Vehículos Híbridos y Eléctricos: Problemática y Soluciones
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Vehículos Híbridos y Eléctricos: Problemática de la Motorización
Los automóviles han traído consigo crecimiento económico, desarrollo socio-cultural y problemas sociales (contaminación, ruido, agotamiento de los recursos…)
Búsqueda de Alternativas
El automóvil eléctrico constituyó la primera alternativa a tener en consideración pero pronto se vieron los problemas que presentaba. (Las baterías tenían elevado peso, tamaño, precio, autonomía y tiempo de recarga).
El automóvil eléctrico de pila de combustible elimina el problema de las baterías pero está limitado por las dificultades de suministro y manejo del hidrógeno y el empleo de metales preciosos (platino) como catalizador para la célula.
El vehículo híbrido, que combina motor térmico y motor eléctrico, se ha elegido como solución intermedia que permite reunir ventajas de ambos sistemas paliando sus inconvenientes.
Vehículos Eléctricos
Las baterías constituyen el principal problema que se plantea en los vehículos eléctricos debido a su elevado peso y volumen en relación con la energía almacenada y sus altas tensiones. La batería de plomo-ácido, hasta ahora muy empleada por su bajo precio, ha sido abandonada por su elevado peso.
Características a tener en cuenta en las baterías de tracción
- Energía específica (Wh/kg)
- Potencia específica (W/kg)
- Vida útil en ciclos de carga/descarga
- Otras: tensión, efecto memoria, problemas medioambientales, peligro de explosión, sobrecalentamiento, autodescarga etc.
- Precio
Comparación de baterías
Las baterías de plomo-ácido (2,1v) son las más baratas, energía específica baja, potencia baja, requiere mantenimiento y rendimiento bajo.
Las baterías de Ni-Cd (1,2v) mejoran las características de las de plomo pero son más caras, presentan efecto memoria y el reciclaje del cadmio es problemático.
Las baterías de Na-S (2v) mejoran la potencia, energía específica y el rendimiento pero trabajan con un electrolito de sales fundidas a 300ºC.
Las baterías de Ni-MH mejoran las ventajas de las de Ni-Cd, eliminando sus inconvenientes. Requieren ventilación.
En vehículos eléctricos y sobre todo en los híbridos.
Constan de un electrolito alcalino (KOH)
Cada célula genera 1,2 v y se agrupan formando módulos
Tienen adosado un sistema de gestión electrónica y un ventilador.
Las baterías de Li-Ión (3,7v) son las más caras pero tienen mejor energía específica y ciclos de carga/descarga. Tienen problemas de sobrecalentamiento y riesgo de explosión.
Las baterías de iones de litio se utilizan principalmente en vehículos eléctricos puros debido a su elevada energía específica.
Constan de un electrolito de sales de litio con un electrodo positivo de óxido de litio y cobalto u otro metal y un electrodo negativo de grafito.
Cada célula genera 3,7 v. y se conectan en serie.
Necesitan un sistema de gestión electrónica y refrigeración.
Recarga de baterías
Carga lenta en tomas de corriente de red de 220v. Entre 6-10 horas.
Carga rápida en postes especiales. Entre 20-30 minutos.
Motores Eléctricos
Los primeros vehículos eléctricos se equiparon con motores de c.c. La regulación en principio era reostática pero a partir del desarrollo de los semiconductores de estado sólido se pasó a la regulación electrónica que evolucionó hasta llegar a sustituir al motor de c.c. por motores de rotor de imanes permanentes y estator con bobinas alimentadas por corriente alterna trifásica o excitadas de forma secuencial.
Según la dirección de los flujos magnéticos podemos distinguir entre motores de flujo radial que se suelen colocar en la transmisión y motores de flujo axial más aptos para ir colocados directamente en las ruedas.
Los sistemas de regulación para los motores eléctricos de tracción actuales permiten alimentar secuencialmente las bobinas del estator, variando la tensión y frecuencia de alimentación, controlando así el par y la velocidad.
La electrónica de potencia emplea transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) que permiten manejar intensidades de cientos de amperios.
La electrónica de control de las puertas de los transistores se realiza mediante microprocesadores. La información requerida por los microprocesadores viene de los requerimientos del conductor (acelerador, freno, marcha,…) y de sensores en el motor (posición, velocidad,…)
Vehículos de Pila de Combustible
El uso del hidrógeno en la pila de combustible permite generar electricidad para un vehículo eléctrico sin el inconveniente de la gran cantidad de espacio y peso que constituyen las baterías.
El poder calorífico del hidrógeno es 4 veces superior al del carbono y el rendimiento de la pila de combustible supera el 60%. Así basta 1 kg de hidrógeno para recorrer 100 km.
La combustión del hidrógeno solo produce vapor de agua no emitiendo óxidos de carbono u otros contaminantes.
La pila de combustible
El funcionamiento de la pila de combustible se basa en conseguir, mediante un catalizador, hacer reaccionar el hidrógeno con el oxígeno del aire produciendo agua. La reacción genera una diferencia de potencial de 0,6v entre los electrodos.
El hidrógeno se hace llegar al ánodo donde, en presencia del catalizador (generalmente platino), se disocia en iones de hidrógeno y electrones que circularán por el exterior para llegar al cátodo donde se producirá la combinación con el oxígeno formando agua.
