Esta tecnología fue nombrada "Tecnología del Año" en 2007 por la revista Automobile . [1]
Historia
El concepto híbrido de modo dual, como se describió en 1994, fue desarrollado para optimizar la eficiencia del vehículo al cambiar entre el funcionamiento híbrido en paralelo y en serie , aprovechando el funcionamiento en serie en el tráfico de paradas y arranques para minimizar la variación de la velocidad del motor y el funcionamiento en paralelo a velocidades de autopista para utilizar una transmisión mecánica eficiente. [2] : 4 El 30 de septiembre de 1993, el Departamento de Energía de los Estados Unidos firmó un contrato con General Motors para desarrollar y demostrar sistemas de propulsión eléctricos híbridos para vehículos ligeros. [3] : 22 El AHS-2 se derivó de un sistema híbrido de modo dual desarrollado anteriormente por Allison Transmission , entonces una división de GM, para autobuses de tránsito . El sistema Allison se había anunciado por primera vez para autobuses en 2003. [4]
Se formó una asociación
La alianza GM/DaimlerChrysler se anunció el 13 de diciembre de 2004, con Dieter Zetsche de DaimlerChrysler uniéndose a Rick Wagoner de GM en el escenario con un prototipo. [5] Las negociaciones habían comenzado a principios de octubre, después de que los gerentes de ingeniería de ambas compañías descubrieran que estaban trabajando independientemente en conceptos híbridos de modo dual similares mientras participaban en el mismo panel de la conferencia. [6] Sin embargo, el acuerdo no se firmó hasta agosto siguiente. [7] Se informó que GM era responsable del desarrollo de sistemas de tracción trasera y en las cuatro ruedas para camiones y automóviles con tracción delantera, mientras que DaimlerChrysler se centró en una aplicación de tracción trasera para automóviles de lujo. [7] Se anunció el 7 de septiembre de 2005 que BMW también se uniría a la alianza, probablemente utilizando el sistema de tracción trasera de su entonces archirrival DaimlerChrysler. [7]
Las tres empresas formaron una organización llamada Global Hybrid Cooperation con ingeniería y gestión centradas en el Centro de Desarrollo Híbrido de GM, DaimlerChrysler y BMW en Troy, Michigan . [7] En 2006, un artículo publicado por Autoweek afirmó que los tres fabricantes de automóviles planeaban gastar mil millones de dólares en conjunto para desarrollar las transmisiones híbridas de tracción delantera y trasera. [8]
Vehículos introducidos
El sistema híbrido de dos modos se introdujo en el mercado de vehículos ligeros como una opción de transmisión para el Chevrolet Tahoe y el GMC Yukon del año modelo 2008 , [9] con una mejora observada en el ahorro de combustible del 27-58% en comparación con un equivalente con motor convencional. [10] GM introdujo la opción híbrida para el Chevrolet Silverado del año modelo 2009 , [11] GMC Sierra y Cadillac Escalade . La mayor mejora fue en la clasificación de ciudad de la EPA. [12] El equipo híbrido de modo dual agregó aproximadamente 350 lb (160 kg), pero este aumento fue compensado completamente por asientos, ruedas y batería de 12 voltios más livianos; componentes de carrocería y motor de aluminio; y la eliminación del motor de arranque . [10] Estaba equipado con motores LFA y LZ1 V-8 de 6.0L con Active Fuel Management , que era más grande que el motor base LY5 estándar de 5.3L . [10]
El 1 de marzo de 2007, BMW y DaimlerChrysler anunciaron que iban a iniciar una asociación independiente para desarrollar un módulo híbrido suave para automóviles de alta gama con tracción trasera. [18] [19] Planeaban implementar el nuevo sistema en los próximos tres años en vehículos BMW y Mercedes-Benz. GM no participó en la nueva asociación y no anunció planes para desarrollar un sistema híbrido de tracción trasera similar para automóviles. [20]
En 2009, Mercedes lanzó el híbrido suave S400, que utiliza una batería de iones de litio . [21] En julio de 2009 se informó que, después de las próximas presentaciones de los modelos híbridos de dos modos del BMW X6 (comercializado globalmente) y la clase M de Mercedes-Benz (solo en los Estados Unidos), la empresa conjunta híbrida de dos modos se disolvería. Daimler indicó que quiere evitar invertir en posventa y servicio para un vehículo que solo se producirá en pequeñas cantidades, y en su lugar se concentrará en bloques de construcción híbridos modulares con baterías de iones de litio escalables , basadas en el sistema híbrido desarrollado para los sedanes de la clase S y la serie 7 por la empresa conjunta con BMW y el proveedor de automóviles Continental AG . [22]
