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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

TEMA:

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN “SISTEMA ELÉCTRICO Y

ELECTRÓNICO, PARA AUMENTAR LA AUTONOMÍA ELÉCTRICA DE UN

VEHÍCULO HÍBRIDO MARCA TOYOTA, MODELO PRIUS, ADAPTANDO

UN SISTEMA PHEV (Plug-In Hybrid Electric Vehicle), EN UN SISTEMA

HEV (Hybrid Electric Vehicle)”.

AUTOR: EMILIO SANTIAGO GUEVARA GARZÓN

DIRECTOR: ING. JULIO MORALES

Quito, 2015

© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2015

Reservados todos los derechos de reproducción

DECLARACIÓN

Yo EMILIO SANTIAGO GUEVARA GARZÓN, declaro que el trabajo aquí

descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para

ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias

bibliográficas que se incluyen en este documento.

La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos

correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de

Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional

vigente.

(Firma)

_________________________

(SANTIAGO GUEVARA)

C.I. 171744740-1

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “DISEÑO Y

CONSTRUCCIÓN DE UN “SISTEMA ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO,

PARA AUMENTAR LA AUTONOMÍA ELECTRICA DE UN VEHÍCULO

HÍBRIDO MARCA TOYOTA, MODELO PRIUS, ADAPTANDO UN

SISTEMA PHEV (Plug-In Hybrid Electric Vehicle), EN UN SISTEMA HEV

(Hybrid Electric Vehicle)”, que, para aspirar al título de Ingeniero

Automotriz fue desarrollado por Santiago Guevara, bajo mi dirección y

supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las

condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos

18 y 25.

(Firma)

(Julio Morales)

DIRECTOR DEL TRABAJO

C.I. 1711275592

DEDICATORIA

A mi familia, en especial a mis padres, Lourdes Garzón y Marco Guevara,

quienes con su apoyo y esfuerzo me brindaron la oportunidad de realizar mis

estudios a nivel Universitario y cumplir mis metas como estudiante. Y a

quienes agradezco infinitamente por enseñarme valores y principios que me

han servido a lo largo de mi vida.

AGRADECIMIENTO

En primer lugar a Dios, por bendecirme al recibir el mejor legado como son

los estudios. A mis profesores, quienes entregaron su mayor esfuerzo para

impartir los conocimientos que he adquirido durante la carrera Universitaria.

Finalmente a mi familia y amistades por su incondicional apoyo.

i

ÍNDICE DE CONTENIDO

RESUMEN xii

ABSTRACT xiv

1. INTRODUCCIÓN 1

2. MARCO TEÓRICO 2

2.1 HISTORIA, DISEÑO Y ESTRUCTURA DE LOS VEHÌCULOS

HÍBRIDOS 3

2.1.1 HÍBRIDOS EN SERIE 6

2.1.2 HÍBRIDOS EN PARALELO 7

2.1.3 HÍBRIDOS EN SERIE Y PARALELO 9

2.2 EL VEHÍCULO HÍBRIDO PIONERO 10

2.2.1 TOYOTA PRIUS 10

2.2.1.1 Vehículo sin movimiento 13

2.2.1.2 Inicio de la tracción 14

2.2.1.3 Velocidad normal 14

2.2.1.4 Aceleraciones fuertes 15

2.2.1.5 Freno regenerativo y desaceleración 16

2.2.1.6 Marcha atrás 17

2.3 PRINCIPALES ELEMENTOS DEL SISTEMA HÍBRIDO 20

2.3.1 MOTOR TÉRMICO 20

2.3.2 MOTOR ELÉCTRICO 22

2.3.3 TRANSMISIÓN 23

2.3.4 ELEMENTOS DE CONTROL DEL SISTEMA HÍBRIDO 25

ii

2.3.4.1 E.C.U. HV (Control del Sistema Híbrido) 26

2.3.4.2 E.C.M. (Control de Motor De Combustión) 27

2.3.4.2 Skid control E.C.U. (Control de Derrape) 27

2.3.4.3 E.C.U. Battery hv (Control de la batería híbrida) 28

2.3.4.4 Brake E.C.U. (Unidad de Control de freno ABS) 28

2.3.4.5 E.C.U. Transmission (Control de la Caja) 28

2.4 BATERÍA DE ALTO VOLTAJE 29

2.4.1 CONTROL DE LA TEMPERATURA 31

2.4.2 CONTROL DE ALIMENTACIÓN DE VOLTAJE 32

2.4.3 SENSOR DE CORRIENTE 33

2.4 FUNCIONAMIENTO DEL INVERSOR 34

2.5.1 CIRCUITO ELEVADOR DE VOLTAJE 35

2.5.2 ALIMENTACIÓN DE LOS MOTOGENERADORES 36

2.5.3 SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO 39

2.5.4 RECARGA DE LA BATERÍA AUXILIAR 40

3.1 DISEÑO DEL SISTEMA ENCHUFABLE 41

3.2 ELEMENTOS DEL SISTEMA HÍBRIDO ENCHUFABLE 41

3.3 CARACTERÍSTICAS DEL VEHÍCULO TOYOTA PRIUS C 42

3.4 CARATERÍSTICAS DE LAS BATERÍAS DE ALTA TENSIÓN

HÍBRIDAS 42

3.5 COMPROBACIÓN DEL ESTADO DE CARGA DE LAS BATERÍAS 43

3.6 ELEMENTOS QUE CONFORMAN EL CARGADO DE BATERÍAS 47

3.6.1 PUENTE RECTIFICADOR 47

iii

3.6.2 CAJA METÁLICA 48

3.6.3 PORTAFUSIBLE 49

3.6.4 FUSIBLE 50

3.6.5 INTERRUPTOR 50

3.6.6 LED (Diodo Emisor de Luz) 51

3.6.7 RESISTENCIA 52

3.6.8 CAPACITOR ELECTROLÍTICO 52

3.6.9 AMPERÍMETRO ANALÓGICO 52

3.6.10 FOCO HALÓGENO 53

3.6.11 CABLES 54

3.7 CONSTRUCCIÓN DEL CARGADOR DE BATERÍAS 54

3.8 FUNCIONAMIENTO DEL CARGADOR DE BATERÍAS 54

3.8.1 CARGA Y DESCARGA DE BATERÍAS 57

3.9 ADAPTACIÓN DEL CONJUNTO ADICIONAL DE BATERÍAS

DE ALTA TENSIÓN 61

3.10 CIRCUITO DE ACOPLAMIENTO DE LAS BATERÍAS 63

3.11 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA HÍBRIDO ENCHUFABLE 66

3.12 MAPA CONCEPTUAL DEL SISTEMA HÍBRIDO CONVENCIONAL 66

3.13 MAPA CONCEPTUAL DEL SISTEMA HÍBRIDO ENCHUFABLE 67

3.14 NIVELES DE HIBRIDACIÓN 69

3.15 PRUEBA DE RECORRIDO CON VEHÍCULO HÍBRIDO NORMAL 70

iv

3.16 PUEBA DE RECORRIDO CON VEHÍCULO

HÍBRIDO ENCHUFABLE 73

3.17 FÓRMULAS UTILIZADAS EN LA INVESTIGACIÓN 75

3.17.1 VOLTAJE DE LOS CONJUNTOS DE BATERIAS

DE ALTA TENSIÓN 75

3.17.2 INTENSIDAD DE CORRIENTE DE CADA CONJUNTOS DE

BATERÍAS DE ALTO VOLTAJE 75

3.17.3 POTENCIA TOTAL DEL PAQUETE ADICIONAL DE

BATERÍAS DE ALTA TENSIÓN 76

3.17.4 VOLTAJE TOTAL DE LOS CONJUNTOS DE


3.17.5 INTENSIDAD DE CORRIENTE DE LOS CONJUNTOS DE


3.17.6 POTENCIA TOTAL DEL CONJUNTO ORIGINAL DE


4.1 CONEXIÓN DE LAS BATERÍAS ADICIONALES 79

4.2 CONEXIÓN DE LAS BATERÍAS ORIGINALES 79

4.3 POTENCIA DEL CONJUNTO ADICIONAL DE BATERÍAS DE ALTO

VOLTAJE 80

4.4 POTENCIA DEL CONJUNTO ORIGINAL DE BATERÍAS DE ALTO

VOLTAJE 81

4.5 VOLTAJE, INTENSIDAD Y POTENCIA DE LOS DOS

CONJUNTOS DE BATERÍAS DE ALTO VOLTAJE CONECTADOS 81

v

4.6 TIEMPO DE RECARGA DE LA BATERÍA HÍBRIDA ADICIONAL 83

4.7 COMPARACIÓN DEL SISTEMA HÍBRIDO NORMAL CON EL

SISTEMA HÍBRIDO ENCHUFABLE 84

5.1 CONCLUSIONES 86

5.2 RECOMENDACIONES 87

6. BIBLIOGRAFÍA 88

vi

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Condiciones de operación del sistema híbrido. 19

Tabla 2. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 1. 45

Tabla 3. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 2 46

Tabla 4. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 3. 47

Tabla 5. Medidas de voltajes de las baterías en descarga, conjunto 1

recargado previamente. 59





Tabla 8. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido normal. 71

Tabla 9. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido normal y modo

EV activado. 72

Tabla 10. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido enchufable. 73

Tabla 11. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido enchufable y

modo EV activado. 74

Tabla 12. Voltaje total del conjunto adicional de baterías híbridas. 79

Tabla 13. Intensidad total del conjunto adicional de baterías híbridas. 79

vii

Tabla 14 Voltaje total del conjunto original de baterías híbridas. 80

Tabla 15. Intensidad total del conjunto original de baterías híbridas. 80

Tabla 16. Potencia del conjunto adicional de baterías híbridas. 80

Tabla 17. Potencia del conjunto original de baterías híbridas. 81

Tabla 18. Voltaje total nominal de los conjuntos de baterías híbridas. 82

Tabla 19. Intensidad total de los conjuntos de baterías híbridas. 82

Tabla 20. Potencia total de los conjuntos de baterías híbridas. 82

Tabla 21. Intensidad total de los conjuntos de baterías híbridas. 83

Tabla 22. Ahorro de combustible utilizando el sistema plug-in

o enchufable. 84

Tabla 23. Aumento en la autonomía del vehículo utilizando el sistema

plug-in o enchufable. 85

viii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Sistema de propulsión híbrido tipo serie 6

Figura 2. Sistema de propulsión híbrido tipo paralelo 8

Figura 3. Configuración de propulsión híbrida tipo paralelo-serie 9

Figura 4. Etapas de funcionamiento del motor térmico y el motor eléctrico 10

Figura 5. Componentes de la transmisión del sistema híbrido 12

Figura 6. Sistema híbrido en operación “Ready On” y vehículo detenido 13

Figura 7. Sistema híbrido en operación de inicio de la tracción 14

Figura 8. Sistema Híbrido en operación de velocidad normal 15

Figura 9. Sistema híbrido en operación de aceleración fuerte 16

Figura 10. Sistema híbrido en operación de desaceleración y frenado

regenerativo 17

Figura 11. Sistema híbrido en operación de marcha en reversa 18

Figura 12. Motor de combustión interna Toyota Prius 21

Figura 13. Diagrama de distribución del funcionamiento real del ciclo

Atkinson 21

Figura 14. Diagrama presión vs. volumen del ciclo Atkinson 22

Figura 15. Motogeneradores del sistema híbrido 23

Figura 16. Transmisión del sistema híbrido 24

ix

Figura 17. Conjunto de engranajes planetarios 24

Figura 18. Sensor de velocidad del eje de salida 25

Figura 19. Elementos de control del sistema híbrido 26

Figura 20. Conjunto de la batería de alto voltaje 30

Figura 22. Diagrama resistencia vs. temperatura de los termistores de la

batería HV 31

Figura 23. Diagrama eléctrico de los sensores de temperatura de

la batería HV 32

Figura 24. Esquema del sensor de corriente de la batería HV 33

Figura 25. Esquema del sistema inversor 34

Figura 26. Diagrama eléctrico del Booster y gráfica en osciloscopio 35

Figura 27. Esquema de la activación del transistor T2 para recargar la

batería HV 36

Figura 28. Conexión de los moto-generadores con el inversor y

la ECU HV 37

Figura 29. Esquema de los motogeneradores y su estructura 38

Figura 30. Diagrama del inversor para accionar el motor del aire

acondicionado 39

Figura 31. Diagrama del conversor DC – DC 40

x

Figura 32. Baterías de alta tensión del Toyota Highlander 43

Figura 33. Medida de voltaje del conjunto de baterías 44

Figura 34. Descarga del conjunto de baterías 44

Figura 35. Puente de diodos 48

Figura 36. Vista de la caja metálica del cargador 49

Figura 37. Portafusible 49

Figura 38. Fusible 50

Figura 39. Interruptor 51

Figura 40. Diodo Emisor de Luz 51

Figura 41. Capacitor electrolítico 52

Figura 42. Amperímetro de tipo aguja 53

Figura 43. Foco halógeno 53

Figura 44. Diagrama eléctrico del cargador 55

Figura 45. Vista interna del cargador 56

Figura 46. Vista externa del cargador 56

Figura 47. Circuito de corrientes antes y después del puente rectificador 57

Figura 48. Recarga del conjunto de baterías 58

Figura 49. Simbología eléctrica de las baterías adicionales 62

xi

Figura 50. Conjunto adicional de baterías de alta tensión 62

Figura 51. Caja-Soporte de las baterías de alta tensión adicionales 63

Figura 52. Circuito eléctrico de acoplamiento de las baterías 64

Figura 53. Circuito real de acoplamiento de las baterías 65

Figura 54. Recarga del sistema híbrido enchufable 65

Figura 55. Ahorro de combustible de los vehículos híbridos 69

Figura 56. Esquema de la ruta establecida para el recorrido 70

xii

RESUMEN

Una de las grandes ventajas que tienen los vehículos híbridos es la

posibilidad de convertirse en híbridos enchufables, para recargar las baterías

de alto voltaje a través de la red eléctrica, lo cual se lleva a cabo

implementando un conjunto adicional de baterías de alto voltaje y un

cargador electrónico. De tal manera que el vehículo tendrá una fuente de

energía adicional y utilizará con menor frecuencia el motor de combustión

interna; sin ningún problema de autonomía, ya que mientras dure la carga de

la batería adicional el vehículo puede tomar esa energía eléctrica y recorrer

más tiempo en modo sólo eléctrico y cuando la carga disminuya, el sistema

se comportará como un híbrido normal.

