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a mayor parte de las emisiones de CO2
que provocan el efecto invernadero proviene
del tráfico motorizado de carretera. La con-
trapartida es que este tipo de tráfico es más
flexible que el ferrocarril, el medio más elec-
trificado actualmente, lo que significa que las
zonas de nuevo establecimiento, industrial y
de vivienda, pueden ser servidas sin necesi-
dad de una red ferroviaria.
La compatibilidad con el medio
ambiente es cada vez más
importante
De manera imparable se reducen los valo-
res límites de la carga contaminante provo-
cada por las emisiones de los vehículos pri-
vados. Las autoridades del estado nortea-
mericano de California, por ejemplo, exigen
que a partir del año 2003 el 10 % de los ve-
hículos suministrados tengan un nivel nulo
de emisiones.
En la actualidad, la mayor parte de los ca-
miones y autobuses están equipados con
accionamientos diesel. Recientemente se ha
planteado la exigencia de que los vehículos
pesados tengan menor carga contaminante
sobre el medio ambiente. El concepto de
compatibilidad ecológica no sólo significa
menor contaminación del aire, es decir, tener
menores emisiones de óxidos de nitrógeno,
de hidrocarburos y de sustancias en suspen-
sión; también significa seleccionar adecua-
damente los materiales y tener en cuenta las
posibilidades de reciclado después del uso,
sin olvidar el problema de los ruidos.
Hasta ahora, los accionamientos eléctri-
cos compatibles con el medio ambiente no
han conseguido imponerse debido a la falta
de baterías recargables adecuadas. Para
conseguir un radio de acción aceptable sin
necesidad de frecuentes recargas, hay que
usar baterías de un tamaño que las hace
poco prácticas, pues ocupan una gran parte
del espacio destinado a la carga.
Una solución realista:
los vehículos con propulsor híbrido
Hoy por hoy, la única solución realista para
este problema es el propulsor híbrido, es
decir, un motor con batería y con máquina
de combustión interna. Los vehículos híbri-
dos hacen posible una transporte de mer-
cancías silencioso y limpio, y aumentan el
atractivo del transporte público. Esto es váli-
do tanto para las aglomeraciones urbanas
europeas, con calzadas a menudo estre-
chas y con núcleos urbanos llenos de activi-
dad, como para los paisajes urbanos de
América, con sus barrios periféricos en ver-
tiginoso crecimiento y centros urbanos va-
cíos por la noche.
Los dos vehículos experimentales que
presentamos en este artículo, el camión hí-
brido Volvo ECT (Environmental Concept
Truck) y el autobús híbrido Volvo ECB (Envi-
ronmental Concept Bus), han sido construi-
dos especialmente para funcionar en zonas
urbanas .
Objetivos de desarrollo y premisas
del diseño constructivo
Aunque en el desarrollo de los modernos ca-
miones y autobuses se concede una gran
importancia a la exigencia de compatibilidad
medioambiental, al mismo tiempo se desea
conservar la flexibilidad propia del tráfico por
carretera.
En régimen de funcionamiento puro con
batería, es decir, con la turbina a gas desco-
nectada, el grupo propulsor híbrido permite
circular durante determinado tiempo sin emi-
tir gases de escape. En esta caso se exigió
un radio de acción mínimo de 25 km para el
camión híbrido y de 5 km para el autobús.
De los vehículos híbridos se exige un
comportamiento de marcha tan bueno como
el de cualquier otro vehículo de carretera; es
decir, un autobús híbrido ha de prestar apro-
ximadamente los mismos servicios que un
autobús público urbano. Ambos vehículos
experimentales han sido diseñados para que
alcancen una velocidad de 100 km/h en hori-
zontal y 80 km/h en rampa del 2 %. Para ello
se precisa una potencia de propulsión per-
manente de 100 kW y una potencia máxima
de 150 kW; esta, aunque por breve tiempo,
también ha de estar disponible en régimen
de propulsión sólo eléctrica.
