HSD MIGUEL GONZÁLVEZ Instructor Técnico Instituto Toyota Toyota España, S.L.U.
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Contenido • La problemática medioambiental y los desafíos medioambientales. • Definiciones. • Sistema HSD en Prius. • Tecnologías asociadas a los vehículos híbridos
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LA PROBLEMÁTICA MEDIOAMBIENTAL
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¿Qué ha traído consigo la motorización? DESAROLLO SOCIO-CULTURAL
CRECIMIENTO ECONÓMICO
AUTOMÓVILES
Emisión de gases Congestión de Tráfico Accidentes de Incremento de Tráfico CO2 Ruido Agotamiento de recursos
GENERACIÓN DE PROBLEMAS SOCIALES INSTITUTO TOYOTA
La Problemática Medioambiental • El automóvil genera residuos: - En el proceso de fabricación. - Durante la vida útil del vehículo. - Al final de su vida útil (VFU).
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La Problemática Medioambiental • El automóvil es un generador de residuos: - Sólidos: Elementos de carrocería (chapa metálica, plásticos, vidrio,...), neumáticos, baterías, componentes mecánicos, eléctricos, metales pesados,... - Líquidos: Aceites de motor y transmisión, los existentes en sistemas de frenos y dirección, refrigerantes, grasas, lacas y pinturas, disolventes, parafinas... - Gaseosos: Emisiones producidas por los motores térmicos (CO2, CO, HC, NOx, SO2...), sistemas de climatización, amortiguadores, Airbags,...
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La Problemática Medioambiental • Residuos gaseosos (Emisiones de gases): - Dióxido de Carbono (CO2): Producido durante la combustión y responsable del efecto invernadero. - Anhídrido Sulfuroso (SO2): Se genera durante la combustión, especialmente en motorizaciones diesel que emplean combustibles con alto contenido de azufre. Produce lluvia ácida (SO4H2). - Nitróxidos (NOx): Durante la combustión y causantes de la lluvia ácida (NO3H). - Partículas (PM): En la combustión, especialmente en ciclo diesel. Producen neblinas y enfermedades respiratorias. - Hidrocarburos (HC): Muy volátiles. Gasolina. Producen neblinas. - Monóxido de Carbono (CO): Muy tóxico. Casi inexistente.
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La Problemática Medioambiental Impacto Impacto Medioambiental Medioambiental aa Nivel Nivel Global Global Calentamiento Global
Contaminación de Océanos
Destrucción de Capa de Ozono
Disminución Masa Forestal Desertización
Lluvia Acida Disminución de Rec. Naturales Reducción Disponibilidad Agua
Disminución de Biodiversidad Transferencias de Residuos
Impacto Impacto Medioambiental Medioambiental aa Nivel Nivel Local Local Ruido y Vibraciones Polución del Agua
Polución del Aire INSTITUTO TOYOTA
Olores Empleo de Sustancias Químicas
Residuos
Apuesta de Toyota: “ECO-car Project” El coche ecológico definitivo
HSD
FCHV
HV THS
Tecnología Híbrida Toyota D-CAT CNG Common-rail
D4 Lean-burn
EV
VVT-i
Combustibles alternativos
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Diesel
Gasolina
Eléctrico
DEFINICIONES
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Definición Vehículo Híbrido • Según la Comisión Económica para Europa de la ONU, “un híbrido es un vehículo que para su propulsión cuenta con dos conversores de energía diferentes (por ejemplo, de combustible y de electricidad) y dos sistemas de almacenamiento de energía diferentes (por ejemplo, un depósito de combustible y una batería)”.
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Funcionamiento de un vehículo convencional En marcha
Energía del combustible
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Frenado
Energía Pérdida de calor
Pérdida de calor
- Refrigeración - Gas caliente de escape - Fricción mecánica - Resistencia del viento - Resistencia de la carretera
- Frenado
Funcionamiento de un vehículo híbrido En marcha +
Frenado
-
+
Batería
Batería
Energía de combustible
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-
Regeneración de energía
Energía Pérdida de calor
Pérdida de calor
- Refrigeración - Gas caliente de escape - Fricción mecánica - Resistencia del viento - Resistencia de la carretera
- Frenado
Funcionamiento de un vehículo híbrido
¡¡¡ES CAPAZ DE RECUPERAR ENERGÍA !!!
