Artículo Cientíco / Scientic Paper
Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, X Edición 2021, No. 1 (09)
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ESPE
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (1/9)
Abstract
The growth of environmental awareness worldwide
has inuenced the dierent aspects of the human
being, one of them being mobility; Thus, hoping that
the vehicles used are as ecient as possible in the use
of energy, therefore, the present work focuses on one
of the main components of the vehicles, such as the
propulsion train, which varies depending on the the
type of vehicle, and the characteristics required by each
of the technologies implemented for the use of energy.
The development shows the main characteristics of the
dierent existing propulsion systems, which will allow
the reader to obtain specialized knowledge about the
variations that vehicles can have and at a certain
moment become relevant information to choose a
specic type of vehicle according to the needs can be
of the ICV, BEV, HEV, PHEV or FCEV type.
Keywords: Propulsion, gears, eciency, hybrid,
energy.
CONFIGURACIÓN DE PROPULSIÓN DE LOS VEHÍCULOS CONVENCIONALES,
HÍBRIDOS Y ELÉCTRICOS.
PROPULSION CONFIGURATION OF CONVENTIONAL, HYBRID AND
ELECTRIC VEHICLES.
Brian Daniel Vélez Salazar
1
1
Instituto Superior Universitario Central Técnico
e-mail :
1
bvelez@istct.edu.ec
VÉLEZ /
CONFIGURACIÓN DE PROPULSIÓN DE LOS VEHÍCULOS CONVENCIONALES, HÍBRIDOS Y ELÉCTRICOS.
Resumen
El crecimiento de la conciencia medioambiental a
nivel mundial ha inuenciado a los diferentes aspectos
del ser humano, siendo uno de ellos la movilidad;
esperando así, que los vehículos utilizados sean lo
más eciente posibles en el uso de la energía, por lo
cual, el presente trabajo se concentra en uno de los
componentes principales de los vehículos como lo es
el tren de propulsión, el cual varía en función
del tipo de vehículo, y de las características que
requiere cada una de las tecnologías implementadas
para el aprovechamiento de la energía. El desarrollo
muestra las características principales de los distintos
sistemas de propulsión existentes, lo cual permitirá al
lector obtener un conocimiento especializado sobre
las variaciones que pueden tener los vehículos y en
un determinado momento constituirse en información
relevante para optar por un tipo especíco de vehículo
acorde a las necesidades pudiendo ser del tipo ICV,
BEV, HEV, PHEV o FCEV.
Palabras Clave: Propulsión, engranajes, eciencia,
híbrido, energía.
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1. Introducción
A nivel mundial, el sector transporte es considerado
como uno de los mayores consumidores de energía,
sin ser la excepción el Ecuador, que según [1] en el
año 2020, el 45,4% de la energía total consumida en el
país se debe a este rubro, que a su vez, constituyeron
37.744 kBEP (Miles de barriles equivalentes de
petróleo), concentrada en combustibles como son las
gasolinas y el diesel, que tras la combustión en
los motores de los vehículos se aprovecha un 30%
de la energía convertida en movimiento en el mejor
de los casos y el resto de la energía no aprovechada,
se disipada en forma de calor y en forma de gases
combustionados que son expulsados al ambiente.
La producción de gases nocivos para el medio
ambiente y para la salud de las personas se ha convertido
en un tema central de discusión de muchos gobiernos,
y de la industria automotriz que con la nalidad de
mejorar el aprovechamiento de la energía y reducir
la contaminación que los vehículos producen, se ha
ido creando varios tipos de vehículos con diferentes
elementos que buscan ser más amigables con el medio
ambiente, teniendo así:
BEV → Vehículo eléctrico de baterías
HEV → Vehículo híbrido eléctrico.
PHEV → Vehículo híbrido eléctrico enchufable.
FCEV → Vehículo eléctrico de celdas de energía.
ICV → Vehículo de combustión interna.
El desarrollo del presente trabajo se centrará´ en la
revisión de los diferentes tipos de trenes de propulsión
o tren motriz de los vehículos, con la nalidad de
conocer sus elementos constitutivos, la forma de
operación y las diferentes características de estos
incluida la eciencia de cada uno.