1
A C C I O N A M I E N T O H Í B R I D O
Peter Chudi
Anders Malmquist
ABB Hybrid Systems AB
L
Propulsor híbridocon bajo nivel decontaminantes paracamiones y auto-buses modernosConjuntamente con la empresa Volvo, ABB ha desarrollado un propulsor híbri-
do de alta eficacia, formado por una turbina a gas con generador y batería,
que cumple los más estrictos requisitos de conservación de la pureza del
aire. El nuevo motor, concebido especialmente para camiones y autobuses
destinados al tráfico urbano, ya ha sido instalado en dos vehículos experi-
mentales, con los que se obtendrá la experiencia necesaria para su futura
aplicación comercial.
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Grupo propulsor híbrido y bloque
de máquinas HSG
En el terreno de los grupos propulsores hí-
bridos hay que distinguir entre la disposi-
ción en paralelo y la disposición en serie.
En el primer caso es posible conmutar
entre el motor eléctrico y el de combustión
interna; por el contrario, en la configuración
en serie la propulsión viene siempre del
motor eléctrico. La función del motor de
combustión interna es mantener la batería
en estado cargado.
Los dos vehículos experimentales con bajo nivel de sustancias contaminantes con propulsor híbrido, el camión (a) y elautobús (b), son especialmente adecuados para el tráfico en zonas urbanas. Están equipados con propulsores híbridosdispuestos en serie que comprenden tres baterías, una turbina a gas con generador de alta velocidad en línea y unaccionamiento eléctrico trasero. El propulsor híbrido reduce las emisiones de sustancias contaminantes y permite durantecierto tiempo el funcionamiento con batería con ausencia total de gases de escape.
1
Estop EstopMain controlunit ( MCU )
Modeselector
Ignitionkey
‘Gear switch’
Acc.pedal
Brakepedal
Vehicle management unit ( VMU ) Motor controller ( MPS )
Over-voltage
protection( OVP )
Main-charger
G
HSG module
Gas turbine
Box Y1
Box Y2
DC/DCconverter
Auxiliarypowersupply
BatteryBatteryBatteryBattery
managementsystem (BMS)
Auxiliarysystems
GT starterinverter
Rectifier
Inverter S7
Inverter S7
Inverter S7
M/41 motor
Transmissionand axle
CAB
Esquema del sistema de accionamiento y regulación de los vehículos experimentales 2
a b
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Los vehículos experimentales, desarrolla-
dos por Volvo Aero Turbines y por ABB
Hybrid Systems AB, tienen grupos propulso-
res con disposición en serie , .
El grupo propulsor de los vehículos expe-
rimentales contiene un agregado HSG (High
Speed Generation), formado por una turbina
a gas y un generador de alta velocidad .
Las baterías son la segunda fuente de ener-
gía. El desarrollo y la construcción del grupo
propulsor están basados en los ensayos y
en la experiencia de fabricación del Volvo
ECC, un automóvil de turismo experimental
con propulsión por turbina a gas que fue
presentado al público en 1992 con ocasión
del Salón del Automóvil de París [1].
Puesto que en el interior del vehículo la
energía se transmite eléctricamente, se tiene
gran libertad para instalar los distintos com-
ponentes. El grupo propulsor híbrido contie-
3
21
ne una sola pieza móvil, el eje principal con
la rueda de turbina, el rotor del compresor y
el inducido del generador.
Etanol, combustible ecológico
para la turbina
La turbina a gas del grupo propulsor HSG
está formada por la turbina propiamente
dicha, el compresor, la cámara de combus-
tión y el intercambiador de calor, que utiliza
el calor de los gases de escape y actúa a la
vez como silenciador.
En principio, la turbina a gas puede fun-
cionar con cualquier combustible líquido o
gaseoso. Para los vehículos experimentales
se ha elegido el etanol (alcohol etílico) fabri-
cado a partir de plantas, es decir, a partir de
materias primas renovables disponibles en
muchos países en grandes cantidades. Al
contrario de lo que sucede con los combus-
tibles fósiles, el etanol es ecológicamente
neutro en cuanto a las emisiones de CO2; no
refuerza, por tanto, el efecto invernadero.
