Tecnología de los Au-tomóviles Mild HybridResumen- Los autos mild hybrids son usualmente confundidos con los autos completamente híbridos y eléctricos. Este artículo pretende ex-plicar las características que hacen a un auto híbrido un mild hybrid. Describe los requerimientos de la arquitectura mild hybrid, explica el control de flujo de potencia, el fre-nado regenerativo y la asistencia energética en los sistemas mild hy-brid.

1. IntroducciónLos primeros fabricantes de au-

tomóviles no discriminaban entre motores eléctricos o de combustión interna (MCI). Para finales del siglo XIX, los vehículos eléctricos lidera-ban el mercado, pero los altos pre-cios de producción y los avances en los automóviles de combustión los relegaron por casi un siglo. Recien-temente el incremento del precio global del combustible y la disminu-ción de las fuentes de petróleo han causado una preocupación por el medio ambiente. Esta preocupación global se ve reflejada en los auto-móviles, principales consumidores del combustible. Debido a esta posi-ción del mercado las principales marcas de automóviles cambiaron su enfoque a autos más “eco-amiga-bles”. Los últimos avances en la tec-nología de baterías y computadores a bordo permitieron a fabricantes como Toyota enfocarse en autos hí-bridos. [1]

2. Justificación para Mild Hybri-ds

Los autos convencionales que funcionan con un MCI, tienen una eficiencia limitada por el ciclo de

Carnot de aproximadamente 40%, la cual sólo se puede lograr en ran-gos muy específicos de torque-velo-cidad. Es una preocupación de los fabricantes de automóviles mante-ner la eficiencia durante el manejo [2]. La industria como respuesta di-rigió sus impulsos hacia los autos hí-bridos en sus distintas formas. Los sistemas mild-hybrids, aparecen co-mo una alternativa sobre los com-pletamente híbridos, pues son más baratos de producir. Otorgan las ventajas de un sistema completa-mente híbrido con una betería más pequeña y un motor/generador (M/G) más débil. [3]

3. El concepto de Mild HybridUn mild hybrid (parcialmente hí-

brido o de media hibridación) con-siste en un vehículo hibrido que opera con electricidad y gasolina. Este funciona por medio de un MCI para mover el vehículo siempre, y un motor eléctrico utilizado solo pa-ra impulsar el vehículo con más po-tencia. Es decir que el motor eléctri-co no puede mover el vehículo por sí mismo sino que es utilizado para proveer mayor potencia de la sumi-nistrada solo por el MCI. Básicamen-te los componentes de un mild hy-brid son los mismos que los de un híbrido completo solo que las fun-ciones de los componentes han sido modificadas un poco. Estos poseen una batería y un motor/generador eléctrico operando en conjunto con un motor de combustión interna pa-ra proporcionar un mayor torque al igual que proveer frenado regenera-tivo.

Figura 1. Conexión de un mild hy-brid [4]

Un componente importante de los sistemas híbridos es la batería, en los mild hybrids ha sido de plo-mo acido, níquel e hidruro metálico y de ion-litio; las cuales utilizan la mayoría de los sistemas actualmen-te. [3] [4]

4. Mild Hybrids y otros vehículosTécnicamente un vehículo híbri-

do es todo vehículo que utiliza dos o más sistemas de propulsión separa-dos para impulsarse. Estos pueden trabajar separados o juntos para mover el vehículo, a diferencia de los vehículos convencionales que solo utilizan un sistema de propul-sión para mover el vehículo. A pesar del avance que representan los vehículos híbridos estos aún consu-men combustible, lo que es una desventaja ya que no se elimina del todo el uso de los derivados del pe-tróleo. Por otro lado están los vehículos puramente eléctricos los cuales funcionan impulsados única-mente por un motor eléctrico. Estos obtienen eficiencias energéticas muy altas debido a que no poseen un MCI. Su única desventaja es el tiempo de recarga (unos 30 minutos mínimo) y las baterías como medio de almacenamiento de energía. A diferencia de estos vehículos los mild hybrids no poseen un motor eléctrico que pueda impulsar el vehículo por sí mismo. Al igual que un vehículo convencional es impul-sado por el MCI, aunque con la asis-

tencia del motor eléctrico para au-mentar la potencia cuando sea ne-cesario.