En este proyecto de titulación, se realizó un estudio del funcionamiento y

características de las baterías de alto voltaje, para que las mismas formen

parte del paquete adicional del sistema plug-in o enchufable. Se analizaron

las formas de recuperar el estado de carga de las baterías de alto voltaje y

como éstas deben actuar en correcto funcionamiento.

Para el diseño de los componentes del sistema enchufable, se realizaron

cálculos de potencia, intensidad y voltaje. Para establecer la energía

eléctrica requerida para cargar las baterías de alto voltaje y que autonomía

proporcionan al vehículo para que este pueda rodar en la ciudad y en

carretera.

Las pruebas se realizaron en un circuito cerrado, para identificar cual fue el

incremento de la autonomía del desplazamiento del vehículo en modo

híbrido y en modo sólo eléctrico.

Uno de los componentes importantes de este proyecto es el cargador

electrónico, que sirve como fuente de recarga de las baterías y proporciona

la energía eléctrica que estas necesitan para volver a almacenar la energía

eléctrica que será ocupada cuando el vehículo esté rodando. El cargador se

conecta a la red eléctrica normal de 110 voltios y no existe riesgo de

xiii

sobrecarga ya que la energía que almacena en las baterías se equilibra con

la red doméstica al momento de llegar al límite de la carga.

xiv

ABSTRACT

One of the great advantages that hybrid vehicles have is the possibility of

becoming plug-in hybrids, to recharge the high voltage battery through the

electrical network, which is performed by implementing an additional set of

hybrid batteries and an electronic charger. So that the vehicle will have an

additional source of energy and less frequently used internal combustion

engine; no problem of autonomy, because the extra battery of the vehicle can

take that power and go longer, in electric mode; if the load decreases, the

system will behave as a normal hybrid.

This project was made with a study of the operation and characteristics of the

high voltage batteries, because they are part of the additional package of

plug-in system. High voltage batteries were fixed to recover their state of

charge and operate appropriately.

Some analyzes of power, amperage and voltage, were performed for the

design of the components of the plug-in system, to check the quantity of

electricity is required to charge high voltage batteries and provide autonomy

to the vehicle, so that it can roll into town and highway.

Tests were made in a closed circuit to identify which was the increase in

vehicle range in hybrid mode and single electric mode.

An important component of this project is the electronic charger, which

serves as a source to recharge the batteries and provides electric power that

these need to re-store the electricity that will be occupied when the vehicle is

rolling. The charger is connected to the normal 110 volt network and there is

not risk of overloading as the energy stored in batteries is balanced with the

home network when reaching the limit of the load.

1. INTRODUCCIÓN

1

Como punto de partida de este proyecto de investigación, se realizará un

estudio correspondiente al vehículo Toyota Prius, donde se analizarán varios

puntos como: generalidades, características técnicas, funcionamiento y

sistemas que integran el vehículo, tales como: la batería de alto voltaje, el

estado de carga S.O.C (State Of Charge), el inversor, el motor de

combustión interna y su ciclo Atkinson, el motor eléctrico y sus

componentes, la transmisión, el sistema de control, el sistema de freno

regenerativo, entre otros.

Este proyecto tiene por objetivo adaptar un sistema híbrido enchufable en un

sistema híbrido normal, con lo cual será posible aumentar la autonomía de

desplazamiento del vehículo a modo eléctrico y se disminuirá de manera

considerable las emisiones de dióxido de carbono al medio ambiente.

Como objetivo primordial de este proyecto se efectuará la adaptación del

sistema híbrido enchufable P.H.E.V. (Plug In Hybrid Electric Vehicle), en el

sistema híbrido normal H.E.V. (Hybrid Electric Vehicle), para demostrar de

qué manera puede convertirse un auto híbrido normal, en un híbrido

enchufable a la red eléctrica. Esto aumentará la autonomía del coche y hará

que el mismo pueda desplazarse por más tiempo utilizando únicamente

energía eléctrica.

La industria automotriz ha desarrollado varios inventos y avances en todos

los sistemas que conforman los vehículos. Innovaciones mecánicas,

eléctricas y electrónicas que han caracterizado su desarrollo.

Sin embargo, la posibilidad de que el uso de los vehículos siga siendo tan

aceptado como lo es hoy en día, depende de la posibilidad de contar

siempre con fuentes de energía renovables; debido al problema que los

combustibles derivados del petróleo son y serán cada vez más costosos.

A esto se agrega el problema del cambio climático originado por las

emisiones de dióxidos de carbono; residuo de la combustión más perfecta

que puede obtenerse al quemar combustibles fósiles.

2

Los motores de combustión modernos, con todos los equipos que llevan

incorporados y que sirven para disminuir la contaminación, persiguen como

único objetivo lograr la combustión ideal, en la cual solo produce dióxido de

carbono y agua en forma de vapor.

Sin embargo, este objetivo que fue siempre primordial, hoy enfrenta un

desafío importante que consiste en la disminución de las emisiones de

dióxido de carbono.

De tal manera que existen dos problemas importantes a solucionar, por un

lado un combustible no renovable y por el otro, la quema del mismo, que

sigue aumentando el problema del cambio climático.

Para ello, una de las mejores soluciones es el vehículo híbrido, que

constituye una de las innovaciones más aceptables que van en la línea de la

disminución de la contaminación ambiental. Por un lado, disminuye las

emisiones de dióxido de carbono al hacer más eficiente el uso de la energía

del combustible; y por otro, la posibilidad de avanzar al concepto del híbrido

enchufable o plug-in, que es la solución más viable antes del vehículo cien

por ciento eléctrico.

El gran problema que existe a nivel mundial, es el excesivo manejo de

combustibles derivados del petróleo, que generan problemas como la

contaminación y el calentamiento global; por lo tanto el uso de vehículos

híbridos, brinda una solución importante a la reducción del consumo de

combustibles fósiles y la contaminación.

El vehículo híbrido HEV, tiene ventajas comparativas con el sistema

tradicional de un solo motor de combustión interna, sin embargo en ciertas

etapas de funcionamiento utiliza el motor a gasolina consumiendo

combustible y generando contaminación; al utilizar un sistema PHEV se

tiene la posibilidad de aumentar la autonomía del vehículo, funcionando por

más tiempo en modo sólo eléctrico.

2. MARCO TEÓRICO

3

2.1 HISTORIA, DISEÑO Y ESTRUCTURA DE LOS VEHÌCULOS

HÍBRIDOS

Alcanzar la meta de emisiones cero con respecto a los altos índices de

contaminación ambiental por la quema de combustibles fósiles, ha sido el

objetivos principal de la industria automotriz en las últimas décadas, lo cual

ha generado grandes inventos como la propulsión eléctrica; sin embargo,

mientras se deja de lado la propulsión por motores de combustión interna, y

se da paso al uso de una batería de combustible, que es un transformador

de energía química en energía eléctrica, la solución más viable es la

hibridación.

“Los desastrosos resultados comerciales de los vehículos eléctricos a pesar

de las ayudas acordadas por el estado o los proveedores, confirman el

impase en el que se encuentra esta tecnología. En el almacenamiento de la

energía sólo se ha progresado mínimamente a partir de comienzos de siglo.

Con autonomías casi sistemáticas inferiores a 100 Km, los automóviles y

pequeños utilitarios eléctricos sólo han podido interesar a algunas flotas

cautivas y únicamente para recorridos perfectamente establecidos. En los

garajes de los grupos, esencialmente públicos, o colectividades locales que

adquirieron en su tiempo este tipo de motorización para cumplir con las

obligaciones legales, no se vería con malos ojos que desaparecieran del

parque los últimos vehículos eléctricos. Y a pesar del interés por el

marketing que tienen los constructores por parecer <<urbanos>>,

Automobiles Peugeot ha dejado de fabricar desde hace tiempo los vehículos

eléctricos. Citroën, por su parte, sólo produce los Berlingo VU”. (Martinez,

2000)

El Berlingo es una furgoneta pequeña, vendida por la marca Citroën desde el

año 1996. Existen varios modelos de este vehículo, los que son de dos

plazas, y los de pasajeros de cinco plazas. El modelo puede llevar en su

http://es.wikipedia.org/wiki/Furgoneta

http://es.wikipedia.org/wiki/Citro%C3%ABn

4

diseño una o dos puertas correderas según el año y la versión; el portón

trasero es de dos hojas o de puerta abatible.

La tecnología aplicada a los vehículos híbridos, parte de la base de la unión

de dos sistemas de propulsión diferentes que se complementan, o que uno

se alimenta de otro en el funcionamiento. La idea es combinar dos fuentes

de energía, los híbridos son vehículos que poseen dos motores de

características distintas, un motor de combustión interna, ya sea que

funcione con gasolina, diesel, hidrógeno, etc., y un motor eléctrico; de

manera que ambos trabajen en conjunto y el funcionamiento sea lo más

eficiente posible.

Cuando las condiciones de manejo, en un vehículo híbrido, deben ser

realizadas durante períodos de tiempo prolongados y recorridos largos, el

sistema solicita mayor uso del motor de combustión, mientras que para

recorridos en ciudad o condiciones de tráfico vehicular, el sistema recurre

más al uso del motor eléctrico y utiliza ambas fuentes de energía en

aceleraciones fuertes.

En el vehículo Toyota Prius, en su versión C Sport, el motor de combustión

interna (M.C.I.) es un motor pequeño, de cilindrada modesta, 1500 cm3, y

posee un motor eléctrico conformado por dos moto-generadores (MG1 y

MG2); en la hibridación la potencia de las dos fuentes de energía se suman,

obteniéndose mayores y mejores prestaciones.

“En el año de 1997, Toyota introdujo en el mercado su primer vehículo

híbrido de fabricación en serie, el Prius, con el sistema híbrido de Toyota de

primera generación, que comprende un motor térmico de 72 caballos de

vapor, un motor eléctrico, un generador, y un paquete de baterías de Níquel,

Metal-Hidruro, instalado en 38 módulos que poseen una tensión total de 274

Voltios. En el sistema híbrido de primera generación desarrollado por

Toyota, el generador eléctrico suministra energía a las baterías o al motor

eléctrico y es accionado por el motor térmico”. (Martinez, 2000)

5

Cuando se enciende el vehículo, al parecer no sucede nada, pero cuando se

presiona el pedal del acelerador, rápidamente comienza el trabajo del motor

de combustión, a través del generador, hasta llegar a su temperatura de

funcionamiento y a partir de ese momento la electrónica comanda el

funcionamiento tanto del motor eléctrico como el de gasolina.

“El consumo en ciudad y recorridos interurbanos muy densos puede bajar a

5,1l/100Km, a pesar de los frecuentes arranques. En carretera, manteniendo

la velocidad alrededor de 100Km/h, el consumo ha bajado a los 4.4l/100Km”.

(Martinez, 2000)

“Luego del lanzamiento del Prius de primera generación Toyota Hybrid

System, Toyota puso en el mercado una nueva versión del vehículo, no sólo

en su estética, sino también en su funcionamiento, con el sistema híbrido de

segunda generación THS II, que le confiere una función más importante al

motor eléctrico y al cual se le ha dotado de mayor potencia, incrementando

23 CV, lo cual se refleja en la velocidad del vehículo que puede rodar

10Km/h más rápido que su primera versión y emite 16g de CO2 menos por

cada kilómetro. Esto es posible forzando el funcionamiento eléctrico a través

del repartidor de potencia, el cual reparte la potencia motriz entre las ruedas

y el generador”. (Martinez, 2000)

Dentro del diseño de los vehículos híbridos, existen tres tipos diferentes de

construcción de estos autos, los cuales son:

- Híbridos en serie

- Híbridos en paralelo

- Híbridos en serie y paralelo

6

2.1.1 HÍBRIDOS EN SERIE

En la configuración en serie de los vehículos híbridos, éstos llevan el motor

térmico acoplado a un generador, el cual es el encargado de producir la

electricidad para el motor eléctrico, siendo éste el que proporciona el

movimiento de giro a las ruedas. Esta configuración es llamada en serie ya

que el flujo de electrones se mueve en línea recta.

El motor de combustión no está acoplado a la tracción, es decir, sólo la parte

eléctrica da tracción, el motor térmico se usa para generar electricidad; en

consecuencia es posible que el sistema funcione a una velocidad constante,

en un punto próximo a su margen de operación con respecto a eficiencia y

emisiones, mientras la batería de alto voltaje es cargada.

