La hibridación “suave” de 48 voltios, una solución sencilla y de bajo coste

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Los sistemas de hibridación basados en la tecnología “suave” de 48 voltios son una solución sencilla y de bajo coste para lograr una significativa reducción de los consumos y las emisiones de la mayoría de los automóviles.

Esta es la visión de Schaeffler, compañía de ingeniería caracterizada por sus avanzados sistemas para el sector del automóvil  y la industria en general, que considera que esta tecnología va a ser decisiva en la popularización masiva de los híbridos, ya que se caracteriza por su sencillez de funcionamiento y puede instalarse en automóviles, estructuras de producción y ensamblaje ya existentes, lo que permitirá comercializar modelos híbridos a precios muy competitivos.

Schaeffler, que ha desarrollado seis niveles de aplicación para esta tecnología, argumenta que aproximadamente el 70% de las emisiones globales de CO2 se debe a la combustión de combustibles fósiles, y el sector del transporte supone casi un cuarto de dicho porcentaje.

Para alcanzar los ambiciosos objetivos climáticos de París, en el futuro serán necesarias nuevas tecnologías en la propulsión de los vehículos. La tecnología eléctrica sigue evolucionando y en el año 2030 casi el 30% de los turismos que se fabriquen funcionarán con una propulsión completamente eléctrica; otro 30% del mercado mundial aún estará constituido por vehículos propulsados únicamente por un motor de combustión, y el 40% restante tendrán una propulsión híbrida.

Antes este panorama, la hibridación de 48 voltios permite electrificar plataformas convencionales, proporcionando hasta 20 kW de potencia eléctrica sin realizar grandes cambios para adaptar toda la arquitectura.

Comparado con los sistemas híbridos de alto voltaje, el de 48 voltios tiene una relación coste-beneficio imbatible y su implementación técnica es sencilla gracias a su concepción modular, que facilita su inserción. Hay seis niveles de hibridación de 48 voltios, que cubren diferentes necesidades y prestaciones.

 

La hibridación de 48 voltios

El uso de la hibridación “suave” permite una reducción media de consumos y emisiones de CO2 de un 15% (según el nuevo ciclo WLTP: Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures, por sus siglas en inglés; Procedimientos Mundialmente Armonizados para Pruebas de Vehículos Ligeros, en lengua española), gracias a la recuperación de energía en las fases de deceleración y frenado.

Esa energía se utiliza en tantas situaciones de conducción como sea posible, bien para aumentar la potencia, para conducir de forma puramente eléctrica o para mantener la velocidad de crucero, y esto significa que el motor de combustión interna se desconectará y conectará entre 600.000 y 900.000 veces durante su vida útil, dependiendo de la estrategia de conducción adoptada.

La hibridación de 48V también permite  satisfacer las demandas, cada vez mayores, de energía eléctrica, por ejemplo, para nuevas funcionalidades del automóvil o la conducción autónoma.

La eficiencia y las prestaciones de un motor de combustión también se ven incrementadas con este sistema. Por ejemplo, proporcionando un aporte extra de par a bajas revoluciones, en combinación con el control de la distribución.

Además, con la legislación RDE (Real Driving Emissions), reducir la carga del acelerador en las fases de aceleración y emplear catalizadores eléctricos puede llevar a una mejora significativa de las emisiones.

Respecto a la hibridación de alto voltaje, la tecnología de 48 voltios ofrece una implementación más sencilla y un menor coste; no solo de sus propios componentes. Por ejemplo, se puede prescindir de todos los elementos de aislamiento eléctrico necesarios en los híbridos de alta tensión, lo que se hace extensible a todos los sistemas eléctricos de alto rendimiento que equipa un automóvil.

 

Los seis niveles de hibridación de 48V

Nivel 0

En el sistema de nivel 0 el motor eléctrico está unido al cigüeñal del motor de combustión mediante una correa. Con dicho alternador resulta posible recuperar una gran parte de la energía cinética que se pierde al frenar.

Una pequeña y económica batería de iones de litio sirve para almacenar energía. La energía recuperada puede utilizarse para volver a arrancar el motor en el funcionamiento “start-stop”, para mantener la velocidad de crucero o para proporcionar una aceleración adicional. Una ventaja adicional de esta arquitectura radica en que el aire acondicionado sigue funcionando con el motor de combustión apagado.

Las simulaciones de consumo y emisiones bajo ciclo WLTC completadas por Schaeffler muestran que un híbrido nivel 0 logra un ahorro del 3,8% en consumos y emisiones (respecto a  un microhíbrido de 12 voltios, con alternador inteligente y función start&stop) con motor eléctrico de polos asíncronos o de polos intercalados; y de un 6,6 % con motor eléctrico  síncrono de imanes permanentes (PSM).

