Estudio Del Funcionamiento Del Sistema Hibrido Ths-2

i

ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO EXTENSIÓN – LATACUNGA

DIPLOMADO SUPERIOR EN AUTOTRÓNICA

TEMA:

“ESTUDIO DEL FUNCIONAMIENTO DEL

SISTEMA HÍBRIDO THS-II”

AUTORES:

ING. ELECTRÓNICO MARCOS DÁVILA CARRERA.

ING. MEC. AUTOMOTRIZ JÓNATAN POZO PALACIOS.

Latacunga, julio del 2011

ii

DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD

Latacunga, julio 21 del 2011

Nosotros, Marcos Santiago Dávila Carrera y Jónatan Antonio Pozo Palacios,

declaramos que:

El proyecto de grado denominado: “ESTUDIO DEL FUNCIONAMIENTO

DEL SISTEMA HÍBRIDO THS-II” ha sido desarrollado con base a una

investigación exhaustiva, respetando derechos intelectuales de terceros, cuyas

fuentes se incorporan en la bibliografía. Consecuentemente este trabajo es de

nuestra autoría.

En virtud de esta declaración, nos responsabilizamos del contenido, veracidad y

alcance científico del proyecto del Diplomado en mención.

--------------------------------- -------------------------------

Ing. Marcos Dávila Carrera Ing. Jónatan Pozo Palacios

iii

CERTIFICACIÓN


Se certifica que el presente trabajo titulado: “ESTUDIO DEL

FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA HÍBRIDO THS-II” fue desarrollado

por Marcos Santiago Dávila Carrera y Jónatan Antonio Pozo Palacios, bajo mi

supervisión, cumpliendo con normas estatutarias establecidas por la ESPE en el

Reglamento de Estudiantes de la Escuela Politécnica del Ejército.

---------------------------------

Ing. Esteban López Espinel.

DIRECTOR DE TESIS

iv

AUTORIZACIÓN


Nosotros, Jónatan Antonio Pozo Palacios y Marcos Santiago Dávila Carrera, autorizamos a la Escuela Politécnica del Ejército, la publicación en la biblioteca virtual de la Institución, el presente trabajo titulado: “ESTUDIO DEL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA HÍBRIDO THS-II”, cuyo contenido, ideas y criterios son de nuestra exclusiva responsabilidad y autoría.

--------------------------------- -------------------------------

Ing. Marcos Dávila Carrera Ing. Jónatan Pozo Palacios

v

DEDICATORIA

Este trabajo se lo dedico a Dios, por permitir todas las circunstancias

que confluyeron en la consecución de esta tesis.

A mis padres, abula y tía por todo su apoyo incondicional en mí

crecimiento académico y profesional.

De manera muy especial a Verito Mena, por haber sido una parte muy

importante en mi vida, y en el transcurso del desarrollo de este

postgrado. Por haber inspirado un cambio en mi vida.

Ing. Marcos Dávila Carrera.

vi

DEDICATORIA

Este trabajo lo dedico a mis padres que han sabido ayudarme y guiarme

a lo largo de toda mi vida. De igual manera a todas las personas que de

una u otra forma me han ayudado a culminar con éxito este diplomado.

Ing. Jónatan Pozo Palacios

vii

AGRADECIMIENTO

Al Ing. Esteban López quien como nuestro director contribuyo con su guía,

supervisión, consejo y consecución de esta tesis.

Al Ing. Euro Mena e Ing. Cesar Naranjo por motivar la realización de esta tesis y

ser un apoyo en el desarrollo de la misma.

A nuestros compañeros de postgrado, quienes a pesar de los problemas suscitados

en el desarrollo de este demostraron compañerismos, lealtad y apoyo.

Manteniendo las fuerzas intactas como en un inicio tras el sueño de la

culminación de este reto académico.

“No solo no hubiéramos sido nada sin ustedes sino con toda la gente que

estuvo a nuestro alrededor desde el comienzo, algunos siguen hasta hoy!

Gracias totales!!..”

G Cerati.

Ing. Marcos Dávila C.

Ing. Jónatan Pozo P.

viii

ÍNDICE DE CONTENIDOS

DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD ................................................... ii

CERTIFICACIÓN ............................................................................................ iii

AUTORIZACIÓN ............................................................................................. iv

DEDICATORIA ................................................................................................ v

AGRADECIMIENTO ....................................................................................... vii

ÍNDICE DE CONTENIDOS ............................................................................. viii

LISTADO DE FIGURAS .................................................................................. xi

LISTADO DE TABLAS .................................................................................... xv

LISTADO DE ANEXOS ................................................................................... xv

RESUMEN ......................................................................................................... xvi

ABSTRACT ....................................................................................................... xviii

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN

1.1 El problema de investigación ......................................................................... 1

1.1.1 Planteamiento del problema ................................................................... 1

1.1.2 Formulación del problema ..................................................................... 2

1.2 Objetivos ........................................................................................................ 3

1.2.1 Objetivo General .................................................................................... 3

1.2.2 Objetivos específicos ............................................................................. 3

1.3 Justificación..................................................................................................... 3

1.4 Hipótesis .......................................................................................................... 4

1.5 Variables de investigación .............................................................................. 4

1.5.1Variable independiente ........................................................................... 4

1.5.2 Variable dependiente .............................................................................. 4

1.6 Alcance ............................................................................................................ 5

1.7 Organización del trabajo de tesis .................................................................... 5

ix

CAPÍTULO 2: VEHÍCULOS HÍBRIDOS

2.1 Contaminación y tecnología híbrida ......................................................... 7

2.2 Definición de sistema híbrido ................................................................... 9

2.3 Tipos de sistemas híbridos ........................................................................ 9

2.3.1 Sistema híbrido en serie .................................................................. 9

2.3.2 Sistema híbrido paralelo .................................................................. 10

2.3.3 Sistema híbrido serie/paralelo ......................................................... 11

CAPÍTULO 3: SISTEMA HÍBRIDO THS-II

3.1 Idea y visión del sistema THS-II ............................................................... 13

3.2 Operación básica del sistema THS-II ........................................................ 16

3.3 Disposición de componentes del sistema THS-II en el vehículo. ............. 19

3.4 Transmisión híbrida .................................................................................. 20

3.4.1 Mecanismo repartidor de potencia "Power Split Device PSD". ..... 20

3.4.2 Amortiguador de vibraciones. ......................................................... 21

3.4.3 Transmisión del movimiento a las ruedas. ...................................... 22

3.4.4 Especificaciones técnicas del transeje P-112. ................................. 23

3.5 Condiciones de manejo y gráficas nomográficas ...................................... 23

3.5.1 Ready - Sistema híbrido listo (A) ................................................... 25

3.5.2 Partida del vehículo – (B) ............................................................... 27

3.5.3 Durante aceleración ligera con el motor de combustión interna (C) ....... 30

3.5.4 Durante Crucero con baja carga (D) ............................................... 31

3.5.5 Durante aceleración a fondo (E) ..................................................... 32

3.5.6 Durante desaceleración (F) ............................................................. 33

3.5.7 Durante conducción en reversa (G) ................................................. 35

3.6 Componentes principales del sistema ....................................................... 38

3.7 Descripción de los componentes principales del sistema ......................... 41

3.7.1 MG1 y MG2 .................................................................................... 41

3.7.2 Conjunto del inversor ...................................................................... 48

x

3.7.2.1 Diagrama de bloques del conjunto inversor. ....................... 49

3.7.2.2 Convertidor / elevador de tensión. ...................................... 54

3.7.2.3 Convertidor DC / DC. ......................................................... 59

3.7.2.4 Inversor del A/C. ................................................................. 60

3.7.3 Sistema de enfriamiento para el inversor, MG1 y MG2 ................. 61

3.7.4 Batería HV ...................................................................................... 63

3.7.5 Sensor de la posición del pedal del acelerador ................................ 68

3.7.6 Cable de alimentación ..................................................................... 68

3.7.7 Batería Auxiliar ............................................................................... 69

3.8 Gestión electrónica de las diferentes unidades de control del sistema THS-II. ... 70

3.8.1 Unidades de control principales. ..................................................... 70

3.8.2 Diagrama de los diferentes sensores y unidades de control del

Sistema THS-II ............................................................................... 74

3.8.3 Gestión electrónica de la ECU HV ................................................. 75

3.8.3.1 Generalidades. ..................................................................... 75

3.8.3.2 La alimentación está conectada ........................................... 82

3.8.3.3 La alimentación está desconectada ..................................... 83

3.8.4 Gestión electrónica de la ECU del motor de combustión interna ... 83

3.8.5 Control de la unidad inversora ........................................................ 84

3.8.6 Control de la ECU de Antideslizamiento ........................................ 85

3.8.7 Control de la ECU de la batería ...................................................... 87

3.8.7.1 Control de monitorización de la condición de la batería HV ...... 88

3.8.7.2 Control del ventilador de enfriamiento ............................... 89

3.8.8 Control durante colisión .................................................................. 90

3.8.9 Control de modo de conducción ..................................................... 91

3.8.10 Indicador y luz de aviso de fallas .................................................. 93

CAPÍTULO 4: CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

4.1 Conclusiones ............................................................................................ 96

4.2 Recomendaciones ...................................................................................... 99

xi

4.3 Trabajos futuros ....................................................................................... 100

4.4 Bibliografía y páginas web consultadas ………………………………... 102

LISTADO DE FIGURAS

Fig. 2.1 Contaminación automotriz por motores de combustión interna. ........ 7

Fig. 2.2 Sistema híbrido en serie. ..................................................................... 10

Fig. 2.3 Vehículo con sistema híbrido Serie. ................................................... 10

Fig. 2.4 Sistema híbrido en paralelo. ............................................................... 11

Fig. 2.5 Vehículo con sistema híbrido paralelo. .............................................. 11

Fig. 2.6 Sistema híbrido serie/paralelo (Toyota Prius THS). ........................... 12

Fig. 3.1 Sistema THS del Toyota Prius 1997. ................................................. 13

Fig. 3.2 Toyota Prius de segunda generación. ................................................ 14

Fig. 3.3 Sistema THS-II del Toyota Prius. ...................................................... 15

Fig. 3.4 Modo 1 de funcionamiento. ................................................................ 16




Fig. 3.8 Disposición de componentes del sistema híbrido THS-II en el

vehículo Toyota Prius. ....................................................................... 19

Fig. 3.9 Mecanismo repartidor de potencia (Power Split Device PSD). ......... 21

Fig. 3.10 Amortiguador de vibraciones del transeje híbrido. ......................... 21

Fig. 3.11 Transeje híbrido. ............................................................................... 22

Fig. 3.12 Tren de engranajes epicicloidales, cadena y engranajes montados

en eltransejeP-112 (se muestra el número de dientes de los

engranajes). ............................................................................................... 22

Fig. 3.13 Condiciones de manejo del sistema THS-II. .................................... 24

Fig. 3.14 Gráficas nomográficas de MG1, MG2 y MCI. ................................. 25

Fig. 3.15 Gráfica nomográfica: puesta en marcha del MCI con MG1. ........... 26

Fig. 3.16 Gráfica nomográfica: MCI en marcha, MG1 cargando batería HV. ......... 27

Fig. 3.17 Gráfica nomográfica: Partida del vehículo con MG2 desde una

xii

velocidad inicial igual a cero. .............................................................. 28

Fig. 3.18 Gráfica nomográfica: Encendido de MCI con vehículo en

movimiento. ...................................................................................... 29

Fig. 3.19 Gráfica nomográfica: MCI y MG2 encendidos, MG1 carga la batería

HV. ................................................................................................... 30

Fig. 3.20 Gráfica nomográfica: aceleración ligera con MG2 asistido por el

MC1 .................................................................................................. 31

Fig. 3.21 Gráfica nomográfica: crucero con baja carga. .................................. 32

Fig. 3.22 Gráfica nomográfica: aceleración a fondo. ....................................... 33

Fig. 3.23 Gráfica nomográfica: desaceleración con selector de marchas

en "D". .............................................................................................. 34

Fig. 3.24 Gráfica nomográfica: desaceleración con selector de marchas

en "B". ............................................................................................. 35

Fig. 3.25 Gráfica nomográfica: conducción en reversa con MG2. .................. 36

Fig. 3.26 Gráfica nomográfica: conducción en reversa, encendido

del MCI. ........................................................................................... 37

Fig. 3.27 Gráfica nomográfica: conducción en reversa, MCI encendido

y MG1 cargando batería HV. .......................................................... 38

Fig. 3.28 Componentes de MG1 y MG2.......................................................... 42

Fig. 3.29 Rotor y estator de MG2. ................................................................... 42

Fig. 3.30 Funcionamiento de MG1 y MG2. .................................................... 44

Fig. 3.31 Formas de onda de la corriente alterna trifásica. .............................. 45

Fig. 3.32 Formas de onda de los moto/generadores cuando funcionan

en modo generador. .......................................................................... 45


en modo motor ................................................................................. 46

Fig. 3.34 Sensor de velocidad. ......................................................................... 47

Fig. 3.35 Diagrama de bloques del conjunto del inversor. .............................. 49

Fig. 3.36 Vista general del conjunto del inversor del Toyota Prius 2004. ....... 51

Fig. 3.37 Disposición de los componentes del conjunto del inversor del

Toyota Prius2004. ............................................................................ 52

xiii

Fig. 3.38 Descripción de los componentes del conjunto del inversor del

Toyota Prius2004 sin la tapa superior de protección. ...................... 53

Fig. 3.39 Módulo de potencia de 18 pack que conforman el inversor del

Prius 2004. ....................................................................................... 53

Fig. 3.40 Primer plano de un IGBT y diodo de protección del inversor

del Prius2004. ................................................................................... 54

Fig. 3.41 Esquema general del circuito convertidor / elevador de tensión del

Toyota Prius. .................................................................................... 55

Fig. 3.42 Módulo de poder integrado – IPM. .................................................. 56

Fig. 3.43 Transformador del módulo integrado de poder (Reactor). ............... 56

Fig. 3.44 Circuito del convertidor de tensión cuando el IGBT 2 se

encuentra activo. .............................................................................. 54

Fig. 3.45 Circuito del convertidor de tensión cuando se desactiva el IGBT 2. ........ 57

Fig. 3.46 Circuito del convertidor de tensión cuando el IGBT 2 se encuentra

activo en un segundo ciclo. .............................................................. 58

Fig. 3.47 Circuito del convertidor de tensión cuando se carga la batería HV. ......... 58

Fig. 3.48 Circuito del convertidor DC/DC. ..................................................... 59

Fig. 3.49 Diagrama de bloques del convertidor DC / DC. ............................... 60

Fig. 3.50 Circuito del inversor del A/C. .......................................................... 60

Fig. 3.51 Imagen del circuito inversor que controla el compresor del A/C

y el circuito del convertidor DC/DC. ............................................... 61

Fig. 3.52 Sistema de enfriamiento del inversor, MG1 y MG2. ....................... 62

Fig. 3.53 Ubicación de la batería HV en el vehículo. ...................................... 63

Fig. 3.54 Caja de señales junto a la batería HV. .............................................. 63

Fig. 3.55 Disposición de los componentes principales de la batería HV. ........ 64

Fig. 3.56 Ubicación de la clavija de servicio (Service Plug). .......................... 65

Fig. 3.57 Instalación de la clavija de servicio. ................................................. 66

Fig. 3.58 Sistema de enfriamiento de la batería HV. ....................................... 67

Fig. 3.59 Sensor de posición del pedal del acelerador, esquema eléctrico

de conexión con la ECU HV y diagrama voltaje - posición

del pedal ........................................................................................... 68

xiv

Fig. 3.60 Disposición del cable de alimentación en el vehículo. ..................... 69

Fig. 3.61 Disposición de la batería auxiliar en el vehículo. ............................. 70

Fig. 3.62 Gráfica de los diferentes sensores y unidades de control del

sistema THS–II. ............................................................................... 75