2. Desarrollo
A. Vehículo eléctrico de baterías BEV (Battery
Electric Vehicle)
Vehículo propulsado por uno o varios motores
eléctricos que transforman la energía química
almacenada en bloques de baterías a energía mecánica
que se puede distribuir a las ruedas por un sistema
de transmisión o engranajes para el movimiento del
vehículo. Consta de tres subsistemas para su adecuado
funcionamiento, primero el almacenamiento de
energía consta de fuente de energía, unidad de
gestión de energía y unidad de carga [2], segundo
la propulsión que se compone de motor eléctrico, el
convertidor electrónico de potencia, el controlador,
la transmisión y las ruedas, y el de auxiliares se
compone de controlador de temperatura, de dirección
asistida y una fuente de energía auxiliar, en la g. 1
se puede observar el ujo de interacción de los
subsistemas, y si se considera ujo inverso de energía
ayuda al frenado regenerativo para recuperarla [3].
Figura 1. Subsistemas de un BEV [4]
Para los vehículos eléctricos de batería su
autonomía se ve afectada por la manera de conducir,
las condiciones climáticas y geográcas, su
longevidad y el tipo de batería, el principal problema
es el almacenamiento ya que el tiempo de carga
de las baterías continúa siendo considerable nada
comparable a completar combustible a un tanque.
B. Vehículos híbridos eléctricos HEV (Hybrid
Electric Vehicles)
Se considera como un vehículo híbrido eléctrico
aquel que funciona a partir de dos o más fuentes de
energía diferentes, sin embargo, en la gran mayoría
de vehículos se disponen de únicamente dos fuentes
de energía, siendo por un lado la proveniente de
combustibles fósiles y transformada por un motor de
combustión interna y por otro lado energía eléctrica
almacenada y transformada por medio de un motor
eléctrico. Entre los objetivos principales de un
vehículo eléctrico se encuentra el ser más eciente
con respecto al consumo de combustible fósil y menos
contaminante que un vehículo que únicamente tiene
un motor de combustión interna.
Con la nalidad de mejorar la eciencia del
vehículo híbrido [7] se debe procurar tener un buen
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Figura 3. Propulsión paralela del HEV
3) Tren de propulsión híbrido serie-paralelo:
Este sistema surge a partir de la unión de los
sistemas serie y paralelo como su nombre lo indica
y se logra tras incluir un enlace mecánico adicional
que combina las fuentes de movimiento mecánica
por medio de un conjunto de engranajes planetarios
en un primer sistema como se aprecia en la g.4, el
cual fue simplicado mediante un motor de estator
otante llamado transmotor o transeje, cuyo diagrama
se puede apreciar en la g. 5.
Figura 4. Sistema con engranajes planetarios
Figura 5. Sistema con transmotor o transeje
diseño y operación de sus diferentes componentes
y uno de los más importantes constituye el tren de
propulsión híbrida-eléctrica que según [4] debe tener
características destacadas en:
• Potencia suciente para mover el vehículo.
• Energía suciente acorde a distancias
determinadas de desplazamiento.
• Alta eciencia.
• Baja emisión de gases contaminantes.
Se considera existen 4 tipos principales de trenes
de propulsión asociados a estos vehículos acorte a la
literatura mostrada por [4] - [6].
1) Tren de propulsión híbrido serie: El tren de
propulsión tipo híbrido serie se podría considerar
como el más simple de todos, el cual consiste en la
conexión directa del motor de combustión interna a un
generador eléctrico, el mismo que provee energía para
cargar las baterías y para alimentar al motor eléctrico,
que, a su vez, es el que realiza el movimiento de las
ruedas a través de una transmisión mecánica; como se
puede apreciar en al g. 2.
Figura 2. Propulsión serie del HEV
2) Tren de propulsión híbrido paralelo: Esta
conguración acopla el motor eléctrico y el motor
de combustión a transmisión para transmitir el
movimiento a las ruedas, por medio del funcionamiento
de cualquiera de ellos o los dos al mismo tiempo,
dependiendo del requerimiento de vehículo. La g. 2.
muestra grácamente lo descrito en el presente párrafo.
