMA CONVERTIDOR DE CC/CC
La fuente de alimentación del equipo auxiliar del vehículo, como son las luces
del sistema de aire acondicionado (con excepción del compresor de A/C), así
como las ECU, se basa en un sistema de 12 V CC.
41
Puesto que el generador del Toyota Hybrid System II (THS-II) emite una tensión
nominal de 201,6 V CC, el convertidor se usa para transformar la tensión desde
201,6 V CC a 12 V CC para recargar la batería auxiliar, como se muestra en la
figura 19. El convertidor está instalado en la parte inferior del inversor. (Los
autos híbridos, 2012)
Figura 19. Diagrama del sistema convertidor CC/CC
(Priuschat, 2015)
2.7.5. SISTEMA DE REFRIGERACION DEL INVERSOR, MG1 Y MG2
Por motivos de seguridad y eficiencia se ha adoptado un sistema de
enfriamiento a través de una bomba de agua para el inversor, MG1 y MG2, el
cual está separado del sistema de enfriamiento del motor. Se activa cuando se
conmuta el estado de la alimentación a encendido. El radiador para el sistema
de enfriamiento está integrado con el mismo radiador del motor de gasolina,
como se muestra en la figura 20. Por esta razón se ha simplificado el radiador y
se ha optimizado el espacio que ocupa. (Díaz, 2012)
42
Figura 20. Conjunto de refrigeración del sistema inversor
(Priuschat, 2015)
Dadas las condiciones normales de operación en el vehículo este elemento
requiere evacuar calor, para esto cuenta con un sistema independiente de
refrigeración con refrigerante y con una bomba eléctrica adicional, esto último
para permitir que la electrónica cuente con la seguridad necesaria para su
óptimo desempeño, en la siguiente figura 21 siguiente se pueden observar
estos conductos para enfriamiento, además que el modo de refrigeración del
sistema inversor es mediante un refrigerante automotriz de color rojo, el mismo
que se utiliza en el sistema de refrigeración de cualquier vehículo.
Si por alguna razón el sistema de refrigeración principal del sistema inversor
llegara a fallar, existe un sistema de refrigeración de apoyo o secundario, se
trata de un gel especial de uso automotriz, el cual tiene un parecido con el
extracto de aloe vera que se usa sobre quemaduras en la piel o cuando se
43
presenta la fiebre, al aplicarlo la temperatura baja considerablemente y este
mismo principio se utiliza con este gel que se encuentra en la base inferior del
conjunto inversor estando muy cerca de las celdas de refrigeración, el cual en
un caso de emergencia entra en acción reduciendo el incremento de
temperatura y favoreciendo al correcto funcionamiento del sistema eléctrico que
compone el conjunto inversor; cabe recalcar que este gel no brinda una
refrigeración a largo plazo, es por eso que una vez presentada la falla en el
sistema de refrigeración principal se debe realizar el mantenimiento
correspondiente.
Figura 21. Circuitos de refrigeración del sistema inversor
(Mecanica Virtual, 2015)
44
2.7.6. MÓDULO DEL SISTEMA INVERSOR DEL TOYOTA PRIUS
Este componente es una parte fundamental del vehículo híbrido, ya que
incorpora una gran cantidad de elementos electrónicos y eléctricos. A pesar de
eso, toda la gestión de funcionamiento es controlada por la unidad de control
del sistema híbrido ECU HV, encargada de controlar al inversor y generar
cualquier tipo de diagnóstico del mismo, incluidos los Códigos de Falla (DTC).
Al interior del conjunto conocido como inversor pueden encontrarse varias
etapas o sistemas independientes: debe permitirse que se dé el control de los
MG1-MG2 con un circuito constituido en su interior y mediante un circuito de
potencia que genera una corriente alterna en tres fases que permita el
movimiento de los motores eléctricos; un motor eléctrico acciona el mecanismo
del acondicionador de aire, puesto que el motor de combustión interna se apaga
por momentos aunque el auto siga en movimiento; es así que dadas las
condiciones normales de operación en el vehículo, este elemento requiere
evacuar calor, y para esto cuenta con un sistema independiente de refrigeración
con refrigerante y una bomba eléctrica adicional. (Los autos híbridos, 2012)
Esto se ha hecho para permitir que la electrónica cuente con la seguridad
necesaria para su óptimo desempeño.
2.7.7. INSTALACIÓN Y ELEMENTOS DE ALTA TENSIÓN
El vehículo híbrido posee cables de alta tensión, y la instalación eléctrica para la
propulsión funciona con 500 V, además hay otra instalación de 12 V para los
demás elementos eléctricos del auto.
45
En cierto modo para reducir peso y también precio, la red de cables de alta
tensión no es de cobre, sino de aluminio. Por ello hay sensores que cortan
instantáneamente la corriente en caso de accidente o cortocircuito, como se ve
en la figura 22.
La tensión de funcionamiento del circuito de alta tensión varía en función de la
evolución del sistema híbrido THS. (Cise Electronics, 2011)
Figura 22. Componentes y cables de alto voltaje
(Híbridos Prius, 2015)
46
2.8. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA HYBRID SYNERGY
DRIVE (HSD)
El sistema Hybrid Synergy Drive (HSD) es el nombre que le dio Toyota al
sistema de propulsión híbrida que combina dos motores eléctricos con un motor
de gasolina de 1.8 litros, el cual funciona de la siguiente manera:
Aceleración Inicial o puesta en marcha:
Durante la aceleración inicial y a bajas revoluciones, figura 23, utiliza energía de
la batería para mover el vehículo, en este caso solo el MG2 impulsa el vehículo,
cuando el nivel de energía es bajo utiliza el motor de combustión interna para
dar potencia al generador (MG1) y recargar la batería HV. (Ferrer & Domínguez,
2008).
Figura 23. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en
aceleración inicial
Conducción Normal:
Al momento de conducir en condiciones normales ósea una vez de que el
vehículo salga de la inercia y este tomando velocidad, figura 24, el motor de
combustión interna es impulsado para su encendido por el generador MG1 y el
47
motor convencional pasa a ser la principal fuente de energía transmitiendo su
potencia directamente a las ruedas, el generador (MG1) también trabaja como
generador alimentando el motor eléctrico (MG2), el Hybrid Synergy Drive
siempre trata de mantener la relación óptima entre la potencia de ambos
motores para la disminución de gases emitidos y el ahorro de combustible del
vehículo. (Urdiales & Limón, 2012) (Ferrer & Domínguez, 2008)
Figura 24. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en
conducción normal.
Aceleración fuerte:
Al tratar de rebasar o acelerar de golpe para subir una cuesta se combinan las
fuentes en el cual el motor eléctrico (MG2), alimentado simultáneamente por el
generador (MG1) y la batería HV, trabaja conjunto con el motor de combustión
interna apoyándolo para lograr proporcionar la máxima potencia al vehículo,
como se muestra en la figura 25. (Manual Toyota Motor Corporation, 2009)
48
Figura 25. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en
aceleración fuerte
Desaceleración y frenado:
Al dejar de acelerar y luego pisar el pedal del freno, el motor eléctrico (MG2) se
convierte en generador y comienza a cargar la batería HV, mientras tanto, con
la palanca de cambios en posición D, el motor de combustión interna se apaga
para no consumir combustible, pero con la palanca de cambios en posición B el
motor de combustión interna gira para dar freno motor y dar un apoyo extra a la
batería HV con una carga más efectiva, como se muestra en la figura 26.
