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. 7 Optimización del consumo de combustible en un vehículo híbrido serie Fernando rnando Avilés Calvete MOIGE 2011 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 8 Optimización del consumo de combustible en un vehículo híbrido serie Fernando rnando Avilés Calvete MOIGE 2011 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. 9 Optimización del consumo de combustible en un vehículo híbrido serie Fernando Avilés Calvete MOIGE 2011 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. 10 Optimización del consumo de combustible en un vehículo híbrido serie Fernando rnando Avilés Calvete MOIGE 2011 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. 11 Optimización del consumo de combustible en un vehículo híbrido serie Fernando Avilés Calvete MOIGE 2011 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 12