Fig. 3.63 Diagrama de bloques para el control del flujo de fuerzas motrices.. 76

Fig. 3.64 Diagrama de control electrónico de la ECU HV. ............................. 77

Fig. 3.65 Velocidad de rotación de las ruedas motrices al arrancar y por

carreteras nevadas. ........................................................................... 80

Fig. 3.66 Gráfica nomográfica: perdida de tracción en una superficie

deslizante .......................................................................................... 81

Fig. 3.67 Sistema de relés principales (SMR).................................................. 82

Fig. 3.68 Activación del circuito SMR. ........................................................... 82

Fig. 3.69 Desactivación del circuito SMR. ...................................................... 83

Fig. 3.70 Diagrama de control electrónico del motor de combustión

interna MCI. ..................................................................................... 84

Fig. 3.71 Control de MG1 y MG2 por el inversor. .......................................... 85

Fig. 3.72 Diagrama de bloques de las diferentes funciones del inversor:

elevación de tensión, caída de tensión y alimentación eléctrica. ..... 85

Fig. 3.73 Diagrama de control electrónico de la ECU de control antipatinaje. ........ 87

Fig. 3.74 Diagrama de control electrónico de la ECU de la batería. ............... 88

Fig. 3.75 Monitoreo del estado de carga de la batería durante un intervalo

de tiempo. ......................................................................................... 89

Fig. 3.76 Diagrama de control electrónico de la temperatura de la batería HV. ...... 90

Fig. 3.77 Diagrama de control durante colisión. .............................................. 91

Fig. 3.78 Ubicación del botón EV en el tablero de instrumentos. ................... 92

Fig. 3.79 Luces indicadoras en el tablero de instrumentos. ............................. 93

Fig. 3.80 Mensaje de aviso en el tablero de instrumentos. .............................. 95

xv

LISTADO DE TABLAS

Tabla 3.1 Especificaciones técnicas del transeje híbrido P-112...................... 23

Tabla 3.2 Especificaciones técnicas de MG1. ................................................. 43

Tabla 3.3 Especificaciones técnicas de MG2. ................................................. 43

Tabla 3.4 Especificaciones técnicas del sistema de refrigeración del

inversor, MG1 y MG2. .................................................................... 62

Tabla 3.5 Especificaciones técnicas del ventilador de enfriamiento de

la batería HV. .................................................................................. 67

LISTADO DE ANEXOS

A. Transistor IGBT. ......................................................................................... 104

B. Motor de combustión interna 1NZ-FXE. .................................................... 110

C. Vista en sección transversal del motor de combustión interna y el

transeje híbrido del sistema THS-II ............................................................ 113

D. Artículo del proyecto. .................................................................................. 114

xvi

RESUMEN

El sistema Toyota Hybrid System II (THS-II), combina un motor de combustión

interna de ciclo Atkinson de 1500 cm3, una batería de 201.6Voltios, dos motores

eléctricos y un complejo sistema de control electrónico. Este tren de potencia es

instalado a partir del año 2004 en el vehículo de pasajeros Toyota Prius. Este

vehículo es el primer automóvil híbrido producido en serie en el mundo.

Utilizando la tecnología desarrollada para el tren de potencia THS, Toyota ha

diseñado un nuevo sistema híbrido denominado THS-II, que es la segunda

generación de tecnología híbrida. El Sistema THS-II logra niveles muy altos de

compatibilidad entre la protección del medio ambiente y la potencia del motor

logrando que el consumo de combustible sea de un 20% hasta un 60% menor1.

El transeje híbrido P-112 montado en el sistema THS-II, está formado por el

mecanismo repartidor de potencia, los motogeneradores (MG1 y MG2) y

engranajes reductores. La potencia generada por el motor de combustión interna

se divide en dos partes mediante el mecanismo repartidor de potencia. Este

mecanismo que utiliza engranajes planetarios transmite la potencia a dos ejes de

salida. Uno de los ejes de salida se conecta al motor MG2 y las ruedas mientras

que el otro eje de salida se conecta al generador MG1.

La batería HV, suministra energía eléctrica al MG2 durante el arranque,

aceleración y marcha cuesta arriba, se recarga durante el frenado o cuando el

pedal del acelerador no está siendo presionado. Se utilizan baterías selladas de

hidruro metálico de níquel (Ni-MH) en la batería HV.

1 Correa J.,Genoud J., “Industria Automotriz”,http://www.fing.uncu.edu.ar/catedras/industrias‐1/ano‐2010/Tecnologia%20de%20la%20Industria%20Automotriz%20‐%20Informe.pdf

xvii

El conjunto del inversor es un dispositivo que convierte la alta tensión DC

(Batería HV) a AC (MG1 y MG2) y viceversa. Está formado por los siguientes

circuitos:

- Convertidor / elevador de tensión.- Eleva la tensión máxima de la batería

HV desde 201,6V DC a 500V DC y viceversa (reduce 500V DC a 201,6V

DC).

- Convertidor de CC – CC.- Convierte la tensión máxima de 201,6V DC a

12V DC para suministrar electricidad a los componentes eléctricos del

vehículo, así como para recargar la batería auxiliar (12V DC).

- Inversor del A/C.- Convierte la tensión nominal de 201,6V DC de la

batería HV a 201,6V AC y suministra energía para operar el compresor

eléctrico del sistema del A/C

xviii

ABSTRACT

The Toyota Hybrid System II (THS-II) combines a 1.5 liter engine using the

Atkinson cycle, a 201.6 V battery, two electric motors and a complex electronic

control system. This power train is installed since 2004 in the passenger car called

Toyota Prius. This vehicle is the first mass-produced hybrid car in the world.

Using the technology developed for THS, Toyota has designed a new hybrid

system called THS-II which is the second generation of hybrid technology. THS-

II reaches high levels of compatibility between environmental performance and

engine power while the fuel consumption is 20% to 60% less.

P-112 transaxle mounted in THS-II contains a power split device, MG1, MG2 and

reduction gears. Internal combustion engine power is divided in two parts by the

power split device. This mechanism that uses a planetary gear unit transmits

power to two output shafts. One of these shafts is connected to MG2 and to the

wheels while the other shaft is connected to MG1.

The HV battery supplies electric power to the MG2 during start-off, acceleration,

and uphill driving, it is recharged during braking or when the accelerator pedal is

not depressed. Nickel Hydride (Ni-MH) batteries are used for the HV battery.

The inverter assembly is a device that converts the high voltage DC (HV battery)

to AC (MG1 and MG2) and vice versa (converts AC into DC). It has three main

circuits:

- Boost converter.- boosts the maximum voltage of the HV battery from DC

201.6 to DC 500 V and vice versa (drops DC 500 V to DC 201.6 V)

- DC – DC converter. - Drops the maximum voltage of DC 201.6 V into DC

12 V in order to supply electricity to body electrical components, as well

as to recharge the auxiliary battery (DC 12 V).

xix

- A/C inverter. - Converts the nominal voltage of 201.6 V of the HV battery

to AC 201.6 V and supplies power to operate the compressor of the A/C

system.

1

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

1.1 El problema de investigación

1.1.1 Planteamiento del problema

El rápido incremento de la población y el gran desarrollo económico de las

últimas décadas han provocado un notable aumento en la utilización de

combustibles fósiles a nivel global. Esto a su vez, ha incrementado la emisión al

medio ambiente de gases contaminantes que resultan tóxicos para la vida y

comprometen la salud de los habitantes del planeta.

Los fabricantes de automóviles han enfrentado el reto de crear un vehículo que sea

más amigable con el medio ambiente al utilizar de manera más eficiente el

combustible; una de las soluciones que ha sido aplicada con mayor éxito es el

vehículo híbrido que es capaz de combinar dos fuentes de fuerza motriz, tales

como el motor de combustión interna y el motor eléctrico. La idea principal del

sistema híbrido es aprovechar al máximo los beneficios proporcionados por estas

dos fuentes de energía mientras que se compensan los defectos propios de cada

una.

En el año 2008, la Asamblea Nacional del Ecuador aprobó la exoneración del IVA

y del ICE a favor de los vehículos híbridos, este hecho impulso la

comercialización de este tipo de vehículos que ingresaron con un precio

competitivo al mercado ecuatoriano y que actualmente tienen una buena

aceptación en nuestro medio.

2

El primer automóvil de tecnología híbrida producido a gran escala es el Toyota

Prius, Ecuador es el mejor mercado de este vehículo en América Latina con un

70% de las ventas2. El Toyota Prius es un vehículo que utiliza un motor de

combustión interna de ciclo Atkinson, una batería de níquel-hidruro, dos motores

eléctricos y un complejo sistema de control electrónico.

A pesar de los grandes beneficios de la tecnología híbrida establecida por Toyota

en su modelo Prius, los técnicos automotrices encargados de realizar el

mantenimiento de los vehículos nos vemos enfrentados a un gran reto; sistemas

eléctricos de potencia y complejos sistemas electrónicos de control de diferentes

funciones dificultan los procedimientos de revisión y mantenimiento por lo que es

imprescindible el conocimiento técnico de este tipo de vehículos.

Por esta razón, se pretende realizar un estudio introductorio del sistema híbrido

Toyota Hybrid System 2 “THS-2” utilizado en el Toyota Prius de manera que se

pueda conocer el funcionamiento y las características de cada uno de los

elementos que intervienen en el funcionamiento del sistema híbrido de este tipo de

vehículos.

1.1.2 Formulación del problema

Es necesario el estudio del funcionamiento del sistema híbrido THS-2 para estar

en capacidad de realizar el mantenimiento de este tipo de sistemas de la forma

más adecuada.

- 2Pedro Maldonado, Diego Baca Samaniego: ‘Los problemas de seguridad son una

luz amarilla para Toyota’, 28 de enero del 2011, http://www.revistalideres.ec/2010-02-22/Entrevista.aspx.

3

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo general

- Realizar un estudio del funcionamiento del sistema híbrido Toyota

Hybrid System, “THS-2”.

1.2.2 Objetivos específicos

‐ Conocer los principales componentes que conforman el sistema híbrido

THS-2

‐ Realizar un estudio de la utilización de los motogeneradores eléctricos

y el motor de combustión interna durante las diferentes condiciones de

conducción.

‐ Analizar el funcionamiento del conjunto del inversor, batería del

sistema híbrido, y control del motor de combustión interna y

motogeneradores.

‐ Estudiar el sistema de regeneración de energía durante el frenado.

1.3 Justificación

El fabricante Toyota Motor Corp., está desarrollando una serie de alternativas a

los vehículos convencionales que consumen combustibles fósiles, creando nuevas

tecnologías que van desde los vehículos híbridos actuales hasta los que son

impulsados por hidrogeno.

La tecnología híbrida desarrollada por Toyota en su modelo Prius ha permitido

conseguir que el consumo de combustible sea de un 20% hasta un 60% menor que

en vehículos comparables de tipo convencional, maximizando el rendimiento del

uso del combustible, pues los motores de combustión interna para híbridos son

fabricados pensando en el mayor rendimiento.

4

Hoy en día el vehículo Toyota Prius, ha tenido una gran demanda en nuestro

medio por lo que la realización de la presente tesis está enfocada directamente al

estudio del funcionamiento del sistema híbrido Toyota Hybrid System “THS-II”,

permitiendo conocer de forma global su funcionamiento, así como las diferentes

etapas que lo componen.

Esta tesis tiene como objeto ser una guía de aprendizaje para los estudiantes de la

ESPE-L que estén interesados en conocer el funcionamiento del sistema en

mención y de sus etapas de control. Este trabajo podrá ser una guía para que en

prácticas o trabajos futuros se pueda obtener el máximo provecho y entendimiento

de esta tecnología, permitiendo tener los conocimientos necesarios para que se

pueda realizar un adecuado mantenimiento de este tipo de vehículos en el ámbito

profesional.

1.4 Hipótesis

El estudio del funcionamiento del sistema híbrido THS-2 nos permitirá estar en la

capacidad de realizar el mantenimiento de este tipo de sistemas de la forma más

adecuada.

1.5 Variables de investigación

1.5.1 Variable independiente

Estudio del funcionamiento del sistema Toyota Hybrid System “THS-2”.

1.5.2 Variable dependiente

Formar una base de conocimiento para el mantenimiento del Sistema Toyota

Hybrid System “THS-2”.

5

1.6 Alcance

En esta investigación se pretende realizar el estudio de funcionamiento el sistema

híbrido que posee el Toyota Prius de segunda generación, THS-II. Así como el

identificar los principales componentes y subsistemas que lo conforman,

determinando la utilización de los motogeneradores eléctricos y el motor de

combustión interna durante las diferentes etapas de conducción.

Se realizará un análisis de los diferentes componentes del transeje híbrido

estudiando la transmisión de potencia desde el motor de combustión interna y los

motores eléctricos hasta las ruedas en todas las fases de funcionamiento.

También se estudiará desde el punto de vista de la electrónica de potencia, el

funcionamiento y diseño del conjunto del inversor, tanto para el control de los

motogeneradores eléctricos como para el sistema de carga de la batería HV.

El presente trabajo de tesis será netamente investigativo, se basará en la

recopilación de información científica existente de diferentes fuentes

bibliográficas tales como: páginas web, foros, artículos científicos, manuales de

mantenimiento, etc.

1.7 Organización del trabajo de tesis

El presente estudio abarca diferentes temas, los cuales serán desarrollados de la

siguiente manera:

En el Capítulo I, se presenta una introducción al tema de tesis exponiendo los

motivos que llevaron a los autores a desarrollar el presente trabajo.

En el Capítulo II, se realiza un estudio introductorio sobre la tecnología híbrida

aplicada en vehículos automóviles. Inicialmente se realiza una breve reseña sobre

6

la contaminación producida por motores a gasolina para posteriormente indicar las

ventajas de un vehículo híbrido sobre un vehículo convencional. A continuación,

se realiza un breve estudio de las diferentes variantes de tecnología híbrida

utilizada en el campo de la automoción.

El Capítulo III, abarca todo el estudio del sistema híbrido de Toyota de segunda

generación (THS-II). Inicialmente se estudia la idea y visión de la empresa

automotriz Toyota sobre el vehículo ecológico definitivo y el desarrollo del

sistema THS-II. A continuación se detallan los modos de operación básica del

sistema híbrido, el transeje implementado y las diferentes condiciones de manejo.

Posteriormente se describen la función y la disposición de los componentes del

sistema THS-II en el vehículo. También se realiza un estudio detallado del

conjunto inversor y la batería HV. Se finaliza el capítulo con el estudio de la

gestión electrónica de las diferentes unidades de control.

En el Capítulo IV, se describen algunas conclusiones y recomendaciones luego de

realizada esta tesis. También se mencionan algunos trabajos futuros a realizar por

parte de estudiantes de la ESPE y de los interesados en esta rama de la electrónica

automotriz.

En la parte final se incluyen como anexos distintos temas de interés como:

IGBT’s, motor de combustión interna 1NZ-FXE y vista en sección transversal del

MCI y el transeje híbrido THS-II.

7

CAPÍTULO 2

VEHÍCULOS HÍBRIDOS

2.1 Contaminación y tecnología híbrida

El rápido incremento de la población y el gran desarrollo económico de las

últimas décadas han provocado un notable aumento en la utilización de

combustibles fósiles a nivel global. Esto a su vez, ha aumentado la emisión al

medio ambiente de gases contaminantes que resultan tóxicos para la vida y

comprometen la salud de los habitantes del planeta.

Una de las principales fuentes de emisión de contaminantes es el motor a gasolina,

este produce gases de escape que son dañinos para el medio ambiente y los seres

humanos ya que incluyen sustancias como el CO (monóxido de carbono), HC

(hidrocarburos no quemados) y NOx (óxidos de nitrógeno). Otro gas emitido por

motores a gasolina es el CO2 (dióxido de carbono) que a pesar de no ser tóxico

para la vida, es responsable del efecto invernadero.

