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• Moisés Rosado Gallardo

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Vehículos híbridos:

acoplamiento sinérgico de motor térmico y eléctrico Jorge Urdiales Roberto Limón Departamento Técnico TOYOTA ESPAÑA S.L.U Segundas Jornadas sobre la energía: La energía asociada al transporte

Vehículos híbridos Indice de contenidos I. Descripción de un vehículo híbrido. Tipos. II. ¿Por qué un híbrido? III. Descripción técnica de los principales componentes o o o o o

Motor Transmisión Batería de alto voltaje Inversor Sistema de frenos

IV. Funcionamiento de un híbrido. o Funcionamiento del sistema

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Vehículos híbridos TOYOTA Prius 2009 (ZVW30)  El híbrido mas vendido del mundo  Apuesta de Toyota desde 1997 con 1,7 millones de unidades vendidas por Toyota y Lexus en el mundo, 9500 en España  Reciente lanzamiento de la tercera generación

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I. Descripción de un vehículo híbrido, tipos Vehículo híbrido: Es aquel que dispone al menos de dos fuentes de energía.

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I. Descripción de un vehículo híbrido, tipos Puede funcionar como un vehículo Eléctrico Motor eléctrico ayuda al térmico en aceleraciones Poseen freno regenerativo Parada del motor en semáforos Stop & go

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Híbrido medio

Híbrido puro

I. Descripción de un vehículo híbrido, tipos Vehículo híbrido Paralelo: •Ambos convertidores de energía impulsan al vehículo pero la unidad secundaria sólo colabora en momentos puntuales.

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I. Descripción de un vehículo híbrido, tipos Vehículo híbrido Serie: •La unidad primaria de generación de energía alimenta a la unidad secundaria que es la que impulsa al vehículo. •El motor térmico nunca mueve el vehículo directamente.

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I. Descripción de un vehículo híbrido, tipos Vehículo híbrido Serie-Paralelo: •Ambas unidades de energía pueden impulsar el vehículo utilizándose en cada situación la mas adecuada. •La unidad primaria se puede emplear en la alimentación de la secundaria siendo ésta la que impulsa el vehículo

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II. ¿Por qué un vehículo híbrido?

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II. ¿Por qué un vehículo híbrido? Limitación en las emisiones contaminantes • •

Normas Euro V, VI.. que limitan especialmente a los modelos Diesel Actualmente es un importante argumento comercial

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II. ¿Por qué un vehículo híbrido? Incremento en el precio de los combustibles • •

Incertidumbre sobre la cantidad de reservas. Incremento del consumo

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III. Descripción técnica de los principales componentes.

Batería alto voltaje (HV) Motor térmico 2ZR-FXE

Cableado alto voltaje Transmisión híbrida P410 12 16:33

PCU (sistema de control de potencia = Inversor)

III. Descripción técnica de los principales componentes. Motor Motor térmico • Motor de encendido provocado, 1,8 l • Elevada relación de compresión • Ciclo Atkinson

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III. Descripción técnica de los principales componentes. Motor Motor diseñado para funcionar integrado en sistema híbrido

• No es necesaria una elevada potencia a altas ni bajas revoluciones • Configuración y funcionamiento para maximizar rendimiento

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III. Descripción técnica de los principales componentes. Motor Empleo del ciclo Atkinson • Aumento de relación de compresión, 13:1, mejora el rendimiento limitado por el picado en compresión • Mayor carrera de expansión y menor de compresión retrasando el cierre de válvulas de admisión (reflujo) • Regulación de la carga en parte mediante el reflujo, mariposa de admisión normalmente mas abierta de lo convencional a carga parcial

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III. Descripción técnica de los principales componentes. Motor Empleo del ciclo Atkinson, distribución variable •

Margen de 41º en el cierre de las válvulas de admisión

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III. Descripción técnica de los principales componentes. Motor

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III. Descripción técnica de los principales componentes. Motor Primer motor sin correa de accesorios • Bomba agua y Compresor aire acondicionado eléctricos • Dirección asistida eléctrica, sin alternador ni motor de arranque

Intercambiador de calor en el escape • Menor tiempo de calentamiento, mejorando calefacción y emisiones

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III. Descripción técnica de los principales componentes. Transmisión Transmisión híbrida P410 Combina la energía de las dos unidades de energía: motores térmico y eléctricos Trenes epicicloidales: MG2

Bomba de aceite (mecánica)

