VEHÍCULOS ELÉCTRICOS E HÍBRIDOS

3.Enumerar y dar una breve descripción de los componentes básicos de los vehículos eléctricos e híbrido

Batería→ hace de acumulador para la energía eléctrica, almacenada en forma de energía química.

Conjunto inversor→ Contiene los dispositivos electrónicos que hacen posible la alimentación del motor eléctrico de tracción, la carga de las baterías y la generación de corriente continua a bajo voltaje para suministrar energía a la red del vehículo (12 V).

Forma un conjunto físico constituido por varios módulos funcionales que realizan funciones específicas. La electrónica contenida en este elemento realiza dos funciones:

4.Realizar una clasificación de las diferentes tecnologías utilizadas en los vehículos eléctricos e      híbridos.

6.Distinguir la estructura de los híbridos en serie, los híbridos en paralelo y de los híbridos combinados

PROPULSIÓN HÍBRIDA SERIE:

El vehículo puede funcionar sólo con propulsión eléctrica, la energía necesaria para el motor eléctrico de tracción proviene exclusivamente de las baterías.

El motor térmico no tiene conexión mecánica con las ruedas, sólo se usa para generar electricidad. Funciona siempre a un régimen optimo y recarga la batería hasta que se llena, momento en el cual se desconecta temporalmente.

Con bajos niveles de carga el motor térmico se pone en funcionamiento y, accionando el alternador,puede suministrar corriente al motor de tracción y también carga a las baterías.

PROPULSIÓN HÍBRIDA PARALELO:

Con esta arquitectura las ruedas pueden ser accionadas mecánicamente con el motor térmico, con el eléctrico o con ambos al mismo tiempo. Esta disposición simplifica la adaptación de vehículos existentes a tecnología híbrida, no requiere modificaciones importantes del diseño.

El motor eléctrico es una máquina reversible que puede también funcionar como generador en las fases de frenado regenerativo.
El flujo de energía eléctrica por lo tanto puede ser de las baterías al motor cuando tracciona las ruedas como motor o del motor a las baterías cuando actúa como generador en las fases de recuperación de energía cinética del vehículo.

Durante las fases de aceleración, la fuerza de los dos dispositivos de tracción eléctrica y térmica se suman. Esto, como en el caso de los vehículos con propulsión híbrida serie.

HÍBRIDO COMBINADO

El motor eléctrico únicamente asiste al motor térmico en determinadas condiciones (arranque, aceleración etc.). Con esto se consigue reducir significativamente el consumo sobre todo en el ámbito urbano. El motor térmico está conectado a la tracción por medio de la transmisión híbrida (que contiene el motor eléctrico).

Pueden circular en modo eléctrico puro durante 4 km.

En algunos modelos nuevos, existe la posibilidad de recarga mediante red eléctrica con autonomías ligeramente superiores a 20 km.

BATERÍAS HV

1.Definir los siguientes parámetros carácterísticos de los acumuladores o celdas e indicar sus unidades: F.E.M., resistencia interna, capacidad de carga, capacidad energética.

Fuerza electromotriz de la celda (F.E.M.)

Es el voltaje que es capaz de suministrar la celda en vacío, es el que se mediría con un voltímetro de gran resistencia interna entre los terminales (+) y (-) de la celda cuando no está suministrando corriente. Se expresa como tensión nominal y suele estar comprendida entre 2 y 4 V.

La F.E.M. Depende principalmente de las sustancias reactivas de los electrodos, es específica para cada par de reactivos y se mantiene sensiblemente constante durante el proceso de descarga

Resistencia interna de la celda.

Es la resistencia que presenta la celda a ser atravesada por la corriente eléctrica.
En carga (suministrando corriente), el voltaje en bornes es inferior a la F.E.M., debido a la caída de tensión en la resistencia interna de la celda al ser atravesada por la corriente que entrega al circuito exterior.

Una celda real equivale a un generador ideal que suministra un voltaje igual a la F.E.M. Montado en serie con una resistencia de valor igual al de la resistencia interna de la celda Ri

La resistencia interna de la celda depende de:

−Carácterísticas constructivas:

−Carácterísticas de funcionamiento:

−El estado de carga

−La temperatura del electrolito.

Capacidad de la celda.