En 2014, el sistema de propulsión híbrido de dos modos ya no se ofrecía en ningún vehículo liviano. [9]
Tecnología
Componentes
Esquema de unidad de accionamiento híbrido de modo dual, basado en la patente de EE. UU. 6.953.409 B2 [23]
La unidad de accionamiento híbrido de modo dual incluye dos motores-generadores de CA (MG-A y MG-B, cada uno son máquinas de imán permanente trifásicas con una salida máxima de 82 kW (110 hp)), [24] tres conjuntos de engranajes planetarios interconectados (P1, P2 y P3), cuatro embragues de fricción de acoplamiento selectivo (C1, C2, C3 y C4) y dos bombas de aceite. [1]
Esta unidad de transmisión híbrida está acoplada al motor y reemplaza a una transmisión convencional . El cigüeñal del motor está acoplado a la unidad de transmisión mediante un embrague y un amortiguador de par (TD), que reemplaza al convertidor de par que se utiliza en la mayoría de las transmisiones automáticas . Toda la unidad de transmisión es comparable en tamaño y forma a una transmisión Allison 1000. Se utiliza un paquete de baterías de 300 voltios para almacenar energía para los dos motores-generadores.
Descripción general
General Motors ha designado la unidad motriz como 2ML70; [25] para los vehículos BMW y DaimlerChrysler, es el GM-Allison AHS-2. [26] La tecnología se conoce como un sistema híbrido de "dos modos" porque la unidad de transmisión/tracción puede transferir energía eléctrica, energía mecánica o una combinación de ambas a las ruedas, operando como un híbrido en serie, utilizando el motor de combustión interna únicamente para generar energía eléctrica, o como un híbrido paralelo, utilizando el motor o los motores eléctricos para aumentar la potencia mecánica del motor. [27] Los dos modos de funcionamiento son:
Esquema del modo 1Modo de división de entrada : C1 activado; [23] : col.8 ll.57–59 la velocidad de rotación del 2.º motor (MG-B) siempre es proporcional al eje de salida, mientras que el 1.er motor (MG-A) no es proporcional al eje de entrada. El 2.º motor eléctrico impulsa directamente la salida y es posible conducir el vehículo sin motor de combustión. El flujo de potencia se divide solo en la entrada, por eso se llama división de entrada . A bajas velocidades, el vehículo puede moverse con el motor/generadores eléctricos, el motor de combustión interna o ambos, lo que lo convierte en un denominado híbrido completo. Todos los accesorios seguirán funcionando con energía eléctrica y el motor puede reiniciarse instantáneamente si es necesario. En este modo, uno de los motores/generadores (MG-A) actúa como generador, mientras que el otro funciona como motor (MG-B). Este modo está operativo para los dos rangos continuamente variables ( división de entrada y división compuesta ) de la transmisión. [28]
Esquema del modo 2Modo compuesto-dividido — C1 desacoplado, C2 acoplado; [23] : col.8 ll.59–63 la velocidad de rotación del 2º motor (MG-B) no es proporcional al eje de salida, como el 1º motor (MG-A) no es proporcional al eje de entrada. El flujo de potencia se divide en la entrada y en la salida, por eso se llama compuesto-dividido . Es imposible conducir el vehículo sin motor de combustión. Este modo comienza en el punto donde uno de los motores/generadores alcanza la velocidad cero; en este punto algunos embragues dentro del sistema se acoplan mientras que otros se desacoplan para alterar la configuración física de la transmisión, y la velocidad es V shift . Inmediatamente después del cambio, ambas máquinas eléctricas funcionan como motores y se emplea la primera relación de transmisión. A una velocidad dada por encima de V shift , se emplea la segunda relación de transmisión y MG-B comienza a funcionar como generador, mientras que también reduce su velocidad angular. [28]
Este sistema amplifica la salida de los motores eléctricos de manera similar a como una transmisión convencional amplifica el par de un motor de combustión interna. También, cuando es necesario, permite transferir más par del motor a las ruedas, lo que hace que la transmisión sea más eficiente incluso sin los motores eléctricos en uso. Aunque mecánicamente la transmisión solo tiene cuatro relaciones de transmisión convencionales, los motores eléctricos le permiten funcionar como una transmisión continuamente variable . Esta relación variable funciona además de la multiplicación del par de los engranajes planetarios .