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Clasificación de los sistemas híbridos Puede funcionar como un vehículo Eléctrico Motor eléctrico ayuda al térmico en aceleraciones Poseen freno regenerativo
Parada del motor en semáforos Stop & Start INSTITUTO TOYOTA
Híbrido serie
Híbrido medio
Híbrido puro
Vehículo Stop & Start • No considerado con vehículo híbrido, pero poseedor de una de las cualidades de los mismos, éstos realizan la parada del motor en condiciones de caravana, semáforos, etc., en la cuales no se necesita el funcionamiento a ralentí.
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Vehículo Híbrido Serie • El motor térmico mueve un generador eléctrico y los motores eléctricos proporcionan tracción al vehículo. El motor térmico nunca mueve el vehículo directamente, ya que no existe unión mecánica entre el motor térmico y el sistema de propulsión.
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Vehículo Híbrido Paralelo o Medio • El motor térmico y el motor eléctrico pueden combinarse para proporcionar tracción. • El motor térmico es la energía principal del sistema y el motor eléctrico le ayuda en determinadas condiciones. • El eléctrico no puede mover directamente el vehículo.
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Vehículo Híbrido Puro • El sistema híbrido puro lleva con un generador eléctrico independiente que recarga la batería y alimenta un motor eléctrico. • Capaz de seleccionar en cada momento la fuente de energía más eficiente, eligiendo entre el motor eléctrico, el motor térmico o una combinación de ambos. • Posee también freno regenerativo. • Puede funcionar como un vehículo completamente eléctrico sin tener que enchufarse a la red.
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Vehículo Híbrido Puro • El avanzado sistema de control permite una verdadera sinergia entre el motor térmico y el motor eléctrico, para conseguir el máximo nivel de prestaciones reduciendo el impacto sobre el medio ambiente. • La Combinación inteligente del alto par constante del motor eléctrico desde su arranque con el superior par a altas revoluciones del motor térmico. • La idea es maximizar la fortalezas de cada tipo de propulsor y complementar sus debilidades.
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Vehículo Híbrido Puro • Además, la capacidad de poder funcionar en eléctrico, queda también a petición del usuario, si dentro de unos parámetros de marcha, se pulsa el interruptor EV (Electrical Vehicle).
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SISTEMA HSD EN PRIUS
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SISTEMA HSD • Componentes principales: - Motor. - Transeje híbrido: Motor eléctrico, Generador, Tren epicicloidal y diferencial. - Conjunto Inversor. - Batería Alto Voltaje. - Cablerías Alta Tensión. - Batería 12V. - Funcionamientos.
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SISTEMA HSD • Componentes principales Generador 12 V
Batería HV Ba ter ía
HV
M tor
In v
Dispositivo distribuidor de la potencia (conj. planetarios)
Mo
G
1
Motor térmico
PS
MG
2
Conj. Diferencial
En rojo los componentes del transeje híbrido INSTITUTO TOYOTA
Inversor
Motor eléctrico
SISTEMA HSD • Diagrama de los componentes principales
Transeje híbrido
Sensores selección de marcha
MG1
Compresor A/C
MG2
Sensor posición pedal acelerador ECU HV
Interr. Modo EV ECU motor Actuador ABS
Sensores velocidad
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ECU Skid
Inversor A/C
Booster
Conversor DC – DC
SMR1, 2 y 3 CAN
DLC3
Inversor
ECU Batería
HV Battery
Auxiliary Battery
Motor térmico Motor de gasolina • Motor de gasolina de 1,5-litros, 16 válvulas DOHC, VVT-I, ciclo Atkinson (puesta a punto especial VVT-i con relación de compresión alta) con una potencia de 77,5 CV a 5000 rpm, y un par máximo de 115 Nm a 4000rpm • Rendimiento térmico alto • Desarrollado especialmente para el sistema híbrido • Homologación europea Paso IV
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Motor térmico Motor de gasolina • Ciclo de alta relación de expansión.