(Manual Toyota Motor Corporation, 2009)
Figura 26. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en
desaceleración y frenado
49
Marcha atrás o Retro:
Al colocar la palanca de cambios en posición R cuando se requiere un retroceso
del vehículo, es netamente impulsado por el motor eléctrico (MG2) y el motor de
combustión interna se enciende cuando es requerido para cargar la batería HV,
caso contrario permanece apagado hasta el momento que sea requerido de
nuevo, como se muestra en la figura 27. (Urdiales & Limón, 2012)
Figura 27. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en marcha atrás
Detención o parada:
Al momento de detener por completo el vehículo como por ejemplo esperando
un semáforo o en el trafico de la ciudad, el motor de combustión interna se
apaga para no consumir combustible y se enciende solamente si es necesario
para cargar la batería HV y aumentar su temperatura, como se muestra en la
figura 28. (Urdiales & Limón, 2012)
50
Figura 28. Funcionamiento del Hybrid Synergy Drive en detención
51
3. METODOLOGÍA
El tipo de metodología que se utilizará en el presente análisis es descriptiva en
primera instancia, el análisis empezará de esta forma y continuará avanzando
hasta llegar a temas relacionados con los componentes, funcionamiento y
estructura del auto híbrido, específicamente en lo que se refiere al sistema
inversor del vehículo híbrido, dando cierta relevancia a los elementos que
aportan a su trabajo, tanto en su estructura como en su funcionamiento.
El análisis, reconocimiento y manipulación de los componentes se harán en un
taller automotriz previamente escogido, ya que este cuenta con todas las
herramientas necesarias para desarmar partes elementales del vehículo como
son: carcazas de protección del inversor, sistema de refrigeración, cubiertas
plásticas de acceso a la batería; ya que con estos elementos ensamblados no
se puede acceder al sistema inversor de manera práctica.
Una vez que se termine la fase de análisis, reconocimiento y manipulación, se
pasará a la fase de desarmado del conjunto inversor, aquí se utilizará el método
de análisis práctico-didáctico para observar y reconocer el funcionamiento que
tiene este sistema en el vehículo híbrido.
Durante este análisis, para obtener la información necesaria del funcionamiento
del sistema inversor en el vehículo, lo que se hará es utilizar un inversor de un
vehículo Toyota Highlander que tiene el mismo principio de funcionamiento que
el Prius, variando únicamente en su tamaño, este inversor será utilizado debido
a que el inversor del Prius en su gran parte no puede ser ni modificado ni
desarmado en forma de despiece total o parcial, ya que este elemento será
utilizado, analizado e investigado en futuras prácticas académicas y a su vez el
inversor debe estar en buen estado para brindar un funcionamiento adecuado y
ópitmo al Toyota Prius.
52
Además otra de las razones por la cual se utiliza un inversor adicional, es
debido a que este elemento es una parte vital y primordial del funcionamiento
adecuado de un vehículo híbrido, además teniendo en cuenta que la
manipulación incorrecta del mismo provocaría un daño grave el cual se
soluciona intentando repararlo o como resultado más grave únicamente
cambiando todo el sistema inversor, lo que sería un punto negativo en relación
al uso que podrían tener los alumnos de la universidad.
Una vez aclarado este aspecto, se da como punto de partida que el inversor del
vehículo Prius únicamente fue desarmado, visualizado y manipulado
superficialmente, y el desarmado de piezas claves se realizó en el inversor del
vehículo Highlander.
3.1 ENFOQUE GENERAL
El presente análisis se realizará en un vehículo híbrido, Toyota Prius modelo
2010, en el cual se analizará y estudiará todas las características de los
componentes que forman el sistema inversor, sistema que es el que le da la
característica híbrida al auto. Además, el fin del análisis es conocer el
funcionamiento y desempeño real de este vehículo en los cambios entre
consumo de gasolina y funcionamiento eléctrico, por lo que únicamente se
llegará hacer la descripción completa de los componentes que forman parte del
sistema y el funcionamiento de cada uno de ellos, a continuación se muestran
las especificaciones técnicas del Toyota Prius de manera general y concisa, tal
como se muestra en la figura 29.
53
Figura 29. Especificaciones técnicas Toyota Prius 2010
(Toyota Motor Corporation, 2010)
Se describirá en el análisis detalladamente la ubicación de cada elemento que
forma parte del sistema inversor del vehículo, así como su funcionamiento.
El fin de este análisis es aportar una fuente de información para capacitación de
todos los estudiantes de la carrera de Ingeniería Automotriz en la Universidad
Tecnológica Equinoccial, ya que actualmente la cantidad de información
disponible sobre nuevas tecnologías, vehículos híbridos y sistemas complejos
como el Inversor Híbrido, es muy limitada todavía en el país.
3.2. HERRAMIENTAS/TÉCNICAS
La herramienta principal que se usará en el análisis del sistema inversor, es un
Toyota Prius modelo 2010 de tercera generación, como se muestra en la figura
30, en el cual se hará el desmontaje parcial del sistema ya mencionado, todas
las observaciones, análisis e información, así como el reconocimiento de los
componentes y sus características.
54
Figura 30. Toyota Prius 2010, tercera generación
Las herramientas que van a usarse para el desarrollo de este análisis son:
Vehículo Híbrido, Toyota Prius que se observó en la figura 30.
Llaves y destornilladores
Guantes de seguridad aislantes, como se observa en la figura 31
55
Figura 31. Guantes aislantes para descargas eléctricas
Cámara de fotografías
Inversor Toyota Prius, como se observa en la figura 32
Figura 32. Sistema Inversor
56
Software TechStream de Toyota, como se observa en la figura 33.
Figura 33. Software de diagnóstico automotriz TechStream de Toyota
La técnica que se utiliza es realizar un análisis didáctico y práctico directamente
en el vehículo. Cuando se encuentre deshabilitado de todas sus fuentes de
corriente, mediante la utilización del software TechStream, juntamente con la
manipulación del sistema Inversor, para posteriormente analizar todos los datos
obtenidos en función de lograr los objetivos de esta investigación y de esta
manera culminar el análisis propuesto.
Toda la información recopilada en este análisis será usada posteriormente en el
capítulo de análisis de resultados y finalmente utilizado para la discusión de
conclusiones y recomendaciones.
57
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Antes de iniciar con este capítulo se dará un breve resumen del sistema
Inversor del vehículo Prius para recordar su funcionamiento y características
principales; En el Sistema Inversor del Toyota Prius dentro de las funciones
principales de este elemento se tienen por ejemplo:
• Permitir el control de los Moto Generadores MG1 – MG2 con un circuito
constituido en su interior (que toma la tensión de la Batería de alto Voltaje HV
la cual se encuentra en 220 VCC aproximadamente) y mediante un circuito de
potencia generar una corriente alterna en tres fases que permita el movimiento
de los motores eléctricos. (Urdiales & Limón, 2012)
• Permitir mediante la tensión de la Batería de alto Voltaje HV, generar una
corriente alterna en tres fases que es utilizada para mover un motor eléctrico
que acciona el mecanismo del aire acondicionado, puesto que el motor de
combustión interna se apaga por momentos aunque el auto siga en movimiento.