Para formar la pila se disponen en serie un conjunto de células cada una de las cuales contiene dos electrodos separados por una membrana que actúa como electrolito bloqueando los electrones que son obligados a circular por el exterior creando así la corriente eléctrica. La membrana permite la circulación de los protones (H+) que llegan al cátodo para combinarse con el oxígeno.
Vehículo con pila de hidrógeno
El hidrógeno se almacena en depósitos con presiones entre 300 y 700 bares. Cada depósito almacena un máximo de 5 kg de hidrógeno. El sistema de almacenaje líquido requiere temperaturas muy bajas (-250ºC). Se estudian tecnologías de almacenaje en estado sólido (hidruros), carbones activos, microesferas, nanotubos, etc
Vehículos Híbridos
Debido a los problemas que tienen los vehículos eléctricos – baja energía específica de las baterías y limitada autonomía – son los automóviles híbridos los que ofrecen una solución de compromiso más satisfactoria.
Se han llamado vehículos híbridos a los que utilizan un motor eléctrico y un motor de combustión interna para su funcionamiento.
La combinación de un motor de combustión interna, operando a regímenes de máxima eficiencia, y la recuperación de energía del frenado hacen que estos vehículos alcancen mejores rendimientos que los vehículos convencionales.
Por otra parte algunos automóviles híbridos permiten recargan las baterías conectándolos a la red eléctrica obteniendo así energía más limpia y barata.
Ventajas
- Optimización del rendimiento del combustible, reduciendo su consumo.
- Reducción de la emisión de gases contaminantes, dañinos para el medio ambiente.
- Disminución de la dependencia energética del petróleo.
Inconvenientes
- Mayor peso que un vehículo convencional y menor espacio disponible.
- Mayor complejidad tecnológica, revisiones y reparaciones más dificultosas.
- Inversión inicial mayor en la compra del vehículo.
Clasificación de los vehículos híbridos
Según las configuraciones para el funcionamiento:
En serie: La tracción es realizada siempre por un motor eléctrico alimentado por batería. Cuando ésta se aproxima al límite de su autonomía arranca el motor térmico que mueve un generador eléctrico para alimentar al vehículo.
En paralelo: Tanto el motor eléctrico como el térmico pueden mover las ruedas, alternativamente o simultáneamente. La intervención de ambos motores puede ser a elección del conductor o controlada automáticamente por el sistema.
Serie-Paralelo: Combina las dos modalidades.
Según como se recargan:
Regulares: Las baterías solo se recargan durante el funcionamiento del vehículo.
Enchufables: También pueden recargarse conectándolos a la red eléctrica.
Seguridad en el Trabajo
Por convenio entre todos los fabricantes los cables de alta tensión en vehículos híbridos y eléctricos son de color naranja.
Siempre que se manipulen partes del vehículo en las que haya alta tensión se hará con guantes de protección específicos.
El trabajo en alta tensión solamente está permitido al personal autorizado con la formación requerida para ello. El vehículo se ubicará en una zona delimitada y señalizada con los correspondientes avisos y advertencias de seguridad.
Antes de manipular cualquier componente de alta tensión se efectuará un corte de alta tensión según el sistema que equipe el vehículo. El conector de servicio debe extraerse con guantes de seguridad eléctrica. Pasados unos minutos (descarga de condensadores) podrá manipularse la instalación. El conector de servicio debe guardarse en lugar seguro para evitar usos indebidos.
Otros fabricantes utilizan distintos sistemas de corte de alta tensión.
Cálculo de Sección de un Conductor (7 Pasos)
Al fijar la sección del conductor, la caída de tensión y el calentamiento, hay que tener en cuenta:
1. Paso: La intensidad de corriente del aparato consumidor que se determina por:
I = P/V = V/R (cálculo de fusibles)
Nos sirve también para calcular el fusible que debamos poner en ese circuito, con el valor de intensidad que sale en la fórmula miramos en la tabla (1.3) > fusibles enchufables
Cogemos un fusible de valor y calor inmediatamente superior al que nos haya salido en la fórmula siempre y cuando cumpla con el margen de tolerancia del 10% del valor nominal del fusible.
4.8A
10% > 7,5 A (marrón)
2. Paso: De caída de admisión admisible tabla (1.3) que para el circuito de alumbrado es el 2.5% de la tensión nominal
3. Paso: Da resistencia al cable para esa caída de tensión admisible
RC = VC/I VC > 0.3
4. Paso: La sección del conductor en función de la caída de tensión admisible
RC = ROO > P x l / s >> s = p x l / rc
5. Paso: Se redondea inmediatamente a la sección superior de las secciones estándar que hay en el mercado. tabla (1.2) aplicaremos también el margen de tolerancia del 10% no se recomienda los conductores únicos de menos de 1 mm2 de sección por su escasa resistencia mecánica (sacamos 5') > valor nominal
6. Paso: Se calcula la caída de tensión real para la sección estándar que se ha obtenido:
RC = P x L/S > VC = RC x I < VC
7. Paso: Se debe comprobar la densidad de corriente para evitar un calentamiento excesivo. Para un funcionamiento durante corto tiempo la densidad de referencia será 30 < 30 A/MM2