Fig. 2.1 Contaminación automotriz por motores de combustión interna

Los fabricantes de automóviles han enfrentado el reto de crear un vehículo que sea

más amigable con el medio ambiente al utilizar de manera más eficiente el

8

combustible; una de las soluciones que ha sido aplicada con mayor éxito es el

vehículo híbrido que es capaz de combinar dos fuentes de fuerza motriz, tales

como el motor de combustión interna y el motor eléctrico. La idea principal del

sistema híbrido es aprovechar al máximo los beneficios proporcionados por estas

dos fuentes de energía mientras que se compensan los defectos propios de cada

una.

La tecnología híbrida ha sido capaz de establecer valores muy bajos de emisiones

colocándose en el nivel PZEV (emisión cero de forma parcial). Esto quiere decir

que en determinadas fases de funcionamiento, el vehículo genera cero emisiones

contaminantes.

En los vehículos híbridos gasolina - eléctricos, el motor a gasolina funciona con

su máxima eficiencia sólo en determinadas fases de funcionamiento, si produce

más energía que la necesaria para desplazar el vehículo, esa energía es utilizada

para cargar la batería. También se utiliza un sistema de regeneración de energía

que consiste en convertir la energía cinética del vehículo durante el frenado en

energía eléctrica almacenada en la batería. Estos avances tecnológicos permiten

que los vehículos híbridos gasolina- eléctricos alcancen un mayor rendimiento que

los vehículos convencionales.

En el año 2008, la Asamblea Nacional del Ecuador aprobó la exoneración del IVA

y del ICE a favor de los vehículos híbridos, este hecho impulso la

comercialización de este tipo de vehículos que ingresaron con un precio

competitivo al mercado ecuatoriano y que actualmente tienen una buena

aceptación en nuestro medio.

El primer automóvil de tecnología híbrida producido a gran escala es el Toyota

Prius, Ecuador es el mejor mercado de este vehículo en América Latina con un

70% de las ventas. El Toyota Prius es un vehículo que utiliza un motor de

9

combustión interna de ciclo Atkinson, una batería de níquel-hidruro, dos motores

eléctricos y un complejo sistema de control electrónico.

2.2 Definición de sistema híbrido

El sistema híbrido aplicado a los automóviles es una tecnología que combina dos

fuentes de fuerza motriz, tales como el motor de combustión interna y el motor

eléctrico. La idea principal del sistema híbrido es aprovechar al máximo los

beneficios proporcionados por estas dos fuentes de energía mientras que se

compensan los defectos propios de cada una.

A pesar de que los vehículos híbridos funcionan con motor eléctrico, estos no

requieren de fuentes externas de carga de energía como así lo requieren los

vehículos eléctricos.

2.3 Tipos de sistemas híbridos

Existen muchos sistemas híbridos utilizados en la industria automotriz, los tres

más comúnmente utilizados en el mercado actual son los siguientes:

2.3.1 Sistema híbrido en serie

En el sistema híbrido en serie, el motor de combustión interna impulsa al

generador y el motor eléctrico usa está energía eléctrica generada para mover las

ruedas. Este sistema se denomina híbrido en serie debido a que el motor de

combustión interna y el motor eléctrico están conectados en serie. Un sistema

híbrido en serie puede utilizar un motor de combustión interna de baja potencia en

la zona de máxima eficiencia y a un régimen de giro relativamente permanente

para cargar las baterías y suministrar energía al motor eléctrico.

10

Como se puede apreciar en la figura 2.2 este sistema tiene un motor eléctrico y un

generador.

Fig. 2.2 Sistema híbrido en serie

Fig. 2.3 Vehículo con sistema híbrido Serie

2.3.2 Sistema híbrido paralelo

En el sistema híbrido en paralelo el motor de combustión interna y el generador

mueven las ruedas. La potencia motriz de cualquiera de estas dos fuentes de

energía puede ser utilizada de acuerdo a las condiciones de manejo. Este sistema

es denominado híbrido paralelo debido a que el flujo de potencia se dirige hacia

las ruedas en paralelo. En el sistema paralelo la batería es cargada al hacer

funcionar al motor eléctrico como un generador y la electricidad de las baterías es

utilizada para mover las ruedas motrices. Este sistema tiene la desventaja de que

11

mientras se mueven las ruedas con el motor eléctrico no se puede cargar las

baterías, ya que solo se tiene un motor eléctrico/generador.

Fig. 2.4 Sistema híbrido en paralelo

Fig. 2.5 Vehículo con sistema híbrido paralelo

2.3.3 Sistema híbrido serie/paralelo

Este sistema combina los sistemas serie y paralelo con el fin de maximizar los

beneficios de ambos tipos. Se utilizan dos motores eléctricos y dependiendo de las

condiciones de manejo se utiliza únicamente el motor eléctrico o la combinación

de motor eléctrico y motor de combustión interna de manera que se pueda obtener

el más alto nivel de eficiencia. Además, cuando es necesario el sistema entrega

potencia para mover las ruedas y simultáneamente genera electricidad para cargar

las baterías.

12

El sistema híbrido serie/paralelo es utilizado en el Toyota Prius.

Fig. 2.6 Sistema híbrido serie/paralelo (Toyota Prius THS)

13

CAPÍTULO 3

TOYOTA HYBRID SYSTEM II (THS-II)

3.1 Idea y visión del sistema THS-II

En el mes de enero del año 1997 la empresa constructora de vehículos Toyota dio

inicio a un proyecto denominado Toyota Eco Project. Los dos objetivos

principales de este proyecto fueron la reducción de emisiones de CO2 con el fin de

prevenir el calentamiento global de nuestro planeta y acelerar la producción de

vehículos de tecnología híbrida con el fin de reducir a la mitad el consumo de

combustible en comparación con un vehículo convencional. En marzo del mismo

año Toyota anunció la culminación del desarrollo de un nuevo tren de potencia

denominado Toyota Hybrid System (THS) que iba a ser utilizado en vehículos de

pasajeros.

Fig. 3.1 Sistema THS del Toyota Prius 1997

14

El tren de potencia THS combina un motor de combustión interna que funciona

con gasolina y un motor eléctrico. Este tren de potencia fue instalado en el

vehículo de pasajeros Prius, el mismo que fue introducido en el mes de diciembre

del 1997 en el mercado japonés convirtiéndose en el primer automóvil híbrido

producido en serie en el mundo.

El Toyota Prius ha ganado la reputación de ser un vehículo altamente innovador

con más de dos millones de unidades vendidas3.

Fig. 3.2 Toyota Prius de segunda generación

Utilizando la tecnología desarrollada para el tren de potencia THS, Toyota ha

diseñado un nuevo sistema híbrido denominado THS-II que es la segunda

generación de tecnología híbrida. El Sistema THS-II logra niveles muy altos de

compatibilidad entre la protección del medio ambiente y la potencia del motor.

3S/a, Toyota Prius, 19 de julio del 2011, http://en.wikipedia.org/wiki/Toyota_Prius

15

Fig. 3.3 Sistema THS-II del Toyota Prius

El sistema THS-II es más eficiente que un tren de potencia convencional debido a

que tiene las siguientes características:

1. Reducción en la pérdida de energía

El sistema híbrido automáticamente detiene el motor de combustión

interna cuando no es necesario reduciendo el consumo de energía.

2. Recuperación de energía y reutilización

La energía que normalmente se perdería como calor durante el frenado es

recuperada y transformada en energía eléctrica, la cual es utilizada

posteriormente para alimentar a los motores eléctricos.

3. Asistencia del motor eléctrico

En ciertas fases de funcionamiento el motor eléctrico asiste al motor de

combustión interna generando mayor potencia y torque.

4. Control de operación de alta eficiencia

16

El sistema de control maximiza la eficiencia total del vehículo al usar el

motor eléctrico para impulsar las ruedas en condiciones de operación en

las que la eficiencia del motor de combustión interna es baja. El sistema de

control también se encarga de generar electricidad en condiciones de

máxima eficiencia del motor de combustión interna.

La innovación en tecnología híbrida por parte del fabricante Toyota que ha

permitido la creación del sistema THS-II tiene como objetivo lograr con el

transcurso de los años el desarrollo de la tecnología que será utilizada en lo que

Toyota denomina el vehículo ecológico definitivo (The ultimate eco-car).

3.2 Operación básica

El sistema THS-II controla los siguientes modos de funcionamiento adaptándose

así a las diferentes condiciones de manejo:

1. El suministro de energía eléctrica desde la batería HV al MG2 proporciona

fuerza para impulsar las ruedas.

Fig. 3.4 Modo 1 de funcionamiento

2. Mientras el motor de gasolina impulsa las ruedas a través de los engranajes

planetarios, MG1 es girado mediante el motor de gasolina a través de los

17

engranajes planetarios con el fin de suministrar la electricidad generada a

MG2.


3. El MG1 es girado por el motor de gasolina a través de los engranajes

planetarios con el fin de cargar la batería HV.


4. Cuando el vehículo se desacelera, la energía cinética de las ruedas se

recupera y se convierte a energía eléctrica que se utiliza para recargar la

batería de alto voltaje a través del MG2.

18

Fig. 3.7Modo 4 de funcionamiento

‐ La ECU HV cambia entre estos modos ((1), (2), (3), (1)+(2)+(3), o (4)) de

acuerdo con las condiciones de conducción.

‐ Sin embargo, cuando el estado de carga (SOC - State of Charge) de la

batería HV es bajo, la batería HV se carga mediante el motor de gasolina

girando el MG1.

‐ Como resultado, se consigue mayor economía del combustible en

comparación con los vehículos de motor de gasolina convencionales, a un

nivel reducido de emisión de gases de escape. Además, este revolucionario

tren de transmisión ha eliminado los impedimentos asociados con los

vehículos eléctricos (tales como el margen corto de marcha o su

dependencia en unidades de recarga exteriores).

19

3.3 Disposición de componentes del sistema THS-II en el vehículo

Fig. 3.8 Disposición de componentes del sistema híbrido THS-II

en el vehículo Toyota Prius

20

3.4 Transmisión híbrida

La transmisión híbrida está formada por la unidad de engranajes planetarios,

MG1, MG2 y los engranajes reductores. En el Toyota Prius con THS-II se utiliza

la transmisión híbrida P-112 a partir del año 2004.

La potencia generada por el motor de combustión interna se divide en dos partes

mediante un mecanismo denominado PSD (Power Split Device). Este mecanismo

que utiliza engranajes planetarios transmite la potencia a dos ejes de salida. Uno

de los ejes de salida se conecta al motor MG2 y las ruedas mientras que el otro eje

de salida se conecta al generador MG1.

3.4.1 Mecanismo repartidor de potencia "Power Split Device PSD"

El mecanismo repartidor de potencia PSD utiliza un tren de engranajes

epicicloidales. El eje rotacional del porta satélites esta unido directamente con el

motor de combustión interna y transmite la potencia por medio de los piñones

satélites hacia la corona y al engranaje planetario.

El eje rotacional unido a la corona está conectado directamente con MG2 y

además está conectado mediante una cadena y un conjunto de engranajes a las

ruedas.

El eje rotacional unido al engranaje planetario está conectado directamente con

MG1.

21

Fig. 3.9Mecanismo repartidor de potencia (Power Split Device PSD)

3.4.2 Amortiguador de vibraciones

En el sistema THS-II se utiliza un amortiguador de vibraciones el cual transmite la

fuerza motriz desde el motor MCI al transeje híbrido. El amortiguador de

vibraciones absorbe las fluctuaciones de torque utilizando un mecanismo de disco

de fricción seco.

Fig. 3.10 Amortiguador de vibraciones del transeje híbrido

22

3.4.3 Transmisión del movimiento a las ruedas

La corona del tren de engranajes epicicloidales está conectada con las ruedas por

medio de un conjunto de elementos que reducen la velocidad de rotación

incrementando el torque disponible en las ruedas. La reducción se logra utilizando

una cadena y dos pares de engranajes reductores. También se monta un

mecanismo diferencial que permite que las ruedas delantera izquierda y delantera

derecha giren a revoluciones diferentes en el caso de tomar una curva.

Fig. 3.11Transeje híbrido

Fig. 3.12Tren de engranajes epicicloidales, cadena y engranajes montados en el

transeje P-112 (se muestra el número de dientes de los engranajes)

23

3.4.4 Especificaciones técnicas del transeje P-112

Las especificaciones técnicas del transeje se indican en la siguiente tabla:

Tabla 3.1Especificaciones técnicas del transeje híbrido P-112

Transeje P-112

Tren de en engranajes epicicloidales

Corona: número de dientes 78 Satélites: número de dientes 23 Planetario: número de dientes 30

Relación de transmisión del diferencia 4.113

Cadena Número de eslabones 72 Rueda conductora: dientes 36 Rueda conducida: dientes 35

Primera reducción con engranajes

Engranaje conductor 30 Engranaje conducido 44

Segunda reducción con engranajes

Engranaje conductor 26 Engranaje conducido 75

Capacidad de llenado Litros 3.8 (4.0, 3.3) Tipo de fluido ATF WS

3.5 Condiciones de manejo y gráficas nomográficas

El sistema híbrido THS-II usa las fuerzas motrices entregadas por el motor de

combustión y por los dos motogeneradores. El sistema de control electrónico es

capaz de controlar estas fuerzas motrices de acuerdo con las diferentes

condiciones de manejo.

La unidad de control electrónico ECU HV continuamente monitorea el estado de

carga de la batería, la temperatura de la batería, la temperatura del refrigerante y el

consumo de energía eléctrica.

El sistema híbrido THS-II impulsa el vehículo combinando de la manera más

eficiente la operación del motor de combustión interna, el MG1 y el MG2 de

acuerdo a las condiciones de manejo indicadas en la siguiente figura.

24

(A): Ready (sistema híbrido listo)

(B): Partida del vehículo

(C): Durante aceleración ligera con el motor de combustión interna

(D): Durante crucero con baja carga

(E): Durante aceleración a fondo

(F): Durante desaceleración

(G): Durante conducción en reversa

Fig. 3.13 Condiciones de manejo del sistema THS-II

Las gráficas nomográficas indicadas en la figura 3.14muestran una representación

visual del sentido de giro, velocidad de rotación y el balance de potencia de cada

uno de los componentes de la unidad de engranajes planetarios. En la gráfica

nomográfica se muestra la velocidad de rotación en rpms de los engranajes

planetarios, el porta satélites y la corona dentada; el movimiento de estos tres

elementos se relaciona siempre mediante una línea recta.

La gráfica nomográfica indica si MG1 y MG2 están funcionando como motores o

generadores, además indica sus direcciones de rotación y condiciones de torque.

25

Condición Dirección de rotación Torque Ejemplo de gráfica

nomográfica

Descargando (funciona como motor)

Giro hacia adelante

Torque positivo

Lado positivo

Flecha hacia arriba

Giro hacia atrás

Torque negativo

Lado negativo

Flecha hacia abajo

Generando

Giro hacia adelante

Torque negativo

Lado positivo

Flecha hacia abajo

MCI: Motor de combustión interna MG1: Motor / generador 1 MG2: Motor / generador 2

Fig. 3.14 Gráficas nomográficas de MG1, MG2 y MCI

3.5.1 Ready - Sistema híbrido listo(A)

En el sistema THS-II, cuando el conductor oprime el botón POWER el sistema

híbrido se enciende y el indicador READY se ilumina. El motor de combustión

interna se enciende por un determinado periodo de tiempo para luego apagarlo

automáticamente al lograr las siguientes condiciones de funcionamiento:

temperatura del agua, estado de carga de la batería SOC y temperatura de la

batería.

26

Arranque del motor

Si cualquiera de las condiciones monitoreadas por la unidad de control electrónico

ECU HV no satisface los requerimientos cuando el indicador READY está

encendido y la transmisión está en la posición “P”, la ECU HV activa a MG1 para

encender el motor de combustión interna.

En el Toyota Prius no existe motor de arranque, el motor/generador 1 cumple con

ésta función.

