Componentes, Tecnologías y Funcionamiento de Vehículos Eléctricos e Híbridos

Componentes de Vehículos Eléctricos e Híbridos

Componentes básicos de los vehículos eléctricos e híbridos

Batería: Actúa como acumulador para la energía eléctrica, almacenándola en forma de energía química.

Conjunto inversor: Contiene los dispositivos electrónicos que posibilitan 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).

Está constituido por varios módulos funcionales que realizan funciones específicas. La electrónica contenida en este elemento realiza dos funciones:

Clasificación de Tecnologías en Vehículos Eléctricos e Híbridos

Se clasifican según la disposición y el funcionamiento de sus componentes de propulsión.

Estructura de los Vehículos Híbridos

Se distinguen tres tipos principales:

Propulsión Híbrida Serie

El vehículo puede funcionar solo con propulsión eléctrica. La energía para el motor eléctrico de tracción proviene exclusivamente de las baterías.

El motor térmico no tiene conexión mecánica con las ruedas, solo se usa para generar electricidad. Funciona a un régimen óptimo 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 cargar las baterías.

Propulsión Híbrida Paralelo

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, ya que no requiere modificaciones importantes del diseño.

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

Durante las fases de aceleración, la fuerza de los dos dispositivos de tracción (eléctrica y térmica) se suman.

Híbrido Combinado

El motor eléctrico asiste al motor térmico en determinadas condiciones (arranque, aceleración, etc.). Esto reduce 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 aproximadamente 4 km.

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

Baterías HV

Parámetros Característicos de los Acumuladores o Celdas

Fuerza Electromotriz de la Celda (F.e.m.)

Es el voltaje que la celda puede suministrar en vacío. 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 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 constante durante el proceso de descarga.

Resistencia Interna de la Celda

Es la resistencia que presenta la celda al paso de 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.

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:

• Características constructivas.
• Características de funcionamiento.
• El estado de carga.
• La temperatura del electrolito.

Capacidad de la Celda

1. Referida a la cantidad de carga eléctrica almacenada:

La capacidad de carga se indica en amperios-hora (1 Ah = 3600 culombios). La unidad indica la corriente constante que la celda puede suministrar durante un intervalo de tiempo en el que se consigue 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 en automoción van desde 35 Ah hasta 100 Ah. En los vehículos eléctricos, las baterías HV alcanzan desde 200 Ah hasta 500 Ah.

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 = 3600 julios).

Otros Parámetros Característicos de los Acumuladores

• Profundidad de descarga: Porcentaje de capacidad descargado de la batería en una descarga. Las descargas inferiores al 20% se consideran superficiales, y las superiores al 80%, profundas. Los acumuladores no toleran bien las descargas profundas.
• Estado de carga (SOC - State Of Charge): Indica la carga que aún queda disponible en la batería, expresado como porcentaje de la capacidad total.
• Autodescarga: Pérdida de carga de las celdas con el tiempo debido a reacciones internas.
• Efecto memoria: Pérdida de capacidad efectiva de la celda debido a cargas incompletas o elevadas temperaturas.
• Duración de la batería: Número de ciclos de carga/descarga que puede soportar la batería.
• Constante carga/descarga: Relaciona la intensidad de corriente de carga/descarga con la capacidad de la batería.

Justificación del Uso de Alta Tensión

La alta tensión se utiliza para conseguir potencias elevadas sin aumentar excesivamente las secciones de los cables (P = U * I).

Se entiende por valores de alta tensión:

• Según DAIMLER: Corriente Continua > 48 V, Corriente Alterna > 25 V.
• Según la norma ECE R100: Corriente Continua > 60 V, Corriente Alterna > 25 V.

Conector de Servicio y Fusibles de Protección

Conector de servicio (Service Plug): Permite poner el vehículo en seguridad durante operaciones en el circuito de alta tensión. Separa la batería en dos partes (Stacks). Se utiliza para desconectar físicamente el suministro eléctrico.

Fusibles: Protegen las principales funciones alimentadas a alta tensión (motor eléctrico, compresor de climatización, calefacción). Se localizan bajo la batería.

Relés de Seguridad (Contactores)

Suelen ser tres:

1. Conexión/desconexión de la línea de positivo de la batería HV.
2. Conmutación de la resistencia de protección de los contactos del relé contactor (1).
3. Conexión/desconexión de la línea de negativo de la batería HV.

Interlock de Alto Voltaje

Señal de baja tensión que se conduce a través de los componentes de alto voltaje. Una interrupción o cortocircuito desconecta las fuentes de alta tensión.

En caso de colisión activa (borne 30c):

• Se activa el elemento divisor pirotécnico (PTE).
• Se destruye el fusible térmico.
• Se desconecta el borne 30c.
• Se abren los contactores.
• Descarga rápida de alto voltaje.

