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Termocontrol en vehículos híbridos

Aquí encontrará útiles conocimientos básicos y prácticos consejos relacionados con el termocontrol en vehículos híbridos.

Como paso intermedio hasta llegar a los vehículos totalmente eléctricos, cada vez salen al mercado más modelos con tecnología híbrida. Estos vehículos precisan de nuevas soluciones para la climatización del habitáculo y para el termocontrol. Esta página le ofrece una visión general acerca de los vehículos híbridos: Desde los fundamentos básicos y las características del sistema hasta las soluciones de termocontrol actuales, pasando por las peculiaridades que deben tenerse en cuenta en las tareas de mantenimiento y reparación.

Importantes instrucciones de seguridad
La siguiente información técnica y los consejos prácticos aquí descritos han sido elaborados por HELLA con el fin de ayudar de manera profesional a los Talleres del automóvil en su trabajo diario. La información facilitada en esta página web está pensada solamente para personal debidamente cualificado y con formación específica.

 

VISIÓN GENERAL DE LAS TECNOLOGÍAS HÍBRIDAS: COMPARATIVA

El concepto "híbrido" como tal significa simplemente mezcla o combinación. En la tecnología automovilística indica que en un vehículo se ha combinado un motor de combustión interna, con su técnica de tracción convencional, con los elementos de un vehículo eléctrico.

 

La tecnología híbrida se caracteriza por ser cada vez más exigente desde el punto de vista técnico, y es algo que se demuestra en tres pasos: comienza con la tecnología micro, pasa por la semihíbrida y llega hasta la tecnología completamente híbrida. A pesar de las diferencias técnicas, todas estas tecnologías tienen en común que la batería empleada se carga mediante la recuperación de la energía de frenado.

VEHÍCULO MICRO-HÍBRIDO

Los vehículos micro-híbridos van equipados generalmente con un motor de combustión interna convencional que lleva el sistema automático Start/Stop, así como con un sistema de recuperación de la energía de frenado (llamada recuperación).

 

VEHÍCULO HÍBRIDO SUAVE O SEMIHÍBRIDO

Los semihíbridos por el contrario van equipados con un pequeño motor eléctrico y una batería más potente. La tracción auxiliar eléctrica se emplea únicamente para ayudar al arranque y para conseguir un mayor alcance de la potencia al adelantar, es decir, para la llamada función "boost".

 

HÍBRIDO TOTAL

Los completamente híbridos no sólo pueden utilizar la función "boost", sino que también pueden funcionar con energía eléctrica. Para ello, están equipados con un grupo motriz totalmente eléctrico. No obstante, este grupo precisa de una batería mucho más potente que los semihíbridos.

Dentro de los híbridos completos se encuentran los "híbridos enchufables". Estos modelos ofrecen la posibilidad de cargar los acumuladores durante la noche. Una característica positiva de este modelo es que, al mismo tiempo, puede climatizarse el habitáculo del vehículo a la temperatura deseada. De este modo, el vehículo estará listo a la mañana siguiente.

 

Los vehículos totalmente híbridos más representativos actualmente son: Toyota Prius, BMW ActiveHybrid X6 (E72) y VW Touareg Hybrid. Por su parte, el BMW ActiveHybrid 7 y el Mercedes S400 (F04) son ejemplos de semihíbridos.

  Micro-híbrido Semihíbrido Híbrido total
Potencia del motor eléctrico / Alternador 2 – 3 KW
(Recuperación de la energía de frenado mediante el alternador)
10 – 15 KW > 15 KW
Rango de tensión 12 V 42 – 150 V > 100 V
Ahorro factible de combustible en comparación con vehículos de tracción convencional < 10 % < 20 % > 20 %
Funciones que contribuyen a ahorrar combustible – Función Start/Stop
– Recuperación
– Función Start/Stop
– Función boost
– Recuperación
– Función Start/Stop
– Función boost
– Recuperación
– Conducción eléctrica

 

Como se puede apreciar en la visión general, cada una de las tecnologías cuenta con diferentes funciones que contribuyen a ahorrar combustible. A continuación se presentan brevemente estas cuatro funciones.