Durante la puesta en marcha del motor de combustión interna por MG1, se hace

pasar corriente a las bobinas del estator de MG2 para bloquearlo y evitar que

MG1 mueva las ruedas del vehículo, esta función se denomina control reactivo.

Fig. 3.15 Gráfica nomográfica: puesta en marcha del MCI con MG1

27

Luego de que el motor de combustión interna enciende empieza a mover a MG1, a

continuación MG1 deja de funcionar como motor y funciona como generador

cargando la batería HV tal como se indica en la figura 3.16.

Fig. 3.16 Gráfica nomográfica: MCI en marcha, MG1 cargando batería HV

3.5.2 Partida del vehículo – (B)

Partida del vehículo únicamente con MG2

Cuando el vehículo arranca desde una velocidad inicial igual a cero, utiliza

únicamente la potencia proporcionada por MG2. Durante este período de

operación el motor de combustión interna está apagado y MG1 gira libremente en

sentido contrario sin generar energía.

28

Fig. 3.17Gráfica nomográfica: Partida del vehículo con MG2

desde una velocidad inicial igual a cero

Encendido del motor de combustión interna

Si el torque requerido por el vehículo incrementa cuando únicamente MG2 está

entregando potencia a las ruedas, MG1 se activará para encender el motor de

combustión interna MCI. Si además, alguna de las condiciones monitoreadas por

la ECU HV como la temperatura del agua, estado de carga de la batería SOC o

temperatura de la batería se encuentra fuera de su rango normal de

funcionamiento se activará a MG1 para encender el motor de combustión interna.

29

Fig. 3.18Gráfica nomográfica: Encendido de MCI con vehículo en movimiento

A continuación, el motor de combustión interna va a arrastrar a MG1, el mismo

que va a funcionar como generador cargando la batería HV.

30

Fig. 3.19 Gráfica nomográfica: MCI y MG2 encendidos,

MG1 carga la batería HV

3.5.3 Durante aceleración ligera con el motor de combustión interna (C)

Cuando el vehículo tiene una aceleración ligera con el motor de combustión

interna encendido, la fuerza motriz generada por el motor MCI se divide en la

unidad de engranajes planetarios. Parte de la fuerza motriz es transmitida

directamente hacia la corona para mover las ruedas mientras que la fuerza motriz

restante es dirigida hacia el planetario para generar electricidad con MG1.

La energía eléctrica generada por MG1 es enviada a través del inversor hacia

MG2 el mismo que funcionando como motor entrega fuerza motriz a las ruedas.

31

Fig. 3.20 Gráfica nomográfica: aceleración ligera con MG2 asistido por el MC1

3.5.4 Durante Crucero con baja carga (D)

Cuando el vehículo está circulando a una velocidad crucero con baja carga, la

fuerza motriz generada por el motor de combustión interna se divide en la unidad

de engranajes planetarios. Parte de la fuerza motriz es transmitida directamente

hacia la corona para mover las ruedas mientras que la fuerza motriz restante es

dirigida hacia el planetario para generar electricidad con MG1.

La energía eléctrica generada por MG1 es enviada a través del inversor hacia

MG2 el mismo que funcionando como motor entrega fuerza motriz a las ruedas.

32

Fig. 3.21Gráfica nomográfica: crucero con baja carga

3.5.5 Durante aceleración a fondo (E)

Cuando el vehículo pasa de velocidad crucero a aceleración a fondo, el sistema

agregará fuerza motriz al hacer girar a MG2 con energía de la batería.

33

Fig. 3.22 Gráfica nomográfica: aceleración a fondo

3.5.6 Durante desaceleración (F)

Desaceleración con selector de marchas colocado en “D”

Cuando el vehículo está siendo conducido con el selector de marchas en la

posición “D” y desacelera, se apaga el motor de combustión interna y la fuerza

motriz del sistema se hace cero. Debido a que MG2 está continuamente conectado

a las ruedas, este gira a una determinada velocidad funcionando como generador

cargando la batería HV.

Si el vehículo desacelera de una velocidad alta, el motor de combustión interna se

mantendrá encendido con el objetivo de proteger la unidad de engranajes

planetarios.

34

Fig.3.23 Gráfica nomográfica: desaceleración con selector de marchas en "D"

Desaceleración con selector de marchas colocado en “B”

Cuando el vehículo está siendo conducido con el selector de marchas en la

posición “B”, y desacelera, las ruedas mueven a MG2 generando energía eléctrica

para cargar la batería HV y para encender a MG1.

En consecuencia, MG1 mantiene la velocidad del motor de combustión interna el

cual funciona en la modalidad de freno motor sin que se inyecte combustible a

ninguno de los cilindros.

35

Fig. 3.24 Gráfica nomográfica: desaceleración con selector de marchas en "B"

3.5.7 Durante conducción en reversa (G)

Conducción con MG2

Cuando el vehículo está siendo conducido en reversa, la fuerza motriz entregada a

las ruedas proviene únicamente de MG2. Durante conducción en reversa MG2

gira en sentido contrario, el motor de combustión interna se apaga y MG1 gira en

dirección opuesta a MG2 sin generar energía para cargar la batería HV.

36

Fig. 3.25 Gráfica nomográfica: conducción en reversa con MG2

Encendido del motor de combustión interna

Si alguna de las condiciones monitoreadas por la ECU HV tales como: estado de

carga de la batería SOC, temperatura de la batería, temperatura del refrigerante o

consumo de energía eléctrica están fuera de los valores apropiados, la ECU HV

activará a MG1 para encender el motor de combustión interna.

37

Fig. 3.26 Gráfica nomográfica: conducción en reversa, encendido del MCI

Luego de que el motor de combustión interna enciende empieza a mover a MG1,

éste deja de funcionar como motor y funciona como generador cargando la batería

HV.

38

Fig. 3.27Gráfica nomográfica: conducción en reversa,

MCI encendido y MG1 cargando batería HV

3.6 Componentes principales del sistema THS-II

A continuación se estudian brevemente los componentes principales del sistema

THS-II.

ELEMENTO

DESCRIPCIÓN GENERAL

TRANSEJE HÍBRIDO

MG1

El MG1 es puesto en movimiento por el motor de gasolina, genera electricidad de alta tensión para operar el MG2 o cargar la batería HV. Además, funciona como motor de arranque para arrancar el motor de gasolina.

39

MG2

‐ Es impulsado mediante la energía eléctrica

procedente de MG1 o de la batería HV, y genera la fuerza motriz para el vehículo.

‐ Durante el frenado o cuando el pedal del acelerador no está pisado, genera electricidad para recargar la batería HV (control de frenos regenerativos).

Unidad de engranajes planetarios

Distribuye la fuerza motriz del motor de gasolina de la forma apropiada para impulsar directamente el vehículo así como el generador MG1.

BATERÍA HV

Suministra energía eléctrica al MG2 durante el arranque, aceleración y marcha cuesta arriba, se recarga durante el frenado o cuando el pedal del acelerador no está siendo presionado.

CONJUNTO DE

INVERSOR

Es un dispositivo que convierte la alta tensión DC (Batería HV) a AC (MG1 y MG2) y viceversa (Convierte AC en DC).

Convertidor de elevación de tensión

Eleva la tensión máxima de la batería HV desde 201,6V DC a 500V DC y viceversa (reduce 500V DC a 201,6V DC).

Convertidor de CC-CC

Convierte la tensión máxima de 201,6V DC a 12V DC para suministrar electricidad a los componentes eléctricos del vehículo, así como para recargar la batería auxiliar (12V DC).

Inversor del

A/C

Convierte la tensión nominal de 201,6V DC de la batería HV a 201,6V AC y suministra energía para operar el compresor eléctrico del sistema del A/C.

ECU HV

La información procedente de cada uno de los sensores así como desde la ECU (ECU del motor de gasolina, ECU de la batería, ECU de control antipatinaje, y ECU del EPS) se recibe y basándose en la misma, se calcula el par y la potencia de salida requeridas. La ECU HV envía el resultado calculado a la ECU del motor de gasolina, conjunto del inversor, ECU de la batería y ECU de control antipatinaje.

40

ECU DEL MOTOR DE GASOLINA

Activa el sistema de control electrónico del acelerador (ETCS-i Electronic Throttle Control System - Intelligent) de acuerdo con la velocidad del motor propuesta y fuerza motriz del motor requerida recibida desde la ECU HV.

ECU DE LA BATERÍA Monitoriza las condiciones de carga de la batería HV.

ECU DE CONTROL ANTIPATINAJE

Controla el frenado regenerativo que se efectúa mediante MG2 y el freno hidráulico para que la fuerza de frenado total sea equivalente a la de un vehículo convencional que sólo está equipado de frenos hidráulicos. Además, la ECU de control antipatinaje efectúa el control del sistema de los frenos (ABS con EBD, servofrenos y VSC+*) de la forma convencional.

SENSOR DE POSICIÓN

DEL PEDAL DEL ACELERADOR

Convierte el ángulo del acelerador a una señal eléctrica y la emite a la ECU HV.

SENSOR DE POSICIÓN DE

LA PALANCA DE CAMBIOS

Convierte la posición de la palanca de cambios a señal eléctrica y la emite a la ECU HV.

SMR (SYSTEM MAIN

RELAY)

Conecta y desconecta el circuito de alimentación de alta tensión entre la batería y el conjunto del inversor, empleando una señal procedente de la ECU HV.

INTERRUPTOR DE INTERBLOQUEO

(PARA LA CUBIERTA DEL

INVERSOR Y LA CLAVIJA DE SERVICIO)

Verifica que la cubierta del inversor y la clavija de servicio hayan sido instaladas.

SENSOR DEL DISYUNTOR

DEL CIRCUITO

El circuito de alta tensión se interrumpe si se ha detectado una colisión del vehículo.

41

CLAVIJA DE SERVICIO

Corta el circuito de alta tensión de la batería HV cuando se extrae esta clavija para efectuar la inspección o el mantenimiento del vehículo.

*: Sólo en el modelo con sistema VSC+

3.7 Descripción de los componentes principales del sistema

3.7.1 MG1 y MG2

Los motogeneradoresMG1 y MG2 están montados en la transmisión híbrida, son

de tamaño compacto y de peso ligero. MG1 y MG2 son motores eléctricos de tipo

sincrónico y de imán permanente. Están formados por: estator, bobinado del

estator, rotor, imanes permanentes y sensor de velocidad. Ver figura 3.28.

MG1 carga la batería HV y provee energía eléctrica a MG2. Además, se puede

controlar la velocidad de rotación de MG1 mientras está generando energía

eléctrica, esta característica permite realizar la función de transmisión continua

variable de la transmisión híbrida. MG1 también funciona como motor de

arranque poniendo en marcha al motor de combustión interna MCI.

MG2 mueve las ruedas mediante un sistema de transmisión con cadena y

engranajes utilizando la energía eléctrica que proviene de la batería HV o MG1.

Además, durante desaceleración funciona como generador cargando la batería

HV.

42

Fig. 3.28Componentes de MG1 y MG2

Fig. 3.29 Rotor y estator de MG2

43

Las especificaciones técnicas de MG1 y MG2 se presentan en las siguientes

tablas:

Tabla 3.2Especificaciones técnicas de MG1

Transeje P-112 Tipo Motor de imán permanente Función Generación, motor de arranque del motor de

gasolina Tensión máxima [V] 500 CA Sistema de enfriamiento Enfriado por agua

Tabla 3.3 Especificaciones técnicas de MG2

Transeje P-112 Tipo Motor de imán permanente Función Generación, impulsión de las ruedas Tensión máxima [V]

500 CA

Salida máxima Kw (CV)/rpm

50 (68) / 1200 ~ 1540

Par máximo N.m (kgf.m)/rpm

400 (40,8) / 0 ~ 1200

Sistema de enfriamiento Enfriado por agua

Funcionamiento de MG1 y MG2

Cuando una corriente alterna trifásica pasa a través de los devanados trifásicos de

la bobina del estator, se genera un campo magnético de rotación en el motor

eléctrico. Al controlar este campo magnético rotatorio en función de la posición

del rotor y de su velocidad de rotación, los imanes permanentes del rotor son

atraídos por el campo magnético generando un torque.

El torque generado es para todos los propósitos prácticos directamente

proporcional a la cantidad de corriente que pasa a través de los devanados y la

velocidad de rotación es controlada por la frecuencia de la corriente alterna que

excita a los devanados.

44

Se puede obtener un torque elevado hasta velocidades altas de rotación al

controlar eficazmente el campo magnético de rotación y los ángulos de los imanes

permanentes del rotor.

Cuando MG1 o MG2 funcionan como generadores, la rotación del rotor genera un

campo magnético el cual crea corriente trifásica en los devanados de la bobina del

estator.

En la figura 3.30, se puede observar el funcionamiento de MG1 y MG2. La

corriente proveniente del inversor llega hacia el estator en tres fases denominadas

U, V y W. En la figura 3.30 se presentan las formas de onda de la corriente alterna

trifásica.

Fig. 3.30 Funcionamiento de MG1 y MG2

45

Fig. 3.31 Formas de onda de la corriente alterna trifásica

En la siguiente figura se visualiza las formas de onda cuando los motogeneradores

funcionan como generador:

Fig. 3.32 Formas de onda de los moto/generadores cuando

funcionan en modo generador.

46

En la siguiente figura se visualizan las formas de onda cuando los

motogeneradores funcionan como motor:


en modo motor.

Sensor de velocidad

Para determinar la velocidad de MG1 y MG2 se utilizan dos sensores compactos y

altamente fiables con la capacidad de detectar precisamente las posiciones de los

47

polos magnéticos. El conocer con precisión la posición de los polos magnéticos de

MG1 y MG2 es muy importante para lograr un adecuado control de MG1 y MG2.

El estator del sensor contiene 3 tipos de bobinas. Bobina de excitación A, bobina

de detección S y bobina de detección C.

El rotor del sensor de velocidad tiene forma ovalada, la distancia del huelgo entre

el estator y el rotor varía en función de la rotación del rotor.

Fig. 3.34 Sensor de velocidad

El flujo de una corriente alterna a través de la bobina de excitación A genera un

campo magnético de frecuencia constante. Debido a este campo magnético de

frecuencia constante, las bobinas de detección B y C generan señales de salida que

corresponden a la posición del rotor. La unidad de control ECU HV obtiene la

posición del rotor basada en la diferencia entre los valores obtenidos en las

bobinas de detección B y C.

48

La velocidad de rotación en rpm’s es determinada al calcular la cantidad de

variación de la posición en un tiempo determinado.

3.7.2 Conjunto del inversor

El inversor trifásico utilizado en el Toyota Prius de segunda generación convierte

la corriente continua de alto voltaje de la batería HV a corriente alterna trifásica

para impulsar el MG1 y el MG2.

Los inversores trifásicos se utilizan normalmente para aplicaciones de alta

potencia. En este caso tres inversores monofásicos de medio puente se conectan

en paralelo formando el inversor trifásico del sistema THS - II del Toyota Prius,

tal y como se muestra en la figura 3.35. Una consideración muy importante en

esta configuración son que las señales de compuerta de los inversores

monofásicos deben adelantarse o retrasarse 120° uno con respecto al otro, a fin de

obtener voltajes trifásicos balanceados.

Los diodos que se observan y que se encuentran conectados en paralelo a cada

transistor de potencia IGBT son indispensables para su protección, debido a que

vamos a tener una componente inductiva al estar conectado a los

motogeneradores. Sin la presencia de estos diodos se crean grandes sobretensiones

debido al corte instantáneo de la corriente por la inductancia de la carga, con lo

que acaba destruyéndose los transistores y por ende el convertidor de potencia.

‐ La activación de los transistores de potencia es controlada por la ECU HV.

Además, el inversor transmite la información necesaria para controlar la

corriente, así como el amperaje de salida o la tensión hacia la ECU HV.

‐ Junto con el MG1 y el MG2, el inversor es enfriado por el radiador exclusivo

del sistema de refrigeración, el cual es independiente del que hay para el

motor de gasolina.