Cómo funciona
Diagrama de EVT híbrido de dos modos con división de entrada y división compuesta, coloreado a partir de la Figura 3 de la patente de EE. UU. 6,953,409 B2 [23]
El modo I ("división de entrada") está pensado para el rango de velocidades que se encuentran comúnmente durante la conducción urbana, mientras que el modo II ("división compuesta") está pensado para el rango más alto de velocidades que se encuentran durante los viajes en carretera. [23] : col.10 ll.50–54 Dentro de estos modos, hay cuatro posibles relaciones de transmisión fijas, dos en cada modo, en las que se activa un embrague adicional.
La relación de transmisión fija más baja, que está en el Modo I, sincroniza ambos motores-generadores, lo que permite que el vehículo los use como motores para aumentar la potencia mecánica para una aceleración más fuerte, o como generadores para el frenado regenerativo. [23] : col.11 ll.10–17 La segunda relación de transmisión fija, también en el Modo I, permite que los motores-generadores giren libremente, lo que reduce las pérdidas a velocidades más altas y mejora la eficiencia general. [23] : col.11 ll.45–49
De manera similar, la tercera relación de transmisión fija, que está en el Modo II, sincroniza ambos motores-generadores para permitir el refuerzo del motor eléctrico o el frenado regenerativo, [23] : col.12 ll.52–56 y la cuarta relación de transmisión fija, también en el Modo II, permite que ambos motores-generadores giren libremente para una mayor eficiencia, confiando únicamente en la transmisión de potencia mecánica para mover el vehículo. [23] : col.11 ll.57–62
Generalmente, el vehículo arrancará desde el reposo en el Modo I; [23] : col.9 ll.53–61 a medida que aumentan las velocidades, la transmisión pasará a la primera relación de transmisión fija, volverá al Modo I y luego pasará a la segunda relación de transmisión fija antes de ingresar al Modo II. [23] : col.11 ll.53–56
En el Modo II, a diferencia del Modo I, no hay puntos de ajuste de velocidad definidos para entrar o salir de la tercera o cuarta relación de transmisión fija, sino que la tercera relación de transmisión fija está destinada a cambiar de velocidad (acelerar para pasar o disminuir la velocidad), utilizando entradas de la posición del acelerador, mientras que la cuarta relación de transmisión fija sirve para el mismo propósito que una relación de sobremarcha , para una mejor eficiencia a altas velocidades.
Al dar marcha atrás, el vehículo permanece en modo I, utilizando uno de los motor-generadores para tracción. [23] : col.13 ll.19–24
Funcionamiento de la transmisión Allison (AHS-2), o híbrida de dos modos, de la Global Hybrid Cooperation. Esta transmisión está instalada en el BMW X6 ActiveHybrid y el Mercedes-Benz ML450 BlueHybrid. [29]
Esquema de transmisión híbrida de dos modos
Según la patente, los engranajes planetarios P1 y P2 están compuestos, con MG-A impulsando (o siendo impulsado por) el engranaje solar de P1, que está acoplado al engranaje anular de P2, y los portadores de los engranajes planetarios en P1 y P2 están acoplados. [23] : col.6 ll.24–33 De manera similar, MG-B impulsa (o es impulsado por) el engranaje solar de P2, que está acoplado al engranaje solar de P3 a través de un eje hueco. [23] : col.6 ll.54–64
Comparación con otros sistemas híbridos
El sistema Hybrid Synergy Drive de Toyota puede parecer similar en el sentido de que también combina la potencia de un motor de combustión interna y un par de motores-generadores eléctricos ; sin embargo, en su forma actual, Toyota utiliza solo un conjunto de engranajes planetarios que proporciona solo funcionalidad de modo único (es decir, solo división de entrada) utilizando una arquitectura serie/paralelo. [30]
El sistema Integrated Motor Assist de Honda utiliza un motor de combustión interna tradicional y una transmisión donde el volante se reemplaza por un motor eléctrico: es una arquitectura paralela simple, [30] que requiere la adición de una transmisión mecánica continuamente variable (CVT), es decir, no eléctricamente variable.