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4) Tren de propulsión híbrido complejo: Se
considera como un sistema con grandes diferencias
con respecto al tren de propulsión híbrido serie-
paralelo, debido a que permite el ujo de potencia
mecánica de forma bidireccional.
Debido a la complejidad del acoplamiento
mecánico se podría usar una transmisión continua
variable o CVT (Con- stantly variable transmission),
la cual, puede ser controlada a través de mecanismos
hidráulicos, mecánicos, hidro- mecánicos o
electromecánicos. Este sistema también se lo conoce
como e-CVT, cuyo diagrama se muestra en la g. 6.
La g. 7. muestra la estructura del sistema complejo
usado en un vehículo 4x4.
Figura 6. Sistema híbrido complejo
Figura 7. Sistema híbrido complejo 4x4
C. Vehículo híbrido eléctrico enchufable PHEV
(Plug-in Hybrid Vehicle)
El vehículo hibrido eléctrico enchufable por sus
siglas en inglés (Plug-in Hybrid eléctric Vehicle) es
la combinación de un motor de combustión interna
(MCI) alimentado por combustibles fósiles y un
motor eléctrico que lleva como fuente de alimentación
una batería de alto voltaje. Los encargados de dar la
propulsión al vehículo son el motor de combustión
interna y/o el motor eléctrico de acuerdo con el modo
en el que se encuentre el vehículo. Se alimentan de
dos fuentes exteriores de energías, provenientes de los
combustibles derivados del petróleo como la gasolina
y el diésel que permiten mover el motor térmico y,
de la electricidad que es proporcionada por la red
que permite recargar la bacteria. Es básicamente un
vehículo hibrido con una la capacidad de enchufarlo
a la red eléctrica, lo que elimina la dependencia
del motor de combustión interna para la carga de
las bacterias como ocurre en los vehículos híbridos
convencionales. [7]
Desde el punto de vista del cuidado del medio
ambiente y sostenibilidad, se añade la gran ventaja del
vehículo hibrido enchufable de que se puede cargar con
electricidad proveniente de fuentes renovables como
son fuentes eólicas o solares, facilitando la inserción
de estas fuentes en el sector transporte y ayudando
de esta manera a incrementar la eciencia energética
y en consecuencia a disminuir las emisiones que
contaminan el medio. Además, que su carga habitual
será´ a horas de descanso del usuario, es decir por lo
general en las noches, hora en que la electricidad en la
mayoría de los países disminuye su costo [8].
Figura 8. Diferencias entre los tipos de vehículos eléctricos [9]
Los vehículos híbridos enchufable cuentan con
la gran ventaja que, al tener los dos motores como
propulsores de estos, se equilibra la dependencia de
combustibles fósiles y de electricidad, aumentando
su autonomía. En la Fig. 8 se puede observar cómo
aumentando la parte eléctrica también aumentamos el
porcentaje de hibridación, y mientras aumenta la tasa
de hibridación el golpe al medio ambiente disminuye,
y a su vez la complejidad de los sistemas como son
los conoces, acoplamientos, repartición de energía,
entre otros caen aumento hasta eliminar por completo
la presencia de un motor térmico [9].
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D. Vehículo eléctrico de celdas de energía FCEV
(Fuel Cell Electric Vehicle)
1) Pila de combustible: Para comprender de mejor
manera este tipo de propulsión eléctrica es necesario
conceptualizar lo que es una pila de combustible, por
lo que podemos decir que la misma es la encargada
de transformar mediante un proceso electroquímico la
energía que produce un combustible como puede ser
la gasolina o en ciertos casos hidrogeno en una energía
eléctrica. [13] Existen aproximadamente 6 tipos de
pila de combustible, sin embargo, la más utilizada
es la de membrana de intercambio protónico
(PEMFC) en donde el combustible utilizado es el
hidrogeno como se puede observar en la Fig. 20 en
donde se puede aprecia que para que esta pila funcione
es necesario que se suministre a la misma hidrogeno
(H2) y oxigeno (O2), y se obtiene como salida una
fuente de energía eléctrica y agua (H2O), esta última
es también es utilizada para mantener la membrana
humectada [14].