• Permitir que mediante la tensión de la batería de alto voltaje HV, se pueda
convertir la tensión a 12 V para mantener la carga a una batería de 12 V que
funciona para accesorios, equipos eléctricos y electrónicos y mecanismos
convencionales. (Urdiales & Limón, 2012)
• Permitir la carga de la batería de alta Tensión mediante los Moto Generadores
MG1 y MG2, esto con una electrónica basada en transistores IGBT y
rectificadores controlada por la unidad de control del sistema Hibrido ECU HV.
• Permitir el movimiento del Moto Generador 1 -MG1 - en condición de arranque
para el motor de combustión interna.
58
Es un sistema que trabaja basándose en las señales proporcionadas por la
Unidad de Control Electrónico (ECU) del Vehículo Híbrido (HV). El inversor de
esta manera convierte una corriente continua procedente de la batería del HV a
corriente alterna para el Moto Generador 1 (MG1) y Moto Generador 2 (MG2), o
de manera opuesta.
Basado en todo lo mencionado en la metodología y teniendo en cuenta que el
principal objetivo de este estudio es realizar un análisis completo del sistema
inversor, se realizaron procesos de desarmado y observación del sistema
inversor, siguiendo todos los pasos de seguridad y es así que el análisis de
resultado viene a ser didáctico y práctico, detallado a continuación
4.1. PROCESO DE DESARMADO
4.1.1. SEGURIDAD BÁSICA E INTRODUCCIÓN
Para el proceso de desarmado se deben tomar ciertas precauciones:
Desconectar el jumper (sistema que cumple la función de fusible que
permite el paso de corriente al sistema híbrido).
Desconectar la batería auxiliar de 12 V.
Observar que todas las fuentes de corriente estén desactivadas.
Manipular todos los elementos con guantes de seguridad.
Es indispensable realizar todas estas operaciones previamente antes de
manipular los elementos del sistema híbrido, ya que la elevada tensión
59
existente en los cables de color naranja es capaz de matar a una persona y en
el mejor de los casos dejarle quemaduras de alta gravedad.
Es importante también conocer que función cumplen cada uno de los cables
que conectan el sistema inversor, estas funciones ya fueron explicadas en el
marco teórico, es así que se puede conocer estas características con un
diagrama eléctrico del sistema inversor, como se observa en la figura 34.
Figura 34. Diagrama eléctrico del Sistema Inversor
(Toyota Motor Corporation, 2010)
4.1.1.1. Módulo IPM
Este módulo genera la conmutación a masa del reactor, utiliza transistores con
tecnología IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor – transistor bipolar de
compuerta aislada) los cuales cuentan con características eléctricas que le
60
permiten conmutar a altas frecuencias y cargas elevadas. Este módulo
completa la salida de poder y sirve como protección lógica del circuito, el
módulo desarmado se observa en la figura 35.
Figura 35. Módulo IPM del sistema Inversor
(Toyota Motor Corporation, 2010)
Los IPM son módulos aislados, diseñados para aplicaciones de manejo de
poder conmutado que operan en altas frecuencias, alrededor de 20 KHZ,
contiene circuitos de control y sensores para una operación segura, contiene
dos diodos de poder llamados free-wheel, esta denominación hace referencia
hacia el voltaje y amperaje que manejen, las denominaciones varían entre
fabricantes.
Internamente los estos componentes se encargan de las conmutaciones, se
puede dividir para su estudio en dos partes: aquella que permite la elevación de
la tensión hasta 500 V aproximadamente y la que trabaja con el transistor 2 el
cual en el momento de trabajo como fuente se encuentra apagado, pero en
momentos determinados se enciende para permitir el paso de la carga de los
Moto-Generadores hacia la batería.
61
Como se observa en la figura 36 se puede apreciar la estructura interna del
IPM, cuenta con las salidas E2 las cuales son masa de la batería de alto voltaje,
por otro lado, se aprecia C2E1 la cual es usada para el control del Reactor
(bobina), en esta salida se puede apreciar la actuación del transistor T1. Se
aprecia que existe un sensor de temperatura.
En la segunda parte del IPM se encuentra el Transistor T2 el cual presenta su
salida en el Borne C1, en ese punto se encuentra colocado el voltaje de alta
después del diodo D2, allí se encuentra la tensión estabilizadora para el uso de
los motores de tres fases.
Figura 36. Esquema de un circuito del módulo IPM
(Toyota Motor Corporation, 2010)
Tomando en cuenta el riesgo de alta tensión que existe en el sistema es por
esta razón que el paso fundamental previo es el de desconectar el jumper,
como se observa en la figura 37, que deja sin corriente a la batería del sistema
62
híbrido de la figura 38. Una vez hecho esto es factible realizar cualquier
manipulación, con el debido cuidado.
Figura 37. Jumper
Figura 38. Batería del sistema híbrido
63
Una vez desconectado el jumper se puede tener libre acceso al sistema
inversor, pues en sus líneas o cables de alimentación de alto voltaje observados
en la figura 39, ya no existirá corriente peligrosa.
Figura 39. Cables de alimentación de alto voltaje
Finalmente, para evitar de riesgos de accidentes eléctricos, se debe
desconectar la alimentación de la batería auxiliar de 12 V, y verificar que la
batería del sistema híbrido también se encuentre totalmente desconectada y sin
alimentación, como se observa en la figura 40.
Figura 40. Baterías sin alimentación de corriente
64
4.1.2. RECONOCIMIENTO DEL SISTEMA INVERSOR Y SUS ANCLAJES
Una vez realizado el control de seguridad y desconectadas todas las piezas que
puedan causar accidentes, se procede a ubicar el sistema inversor en la zona
del motor del vehículo.
El sistema inversor de la figura 41, en el caso del Toyota Prius se ubica en la
parte derecha del habitáculo del motor, con la persona parada hacia el frente,
tiene una apariencia de una caja metalica con un logo amarillo que indica
riesgos de choques eléctricos, más arriba se encuentra el depósito de
refrigerante del Sistema Inversor.
Figura 41. Sistema inversor en la zona del motor
Para saber identificar el sistema inversor puede buscarse la advertencia
observada en la figura 42, que trae en su tapa o parte superior, que indica que
es un elemento que no se debe tocar ya que tiene una elevada tensión. En caso
de que no se aprecie la advertencia, el inversor es aquel que tiene 3 cables de
65
alimentación de color naranja (este color representa peligro de altas descargas
eléctricas o cables que conducen una elevada tensión), que son los encargados
de llevar la corriente de alta tensión para transformarla y posteriormente llevarla
a los MG1 y MG2, observados en la figura 43.
Figura 42. Advertencia de alta tensión
Figura 43. Cables de alta tensión de color naranja
66
4.1.3. DESMONTAJE DE PARTES Y CONEXIONES
Una vez identificado el lugar del sistema inversor, se procede a desarmar todos
los anclajes y conexiones que lo aseguran y conectan. Lo principal es
desmontar las tuercas de sujeción en la parte superior como se observa en la
figura 44, y además desarmar todas las tuercas y pernos de la base que
mantiene fijo a todo el conjunto Inversor.