Para el funcionamiento, el motor de combustión impulsa al generador

eléctrico, que generalmente es un alternador trifásico, que una vez

rectificada la corriente, recarga la batería de alto voltaje y genera la

electricidad que será entregada al motor eléctrico para dar tracción a las

ruedas e impulsar al vehículo, como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Sistema de propulsión híbrido tipo serie

(FITSA. Fundación Instituto Tecnológico para la Seguridad en el Automóvil, 2007)

7

“En los híbridos en serie el vehículo es impulsado enteramente por el motor

eléctrico gracias a la electricidad suministrada por el motor de combustión, el

cual arrastra a su vez un generador eléctrico”. (FITSA, 2007)

“Si le energía proviene siempre esencialmente de la recarga en una toma

doméstica de 16 Amperios o en conectores públicos y la recuperación

durante las frenadas, se añade la producida por un generador de energía

eléctrica embarcado. Estamos en presencia de un híbrido <<serie>>”.

(Martinez, 2000)

2.1.2 HÍBRIDOS EN PARALELO

Estructuralmente los híbridos en paralelo incorporan dos motores: uno de

combustión interna y otro eléctrico, como se muestra en las figura 2, que

funcionan de forma alternada o en conjunto, es decir, tanto el motor eléctrico

como el motor térmico pueden dar tracción a las ruedas. El motor de

combustión interna actúa en los recorridos largos y en velocidades que

demanden su funcionamiento, mientras que el motor eléctrico es solicitado

para los recorridos en ciudad; si el conductor realiza una aceleración fuerte,

ambos motores trabajan al mismo tiempo.

Una ventaja comparativa de la configuración en paralelo, con respecto al

sistema en serie, es que se evita las perdidas por la transformación de

energía mecánica en energía eléctrica.

Debido a la demanda de potencia que le corresponden al motor de

combustión interna, se obtiene la ventaja que las baterías pueden ser mucho

menores y lo cual se refleja en menor peso.

Cuando el vehículo necesita de más energía, entra en funcionamiento el

motor térmico y al ir disminuyendo la velocidad del auto, ya sea

desacelerando o utilizando el freno, el sistema aprovecha la energía

empleada al frenar para recargar la batería HV o de alto voltaje, lo que se

conoce como freno regenerativo.

8

Para recorridos cortos y frecuentes, el vehículo trabaja sólo con el motor

eléctrico, pero la desventaja es que actualmente las baterías de los autos

híbridos tienen muy poca autonomía y por lo tanto se necesita del

funcionamiento del motor de combustión.

“En los híbridos con arquitectura paralela tanto el motor de combustión como

el motor eléctrico trabajan simultáneamente para impulsar las ruedas del

vehículo”. (FITSA, 2007)

Figura 2. Sistema de propulsión híbrido tipo paralelo

(FITSA, 2007)

Dentro de la configuración de híbridos en paralelo, se encuentran dos

subtipos de este sistema: con generador independiente y con moto-

generador.

El sistema con generador independiente, también llamado híbrido paralelo-

serie, posee mayor número de componentes en su sistema: el generador, un

conversor de corriente, de alterna a continua, y la transmisión entre el motor

de combustión y el generador. Mientras que en el sistema con moto-

generador se aprovecha el espacio físico del vehículo ya que posee menor

9

cantidad de componentes en su sistema. Sin embargo, el rendimiento puede

disminuir.

2.1.3 HÍBRIDOS EN SERIE Y PARALELO

Este sistema también es conocido como híbrido paralelo-serie y es la

configuración más utilizada por Toyota, en su modelo Prius.

El sistema tiene varios modos de operación; uno de ellos es cuando el motor

térmico es requerido y acciona un generador que es el encargado de

recargar la batería de alta tensión y lo hace a través del inversor de

corriente, en este caso el sistema funciona como un híbrido serie. Cuando el

motor de combustión ayuda al motor eléctrico a dar impulso al vehículo, el

sistema opera como en la configuración híbrido paralelo, esto sucede por

ejemplo en aceleraciones fuertes. Además hay un modo de operación del

sistema, en el que el motor de combustión interna realiza dos funciones al

mismo tiempo, es decir, una parte de su energía se utiliza para dar tracción a

las ruedas y la otra para recargar la batería de alto voltaje; en esta condición

de operación el vehículo funciona como un híbrido paralelo serie, como se

muestra en la figura 3.

Figura 3. Configuración de propulsión híbrida tipo paralelo-serie

(FITSA, 2007)

10

En cada una de las configuraciones de propulsión mencionadas

anteriormente, existen etapas de funcionamiento de cada fuente de energía,

como se muestra en la figura 4.

Para diferenciar un motor de otro, la gráfica muestra al motor de combustión

(Engine) y al motor eléctrico (Motor).

Figura 4. Etapas de funcionamiento del motor térmico y el motor

eléctrico

(TOYOTA MOTOR CORP. 2003)

2.2 EL VEHÍCULO HÍBRIDO PIONERO

2.2.1 TOYOTA PRIUS

Sobre la base de las emisiones contaminantes, por la quema de

combustibles derivados del petróleo y los elevados precios de los mismos, la

industria automotriz ha logrado desarrollar tecnologías alternativas que

permiten la comercialización de vehículos ecológicos, que son amigables

con el medio ambiente.

Una de estas novedosas tecnologías es la de los vehículos híbridos, ya que

ofrece una solución muy importante en cuanto a la reducción de gases

contaminantes, colocándose en el nivel de emisiones cero de forma parcial.

11

Esto significa que por momentos un vehículo híbrido funciona sin emitir

gases contaminantes, lo que reduce en gran medida los altos índices de

contaminación que se tienen en la actualidad.

“La base importante de un vehículo híbrido está dada por un motor de

combustión interna que trabaja de forma alternada con un motor eléctrico,

este motor puede ser también generador en algunas condiciones y todo el

sistema utiliza una batería de alto voltaje, para almacenar carga eléctrica.

Esta tecnología es bastante avanzada y permite utilizar, por ejemplo la

cinética del frenado, para convertir al motor en generador y restablecer la

carga de la batería de alta tensión. Lógicamente todo este evento se logra

por la electrónica incorporada en cada unidad de control del sistema”. (CISE

ELECTRONICS, 2009)

Una de la grandiosas ventajas de los vehículos híbridos, es que también

pueden ser modificados para transformarse en autos enchufables a la red

eléctrica, sin tener la desventaja de pérdidas de autonomía por la descarga

de la batería de alto voltaje, ya que al disminuir su carga y llegar al umbral

máximo permisible de descarga, que es el 40% del voltaje total, el vehículo

funciona como un híbrido normal.

Para el funcionamiento del vehículo híbrido el sistema precisa de algunas

condiciones, que deben estar establecidas antes de que la ECU HV del

sistema híbrido comience la estrategia de operación. La estructura de

funcionamiento de un vehículo híbrido consta de un motor de combustión, un

motor eléctrico, que a su vez se divide en dos moto-generadores y un

conjunto planetario de engranajes, como se muestra en la figura 5. Tanto

MG1 como MG2 y el motor de combustión interna MCI, están acoplados a

los ejes planetarios. Respectivamente, planetario o sol, corona y satélites.

12

Figura 5. Componentes de la transmisión del sistema híbrido

(Martinez, 2000)

Cuando el vehículo está detenido y el motor de combustión interna está en

funcionamiento, su movimiento no se transmite a las ruedas; ya que la

corona, que es solidaria a MG2, está detenida. En estas condiciones la única

posibilidad de movimiento es para MG1, ya que se mueve por reacción,

convirtiéndose en generador y cargando la batería de alta tensión.

Con el vehículo detenido pero con el motor de combustión apagado, si el

sistema comanda el arranque de MCI, tiene que accionarse a MG1, que

funciona como motor de arranque, y debido a que la corona está detenida, el

movimiento pasa del engranaje sol hacia los satélites, permitiendo que el

motor térmico arranque.

El momento que la corona no está detenida y MG2 se mueve, este

movimiento pasa a las ruedas y por consiguiente el vehículo empieza a

rodar. Si se aplica movimiento contrario a MG2, el auto se moverá en

marcha hacia atrás. En el caso que el vehículo se encuentre en neutro y una

fuerza externa lo impulse, MG2 no tendrá otra opción más que moverse, ya

que está acoplado al eje de salida de movimiento a las ruedas.

13

Con esta breve aclaración acerca del funcionamiento de los

motogeneradores y el motor de combustión interna, a continuación se detalla

cada una de las estrategias que el sistema de la unidad híbrida adopta para

operar las diferentes marchas del vehículo.

2.2.1.1 Vehículo sin movimiento

Cuando el vehículo está detenido, MCI está apagado, como se muestra en la

figura 6, siempre que las condiciones de carga de la batería HV sean altas;

en caso contrario el motor térmico se encenderá. El sistema híbrido de

Toyota, a partir de la segunda generación, no precisa del motor de

combustión interna para el funcionamiento de la dirección, ni del aire

acondicionado, ya que para el caso de la dirección se emplea un motor de

corriente directa y para el aire acondicionado un motor trifásico de frecuencia

variable; estos sistemas son comandados por el sistema híbrido.

Figura 6. Sistema híbrido en operación “Ready On” y vehículo

detenido

(CISE ELECTRONICS CORP. 2009)

14

2.2.1.2 Inicio de la tracción

Si las condiciones de carga del vehículo son bajas, el movimiento lo acciona

MG2, mientras que MCI está apagado, como se muestra en la figura 7, y la

energía que se utiliza para el movimiento proviene de la batería de alto

voltaje. A su vez, si las condiciones de carga son altas, el movimiento será

accionado por MG2 y MCI. Para los cálculos de carga del vehículo, es muy

importante la posición del pedal del acelerador, que posee un sensor APP,

cuya señal es detectada por la ECU del sistema híbrido.

Figura 7. Sistema híbrido en operación de inicio de la tracción


2.2.1.3 Velocidad normal

A velocidades entre 30 y 70Km/h aproximadamente, MG2 ayuda con carga

eléctrica, transformándola en energía mecánica y MCI genera potencia,

como se muestra en la figura 8. MG1 gira en el mismo sentido que MG2 y

15

entrega energía eléctrica al mismo, para que éste a su vez ayude a MCI a

impulsar el vehículo.

Figura 8. Sistema Híbrido en operación de velocidad normal


2.2.1.4 Aceleraciones fuertes

Cuando la demanda de velocidad es alta, o cuando se realiza una

aceleración fuerte, como se muestra en la figura 9, MG2 ayuda al motor

térmico MCI para generar potencia, mientras que MG1 gira en reversa lo que

crea una sobre marcha u overdrive.

“Cuando el conductor acelera fuerte (para acelerar mucho o para subir una

rampa), el motor eléctrico alimentado por la batería ayuda al motor térmico.

Esto es sólo posible mientras la carga de la batería no baje de una cierto

límite”. (CISE ELECTRONICS, Introducción al Sistema Híbrido, 2009)

16

Figura 9. Sistema híbrido en operación de aceleración fuerte


2.2.1.5 Freno regenerativo y desaceleración

Para esta condición de operación, MCI se apaga y MG1 gira en sentido

contrario a MG2; además MG2 pasa a funcionar como generador, como se

muestra en la figura 10, convirtiendo la energía cinética del vehículo en

movimiento, en energía eléctrica para cargar la batería HV, a través del

inversor. El freno regenerativo comienza en el momento que el conductor

dejar de acelerar y también cuando ejerce una fuerza sobre el pedal del

freno, controlando la operación de forma hidráulica.

En la acción de frenado regenerativo no se requiere que el motor térmico

esté prendido, pues para recargar la batería de alto voltaje se utiliza el

movimiento del mismo auto. Por lo tanto MG1 estará con valores negativos

de revoluciones, para no encender al motor térmico y MG2 con valores

positivos, cuyo movimiento será utilizado para recargar la batería HV y de

freno eléctrico.

17

Figura 10. Sistema híbrido en operación de desaceleración y frenado

regenerativo


2.2.1.6 Marcha atrás

Para esta condición de funcionamiento, MG2 gira en sentido contrario, en

revoluciones negativas, haciendo que el vehículo se mueva en reversa. MG1

gira en revoluciones positivas, pero no genera energía eléctrica, como se


Esta es la única condición en la que MG2 adquiere valores negativos de

revoluciones, ya que el sentido de marcha del vehículo está en reversa; por

el contrario MG1 adquiere valores positivos de revoluciones, sin que esté

recargando a la batería de alto voltaje, ni tratando de encender al motor de

combustión interna; su valor de revoluciones se da por el movimiento

mecánico que adquiere en esta condición de operación.

18

Figura 11. Sistema híbrido en operación de marcha en reversa


Cada moto-generador funciona como motor o como generador en distintas

etapas de trabajo del vehículo, como lo muestran los datos presentados en

la tabla 1.

Los espacios marcados con una línea indican que los moto-generadores o

MCI no realizan ninguna función.