1. 1. Referida a la cantidad de carga eléctrica almacenada

La capacidad de carga se indica en amperios-hora (1 Ah = 3.600 culombios).
La unidad indica la corriente constante que la celda puede suministrar durante un intervalo de tiempo en el que se consiga una descarga completa, el valor de la capacidad se obtiene multiplicando el valor de la corriente en amperios por el tiempo que dura la descarga en horas:

Los valores típicos de capacidades de baterías de baja tensión utilizadas en automoción va desde los 35 A-h hasta los 100 A-h. En los vehículos eléctricos, las baterías HV alcanzan desde los 200 A-h hasta 500 A-h.

b)Referida a la cantidad de energía eléctrica acumulada.

Depende de la capacidad y del voltaje que suministra la celda, La unidad empleada es el

kilovatio-hora (1 KWh = 3.600 julios).

2.Definir los siguientes parámetros carácterísticos de los acumuladores o celdas e indicar sus unidades: SOC, profundidad de descarga, autodescarga, efecto memoria, duración, constante carga/descarga. ¿De qué factores depende cada uno?

Profundidad de descarga.

Es el porcentaje de capacidad descargado de la batería en una descarga, se indica el valor como % de la capacidad total.

Es un parámetro de interés, las descargas inferiores al 20 % se consideran superficiales, descargas superiores al 80 % se consideran profundas; los acumuladores no toleran bien las descargas profundas, aceleran el envejecimiento de las celdas.

Estado de carga, «SOC» (State Of Charge)

En contraposición a este parámetro estaría el estado de carga de la batería, que indicaría la carga que aún queda disponible en el interior de la batería; también se indica en forma de porcentaje de la capacidad total de la batería.

Autodescarga.

Las celdas, con el paso del tiempo, pierden carga debido a las reacciones internas de las sustancias activas. La tasa de autodescarga de las celdas depende de la naturaleza química de las sustancias que forman la celda y de su construcción.

Es un parámetro a tener en cuenta por el hecho de que con el paso del tiempo, aún sin que la batería trabaje, se acaba descargando y si permanece tiempo en esa situación puede acabar dañándose

Efecto memoria.

Se manifiesta como una pérdida de capacidad efectiva de la celda. Se produce por la realización de cargas incompletas, la celda se somete a una carga sin haberse descargado totalmente; también las elevadas temperaturas del electrolito producen una disminución de la capacidad de la celda.

La pérdida de capacidad de debe a la formación de microcristales en las placas-electrodo

Duración de la batería,

Es el número de ciclos de carga/descarga de duración. Es un valor estimado por el fabricante, considerando que la utilización de la batería ha sido correcta. Cargas inadecuadas y temperaturas altas del electrolito envejecen de forma prematura las celdas por lo que su duración puede ser menor.

Constante carga/descarga.

Relaciona la intensidad de corriente a la que se está cargando o descargando la batería, con su capacidad. Indica el rendimiento esperado de la celda, también si esos valores de corriente son excesivos según criterios determinados por el fabricante.

El valor de la constante es el de la capacidad de la celda en amperios/hora, C (A) = C (Ah)

El valor de la constante viene dado por el fabricante, e indica el rendimiento de la carga y la descarga con curvas carácterísticas construidas para corrientes múltiplos de esta constante. Podrá

5.Justificar la necesidad de utilizar alta tensión en los vehículos eléctricos e híbridos. ¿Qué se entiende por valores de alta tensión, según la prescripción DAIMLER y según la norma ECE R100?

La alta tensión se utiliza en los vehículos híbridos, eléctricos y de pila de combustible, para conseguir potencias elevadas sin necesidad de aumentar las secciones de cable exageradamente (P = U . I).

Se entiende por valores de alta tensión

• Según la prescripción de DAIMLER, a partir de: C.CONT. > 48 V C.ALTER > 25 V
• Según la norma ECE R 100, a partir de: C.CONT > 60 V C.A LTER > 25 V

7.¿Qué función desempeñan el “conector de servicio” y los fusibles de protección de la batería de tracción?. ¿Dónde están situados?

CONECTOR DE SERVICIO

La batería de tracción contiene un Service Plug o conector de servicio extraíble, de color naranja, que permite poner el vehículo en seguridad durante las operaciones en el circuito de alta tensión.

El Service Plug separa la batería en dos partes iguales o Stacks: Stack 1 y Stack 2.

Se utiliza para desconectar físicamente el suministro eléctrico de la batería de tracción ante cualquier intervención al sistema eléctrico del vehículo.

Dependiendo del fabricante, puede tener diferente ubicación pero tanto la función que realiza como su color siempre será la misma

FUSIBLES

La batería de tracción cuenta con tres fusibles para las principales funciones alimentadas a alta tensión:

−280 A, para aislar el motor eléctrico.

−50 A, para el compresor de climatización.

−50 A, para la calefacción Se localizan bajo la batería.