49

‐ En caso de una colisión en la que el vehículo se ve implicado, el sensor del

disyuntor del circuito, que está instalado en el inversor, detecta una señal de

colisión que es utilizada con el fin de apagar el sistema.

‐ Para más detalles, consulte el apartado 3.8.8 Control durante una colisión.

3.7.2.1 Diagrama de bloques del conjunto del inversor

Fig. 3.35 Diagrama de bloques del conjunto del inversor

El conjunto del inversor contiene los siguientes subsistemas:

− Inversor para MG2 (Permanent Magnet Synchronous Motor Inverter)

− Inversor para MG1 (Generator Inverter)

− Convertidor/ elevador de tensión (Voltaje Boost Module / Transformer)

50

− Inversor para el compresor del aire acondicionado (Air Conditioning

Compressor Inverter)

− Convertidor DC / DC (DC to DC Inverter)

La figura 3.36 muestra como están colocados los diferentes subsistemas que

conforman el conjunto del inversor del Toyota Prius. El circuito inversor de MG2

denominado (PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor Board) y el circuito

inversor de MG1 denominado (Generator Inverter Board) se encuentran montados

por debajo del módulo de los capacitores (Capacitor Module) y por encima del

módulo de potencia que es el que contiene los transistores IGBT’s y diodos para

ambos circuitos inversores.

Este módulo de potencia contiene 6 transistores IGBT’s y 6 diodos que trabajan

con el inversor del MG1, además están montados 12 transistores IGBT’s y 12

diodos que trabajan con el inversor del MG2. En el caso del MG2 debido a que se

debe manejar una mayor potencia, los IGBT’s se montan en paralelo de dos en

dos formando 6 pares de transistores IGBT’s.

Los embobinados de los MG1 y MG2 están conectados en estrella a fin de

eliminar armónicas que aparecen en los voltajes de salida. Hay q tener presente

que si los voltajes de salida de los inversores monofásicos no están perfectamente

equilibrados en magnitud y en fase, los voltajes de salida trifásicos también

estarán desequilibrados.

El módulo de potencia se monta sobre una placa que es refrigerada por agua. A un

lado de los circuitos inversores se monta el convertidor / elevador de tensión

(Voltaje Boost Module / Transformer). En este convertidor se eleva el voltaje de

200 a 500 voltios para controlar a los motogeneradores o se reduce el voltaje de

500 a 200 voltios para almacenar la energía en la batería HV.

En la parte inferior de la figura 3.36 existe una tapa que al ser removida permite

observar el circuito del inversor que controla el compresor del aire acondicionado

51

y el convertidor dc/dc que disminuye el voltaje de 200-500 voltios a 13.8 voltios

para alimentar a los accesorios y la batería auxiliar del vehículo. Los IGBT’s para

ambos circuitos están montados debajo de la placa de enfriamiento.

Fig. 3.36 Vista general del conjunto del inversor del Toyota Prius 2004.

La figura 3.37, muestra la distribución de los componentes desde una vista

superior una vez retirada la carcasa de protección. Se puede observar claramente

el módulo de capacitores (Modular Inverter Capacitor), el convertidor/elevador de

tensión (Buck / Boost Converter Transformer) y las conexiones eléctricas para el

MG1 (Generator 3 - Phase Terminal), MG2 (Motor 3 - Phase Terminal) y batería

HV (HV Battery Connection).

La función principal del módulo de capacitores es estabilizar el voltaje de

alimentación de la etapa de potencia de MG1 y MG2. Atenuando el voltaje de los

transitorios provocados por el arranque de los motogeneradores.

52

Fig. 3.37 Disposición de los componentes del conjunto del inversor

del Toyota Prius 2004

A continuación en la figura 3.38 se muestra una imagen similar a la anterior, pero

desmontado el módulo de capacitores. Como se puede observar se detalla la

ubicación general del convertidor elevador de tensión (Buck/ Boost Converter) y

el circuito del sistema inversor para MG1 y MG2. Los componentes de potencia

se encuentran debajo del circuito del inversor y no son visibles en esta imagen.

El circuito de control del inversor se encuentra parcialmente visible, destacando

así, las tres terminales de control del motor MG2 (PMSM bus) y las tres

terminales de control del generador MG1 (Generator Bus), indicando de esta

forma que la tarjeta se divide funcionalmente en dos secciones: la mitad superior

donde se encuentra el circuito inversor para el MG2 y la mitad inferior que

contiene el circuito inversor para el MG1. Los terminales de control del MG1 y

MG2 pasan a través de sensores de corriente instalados en el circuito de control

del inversor.

53

Fig. 3.38 Descripción de los componentes del conjunto del inversor del Toyota

Prius 2004 sin la tapa superior de protección.

En la figura 3.39 se puede observar el módulo de potencia descubierto. En la parte

inferior de la imagen se encuentran los seis IGBT’s que trabajan con el inversor

del MG1, y en la parte superior los doce IGBT’s que controlan el inversor del

MG2, los cuales están montados en paralelo debido a que manejan mucho mayor

potencia que en el caso del MG1.

Fig. 3.39 Módulo de potencia de 18 pack que conforman

el inversor del Prius 2004

54

En la siguiente imagen se puede observar de forma más cercana la constitución de

una de las tabletas que contienen a uno de los IGBT’s y de cómo están conectados

con sus respectivos diodos de protección.

Fig. 3.40 Primer plano de un IGBT y diodo de protección del

inversor del Prius 2004 Un estudio detallado del principio de funcionamiento de los transistores IGBT’s se realiza en el Anexo 1.

3.7.2.2 Convertidor / elevador de tensión

Este convertidor de elevación de tensión eleva la tensión nominal de 201,6V DC

proveniente de la batería HV a la tensión máxima de 500V DC. El convertidor

consta del Módulo de Poder Integrado de elevación de tensión (IPM – Integrated

Power Module) con un conjunto de transistores de compuerta aislada (IGBT –

Insulated Gate Bipolar Transistor) incorporado, que realiza el control de

conmutación y el reactor que almacena la energía. Mediante el uso de estos

componentes el convertidor eleva la tensión.

Cuando el MG1 o MG2 actúa como generador, el inversor convierte la corriente

alterna (rango de 201,6V a 500V) generada por uno de ellos a corriente continua,

55

y luego el convertidor de elevación de tensión la reduce a 201,6V DC cargando de

este modo la batería HV.

Fig. 3.41Esquema general del circuito convertidor / elevador

de tensión del Toyota Prius.

En la siguiente figura 3.42.a se muestra imágenes del Módulo de Poder Integrado

(IPM – Integrated Power Module) desmontado. En la figura 3.42.b se muestra la

tarjeta de control de los transistores de potencia y a la izquierda se puede ver el

conector de 18 pines. En la figura 3.42.c se muestra una placa para regular la

interferencia electromagnética provocada por la conmutación de los transistores

de potencia y en la figura 3.42.d se pueden observar los transistores IGBT's y los

diodos. En la figura 3.43 se puede observar el transformador que es parte del IPM,

también conocido como reactor.

56

Fig. 3.42Módulo de poder integrado - IPM

Fig. 3.43Transformador del módulo integrado de poder (Reactor)

A continuación se describe el funcionamiento del convertidor / elevador de

tensión:

1. Cuando el transistor IGBT 2 se encuentra activo, el voltaje a través del

REACTOR será el voltaje de la batería HV (voltaje nominal de 201,6 V DC).

En consecuencia el REACTOR almacena toda la potencia eléctrica de la

batería HV.

57

Fig. 3.44Circuito del convertidor de tensión cuando el IGBT2

se encuentra activo.

2. El transistor IGBT 2 se desactiva, provocando que el REACTOR produzca

una fuerza electromotriz que fluye desde éste hasta la etapa del INVERTER.

Esta fuerza electromotriz hace que la tensión aumente a un máximo de 500V

DC, inducido por la fuerza electromotriz que se crea por el REACTOR.

Pasando por el CAPACITOR y almacenándolo en éste.

Fig. 3.45 Circuito del convertidor de tensión cuando se desactiva el IGBT 2

3. El transistor IGBT 2 se activa nuevamente para hacer que el voltaje de la

batería HV cargue al REACTOR. Durante este tiempo la energía eléctrica

(tensión máxima de 500V DC) se encuentra almacenada en el condensador y

este suministrará la alimentación respectiva al INVERTER.

58

Fig. 3.46 Circuito del convertidor de tensión cuando el IGBT2

se encuentra activo en un segundo ciclo

La corriente alterna generada por el MG1 y MG2 con la finalidad de cargar la

batería HV se convierte en corriente directa (tensión máxima de 500V DC) por el

inversor. A continuación, la etapa del INVERTER convierte este voltaje en una

tensión aproximada de 201,6V DC. Esto se logra por la conmutación, activación y

desactivación del transistor IGBT1 mediante el control del ancho del pulso a su

gate. Este voltaje pasa por el REACTOR cargando de esta forma la batería HV.

Fig. 3.47 Circuito del convertidor de tensión cuando se carga la batería HV

59

3.7.2.3 Convertidor DC/DC

La fuente de alimentación para el equipo auxiliar del vehículo, tales como las

luces, sistema de audio y sistema de aire acondicionado (con excepción del

compresor del A/C), así como las unidades de control electrónico ECU, se basa en

un sistema de 12V DC. Puesto que el generador del THS-II emite una tensión

nominal de 201,6V DC, el convertidor se usa para transformar la tensión desde

201,6V DC a 12V DC para recargar la batería auxiliar. El convertidor está

instalado en la parte inferior del inversor.

Fig. 3.48 Circuito del convertidor DC/DC

Con el fin de regular el voltaje de salida del convertidor DC - DC la ECU HV

transmite una señal de salida de petición de tensión al convertidor y se encarga del

control de este en respuesta a las señales auxiliares de la batería auxiliar y al

sensor de temperatura.

60

Fig. 3.49 Diagrama de bloques del convertidor DC / DC

3.7.2.4 Inversor del A/C

El conjunto del inversor del sistema THS-II contiene un circuito inversor A/C que

suministra alimentación para impulsar el compresor del sistema A/C. Este

inversor convierte la tensión nominal de la batería de 201,6V DC a 201,6V AC y

suministra alimentación para operar el compresor del sistema de A/C.

Fig. 3.50 Circuito del inversor del A/C

61

A continuación, en la figura 3.51 podemos observar una imagen del circuito del

inversor que controla el compresor del aire acondicionado y el convertidor

DC/DC que disminuye el voltaje de 200V – 500V a 13.8V para alimentar a los

accesorios y a la batería auxiliar del vehículo.

En la parte superior de la figura se puede observar el convertidor DC/DC y en la

parte inferior se puede observar el circuito que controla el inversor del aire

acondicionado.

Fig. 3.51Imagen del circuito inversor que controla el compresor del A/C

y el circuito del convertidor DC/DC.

3.7.3 Sistema de enfriamiento para el inversor, MG1 y MG2

Se ha adoptado un sistema de enfriamiento a través de una bomba de agua para el

inversor, MG1, y MG2. El cual está separado del sistema de enfriamiento del

motor. Este sistema de enfriamiento se activa cuando se conmuta el estado de la

alimentación a encendido (IG).

62

El radiador para el sistema de enfriamiento está integrado con el radiador del

motor a gasolina. Consecuentemente, se ha simplificado el radiador y se ha

optimizado el espacio que ocupa.

Fig. 3.52Sistema de enfriamiento del inversor, MG1 y MG2

Tabla 3.4 Especificaciones técnicas del sistema de refrigeración del inversor, MG1 y MG2

Bomba de agua Volumen de descarga litros/min. 10 o más (65°C) Capacidad litros

2,7

Refrigerante

Tipo Refrigerante de súper larga duración genuino de Toyota (SLLC) o equivalente

Color Rosa Intervalos de Mantenimiento

Primera vez 160.000 Km Después Cada 80.000 Km*

*: Se aplica sólo cuando se emplea SLLC (color rosa). Si se emplea LLC (color rojo), los intervalos de mantenimiento serán de 40.000 km o 24 meses, lo que acontezca primero.

63

3.7.4 Batería HV

El Prius con THS-II utiliza baterías selladas de hidruro metálico de níquel (Ni-

MH) en la batería HV. Este tipo de baterías son de gran densidad energética y

larga vida de servicio. El sistema THS-II mantiene a la batería en un rango

constante de carga sin necesidad de realizar recargas externas.

Fig. 3.53 Ubicación de la batería HV en el vehículo

La batería HV, los relés principales del sistema SMR y la unidad de control de la

batería están colocados dentro de una caja de señales y ubicados en el

compartimiento de carga detrás de los asientos de la parte posterior.

Fig. 3.54 Caja de señales junto a la batería HV

64

Una clavija de servicio (Service Plug) que desconecta el circuito es colocada en la

mitad de los 28 módulos de los que está formada la batería. Siempre debe

removerse la clavija de servicio en el caso de realizar algún mantenimiento en la

parte de alto voltaje del sistema THS-II.

Durante el proceso de carga y descarga de la batería que sucede de manera normal

en el funcionamiento del vehículo se genera calor. La unidad de control de la

batería HV controla un sistema de ventilación que permite regular la temperatura

de funcionamiento de la batería HV.

La batería HV del sistema THS-II consta de 168 células divididas en 28 módulos

con un voltaje nominal de 201.6V.

Disposición de componentes principales

Fig. 3.55 Disposición de los componentes principales de la batería HV

65

Clavija de servicio (Service Plug)

Al remover la clavija de servicio se desactiva el circuito de alta tensión del

sistema THS-II, esto garantiza la seguridad necesaria durante actividades de

mantenimiento.

La clavija de servicio contiene un interruptor que se coloca en la posición

desactivada al levantar el retenedor de bloqueo. Este interruptor desconecta los

relés principales del sistema SMR. El proceso de activación del circuito de alta

tensión se muestra en la figura 3.57.

El fusible principal del circuito de alto voltaje está ubicado en el interior de la

clavija de servicio.

Fig. 3.56 Ubicación de la clavija de servicio (Service Plug)

66

Fig. 3.57 Instalación de la clavija de servicio

Sistema de enfriamiento de la batería

Para asegurar el desempeño adecuado de la batería HV disipando el calor

generado durante los repetitivos procesos de carga y descarga, se utiliza un

sistema de enfriamiento exclusivo para la batería HV.

Un ventilador (soplador) está colocado en la parte derecha del compartimiento de

equipaje. El aire utilizado para el enfriamiento es succionado desde el habitáculo a

través de una entrada situada al lado derecho del asiento posterior. De este modo

el aire de enfriamiento que entra por la parte superior derecha de la batería fluye

entre los módulos de la batería desde arriba hacia abajo para luego ser expulsado

hacia afuera del vehículo por un ducto de escape.

La unidad de control electrónico de la batería (Battery Ecu) controla

permanentemente el funcionamiento del ventilador de acuerdo a las señales

recibidas de tres sensores de temperatura que están instalados en la batería HV y

un sensor de la temperatura del aire de entrada.

67

Fig. 3.58 Sistema de enfriamiento de la batería HV

Especificaciones del ventilador de enfriamiento

Las especificaciones del ventilador de enfriamiento se muestran en la siguiente

tabla:

Tabla 3.5 Especificaciones técnicas del ventilador de enfriamiento de la batería HV

Modelo

Tipo Ventilador Siroco Tamaño del ventilado Diámetro x altura mm

100 x 50

Tipo de motor Motor de CC

Volumen de flujo de aire Control gradual

Mín. 40 Máx. 150

Consumo de energía 50 o menos

68

3.7.5 Sensor de la posición del pedal del acelerador

La culata magnetica montada en la base del brazo del pedal del acelerador gira

alrededor de un Hall IC en funcion de la cantidad de fuerza aplicada en el pedal

por el conductor. El sensor Hall IC convierte los cambios en el flujo magnetico

que ocurren con el movimiento del pedal del acelerador en señales electricas que

son interpretadas por la unidad de control.