19

Tabla 1. Condiciones de operación del sistema híbrido

Condiciones de

operación del vehículo MG1 MG2 MCI SMG1 SMG2 CP1 CN1

Detenido con carga

suficiente

___

___

___

___

___

___

___

Detenido arranca MCI

Motor

___

___

Señal

(PWM)

___

___

___

Detenido cargando

batería

Generador

___

Motor

___

___

Señal

(PWM)

___

Movimiento eléctrico con

carga baja

___

Motor

___

___

Señal (PWM)

___

___

Movimiento media

potencia cargando

Generador

___

Motor

___

___

Señal

(PWM)

___

Movimiento alta

potencia cargando

batería

Generador

Motor

Motor

___

Señal (PWM)

Señal

(PWM)

___

Movimiento potencia

máxima

Motor

Motor

Motor

Señal

(PWM)

Señal (PWM)

___

Señal

(PWM)

Frenado regenerativo

Motor- D

Generador

___

Señal-D

___

Señal

(PWM)

___

Generador-

B

___ - B

Reversa

___

Motor

(Inversa)

___

___

Señal (PWM)

(inversa)

___

___


20

2.3 PRINCIPALES ELEMENTOS DEL SISTEMA HÍBRIDO

2.3.1 MOTOR TÉRMICO

El motor de combustión interna utilizado en el Toyota Prius, es una fuente de

energía que funciona con combustibles derivados del petróleo, como se

muestra en la figura 12. Actualmente en el Ecuador las diferentes versiones

del vehículo utilizan motores a gasolina, con cilindradas de 1.8lts., para el

modelo Prius y 1.5lts., para el modelo Prius C Sport.

El funcionamiento es semejante a cualquier otro sistema, en cuanto al

control electrónico de inyección. El motor incorpora elementos como:

catalizador, sistema de emisiones evaporativas, válvula EGR, distribución

VVT-i, sistema de encendido COP y sistema de mariposa motorizado TAC.

El ciclo de funcionamiento del motor es el ciclo Atkinson, como se muestra

en la figura 13, el cual es más eficiente en comparación al ciclo Otto, ya que

se consiguen relaciones de compresión más altas, debido a que la carrera

de compresión dura menos que la carrera de expansión y esto se logra

retrasando el cierre de las válvulas de admisión mientras asciende el pistón.

Además se obtiene mayor rendimiento termodinámico, como se muestra en

la figura 14, con la única diferencia que se genera menor potencia; sin

embargo el motor eléctrico aporta la potencia que falta.

En el ciclo Atkinson la mezcla de aire y combustible que proporciona la

fuerza para el giro del motor es comprimido hasta su máxima eficiencia, esto

se logra con el retraso al cierre de las válvulas cuando el pistón comienza la

compresión. En el ciclo Atkinson se retrasa el cierre de las válvulas de

admisión, volviendo así, parte de la mezcla al conducto de admisión. Con

este procedimiento se consigue un considerable ahorro de combustible, una

menor temperatura y presión en el cilindro restando vibraciones al motor y

aumentando la eficiencia global del ciclo.

21

Figura 12. Motor de combustión interna Toyota Prius


Figura 13. Diagrama de distribución del funcionamiento real del ciclo

Atkinson


22

Figura 14. Diagrama presión vs. volumen del ciclo Atkinson


2.3.2 MOTOR ELÉCTRICO

En el sistema híbrido de Toyota el motor eléctrico está formado por dos

moto-generadores trifásicos llamados MG1 y MG2, como se muestra en la

figura 15, cada uno cumple con una función específica. En el caso de MG1,

este moto-generador es el encargado de generar electricidad que recarga la

batería HV, o que es aprovechada por MG2 en ciertas condiciones de

manejo del vehículo; MG1 también funciona como motor de arranque para

encender al motor de combustión interna, cuando el vehículo está detenido,

y cuando está en movimiento el arranque se logra por la unión de MG1 y

MG2.

La función de MG2 es la de proporcionar tracción a las ruedas y así dar

movimiento al vehículo, tanto en marcha hacia adelante, como hacia atrás.

MG2 también funciona como generador, pero sólo en las desaceleraciones y

frenadas, aprovechando la energía cinética y transformándola en energía

23

eléctrica, que servirá para recargar la batería HV, a través del inversor. Cabe

mencionar que todo el funcionamiento es controlado por la ECU del sistema

híbrido.

Figura 15. Motogeneradores del sistema híbrido


2.3.3 TRANSMISIÓN

El conjunto de engranajes planetarios del Toyota Prius, que se muestra en la

figura 16, es un sistema de transmisión continua, que está constituido de tres

parte que son: engranaje sol, corona y satélites. En el proceso intervienen de

forma alternada MG2 y MCI, los cuales están acoplados, respectivamente, a

la corona y a los satélites; y MG1 que va acoplado al engranaje sol, como se


“Este sistema varía un poco de las transmisiones convencionales puesto que

en el interior no existen elementos multiplicadores que cambien de relación

en los diferentes cambios, en este conjunto a medida que el vehículo está

aumentando de velocidad aumenta la rotación RPM del conjunto, por lo tanto

existe mucha eficiencia puesto que hay menos componentes en donde se

pierda energía como ocurre con la fricción. En este conjunto la estrategia de

MG1

MG2

24

operación del planetario está dada hacia la intervención de MG1, MG2 y el

motor de combustión en el conjunto de engranajes, pero controlada en todo

momento por la unidad de control del sistema híbrido ECU HV”. (CISE

ELECTRONICS, 2009)

Figura 16. Transmisión del sistema híbrido


Figura 17. Conjunto de engranajes planetarios


25

En el proceso de estacionamiento del vehículo interviene la unidad de

control denominada ECU TRANSMISSION. El funcionamiento que realiza el

mecanismo es bloquear y desbloquear de forma directa el eje de salida.

Para controlar el correcto funcionamiento del conjunto de la transmisión, el

sistema dispone de tres sensores que miden la velocidad del eje de salida e

informan a la ECU HV, como se muestra en la figura 18.

Figura 18. Sensor de velocidad del eje de salida


2.3.4 ELEMENTOS DE CONTROL DEL SISTEMA HÍBRIDO

Cada una de las operaciones del vehículo están gestionadas por las

diferentes unidades de control del sistema, tales como: ECU HV (Unidad de

Control del Sistema Híbrido), ECM (Unidad de Control del Motor de

Combustión), SKID CONTROL ECU (Unidad De Control de Derrape), ECU

BATTERY HV (Unidad de Control de la Batería de alto voltaje), como se

muestran en la figura 19.

26

Todas las unidades de control se comunican con sus sistemas de forma

directa y también entre ellas, a través del BUS DE DATOS CAN (Control

Area Network).

Figura 19. Elementos de control del sistema híbrido


2.3.4.1 E.C.U. HV (Control del Sistema Híbrido)

Las principales funciones de la ECU HV son:

- Controlar el estado de carga y la temperatura de la batería de alto voltaje.

- Supervisar MG1 y MG2 para optimizar el funcionamiento de estos

elementos.

27

- Limitar la rotación de MG2, cuando no hay tracción en las ruedas motrices,

para proteger el conjunto de engranajes planetarios y evitar que MG1

proporcione demasiada energía eléctrica.

- Conectar el circuito de alta tensión a través del control del SMR

- Detener eléctricamente a MG1 y MG2 cuando la posición de cambio está

en neutro

2.3.4.2 E.C.M. (Control de Motor De Combustión)

Las funciones principales de esta unidad de control son:

- Recibir información de todos los sensores del sistema de inyección

electrónica a excepción del sensor APP (Sensor de la posición del pedal

del acelerador), ya que esa información la recibe la ECU HV.

- Comunicarse con la ECU HV, a través de la red CAN

- Controlar el sistema ETCS-i (Electronic Throttle Control System with

intelligence) y el sistema VVT-i (Variable Valve Timing with intelligence).

- Permitir el funcionamiento del motor a diferentes regímenes.

2.3.4.2 Skid control E.C.U. (Control de Derrape)

Dentro de las principales funciones de esta unidad de control se encuentran

las siguientes:

- Calcular la fuerza de frenado total y solicitar el frenado regenerativo a la

ECU HV.

- Controlar el sistema de frenado EBD (Electronic Brake-Force Distribution).

28

- Medir los movimientos de centro de gravedad del vehículo, para obtener

un mejor funcionamiento del sistema de frenos.

- Intercambiar información con la ECU HV, a través de la red CAN.

2.3.4.3 E.C.U. Battery hv (Control de la batería híbrida)

Las principales funciones de esta unidad de control son:

- Monitorear la temperatura de refrigeración de la batería de alto voltaje.

- Controlar el ventilador de refrigeración, para mantener una temperatura

optima de la batería de alto voltaje.

- Medir el voltaje de los paquetes que constituyen la batería HV.

- Medir la corriente de entrada y salida de la batería HV, a través del sensor

de corriente.

2.3.4.4 Brake E.C.U. (Unidad de Control de freno ABS)

Esta unidad de control tiene las siguientes funciones principales:

- Gestionar el frenado del vehículo de forma hidráulica, con el sistema ABS

(Anti-Lock Braking System).

- Comunicarse con todas la demás unidades de control, a través de la red

CAN.

2.3.4.5 E.C.U. Transmission (Control de la Caja)

Las funciones de esta unidad de control son las siguientes:

- Gestionar la operación de parqueo del vehículo.

29

- Comunicarse con la ECU HV, a través de la red CAN.

2.4 BATERÍA DE ALTO VOLTAJE

Para el análisis de la batería de alta tensión y de sus componentes, se

toman como ejemplo las versiones Toyota Hybrid System desde el año 2005

hasta el año 2011 y se mencionarán también datos técnicos del conjunto en

el modelo Prius C Sport.

En el caso del vehículo Toyota Prius, desde el 2005 hasta el 2011, la batería

está formada por 28 celdas de 7.2 V cada una y que van conectadas en

serie de dos en dos, formando paquetes de 14.4 V cada uno, hasta unirse en

un total de 14 paquetes con 201.6 V de voltaje nominal y 241.92 V de voltaje

máximo de carga, valor que representa un 20% más de la carga nominal.

Por otra parte, para el modelo Prius C Sport, existen 20 celdas con 7.2 V

cada una, que de igual manera forman paquetes de dos en dos, con voltajes

de 14,4 V, pero que alcanzan un máximo de 10 paquetes totales, con 144V

de voltaje nominal, 172.8V de voltaje máximo y 6.5 A/h de intensidad de

corriente.

La batería del sistema híbrido está constituida por varios elementos, como

se muestra en la figura 20, los cuales trabajan en conjunto para que el

sistema funcione de manera correcta y se eviten posibles fallas.

La batería cuenta con un dispositivo de seguridad que divide el circuito en

dos partes, esta clavija es conocida como Jumper, como se muestra en la

figura 21, el cual posee un enclavamiento mecánico que tiene un fusible en

su interior y que permite el paso de corriente, informando a la ECU HV que

se encuentra correctamente ubicado. Si por el contrario el enclavamiento es

incorrecto o el fusible está dañado, la ECU BATTERY HV no entrará en

funcionamiento.

30

Figura 20. Conjunto de la batería de alto voltaje


Figura 21. Divisor de tensión de la batería de alto voltaje


JUMPER

31

2.4.1 CONTROL DE LA TEMPERATURA

La batería de alta tensión dispone de un sistema de desfogue de vapores,

para evitar que los mismos se depositen en las partes eléctricas y

electrónicas del circuito. Además existe un ventilador de enfriamiento, el cual

se acciona comandado por la unidad de control de la batería HV, a través de

la información que ésta recibe de los sensores de temperatura que posee la

batería de alto voltaje. Mientras más baja sea la temperatura, más alta será

la resistencia de los sensores y mientras más alta sea la temperatura, más

baja será dicha resistencia, como se muestra en la figura 22.

Los sensores son tres o cuatro, dependiendo del diseño, como se muestra

en la figura 23; son termistores del tipo NTC (Coeficiente Negativo de

Temperatura), lo que quiere decir que varían su resistencia en función de la

temperatura que vaya tomando la batería HV.

Figura 22. Diagrama resistencia vs. temperatura de los termistores de

la batería HV


32

Figura 23. Diagrama eléctrico de los sensores de temperatura de la

batería HV


2.4.2 CONTROL DE ALIMENTACIÓN DE VOLTAJE

El sistema de funcionamiento de la batería HV dispone de un conjunto de

relevadores de activación del sistema, denominado SMR. Este conjunto está

formado por 3 tres relés que son: SMR1, SMR2 y SMR3.

Para el funcionamiento del conjunto, SMR3 está conectado al negativo de la

batería y es el primer relé que se activa, luego en la parte positiva se activa

SMR1, que lleva conectada en serie una resistencia de 20 ohm, que sirve de

protección al sistema, midiendo la corriente que pasa; si todo está correcto

se activa SMR2, que también está conectado al positivo de la batería y

permite el paso de corriente de forma directa.

33

Por otra parte, si SMR1 detecta un problema en el paso de corriente, SMR2

no se activará y SMR3 se desactivará.

2.4.3 SENSOR DE CORRIENTE

La batería de alto voltaje posee un sensor de corriente de efecto hall, como

se muestra en la figura 24, que está montado en el polo negativo de la

batería HV. Este sensor emite una tensión que va desde 0 a 5 voltios; si la

tensión del sensor de corriente es mayor a 2.5 V, indica que la batería HV se

está descargando y si la tensión es menor a 2.5 V indica que se está

cargando.

Figura 24. Esquema del sensor de corriente de la batería HV


34

2.4 FUNCIONAMIENTO DEL INVERSOR

El inversor cumple con cinco funciones principales que están monitoreadas

por la unidad de control del sistema híbrido, como se muestra en la figura 25.