8.¿Qué función realizan los relés de seguridad o contactores de la batería de tracción?. REALIZAR EL ESQUEMA ELÉCTRICO y, sobre él, explicar la secuencia de conexión y¿Qué es el “interlock” de alto voltaje y qué funciones realiza?

Suelen ser tres, cumplen las siguientes funciones.

−(1) Conexión y desconexión de la línea de positivo de la batería HV.

−(2) Conmutación de la resistencia de protección de los contactos del relé contactor (1).
Conecta la salida de positivo de la batería de HV a través de una resistencia eléctrica al convertidor-ondulador una pequeña fracción de tiempo antes de que el relé contactor (1) se cierre; en este intervalo de tiempo se realiza la carga de los condensadores de filtrado del conversor ondulador. Así se evita que cuando se cierre el relé contactor (1), la fuerte corriente instantánea de carga de los condensadores de filtrado dañe sus contactos.

−(3) Conexión y desconexión de la línea de negativo de la batería HV.

9.¿Qué es el “interlock” de alto voltaje y qué funciones realiza?

La señal de interlock es una señal de baja tensión y se conduce a modo de bucle conductor a través de los componentes de alto voltaje y de sus puntos de separación. Una interrupción o un cortocircuito se detecta y tiene como consecuencia la separación o desconexión de todas las fuentes de alto voltaje.

En la mayoría de los casos, la señal de interlock es generada por la unidad de control de gestión de batería.

En los vehículos con desconexión en caso de colisión activa (borne 30c) se aplica el siguiente proceso:

• El elemento divisor pirotécnico (PTE) es activado por la unidad de control del sistema de retención.
• Se destruye el fusible térmico.
• El borne 30c está desconectado.
• Se abren los contactores de la batería y del stack.
• Descarga rápida de alto voltaje.

11.¿Qué función cumplen el “detector de fugas” y el “captador de intensidad”?. ¿Cuál es su principio de funcionamiento y dónde van instalados?

CAPTADOR DE INTENSIDAD

Mide la corriente en el cable de alimentación de alta tensión mediante un anillo inductivo que transforma esta intensidad en un valor de tensión que se transmite al calculador de la batería de tracción.

Tiene dos rangos de medición:

Alta, para un rango ancho (recarga rápida a 330 V). Baja, para un rango más fino (recarga normal a 220 V).

DETECTOR DE FUGAS ELÉCTRICAS

Desconecta la alimentación de alta tensión de la cadena de tracción, en caso de que detecte una diferencia de intensidad entre las corrientes de entrada y salida. Si detecta una fuga de corriente, los relés de la batería se abren, y la corriente no circula fuera de la batería.

Se trata de una medida de seguridad encaminada a proteger a las personas de un posible contacto con el sistema de alta tensión, en caso de avería.

La detección de fugas en la batería se consigue haciendo pasar los cables positivo y negativo a través de un anillo de hierro rodeado por una bobina (captador inductivo)
.

MOTORES HV

1.
Comparar los motores térmicos y los motores eléctricos en cuanto su rendimiento energético y a su entrega de par. Representar las curvas de par y potencia de un motor térmico y de uno eléctrico equivalente.

RENDIMIENTOY EFICIENCIA ENERGÉTICA

Los rendimientos de los motores eléctricos utilizados en la propulsión de vehículos son superiores al 90

%, similares al de los utilizados en la industria. Esto garantiza que toda la energía recibida por el motor, en forma de electricidad, se transformará en el eje de salida en energía mecánica.

Sin embargo, la cifra de rendimiento de un motor de combustión interna (en torno al 25% – 45%, en función de si es diésel o gasolina)

CURVA DE PAR

La principal ventaja del empleo de los motores eléctricos (ME) para la propulsión, frente a los térmicos (MT), es la entrega de par. El MT es incapaz de girar por debajo del régimen de ralentí; se vuelve inestable y se cala. En cambio, el eléctrico gira igual de equilibrado y con la misma “fuerza” (par) a 20 rpm que a 2.000 rpm. La diferencia fundamental radica en que, ya desde 0 rpm, éste cuenta con la cifra de par máximo.

5.Máquinas CC sin escobillas:
Estructura, principio de funcionamiento, esquema del circuito electrónico de control de una máquina unipolar con cuatro bobinados.

Una máquina de corriente continua es un motor eléctrico que funciona con corriente continua o, a la inversa, un generador que proporciona corriente continua. En algunas aplicaciones, una misma máquina puede desempeñar ambas funciones.