Fig. 3.59 Sensor de posición del pedal del acelerador, esquema eléctrico de

conexión con la ECU HV y diagrama voltaje - posición del pedal.

3.7.6 Cable de alimentación

El cable de alimentación es un cable de alta tensión y alto amperaje que conecta la

batería HV con el inversor, el inversor con el MG1 y el MG2, y el inversor con el

compresor del A/C. Empezando por el conector, en la parte frontal izquierda de la

batería HV situada en el portaequipajes, el cable de alimentación pasa por debajo

69

del asiento trasero, a través del panel del piso, a lo largo del refuerzo inferior del

piso, y se conecta al inversor en el compartimiento del motor. Se emplea un cable

apantallado como cable de alimentación para reducir las interferencias

electromagnéticas.

Las conexiones de 12V DC (+) de la batería auxiliar también siguen la misma

ruta. Para una correcta identificación, los mazos de cables de alta tensión y los

conectores tienen códigos de color naranja para distinguirlos de los cables de baja

tensión normales.

Fig. 3.60 Disposición del cable de alimentación en el vehículo

3.7.7 Batería auxiliar

El Prius con THS-II usa una batería libre de mantenimiento de 12 voltios como

una batería auxiliar.

70

Fig. 3.61 Disposición de la batería auxiliar en el vehículo

3.8 Gestión electrónica de las diferentes unidades de control del sistema

THS-II

3.8.1 Unidades de control principales

El sistema de control THS-II contiene los siguientes componentes:

ELEMENTO

DESCRIPCIÓN GENERAL

Control de la ECU HV

Controla a MG1, MG2 y al motor de combustión interna de acuerdo a la demanda de torque, también controla al sistema de frenado regenerativo y al estado de carga de la batería HV. Estos factores son determinados por el selector de marchas, la posición del pedal del acelerador y la velocidad del vehículo. La unidad de control ECU HV monitorea el estado de carga de la batería HV y la temperatura de MG1, MG2 y la batería HV para realizar un control óptimo de cada uno de estos componentes. Cuando el selector de marchas se encuentra en la posición N, la unidad de control ECU HV realiza el apagado de MG1 y MG2. El control de asistencia en cuestas evita que el vehículo ruede hacia atrás cuando se suelta el pedal del freno durante el arranque en una pendiente pronunciada.

71

Si las ruedas motrices giran sin tracción, la unidad de control ECU HV efectúa una restricción en la rotación de MG2 con el fin de proteger el tren de engranajes epicicloidales y evitar una generación de energía eléctrica excesiva por parte de MG1. Para proteger el circuito de alto voltaje y asegurar su desconexión durante el apagado del vehículo, la unidad de control ECU HV efectúa el control de los relés principales del sistema (SMR) para activar y desactivar el circuito de alta tensión.

Control de la ECU del motor MCI

La unidad de control del motor de combustión interna recibe información proveniente de la ECU HV que indica la velocidad y torque requeridos. En función de estos dos parámetros la unidad de control del motor de combustión interna controla: el sistema de acelerador electrónico ETCS-i, el caudal de inyección, el tiempo de encendido, y el sistema de distribución variable VVT-i.

Control del Inversor

En función de las señales provenientes de la unidad de control ECU HV, la unidad inversora convierte la corriente directa de la batería en corriente alterna para MG1 y MG2, o viceversa. Además, la unidad inversora provee la energía eléctrica generada por MG1 a MG2. La unidad de control ECU HV envía señales de activación a los transistores de potencia localizados en la unidad inversora para conmutar las fases U, V, W que controlan a MG1 y MG2. La unidad de control ECU HV efectúa la desconexión si recibe señales de sobrecalentamiento, flujo de corriente excesiva o falta de señal de voltaje de la unidad inversora.

Control del convertidor / elevador de tensión

De acuerdo con las señales proporcionadas por la computadora ECU HV, el convertidor / elevador de tensión incrementa el valor de tensión de 201 Vcc a 500 Vcc. El voltaje de 500 VAC generado por MG1 y MG2 es convertido a corriente continua por el inversor. De acuerdo a las señales enviadas por la ECU HV el convertidor puede disminuir el valor de voltaje de 500 Vcc a 201.6 Vcc.

Convertidor 201.6Vcc - 12Vcc

Este convertidor disminuye el valor de voltaje de 201.6Vcc a 12Vcc para alimentar a los accesorios eléctricos del vehículo y a la batería auxiliar.

72

Este convertidor mantiene la tensión de la batería auxiliar en un valor constante.

Inversor del A/C

Convierte el voltaje proveniente de la batería HV de 201.6Vcc a 201.6 VAC para operar el motor eléctrico del compresor del sistema de acondicionamiento de aire.

Control principal de MG1 y MG2

El motor de combustión interna acciona al motogenerador MG1 por medio del tren de engranajes epicicloidales. Se genera un voltaje de 500Vac para operar a MG2 o cargar la batería HV. En determinadas condiciones de funcionamiento el MG1 sirve para poner en funcionamiento al motor MCI. Durante el frenado o cuando no se presiona el pedal del acelerador, MG2 genera electricidad para cargar la batería HV (frenado regenerativo). Los sensores de velocidad de MG1 y MG2 detectan la velocidad de rotación y la posición de cada uno de estos motogeneradores e informan a la unidad de control ECU HV. El MG2 tiene montado un sensor de temperatura que informa en cada momento la temperatura de funcionamiento a la unidad de control ECU HV.

ECU de control Antipatinaje

Durante el frenado, la unidad de control de antipatinaje calcula la fuerza de frenado regenerativo requerida y envía esta información a la ECU HV. Luego de analizar estos datos, la ECU HV envía a la unidad de control de antipatinaje el valor de frenado regenerativo actual y en base a este valor la ECU de antipatinaje calcula y aplica la presión hidráulica de frenado requerida.

Control de la ECU de la batería híbrida

La unidad de control de la batería híbrida monitorea las condiciones de funcionamiento de la batería HV y opera el ventilador de enfriamiento para mantener la temperatura de la batería en un valor predeterminado.

Control de cambios

La ECU HV detecta la posición de la palanca de cambios ("R", "N", "D" o "B") de acuerdo con la señal indicada por el sensor de la posición del cambio y controla MG1, MG2 y el MCI para crear las condiciones de manejo que se ajusten a la posición de la palanca de cambios seleccionada por el conductor. La unidad de control de la transmisión detecta que el

73

conductor ha presionado el botón de parking por medio de una señal proveniente de la ECU HV. Luego, opera mecánicamente una traba que bloquea el movimiento de la transmisión.

Control durante una colisión

Durante una colisión, si la ECU HV detecta una señal de activación de las bolsas de aire o la señal de activación del disyuntor localizado en la unidad inversora se desactiva el circuito de alta tensión apagando los relés principales del sistema SMR.

Control del modo de marcha con el motor eléctrico

Al presionar el botón de modo de manejo eléctrico EV Switch, La ECU HV opera el vehículo con MG2 únicamente si se cumplen determinadas condiciones de funcionamiento.

Control de iluminación de indicadores del tablero

Este sistema le muestra al conductor información sobre diferentes condiciones de manejo mediante señales luminosas en el tablero. También se muestran señales luminosas de averías.

Diagnosis

Cuando se detecta una falla, la ECU HV diagnostica y memoriza los valores correspondientes a la falla.

Control de operación durante un mal funcionamiento

Durante mal funcionamiento de determinados componentes, la ECU HV detiene o controla los actuadores y las diferentes unidades de control en función de los datos almacenados en su memoria.

74

3.8.2 Diagrama de los diferentes sensores y unidades de control del sistema

THS – II

75

Fig. 3.62 Gráfica de los diferentes sensores y unidades

de control del sistema THS-II

3.8.3 Gestión electrónica de la ECU HV

3.8.3.1 Generalidades

La ECU HV detecta la cantidad de esfuerzo aplicado al pedal del acelerador de

acuerdo con las señales proporcionadas por el sensor de la posición del pedal del

acelerador. La ECU HV recibe las señales de la velocidad del vehículo desde el

76

sensor de velocidad en el MG1 y MG2, y detecta la señal de posición de cambio

procedente del sensor de la posición de la palanca de cambios. La ECU HV

determina las condiciones de conducción del vehículo y de acuerdo con estas

piezas de información controla óptimamente las fuerzas motrices de MG1, MG2,

y del motor de gasolina.

Adicionalmente, la ECU HV controla de forma óptima la salida y el par de estas

fuerzas motrices para conseguir un menor consumo de combustible y unas

emisiones de escape más limpias.

Cálculo del flujo de las fuerzas motrices

Para realizar el cálculo de las fuerzas motrices generadas por MG1, MG2 y el

MCI la ECU HV utiliza la siguiente fórmula:

Fig. 3.63 Diagrama de bloques para el control del flujo de fuerzas motrices

77

Fig. 3.64 Diagrama de control electrónico de la ECU HV

Control de monitorización del sistema

La ECU de la batería monitorea constantemente el estado de carga (SOC - State of

charge) de la batería HV, y transmite el SOC a la ECU HV. Cuando el SOC está

por debajo del nivel inferior, la ECU HV incrementa la salida de potencia del

motor de gasolina para operar el MG1, que carga la batería HV. Cuando el motor

78

está parado, el MG1 se pone en operación para arrancar el motor de gasolina;

luego el motor de gasolina opera el MG1 para que cargue la batería HV.

Si el SOC es bajo, o si la temperatura de la batería HV, de MG1, o MG2 es más

alta que el valor especificado, la ECU HV restringe la fuerza motriz aplicada a las

ruedas motrices hasta que se restaura al valor normal. Un sensor de la

temperatura, incorporado en el MG2, detecta directamente la temperatura de

MG2. La ECU HV calcula la temperatura de MG1.

Control de desconexión

Por lo general, el MG1 y MG2 se desconectan cuando la transmisión está en la

posición “N”. Esto se debe a que el MG1 y MG2 deben detenerse eléctricamente

como un medio para poder desconectar la fuerza motriz, porque el MG2 está

mecánicamente unido a las ruedas delanteras.

Sin embargo, la función de desconexión se cancela durante las excepciones

siguientes:

• Durante la conducción, si el pedal del freno está presionado y se enclava una

rueda, se activa el ABS con EBD. Después, se solicita la baja del par desde el

MG2 para proporcionar la potencia suplementaria con el fin de poder reiniciar

la rotación de la rueda. Incluso si la posición de cambios sea “N” entonces, la

función de desconexión se cancela para que la rueda pueda girar. Después de

haberse reiniciado la rotación de la rueda, el sistema reanuda su función de

desconexión.

• Cuando el vehículo es conducido en la posición “D” o “B” y se pisa el pedal

del freno, operan los frenos regenerativos. En este momento, cuando el

conductor cambia a la posición de cambio “N”, aumenta la presión hidráulica

mientras se reduce gradualmente el par solicitado de los frenos regenerativos

79

de manera que no cree una sensación desagradable de frenado lento. Después

de esto, el sistema efectúa la función de desconexión.

• Cuando el MG1 y MG2 operan a una velocidad mayor que la del nivel

especificado, se cancela la función de desconexión.

Control de asistencia en cuestas

• Este control evita que el vehículo ruede hacia atrás cuando se suelta el freno

durante el arranque en una pendiente pronunciada. Debido a que el motor

eléctrico tiene un sensor de velocidad de alta sensibilidad, detecta con

precisión el ángulo de la pendiente y el descenso del vehículo y ofrece

seguridad incrementando el par del motor eléctrico.

• Si se aplica el control de asistencia en cuestas o pendientes, es posible que se

apliquen los frenos a las ruedas traseras para evitar que el vehículo ruede hacia

atrás. Entonces, la ECU HV transmite una señal de accionamiento de los

frenos traseros a la ECU de control antipatinaje.

Control de la tracción del motor eléctrico

Si una de las ruedas motrices patina mientras se está conduciendo el vehículo por

una carretera con superficie resbaladiza, el MG2 (que está directamente acoplado

a las ruedas) gira excesivamente, haciendo que aumente la velocidad de rotación

relativa de la unidad de engranajes planetarios. Esta condición puede causar daños

en las áreas que soportan las partes de la unidad de engranajes planetarios, como

en caso de agarrotamiento global.

En algunos casos, esta condición puede hacer que MG1 genere una cantidad

excesiva de electricidad. Por esta razón, si la ECU HV determina que MG2 gira

excesivamente al monitorizar un cambio súbito de las velocidades de rotación

mediante las señales del sensor de velocidad, la ECU HV aplica fuerza de frenado

80

para suprimir la rotación con el fin de proteger la unidad de engranajes

planetarios.

Adicionalmente, si sólo una de las ruedas motrices gira excesivamente, la ECU

HV monitorea la diferencia de velocidad entre las ruedas derecha e izquierda

mediante los sensores de velocidad de las ruedas respectivas, y la ECU HV

transmite un comando a la ECU de control antipatinaje para aplicar un freno a la

rueda que gira excesivamente.

Estos controles consiguen el mismo efecto que un sistema electrónico de control

de tracción convencional.

Fig. 3.65 Velocidad de rotación de las ruedas motrices al arrancar

y por carreteras nevadas

Operación

‐ A continuación se describe el mecanismo que genera la rotación excesiva.

Por ejemplo, si las ruedas motrices tienen un agarre normal a la carretera,

los cambios de velocidad de rotación de MG2 (ruedas motrices) son

mínimas, como se muestra en la figura 3.66.a De este modo, se mantiene

el equilibrio adecuado entre ellas y el motor de gasolina con mínimos

cambios de velocidad, consiguiéndose unas diferencias mínimas en las

81

velocidades de rotación relativas de la unidad de engranajes planetarios en

su conjunto.

‐ Si las ruedas motrices están en el estado de pérdida de tracción, la

velocidad de rotación de MG2 (ruedas motrices) varía en gran medida

como se muestra en la figura 3.66.b. Como resultado, la diferencia de las

velocidades de rotación relativas en toda la unidad de engranajes

planetarios pasa a ser mayor, porque el motor de gasolina, que tiene

pequeñas variaciones de rotación, no puede seguir la rotación de MG2.

Fig. 3.66 Gráfica nomográfica: perdida de tracción en una superficie deslizante

82

Control de los relés principales del sistema (SMR - System Main Relay)

Los relés principales del sistema (SMR) son un conjunto de relés que conectan y

desconectan la alimentación del circuito de alta tensión al recibir un comando

desde la ECU HV. Se incorporan un total de tres relés; uno para el lado negativo y

dos para el lado positivo, para asegurar las operaciones correctas.

Fig. 3.67 Sistema de relés principales (SMR)

3.8.3.2 La alimentación está conectada

SMR1 y SMR3 se activan cuando se conecta el circuito; subsiguientemente SMR2

se activa y SMR1 se desactiva. Puesto que la corriente controlada se deja pasar

inicialmente por un resistor de esta manera, el punto de contacto en el circuito está

protegido contra daños que pudiera causar el aumento brusco de la corriente.

Fig. 3.68 Activación del circuito SMR

83

3.8.3.3 La alimentación está desconectada

SMR2 y SMR3 se desactivan cuando se desconecta el circuito, en este orden.

Entonces, la ECU HV verifica que los relés respectivos han sido correctamente

desactivados. De este modo, la ECU HV puede determinar si SMR2 está atascado.

Fig. 3.69 Desactivación del circuito SMR

3.8.4 Gestión Electrónica de la ECU del motor de combustión interna

La ECU del motor de gasolina recibe los datos de la velocidad del motor

propuesta y de la fuerza motriz del motor requerida, enviados desde la ECU HV y

controla el sistema ETCS-i, el volumen de la inyección del combustible, la

distribución de encendido y el sistema VVT-i.

Un estudio breve del motor de combustión interna se realiza en el Anexo 2.

La ECU del motor de gasolina transmite la condición de operación del motor a la

ECU HV. La ECU del motor de gasolina, al recibir una señal de parada del motor

procedente de la ECU HV de acuerdo con el control básico de THS-II, para el

motor.