Estas funciones son:

- Elevar el voltaje de la batería híbrida a un voltaje mayor, a través del

circuito amplificador de tensión.

- Generar corriente alterna trifásica para mover a MG1 y MG2.

- Llevar energía eléctrica hacia la batería de alta tensión cuando MG1 y

MG2 funcionan como generadores.

- Transformar la energía eléctrica de la batería HV en corriente alterna

trifásica, para el motor eléctrico del aire acondicionado.

- Utilizar la batería de alto voltaje como fuente de carga, para recargar la

batería auxiliar de 12V, a través del circuito conversor DC – DC.

Figura 25. Esquema del sistema inversor


35

2.5.1 CIRCUITO ELEVADOR DE VOLTAJE

También denominado BOOSTER, este circuito está compuesto por un

reactor o bobina y un módulo IPM (Intelligent Power Module), el cual está

formado por transistores IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). El circuito

cumple con dos funciones específicas que son:

- Elevar la tensión de la batería HV que será utilizada por los moto-

generadores.

- Permitir la recarga de la batería HV cuando MG1 y MG2 trabajan como

generadores.

En el funcionamiento, la ECU envía pulsos a un transistor que se

denominará T1, posteriormente desactiva a este transistor creándose una

autoinducción del reactor, y la tensión pasa a través del diodo denominado

D2 que se polariza con un voltaje positivo que va hacia el condensador

llamado C1 y el diodo llamado D2 no permite el paso del voltaje positivo al

lado de masa, como se muestran en la figura 26.

Figura 26. Diagrama eléctrico del Booster y gráfica en osciloscopio


36

Cuando el sistema necesita recargar la batería HV, la energía debe ser

convertida de corriente alterna a corriente directa, a través del IPM. En el

funcionamiento, la ECU HV deja de enviar pulsos al transistor T1 y activa T2,

permitiendo el paso de la tensión que viene desde los moto-generadores al

reactor, el cual no genera gran caída de tensión debido a su baja resistencia,

como se muestra en la figura 27.

Figura 27. Esquema de la activación del transistor T2 para recargar la

batería HV


2.5.2 ALIMENTACIÓN DE LOS MOTOGENERADORES

Tanto MG1 como MG2 son motores y generadores trifásicos de corriente

alterna, cada una de las fases denominadas U, V y W, están desfasadas

entre sí a 120 grados con relación a la rotación de motor, como se muestra

en la figura 28.

En cada una de las fases debe existir un flujo de corriente que cambie de

sentido con relación al tiempo, toda esta estrategia de generar corriente

alterna y desfasarla en el momento correcto la gestiona la ECU HV, pero la

37

potencia de este mecanismo está dada por el inversor, a través de los

transistores IGBT.

Figura 28. Conexión de los moto-generadores con el inversor y la

ECU HV

(CISE LELECTRONICS CORP. 2009)

“Los motores de corriente alterna y los motores de corriente directa se basan

en el mismo principio de funcionamiento, el cual establece que si un

conductor por el cual circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la

acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse

38

perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético”. (CISE

ELECTRONICS, 2009)

Las características constructivas de los moto-generadores son las mismas,

sus partes fundamentales son el rotor y el estator, como se muestran en la

figura 29. El estator se compone de otras partes como son la carcasa, que

sirve de protección al núcleo magnético, que posee unas láminas

ferromagnéticas aisladas por medio de barnices, los bobinados que tienen la

función de producir el campo magnético, y que van alojados en las ranuras

del núcleo, y la bornera que tiene por objetivo conectar a la red los

terminales del bobinado estatórico.

El rotor está formado por un eje cuyos extremos se alojan en unos bujes o

rodamientos, también posee un conjunto de láminas ferromagnéticas que

tienen unas ranuras para alojar a las bobinas rotóricas.

Figura 29. Esquema de los motogeneradores y su estructura


39

2.5.3 SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO

Para el funcionamiento del motor trifásico del aire acondicionado, el inversor

trabaja con la tensión de la batería de alto voltaje sin intervenir la etapa de

recarga ni el módulo IPM, como se muestra en la figura 30, en esta

condición trabaja un regulador de tensión VCC (Voltaje de Alimentación

Electrónica).

“El sistema de control está dispuesto por la ECU del sistema híbrido y pata

su operación el sistema evalúa parámetros importantes como la tensión, la

temperatura y la corriente”. (CISE ELECTRONICS, Operación del Sistema

Inversor, 2009)

Figura 30. Diagrama del inversor para accionar el motor del aire

acondicionado


40

2.5.4 RECARGA DE LA BATERÍA AUXILIAR

Cuando el vehículo está en movimiento sin utilizar el MCI, tiene disponible el

funcionamiento de todos los accesorios, tales como: luces, radio, panel de

instrumentos, entro otros. Por tal motivo utiliza la energía almacenada en la

batería de 12V, la cual no precisa de un alternador para su recarga, ya que

el MCI no está en funcionamiento en todo momento. En el Toyota Prius, la

recarga de la batería auxiliar se la realiza a través del inversor, con el

conversor DC – DC, como se muestra en la figura 31, el cual reduce la

tensión de la batería de alto voltaje a 12V para la batería auxiliar, todo esto a

través de la electrónica de potencia y el monitoreo de la unidad de control

del sistema híbrido.

La corriente alterna es inducida en la bobina, a través del conjunto de

transistores de potencia; dicha bobina y los diodos funcionan como un

rectificador de onda completa que rectifica la onda negativa a través del

condensador de filtrado.

Figura 31. Diagrama del conversor DC – DC

(CISE ELECTRONICS CORP. 2009

3. METODOLOGÍA

41

3.1 DISEÑO DEL SISTEMA ENCHUFABLE

Para el desarrollo del sistema híbrido enchufable fue necesario recopilar

algunos datos de funcionamiento del vehículo híbrido Prius C. lo cual ya se

explicó en el funcionamiento del auto anteriormente. Adicional a ello, fue

necesario saber donde serían ubicados los elementos del sistema

enchufable y como debería ser ubicados en el auto para aprovechar el

espacio de la cajuela al máximo. De tal manera que para el diseño, todos los

elementos tuvieron que ser colocados en el maletero del vehículo,

generando una desventaja pues no quedó lugar para poder colocar equipaje

en caso de un viaje y además de ello se generó peso adicional el cual se

explica más adelante en el presente capítulo.

En el sistema enchufable existen dos elementos principales para el

funcionamiento, el cargador y el acumulador de energía. Por una parte el

cargador está formado par varias piezas electrónicas que se detallan más

adelante y por otra parte las baterías que son las encargadas de almacenar

la energía eléctrica que necesita el auto para moverse.

Se decidió utilizar un soporte de acrílico para las baterías ya que en el caso

de existir un cortocircuito, el acrílico no es conductor de la electricidad y

evitará así un accidente por descarga eléctrica.

3.2 ELEMENTOS DEL SISTEMA HÍBRIDO ENCHUFABLE

Los principales elementos utilizados para la modificación del sistema híbrido

convencional HEV a híbrido enchufable PHEV, fueron los siguientes:

- Vehículo Toyota Prius C Sport.

- Baterías adicionales de NiMH.

- Cargador electrónico de baterías.

- Caja-Soporte de baterías.

42

3.3 CARACTERÍSTICAS DEL VEHÍCULO TOYOTA PRIUS C

“El Toyota Prius C Sport está incorporado motor de 1500 centímetros

cúbicos de cilindraje, que brinda un ahorro de combustible muy eficiente,

superior a los 4.7 L/100 Km. Además cuenta con el sistema de encendido

tipo COP, de bobinas independientes. La distribución es de tipo variable

VVT-i y el sistema de mariposa de aceleración es motorizado. El régimen

máximo de operación de este motor se encuentra alrededor de las 4500

revoluciones por minuto y ofrece una eficiencia muy importante debido al

ciclo de trabajo Atkinson, el cual trata de aprovechar las ventajas de una alta

relación de compresión reduciendo la carrera de compresión con respecto a

la de expansión, esto se logra retrasando el cierre de la válvula de admisión,

permitiendo el reflujo de gases hacia el colector de admisión mientras el

pistón asciende. Esa mezcla se aprovecha en el siguiente ciclo de

aspiración”. (TOYOTA MOTOR CORP. 2003)

3.4 CARATERÍSTICAS DE LAS BATERÍAS DE ALTA TENSIÓN

HÍBRIDAS

Para aumentar la autonomía de la batería de alto voltaje del vehículo híbrido,

es necesario incrementar el amperaje de la misma, esto se lleva a cabo

implementando un paquete adicional de baterías de alta tensión, que pueden

estar conformadas en 20 celdas de baterías de un Toyota Prius o en 15

celdas de baterías de un Toyota Highlander, extraídas del conjunto completo

de 30 celdas, ya que en ambos casos se obtiene el mismo voltaje nominal

que es de 144 V. Para el desarrollo de este proyecto, se decidió utilizar un

conjunto de baterías de alta tensión del Toyota Highlander, que fueron

adquiridas en la empresa Importadora Tomebamba S.A., en la ciudad de

Quito.

Estas baterías están compuestas de Níquel, Metal-Hidruro y subdivididas en

3 conjuntos de los cuales, dos contienen 12 celdas y uno tiene 6 celdas,

como se muestra en la figura 32, cada celda tiene un voltaje de 9.6 voltios,

43

que en total proporcionan un voltaje nominal de 288 V y un voltaje máximo

de carga de 345 V.

Figura 32. Baterías de alta tensión del Toyota Highlander

3.5 COMPROBACIÓN DEL ESTADO DE CARGA DE LAS

BATERÍAS

Un correcto funcionamiento de las baterías híbridas se refleja en su

capacidad de mantener un voltaje alto y no descargarse de manera rápida,

sino lenta y progresivamente.

Para determinar el estado de carga de las baterías, se realizaron pruebas de

medición de voltajes en cada uno de los tres conjuntos, utilizando un

multímetro digital en la función de voltímetro que es capaz de medir la caída

de tensión tanto en corriente directa como alterna, como se muestra en la

figura 33 y un foco halógeno de 110 V y 300 W, conectado en paralelo, para

descargar las baterías y verificar si las mismas eran capaces de mantener su

carga, como se muestra en la figura 34.

BATERÍAS BATERÍAS BATERÍAS

44

Figura 33. Medida de voltaje del conjunto de baterías

Figura 34. Descarga del conjunto de baterías

BATERÍAS

MULTÍMETRO

LÁMPARA HALÓGENA

45

En el conjunto 1 que contiene 12 celdas, los voltajes se midieron cada diez

minutos y fueron disminuyendo rápidamente, lo cual indica un deterioro de

las baterías, es decir que no estaban descargándose de manera lenta, lo

cual es ideal, sino rápidamente como lo muestran los datos presentados en

la tabla 2. Se observa la caída de tensión cada diez minutos y una diferencia

entre 5 V y 10 V que es una pérdida de voltaje defectuosa ya que debería

ser de menos de 3 V.

El tiempo de descarga total fue de dos horas y cuarenta minutos.


TIEMPO (MIN) VOLTAJES (V)

0 138.3

10 128.1

20 125.0

30 123.6

40 121.8

50 119.2

60 117.3

70 115.4

80 112.6

90 99.1

100 70.3

110 40.3

120 29.2

130 17.7

140 8.75

150 4.70

160 0.67

46

En el segundo conjunto que también contiene 12 celdas, llamado conjunto 2,

se realizaron las mismas pruebas que en el paquete 1 y de igual manera se

determinó que las baterías se descargaban y como se explicó anteriormente,

eso indica deficiencia en el conjunto, e igual que en el caso anterior se

realizó la prueba en el mismo tiempo. Los valores obtenidos se muestran en

los datos de la tabla 3.



0 138.2

10 127.3

20 124.0

30 122.5

40 121.2

50 119.5

60 117.5

70 113.2

80 111.3

90 99.0

100 72.3

110 40.0

120 29.5

130 16.5

140 8.6

150 4.3

160 0.59

De la misma manera se realizaron pruebas de voltaje en el paquete que

contiene 6 celdas, llamado paquete 3, los resultados fueron semejantes a los

47

dos conjuntos anteriores, en la misma cantidad de tiempo. Se determinó así

que las baterías perdían rápidamente la carga ya que estaban defectuosas.

Los valores obtenidos se muestran en los datos de la tabla 4.

El tiempo de descarga total fue de una hora y diez minutos



0 67.5

10 62.2

20 58.1

30 52.6

40 23.1

50 10.6

60 2.2

70 0.33

3.6 ELEMENTOS QUE CONFORMAN EL CARGADO DE

BATERÍAS

El cargador suministra la energía eléctrica necesaria para recargar las

baterías de alta tensión, desde una toma de corriente de 110V. Está

conformado por los siguientes elementos:

3.6.1 PUENTE RECTIFICADOR

Es un circuito electrónico que se usa para convertir la corriente alterna en

corriente continua a través de los diodos que lo conforman; un ejemplo de

este elemente se muestra en la figura 35.

48

Se decidió utilizar el puente de diodos del modelo cuadrado porque se puede

fijar de mejor manera gracias a su superficie plana y debido a que posee los

contactos cortos y rígidos, resulta mejor poder conectar los cables a través

los terminales.

Así mismo gracias a su estructura metálica, ayuda a disipar mejor el calor.

Figura 35. Puente de diodos

3.6.2 CAJA METÁLICA

Es un soporte de tamaño pequeño, como se muestra en la figura 36,

diseñado para ocupar un espacio mínimo en la parte posterior del vehículo.