Función Start/ Stop

Si el vehículo se detiene por encontrarse ante un semáforo o ante un atasco, el motor de combustión interna se desconecta. Si se acciona el embrague para arrancar y se introduce la primera marcha, el motor de combustión interna arranca automáticamente. De este modo, el coche está listo para continuar con la conducción.

Recuperación

Recuperación es la técnica con la que se recupera una parte de la energía de frenado. Normalmente, esta energía se perdía al frenar, convertida en energía térmica. Por el contrario, en la recuperación se emplea el alternador del vehículo como freno del motor, es decir, se suma al frenado normal de las ruedas.

 

La energía generada por el alternador al desacelerar se almacena en el acumulador (batería). Este proceso aumenta con gran acierto el momento de arrastre del motor, desacelerando así el vehículo.

Función boost

Durante la fase de aceleración se suman los pares del motor de combustión interna y del motor eléctrico. De este modo, un vehículo híbrido puede acelerarse más rápidamente que un vehículo con accionamiento convencional similar.

 

La función boost sirve para ayudar al arranque y para proporcionar una mayor potencia al adelantar. Esta fuerza se genera mediante un accionamiento auxiliar eléctrico que únicamente está preparado para estos dos fines. Por ejemplo, en el VW Touareg esto se traduce en un plus de potencia de 34 KW.

Conducción eléctrica

Si se precisa poca potencia de accionamiento, como p.ej. en la conducción por la ciudad, sólo se emplea el motor eléctrico como grupo de tracción. El motor de combustión interna está desconectado. Las ventajas de este tipo de accionamiento son: cero consumo de gasolina y cero emisiones.

 

Al emplear estas tecnologías en los vehículos surgen una serie de requisitos, que deben tenerse en cuenta en el trabajo diario.

Tensión eléctrica en la red de a bordo

La potencia que debe alcanzar y producir el accionamiento eléctrico de un vehículo híbrido, así como las necesidades que debe cubrir, no se logran con los rangos de tensión de 12 o 24 V. Para ello es importante contar con mayores rangos de tensión.

 

Es indispensable tener en cuenta que en las tensiones alternas superiores a 25 V y las tensiones continuas superiores a 60 V empieza el rango de alto voltaje. Conforme a la norma ISO, este intervalo de tensión se considera peligroso para el ser humano.

REGLAS BÁSICAS AL REALIZAR TRABAJOS EN VEHÍCULOS HÍBRIDOS: CONSEJOS PRÁCTICOS

En los vehículos híbridos se montan necesariamente componentes de alto voltaje. Todos ellos van marcados con rótulos uniformes de advertencia y con indicaciones. Además, todos los fabricantes suministran los conductos de alto voltaje en color naranja luminoso.

 

Las reglas básicas al realizar trabajos en los vehículos híbridos son las siguientes:

  1. Conexión sin tensión
  2. Asegurar ante una reconexión
  3. Garantizar que no hay tensión

 

¡Respete las especificaciones de los fabricantes de los vehículos!

CLIMATIZACIÓN DEL HABITÁCULO: FUNDAMENTOS

En los conceptos actuales de tracción en motores de combustión interna, la climatización del habitáculo depende directamente del funcionamiento del motor debido a que el compresor es accionado de manera mecánica. En los vehículos conocidos por los expertos como micro híbridos y que solamente disponen de la función Start-Stop, también se emplean compresores con transmisión por correa. De ahí surge la problemática de que, sólo 2 segundos después de parar el vehículo y apagar el motor, sube la temperatura de salida del evaporador del aire acondicionado. El aumento progresivo de la temperatura del aire de salida de la ventilación, así como también el aumento de la humedad del aire, no es algo agradable para los ocupantes del vehículo.

 

Para solucionar este problema, se pueden emplear en el futuro acumuladores de frío de nuevo desarrollo, es decir, los llamados evaporadores acumuladores.