Además, las emisiones de NOX son una dé-
cima parte de las de los motores diesel mo-
dernos y las de sustancias en suspensión
tienen también un valor bajo (Tabla 1).
Regulación de velocidad y potencia
de la turbina a gas
La velocidad de la turbina puede variar entre
50 000 y 70 000 rpm, lo que corresponde a
una potencia de generador de 30 a 110 kW.
El ordenador del vehículo registra la de-
manda instantánea de potencia, que depen-
de de la situación del tráfico y del tempera-
mento del conductor y está por tanto some-
tida a grandes fluctuaciones, sobre todo en
el tráfico urbano. La demanda media de po-
tencia Pmed del motor es la integral de la de-
manda de potencia instantánea Pmom en
función del tiempo:
El valor de consigna Pref definitivo de la po-
tencia de la turbina a gas equivale por tanto
a la suma de la potencia media Pmed y de
una componente Pb que contribuye a re-
cargar las baterías. Esta componente au-
menta cuando las baterías tiene un bajo es-
tado de carga.
Actualmente no es posible controlar di-
rectamente la potencia de la turbina. Por
esta razón se ha transformado el valor de
consigna de la potencia Pref en un valor de
consigna Umref para la tensión del circuito
eléctrico intermedio, la cual corresponde a
una determinada velocidad de rotación del
eje turbina-generador. Puesto que la relación
entre velocidad de rotación y potencia de la
turbina está determinada unívocamente para
una temperatura dada de combustión, se
hace posible regular la potencia de salida del
generador.
Actualmente, la regulación de la poten-
cia no incluye retroacción. La experiencia
de que disponemos permite renunciar a
ella, ya que el sistema es «tolerante» en
este sentido. La batería compensa las dis-
crepancias entre la producción y el consu-
mo: un exceso de producción hace que las
Tabla 1: Datos técnicos de los dos vehículos híbridos de 15 t
Camión Autobús
Grupo propulsor HSGPotencia kW 110 110Rendimiento a plena carga % 32 32Emisiones de sustancias contaminantes
NOx g/kWh 0,5 0,5Sustancias en suspensión g/kWh 0,05 0,05
Baterías NIHMAcumulación de energía (valor nominal) kWh 72 45Tensión nominal en corriente continua V 400 250Capacidad nominal Ah 3×60 3×60
Accionamiento eléctrico en eje posteriorPotencia permanente kW 94 94Potencia máxima kW 142 142Par máximo Nm 2850 2850Rendimiento a plena carga % 85 85
Rendimiento global a plena carga % 27 27
Vehículo completoVelocidad máxima en rampa de 2 % km/h 80 80Trayecto en régimen sin gases de escape km 25 >5
Masas (valores aproximados)Grupo propulsor HSG (turbina y generador) kg 400 400Motor eléctrico kg 100 100Electrónica de potencia y servoaccionamientos kg 500 500Baterías kg 1800 1100Cables kg 100 100Instalación refrigeradora kg 200 200
Masa total kg 3100 2400
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P
med=
1T
Pmom
dt∫
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baterías se carguen más rápidamente y que
la turbina se desconecte en el momento en
que las baterías están cargadas; una pro-
ducción demasiado baja, que llevaría a una
descarga lenta de las baterías, queda com-
pensada por el valor de consigna progresi-
vo de la tensión.
Generador de alta velocidad para
70 000 rpm
El generador de alta velocidad es una má-
quina síncrona trifásica con excitación por
imán permanente, con arrollamiento anular
dispuesto en el entrehierro. Las solicitacio-
nes perimetrales, magnéticas, eléctricas y
mecánicas, son muy altas debido a la eleva-
da velocidad. Este hecho se ha tenido en
cuenta en el diseño constructivo a la hora de
seleccionar los materiales.
El generador puede alcanzar una veloci-
dad de rotación de 70 000 rpm, punto en el
que alcanza su potencia máxima de 110 kW.