Sirve para alojar en su interior a todos los elementos que conforman el

circuito eléctrico del cargador. Las dimensiones de este elemento son: 15 cm

de alto x 15 cm de ancho x 10 cm de profundidad. Se decidió utilizar una

caja de metal que pueda resistir el calor que se genera en su interior debido

a la corriente que circula por los elementos del cargador. Además debe estar

sujeta para evitar que se mueva bruscamente en el momento de la

conducción del vehículo, a través de pernos que van en el soporte del

maletero.

49

Figura 36. Vista de la caja metálica del cargador

3.6.3 PORTAFUSIBLE

Este elemento sirve como alojamiento para el fusible del circuito eléctrico y

además provee seguridad al fusible, para evitar que se rompa o se deteriore.

Se decidió utilizar este modelo de protección ya que es una cápsula plástica

que en su interior posee dos chapas metálicas que realizan la función de

contactos para el fusible, un ejemplo de este componente del cargador se


Figura 37. Portafusible

Baterías adicionales

Caja metálica. Cargador de baterías

Multímetro

50

3.6.4 FUSIBLE

Es un elemento que sirve de protección al circuito eléctrico contra la

sobrecarga de corriente.

Se utilizó un fusible sencillo de tal manera que concuerde con el portafusible

seleccionado anteriormente y pueda caber en el interior del mismo.

Para el diseño del cargado se utilizó un fusible de 5 A, ya que la corriente de

carga de las baterías se encuentra en el orden de 0.8 A a 1 A. En la figura

38, se puede observar la imagen del fusible y su simbología eléctrica. Este

elemento soporta fácilmente la corriente que se genera después del puente

de diodos.

Figura 38. Fusible

3.6.5 INTERRUPTOR

Su función es la de permitir el paso de corriente cuando es accionado a su

posición de continuidad y cortar el paso de corriente cuando está en la

posición de circuito abierto, un ejemplo de este elemento se muestra en la

figura 39.

El interruptor seleccionado fue de modelo simple de dos contactos ya que

sirve para poder encender y apagar el cargador.

51

Figura 39. Interruptor

3.6.6 LED (Diodo Emisor de Luz)

Sirve para comprobar si el capacitor electrolítico del cargador está

funcionando, un ejemplo de este elemento se muestra en la figura 40.

Se decidió utilizar este elemento para que sirva como alerta de aviso en

caso de que el cargador no funcione, ya que siendo ese el caso, el led no se

encenderá.

Figura 40. Diodo Emisor de Luz

52

3.6.7 RESISTENCIA

En el circuito eléctrico del cargador, la resistencia sirve como protección para

el diodo LED.

La resistencia que su utilizó es de 10 kΩ y 0.5 W. ya que con esas

características puede soportar la cantidad de corriente que pasa por el

circuito.

3.6.8 CAPACITOR ELECTROLÍTICO

Para la construcción del cargador se utilizó un condensador de 220µf x 450V

como se muestra en la figura 41. Este elemento sirve para almacenar la

carga, y moderar el voltaje de salida de la corriente rectificada. Además su

diseño de base plana facilita la sujeción a la caja.

Figura 41. Capacitor electrolítico

3.6.9 AMPERÍMETRO ANALÓGICO

Su función es la de captar la cantidad de corriente que pasa hacia las

baterías. El amperímetro que se utilizó para construir el cargador es de tipo

aguja, ya que muestra la escala de amperaje cuando pasa corriente a través

de él, contrario de los digitales que precisan de una pila. Tiene una escala de

53

0 a 20 A, que es suficiente para marcar el amperaje de carga, entre 0.8 A a 1

A. Como se muestra en la figura 42.

Figura 42. Amperímetro de tipo aguja

3.6.10 FOCO HALÓGENO

Dentro del circuito, la función del foco es la de absorber parte de la corriente

que pasa a las baterías de alta tensión.

El foco que se utilizó para la construcción del cargador es de 110V y 500W

ya que el filamento interno soporta fácilmente el calor que se genera por el

paso de corriente, omo se muestra en la figura 43.

Figura 43. Foco halógeno

54

3.6.11 CABLES

Tienen la función de permitir el paso de la corriente eléctrica a través de

todos los componentes del cargador, mencionados anteriormente.

3.7 CONSTRUCCIÓN DEL CARGADOR DE BATERÍAS

Una vez ya obtenidos todos los elementos de carga del sistema enchufable,

se realizó la construcción del cargador de las baterías de alto voltaje.

Iniciando con la toma de corriente alterna, que puede ser conectada a

cualquier enchufe doméstico de 110 V, luego se conectó el fusible de 5 A y

el interruptor simple de dos contactos. Posteriormente se conecta el puente

rectificador en la tomas de alterna. La toma de positivo del puente de diodos

va hacia la parte positiva del capacitor electrolítico, y la parte negativa del

puente, a la parte negativa del capacitor. Desde la parte positiva del

capacitor se conectó un cable que va hacia el lado positivo del amperímetro

y se ramificó otro cable que va hacia el contacto positivo del diodo emisor de

luz, a través de la resistencia de 10KΩ. La parte negativa del diodo está

conectada a la parte negativa del capacitor, desde donde se ramificó otro

cable que sale a la parte negativa de las baterías de alto voltaje. Luego del

amperímetro se conectó el foco halógeno de 110 V y 300 W y

posteriormente se ramificó un cable que va hacia la parte positiva del

conjunto de baterías de alto voltaje.

3.8 FUNCIONAMIENTO DEL CARGADOR DE BATERÍAS

En el funcionamiento, la corriente alterna proveniente de la fuente de 110

voltios (V1), viaja hacia el fusible (F1) y el interruptor (SW1) que debe ser

activado para que exista paso de corriente hacia el puente rectificador (BR1),

convirtiéndose en corriente directa a la salida del mismo. Posteriormente la

energía eléctrica viaja por el cableado hasta en capacitor electrolítico (C1)

que está conectado en paralelo y sirve como filtro para el paso de corriente.

Luego la energía va hacía el diodo LED (D1), que sirve para verificar si el

55

capacitor y el cargador están operando, como se mencionó anteriormente.

Finalmente, la corriente pasa al amperímetro (A), al foco (LA1) y por último

llega hasta la toma del conjunto de baterías de alta tensión (B1), como se


Figura 44. Diagrama eléctrico del cargador

En el interior de la caja metálica se alojan todos los elementos del circuito

eléctrico, como se muestra en la figura 45. Donde se distinguen los cables

de colores rojo y blanco, el foco halógeno con su filamento encendido de

color amarillo, el capacitor electrolítico de color negro, que está a la derecha

de la figura y el puente de diodos fijado en la parte baja de la caja, que se

puede distinguir por su color plateado. En el exterior de la caja se pueden

observar, el amperímetro de color blanco y su tapa de protección

transparente, el diodo LED encendido de color rojo, el portafusible de color

negro y el interruptor de color negro, entre el amperímetro y el portafusible.

Se puede observar el enchufe a la fuente de 110V de color amarillo, como se


56

Figura 45. Vista interna del cargador

Figura 46. Vista externa del cargador

Es muy importante que la corriente que pasa a las baterías sea de tipo

continua y no alterna. Para poder verificar la corriente que pasa antes del

puente rectificador y después del mismo, se utilizan dos osciloscopios en la

función de multímetro gráfico, como se muestra en la figura 47, donde la

57

gráfica superior izquierda representa la corriente alterna de 110V y la gráfica

inferior representa la corriente rectificada después del puente de diodos

Figura 47. Circuito de corrientes antes y después del puente

rectificador

Una vez comprobado el correcto funcionamiento del cargador, el mismo se

utilizó para recargar los 3 conjuntos de baterías de alta tensión, de manera

individual, como se muestra en la figuras 48.

3.8.1 CARGA Y DESCARGA DE BATERÍAS

Para mejorar el estado de carga de las baterías de alto voltaje, éstas se

cargaron y descargaron continuamente, dos o tres veces. De esta manera

las baterías recuperaron su estado de carga óptimo. Esto se debe a que

durante su funcionamiento, en el interior de las baterías se formaron

calcificaciones y cuando se aplicó el procedimiento de recarga y descarga,

dichas calcificaciones se disolvieron en el interior de las baterías.

58

Para aplicar la carga se utilizó el cargador de baterías que fue construido y

conectado en paralelo a las baterías de alto voltaje y para la descarga un

foco halógeno de 110 V y 300 W como ya se explicó anteriormente.

Este experimento se realizó en un lugar seguro evitando tener materiales

volátiles o inflamables alrededor de las baterías ya que cualquier falla por

cortocircuito genera una chispa altamente peligrosa.

Figura 48. Recarga del conjunto de baterías

Para verificar si el estado de carga de las baterías mejoró, los 3 conjuntos

fueron sometidos a una recarga completa, es decir, hasta su voltaje máximo,

e inmediatamente fueron descargados para comprobar si las baterías eran

capaces de mantener su carga. Los valores de voltaje del conjunto 1 se

presentan en los datos de la tabla 5.

Al igual que en los experimentos anteriores de descarga, se utilizó un tiempo

de dos horas y cuarenta minutos en los cuales las baterías presentaron una

mejora en su descarga, es decir que fueron capaces de mantener un voltaje

alto y descargarse cada diez minutos en el orden de menos de tres voltios, lo

que indica un buen estado de carga.

Baterías

Cargador

59


recargado previamente


0 138.2

10 136.4

20 134.0

30 132.8

40 130.7

50 128.1

60 125.8

70 122.7

80 120.4

90 118.2

100 116.0

110 113.0

120 110.7

130 108.5

140 105.4

150 101.1

160 97.3

Los valores de voltaje del conjunto 2 se presentan en los datos de la tabla 6.

Al igual que en el conjunto 1 se aplicó descarga durante el mismo tiempo

explicado anteriormente y señalando el voltaje cada diez minutos, de la

misma manera las baterías presentaron un buen estado de carga que en el

conjunto anterior.

60




0 138.0

10 135.8

20 133.5

30 131.7

40 129.1

50 127.0

60 126.1

70 123.7

80 120.8

90 117.6

100 115.3

110 112.9

120 110.3

130 107.6

140 105.4

150 102.8

160 98.2

Los valores de voltaje del conjunto 3 se presentan en los datos de la tabla 7.

De la misma manera que en los dos conjuntos anteriores, las baterías

mejoraron su estado de carga y mostraron que eran capaces de mantener

un voltaje alto durante el tiempo de descarga, que fue de una hora y diez

minutos.

61




0 69.0

10 65.7

20 61.2

30 57.1

40 54.3

50 50.8

60 47.2

70 43.3

3.9 ADAPTACIÓN DEL CONJUNTO ADICIONAL DE

BATERÍAS DE ALTA TENSIÓN

Una vez mejorado el estado de carga de las baterías de alta tensión, de las

30 celdas que conforman el paquete completo, las quince mejores 15 fueron

seleccionadas para la construcción del conjunto adicional de baterías de alta

tensión, esto se debe a que cada una de las baterías seleccionadas

presentó un buen estado de carga y adicionalmente quince baterías

conectadas en serie de 9.6 V dan una suma total de 144 V que es el mismo

voltaje del conjunto de baterías original del vehículo. Como se explicó

anteriormente, cada celda fue conectada a otra en configuración serie, como

se muestra en la figura 49, y el conjunto fue acoplado en un soporte de

acrílico grueso que sirve de alojamiento y evita un cortocircuito en caso de

falla del sistema, como se muestra en la figura 50.

62

Figura 49. Simbología eléctrica de las baterías adicionales

Figura 50. Conjunto adicional de baterías de alta tensión

Como se mencionó anteriormente, el soporte de las 15 celdas fue fabricado

en acrílico, como se muestra en la figura 3.20, cuyas dimensiones son: 33.5

cm de ancho x 45 cm de largo x 16 cm de profundidad y 7 mm de espesor

en cada lado.

63

Figura 51. Caja-Soporte de las baterías de alta tensión adicionales

3.10 CIRCUITO DE ACOPLAMIENTO DE LAS BATERÍAS

Una vez armado el conjunto adicional de baterías de alto voltaje, se realizó

el acoplamiento del mismo con el conjunto de baterías híbridas del vehículo,

como se muestra en las figuras 52 y 53.

En primer lugar se acopla el cargador a las baterías de alto voltaje y como el

interruptor está en la posición off o apagado no hay paso de energía

eléctrica al conjunto adicional de baterías. Luego desde la parte positiva de

del conjunto adicional de baterías de alto voltaje (B1), se ramifican dos

cables, uno que sirve para conectar un relé de activación (RL2) del sistema a

través de dos diodos de 40 V (D2 y D4) cada uno y conectados en paralelo

que sirven para evitar que la corriente de carga del sistema original regrese

a la batería adicional. Se utilizó este tipo de diodos ya que al estar

conectados en paralelo soportan cargas de hasta 80 V lo cual es favorable

para evitar que se dañen o deterioren por el paso de corriente del sistema.

La corriente llega a los diodos ya filtrada pasando por un capacitor de

poliéster (C2) y una resistencias de 10 Ω y 0.5 W (R4), la segunda

ramificación va hacia otro relé de activación (RL1) que se conecta con dos

resistencias de 50 Ω y 10 W (R2 y R3) que soportan el paso de corriente

64

desde las baterías de alta tensión del conjunto adicional, hacia las baterías

de alta tensión del conjunto original del vehículo (B2).