Figura 44. Tuercas y pernos de sujeción
Luego de desarmar y aflojar las tuercas, se procede a retirar las tapas de
protección del sistema de la figura 45, tomando en cuenta que una de ellas
tiene un pequeño enchufe observado en la figura 46, que es un jumper
secundario, que ayuda a controlar el buen funcionamiento del sistema, este
desconecta por completo las señales de la ECU del HV y asi se asegura que no
existirá paso de corriente.
67
Figura 45. Desmontaje de las tapas de protección
Figura 46. Pequeño enchufe de seguridad estilo jumper
Este pequeño sistema de seguridad similar al jumper tiene su conexión en la
parte eléctrica del sistema en una ubicación interna, observado en la figura 47,
68
la cual le brinda al sistema estabilidad y un funcionamiento correcto al hacer
contacto.
Figura 47. Enchufe interno se seguridad
Posteriormente, se procede a desarmar los pernos que sujetan los contactos de
los cables de alta tensión que alimentan a los moto generadores MG1 y MG2.
Para esto se debe tener en cuenta que hay que aflojar primero los pernos que
los aseguran a la base del inversor y después se desarman los pernos de
anclaje de los contactos de los cables de alta tensión de los moto generadores
de la figura 48, que al ser sujetados por los pernos, estos anclajes adquieren
una masa contra la superficie del cuerpo del inversor.
Los 3 anclajes observados en la figura 48 hacen referencia a lo anteriormente
mencionado en el marco teórico, consiste en un funcionamiento trifásico, es
decir U (entrada de tensión desde la batería HV), V (elevación de tensión para
69
el MG1), y W (salida de tensión para el MG2), los cuales están dispuestos de
izquierda a derecha, para esto U (anclaje de la izquierda, tiene un voltaje de 12
V), V (anclaje del medio, tiene un voltaje de 650 V en corriente alterna) y W
(anclaje de la derecha, tiene un voltaje de 650 V en corriente alterna), además
del cable para el compresor que tiene un voltaje de 250 V.
Figura 48. Contactos de los cables de alta tensión del compresor, de la batería
híbrida y de MG1 y MG2
Luego se desarma el anclaje de los contactos del cable de alta tensión
proveniente de la batería del sistema híbrido mostrado en la figura 49; hay que
tomar en cuenta que este conector también posee otro enchufe estilo jumper
70
que a su vez también sirve para brindar estabilidad al sistema y protegerlo en
casos de emergencia tal como se muestra en la figura 50.
Figura 49. Anclaje de contacto de la batería del sistema híbrido
Figura 50. Enchufe de seguridad estilo jumper
71
A continuación se desconectan los anclajes de contacto del convertidor
observado en la figura 51. Este elemento, incluido en el mismo sistema
inversor, se encarga de hacer la función de un alternador, ayudando a generar
una corriente de carga hacia la batería auxiliar de 12 V.
Figura 51. Anclaje de contactos del sistema convertidor
Hay que tener en cuenta que en el conjunto del sistema inversor, al desconectar
todos los anclajes, existe en un costado un fusible de cuarzo como se muestra
en la figura 52, el cual controla el paso de la corriente y es de ese material
debido a las altas tensiones que tiene que soportar, las cuales van desde 110 V
hasta unos 240 V en CC.
Figura 52. Fusible de cuarzo
72
Finalmente se puede observar al inversor totalmente desmontado de sus bases,
cubiertas, anclajes y del sistema de refrigeración visto en la figura 53, el cual ya
se explicó en el marco teórico su funcionamiento y características principales.
Figura 53. Inversor totalmente desconectado de sus elementos y soportes
Una vez que se ha vaciado el líquido refrigerante del conjunto inversor y a su
vez del depósito del refrigerante como se muestra en la figura 54, ya puede ser
desmontado del vehículo con cuidado para evitar algún tipo de daño.
73
Figura 54. Depósito del sistema de refrigeración del conjunto inversor
Se procede a quitar el inversor de su lugar, teniendo cuidado con los cables de
alimentación y las mangueras de refrigeración del sistema. Una vez
desmontado el inversor, deberá quedar toda la base visible como se observa en
la figura 55, sin ninguna parte del sistema aún atornillada o armada.
74
Figura 55. Base visible del sistema inversor
4.2. ANÁLISIS GENERAL
El análisis principal del sistema inversor en general se basa conocer los
problemas más frecuentes, reparaciones y manipulaciones que pueden
realizarse y mantenimientos ya sean preventivos o correctivos y adicionalmente
este análisis sirve para conocer los pasos para un desarmado apropiado, la
observación del sistema de refrigeración, la observación del estado de los
cables de alta tensión y, obviamente, el análisis del estado de cada pieza al
momento de desarmarlo, desmontarlo y volver a montarlo.
Se debe tomar en cuenta que cuando se trabaja con un elemento tan
importante y a la vez tan peligroso hay que tener mucho cuidado y manejarse
con ciertas precauciones, tales como usar guantes de seguridad, los más aptos
para esta manipulación son los guantes aislantes, como se observa en la figura
75
56, y además siempre se debe trabajar en áreas limpias para evitar que
residuos logren ingresar en el conjunto inversor.
Figura 56. Desarmado con guantes de seguridad
De la misma manera hay que sacar las mangueras de refrigeración del sistema
(el funcionamiento del sistema se encuentra detallado en el marco teórico),
para evitar que lleguen a romperse durante la manipulación, y debe sacarse
todo el líquido refrigerante del sistema para de al momento de moverlo o
retirarlo no se presenten derrames de líquido. Es válido aclarar que este
procedimiento se debe realizar con el sistema frío, ya que al estar caliente
puede causar quemaduras durante una manipulación incorrecta.
Existe también un elemento muy importante: el socket de la ECU del sistema
híbrido como se observa en la figura 57. Este elemento es de plástico y por lo
76
general al momento de sacarlo, si no se conoce la correcta manipulación,
puede llegar a romperse, causando así que el contacto no sea preciso con los
pines y no se presenten fallas innecesarias ni códigos de falla extraños.
Figura 57. Socket de la ECU del sistema híbrido
Una recomendación importante es que al momento de sacar este socket se
presione el plástico de color plomo, y en la parte posterior del mismo hay una
pequeña pestaña, la cual al presionarla libera el seguro de la cubierta plástica.
Esto permite desconectar el socket. Es importante aclarar que al desconectar el
socket se deben revisar los contactos de los pines de la ECU como se observa
en la figura 58, para constatar que no haya ninguno despegado o sulfatado.
77
Figura 58. Contactos de los pines de la ECU
Una vez revisado el estado de los pines de la ECU, también es recomendable
analizar los contactos de los pines que van en la carcasa del sistema inversor
como se observa en la figura 59. La manera más fácil es palpar con la yema de
los dedos para examinar si no hay pines flojos, y también se recomienda darles
una pequeña limpieza manual suavemente.