El inducido de alta velocidad dispone de
un imán permanente cilíndrico bipolar, con
magnetización diametral, encajado en acero
austenítico de alta resistencia. El imán está
hecho con una aleación de neodimio-hierrro-
boro (NdFeB) con un contenido específico
de energía de 310 kJ/m3. El imán cilíndrico y
el circuito magnético permiten conseguir un
punto de trabajo cercano al contenido ener-
gético máximo. Puesto que el compresor y
la turbina están montados sobre el mismo
eje, el encapsulamiento del imán permanen-
te actúa en beneficio de la rigidez del rotor.
El rotor de alta velocidad ha sido fabrica-
do por ABB en instalaciones especiales,
bajo alta presión. La velocidad periférica del
rotor llega a unos 230 m/s.
El estator de alta frecuencia dispone de
un arrollamiento trifásico anular formado por
conductores de 3780 hilos aislados y retorci-
dos. El paquete de chapas estatórico, cons-
tituido por chapas magnéticas estampadas
de 0,2 mm de espesor, tiene unas pérdidas
por histéresis especialmente bajas, gracias a
que ha sido sometido a un tratamiento tér-
mico especial. El estator arrollado ha sido
impregnado con una resina epoxídica en una
instalación especial, con adición en vacío de
nitruro de boro, sustancia que incrementa la
resistencia mecánica y la conductibilidad tér-
mica. El estator está refrigerado por agua.
El haber prescindido de las chapas esta-
tóricas finales hace que se tengan pocas
pérdidas, de excitación en el rotor y del hie-
rro en el estator, con lo que el generador
llega a un rendimiento medio de cerca del
96 %. La elevada frecuencia de 1170 Hz
causa pérdidas adicionales en el estator,
pero se disipan con facilidad. Las armónicas
en el inducido quedan limitadas por efecto
de un filtro.
La tensión de salida del generador es
directamente proporcional a la velocidad. A
70 000 rpm, la tensión entre fases es de
450 V.
Durante la puesta en marcha de la turbi-
na a gas, el generador funciona como
motor de arranque, alimentado con una
tensión alterna cuya frecuencia y amplitud
aumentan hasta que la turbina puede em-
pezar a acelerarse por si misma. El mo-
mento de giro M del generador resulta de
la relación siguiente:
M = ∫ m × B dV
La integral de volumen se calcula extendida
a todo el volumen V del arrollamiento; el mo-
mento magnético m sólo está limitado por la
capacidad de refrigeración. La densidad de
flujo magnético B es resultado de la potencia
magnética constante que se desarrolla en el
imán permanente.
Batería de níquel e hidruro metálico,
compatible con el medio ambiente
Los vehículos experimentales están equipa-
dos con modernas baterías de níquel e hi-
druro metálico (NiHM), desarrolladas por la
empresa Varta Batterie AG. La batería NiHM
tiene la mitad de tamaño que una batería
usual de plomo y su compatibilidad me-
dioambiental es considerablemente mejor
que la de las baterías de plomo y NiCd, in-
cluidas las posibilidades de reciclado.
Puesto que aún no existen baterías con
suficiente capacidad para vehículos pesados
de carretera, es necesario conectar tres ba-
terías en paralelo, lo que al mismo tiempo
proporciona cierta redundancia. En principio,
el tamaño de las baterías depende de la dis-
tancia de desplazamiento sin emisiones que
se exige del vehículo; si se reducen las exi-
gencias puede emplearse baterías más pe-
queñas y ligeras.
En régimen de funcionamiento híbrido, el
grupo HSG recarga las baterías con relativa
rapidez, del 20 al 80 % en 20 minutos. Tam-
bién es posible recargarlas desde la red pú-
blica.
Transmisión de la fuerza
y motor eléctrico
Puesto que la fuerza se transite eléctrica-
mente y el motor eléctrico actúa directa-
Propulsor HSG para vehículos híbridos,que incluye una turbina a gas con generador de alta velocidad en línea.Se utiliza etanol como combustible.
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mente sobre el eje trasero, no se nece-
sita ni caja de cambios ni árbol cardán.
Muchos de los componentes pueden
ser colocados libremente, por ejemplo en
el techo, como se hace en el autobús
híbrido.