Cada uno de los relés se activa a través de unos interruptores simples on/off

de dos contactos (SW2 y SW4) que van conectados a la batería de 12 V del

vehículo, los relés son del diseño simple inversor de cinco contactos.

En la figura 54 se observa el acoplamiento de las baterías cargándose desde

la fuente de 110 V.

Figura 52. Circuito eléctrico de acoplamiento de las baterías

65

Figura 53. Circuito real de acoplamiento de las baterías

Figura 54. Recarga del sistema híbrido enchufable

Batería

12 V

Batería de alta

tensión. Conjunto

original.

Batería de alta tensión.

Conjunto adicional.

Cargador

66

3.11 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA HÍBRIDO

ENCHUFABLE

Cuando el conjunto adicional de baterías ya ha sido cargado y ha alcanzado

su voltaje máximo, se presiona el botón power del vehículo para encender el

sistema, a continuación se acciona el relé que lleva conectadas las

resistencias y se espera un minuto para accionar el relé que lleva

conectados los diodos. Este tiempo de un minuto es requerido por el sistema

para igualar las cargas de los dos conjuntos de baterías, a través de las

resistencias, procedimiento que se verá favorecido porque normalmente el

motor de combustión interna arranca luego de unos segundos de haber

encendido el vehículo, para cargar un poco más la batería original. Se puede

notar fácilmente que los diodos no permitirán que la recarga de la batería

original pase a la batería adicional.

3.12 MAPA CONCEPTUAL DEL SISTEMA HÍBRIDO

CONVENCIONAL

En el siguiente mapa se puede observar los beneficios que brinda un

vehículo con sistema híbrido convencional, con respecto a las emisiones de

gases contaminantes y a las prestaciones de comodidad y confort.

67

3.13 MAPA CONCEPTUAL DEL SISTEMA HÍBRIDO

ENCHUFABLE

En el siguiente mapa se pueden apreciar los beneficios que se obtienen al

convertir un vehículo híbrido normal a híbrido enchufable, en términos de

disminución de combustible y mejora del medio ambiente.

SISTEMA HÍBRIDO CONVENCIONAL HYBRID SYNERGY DRIVE

BENEFICIOS DE LOS VEHÍCULOS HÍBRIDOS

EFICIENCIA DEL

COMBUSTIBLE

BAJAS

EMISIONES

MEJORES

PRESTACIONES

Y MAYOR

CONFORT

CONDUCCIÓN

SILENCIOSA

TECNOLOGÍA HÍBRIDA

ARRANQUE Y

CONDUCCIÓN

URBANA

FUNCIONAMIENTO

CONDUCCIÓN

EN

CARRETERAS Y

AUTOPISTAS

GRANDES

ACELERACIONES

DESACELERACIÓN,

FRENADAS,

PARADO

MOTOR

ELÉCTRICO

MOTOR

ELÉCTRICO Y

MOTOR DE

COMBUSTIÓN

MOTOR

ELÉCTRICO Y

MOTOR DE

COMBUSTIÓN

MOTOR

ELÉCTRICO EN

FUNCIÓN DE

GENERADOR

68

SISTEMA HÍBRIDO ENCHUFABLE PLUG-IN HYBRID SYNERGY DRIVE

BENEFICIOS DE LOS VEHÍCULOS HÍBRIDOS ENCHUFABLES

MODO ELÉCTRICO MODO HÍBRIDO

TRAYECTOS CORTOS INFERIORES A 25 Km

AHORRO DE COMBUSTIBLE DEL 50%

DOS VEHÍCULOS EN UNO EV-HV

CERO EMISIONES DE CO2 EN ENTORNOS URBANOS

MAYOR AUTONOMÍA

TRAYECTOS LARGOS

TECNOLOGÍA HÍBRIDA

69

3.14 NIVELES DE HIBRIDACIÓN

Un vehículo híbrido proporciona un gran ahorro de combustible, de acuerdo

a las diferentes etapas de conducción en las que se encuentre, como se


Figura 55. Ahorro de combustible de los vehículos híbridos

(Van Dijck, 2013)

70

3.15 PRUEBA DE RECORRIDO CON VEHÍCULO HÍBRIDO

NORMAL

El recorrido se lo realizó desde el sector de la Magdalena desde el Colegio

Paulo Sexto en el sur de la ciudad de Quito, hasta el Valle de los Chillos a la

altura del puente 7, como se muestra en la figura 56. La distancia recorrida

difiere de la distancia marcada por el auto, sin embargo la ruta es la misma

que se realizó. Los datos obtenidos se presentan en la tabla 8.

Figura 56. Esquema de la ruta establecida para el recorrido

(Google maps)

Usando el vehículo con el sistema híbrido normal, se realizó una prueba de

ruta para determinar la distancia recorrida hasta alcanzar un estado de carga

alto, es decir de cien por ciento. Se realizó una sola prueba ya que el en el

vehículo se ha efectuado varias veces la misma ruta y los resultados de

distancia y tiempo son casi siempre los mismos, al igual que el consumo de

71

combustible ya que las condiciones de tráfico y de manejo son similares y

por lo tanto los datos que detalla el auto en la pantalla son muy parecidos en

cada viaje, además la carga de la batería siempre marca 8 barras en la

pantalla, lo cual indica una carga total de las baterías de alta tensión.

Los patrones de manejo fueron normales, es decir que la manera de

conducción fue la misma que se ha realizado antes en la misma ruta,

utilizando el modo híbrido en su totalidad, funcionando automáticamente con

el modo eléctrico en aceleraciones leves y utilizando la ayuda del motor de

combustión interna en aceleraciones fuertes y con el modo ECO activado,

que es un modo de conducción de ahorro de combustible, de tal manera que

haciendo el análisis de la ruta, el motor de combustión interna estuvo

funcionando en el noventa por ciento del recorrido aproximadamente.

Tabla 8. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido normal

Distancia Tiempo Consumo de

combustible

Estado de Carga

12.9 Km 28 min 7.2 l/100km 8 barras

La velocidad promedio de conducción que se aplicó en todo el recorrido fue

de aproximadamente 70 Km/h siendo la velocidad máxima de 90 km/h y la

velocidad mínima de 60 Km/h, haciendo cuatro paradas en semáforos que

hay en la ruta establecida generando un tiempo de aproximadamente 6

minutos que el vehículo se detiene durante el recorrido, sin generar consumo

de combustible ni de energía eléctrica. La ruta se efectuó con un tráfico leve

ya que no se realizó el recorrido en horas pico.

Durante el recorrido el porcentaje de inclinación de las vías es de

aproximadamente el sesenta por ciento ya que se realizó una ruta de viaje al

Valle de los Chillos que está a una menor altura que Quito.

72

El dato de tiempo se obtuvo utilizando un cronómetro y comparando con los

datos que proporciona la pantalla del vehículo en el momento de finalizar el

recorrido. Detallando la velocidad promedio, el tiempo recorrido, la cantidad

de combustible que se utilizó y la velocidad promedio.

Una vez finalizada la prueba de ruta se realizó el análisis de los datos

obtenidos y como se mostró en la tabla anterior, el consumo fue de 7.2 l/100

Km lo cual refleja un ahorro de combustible muy aceptable a comparación de

vehículos con motores de la misma cilindrada que consumen más cantidad

de gasolina. La prueba fue exitosa ya que el objetivo de la misma era llegar

a tener las ocho barras de carga cuando la batería está totalmente cargada.

Cuando ya se alcanzó un estado de carga alto de la batería híbrida del

vehículo, se realizó otra prueba de ruta en un circuito cerrado y presionando

el botón EV (Electric Vehicle), para que el auto recorriera en modo sólo

eléctrico, hasta que disminuyera la carga y se desactivara el modo EV

automáticamente. Los datos se presentan en la tabla 9.

Se decidió realizar la prueba de ruta en un circuito cerrado sin pendientes

para poder determinar el mayor tiempo de duración de las baterías de alta

tensión sin sobreesfuerzos, ni asistencia del motor de combustión interna y

verificar la distancia que es posible recorrer utilizando solo energía eléctrica,

sin tráfico y sin realizar paradas. La velocidad promedio utilizada en el

circuito cerrado fue de 25 Km/h, siendo la velocidad máxima 32 Km/h y la

velocidad mínima 19 Km/h.

Tabla 9. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido normal y modo EV

activado

Distancia Tiempo Consumo Estado de Carga

2.1 Km 8 min 0.0 l/100Km 8 barras a

2 barras

73

Para realizar la prueba de ruta en modo EV, fue necesario conducir el

vehículo a una velocidad de aproximadamente 30 Km/h y sin realizar

aceleraciones fuertes, ya que a una velocidad mayor a 50 km/h se desactiva

el modo de conducción EV automáticamente.

Como se pudo observar en los datos de la tabla anterior, la distancia

recorrida fue de aproximadamente 2 Km en un tiempo total de 8 minutos en

condiciones de conducción sin tráfico y sin realizar paradas, hasta llegar a

las dos barras de carga que es cuando el motor de combustión interna se

activa automáticamente para reponer la carga del conjunto de baterías de

alta tensión del vehículo.

3.16 PUEBA DE RECORRIDO CON VEHÍCULO HÍBRIDO

ENCHUFABLE

Para realizar la prueba de ruta con el vehículo híbrido y las dos baterías de

alto voltaje, previamente se realizó la recarga de la batería adicional,

alcanzando un tensión de 159 V. El recorrido se realizó en la misma ruta que

en la prueba con sistema híbrido normal y habilitando en el sistema plug-in el

relé que va conectado a las resistencias, para que el vehículo recargue las

dos baterías de alto voltaje, los datos de la prueba se presentan en la tabla

10.

Tabla 10. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido enchufable

Distancia Tiempo Consumo de

combustible

Estado de Carga

12.9 Km 27 min 6.9 l/100KM 8 barras

Se puede verificar en la tabla anterior que los valores de distancia y estado

de carga son iguales, en el tiempo se recorrió un minuto menos lo cual no

genera una diferencia significativa para la prueba realizada. Se puede

74

observar también el valor de consumo de combustible, que si resulta

significativo para la prueba realizada ya que es un ahorro de

aproximadamente el cinco por ciento en cada viaje, lo cual genera menor

cantidad de emisiones de dióxido de carbono, ya que sin el sistema

enchufable se emiten aproximadamente ochenta y nueve gramos por cada

kilómetro, según estudios realizados por Toyota Motor Corporation y con ello

se consigue mejorar la calidad del medioambiente.

Una vez que se alcanzó el estado de carga de ocho barras, se realizó la

segunda prueba con vehículo híbrido enchufable, es decir activando el modo

EV y el relé que lleva los diodos, para que la energía eléctrica se dirija

únicamente desde la batería adicional a la batería original del vehículo, en la

misma ruta de circuito cerrado que se realizó anteriormente. Los datos se

presentan en la tabla 11.

Tabla 11. Prueba de ruta del vehículo con sistema híbrido enchufable y

modo EV activado

Distancia Tiempo Consumo Estado de carga

3.0Km 13min 0.0l/100Km 8 barras a 2

barras

De la misma manera que en la prueba con vehículo normal y modo EV

activado, en la prueba realizada con vehículo enchufable y modo EV, se

realizó la conducción del auto a una velocidad de aproximadamente 30Km/h

y sin aceleraciones fuertes, para evitar que el modo EV se desactive

automáticamente. El consumo de combustible que marca el vehículo es

exactamente igual que en la prueba con sistema híbrido normal, al igual que

el estado de carga que disminuyó de ocho barras a dos barras. La diferencia

se nota tanto en el tiempo como en la distancia recorrida, ya que se pudieron

recorrer tres kilómetros, es decir un kilómetro más en modo eléctrico puro,

que refleja el cincuenta por ciento más en la autonomía de las baterías de

75

alto voltaje. El tiempo también aumento a 13 minutos de recorrido. Se puede

notar así que las baterías adicionales proporcionaron mayor cantidad de

energía eléctrica que sirve para dar impulso al vehículo a través del motor

eléctrico.

3.17 FÓRMULAS UTILIZADAS EN LA INVESTIGACIÓN

3.17.1 VOLTAJE DE LOS CONJUNTOS DE BATERIAS DE ALTA

TENSIÓN

La ecuación 3.1 indica la sumatoria de voltajes de cada uno de los paquetes

de baterías, en configuración serie

VT= V1 + V2 +…+ Vn [3.1]

Donde:

VT: Voltaje total de las baterías adicionales conectadas en serie [V]

V1: Voltaje de la primera batería de la serie [V]

V2: Voltaje de la segunda batería de la serie [V]

Vn: Voltaje enésimo de la baterías de la serie [V]

3.17.2 INTENSIDAD DE CORRIENTE DE CADA CONJUNTOS DE

BATERÍAS DE ALTO VOLTAJE

En la ecuación 3.2 se observa la intensidad de corriente total, que es igual a

las intensidades de cada paquete de baterías en configuración serie.

IT =I1 = I2 =…= In [3.2]

Donde:

IT: Intensidad de corriente total de cada conjunto de baterías [A]

I1: Intensidad de corriente de la primera batería de la serie [A]

76

I2: Intensidad de corriente de la segunda batería de la serie [A]

In: Intensidad de corriente enésima de la baterías de la serie [A]

3.17.3 POTENCIA TOTAL DEL PAQUETE ADICIONAL DE BATERÍAS DE

ALTA TENSIÓN

La ecuación 3.3 indica la potencia total del paquete adicional de baterías,

que se conecta en configuración paralelo al paquete original.