Cuando ocurre algún mal funcionamiento en el sistema, la ECU del motor de

gasolina enciende la luz de aviso de comprobación del motor a través de las

direcciones procedentes de la ECU HV.

84

Fig. 3.70 Diagrama de control electrónico del motor de combustión interna MCI

3.8.5 Control de la unidad inversora

De acuerdo con las señales proporcionadas de la ECU HV, el inversor convierte

una corriente continua procedente de la batería HV a corriente alterna para el

MG1 y MG2, o viceversa. Adicionalmente, el inversor suministra corriente alterna

generada desde MG1para poner en funcionamiento a MG2. Sin embargo, cuando

la electricidad se suministra desde MG1 a MG2, la electricidad se convierte a

corriente continua dentro del inversor.

La ECU HV envía una señal a los transistores de potencia del inversor para

conmutar la fase U, V, y W de la bobina del estator de MG1 y MG2, basándose en

la información de la posición del rotor enviada desde MG1, MG2 y el estado de

carga de la batería HV enviado desde la ECU de la batería. Cuando se desconecta

la corriente de MG1 y MG2, se envía una señal al inversor desde la ECU HV.

85

Fig. 3.71 Control de MG1 y MG2 por el inversor

Fig. 3.72 Diagrama de bloques de las diferentes funciones del inversor: elevación

de tensión, caída de tensión y alimentación eléctrica 3.8.6 Control de la ECU de antideslizamiento

La ECU de control de antipatinaje calcula la fuerza total de frenado necesaria,

basándose en la presión del cilindro principal del actuador del freno y sensor de la

carrera del pedal del freno generada cuando el conductor pisa el pedal del freno.

86

La ECU de control antipatinaje calcula una parte de la fuerza total de frenado

para que sea de frenado regenerativo y emite el resultado a la ECU HV. La ECU

HV ejecuta el par negativo para MG2, y realiza las funciones de los frenos

regenerativos.

La ECU de control antipatinaje controla las válvulas de solenoide y genera

presión en los cilindros de las ruedas, que es el valor actual de control de los

frenos regenerativos restado de la fuerza de frenado total.

En un modelo con sistema VSC+, la ECU de control antipatinaje emite una

solicitud a la ECU HV para efectuar el control de la tracción del motor eléctrico

mientras el vehículo opera bajo control del sistema VSC+. La ECU HV controla

el motor de gasolina, el MG1 y el MG2 de acuerdo con las condiciones de marcha

actuales para suprimir la fuerza motriz.

87

(1): - Solicitud de fuerza de frenos regenerativos - Solicitud de control de la tracción del motor eléctrico (para el sistema VSC+) (2): - Valor de control de los frenos regenerativos actual - solicitud de control de los frenos hidráulicos (para el control de asistencia en cuestas) *: Sólo en los modelos con sistema VSC+

Fig. 3.73 Diagrama de control electrónico de la ECU de control antipatinaje

3.8.7 Control de la ECU de la batería

La ECU de la batería detecta el estado de carga (SOC -State of charge), la

temperatura, las fugas y la tensión de la batería HV, y envía esta información a la

ECU HV.

La ECU de la batería detecta la temperatura de la batería a través del sensor de la

temperatura situado en la batería HV, y opera un ventilador de enfriamiento para

controlar la temperatura.

88

Fig. 3.74 Diagrama de control electrónico de la ECU de la batería

3.8.7.1 Control de monitorización de la condición de la batería HV

La ECU de la batería monitorea constantemente los elementos presentados a

continuación y transmite su información a la ECU HV.

• Detecta la temperatura de la batería HV a través del sensor de la temperatura

que hay en la batería HV.

• Detecta las fugas de la batería HV a través del circuito de detección de fugas

que hay en la batería HV.

• Detecta la tensión de la batería HV a través del circuito de detección de

tensión que hay en la batería HV.

• Detecta el amperaje a través del sensor de corriente.

La batería HV calcula el SOC estimando el amperaje de carga y de descarga.

89

Control del estado de carga SOC

Mientras el vehículo está en movimiento, la batería HV sufre ciclos de

carga/descarga, a medida que se descarga mediante MG2 durante la aceleración y

se carga con los frenos regenerativos durante la desaceleración. La ECU de la

batería calcula el SOC basándose en los niveles de carga/descarga detectados por

el sensor de corriente, y transmite el valor del SOC calculado a la ECU HV. La

ECU HV efectúa el control de la carga/descarga basándose en el valor recibido

para estabilizar el SOC en cualquier momento en su nivel propuesto.

Fig. 3.75 Monitoreo del estado de carga de la batería durante un

intervalo de tiempo

3.8.7.2 Control del ventilador de enfriamiento.

La ECU de la batería detecta el aumento de la temperatura de la batería mediante

los sensores de temperatura de la batería HV y un sensor de la temperatura del

aire de admisión. Entonces, la ECU de la batería corrige gradualmente la

velocidad del ventilador de enfriamiento bajo control del ciclo de trabajo, para

mantener la temperatura de la batería HV dentro del margen especificado.

Cuando el sistema de aire acondicionado está funcionando para enfriar la cabina,

y si hay decadencia en la temperatura de la batería HV, la ECU de la batería

desactiva el ventilador de enfriamiento o lo fija a la velocidad baja. El propósito

90

de este control es el de dar prioridad al enfriamiento de la cabina, porque la

admisión de aire del sistema de enfriamiento se incorpora en la cabina.

Fig. 3.76 Diagrama de control electrónico de la temperatura de la batería HV

3.8.8 Control durante colisión

Si la ECU HV recibe una señal de activación de un cojín de aire procedente del

conjunto de sensores de cojines de aire o una señal de activación procedente del

sensor del disyuntor del circuito situado en el inversor durante una colisión, la

ECU HV desconecta toda la alimentación desconectando los relés principales del

91

sistema (SMR – System Main Relay), con el fin de garantizar la seguridad de los

ocupantes.

Fig. 3.77 Diagrama de control durante colisión

3.8.9 Control de modo de conducción

Con el propósito de obtener un bajo nivel de ruido en un garaje después de la

medianoche y en horas de la madrugada, así como para reducir los gases de

escape en el garaje, el vehículo se impulsa sólo con el MG2 presionando

manualmente el selector del modo EV, situado en el tablero de instrumentos.

Cuando se presiona el selector del modo EV, se enciende la luz del indicador del

modo EV situada en el medidor combinado.

92

Fig. 3.78 Ubicación del botón EV en el tablero de instrumentos

Operación

• Este modo se activa de modo manual presionando el selector del modo

EV.

• En condiciones de conducción normales con el selector del modo EV

desactivado, el vehículo arranca sólo con el MG2, y el motor de gasolina

se activa mediante el ángulo de la posición del pedal del acelerador o por

la reducción del SOC para generar fuerza motriz. Sin embargo, si se

presiona el selector del modo EV, los valores especificados que activan el

motor de gasolina se modifican para ampliar el rango de marcha sólo con

el MG2.

93

• Cuando el modo EV es seleccionado, el motor de gasolina está en reposo y

el vehículo sigue circulando sólo con el MG2 a menos que ocurra uno de

los eventos siguientes:

‐ El selector del modo EV está pagado.

‐ El SOC se reduce por debajo del nivel especificado.

‐ La velocidad del vehículo excede el valor especificado.

‐ El ángulo de la posición del pedal del acelerador excede el valor

especificado.

‐ La temperatura de la batería HV se aparta del rango de operación

normal

El modo EV se desactiva después de circular de 1 a 2 km seguidos sobre una

carretera nivelada con el SOC estándar de la batería HV.

3.8.10 Indicador y luz de aviso de fallas

Las luces de advertencia del Toyota Prius con el sistema THS-II son diferentes de

las del modelo anterior. Se describen particularmente, el indicador y las luces de

aviso asociados con el sistema THS-II.

Fig. 3.79 Luces indicadoras en el tablero de instrumentos

94

Elemento

Descripción General

Luz READY

Esta luz parpadea cuando el conductor presiona simultáneamente el pedal del freno y presiona el interruptor de arranque mientras la transmisión está en la posición “P”. Después, la luz se mantiene encendida cuando se inicia el sistema. De este modo, informa al conductor si el vehículo está preparado para circular.

Luz de aviso principal

‐ La función principal de esta luz de aviso, que se

enciende simultáneamente con el sonido de un zumbador de aviso, es la de informar al conductor si se produce un mal funcionamiento en el sistema THS-II o cuando el SOC de la batería HV es más bajo de lo normal.

‐ Además de las condiciones mencionadas, esta luz se enciende y suena el zumbador para informar al conductor si la temperatura del agua es anormal, si la presión del aceite es anormal, o si hay un mal funcionamiento en el sistema EPC, o un mal funcionamiento en la ECU de control de la transmisión.

Luz de aviso de comprobación del motor

Se enciende cuando hay un mal funcionamiento en el sistema de control del motor de gasolina.

Luz de aviso de descarga

Se enciende cuando hay un mal funcionamiento en el sistema de carga de 12 VCC (conjunto del convertidor). Al mismo tiempo, se enciende la luz de aviso principal.

Luz de aviso de la batería HV

La luz de aviso se enciende para informar al conductor que el SOC es más bajo que el nivel estándar mínimo (%). Al mismo tiempo, se enciende la luz de aviso principal.

Luz de aviso del sistema híbrido

Esta luz indicadora se enciende para informar al conductor un mal funcionamiento en el sistema THS-II.

95

Al mismo tiempo, se enciende la luz de aviso principal.

Cuando se produce alguna de las condiciones descritas a continuación, aparece el

mensaje mostrado en el visualizador múltiple, acompañado por la iluminación de

la luz de aviso principal y el sonido continuo del zumbador.

‐ La luz READY está encendida, la posición de cambios es la “N” y la

batería HV está descargada.

‐ La luz READY está encendida, la posición de cambios es la “N”, “B”, o

“D”, y la puerta del conductor está abierta.

Fig. 3.80 Mensaje de aviso en el tablero de instrumentos

96

CAPÍTULO 4

CONCLUSIONES, RECOMENDACIONES Y

TRABAJOS FUTUROS

4.1 Conclusiones

Luego de la realización de la presente investigación se puede concluir lo

siguiente:

Se realizó una investigación del sistema de control de potencia del sistema híbrido

de Toyota “THS-II”, identificando los principales componentes que lo

conforman, por medio del análisis detallado de la utilización de los

motogeneradores eléctricos y el motor de combustión interna durante las

diferentes condiciones de conducción.

Se estudió el funcionamiento del conjunto inversor para el control de los

motogeneradores eléctricos, la operación del motor de combustión interna durante

las diferentes fases de funcionamiento, el sistema de carga de la batería y se

verificó cuáles son las condiciones del sistema de regeneración de energía durante

el frenado.

Se desarrolló un marco referencial acerca de las características de diseño de los

inversores monofásicos de medio puente en paralelo, que tienen la finalidad de

poder soportar y conducir una mayor magnitud de corriente.

A través de un análisis del comportamiento eléctrico y electrónico de los

transistores IGBT, se concluyó que en el sistema Inversor del Toyota Prius, éstos

deben parearse en lo referente a ganancia, transconductancia, voltaje de

97

saturación, tiempos de activación y desactivación para que exista una repartición

igual de la corriente en sus ramas.

Respecto a los diodos de potencia conectados en paralelo a los IGBT’s, se

comprobó a través de este estudio que son instalados para su respectiva protección

debido a que vamos a tener una componente inductiva al estar conectado a los

motogeneradores. Además, estos diodos permiten la correcta circulación de

corriente de la carga cuando conmutan los transistores. Sin su presencia, se crean

grandes sobretensiones producidas al corte instantáneo de la corriente por la

inductancia de la carga, con lo que acaban destruyéndose los transistores y por

ende el convertidor de potencia.

En el sistema THS-II del Prius, se ha adoptado la utilización de un convertidor /

elevador de tensión dentro del conjunto del inversor. Se verificó analíticamente a

través de interpretación de diagramas, que este convertidor / elevador de tensión

permite que el THS-II suministre una tensión de alimentación de 500V como

máximo para la alimentación de los MG1 y MG2, destacando una mejora

significativa en el desarrollo de la tecnología del puente inversor, ya que en el

modelo anterior el valor máximo de su puente era de 273,6V. En consecuencia, se

obtiene un suministro de energía eléctrica mucho más alto con una corriente más

baja consiguiendo una mayor eficiencia.

Evaluando el funcionamiento de los convertidores de tensión, se concluyó que

esta tecnología emergente sigue siendo empujada por la evolución de los

componentes de electrónica de potencia y los microprocesadores. Utilizando esta

tecnología en el sistema THS-II, se obtiene una tensión nominal de 201,6 V

proporcionada por la batería HV , y un incremento a una tensión máxima de 500

V debido a la etapa del conjunto inversor y a su tecnología aplicada en el

convertidor / elevador de tensión.

98

Se puede concluir que la potencia necesaria para impulsar el motor eléctrico se

mantiene constante, basándonos en la fórmula de P = V x I, indica que

multiplicando la tensión se reduce la corriente a la mitad. En el caso del Toyota

Prius, los motogeneradores 1 y 2 notablemente han sido mejorados en sus

prestaciones y específicamente en su potencia ya que funcionan a 500 V. La

pérdida de potencia en forma de calor se reduce en un 1/4 aplicando la ley de

Joule (calor generado = corriente2 x resistencia eléctrica), debido a que la

corriente se reduce en un 1/2 y se mantiene constante la resistencia de carga.

Con respecto al circuito de alimentación de alta tensión (convertidor / elevador de

tensión) del THS-II se verificó basado en datos del fabricante, que aumenta su

potencia incrementando la tensión mientras mantiene constante la corriente.

Adicionalmente, para el mismo nivel de potencia, al incrementar la tensión y

reducir la corriente se reduce la pérdida de energía, logrando una alta eficiencia.

Se consideró como aspecto importante para el desarrollo de este puente inversor a

la evolución que tuvieron los motores MG1 y MG2 utilizados en esta segunda

generación del Toyota Prius, cuyos motores sincrónicos de imán permanente

(PMSM – Permanent Magnet Synchronous Motor) presentan la ventaja de poseer

mayor rendimiento y un menor mantenimiento, además son máquinas con

arranque muy suave y que pueden alcanzar grandes velocidades mejorando

considerablemente el factor de potencia por lo que son utilizados comúnmente en

el desarrollo de autos híbridos y su tecnología.

Finalmente, se verificó que los bobinados de MG1 y MG2 están conectados en

estrella a fin de eliminar armónicas que aparecen en los voltajes de salida, hay que

tener presente que si los voltajes de salida de los inversores monofásicos no están

perfectamente equilibrados en magnitud y en fase, los voltajes de salida trifásicos

también estarán desequilibrados obteniendo como consecuencia un

funcionamiento inestable del circuito inversor de tensión, por ende una posible

falla y daño de la etapa de potencia.

99

4.2 Recomendaciones

A continuación se exponen las recomendaciones, que deben ser tomadas en

cuenta por todos los sectores involucrados con sistemas híbridos vehiculares:

Debido a la complejidad de los sistemas aplicados en un vehículo híbrido, se

recomienda su estudio integral de la tecnología implementada y especialmente de

las normas de seguridad a seguir, antes de realizar cualquier operación orientada

a la investigación o a la aplicación técnica.

El conocimiento de la tecnología híbrida será muy importante dentro de algunos

años para el adecuado desenvolvimiento profesional de los técnicos automotrices,

por lo que sugerimos incluir el estudio de la tecnología híbrida en la carrera de

Ingeniería Automotriz.

Se recomienda a los lectores, realizar estudios independientes de: motor de

combustión interna, sistema de frenos, batería híbrida, red can, principalmente

para poder lograr determinar las variaciones frente a los sistemas convencionales

de los automóviles carentes de esta tecnología.

Es muy importante el involucrar a estudiantes o profesionales de diferentes ramas

de la ingeniería en el desarrollo de proyectos relacionados con vehículos híbridos.