Figura 59. Contactos de los pines del sistema inversor
78
Una vez que el sistema se encuentra totalmente desmontado, se procede a
verificar que todos los contactos estén limpios y que la carcasa y sus
componentes no estén fisurados, rotos ni corroídos. Debe verificarse además
que las entradas y salidas de las mangueras de refrigeración no se encuentren
desgastadas o, de ser el caso, verificar que no estén oxidadas tal como se
observa en la figura 60.
Figura 60. Carcasa del sistema inversor
El sistema de refrigeración del sistema inversor trabaja gracias a una bomba
eléctrica como se observa en la figura 61, la cual es activada de acuerdo con
las temperaturas a las que esté sometido el sistema inversor, mediante el
módulo de control híbrido ECU. Esta bomba trabaja de manera independiente al
circuito de refrigeración del motor de combustión, y consta con un socket de
cuatro cables: positivo, negativo, señal de activación y módulo.
79
Figura 61. Bomba eléctrica de agua en despiece del sistema inversor
El sistema de refrigeración del inversor también se encarga de enfriar a los
moto generadores observados en la figura 62; es decir, que el líquido sale del
reservorio individual hacia el inversor mediante una manguera, y de ahí sale a
otra manguera hacia la bomba eléctrica de agua, la cual es activada por la ECU
del sistema híbrido dependiendo de la temperatura. Esta envía el líquido al
radiador, el cual a su vez por una manguera envía el líquido hacia los moto
generadores; luego, de ahí sale por otra manguera hacia el reservorio del
refrigerante.
80
Figura 62. Manguera de refrigeración hacia los moto generadores
Hay que aclarar que el sistema de refrigeración del sistema inversor posee un
reservorio de refrigeración individual; en sí lleva todo un sistema de
refrigeración individual, ya que además posee un radiador individual como se
observa en la figura 63, el cual se aprecia en la fotografía sobre el radiador
principal, y permite que el enfriamiento sea óptimo y no compartido con el
sistema de refrigeración del motor de combustión, todo esto se encuentra más
detallado en el marco teórico.
Figura 63. Radiador individual del sistema inversor
81
Finalmente, cuando ya se haya terminado el proceso, se procede a armar todo
en el mismo orden en el cual se desarmó, tomando en cuenta que cada cosa
debe ser totalmente limpiada al momento del montaje. Una vez armado se
procede a completar el líquido refrigerante hasta la línea de trabajo normal
(Max), se conecta el jumper de la batería híbrida y a continuación se conecta la
batería auxiliar de 12 V.
Es recomendable poner el vehículo nuevamente en contacto y finalmente
encenderlo y revisar si en el panel de control no aparece ningún aviso de código
de falla o de cualquier mal funcionamiento tal y como se muestra en la figura
64.
Una vez verificado que no hay códigos de falla, se revisa el nivel de líquido en
el reservorio y se culmina el proceso.
Figura 64. Revisión del sistema trabajando correctamente
82
4.3. GUÍA DE MANTENIMIENTO DEL INVERSOR
4.3.1. INDICACIONES GENERALES
Hay que entender que el sistema inversor del Toyota Prius, cuando presenta
una falla, no tiene reparación, pues el sistema posee componentes que no son
reparables. En estos casos la manipulación será en vano y puede provocar
accidentes, desde leves hasta graves y fatales, como se observa en la figura
65. Por eso no se recomiendan las reparaciones anti técnicas, sino que una vez
detectada la falla, se proceda a cambiar el elemento por completo y
posteriormente hacer una nueva reprogramación para evitar que haya fallos en
el funcionamiento del sistema híbrido.
Figura 65. Advertencia de alto voltaje
83
4.3.2. ACCIONES PERMITIDAS
Se recomienda usar los materiales de seguridad adecuados al realizar las
siguientes acciones sobre el sistema inversor mostrado en la figura 66.
Limpieza de los contactos que posee el inversor.
Limpieza superficial de grasa o polvo.
Cambio de líquido refrigerante.
Reajuste de pernos y soportes de las bases.
Purgado de aire del sistema de refrigeración.
Chequeo de las cañerías de refrigeración (mangueras externas).
Revisión del estado de la carcasa sin fisuras o goteos.
Figura 66. Inversor
84
4.3.3. MATERIALES A UTILIZAR
Se recomienda utilizar los materiales a continuación mencionados para poder
realizar con éxito y sin riesgo el debido mantenimiento como se observa en la
figura 67:
Guantes aislantes de protección para alta tensión
Mascarilla de protección personal.
Escobilla o cepillo.
Franela o paño.
Pinzas especiales.
Destornilladores.
Llaves (10 y 12 mm).
Rachas (10 y 12 mm).
Refrigerante rojo de alta dilución.
Embudo pequeño.
Minicompresor con manguera delgada.
Figura 67. Cuidados en la manipulación
85
4.4. CUIDADOS Y PRECAUCIONES
Para este tipo de manipulaciones se debe tomar en cuenta ciertas precauciones
aun sobre la carcasa del inversor como se muestra en la figura 68, tales como:
Desconectar la batería auxiliar de 12 V.
Desconectar el jumper de la batería híbrida (ubicado en la parte frontal de la
batería híbrida, de color anaranjado).
Asegurarse de que no exista ningún tipo de corriente.
El inversor debe estar frío para su manipulación.
La temperatura del refrigerante debe ser baja o ambiente.
Figura 68. Carcasa del inversor
Una vez que se está seguro de todo esto, se pueden realizar las acciones
mencionadas más adelante.
86
4.5. TIPOS DE MANTENIMIENTOS
Se puede tomar en cuenta la siguiente tabla 9 para realizar los mantenimientos
del inversor de manera periódica y así prolongar su vida útil y evitar posibles
daños:
Tabla 9. Mantenimientos del inversor
TIPO DE MANTENIMIENTO PERIODICIDAD
Cambio de líquido refrigerante Cada 20 000 km
Limpieza de la carcasa Cada 8000 km
Purga del sistema de refrigeración Cada 10 000 km
Cambio de mangueras y cañerías Cada 40 000 km
Ajuste de pernos de sujeción Cada 60 000 km
Estos son algunos de los mantenimientos básicos permitidos que se le pueden
realizar a un inversor, ya que por ser un elemento tan frágil y peligroso no se le
realizan mayores manipulaciones.
Por esta razón, cuando se presenta una falla que es comprobada en el scanner
y hace referencia al sistema inversor, hay poco o nada que hacer, salvo sustituir
el elemento por uno nuevo.
El mantenimiento que se debe realizar al conjunto inversor es cambiar su
refrigerante cada 20.000 Km o 2 años, esto se debe a que con el tiempo el
líquido refrigerante se descompone y pierde sus propiedades anticorrosivas,
para realizar el cambio de refrigerante se tiene que extraer el tapón del depósito
del inversor, retirar el tapón de drenaje y vaciar el refrigerante; Luego se coloca
de nuevo el tapón de drenaje y se vierte el líquido refrigerante lentamente,
87
aproximadamente 2,1 litros, hasta llegar a la marca Full (F) del depósito del
inversor, como se muestra en la figura 69, después se procede a realizar la
purga de aire en el sistema, esto se realiza encendiendo el vehículo y
esperando que disminuya el ruido producido por la bomba de agua del inversor
y una vez que baje el nivel del depósito se vuelve a rellenar hasta la marca Full
(F), si es necesario se repite el proceso hasta que el ruido desaparezca, para
finalizar se coloca el tapón del depósito del inversor.