A pesar de no tener el ahorro de combustible de un vehículo comple-tamente híbrido o la gran eficiencia energética de un vehículo eléctrico, los mild hybrids todavía ofrecen una mayor eficiencia de combustible comparado a vehículos convencio-nales ya que ahorran combustible cuando el MCI se apaga, cuando el vehículo está detenido y al frenar; además del frenado regenerativo y a que el motor eléctrico ayuda a in-crementar la eficiencia de arranque del MCI. Un mild hybrid técnicamen-te es más parecido a un vehículo de gasolina convencional que a un vehículo híbrido o eléctrico ya que su motor eléctrico solo sirve de asis-tencia. [5][6]

5. Componentes de un Mild Hy-brid

Para que un auto sea considera-do mild hybrid debe de cumplir con tres requisitos. El flujo de potencia debe de ser controlado de forma in-teligente, el sistema debe hacer uso del frenado regenerativo y tiene que ser capaz de asistir al motor duran-te el ciclo de conducción.

5.1 Control del Power FlowEl control del flujo de energía dis-

minuye las perdidas en un mild hy-brid e incrementa la eficiencia del automóvil.

La teoría de control óptimo ofre-ce una manera de investigar el sis-tema y su sensibilidad a las varia-ciones de los parámetros en la fun-ción de pérdida de una manera sis-temática [7].Considere una pérdida de la función que describe las pérdidas de poten-cia:

Donde: Pmech = Pmech(t) = T(t) ω(t) es la po-tencia mecánica del eje.ηICE: es la eficiencia del motor de combustión interna desde la energía química a energía mecánica.ηGen es el generador y la eficiencia invertida desde la potencia mecáni-ca a la potencia eléctrica.“ρ”: es el factor de ponderación en-tre las pérdidas en la batería y las pérdidas entre el motor de combus-tión interna y el generador y la elec-trónica de potencia.

Tiene sentido hacer ρ dependien-te de una serie de parámetros ρ = ρ (X), de esta manera es posible in-corporar información adicional sobre el tratamiento de la batería.

Un ejemplo es que algunas bate-rías no pueden ser cargadas y des-cargadas con la misma potencia. Al hacer ρ grande para corrientes posi-tivas y ρ para pequeñas corrientes negativas, este comportamiento es capturado en la función de pérdida [8].

Para poder aplicar esta función de pérdida para el modelo. La co-rriente de la batería tiene que ser conocido.La potencia en la batería es:

Lo que buscamos es minimizar las pérdidas por más de un ciclo de conducción.

Esto se puede interpretar como la pérdida total de energía durante el ciclo de conducción. Con el fin de poder comparar diferentes funcio-nes de pérdida y para hacer la ope-

ración autónoma (sin carga de la red eléctrica). La carga neta de la batería debe ser cero al final del ci-clo de conducción. Otra posibilidad es la de descargar las baterías por una pequeña cantidad suministrada para cada viaje, de manera que es-tén casi vacías al final del día y des-pués se carga de la red eléctrica du-rante la noche. Esto probablemente afectará el control mientras que las pérdidas de la batería aumentan cuando la batería se está descar-gando. La optimización entonces se debe realizar durante el día entero.

El objetivo principal con el con-trol del power flow es hacer que las pérdidas en el sistema sean tan pe-queñas como sea posible. Minimi-zando pérdidas de más de un ciclo de conducción. Si el vehículo siem-pre opera en modo híbrido, enton-ces el tamaño de la batería estará dado por la potencia máxima reque-rida junto con el tamaño y el funcio-namiento del motor de combustión interna. La batería tiene que ser ca-paz de entregar la potencia requeri-da para la operación más lenta y menor del MCI.