El evaporador acumulador se compone de dos bloques: un bloque evaporador y un bloque acumulador. El refrigerante pasa por ambos bloques en la fase de inicio o con el motor en marcha. El evaporador lleva un agente activo latente que, mientras tanto, se irá refrigerando hasta congelarse. Así se convierte en un acumulador de frío.

 

En la fase de Stop, el motor está apagado y el compresor no se accionará. El aire caliente que fluye por el evaporador se refrigera y se produce un intercambio de calor. Este intercambio dura hasta que el agente activo latente se ha derretido totalmente. Al iniciarse de nuevo la conducción, el proceso empieza de nuevo de modo que, transcurrido un minuto, el evaporador acumulador puede volver a refrigerar el aire.

 

En los vehículos sin evaporador acumulador y cuando el tiempo es muy caluroso, es necesario tras poco tiempo volver a arrancar el motor de nuevo. Solamente así se puede mantener la refrigeración en el habitáculo.

En caso necesario, con el fin de climatizar el habitáculo para los ocupantes, también puede emplearse la calefacción. En los vehículos totalmente híbridos, el motor de combustión interna se desconecta cuando se pasa a la fase de conducción eléctrica. El calor que queda en el circuito del agua sólo es suficiente para calentar el habitáculo durante poco tiempo. A modo de ayuda, se conectan entonces los elementos calefactores PTC eléctricos, que asumen la función de la calefacción. Su funcionamiento es similar al de un secador de pelo: El aire aspirado por la unidad de ventilación del habitáculo se calienta al pasar por los elementos calefactores y se transmite después al habitáculo.

COMPRESOR DE ALTO VOLTAJE: FUNCIONAMIENTO

Funcionamiento de un compresor de alto voltaje

En los vehículos con tecnología completamente híbrida se emplean compresores eléctricos de alto voltaje, que no dependen del funcionamiento del motor de combustión interna. Gracias a este novedoso accionamiento son posibles las funciones que conllevan un mayor confort relacionado con la climatización del vehículo.

Así, antes de entrar en el vehículo, es posible refrigerar a la temperatura deseada un habitáculo que se encuentre a alta temperatura. Esta función puede llevarse a cabo con un control remoto.

 

Esta refrigeración solamente puede efectuarse dependiendo de la capacidad disponible de la batería. Para ello, el compresor se regula con la menor potencia posible teniendo en cuenta los requisitos necesarios para la climatización.

 

En los compresores de alto voltaje empleados actualmente, la regulación de la potencia se realiza ajustando el número de revoluciones correspondiente en etapas de 50 min -1. Por ello, no se precisa de una regulación interna de la potencia.

 

En contraposición al principio del disco oscilante, que se utiliza preferentemente en los compresores accionados por correa, en los compresores de alto voltaje se emplea el principio scroll para comprimir el refrigerante. Las ventajas son una reducción del peso de aprox. un 20% y también una reducción similar de la cilindrada para conseguir la misma potencia.

 

Con el fin de generar el par correspondiente para el accionamiento del compresor eléctrico, se utiliza una tensión continua de más de 200 V, que es una tensión muy elevada para un vehículo. El inversor integrado en la unidad del motor eléctrico transforma esta tensión continua en la tensión alterna trifásica que precisan los motores eléctricos sin escobilla. Mediante la circulación de retorno del refrigerante hasta la zona de succión, se consigue disipar el calor necesario del inversor y los bobinados del motor.

GESTIÓN DE LA TEMPERATURA DE LA BATERÍA: COMPARATIVA

Para el funcionamiento de un vehículo híbrido, lo esencial es la batería. Ésta debe proporcionar la cantidad de energía necesaria para lograr un accionamiento rápido y fiable. Principalmente, estas baterías son baterías de alta tensión híbridas de níquel y metal; no obstante, cada vez es más común el uso de baterías de alta tensión de iones de litio. Así se sigue reduciendo el tamaño y el peso de las baterías de los vehículos híbridos.

