Descripción del sistema

Optimización del consumo de combustible en un vehículo híbrido serie
Fernando Avilés Calvete
MOIGE 2011
2. Descripción del sistema
Antes de detallar el sistema propuesto, es necesario resumir brevemente algunos
conceptos sobre vehículos híbridos importantes para la completa comprensión del
posterior desarrollo.
2.1.Conceptos básicos
2.1.1. Vehículos híbridos
Se denominan híbridos a los automóviles que hacen uso de, al menos, 2 fuentes de
energía diferentes para realizar su trabajo (en general un motor eléctrico y otro
convencional). En el caso específico que nos ocupa, llamaremos de aquí en adelante
HEV (Hybrid Electric Vehicle) a aquellos en los que una de las fuentes sea eléctrica.
A diferencia de los automóviles eléctricos, hay vehículos híbridos a los que no es
necesario conectar a una toma de corriente para recargar sus baterías, ya que el
generador y el sistema de "frenado regenerativo" son los encargados de mantener la
carga de las mismas.
Al utilizar el motor térmico (o motor de combustión, sea diesel o de gasolina) para
recargar las baterías, se necesita un menor número de éstas, por lo que el peso total
del vehículo es menor que en el caso de los vehículos puramente eléctricos ya que el
motor térmico suele ser pequeño.
Tradicionalmente, los motores que han propulsado a los automóviles convencionales
han sido sobredimensionados con respecto a lo estrictamente necesario para un uso
habitual. La nota dominante ha sido, y es aún, equipar con motores capaces de dar una
potencia bastante grande, pero que sólo es requerida durante un mínimo tiempo
durante la vida útil de un vehículo.
Los híbridos se equipan con motores de combustión interna, diseñados para funcionar
con su máxima eficiencia. Si se genera más energía de la necesaria, el motor eléctrico
se usa como generador y carga las baterías del sistema. En otras situaciones, funciona
sólo el motor eléctrico, alimentándose de la energía guardada en la batería.
En algunos híbridos es posible recuperar la energía cinética, que en otros vehículos
suele disiparse en forma de calor, en as frenadas convirtiéndola en energía eléctrica.
Este tipo de frenos se suele conocerse como KERS o sistema de frenado regenerativo.
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Además de los HEVs poseen una serie de ventajas competitivas con respecto
res
a los
vehículos convencionales que tienen que ver con las emisiones contaminantes y el
consumo de combustible (estando ambas características claramente relacionadas).
Ilustración 1 - Gráfica de funcionamiento normal de
de un vehículo híbrido (Fuente: www.mecanicavirtual.org)
2.1.2. Tipos de vehículos híbridos
Los vehículos híbridos pueden ser clasificados atendiendo a 2 criterios diferentes:
Según el modo de carga de las baterías:
o Enchufables: se cargan de forma análoga a los vehículos
vehículos eléctricos, es
decir, conectándose a la red eléctrica. Se denominan PHEV (Plug-in
(Plug
Hybrid Electric Vehicle).
o Regulares: se recargan con el funcionamiento normal del vehículo. Son
los HEV mencionados al principio de este documento y serán objeto de
estudio en este trabajo.
Según su arquitectura:
o Paralelo: ambas fuentes de energía (eléctrica y de combustión) son
capaces de provocar la tracción mecánica del vehículo.
o Serie: la energía utilizada para la tracción será siempre eléctrica usando
para ello un alternador encargado transformar la energía mecánica
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proveniente del motor de combustión. Será la arquitectura que
q
estudiemos en este documento.
o Paralelo-Serie:
Serie: combina
combina las características de ambas arquitecturas.
Ilustración 2 - Diferentes arquitecturas de vehículos híbridos (Fuente: www.mecanicavirtual.org)
www.mecanicavirtual.org
2.1.3. Elementos proveedores de energía
Entre las alternativas existentes en el mercado
mercado para la provisión y almacenamiento de
energía pueden distinguirse: baterías (de infinidad de tiposs diferentes),
diferentes) pilas de
combustible, motores de combustión interna (diésel
(di sel o de gasolina) y
ultracondensadores entre otras muchas alternativas.
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En nuestro caso, el sistema constará de un motor de combustión interna diésel, que
funcionará en un estado de alta eficiencia y se verá apoyado por un conjunto de
baterías y ultracondensadores.