• Tren epiciclodal de reparto de potencia (parte derecha) • Tren epicicloidal de reducción de la velocidad del motor (parte izquierda) Amortiguador

Engranaje transmisor final Engranaje impulsado intermedio 19 16:33

MG1 Engranaje impulsado final Tren de engranajes diferencial

III. Descripción técnica de los principales componentes. Transmisión Acoplamiento al motor de combustión

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III. Descripción técnica de los principales componentes. Transmisión Motores generadores. MG1 y MG2 ●

Motores trifásicos de imán permanente sin escobillas:      × × × ×

●

Alta eficiencia Compacidad Fácil refrigeración Bajo mantenimiento y elevada fiabilidad Baja sonoridad Alto coste Posibilidad de desmagnetización Limitado par entregado a alta velocidad Riesgo de averías en inversor

Voltaje nominal 650V

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III. Descripción técnica de los principales componentes. Transmisión Generador MG1 ● ● ● ●

Mayor vocación de generador, carga la batería híbrida Actúa como motor de arranque del motor de combustión Proporciona relación de transmisión continuamente variable Refrigeración líquida

Motor MG2 ●

Mayor vocación de motor, genera propulsión: o Potencia máxima 60 Kw,82 CV. Par máximo 207 Nm o Máximo régimen 13.000 rpm

● ● ●

Acoplado un reductor que eleva su par a 546 Nm, relación de transmisión 2,64 Actúa como generador en reducciones y frenadas Refrigeración por aire

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III. Descripción técnica de los principales componentes. Transmisión Conjunto de trenes epicicloidales ● ●

●

Elemento que combina la energía generada por el motor térmico y los eléctricos Tren de reducción de velocidad de MG2 o Reduce la elevada velocidad de MG2 aumentando su par. Relación de transmisión 2,64 Tren de reparto de potencia o Unifica los esfuerzos de los tres motores

o Engranaje sol: MG1 o Porta satélites: Motor de combustión. o Corona exterior: MG2

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III. Descripción técnica de los principales componentes. Transmisión Conjunto de trenes epicicloidales Motor

Tren epicicloidal de Trenes reparto de epicicloidale potencia Tren epicicloidal de s reducción de la velocidad de salida de MG2 Bomba de aceite

Amortiguado MG1 r de torsion

diferencial 24 16:33

MG2

Engranaje intermedio

III. Descripción técnica de los principales componentes. Transmisión Dispositivo de reparto de potencia • Sol: MG1 • Portasatélites: Motor • Corona: (hacia las ruedas)

Motor térmico

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MG1

Dispositivo de reducción de velocidad del motor • Sol: MG2 • Portasatélites: Fijo • Corona: (hacia las ruedas) MG2

III. Descripción técnica de los principales componentes. Transmisión Conjunto de trenes epicicloidales. Lexus LS600h y GS450h ● ● ●

Se añade un tren epicicloidal con dos frenos que genera dos velocidades de reducción para el giro de MG2 Lo: freno B2 activado. Reducción 3,9 Hi: freno B1 activado. Reducción 1,9 B1 MG1

Engine

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2-speed Reduction Planetary Gear Unit

MG2

B2 To Propelle r Shaft

III. Descripción técnica de los principales componentes. Transmisión Conjunto de trenes epicicloidales. Lexus LS600h y GS450h ●

EL cambio de Lo a Hi se produce entre 60 y 90 Km/h Torque (Motor Size) T max.

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Lo Gear (for high torque) Hi Gear (for high speed)

Vehicle Speed V max.

III. Descripción técnica de los principales componentes. Transmisión Conjunto de trenes epicicloidales. Lexus LS600h y GS450h

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III. Descripción técnica de los principales componentes. Transmisión RX450H •

MGR

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III. Descripción técnica de los principales componentes. Batería HV Conjunto batería híbrida de alto voltaje Unidad de batería HV • Módulo de batería (CC 201,6 V) • Bloque de empalmes • Unidad de batería inteligente

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III. Descripción técnica de los principales componentes. Batería HV Conjunto batería híbrida de alto voltaje Entrada de aire (Lado derecho del asiento trasero) Batería HV