El trabajo conjunto de ingenieros electrónicos e ingenieros automotrices permitirá

realizar investigaciones de mayor profundidad y de gran valor científico.

Es importante para los centros de estudio de tercer y cuarto nivel adquirir

documentos técnicos relacionados a vehículos híbridos y electrónica de potencia

aplicada a vehículos eléctricos. Esta información permitirá desarrollar

investigaciones más profundas sobre estos temas tan importantes.

100

4.3 Trabajos futuros

Nuestro grupo de trabajo tomando en cuenta como base esta investigación,

propone los siguientes trabajos futuros:

Como tema de interés, planteamos la necesidad de realizar un estudio técnico de

cada uno de los componentes que componen un conjunto inversor. Actualmente

existe muy poca información que pueda encontrarse a cerca de este tema. Sería

importante estudiar sus características: ubicación de componentes, conexión entre

los diferentes componentes, tipo de montaje de elementos, características

eléctricas, códigos de circuitos integrados, sistemas de protección contra sobre

voltajes, cortocircuitos, etc.

Utilizando el presente trabajo se puede realizar una comparación entre el sistema

híbrido de Toyota de segunda y tercera generación utilizados en el vehículo

Toyota Prius. Se podrán analizar las modificaciones tanto mecánicas como

electrónicas que han sido realizadas con el fin de lograr una mayor eficiencia en el

consumo de energía.

Otra propuesta no de menor relevancia, sería realizar un análisis de una batería

HV, estudiando con instrumentación electrónica el proceso de carga y descarga de

la batería para determinar sus características de operación y su eficiencia.

Cabe añadir fusionando los elementos de esta investigación con los de pregrado,

la importancia de diseñar y construir una maqueta que simule el funcionamiento

del conjunto del convertidor / elevador de tensión utilizando motores eléctricos

síncronos de imanes permanentes de tipo convencional. Al realizar este proyecto

se podrá estudiar de forma más detenida cada una de las características de un

sistema de control electrónico para los motogeneradores de un vehículo híbrido.

101

Utilizando el presente trabajo se puede realizar una comparación con otros trenes

de potencia de vehículos híbridos disponibles en el mercado, logrando determinar

cada una de las ventajas y desventajas de los sistemas a ser analizados.

Se puede realizar un manual de mantenimiento de cada uno de los componentes

del sistema THS-II indicando la forma de diagnosticar las diferentes fallas y el

procedimiento de reparación respectivo.

Utilizando un equipo informático de adquisición de datos, se pueden analizar las

siguientes señales de un sistema THS-II: temperaturas, voltajes, velocidades de

rotación, corriente. Estas señales pueden ser utilizadas para construir gráficas que

nos permitan conocer las características operacionales de los diferentes

componentes durante las diferentes etapas de funcionamiento.

102

BIBLIOGRAFÍA

- CHAPMAN, Stephen J. Máquinas Eléctricas, 3era Edición, McGraw Hill.

- MUHAMMAD, Rashid H. Electrónica de Potencia, 2da Edición, Pearson

Education.

- Toyota Motor Corporation, Presentación en Power Point Prius 2004, 2004.

- Toyota Motor Corporation, Service Manual Toyota Prius NHW20, 2003.

- Toyota Motor Corporation, Toyota Course 256

Hybrids: General Service and Maintenance, 2003.

PÁGINAS WEB CONSULTADAS

- Alex Hart, Toyota Prius Power Split Device - PSD, 11 de julio del 2011,

http://eahart.com/prius/psd/

- Art's Automotive, Replacing Our Second First Generation Prius Transaxle, 6

de mayo del 2011, http://classic.artsautomotive.com/PriusTransaxle.htm

- Green Car Magazine, TMZ and Mazda Agree to Hybrid System technology

License, 10 de julio del 2011, http://www.greencarmagazine.net/2010/03/tmc-

and-mazda-agree-to-hybrid-system-technology-license/

- Juan Manuel Correa, Jerónimo Genoud, Leandro Maldonado, Martin Bilbao, Sandro

Alcantar, Alberto Juri, Industria Automotriz,

http://www.fing.uncu.edu.ar/catedras/industrias-1/ano-

2010/Tecnologia%20de%20la%20Industria%20Automotriz%20-%20Informe.pdf

- M. Matsubara, Prius Driving Simulator, 3 de mayo del 2011,

http://www.wind.sannet.ne.jp/m_matsu/prius/ThsSimu/index_i18n.html

- Oak Ridge National Laboratory, Mitch Olszewski Program Manager, Evaluation of 2004 Toyota Prius Hybrid Electric Drive System, 19 de julio del 2011, http://info.ornl.gov/sites/publications/files/Pub1870.pdf.

- Oak Ridge National Laboratory, Mitch Olszewski Program Manager,

Evaluation of the 2010 Toyota Prius Hybrid Synergy Drive System, 16 de Julio

103

del 2011, http://www.autobeyours.com/gifs/TM-2010-

253_2010%20Prius%20Rprt.pdf

- Pedro Maldonado, Diego Baca Samaniego: Los problemas de seguridad son

una luz amarilla para Toyota, 28 de enero del 2011,

http://www.revistalideres.ec/2010-02-22/Entrevista.aspx

- Techno-fandom.org, Prius Inverter Dissasembly, 15 de julio del 2011,

http://www.techno-fandom.org/~hobbit/cars/ginv/i2compon.html

- TME, Módulos IGBT, 10 de julio del 2011,

http://www.tme.eu/es/katalog/modulosigbt_100311/#id_category%3D100311

%26

- S/a, Toyota Prius, 19 de julio del 2011,

http://en.wikipedia.org/wiki/Toyota_Prius

- S/a, Transistor IGBT, 15 de julio del 2011,

http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_IGBT

- S/a, Combustible fósiles, 02 de febrero del 2011,

http://es.wikipedia.org/wiki/Combustible_f%C3%B3sil

- S/a, Vehículos Híbridos, 28 de enero del 2011,

http://www.mecanicavirtual.org/hibridos-prius.htm

- S/a, Hybrid Synergy Drive, 01 de febrero del 2011,

http://en.wikipedia.org/wiki/Hybrid_Synergy_Drive

- S/a, Toyota Series – Hybrid, 03 de febrero del 2011,

http://www.autoshop101.com/

- S/a, Transistor IGBT, 10 de julio del 2011,

http://ccpot.galeon.com/enlaces1737117.html

- Toyota Motor Corporation, Emisiones Poluentes Automotrices, 10 de julio del

2011,

http://grupos.emagister.com/ficheros/vcruzada?idGrupo=1092&idFichero=307

28

- Toyota Motor Corporation, Toyota Hybrid System, 10 de junio del 2011,

http://techno-fandom.org/~hobbit/cars/THS_ii_part_1.pdf

104

ANEXO A

TRANSISTOR IGBT

El transistor bipolar de compuerta aislada (IGBT– Insulated Gate Bipolar

Transistor) utilizado en el conjunto inversor del sistema THS-II es un dispositivo

que combina las ventajas de los transistores BJT y de los MOSFET. Teniendo una

alta impedancia de entrada igual que los MOSFET, y bajas perdidas de

conducción en estado activo como los BJT, y no presentan ningún problema de

ruptura secundaria como los BJT.

El IGBT es un dispositivo controlado por voltaje, similar a un MOSFET de

potencia. Tiene menores perdidas de conmutación y de conducción, posee muchas

de las características de los MOSFET de potencia, como la facilidad de excitación

de compuerta, la corriente de pico, la capacidad y la resistencia. Un IGBT es

inherentemente más rápido que un BJT. Sin embargo, la velocidad de

conmutación de los IGBT es inferior a la de los MOSFET.

La tensión de control de compuerta es de unos 15V. Esto ofrece la ventaja de

controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil

en la compuerta.

El IGBT es una conexión integrada de un MOSFET y un BJT. El circuito de

excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de

conducción son similares a las del BJT. El IGBT es adecuado para velocidades de

conmutación de hasta 20 KHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones.

105

Simbología

Es un componente de tres terminales que se denominan GATE (G) o compuerta,

COLECTOR (C) y EMISOR (E) y su símbolo corresponde al dibujo de la figura

siguiente:

Fig.A.1 Representación simbólica del transistor IGBT

a) Como BJT y b) Como MOSFET

Su estructura microelectrónica es bastante compleja es por ello que generalmente

se lo describe en base a su esquema eléctrico equivalente.

Fig.A.2 Esquema eléctrico equivalente del IGBT

106

Fig. A.3Curva característica del IGBT

Funcionamiento

Consideremos a un IGBT que se encuentre bloqueado inicialmente. Esto significa

que no existe ningún voltaje aplicado al gate. Si un voltaje VGS es aplicado al

gate, el IGBT se enciende inmediatamente, la corriente ID es conducida y el

voltaje VDS se va desde el valor de bloqueo hasta cero. La corriente ID persiste

para el tiempo tON en el que la señal en el gate es aplicada. Para encender el

IGBT, la terminal drain D debe ser polarizada positivamente con respecto a la

terminal S. La señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado al

gate G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de

15V, puede causar que el tiempo de encendido sea menor a 1µs, después de lo

cual la corriente de drain iD es igual a la corriente de carga IL (asumida como

constante). Una vez encendido, el dispositivo se mantiene así por una señal de

voltaje en el gate. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de

potencia en el gate es muy baja.

107

EL IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal

gate. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar

apenas 2 micro segundos, por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en

el rango de los hasta 50 kHz.

EL IGBT requiere un valor límite VGS(TH) para el estado de cambio de

encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4V. Arriba de este valor

el voltaje VDS cae a un valor bajo cercano a los 2V. Como el voltaje de estado de

encendido se mantiene bajo, el gate debe tener un voltaje arriba de 15V, y la

corriente iD se auto limita.

Características en un IGBT

− IDmax limitada por efecto Latch-up.

− VGSmax limitada por el espesor del óxido de silicio.

− Se diseña para que cuando VGS = VGSmax la corriente de cortocircuito sea entre

4 a 10 veces la nominal (zona activa con VDS=Vmax).

− VDSmax es la tensión de ruptura del transistor pnp. Existen en el mercado

IGBT’s con valores de 600, 1.200, 1.700, 2.100 y 3.300 voltios.

− La temperatura máxima de la unión suele ser de 150ºC.

− Existen en el mercado IGBT’s encapsulados que soportan hasta 400 o 600

Amperios.

− La tensión VDS apenas varía con la temperatura. Se pueden conectar en paralelo

fácilmente; consiguiendo grandes corrientes con facilidad, p.ej. 1.200 o 1.600

Amperios.

− En la actualidad es el dispositivo más usado para potencias entre varios kW y un

par de MW, trabajando a frecuencias desde 5 kHz a 40kHz.

El IGBT como se ha mencionado es usado en aplicaciones de alta y media

potencia como en fuentes conmutadas, control de tracción en motores, cocinas de

inducción, convertidores e inversores monofásico y trifásicos. Grandes módulos

de IGBT como se observa en la figura a continuación y que consisten en muchos

108

dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden

de cientos de amperios con voltajes de bloqueo de 6.000 voltios.

Fig. A.4 Imagen de un Módulo IGBT

Se pudiese considerar al IGBT como un transistor Darlington híbrido. Tiene la

capacidad de manejo de corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de

base para mantenerse en conducción. Sin embargo las corrientes transitorias de

conmutación de la base pueden ser igualmente altas.

Los transistores IGBT tienen gran importancia debido que han permitido

desarrollos que no habían sido viables hasta su invención, en particular los

variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en maquinas eléctricas y

convertidores de potencia.

109

Fig.A.5 Módulo con 7 IGBT’s encapsulados.

1200V, 75 Amp, 105x45x18mm

Fig. A.6 Vista de los IGBT's de los módulos de poder integrados

del Camry 2008 (izquierda) y Prius 2004 (derecha).

110

ANEXO B

MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA 1NZ-FXE

El motor 1NZ-FXE es una de las dos fuentes de energía para el Prius. El 1NZ-

FXE es un modelo en línea de 1.5 litros y de 4 cilindros con tecnología VVT-

i (Variable Valve Timing with Intelligence) y ETCS-i (Electronic Throttle Control

System – Intelligent). El motor 1NZ-FXE incluye una serie de modificaciones que

mejoran el rendimiento, la economía del combustible y proporciona emisiones

más limpias en vehículos híbridos.

Fig. B.1 Motor 1NZ-FXE de 1.5 litros y 4 cilindros

Un aspecto único del motor 1NZ-FXE es la sincronización de válvulas de

ciclo Atkinson, que permite que el motor reduzca las emisiones mediante la

variación de la relación entre el tiempo de compresión y la carrera de expansión.

Otra de las características incorporadas a partir del modelo 2004 es un sistema de

almacenamiento del calor del refrigerante del motor. Este sistema recupera el

refrigerante caliente y lo almacena en un tanque aislado en el que se mantiene

111

caliente durante un máximo de tres días. Más tarde, una bomba eléctrica hace

circular el refrigerante caliente a través del motor para reducir las emisiones

de HC que normalmente son asociadas con un arranque en frío.

Tabla B.1 Especificaciones técnicas del motor 1NZ-FXE

Modelo Prius 2004 Tipo de motor 1NZ‐FXE Número de cilindros 4 cilindros, en línea Sistema de distribución 16‐Valve DOHC,

Cadena con sistema VVt‐iCámara de combustión Tipo Pentroof Múltiple de admisión Tipo flujo cruzado Sistema de inyección SFI Cilindrada cm3 (cu. in.) Diámetro x carrera mm (in.)

1497 (91.3) 75.0 x 84.7 (2.95 x 3.33)

Relación de compresión 13.0 : 1 Potencia máxima (SAE – NET) 57 kv @ 5000 rpm

(76 HP @ 5000 rpm) Torque máximo (SAE – 111 N.m @ 1200 rpm

(82 ft.1bf @ 4200 rpm)

Tiempo de apertura Y cierre de válvulas

Admisión Apertura 18° ~ ‐25° APMS Cierre 72° ~ 115° DPMI

Escape Apertura 34° APMI Cierre 2° DPMS

Orden de encendido 1‐3‐4‐2 Número de octanos 91 o superior Masa del motor kg (

86.1 (189.8)

Tipo de aceite API SJ, SL, EC or ILSAC Regulación de emisiones de escape SULEV Regulación de emisiones evaporativas AT‐PZEV. ORVR

VVT-i y el ciclo Atkinson

VVT-i permite que el sistema de control del motor pueda ajustar de forma

independiente la sincronización de válvulas. Se utiliza esta característica para

cambiar de un motor de combustión interna de ciclo convencional a un motor de

ciclo Atkinson.

112

En un motor de ciclo Atkinson, la válvula de admisión se mantiene abierta hasta

bien entrada la carrera de compresión. Mientras que la válvula está abierta, parte

del volumen de aire que ingresó en el cilindro se ve obligado a regresar al colector

de admisión. Esto crea una reducción efectiva de la cilindrada del motor. Al

utilizar el sistema VVT-i para ajustar continuamente la sincronización de válvulas

de admisión entre una sincronización tipo ciclo Atkinson y una sincronización de

válvulas de tipo convencional, el motor puede maximizar la eficiencia del

combustible siempre que sea posible y seguir produciendo la máxima potencia

cuando sea necesario.

Fig. B.2 Operación del sistema VVT-i en el motor 1NZ-FXE

El retraso del cierre de la válvula de admisión está en el rango de 72° a 105°

después del punto medio inferior, el valor es ajustado continuamente por el

sistema VVT-i en función de las condiciones de operación del motor.

113

ANEXO C

VISTA EN SECCIÓN TRANSVERSAL DEL MOTOR DE

COMBUSTIÓN INTERNA Y EL TRANSEJE HÍBRIDO DEL

SISTEMA THS-II

Fig. C.1 Vista en sección transversal del MCI y el transeje híbrido

Documents

Estudio Del Funcionamiento Del Sistema Hibrido Ths-2