Figura 9. Esquema de la pila de membrana de intercambio protónico.
Las pilas PEMFC son ideales para ser utilizadas en
vehículos de transporte eléctrico y marcas como BMW,
Ford, Honda las han utilizado para la construcción
de los mismos, ya que trabajan a temperaturas que
oscilan entre los 60-120ºC los cual son relativamente
bajas en comparación con otro tipo de pilas, además
de que su rendimiento energético puede llegar a
alcanzar hasta un 50%, otra de las ventajas de este
tipo de pilas es que no solo pueden ser utilizadas
con hidrogeno como combustible principal, sino
que también pueden ser alimentadas con metanol,
aunque con este componente la eciencia se ve
mermada [15].
Además, es necesario tomar en cuenta que las pilas
de hidrógeno son muy superiores a otros generadores
de energía ya que pueden llegar a producir hasta
33kwh por kg consumido, a diferencia del gas natural
o el petróleo que únicamente generan 13.9kwh y
12.4kwh respectivamente, además del hecho de que
reduce drásticamente las emociones de CO2 ya que
como se analizó´ anteriormente el único compuesto
que va a producir a la salida sería agua [16].
2) Tren de propulsión: Tal y como se puede
apreciar en la Fig. 10. la pila de combustible genera
un pequeño voltaje el cual es aprovechado por medio
de dos convertidores DC/DC. El primer convertidor
es utilizado para suministrar el voltaje necesario a
los sistemas auxiliares del vehículo mientras que el
segundo convertidor transere el voltaje de corriente
continua a la entrada del inversor AC/DC [17]. El
inversor es el encargado de convertir la corriente
continua en corriente alterna, esta corriente es la que
posteriormente será´ utilizado por el motor eléctrico.
Adicionalmente el sistema cuenta con una batería
externa la cual de igual manera es cargada con la
ayuda de los dos convertidores DC/DC y además
la misma también se recarga cuando los motores
eléctricos se transforman en generadores y producen
corriente altera, la cual es transformada a corriente
continua con ayuda del inversor.
Figura 10. Tren de potencia de un vehículo eléctrico con pila de
combustible.
Existe otro tipo de conexión para el tren de potencia
utilizado en vehículos eléctricos, el cual se muestra
en la Fig. 11, este esquema posee una conexión más
simple con respecto a la anterior ya que el mismo no
posee ningún tipo de convertidor DC/DC, sino que por
el contrario la corriente generada tanto por la pila de
hidrógeno como por la batería ingresa directamente al
inversor, cabe recalcar que en esta conguración los
dos generadores de corriente se encuentran conectados
en paralelo [18].
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Figura 12. Diagrama de un motor de encendido provocado.
Figura 13. Diagrama de un motor de encendido por compresión.
2) Tren de propulsión de los vehículos
convencionales: El tren de propulsión de un motor de
combustión interna posee 7 componentes principales
los cuales como se puede observar en la Fig. 14 son:
motor, embrague, transmisión, eje de transmisión,
diferencial, camisas de ejes y ejes [20].
• Motor
Es el encargado de transformar la energía química
de la mezcla de aire-combustible en energía mecánica
la cual se expresa a través de la potencia y el torque.
• Embrague
Es el elemento que se encuentra entre el motor y
la transmisión, consta de dos componentes que son el
disco y el plato de embrague los cuales cuando se unen
entre ellos para permitir trasladar hacia el sistema de
transmisión la potencia y el torque generado por el
motor de combustión interna.
Figura 11. Tren de potencia simple de un vehículo eléctrico con pila de
combustible.
E. Vehículo de combustión interna ICV (Internal
Combustion Vehicle)
1) Tipos de motores de combustión interna: Los
motores de combustión interna utilizados en vehículos
de pasajeros son generalmente de cuatro tiempos y
existen principalmente de dos tipos: los de encendido
provocado y los de encendido por compresión.