Los motores CC han sido ampliamente usados en aplicaciones que requieren ajuste de velocidad, una buena regulación de la misma y continuos arranques, paradas y funcionamiento en modo reversible. Son utilizados en muchos campos por su madurez tecnológica y por su simplicidad de control.

Normalmente, los bobinados del inducido se localizan en el rotor y los bobinados inductores se localizan en el estátor. El circuito magnético está formado por la carcasa, las piezas polares y el núcleo del inducido

6.Máquinas CA síncronas:
Estructura, principio de funcionamiento. ¿De qué depende su velocidad de rotación?

• Motor sincrónico

  : El rotor se mueve de forma sincrónica al campo giratorio del estátor. Su ventaja es un elevado par de giro desde el arranque. Por este motivo, en la propulsión de vehículos actualmente se utiliza mayoritariamente la máquina sincrónica con imanes permanentes. La arquitectura típica de estos motores es:

−Estátor bobinado, se emplea un bobinado trifásico, así se optimiza el espacio disponible en el estátor para colocar el mayor numero de bobinas posibles. Con un sistema trifásico también se mejora la uniformidad del par motor y se mejora el par de arranque.

−Rotor con imanes permanentes de tierras raras, generan el campo magnético inductor sin necesidad de bobinas inductoras, no se necesita tampoco anillos rozantes ni escobillas, se consigue una construcción compacta y fiable, otra ventaja de este tipo de máquina es una alta eficiencia en el aprovechamiento de la energía eléctrica.

7.Describir el comportamiento de un motor sincrónico en las siguientes situaciones:

-A rotor parado. Arranque del motor→

El campo magnético rotativo al pasar delante de los polos del rotor de distinto nombre intenta arrastrarlos e iniciar el giro del rotor. La pequeña duración del impulso no es suficiente para arrastrar el rotor venciendo la inercia y la resistencia a la rotación que tenga este. El rotor vibrará pero no iniciará la rotación, para que inicie la rotación se ha de lanzar a la velocidad de sincronismo, después el rotor continuará girando a esta velocidad. El motor requerirá de algún dispositivo para el arranque.

-Con el motor girando sin carga. Funcionamiento en vacío→

El rotor gira a velocidad de sincronismo, los polos del rotor están casi perfectamente enfrentados con los polos de distinto nombre del estátor.El giro del rotor induce una F.C.E.M.
senoidal en las bobinas del estátor que está en oposición casi perfecta con las tensiones senoidales de línea, la corriente absorbida por el motor es muy pequeña

-Con el motor girando venciendo un par resistente. Funcionamiento en carga→

El par resistente que se opone al motriz, desfasa un cierto ángulo los polos del rotor con respecto a los rotatorios de distinto nombre del estátor, el desfase es mayor cuanto mayor es el par resistente pero el rotor sigue girando a la velocidad de sincronismo. Si el par resistente es demasiado elevado para la potencia del motor el desfase entre los polos llega a ser tan grande que el rotor se desacopla del campo rotatorio del estátor pierde la velocidad de sincronismo y se para.

8.¿Cuál es el principal problema de los motores síncronos?. ¿Cómo se resuelve?

Los motores sincrónicos son reversibles, constructivamente no se diferencian en nada de un alternador. Si se suministra potencia mecánica al eje del rotor la transformará en energía eléctrica como corriente alterna trifásica. La frecuencia de la corriente corresponderá a la de sincronismo, depende de las RPM y los pares de polos.

Esta carácterística de la máquina se aprovecha para el frenado regenerativo, en fases de frenado o retención la maquina toma energía mecánica de las ruedas y la transforma en energía eléctrica que rectificada se emplea para recargar la batería de tracción. El par resistente que la máquina genera produce el efecto de frenado sobre las ruedas.

CONTROL MÁQUINAS HV

3.Explicar el principio de funcionamiento de los:

-Inversores/onduladores→

El ondulador o inversor es un convertidor estático de energía, que convierte la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA), con posibilidad de alimentar una carga en alterna, regulando la tensión, la frecuencia o ambas. Se utiliza de dos maneras:

-Rectificadores→

Posee polarización directa cuando ingresa por el cátodo es decir por el(+) positivo y posee polarización indirecta cuando ingresa por el ánodo (-) negativo.

-Conversores CC/CC→

El convertidor CC/CC es el elemento de ajuste entre el lado de alto voltaje y la red de a bordo de bajo voltaje. Puede estar ejecutado como rectificador de tensión continua bidireccional o unidireccional.

5.¿Qué son los IGTBs?. Explicar su funcionamiento. ¿Cuál es su principal problema y como se minimiza?

El IGBT,es un dispositivo semiconductor que se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia.