Figura 69. Depósito de refrigerante con marcas para guía y chequeo
Debemos tener en cuenta que al desconectar los conductos de refrigeración, el
líquido refrigerante va a caer en el cual se recomienda colocar un envase en la
parte inferior para no ensuciar y colocar una franela o trapo en el conducto para
que no siga cayendo desde el depósito del líquido refrigerante, como se
muestra en la figura 70.
88
Figura 70. Franela colocada para evitar derrame de refrigerante
4.6. CÓDIGOS DE FALLA
4.6.1. CÓDIGOS FRECUENTES
En el sistema híbrido pueden ocurrir de manera inesperada varios problemas,
ya sea por el mal uso del vehículo, la falta de mantenimiento o simplemente por
el deterioro normal de las partes que componen los distintos sistemas, pero
obviamente existen códigos de falla que son frecuentes en los vehículos
híbridos y afectan directamente al sistema inversor, A continuación los más
comunes:
DTC P3120.
DTC P3125.
89
DTC P3000.
DTC P3009.
4.6.2. DTC P3120: MAL FUNCIONAMIENTO DE LA TRANSMISIÓN HÍBRIDA
En este código, la computadora del sistema híbrido verifica constantemente el
balance de energía y detecta cualquier tipo de anormalidad que se pueda
presentar en el magnetismo del motor o generador si disminuye
constantemente el campo eléctrico. Cuando se presenta, la computadora del
sistema híbrido coloca este código y es muy difícil que el vehículo funcione.
Para poder realizar la supervisión y solución de este sistema hay que revisar el
manual de reparación, ya que puede darse el caso de tener que sustituir uno de
los MG (moto generadores).
4.6.3. DTC P3125: MAL FUNCIONAMIENTO DEL CONVERSOR INVERSOR
DC-DC
Este código se genera si durante la conexión el conversor DC-DC que está
dentro del inversor presenta una falla de tal forma que el voltaje de carga de la
batería de 12 V se interrumpe y se produce una muy baja tensión, por lo que el
vehículo deja de funcionar. Entonces la ECU del sistema híbrido supervisa la
operación del conversor DC-DC y suministra un aviso de precaución al
conductor sobre el mal funcionamiento.
Para la solución de este código, aparte de las revisiones normales de cableado
y fusibles, en caso de existir un problema en la unidad del conversor DC/DC
debe evaluarse la posibilidad de repararlo.
90
4.6.4. DTC P3000: MAL FUNCIONAMIENTO DE LA BATERÍA HÍBRIDA
Generalmente este código se genera cuando la batería del sistema híbrido
recibe una señal rara o anormal de la ECU de la batería, alertando al conductor.
Dicha señal o señales podrían ser por variaciones en los voltajes de carga de
las celdas.
Para proceder a la reparación o borrado de este DTC debe utilizarse un scanner
que permita observar los flujos de datos del sistema de la batería híbrida. Si en
la revisión del flujo de datos se encuentra alguna celda en mal estado, se debe
reemplazar.
También, en menor medida, podría fallar la ECU de la batería. El código se
guarda en la ECU del sistema híbrido.
La falla más común está vinculada a alguna celda de la batería deteriorada, la
cual debe reemplazarse una vez que se detecte.
4.6.5. P3009: FUGA DE AISLAMIENTO DETECTADA
Este código se presenta cuando se detecta una fuga en el alto voltaje por el
sistema de aislamiento del cable; generalmente la resistencia de aislamiento del
cable principal de alimentación es de 100 K o menos.
Es necesario utilizar un tester para medir la resistencia de aislamiento entre el
cable de alimentación y tierra de chasis.
91
4.7. RESUMEN DE CÓDIGOS
A continuación se detallan todos los códigos mencionados a modo de resumen,
es decir código, problema o causa y su respectiva solución, siendo las
soluciones las más específicas posibles en cada caso de código de falla, todo
eso en la siguiente tabla 10.
Tabla 10. Códigos de falla
Código de falla Problema o causa Solución
DTC P3120 Mal funcionamiento de la
transmisión híbrida.
Análisis con scanner y
reemplazo de
motogeneradores.
DTC P3125 Mal funcionamiento del
conversor inversor DC-DC.
Análisis con scanner,
chequeo del cableado y
reparación.
DTC P3000 Mal funcionamiento de la
batería híbrida.
Análisis con scanner y
reemplazo de batería.
DTC P3009 Fuga de aislamiento
detectada.
Análisis con scanner,
análisis con tester y
chequeo de cableado.
92
4.8. COMPONENTES Y SISTEMAS
A pesar de que se dividen los componentes en dos partes fundamentales, los
componentes mecánicos y los componentes eléctricos; los dos trabajan en
conjunto para lograr el mejor desempeño y performance del Toyota Prius, las
partes y sistemas se detallan a continuación en la figura 71, en la cual se
especifican también las partes que lo conforman y además un diagrama en el
cual se especifica a detalle en la figura 72.
1 Motor de combustión interna con conjunto compresor de refrigeración
5 Moto-generador MG2
2 Conjunto Inversor 6 Cables Eléctricos
3 Conjunto de Transmisión 7 Batería HV
4 Moto-generador MG1 8 Manipulador para servicio (Jumper)
Figura 71. Componentes principales del Toyota Prius
(Urdiales & Limón, 2012)
93
Figura 72.Diagrama del control del sistema híbrido
(Informe Toyota Technical Training, 2005)
4.8.1. COMPARACIÓN CON UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
El motor de combustión interna, que se muestra en la figura 73, que lleva el
Toyota Prius es un motor de 4 cilindros ciclo Atkinson de 1.8 litros que
proporciona 98 HP de potencia y posee una distribución variable VVT-i, como
se muestran en la Ficha Técnica en la Tabla 6, es el primer motor el cual no
tiene correas de accesorios ya que su bomba agua y compresor aire
acondicionado son eléctricos, la dirección asistida también es eléctrica y no
posee alternador, ni motor de arranque.
94
Figura 73. Motor de combustión interna, Toyota Prius 2010
(Graham, 2010)
Si bien es cierto que el motor ciclo Atkinson es el motor de menor emisión de
HC y NOx del mundo y más eficiencia en lo que se respecta al consumo de
combustible; es mucho menos la potencia entregada en comparación con un
motor ciclo Otto de mismas características, sin embargo trabajando el motor
ciclo Atkinson conjuntamente con el motor eléctrico, la potencia combinada del
Toyota Prius se eleva a 136 HP, sus principales funciones son impulsar el
vehículo y alimentar el generador (MG1) para recargar la batería HV, el motor
se arranca y se detiene bajo el control de la ECU principal del vehículo, tal
como se muestra en la tabla 11.