Al frenar, el motor eléctrico que mueve el
eje trasero actúa como generador. La ener-
gía de frenado, por tanto, no se disipa en
forma de calor sino que realimenta la bate-
ría, obteniéndose al mismo tiempo un frena-
do suave que prolonga la vida útil de los fo-
rros de frenos.
Estando el freno por motor conectado,
al accionar el pedal de freno se produce en
primer lugar un frenado eléctrico; los frenos
normales sólo actúan si la pedalada es bas-
tante fuerte. El motor de accionamiento
puede frenar y acelerar con la misma fuer-
za. Sólo se pierde una pequeña parte de la
energía durante la carga y descarga de la
batería.
Carrocería con accesorios
modernos
Gracias a la transmisión eléctrica de la fuer-
za, la cabina del conductor está situada sólo
a 60 cm del suelo. De este modo, el conduc-
tor conserva el contacto visual con todos los
implicados en el tráfico, como son los peato-
nes, ciclistas y conductores de automóviles
de turismo.
El autobús tiene los componentes de la
transmisión de energía en el techo. Para un
número de plazas constante de 24 a 33 pla-
zas de asiento, el vehículo es 1,5 m más
corto que los autobuses diesel usuales.
La instrumentación está formada por una
unidad principal situada en el centro del ta-
blero de a bordo y por dos unidades secun-
darias dispuestas a uno y otro lado de la co-
lumna de dirección y solidarios con ella .
Puesto que estas unidades siguen el movi-
miento de la columna de dirección, conser-
van en todo momento la distancia correcta
respecto del conductor.
Los faros están equipados con lámparas
de descarga de gas, completadas con lám-
paras UV especiales, que en la oscuridad
proporcionan una visibilidad doble que las
lámparas normales de incandescencia. Los
intermitentes, las luces de posición, de mar-
cha atrás y de frenado disponen de diodos
luminosos que se encienden con mucha
mayor rapidez que las lámparas de incan-
descencia. Así, manteniendo una distancia
suficiente de seguridad, el vehículo que
sigue dispone de una distancia de reacción
unos 5 m más larga en caso de frenazo
brusco.
Los vehículos experimentales
en funcionamiento
Los vehículos híbridos tienen muchos as-
pectos desacostumbrados. En lugar de
usar una llave de contacto, el conductor in-
troduce su tarjeta magnética personal en
un lector de tarjetas . Se enciende un
símbolo rojo en forma de camión para indi-
car que ha comenzado el proceso de
arranque. Tras la conexión de la batería
tiene lugar un control rápido de funciona-
miento de los componentes del sistema.
Una vez elevada la tensión de la batería
hasta 600 V, el sistema conecta sus ins-
talaciones auxiliares. Unos segundos des-
5
4
El tablero de instrumentos está formado por un cuadro principal y dos unidadessecundarias montadas a ambos lados de la columna de dirección.Así, los instrumentos de control siguen la regulación de posición del volantey están siempre a la misma distancia del conductor.
4
Tarjeta magnética personal devehículo y de conductor en la unidadlectora antes de arrancar el camiónhíbrido. Las tarjetas mecánicassustituyen las llaves de contacto.
5 El tablero de instrumentos permite,entre otras cosas, leer la temperaturaexterior, el régimen de marcha(con batería o híbrido) y el consumode combustible.
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Flujo de energía en el camión experimental,en régimen híbrido de marcha
a Sin carga de bateríab Con carga de batería
7
Flujo de energía en el camión híbrido, en plenaaceleración
8
Flujo de energía en el camión híbrido en régimeneléctrico puro
a Régimen eléctrico puro (sin gases de escape)b FrenadoOVP Protección contra las sobretensiones
9
7a
8
9a 9b
7b
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pués, el símbolo del camión cambia de
color mostrando que el camión híbrido
está listo para empezar a rodar.