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Motor térmico • Descripción: - Especificaciones. Item No. de cilindros y disposición
1NZ-FXE (NG - PRIUS) 4 cilindros en línea 16-Valvulas DOHC,
Mecanismo de válvulas Distribución por cadena, VVT-I Cilindrada (cm3) Calibre x carrera (mm) Relación de Compresión Potencia Max. (EEC) Par Max. (EEC)
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1497 75.0 x 84.7 13.0 : 1 57 kW @ 5000 rpm 115 N·m@ 4000 rpm
Transeje híbrido
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Transeje híbrido “Caja de cambios híbrida”. • Actúa como una CVT (Caja de cambios constantemente variable) • Carece de correas ruidosas = caja de cambios inteligente con Dispositivo distribuidor de potencia (conj. de planetarios) – Se acopla: ¾ al motor de gasolina ¾ al alternador y ¾ al motor eléctrico y las ruedas PS
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Transeje Híbrido
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Tren de transmisión
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Tren de transmisión
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Tren de transmisión HSD
Tipo motor y nº de cilindros Motor Fuente de alimentación Motores eléctricos Motor Rendimiento Motor eléctrico
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4 cilindros en línea, refrigerado por agua
Cilindrada (cc)
1.497 cc
Diámetro y carrera (mm)
75,0 x 84,7 mm
Tipo de motor eléctrico
Iman permanente motor síncrono
Tensión nominal (V)
500 V
Potencia máxima (CV/rpm)
78/5.000
Par máximo (N.m (kg.m)/rpm) 115 (11,5) /4000 Potencia máxima (CV/rpm)
68/1200 – 1520
Par máximo (N.m (kg.m)/rpm) 400 (40,0) /0-1200
Tren de transmisión
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Transeje híbrido • Generador MG1: - Carga la batería HV - Alimenta de corriente al motor eléctrico. - Arranca el motor de gasolina - Controla las funciones de CVT
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Transeje híbrido • Motor eléctrico MG2: - Mueve el vehículo - Realiza una frenada regenerativa - Potencia máx.: 50 kW (68CV) - Par máx.: 400 Nm!
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Transeje híbrido • Dispositivo distribuidor de potencia - Enlaza el motor de gasolina, el motor eléctrico y el generador - Distribuye la potencia del motor de gasolina en forma de fuerza motriz: › a las ruedas (motor eléctrico) › al generador
Dispositivo distribuidor de potencia
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Transeje híbrido Engranaje planetario
Corona MG2
Mecanismo Repartidor de Energía (Engranajes Planetarios)
SOL MG1 INSTITUTO TOYOTA
Portador MT
Transeje híbrido
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Conjunto inversor • Componentes básicos: - Para el motor eléctrico y el generador › Booster: ¾ 201,6V CC → 500 V CC
› Inversor: ¾ 500V CC → 500V CA
- Para el aire acondicionado eléctrico › Inversor compresor de A/C : ¾ 201,6 V CC → CA
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Conjunto inversor • Diagrama del THS II
__ V 201,6
Batería HV
201,6 201,6 V V DC DC ↓↓ 500 500 V V DC DC Booster Booster
__
__
500 500 V V DC DC ↓↓ 500 500 V V AC AC
Inversor Inversor
∼ __ ∼ __
MG2
201.6 Inverte 201.6 V V DC DC r Asse ↓↓ mbly __ __ 201.6 V AC
∼
201.6 V AC Inversor Inversor (for (for A/C A/C compressor) compressor)
__
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MG1
201,6 201,6 V V DC DC ↓↓ 12 12 V V DC DC Conversor Conversor
__
A/C compressor
12 V
Conjunto inversor • Refrigeración - Único radiador para motor e inversor. Tanque receptor
Radiador (para el motor)
Radiador (para el inversor)
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Bomba de agua
Conjunto inversor • Tapones de llenado y drenaje
Tapón de llenado Tapón de drenaje Tapón de drenaje (del WS) (del WS) (del Refrigerante)
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Batería Alto Voltaje Encargada de acumular energía eléctrica para después suministrarla a los motoresgeneradores.