95
Tabla 11. Fichas Técnicas de Toyota Prius y Toyota Corolla
(cochesyconcesionarios.com, 2013)
4.8.2. INVERSOR Y SU ANÁLISIS FINAL
Este componente con varios elementos y sistemas electrónicos y eléctricos,
después de este análisis ha demostrado claramente que es parte fundamental
de los vehículos híbridos, ya que es controlado por la unidad de control del
sistema híbrido (ECU HV), como ya se mencionó en el marco teórico, que esta
encarga de mandar ordenes al inversor para el correcto funcionamiento del
vehículo y generar diagnósticos del sistema híbrido incluido si encuentra fallas y
presenta códigos de falla (DTC), sus funciones son.
Convertir 201.6 V corriente continua (DC) en 201.6 V corriente alterna trifásica
(AC) para poder controlar y dar energía al compresor eléctrico del aire
acondicionado (A/C).
96
Multiplicar y transformar 201.6 V corriente continua (DC) que recibe de la
batería HV en 650 V corriente alterna trifásica (AC) para poder controlar y dar
energía al moto-generador MG2 para poder mover el vehículo cuando sale de la
inercia y envía energía al moto-generador MG1 cuando requiere que este
encienda el motor de combustión interna supliendo al motor de arranque que
usa un vehículo convencional.
Transformar la alta tensión, corriente alterna (AC), recibida del moto generador
MG2, cuando el vehículo regenera energía al momento de la desaceleración y
frenado, en corriente continua (DC) y así mismo de parte del moto-generador
MG1 genera energía producida por el motor de combustión interna y de este
modo cargar la batería HV cuando se lo requiera o el conductor coloque la
palanca en B en una desaceleración en el cual el moto-generador MG1 también
acompaña en esa condición.
Permitir convertir los 201.6 V corriente continua (DC) provenientes de la batería
HV a 12 V corriente continua (DC) para cargar la batería 12 V y así suplir la
ausencia de un alternador en el vehículo y lograr enviar energía a todos los
accesorios que se utilizan dentro del vehículo.
A continuación se muestra en la figura 74 todas las partes importantes del
sistema inversor y los componentes que lo rodean para conocer y manipular
correctamente todo el sistema.
97
Figura 74. Inversor de Toyota Prius con sus respectivos cables
4.8.3. DIAGNÓSTICO
En el sistema de la tecnología híbrida de Toyota, cuando la ECU HV, la ECM o
la ECU de la batería HV detectan un mal funcionamiento en sus sistemas, la
ECU HV efectúa un diagnóstico y memoriza las secciones a las que la avería
pertenece, para informar al conductor sobre el mal funcionamiento, establece
98
que se encienda la luz de aviso de comprobación de motor (Luz testigo MIL,
que es un triángulo de color amarillo que indica una avería en el sistema
híbrido), aunque generalmente el aviso que sale en el tablero de instrumentos
es más claro, el cual dice claramente que el sistema híbrido tiene un problema,
tal como se observa en la figura 75.
Figura 75. Alerta de avería del sistema híbrido
4.8.3.1. Análisis de datos OBD II mediante el scanner automotriz
Para comprobar los códigos de diagnóstico (DTC) se debe colocar el Scanner
Automotriz al conector de transmisión de datos (DLC3) del vehículo, véase en la
figura 76, esta se encuentra en la parte inferior izquierda del volante, el Scanner
Automotriz (en este caso se utilizara el Scanner G-scan) le permite borrar el
99
DTC y comprobar los datos de voltajes, temperaturas de los sistemas del
vehículo, ya sea inmediatos o congelados del momento en el que se produjo el
DTC.
Figura 76. Scanner automotriz G-Scan
4.8.3.2. Conector de Diagnóstico OBD II
El conector de diagnóstico o DLC3 tiene sus terminales sujetos a los ajustes de
la norma SAEJ1962, que se detalla en la siguiente Figura, y cumple con el
formato ISO 14230 en la cual las unidades de control o módulos de los vehículo
producidos desde el año 1996 se rigen para la comunicación y para el
diagnóstico, como se muestra en la figura 77.
100
Figura 77. Conector de Diagnóstico (DLC3)
(andriuz.skynet.lt, 2012)
Los terminales del conector se encuentran distribuidos de la siguiente forma:
Pin Nº 2 - Comunicación SAE VPW/PWM, SAE J1850
Pin Nº 4 - Masa del Vehículo
Pin Nº 5 - Masa de Señal
Pin Nº 6 - CAN, Línea alta, SAE J2284 (CAN HIGH)
Pin Nº 7 - Comunicación ISO 9141-2 (Línea K)
Pin Nº 10 - Comunicación PWM, SAE J1850
Pin Nº 14 - CAN, Línea baja, SAE J2284 (CAN LOW)
Pin Nº 15 - Comunicación ISO 9141-2 (Línea L)
Pin Nº 16 - Positivo de Batería
El cable que se debe utilizar es uno de interfaz automotriz y físicamente el cable
es de color azul con un terminal en forma de conector de pines para el
diagnóstico y el otro terminal es un puerto USB para ser conectado en el
computador, el cable más indicado es el Cable de Interfaz Mongoose el cual es
utilizado y recomendado para el escaneo del sistema híbrido de un Toyota
Prius, tal como se observa en la figura 78.
101
Figura 78. Cable de Interfaz Mongoose
4.8.3.3. Simbología de los Códigos de Diagnóstico OBD II
Una vez presentados los códigos de diagnóstico (DTCs) se puede observar que
cada uno de los dígitos presentados del código tienen un significado especifico
de diagnóstico, detallados en la siguiente tabla 12.
102
Tabla 12. Descripción de los dígitos de los códigos de
diagnóstico (DTC) de Toyota
(Manual de reparaciones Toyota, 2010)
103
4.8.4. CONSUMO DE COMBUSTIBLE
El consumo de combustible del Toyota Prius, según las especificaciones
descritas en el catálogo del Toyota Prius para el vehículo con ruedas Rin 15 , es
de 3.9 litros/100km con una conducción combinada; se procedió hacer unas
pruebas de consumo de combustible dentro de la ciudad de Quito y se
obtuvieron los siguientes resultados, descritas en las siguiente tabla 13.
Tabla 13. Pruebas de consumo de combustible realizadas en Quito
*Datos obtenidos del panel de instrumentos del vehículo
A pesar de los resultados de consumo de combustible dados en las pruebas es
de promedio de 6.1 L/100km con diferentes tipos de conducción; el resultado
más efectivo en el cual hubo un consumo más óptimo fue con conducción tipo
normal a una velocidad promedio de 20 km/h.
104
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 CONCLUSIONES
Durante este análisis, se describió y observo el funcionamiento del sistema
inversor y de todos los elementos que lo complementan, dándole énfasis al
cuidado de manipulación y ubicación de cada uno de los componentes tanto de
aquellos que son de cuidado, como los que por ninguna razón se debe
manipular, es así que podemos llegar a las siguientes conclusiones sobre el
desempeño y funcionamiento del sistema inversor del Toyota Prius:
La manipulación incorrecta de ciertos elementos puede causar daños
graves e irreparables en el sistema híbrido y mayormente puede causar
la muerte si se lo hace de manera inapropiada.
El sistema inversor puede ser uno de los elementos más complejos del
sistema híbrido, pero a la vez resulta ser el más interesante y a la vez el
más importante del mismo, aún sobre la misma batería, ya que el
inversor también se encarga de realizar una carga directa a la batería y si
este falla simplemente el sistema colapsa.