El conductor suelta el freno de mano, co-
loca la palanca de selección en la posición D
(Drive), acciona el «acelerador» y acelera si-
lenciosamente. Hasta ese momento no se
ha puesto en marcha la turbina. Junto a la
palanca de selección se encuentra un con-
mutador de régimen de marcha. En caso de
marcha híbrida, la turbina se conecta auto-
máticamente durante la marcha. El sonido
es un rumor suave, independiente de la velo-
cidad de desplazamiento.
En el tablero de a bordo, el conductor
puede leer el consumo de corriente, el esta-
do de carga de la batería, el consumo de
combustible y el radio de acción restante .
En general, el conductor sólo tiene que
accionar unos pocos interruptores y hacer
un par de movimientos manuales; esto le
permite concentrarse en el tráfico contribu-
yendo así a la seguridad del mismo.
Dos modos distintos de marcha: con
batería o en régimen híbrido
El vehículo híbrido de serie está impulsado
siempre eléctricamente, tanto en régimen de
marcha con batería como en régimen híbrido.
6
En régimen híbrido, el vehículo está ac-
cionado por el motor eléctrico del agregado
HSG. En caso de baja toma de energía se
dispone de un excedente que se acumula en
la batería . Si el accionamiento tiene una
gran demanda, la batería aporta la energía
suplementaria . Juntos, el agregado HSG
y la batería proporcionan una potencia máxi-
ma de 142 kW.
El conductor puede elegir entre la marcha
automática, es decir, con conexión y desco-
nexión de la turbina en función del nivel de
carga de la batería, y el funcionamiento con-
tinuo con turbina. En este segundo caso,
cuando la batería está totalmente cargada la
turbina funciona en vacío cuando.
En aquellas zonas en que está expresa-
mente prohibida la emisión de sustancias
nocivas, el vehículo funciona impulsado sólo
por batería. En este caso, el camión híbrido
tiene un radio de acción de unos 25 km.
Esta distancia, en principio, sólo está limita-
da por la capacidad de las baterías, que en
todo caso se recargan algo durante el frena-
do, ya que en ese momento el motor de pro-
pulsión funciona como generador .
Perspectivas
La propulsión híbrida ayuda a reducir la
9
8
7
carga del creciente tráfico viario sobre el
medio ambiente . Los dos vehículos ex-
perimentales han permitido poner a prueba
toda una serie de novedades, como la sus-
pensión elástica activa, la dirección asistida
que actúa sobre todas las ruedas y una téc-
nica innovadora de alumbrado. Algunas de
estas novedades sólo se encuentran hoy en
día en descapotables deportivos muy espe-
ciales o en vehículos experimentales. Un
efecto secundario del proyecto ha sido mos-
trar las posibilidades que la industria puede
ofrecer al mercado actual de transportes.
El desarrollo de vehículos híbridos no ha
sido un proyecto comercial, ha sido sólo una
etapa hacia la madurez para la fabricación en
serie. Lo que se buscaba, sobre todo, era
conseguir conocimientos y experiencias para
fabricar en el futuro vehículos compatibles
con el medio ambiente sin perder capacidad
para enfrentarse a la competencia. Las solu-
ciones que se apliquen en el futuro depende-
rán, por supuesto, de las necesidades espe-
cíficas del mercado y de las normativas lega-
les. En cualquier caso, el grupo propulsor
HSG tiene, en todos los sentidos, un gran po-
tencial de desarrollo para una sociedad cada
vez más consciente del medio ambiente.
Bibliografía
[1] Chudi, P.; Malmquist, A.: Accionamiento
híbrido para automóviles. Técnica ABB 9/93,
3–12.
[2] Chudi, P.; Malmquist, A.: Experiences
from a high speed system for hybrid vehi-
cles. Paper SPT IS03-3, Power Tech Confe-
rence, Estocolmo 1995.
Dirección de los autores
Peter Chudi
Anders Malmquist
ABB Hybrid Systems AB
S-72167 Västerås, Suecia
Telefax: +46 (0) 21 340 191
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El camión experimental es especialmente adecuado para el tráfico urbano.Su accionamiento eléctrico le permite recorrer cerca de 25 km sin emitir gas deescape alguno.
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