Debido a su bajo coste de integración, esta tecnología se utilizará de forma masiva en los próximos años, especialmente en Europa, y contribuirá de manera decisiva al cumplimiento de los objetivos de emisiones de CO2 medias de las marcas. En 2030 se estima una producción anual de aproximadamente 20 millones de unidades de sistemas de nivel 0.

 

Nivel 1

La disposición del motor eléctrico de 48 voltios también está el cigüeñal, pero sin correa de acople. En esta disposición siempre se emplea un motor síncrono de imanes permanentes (PSM), más compacto, y que se caracteriza por su alta eficiencia y entrega de par.

El híbrido de nivel 1 consigue una reducción de consumos y emisiones de CO2 del 8,5% bajo ciclo WLTC. Y estos porcentajes son bastante mejorables si se optimizan al máximo los motores de combustión, con elementos, por ejemplo, como el sistema de distribución completamente variable UniAir y un aumento de la relación de compresión.

 

Nivel 2

En este nivel el motor eléctrico se instala entre el motor de combustión y la caja de cambios. Para propulsiones frontales transversales, donde hay poco espacio disponible, Schaeffler ha desarrollado una variante paralela al eje que actúa sobre el árbol de entrada de la caja de cambios mediante correa o cadena.

El sistema permite, además de recuperar la energía de frenado, conducir de forma eléctrica a velocidades bajas, como en un atasco, o al aparcar y maniobrar.

Los módulos de nivel 2 de Schaeffler permiten además hibridar de manera rentable modelos con caja de cambios manual, abriendo el camino a esta tecnología a los segmentos más populares del mercado.

El módulo híbrido con motor síncrono de imanes permanentes rinde una potencia continua de 10 kW, con picos máximos de 15 kW durante 20 segundos. El embrague de desconexión tiene una capacidad de par de 250 Nm.

Se requiere un espacio axial adicional de 80 milímetros para integrar estos elementos, algo fácil de lograr en una disposición de motor transversal de tres cilindros con tracción delantera. Todo el módulo híbrido de nivel 2 supone un incremento de peso de 31 kilos.

 

Nivel 3

El motor eléctrico se ubica en la salida de transmisión, configuración válida tanto para motores y transmisiones en línea, como transversales; y permite la integración de un embrague multidisco, si es necesario, para una variante de tracción total.

El rendimiento máximo del motor eléctrico refrigerado por agua es de hasta 20 kW en modo de generador, y entrega hasta 234 Nm de par máximo en modo motor, que se transmite en una relación de 3.9 a través de un engranaje planetario de una etapa. La velocidad máxima del motor eléctrico se alcanza a una velocidad del vehículo de aproximadamente 140 km/h. Para un vehículo con tracción delantera, el módulo pesa 22 kg.

Gracias a este sistema, sumado a un generador de arranque de 12 V, las emisiones de CO2 caen un 15,3% en comparación con el vehículo básico con motor de combustión. El módulo híbrido también se puede usar en un vehículo de tracción total con la adición de un embrague multidisco, que transmite hasta 800 Nm.

 

Nivel 4

En el nivel 4 se reemplaza la transmisión del eje trasero por un sistema de transmisión eléctrica, que complementa al motor de combustión interna que actúa sobre el eje delantero. Así se consigue una tracción total, así como la desconexión completa del motor y transmisión convencional y eléctrico.

Una transmisión de dos velocidades permite que el motor eléctrico se ajuste a su configuración óptima en una variedad de situaciones de manejo. La segunda marcha se acciona a partir de 70 km/h y está dirigida a la conducción interurbana y en autopista, enfocándose exclusivamente a las funciones de refuerzo y recuperación.

El eje está diseñado de tal manera que hace posible la conducción puramente eléctrica en entorno urbano. La tecnología de motor eléctrico que se debe usar para completar este sistema es una decisión abierta y depende de la potencia máxima, la densidad de potencia, el espacio y la seguridad funcional. El peso total del eje eléctrico es de aproximadamente 40 kilos.

Un sistema de tracción total convencional en un vehículo típico del segmento C incrementa el consumo un 11 % de media. Utilizando este sistema, un híbrido nivel 4 de tracción total reduce el consumo y las emisiones en un 15,5% respecto a un tracción delantera; y un 24% respecto a ese mismo modelo con tracción total convencional.

Nivel 5

Este nivel también ofrece tracción total, pero de un modo diferente: el propulsor y la transmisión están alojados en el cubo de cada rueda de un eje. En la tecnología de 48 voltios, este nivel sólo es válido para vehículos ligeros de un solo pasajero.

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