 

Es indispensable que las baterías utilizadas funcionen en un rango de temperatura determinado. A partir de una temperatura de funcionamiento de +40°C disminuye la vida útil, mientras que, por debajo de -10°C, el grado de efectividad decrece y la potencia disminuye. Además, la diferencia de temperatura de cada una de las células no debe supera los 5°-10° Kelvin.

 

Una carga máxima de breve duración en combinación con una corriente elevada, como la recuperación o el "boost", tiene como resultado un notable calentamiento de las células. Además, las altas temperaturas exteriores en los meses de verano contribuyen a que la temperatura alcance rápidamente el valor crítico de 40°C.

 

La consecuencia de un exceso de temperatura es el envejecimiento más rápido y el fallo prematuro de la batería. Los fabricantes de vehículos aspiran a una vida útil de la batería que sea igual a la vida de 1 automóvil (aprox. 8-10 años). De este modo, el proceso de envejecimiento únicamente puede contrarrestarse con una gestión adecuada de la temperatura.

 

Hasta ahora se emplean tres opciones diferentes para gestionar la temperatura.

Opción 1

El aire se succiona desde el interior del vehículo, ya climatizado, y se utiliza para enfriar la batería. El aire frío que se ha succionado del habitáculo tiene una temperatura inferior a 40°C. Este aire se utiliza para que fluya por las superficies libres de la batería.

 

Las desventajas de esta opción son:

  • La reducida efectividad de la refrigeración.
  • El aire que se ha succionado del habitáculo no puede utilizarse para reducir la temperatura en la misma medida.
  • El notable trabajo que representa la conducción del aire.
  • Posibles ruidos molestos en el habitáculo debidos a la ventilación.
  • A través de los canales de aire, hay una unión directa entre el espacio de los ocupantes y la batería. Esto podría resultar problemático por motivos de seguridad (p. ej. gasificación de la batería).
  • Tampoco hay que menospreciar el riesgo de la entrada de polvo en la batería, ya que el aire que viene del habitáculo contiene polvo. El polvo se almacena entre las células y forma, junto con la humedad condensada del aire, una película conductora. Esta película propicia la formación de corrientes de fuga en la batería.

 

Para evitar este peligro, el aire aspirado se filtrará. Como alternativa, la refrigeración del aire puede realizarse con un pequeño climatizador, parecido al aire acondicionado auxiliar que llevan en la parte trasera los vehículos de gama alta.

Opción 2

Una placa evaporadora conectada a la célula de la batería se une al aire acondicionado del vehículo. Esto se lleva a cabo, en el llamado método separado, en la zona de alta y baja presión a través de tuberías y de una válvula de expansión. Así, el evaporador del habitáculo y la placa evaporadora de la batería, que funciona como un evaporador convencional, están conectados al mismo circuito.

 

Debido a las diferentes tareas de ambos evaporadores, surgen diferentes necesidades en cuanto a la circulación del refrigerante. Mientras que la refrigeración del habitáculo satisface las exigencias de confort de los ocupantes, la batería de alto voltaje, según la situación de la conducción y la temperatura ambiente, debe refrigerarse de manera más o menos intensa.

 

De estas necesidades resulta una regulación bastante laboriosa del refrigerante evaporado. La forma especial de la placa evaporadora y su integración en la batería proporcionan una gran superficie de contacto para el intercambio de calor. Así puede garantizarse que no se supere la temperatura crítica o máxima de 40ºC.

 

En caso de temperaturas exteriores muy bajas, sería necesario aumentar la temperatura hasta llegar a la temperatura idónea de la batería, como mín. 15ºC. En este caso, la placa evaporadora no puede ofrecer ningún rendimiento. Una batería fría rinde menos que una templada y apenas puede cargarse si la temperatura está muy debajo del punto de congelación. En el sistema semihíbrido podría aceptarse que, en caso extremo, la función híbrida estuviera disponible sólo con ciertas limitaciones. No obstante, es posible conducir con el motor de combustión interna. Por el contrario, un vehículo totalmente eléctrico deberá contar con una calefacción para la batería con el fin de poder arrancar el motor y conducir en invierno en cualquier situación.