Pad= (Vad) x (Iad) [3.3]

Donde:

Pad: Potencia de la batería adicional [W]

Vad: Voltaje de la batería adicional [V]

Iad: Intensidad de corriente de la batería adicional [A]

3.17.4 VOLTAJE TOTAL DE LOS CONJUNTOS DE BATERÍAS DE ALTO

VOLTAJE

El voltaje total de los dos conjuntos de batería es igual al voltaje de cada uno

de los mismos, ya que están conectados en configuración paralelo como se

puede apreciar en la ecuación 3.4

VT= V1 = V2 [3.4]

Donde:

VT: Voltaje total de las dos baterías conectadas en paralelo [V]

V1: Voltaje de la batería adicional [V]

V2: Voltaje de la batería original [V]

77

3.17.5 INTENSIDAD DE CORRIENTE DE LOS CONJUNTOS DE

BATERÍAS DE ALTO VOLTAJE

La intensidad total de los dos conjuntos de baterías, el original y el adicional,

es igual a la suma de las intensidades totales de cada uno de los conjuntos,

ya que están conectados en configuración paralelo, como se puede apreciar

en la ecuación 3.5.

IT= I1 + I2 [3.5]

Donde:

IT: Intensidad de corriente total de las baterías en paralelo [A]

I1: Intensidad de corriente de la batería adicional [A]

I2: Intensidad de corriente de la batería original [A]

3.17.6 POTENCIA TOTAL DEL CONJUNTO ORIGINAL DE BATERÍAS DE

ALTO VOLTAJE

La ecuación 3.6 indica la potencia total del conjunto original de baterías de

alto voltaje.

Pori= (Vori) x (Iori) [3.6]

Donde:

PorI: Potencia de la batería original [W]

Vori: Voltaje de la batería original [V]

IorI: Intensidad de corriente de la batería original [A]

En la ecuación 3.7 se puede definir la potencia total como la suma de las

potencias de los dos conjuntos de baterías de alto voltaje.

PT= Pad + Pori [3.7]

78

Donde:

Pad: Potencia de la batería original [W]

Vad: Voltaje de la batería original [V]

Iad: Intensidad de corriente de la batería original [A]

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS

79

4.1 CONEXIÓN DE LAS BATERÍAS ADICIONALES

Como se explicó anteriormente, el conjunto de baterías adicionales fue

conformado por 15 celdas conectadas en serie y el conjunto fue conectado

en paralelo a la batería original, estos datos se presentan en la tabla 12.

Tabla 12. Voltaje total del conjunto adicional de baterías de alto tensión

Número de

celdas

Voltaje unitario Voltaje total

nominal

Voltaje total

máximo (+20%)

15 9.6V 144V 172.8V

El conjunto adicional de baterías alcanzó una tensión alta ya que cada

voltaje de las celdas se suma por la configuración serie de conexión,

mientras que la intensidad de corriente se mantiene igual en cada una de las

celdas y por lo tanto en el conjunto completo, como se muestra en los datos

de la tabla 13.

Tabla 13. Intensidad total del conjunto adicional de baterías de alta tensión

Numero de celdas Intensidad unitaria Intensidad Total

15 6.5A/h 6.5A/h

4.2 CONEXIÓN DE LAS BATERÍAS ORIGINALES

Para determinar la conexión de la batería original del vehículo, la misma fue

desmontada y se analizó el voltaje, los datos se muestran en la tabla 14.

80

Tabla 14. Voltaje total del conjunto original de baterías de alta tensión

Número de

celdas

Voltaje unitario Voltaje total

nominal

Voltaje total

máximo

20 7.2V 144V 172.8

En el conjunto original de baterías se midió una tensión alta ya que cada

voltaje de las celdas se suma por la configuración serie de conexión,

mientras que la intensidad de corriente se mantiene igual en cada una de las

celdas y por lo tanto en el conjunto completo, como se muestra en los datos

de la tabla 15.

Tabla 15. Intensidad total del conjunto original de baterías de alta tensión

Número de celdas Intensidad unitaria Intensidad total

20 6.5A/h 6.5A/h

4.3 POTENCIA DEL CONJUNTO ADICIONAL DE BATERÍAS

DE ALTO VOLTAJE

Una vez obtenidos los valores de intensidad de corriente y tensión del

conjunto adicional de baterías, se realizó el cálculo para determinar la

potencia del mismo, los datos obtenidos se presentan en la tabla 16.

Tabla 16. Potencia del conjunto adicional de baterías de alta tensión

Número de

celdas

Voltaje unitario Intensidad

unitaria

Potencia

15 9.6V 6.5A 936W

81

Ya realizados los cálculos de potencia del conjunto adicional de baterías de

alto voltaje, se obtuvo un valor de 936W o 1KW aproximadamente.

4.4 POTENCIA DEL CONJUNTO ORIGINAL DE BATERÍAS DE

ALTO VOLTAJE

Los mismos cálculos que fueron realizados en el conjunto adicional de

baterías, también se realizaron en el conjunto original de baterías de alta

tensión del vehículo, los datos obtenidos se presentan en la tabla 17.

Tabla 17. Potencia del conjunto original de baterías de alta tensión

Número de

celdas

Voltaje unitario Intensidad

unitaria

Potencia

20 7.2V 6.5A 936W

En el caso del conjunto original de baterías de alto voltaje, se determinó una

potencia de 936W en la batería original o de 1KW aproximadamente.

4.5 VOLTAJE, INTENSIDAD Y POTENCIA DE LOS DOS

CONJUNTOS DE BATERÍAS DE ALTO VOLTAJE

CONECTADOS

La conexión de los dos conjuntos de baterías híbridas entre sí, se realizó en

la configuración paralelo, con lo cual se mantuvo el voltaje, como se muestra

en los datos de la tabla 18.

82

Tabla 18. Voltaje total nominal de los conjuntos de baterías de alta tensión

Voltaje de la batería

adicional

Voltaje de la batería

original

Voltaje total del sistema

plug-in o enchufable

144V 144V 144V

En esta misma configuración de conexión en paralelo se aumentó la

intensidad de corriente ya que las intensidades de cada conjunto de baterías

se suman, como los muestran los datos de la tabla 19.

Tabla 19. Intensidad total de los conjuntos de baterías de alta tensión

Intensidad de la batería

adicional

Intensidad de la batería

original

Intensidad total del

sistema plug-in o

enchufable

6.5A/h 6.5A/h 13A/h

La potencia que se determinó en la conexión de los dos conjuntos de

baterías se presenta en los datos de la tabla 20.

Tabla 20. Potencia total de los conjuntos de baterías de alta tensión

Potencia de la batería

adicional

Potencia de la batería

original

Potencia total del

sistema plug-in o

enchufable

936W 936W 1872W

Las potencias de los dos conjunto se suman, duplicando la potencia total del

sistema que es de 936W originalmente y llevándola a 1872W o de 2KW

aproximadamente.

83

4.6 TIEMPO DE RECARGA DE LA BATERÍA ALTA TENSIÓN

ADICIONAL DEL SISTEMA HÍBRIDO

La capacidad para entregar corriente que tiene la batería adicional es de

6.5A/h, es decir que cada celda es capaz de entregar 6.5 amperios en una

hora, asumiendo un funcionamiento netamente eléctrico del vehículo durante

un tiempo de 60 minutos, el conjunto adicional de baterías estaría

completamente descargado. Para reponer la energía eléctrica a través del

cargador, el tiempo que se debe emplear es de 3 a 6 horas de recarga

aproximadamente, ya que el cargador permite el paso de corriente a una

tasa baja de carga, entre 1 a 2 amperios, ya que con eso se incrementa la

vida útil de la batería y también dependiendo del estado de carga del

conjunto de baterías adicional, como lo muestran los datos de la tabla 21.

Tabla 21. Intensidad total de los conjuntos de baterías híbridas

Estado de carga de la batería Tiempo de recarga

0% 6 horas

50% 3 horas

El voltaje máximo que pasa a través del cargador a las baterías es de 160V

con lo cual no existe ningún inconveniente si el cargador queda enchufado

por mayor tiempo al estimado ya que la tensión máxima de carga de las

baterías es de 172V y una vez que alcanzaron el voltaje de 160V, ya no hay

más transferencia de energía desde el cargador a las baterías debido a que

las cargas están iguales, además el foco del cargador sirve como regulador,

con lo cual a medida que las baterías van incrementando su carga, el

amperaje que pasa por el cargador va disminuyendo.

84

4.7 COMPARACIÓN DEL SISTEMA HÍBRIDO NORMAL CON

EL SISTEMA HÍBRIDO ENCHUFABLE.

En las pruebas de ruta realizadas con el vehículo con sistema convencional

y con el sistema enchufable sin activar el modo EV de conducción, se pudo

notar una reducción potencial en el consumo de combustible, como lo

muestran los datos de la tabla 22.

Tabla 22. Ahorro de combustible utilizando el sistema plug-in o enchufable

Tipos de

sistemas

híbridos

Distancia Relé de

resistencias

Relé de

diodos

Consumo

Híbrido

normal

12.9Km inexistente inexistente 7.2l/100Km

Híbrido

enchufable

12.9Km Activado Desactivado 6.9l/100Km

Ahorro de

combustible

4.16%

En cuanto al ahorro de combustible en lo que a costos se refiere, se

disminuye en un cinco por ciento, siendo así un total de trescientos cuarenta

y dos dólares de consumo al año con el sistema enchufable, a diferencia del

sistema normal que es de trescientos sesenta dólares. Y lo cual se reflejaría

durante el período de vida útil de las baterías de alta tensión que es de tres a

cinco años.

Cuando se realizó la prueba de ruta con el modo EV activado y con los dos

sistemas de funcionamiento, respectivamente. Se notó un incremento en la

autonomía de desplazamiento del vehículo, recorriendo a modo eléctrico, los

datos obtenidos se presentan en la tabla 23.

85

Tabla 23. Aumento en la autonomía del vehículo utilizando el sistema plug-in

o enchufable

Tipos de

sistemas

híbridos

Distancia Relé de

resistencias

Relé de

diodos

Tiempo

Híbrido

normal

2.1Km Inexistente Inexistente 8min

Híbrido

enchufable

3Km Desactivado Activado 13min

Aumento de

distancia (%)

+42.86% Aumento de

tiempo (%)

+62.5%

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

86

5.1 CONCLUSIONES

El mayor rendimiento, es decir el ahorro del 4.16% de combustible diario, se

obtiene al utilizar el vehículo en modo plug-in o enchufable, es decir dejando

que el motor de combustión interna funcione en forma combinada con los

moto-generadores; ya que de esa manera se permite recargar la batería

adicional a un régimen de carga muy bajo y se alcanza una importante

reducción en los primeros kilómetros de recorrido.

El desempeño del vehículo en modo EV, que si bien no utiliza combustible,

lleva al SOC de la batería a un estado muy bajo, que luego se necesita

cargar rápidamente.

Es notable que el vehículo PHEV no tiene limitaciones de autonomía, ya que

mientras tenga combustible en el depósito y al disminuir la carga de la

batería, el motor de combustión interna recarga la batería híbrida. La ventaja

es que si el conductor lo conecta diariamente, el consumo de combustible

disminuye notablemente, como se explicó anteriormente.

Con el vehículo PHEV y modo EV activado, se recorre al menos 1Km más

de distancia, que con el vehículo HEV y EV activado, lo cual demuestra un

aumento en la autonomía de las baterías y hacen que el híbrido enchufable

sea una solución muy aceptable, al menos hasta que el vehículo 100%

eléctrico sea más aceptado y mejorado con respecto a la autonomía.

La desventaja, con respecto a la conversión de un vehículo HEV a PHEV, es

el peso adicional que se suma al auto, el cual es de mil setecientos

cincuenta kilogramos (1750Kg) por las baterías adicionales las cuales suman

cincuenta kilogramos (50Kg) adicionales al vehículo.

87

5.2 RECOMENDACIONES

En el cargador se utiliza distintos elementos que permiten el paso de

corriente hacia las baterías, generando calor. Por lo tanto es importante

tener un sistema de enfriamiento que permita que el cargador y sus

elementos no se vean afectados por el incremento de temperatura, lo cual se

puede lograr con un transformador de corriente de 110V a 12V y utilizando

un ventilador.

De la misma manera se pueden utilizar dos ventiladores conectados a la

batería de 12V, para enfriar el sistema de las baterías adicionales ya que al

recibir carga eléctrica a través del cargador, también aumenta la temperatura

en las baterías adicionales y lo aconsejable es que se mantengan a una

temperatura no mayor de 37°C, como ocurre con las baterías del conjunto

original del vehículo.

Para mejorar el diseño de todo el sistema de baterías adicionales, es

necesario ubicar el circuito en un espacio donde no haya peligro de que las

baterías estén sueltas, por tal motivo se recomienda ubicar todo el sistema

enchufable en la parte posterior del vehículo, donde va ubicada la llanta de

emergencia, ya que es un espacio amplio donde caben perfectamente todos

los componentes del sistema plug-in.

Para permitir al sistema trabajar con un S.O.C. del 100% total de la carga

diaria recibida, se debe construir un circuito emulador del estado de carga de

la batería, el cual se presenta a manera de recomendación para trabajos

futuro.

6. BIBLIOGRAFÍA

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