Los principales problemas son el volumen y peso de los componentes

Se emplean transformadores y reactancias de filtro pesados y voluminosos, tanto más cuanto mayores son las potencias eléctricas suministradas por el circuito.

6.Explicar cómo se genera la señal de mando de los IGTBs para conseguir una onda de tensión alterna semejante al armónico principal (sinusoidal).

SISTEMAS VEH

1.
Sistema de refrigeración de la cadena de tracción: elementos a refrigerar; fases de funcionamiento.

El sistema de refrigeración de la cadena de tracción permite mantener a una temperatura adecuada a los siguientes elementos:

• Máquina (moto-generador) eléctrica.
• Calculador de control de la máquina eléctrica.
• Conjunto cargador integrado-convertidor DC/DC.

El circuito de refrigeración del motorestá sometido a dos fases de funcionamiento:

1. A partir de 45 ºC, el calculador VE pilota la bomba de agua eléctrica de refrigeración para hacer circular el líquido de refrigeración por todos los componentes del circuito.
2. Por encima de 52 ºC, el calculador VE pilota el ventilador de refrigeración para regular la temperatura de los órganos que generan calor durante su funcionamiento. El accionamiento se realiza mediante un relé que permite que funcione a dos velocidades distintas, en función de la temperatura detectada por la sonda de temperatura de líquido de refrigeración, situada en el calculador de máquina eléctrica

2.Funciones del calculador de vehículo eléctrico, en relación con el sistema de refrigeración.

Funciones del calculador de vehículo eléctrico:

-Control de la puesta en marcha y de la parada de la bomba de agua eléctrica de refrigeración.

-Control de la puesta en marcha y del paro del motoventilador de la refrigeración motor.

-Control de encendido del testigo de alerta de temperatura del líquido de refrigeración en el combinado.

-Adquisición de la temperatura del líquido de refrigeración.

-Gestión de los modos degradados de funcionamiento.

5. Describir la constitución y funcionamiento de los circuitos de aire frío y de aire caliente del sistema de climatización de un vehículo eléctrico.

Circuito de aire frío

Utiliza un compresor de velocidad variable accionado por un motor eléctrico de corriente alterna trifásica (330 V AC).
Esta corriente es producida por un inversor integrado en el compresor, a partir de la corriente continua de 330 V DC transmitida por la batería de tracción.

El conjunto del compresor de refrigeración eléctrico de alta tensión está constituido por tres elementos:

–Ondulador.

–Motor eléctrico.

–Compresor de refrigeración.

Cuando el calculador de calefacción/climatización solicita la activación del compresor, éste se alimenta de la batería de tracción con una tensión de 330 V DC, a través del ondulador que transforma los 330 V DC en 330 V AC trifásica, para alimentar al motor del compresor de refrigeración, el cual comprime el fluido refrigerante.

Circuito de aire caliente

El bloque de calefacción eléctrica está alimentado con 330 V DC. Una bomba de agua hace circular el agua por el circuito.

El depósito de líquido del circuito de calefacción está instalado bajo el capó delantero del vehículo. Al contrario que un vehículo térmico, el aerotermo se calentará sólo cuando el conductor active la calefacción.

Ni el compresor ni la calefacción pueden activarse fuera del modo READY (excepto el compresor durante la activación de la función de refrigeración de la batería de tracción en modo carga rápida).

SEGURIDAD VEH

1.Enumerar los efectos, directos e indirectos, de la corriente eléctrica sobre el cuerpo humano. ¿De qué parámetros depende la magnitud de estos efectos?. ¿Cuáles son los valores de tensión de seguridad, según que se trate de CA o CC y de lugares secos o húmedos?

Efectos directos principales (inmediatos), de la corriente eléctrica sobre el organismo:

1. • Fibrilación ventricular (parada cardiaca).
   • Asfixia (parada respiratoria).
   • Tetanizaciónmuscular(contracción involuntaria).

Efectos directos secundarios (dependen del tiempo de exposición):

2. • Quemaduras internas.
   • Quemaduras superficiales.
     
     

     Efectos indirectos

   • Pérdida del equilibrio.
   • Efectos de la radiación (UV) del arco.
   • Quemaduras por combustión de la ropa.
   • Lesiones oftalmológicas por radiación.
   • Lesiones por proyección de partículas incandescentes.

A partir de todas estas premisas, se considera la tensión de seguridad:

3. • En lugares húmedos o mojados:

–
24 V CA hasta 100 Hz.

36 V CC

4. • En lugares secos y sin condensación:

–
50 V CA hasta 100 Hz.

–75 V CC.