Conducto de entrada de aire

Ventilador de enfriamiento de la batería HV Conector de servicio 31 16:33

III. Descripción técnica de los principales componentes. Batería HV Conjunto batería híbrida de alto voltaje •

• • • •

NiMH o Polo positivo: Hidróxido de níquel (Ni(OH)2) o Polo negativo = Aleación metálica capaz de almacenar H (M) o Electrolito = Hidróxido de potasio (KOH) Dispuesta sobre el eje trasero para menor riesgo de deformación por impacto Dispuesta sobre el eje trasero para menor riesgo de deformación por impacto Electrolito en gel para minimizar riesgos de fugas Carcasas metálicas para mayor protección

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III. Descripción técnica de los principales componentes. Batería HV Conjunto batería híbrida de alto voltaje

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III. Descripción técnica de los principales componentes. Batería HV Batería híbrida de alto voltaje, varios modelos

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III. Descripción técnica de los principales componentes. Batería HV Batería híbrida de alto voltaje, NiMH

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III. Descripción técnica de los principales componentes. Batería HV Conjunto batería híbrida de alto voltaje Batería HV (Módulos de batería)

Sensores de temperatura de la batería HV (para módulos de batería) Unidad de batería inteligente Ventilador de enfriamiento de la batería HV (sin escobillas)

Relés SMR y Sensores de sensor de temperatura de la corriente batería HV (para el aire Conector de de entrada) servicio 36 16:33

III. Descripción técnica de los principales componentes. Batería HV Conjunto batería híbrida de alto voltaje

Sensor de corriente de la batería HV

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SMRP

Resistor de precarga

SMRP

SMRG

Resist or

SMRB

Módulos de la batería

SMRG

ECU POWER MANAGEMENT Batería Sensor de HV SMRB corriente Tapón de servicio

Unidad de batería inteligente

III. Descripción técnica de los principales componentes. Batería HV Conjunto batería híbrida de alto voltaje Conducto de entrada de aire Ventilador de enfriamiento de la batería HV Conducto de escape de aire

Batería HV

Flujo de aire refrigerante [Sensor de temperatura de la batería HV] : para el aire : para el módulo de la batería

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de entrada

III. Descripción técnica de los principales componentes. Batería HV Conjunto batería híbrida de alto voltaje. SOC

SOC (State of Charge) = Charging Rate

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III. Descripción técnica de los principales componentes. Batería HV Cables de alta tensión

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III. Descripción técnica de los principales componentes. Inversor Conjunto del inversor Cable de alto voltaje para la batería HV

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Cable de alto voltaje para el MG1

Cable de alto voltaje para el compresor

Cable de alto voltaje para el MG2

III. Descripción técnica de los principales componentes. Inversor Conjunto del inversor Batería HV (CC 201,6 V) Módulos batería SMR

CC 201,6 V Compresor A/C

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Transeje

Conjunto inversor Booster (CC 201,6 V ⇔ CC 650 V [máx.]) Conversor CC/CC [Batería auxiliar] (CC 201,6 V ⇒ CC 14 V)

Batería Auxiliar

Inversor (CC ⇔ CA) MG2 MG1

MG2

MG1

III. Descripción técnica de los principales componentes. Inversor Conjunto del inversor. Refrigeración Radiador HV (para el inversor)

Conjunto inversor

Depósito de reserva del radiador HV

Conjunto inversor Depósito de reserva del radiador HV Bomba de agua HV con motor Transmisión (MG1)

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Radiador HV Bomba de agua HV con motor

III. Descripción técnica de los principales componentes. Frenos Control cooperativo de frenado regenerativo

● Reparto del esfuerzo de frenada entre el sistema hidráulico y el regenerativo Requerimiento del conductor

Fuerza de frenada Fuerza de frenada hidráulica Fuerza de frenada regenerativ a

Tiempo 44 16:33

III. Descripción técnica de los principales componentes. Frenos Distribución de componentes

● Reparto del esfuerzo de frenada entre el sistema hidráulico y el regenerativo Depósito del cilindro maestro del freno

Conjunto bomba del reforzador del freno 45 16:33

Reforzador del freno con cilindro maestro • Actuador del freno Bloque de relés del compartimento del motor nº1

III. Descripción técnica de los principales componentes. Frenos Conjunto de actuador de freno, simulador de carrera ● Proporciona un tacto similar al de un freno convencional

[Sección del simulador de carrera] Pistón Zapata

Simulador de carrera 46 10/05/09 46 16:33

Depósito del cilindro maestro del freno

Servofreno hidráulico del freno

III. Descripción técnica de los principales componentes. Frenos Conjunto de actuador de freno, cuerpo de válvulas ● Reparto la presión de líquido según modo de funcionamiento Servofreno con cilindro maestro