Detector de Fugas y Captador de Intensidad

Captador de intensidad: Mide la corriente en el cable de alta tensión mediante un anillo inductivo.

Tiene dos rangos de medición: Alto (recarga rápida) y Bajo (recarga normal).

Detector de fugas eléctricas: Desconecta la alimentación de alta tensión si detecta una diferencia de intensidad entre las corrientes de entrada y salida. Utiliza un captador inductivo.

Motores HV

Comparación entre Motores Térmicos y Eléctricos

Rendimiento y eficiencia energética:

• Motores eléctricos: Rendimiento superior al 90%.
• Motores de combustión interna: Rendimiento entre 25% y 45%.

Curva de par:

• Motores eléctricos: Entregan el par máximo desde 0 rpm.
• Motores térmicos: Necesitan alcanzar un régimen mínimo de revoluciones para entregar par.

Máquinas CC sin Escobillas

Funcionan con corriente continua. Los bobinados del inducido se localizan en el rotor, y los inductores en el estator. El circuito magnético está formado por la carcasa, las piezas polares y el núcleo del inducido.

Máquinas CA Síncronas

• Motor sincrónico: El rotor se mueve de forma sincrónica al campo giratorio del estator. Alto par de giro desde el arranque.
• Estator bobinado: Bobinado trifásico.
• Rotor con imanes permanentes: De tierras raras.

La velocidad de rotación de un motor síncrono depende de la frecuencia de la corriente alterna de alimentación y del número de polos del motor.

Comportamiento de un Motor Síncrono

• A rotor parado (Arranque): El rotor vibra pero no gira. Requiere un dispositivo de arranque.
• Girando sin carga (Funcionamiento en vacío): El rotor gira a velocidad de sincronismo.
• Girando con carga (Funcionamiento en carga): El rotor se desfasa un cierto ángulo, pero sigue girando a velocidad de sincronismo.

Problema de los Motores Síncronos y Solución

Los motores síncronos son reversibles (funcionan como generadores). Se aprovecha esta característica para el frenado regenerativo.

Control de Máquinas HV

Principio de Funcionamiento

• Inversores/onduladores: Convierten corriente continua (CC) en corriente alterna (CA).
• Rectificadores: Convierten corriente alterna (CA) en corriente continua (CC).
• Conversores CC/CC: Ajustan entre el lado de alto voltaje y la red de a bordo de bajo voltaje.

IGBTs (Transistores Bipolares de Puerta Aislada)

Dispositivos semiconductores que actúan como interruptores controlados. Los principales problemas son el volumen y peso de los componentes.

Generación de la Señal de Mando de los IGBTs

Se utiliza modulación por ancho de pulsos (PWM) para generar una onda de tensión alterna sinusoidal.

Sistemas del Vehículo Eléctrico (VEH)

Sistema de Refrigeración de la Cadena de Tracción

Mantiene la temperatura adecuada de:

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

Fases de funcionamiento:

1. A partir de 45 ºC: Bomba de agua eléctrica.
2. Por encima de 52 ºC: Ventilador de refrigeración.

Funciones del Calculador de Vehículo Eléctrico (Respecto a la Refrigeración)

• Control de la bomba de agua eléctrica.
• Control del motoventilador.
• Control del testigo de alerta de temperatura.
• Adquisición de la temperatura del líquido.
• Gestión de modos degradados.

Sistema de Climatización

Circuito de aire frío:

• Compresor de velocidad variable accionado por motor eléctrico (330 V AC).
• Inversor integrado en el compresor.

Circuito de aire caliente:

• Bloque de calefacción eléctrica (330 V DC).
• Bomba de agua.
• Depósito de líquido.

El compresor y la calefacción se activan en modo READY (excepto el compresor durante la refrigeración de la batería en carga rápida).

Seguridad en Vehículos Eléctricos (VEH)

Efectos de la Corriente Eléctrica sobre el Cuerpo Humano

Efectos directos principales (inmediatos):

• Fibrilación ventricular (parada cardiaca).
• Asfixia (parada respiratoria).
• Tetanización muscular (contracción involuntaria).

Efectos directos secundarios (dependen del tiempo de exposición):

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

Tensión de seguridad:

• Lugares húmedos o mojados: 24 V CA (hasta 100 Hz), 36 V CC.
• Lugares secos: 50 V CA (hasta 100 Hz), 75 V CC.

Zonas de Peligrosidad de las Corrientes Corporales

Se delimitan en una gráfica tiempo/intensidad, con diferentes zonas que indican los efectos en cada una (desde percepción hasta fibrilación ventricular).