5.2 Frenado regenerativoEl desempeño de los frenos de

un vehículo es sin duda uno de los más importantes factores que afec-tan al vehículo. Un exitoso diseño de sistema de frenado tiene que cu-brir dos importantes demandas. Pri-mero, en el frenado de emergencia, tiene que hacer que el vehículo lle-gue al reposo en la distancia más corta posible, esto se lleva a cabo al suministrar suficiente torque en to-das las ruedas. Segundo, debe man-tener el control de la dirección del vehículo, esto se consigue distribu-yendo la fuerza del frenado en todas las llantas por igual.

Al conducir un vehículo que re-quiere de grandes cantidades de po-

tencia, el motor de combustión in-terna y las baterías trabajan juntos y envían la potencia a las cajas de engranajes y estas a las llantas. Cuando el vehículo experimenta un frenado, el motor de tracción puede ser usado como un generador, con-virtiendo parte de la energía cinéti-ca del vehículo en energía eléctrica y puede ser usado como fuente de carga para las baterías de tracción eléctricas.

Las baterías, cuando llegan a un nivel bajo de carga, deben ser recar-gadas. Este proceso se realiza con el M/G, ya que el frenado regenera-tivo suple de la energía necesaria para completar la carga de las bate-rías. En este proceso el motor toma dos funciones, mover el vehículo y cargar las baterías. La potencia del motor de tracción es expresada co-mo:

Donde mveh es la masa del vehíulo con todos sus componentes, dv/dt es el cambio de la velocidad del vehículo y δrot es el cambio en la ro-tación de las masas. ρair es la densi-dad del aire, A el área proyectada del avance, CD es el coeficiente de la resistencia del aire, V es la veloci-dad del vehículo en el camino y froll es la resistencia al rodamiento de las llantas del vehículo.

Por lo tanto a velocidad constan-te y al nivel del camino, la salida de potencia de la fuente puede ser cal-culada como:

El estado de carga (SOC) de una ba-tería es la razón de la presente car-ga de la batería a la máxima carga que puede almacenar la batería. La capacidad de energía de la batería (Ec) se expresa como:

El frenado regenerativo utiliza la energía que se disipa durante las fa-ses de frenado a través del ciclo de manejo. Esta energía se puede utili-zar para alimentar el sistema de al-macenamiento de energía, como las baterías y la desaceleración del vehículo en el camino en diferentes condiciones. [9]

5.3 Power Assist y Engine Down-sizing

Otros conceptos que integran la tecnología de media hibridación son el Power Assist (o asistencia de po-tencia) y el Engine Downsizing (o miniaturización de componentes).

5.3.1 Power AssistComo ya hemos visto, el objetivo

de la hibridación es elevar el rendi-miento del automóvil haciendo que la eficiencia del sistema se incre-mente, por ello el power assist su-pone una conexión entre el M/G y el tren de potencia o transmisión, sir-viendo así de maquina auxiliar al motor de combustión interna, el cual sigue siendo la fuente primaria de potencia.

Las aplicaciones que pueden ob-tenerse al configurar de esta mane-ra al equipo de M/G – MCI – T (trans-misión), son tantas como el control aplicado lo permitan, estando entre ellas las posibilidades de: Encender el motor eléctrico cuan-

do la eficiencia del motor de com-bustión interna caiga de cierto va-lor, pudiendo así apagar la máqui-na.

Asistir al encendido de la maqui-na al momento en el que el con-trolador pide encenderla, suplien-do la potencia necesaria para ello.

En los casos en que la maquina está encendida, pero, con un su-ministro recortado de combusti-ble, el motor suple la potencia fal-

tante para el correcto funciona-miento del sistema. [10]Pero el concepto de Power Assist

no solo se encierra en los requeri-mientos mecánicos del automóvil, pues al ser un M/G, este elemento puede suplir de energía eléctrica ne-cesaria para cargar la batería en es-tados de baja carga y hasta asumir cargas eléctricas pesadas, producto de la integración de productos para la comodidad del pasajero o cual-quier carga que sobre pase la capa-cidad de los generadores y baterías actuales.

Es decir, el M/G actúa como mo-tor para asumir parte de la carga mecánica que se solicite en algún instante, dejando así la posibilidad de aminorar la carga de la maquina pudiéndola apagar para ahorrar combustible. Así como genera la energía eléctrica necesaria para mantener la batería y las cargas eléctricas.