 

Nota
Las placas evaporadoras integradas directamente en la batería no pueden sustituirse ellas solas. Para ello, y en caso de haber sufrido algún daño, deberá sustituirse la batería por completo.

Opción 3

En las baterías con mayor capacidad, el acondicionamiento térmico desempeña un papel primordial. Por ello, en caso de temperaturas muy bajas se necesita una calefacción auxiliar de la batería para llevarla a un rango idóneo de temperatura. Solamente así se puede "conducir eléctricamente" un vehículo de forma satisfactoria.

 

Para conseguir esta calefacción auxiliar, la batería se integra en un circuito secundario. Este circuito se ocupa de mantener continuamente una temperatura de servicio idónea, entre 15°C y 30°C.

 

Una placa de refrigeración con líquido refrigerante, que consta de agua y glicol (circuito verde), circula por el bloque de la batería. Con temperaturas más bajas, el refrigerante puede calentarse rápidamente mediante una calefacción para alcanzar la temperatura idónea. Si durante el uso de las funciones híbridas aumenta la temperatura de la batería, la calefacción se desconectará. El refrigerante puede refrigerarse mediante el radiador de batería, que se encuentra en la parte delantera del vehículo, utilizando para ello el viento que entra durante la marcha.

Intercambiador especial de calor

Si la refrigeración del radiador de la batería no resulta suficiente ante temperaturas exteriores elevadas, el refrigerante circula a través de un calefactor especial. En éste, el refrigerante del aire acondicionado del vehículo se evapora. Además, el calor puede transmitirse de forma muy compacta y con una elevada densidad de potencia desde el circuito secundario hasta el líquido refrigerante que se está evaporando. Así se produce una refrigeración de retorno del refrigerante. Mediante el uso de un calefactor especial, la batería puede funcionar en un rango óptimo de temperatura, adecuado a su grado de efectividad.

FORMACIÓN CONTINUA NECESARIA PARA REPARAR VEHÍCULOS HÍBRIDOS: INFORMACIÓN INTERESANTE

Para poder realizar el mantenimiento y la reparación de los sistemas de Termocontrol de los vehículos híbridos, es indispensable una formación especial. Los empleados que realizan tareas en dichos sistemas de alto voltaje necesitan, p. ej. en Alemania, una formación adicional de 2 días, llamada "Electricistas especializados en sistemas de alto voltaje".

 

Gracias a los conocimientos adquiridos en este curso es posible valorar los peligros que comportan las tareas de reparación en este tipo de sistemas; sirven también para saber eliminar la tensión mientras duren dichas tareas. Sin una formación de este tipo está prohibido trabajar con sistemas de alto voltaje.

MANTENIMIENTO DE VEHÍCULOS HÍBRIDOS: RECOMENDACIONES PARA EL TALLER

Incluso en tareas habituales de comprobación y de reparación (como p.ej.: instalación de tubos de escape, neumáticos, amortiguadores, cambio de aceite, cambio de neumáticos, etc.), se da siempre una situación especial.

 

Estas tareas únicamente pueden ser efectuadas por personal debidamente formado (mediante el curso para "Electricistas especializados en sistemas de alto voltaje"), ya que así se conocerán los peligros de estos sistemas de alto voltaje.

 

Además, es indispensable emplear herramientas que cumplan con las especificaciones de los fabricantes de vehículos híbridos.

 

En la revisión del aire acondicionado y en los servicios de climatización, hay que tener en cuenta que los compresores eléctricos de climatización no pueden lubricarse con los aceites habituales PAG. No poseen las propiedades aislantes necesarias. Por norma general, se emplea aceite POE que sí posee dichas propiedades.

 

Por ello, para revisar el aire acondicionado y para los servicios de climatización de vehículos híbridos, se recomiendan las máquinas de climatización con función interna de lavado y un depósito por separado para el aceite nuevo. Así queda excluido el riesgo de que se mezclen aceites nuevos de diferentes clases.