El sistema híbrido puede tener muchos sistemas que unidos forman un
solo conjunto encargado de minimizar las emisiones contaminantes, por
lo cual es importante el conocimiento previo de cada uno de ellos antes
de manipularlos.
En relación a tamaños el inversor del Highlander tiene una proporción
mayor sobre el inversor Prius, pero los dos realizan la misma función con
105
la diferencia de que el inversor Highlander necesita de mas tiempo de
carga entre ciclos que el inversor Prius.
Mediante el análisis e informacion recopilada se pudo obsevar que el
funcionamiento del sistema inversor representa una ayuda más que
importante al motor de combustión interna, logrando que este trabaje
menos tiempo lo que ayuda a reducir el consumo de combustible, reduce
las emisiones contaminantes y a la vez esto va ofreciendo un mejor
desempeño, puesto que este elemento es el encargado de transformar la
corriente para activar a los motogeneradores y poner en marcha el
sistema eléctrico, dando lugar al sistema híbrido.
Las condiciones climatológicas y atmosféricas tales como presión de aire
y cantidad de oxígeno que dan la mezcla estequeométrica en un motor
de combustión interna, no tienen ninguna influencia sobre el
funcionamiento y desempeño del sistema inversor. Estas condiciones
únicamente influyen en el desempeño del motor a gasolina mencionado
anteriormente, como sucede en todos los vehículos, pero el sistema de
control electrónico ajusta todos los parámetros de funcionamiento del
auto con el fin de minimizar las pérdidas de potencia.
106
5.2. RECOMENDACIONES
Se recomienda tener un diagrama eléctrico del sistema para poder
realizar cualquier manipulación y así evitar daños, ya sean leves o
graves.
Se recomienda que para una correcta manipulación del sistema se
utilicen guantes de protección y la superficie esté totalmente limpia.
Para evitar accidentes o problemas de carácter físico se recomienda
desconectar todas las fuentes de voltaje o toda fuente eléctrica. Si no se
conoce el sistema, es recomendable no manipular nada previamente.
Se recomienda que se promueva la investigación de este tipo de
tecnologías en la Universidad Tecnológica Equinoccial, ya que al realizar
este análisis se pudo comprobar que muchos de sus profesores
desconocen estas tecnologías por completo o en ciertos casos el
conocimiento es limitado, y de esta manera también incentivar a la
búsqueda de información para los alumnos.
107
NOMENCLATURA O GLOSARIO
Actuador: Recibe señales del computador; se denominan actuadores aquellos
elementos que pueden provocar un efecto sobre un proceso automatizado.
Batería: La batería del Prius es de níquel e hidruro metálico. Solo se recarga
con el generador, al que impulsa el motor térmico. No tiene ningún tipo de
conexión para conectarla a una red o a otro dispositivo de carga. Está
conectada a un elemento que convierte los 202 V de corriente continua en 500
de corriente alterna. Este dispositivo también invierte la corriente eléctrica
cuando hay que cargar la batería (bien con el generador, o bien con el motor
eléctrico).
Batería de almacenamiento: Es un dispositivo capaz de transformar energía
química a eléctrica y viceversa. La reacción es reversible, durante descarga la
energía química se transforma en energía eléctrica para alimentar el inversor y
suplir energía a los enseres eléctricos.
Corriente alterna (CA): Es un tipo de corriente eléctrica en la que la polaridad
se invierte regularmente. En los Estados Unidos y Puerto Rico se cambia la
polaridad 120 ocasiones por segundo o 60 ciclos (Hz) por segundo. Las redes
de transmisión eléctrica usan corriente alterna porque el voltaje puede ser
controlado con relativa facilidad.
Corriente continua (CC): Un tipo de transmisión y distribución de electricidad
en donde la electricidad fluye en una sola dirección, usualmente bajo voltaje y
altas corrientes. Para proveer energía a su hogar o negocio con corriente
alterna debe tener un inversor de energía.
108
Electronic Control Unit (ECU): Es un procesador electrónico que actúa
tomando como base la información facilitada por una serie de sensores.
Elevador de tensión (Booster): Es la clave del mecanismo inversor; está
compuesto por un reactor y un módulo denominado IPM que en su interior
contiene un par de transistores IGBT, los cuales permiten:
Crear con el reactor una fuente SWITCH que eleve la tensión y siga a la
parte de control de los motores generadores.
Permitir el paso de tensión hacia la batería en el momento en que los
motogeneradores trabajen como generadores.
Generador: Es el elemento que transforma en electricidad el trabajo del motor
térmico; también funciona como motor de arranque del motor térmico. Es de
corriente alterna síncrono y como máximo gira al doble de régimen que el motor
térmico.
Generador 1 (MG1): El motor/generador 1 está conectado al planeta del
dispositivo repartidor de potencia. Es el más pequeño de los dos y su potencia
nominal es de unos 18 Kw. Tradicionalmente, su función ha sido descrita como
arrancar el MCI y controlar la velocidad de giro del MCI, generando una
cantidad variable de energía eléctrica.
Generador 2 (MG2): Está conectado al engranaje de corona del dispositivo
repartidor de potencia y, por tanto, al eje reductor y, de ahí, a las ruedas. Es
capaz de mover el coche directamente. Es el mayor de los dos y su potencia
nominal es de unos 33 Kw en el Prius de 2ª generación, y de 50 en el de 3ª.
Descrito a veces como el "motor de tracción", su papel tradicional es mover el
109
coche como motor, o recuperar energía de frenado como generador. Ambos
motores/generadores están refrigerados por agua.
HV: Hybrid Vehicle o Vehículo Híbrido.
Inversor: Se encarga de transformar y administrar el flujo de electricidad entre
la batería y el motor eléctrico. Además posee un convertidor integrado que
envía parte de la electricidad del sistema a la batería auxiliar de 12 V. Convierte
los 201,6 V CC que entrega la batería HV en 201,6 V CA trifásica (corriente
alterna). Multiplica estos 201,6 V CA trifásica hasta un máximo de 500 V CA
trifásica al motor y al generador eléctrico.
IPM: Integrated Power Module o Módulo de Poder Integrado.
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor o Transistor Bipolar de compuerta
aislada.
Módulo IPM: Este módulo presenta la función de generar la conmutación a
masa del reactor; para ello utiliza transistores con tecnología IGBT, los cuales
cuentan con una serie de características electrónicas que les permiten
conmutar a altas frecuencias y cargas elevadas.
Nm: Newton por metros.
Resistencias: Este paquete de resistencias se encuentra en un circuito en
paralelo para poder disipar más efectivamente el calor eléctrico.
Resistor: Se denomina resistor al componente electrónico diseñado para
introducir una resistencia eléctrica determinada entre dos puntos de un circuito.
110
En otros casos, como en las planchas, calentadores, etc., los resistores se
emplean para producir calor aprovechando el efecto Joule.
RPM: Revoluciones por minuto.
Voltaje: La cantidad de fuerza eléctrica, medida en voltios, que existe entre dos
puntos. El voltaje típico de una batería es 12 V CC y el de nuestras residencias
es 120 V CA.
111
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