5.3.2 Engine DownsizingEsto es, hacer más pequeña la

MCI, sabiendo que la disminución en potencia derivada de la contracción será compensada con la potencia que entrega el motor eléctrico.Al hacer más grande al alternador, y brindarle la capacidad de actuar co-mo motor haciendo que este haga Power Assist a la maquina primaria, podemos disminuir en tamaño a la propia maquina primaria; también podemos notar que se hace innece-sario dos dispositivos separados: motor de arranque y alternador, pues el M/G hace ambos trabajos.

La otra tecnología asociada a la disminución de tamaño del sistema es el uso de un estándar diferente para los niveles de voltajes, elevan-do del usado 14 o 24 volts a 42+ volts [11]; sabemos que la potencia que ha de suministrar el sistema eléctrico ha de ser la misma inde-

pendientemente del nivel de voltaje al cual lo haga, por lo que al elevar el voltaje disminuimos la corriente de suministro y a su ves las corrien-tes del sistema en general, pudien-do así utilizar cables más delgados, disminuyendo el peso y dimensio-nes del M/G y del cableado del auto.El efecto directo que presenta dis-minuir los elementos del automóvil está amarrado al ahorro de combus-tible mediante un aumento en la efi-ciencia de su uso.

6. ConclusionesLos autos mild hybrids son autos

híbridos incapaces de utilizar el mo-tor eléctrico para impulsar el auto; pero proporcionan mayor eficiencia energética comparados a los de combustible y debido a sus compo-nentes más simples son más bara-tos de producir que otros autos hí-bridos y eléctricos. Estas ventajas se obtienen controlando inteligente-mente el flujo de potencia para lo-grar transiciones suaves de la ener-gía al arrancar y parar; complemen-tado con el frenado regenerativo y la asistencia energética al MCI pro-porcionado por el motor eléctrico.

Referencias[1] Poxon, John E. W. (2009) Devel-

opment and use of a hybrid elec-tric vehicle (HEV) model for inter-active customer assessment of sound quality: innovation report. EngD thesis, University of War-wick.

[2] Havel, A., Vaculik, P., & Slivka, D. (2011). Efficient Propulsion Structure with an Axial Flux Ro-tary Converter for HEV Drive Unit. Advances In Electrical And Electronic Engineering, 9(3), 136 - 142.

[3] Abuelsamid, Sam. “What is mild hybrid?” Autobloggreen. Abril 30, 2009. Disponible en: http://

green.autoblog.com/2009/04/30/greenlings-what-is-a-mild-hybrid/

[4] Olvera, Jennifer. "5 'Mild Hybrid' Facts" GreenCar.com. Mayo 12, 2008. Disponible en: http://www.greencar.com/articles/5-mild-hybrid-facts.php

[5] Fuller, John. “What´s a mild hy-brid system?” Howstuffworks. Disponible en: http://auto.hows-tuffworks.com/fuel-efficiency/hy-brid-technology/mild-hybrid2.htm

[6] Dörffel, Dennis. “Energy Manage-ment of Hybrid Electric Vehi-cles”. University of Southamp-ton. Disponible en: http://eprints.soton.ac.uk/822/1/9months_report.pdf

[7] Vollmer, T., Hohn, B.-R., Mayer, T., and Schroder, D(1998). Oper-ational strategy and control of the autark hybrid of the TU, Mu-nich.

[8] Bryson, A. E. and Ho, Y. (1975). Applied Optimal Control; Opti-mization, Estimation and Control. Hemisphere Publishing Corpora-tion, New York.

[9] Mourad M, International Journal of Energy and Environment (IJEE), Volume 2, Issue 1, 2011, pp.161-170

[10] Zhou, Yafu and Chang (2008). Study on the Powertrain for ISG Mild Hybrid Electric Vehicle. School of Automotive engineer-ing, Dalian University of Technol-ogy, Dalian, China.

[11] Sharke, Paul (2002). Power of 42. Mechanical Engineering, 124(4), pg40.