El sistema de propulsión híbrido de dos modos fabricado por Allison Transmission se utilizó por primera vez en los autobuses de tránsito New Flyer que entraron en servicio comercial en 2004; [31] en pruebas en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable , el ahorro de combustible medido mejoró de 1,46–3,03 mpg ‑US (161–78 l/100 km) para un autobús diésel convencional a 2,56–3,98 mpg ‑US (91,9–59,1 l/100 km) con la unidad de propulsión híbrida en un autobús equivalente durante los mismos ciclos operativos, lo que representa una mejora del 30,3 – 74,7%. [32] : 10
En 2008, Allison había entregado 1.000 sistemas de propulsión híbridos. [33] Desde entonces, muchos operadores de tránsito han recibido autobuses con el sistema híbrido Allison, entre ellos:
Consorcio (dirigido por San Joaquín RTD ) de 10 agencias de tránsito en California y Nevada (157 autobuses Gillig anunciados el 20 de marzo de 2006).
Nota: ABQ RIDE de Albuquerque, Nuevo México, anteriormente era miembro de este consorcio, pero decidió solicitar los autobuses New Flyer por su cuenta.
Madison, Wisconsin Madison Metro (5 autobuses Gillig anunciados el 11 de septiembre de 2007, con 10 más planeados para ser comprados en los próximos años)
En 2020, Allison presentó sus unidades de propulsión híbridas de dos modos de segunda generación, denominadas eGen Flex, actualizando las unidades de propulsión H 40 EP y H 50 EP existentes con un embrague de desconexión, lo que permite que el motor se apague por completo, y agregando una segunda línea denominada eGen Flex Max, que ofrece propulsión totalmente eléctrica con una química de batería de titanato de litio . [34] [35]
Camión/SUV con tracción trasera/tracción en las cuatro ruedas
El sistema longitudinal para camionetas ligeras de General Motors será fabricado en Baltimore Transmission por la división PowerTrain de GM. Las baterías de níquel-hidruro metálico serán fabricadas por Panasonic EV de Japón.
El sistema se introdujo en el año modelo 2008 en los SUV Chevrolet Tahoe y GMC Yukon de tamaño completo como un modelo híbrido de dos modos específico. Los camiones ligeros con tracción trasera y tracción en las cuatro ruedas que utilizan el sistema híbrido de dos modos incluyen:
Concepto de SUV híbrido GMC Graphyte (mostrado en el NAIAS 2005 )
Saab 9-3 BioPower Hybrid Concept (mostrado en el Salón Internacional del Automóvil Británico de 2006) [37]
SUV híbrido enchufable de dos modos Saturn Vue 2010 , una mejora del 45 % respecto de la versión híbrida suave según GM [38] (originalmente pensado para el año modelo 2009, se retrasó y finalmente se canceló debido a la desaparición de Saturn como división de GM, nunca entró en producción)
Producto GM no revelado de 2011 (posiblemente un nuevo vehículo utilitario "crossover" Buick o un sedán Cadillac con tracción total) [39] [40]
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Enlaces externos
Simulación híbrida de modo dual | MATLAB Archivado el 1 de mayo de 2016 en Wayback Machine
Evaluación comparativa de transmisiones con distribución de potencia en vehículos híbridos
Transmisión eléctricamente variable que tiene dos juegos de engranajes planetarios con una interconexión fija, solicitud de patente de EE. UU. 2006/0111213 A1
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