Es importante destacar las características de cada uno de estos sistemas para que
pueda comprenderse la utilización de los mismos ya que ninguno de ellos posee
ventajas significativas que permitan ignorar el uso de los demás.
Podríamos destacar, por tanto, las diferencias básicas entre baterías y
ultracondensadores, aprovechando esto para presentar a los segundos, bastante más
desconocidos en la cultura general.
Los ultracondensadores son elementos capaces de almacenar y proveer energía a
velocidades muy altas en relación a los condensadores comunes. Con valores de
capacidad de hasta varios miles de Faradios, proporcionan una velocidad en la carga y
descarga muy superior a la de las baterías, además de contar con un ciclo de vida de
varios millones de usos (en claro contraste con la corta vida de una batería si la
medimos como ciclos de carga-descarga).
En 1999, un estudio comienza a valorar su uso para el mercado de los vehículos
eléctricos (Faggioli, 1999). En este artículo, toman nota de la falta de picos de energía
que poseen los vehículos eléctricos y describen las ventajas de utilizar elementos como
los ultracondensadores (también conocidos como supercondensadores) en
combinación con un banco de baterías, detallan la arquitectura del correspondiente
tren de potencia asociado y sientan las primeras bases del control de flujos
energéticos.
Podemos, por tanto, describir las ventajas de usar de manera conjunta ambos
proveedores energéticos (Bohn, 2009):
Se permite el uso de baterías con densidad energética óptima reduciendo la
demanda de picos de energía.
Se garantiza el tiempo de vida del sistema de almacenamiento energético así
como la reducción del sobredimensionamiento de la batería que era necesario
para garantizar el funcionamiento al final de su vida.
Capacidad de provisión de altas cantidades de energía de manera instantánea
independientemente de la temperatura, gracias a los supercondensadores.
Idéntica capacidad de de aceptación de energía proveniente del frenado
regenerativo (incluso cuando la batería está prácticamente cargada)
Compensación posible para separar subsistemas debido a la reducción del
tamaño de las baterías.
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Dichas ventajas han sido demostradas en multitud de estudios y publicadas en una
gran diversidad de artículos de los que podríamos destacar uno de los últimos trabajos
publicados al respecto (Dixon, 2010),
2010) en el que se demuestra
emuestra experimentalmente que
la combinación de baterías ZEBRA (baterías de sal fundida)
fundida) y supercondensadores
puede resolver las carencias de potencia específica, proporcionando un
comportamiento excelente tanto en aceleración como en frenada.
También es importante destacar los diferentes resultados obtenibles en función de la
topología batería-ultracondensador
ultracondensador utilizada, algo que veremos en más detalle en la
revisión bibliográfica y que tiene importancia en las decisiones tomadas
toma
en (Lukic,
2006).
2.2.Sistema a estudio
Ilustración 3 - Representación gráfica del prototipo a diseñar
Una vez presentadas las diferentes alternativas existentes, presentaremos nuestro
sistema en cuestión.
Será un vehículo híbrido
íbrido serie (toda la energía será eléctrica transformándose a ésta
aquella que fuera mecánica) de 22 toneladas de carga máxima. Estará dotado de un
motor de combustión, un banco de baterías y un banco de ultracondensadores,
funcionando todos como proveedores
proveedores energéticos y agrupados en el denominado
Power Pack (PP).
Asimismo vendrá equipado con un sistema de frenado regenerativo que permitirá la
recarga de baterías y/o supercondensadores de manera eficiente durante los
intervalos de frenada.
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También es conveniente destacar la existencia de una ECU (Electronic Control Unit),
encargada de facilitar las comunicaciones mediante el protocolo CAN (Controller Area
Network) entre nuestro sistema de gestión energética, EMS, y el resto de elementos
del vehículo, tanto sensores puntuales como centralitas de los diversos sistemas
(motor de combustión, baterías, etc.).
Por último debemos hablar de la Interfaz Hombre-Máquina o HMI, a partir de la cual el
usuario/conductor del vehículo podrá comunicarse con el sistema de gestión para
introducir los parámetros a utilizar durante su funcionamiento si fuera necesario.
Ilustración 4 - Esquema general de las labores e interacciones del sistema gestor energético
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