Actuador del freno 47 16:33

Actuador del freno • ECU de control del derrape • 2 válvulas solenoides lineales • 4 válvulas solenoides de conmutación • 8 válvulas solenoides de control • Sensor de la presión del regulador • Sensor de presión del cilindro • Sensor de la presión del acumulador

III. Descripción técnica de los principales componentes. Frenos Conjunto de actuador de freno, servofreno ● Servofreno hidráulico. Genera asistencia de freno mediante la presión almacenada en el acumulador en caso de emergencia

[Sección del servofreno hidráulico]

Servofreno hidráulico

III. Descripción técnica de los principales componentes. Frenos Conjunto de la bomba del servofreno Está formado por la bomba, su motor, el acumulador, la válvula de seguridad y el sensor de presión del acumulador, genera y almacena presión hidráulica Acumulado r

[Sección del acumulador]

Motor de la bomba

Eje de levas

Acumulado r Nitrógen o gaseoso Fuelle

Bomba

10/05/09 49 16:33

Motor de la bomba

Líquid o de frenos

III. Descripción técnica de los principales componentes. FrenosAcumulado Circuito

Sensor de la presión del acumulador Sensor de la presión del regulador Sensor de presión de las ruedas Válvula solenoide lineal Válvula solenoide de conmutación Válvula solenoide de mantenimiento de la presión Válvula solenoide de reducción de la presión 50 16:33

r

Depósito del cilindro hidráulico maestro del freno

Motor de la bomb a Reforzador hidráulico del freno

Botón de aviso del nivel del líquido de frenos Simulado r de carrera Actuador del freno

FR LH

FR RH

RR LH

RR RH

IV. Funcionamiento de un híbrido Funcionamiento del sistema. ● ● ●

Los motores eléctricos pueden permanecer bloqueados o girar en ambos sentidos y en un amplio rango de velocidades. El motor térmico puede permanecer parado o girar desde 650 rpm hasta aproximadamente 5500 rpm Empleo de nomogramas simplificados, sin tren de reducción de MG2

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IV. Funcionamiento de un híbrido Funcionamiento del sistema. Arranque ● ●

Modo EV Sólo MG2 impulsa el vehículo

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IV. Funcionamiento de un híbrido Funcionamiento del sistema. Arranque ● ●

MG1 impulsa el motor de combustión para su arranque MG2 permanece clavado

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IV. Funcionamiento de un híbrido Funcionamiento del sistema. Conducción ● ●

MG2 colabora con el motor térmico en la impulsión MG1 actúa como generador alimentando MG2 y regulando la relación de transmisión

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IV. Funcionamiento de un híbrido Funcionamiento del sistema. Conducción SOC (estado de carga de la batería ) bajo ● ● ●

Motor térmico genera un exceso de energía MG1 actúa como generador cargando la batería MG2 colabora con el motor térmico en la impulsión

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IV. Funcionamiento de un híbrido Funcionamiento del sistema. Aceleración o subida de pendientes ● ● ●

Motor térmico y MG2 impulsan el vehículo MG1 actúa como generador alimentando a MG2 MG2 es alimentado por MG1 y por la batería

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IV. Funcionamiento de un híbrido Funcionamiento del sistema. Deceleración o frenado. ● ● ●

Motor térmico parado si rango D para regenerar la máxima energía posible. Si rango B motor gira para dar freno motor MG1 controla la reducción MG2 actúa como generador cargando la batería

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IV. Funcionamiento de un híbrido Funcionamiento del sistema. Marcha atrás ●

MG2 actúa impulsa el vehículo si el SOC y temperatura de motor son adecuadas

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IV. Funcionamiento de un híbrido Funcionamiento del sistema. Marcha atrás ● ●

Motor de combustión se pone en marcha para aumentar su temperatura y/o cargar la batería MG2 impulsa el vehículo

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IV. Funcionamiento de un híbrido Funcionamiento del sistema. Parada ●

Motor de combustión se pone en marcha solo si es necesario para aumentar su temperatura y/o cargar la batería

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IV. Funcionamiento de un híbrido Modo de conducción EV (electric vehicle) • En el modo EV, el vehículo sólo utiliza el motor eléctrico • Esta modalidad se puede utilizar cuando se cumplen todas las condiciones en la siguiente tabla

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Thank you

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