• Motores de encendido provocado
A este tipo también se le conoce como motor
Otto o de encendido por chispa, y toman este nombre
debido a la forma en la que se produce la combustión
dentro del cilindro, ya que en el interior del mismo
ingresa una mezcla de aire-combustible, dicha
mezcla en el proceso de compresión incrementa
su presión y temperatura a volumen constante, tal y
como se indica en la Fig. 12 y por medio de un salto
de chispa provocado por un componente denominado
como bujía esta mezcla se combustiona, iniciando así
su proceso de trabajo [19].
• Motores de encendido por compresión
A este tipo más popularmente se le conoce como
motores Diésel, y es que el tipo de combustible
que utiliza es una de las principales diferencias con
respecto a la de encendido provocado, además de que
aquí al cilindro únicamente ingresa aire el cual se
calienta a presión constante en el ciclo de compresión
como se puede ver en la Fig. 13, es por este motivo
que este tipo de motores ya no poseen bujía ya que
la explosión en el cilindro se produce únicamente al
inyectar cierta cantidad de Diésel pulverizado dentro
de la cámara de combustión donde ya se encuentra el
aire a una alta presión y temperatura [19].
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• Transmisión
Es la encargada mediante las diferentes relaciones
de engranajes que podemos encontrar dentro de una
transmisión, regular e incluso invertir las revoluciones
por minuto generada por el motor de combustión de
esta manera podemos obtener ya sea mayor torque o
mayor velocidad del vehículo según las necesidades
encontradas. [21]
• Eje de transmisión
Es el que se encarga de trasladar la potencia de
salida desde la transmisión hacia el diferencial,
se puede decir que este elemento es de conexión y
está constituido por más elementos como son las
denominadas juntas cardan.
• Diferencial
Es un elemento mecánico muy importante ya que
el mismo permite que en una curva las ruedas giren a
distintas velocidades en una curva según el vehículo
lo necesite. Esto lo debe realizar debido a que en una
curva la rueda más alejada a la curva debe realizar un
mayor recorrido en comparación a la que se encuentra
más cercana a la curva, para realizar esta acción de una
manera adecuada el diferencial cuenta con una serie
de componentes como son: cono, corona, satélites y
planetarios [22].
Figura 14. Componentes del tren de potencia de un vehículo
convencional.
3. Conclusiones
El tren de propulsión de un vehículo constituye un
pilar fundamental dentro de la búsqueda de alcanzar
altas eciencias de funcionamiento, no siendo la
excepción el caso de los vehículos eléctricos.
Las investigaciones realizadas por algunas marcas
han permitido el desarrollo de diferentes trenes de
propulsión con mejores características operativas,
conduciendo a que el vehículo tenga una menor huella
de carbono.
La literatura muestra que debido al peso adicional
que tiene los vehículos híbridos se incrementa su
huella de carbono, ya que sigue utilizando un motor
de combustión interna como fuente de energía.
Se evidencio que actualmente el tipo de propulsión
más sencillo constituye el sistema más eciente,
siendo este, el utilizado por los vehículos eléctricos
a baterías y que poseen el motor, el inversor y la
transmisión.
Los vehículos que generan energía a través de
las celdas de hidrógeno se podría considerar poseen
alta eciencia de funcionamiento, y podrían llegar a
complementar en un futuro a los vehículos de baterías
BEV, en el caso de poder reducir los costos de los
conversores de energía, pudiendo así, extender los
rangos de autonomía.
Los vehículos con pila de combustible por
membrana de intercambio protónico son ideales para
el uso en vehículos de transporte ya que trabajan a
relativamente bajas temperaturas y generan una alta
eciencia energética que puede llegar a ser hasta del
50%.
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5. Biografía
1
Brian Daniel Vélez Salazar,
Ingeniero Automotriz Maestrante
en Sistemas de Propulsión
Eléctrica en la Universidad
Técnica de Ambato. Docente en
la carrera de Tecnología superior
en Mecánica Automotriz del
Instituto Superior Universitario
Central Técnico.
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 26 abril 2021
Fecha aceptación 13 junio 2021
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