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Batería Alto Voltaje • Batería de hidruro metálico de níquel (Ni-MH) - 28 módulos x 6 vasos = 168 vasos - 168 vasos x 1,2 V = 201,6 V CC
Módulo (6 Vasos) Vaso (1,2 V) Conector de servicio
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28 módulos
Batería Alto Voltaje Relés principales del sistema (SMR) • Conectan o desconectan la batería HV del circuito HV • Control de colisiones Enchufe de servicio de la batería HV • Corta el circuito de alta tensión ¡NO toque el Enchufe de servicio!
Enchufe de servicio Precaución: El técnico debe llevar guantes aislantes
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SMR2 SMR1 Enchufe de servicio
(+) 201,6 V
Batería HV SMR3
(-)
Batería Alto Voltaje • Conector de servicio - Corta el circuito de alto voltaje
Conector de servicio
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Batería Alto Voltaje • Conector de servicio. - Instalación
Conectar el enchufe
Girar la palanca
Bajarlo hasta que haga click
Emplear siempre guantes INSTITUTO TOYOTA
Batería Alto Voltaje • ECU batería
ECU (32-bit)
Relé ventilador batería Controlador ventilador batería
HV ECU
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Gateway ECU
CAN
A/C ECU Temp. x 4
+ Conector de servicio
Motor ventilador batería
ECU motor
BEAN
- La ECU Batería pasa de 16-bit a 32 bit y emplea comunicación CAN
- Sensor Amperaje
Sensores Temp. (Termistores)
Batería HV
Batería Alto Voltaje • Control batería HV - Motor de ventilador controlado segun “step-less” Controlador del ventilador
Sensores Temp. (Batería HV) Motor ventilador
Ciclo de trabajo
ECU batería A/C ECU
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Controlador del ventilador
M
Voltaje de salida
(V) 13
4
30 95 (%) Señal ciclo de trabajo (de la ECU batería)
Batería Alto Voltaje • Componentes Sensor de amperaje SMR3
Modulos ECU batería
SMR2 SMR1 Resistencia
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Conector de servicio
Batería Alto Voltaje • SMR.
SMR 1 → OFF SMR 2 → OFF SMR 3 → OFF
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Batería Alto Voltaje • SMR. - Cuando el contacto está en posición ON (Sistema ENCENDIDO)
SMR 1 → ON SMR 2 → OFF SMR 3 → ON
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Batería Alto Voltaje • SMR. - Cuando el contacto está en posición ON (Sistema ENCENDIDO)
SMR 1 → ON SMR 2 → ON SMR 3 → ON
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Batería Alto Voltaje • SMR. - Cuando el contacto está en posición ON (Sistema ENCENDIDO)
SMR 1 → OFF SMR 2 → ON SMR 3 → ON
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Batería Alto Voltaje • SMR. - Cuando el contacto está en posición OFF (Sistema APAGADO)
SMR1 →OFF SMR 2 → ON SMR 3 → ON
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Batería Alto Voltaje • SMR. - Cuando el contacto está en posición OFF (Sistema APAGADO)
SMR1 →OFF SMR 2 → OFF SMR 3 → ON
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Batería Alto Voltaje • SMR. - Cuando el contacto está en posición OFF (Sistema APAGADO)
SMR1 →OFF SMR 2 → OFF SMR 3 → OFF
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Cableado de Alta Tensión Sistema de seguridad de alta tensión EG
HT
Monitor fallos de masa
12V
HV
– Ambos cables (+ y -) están aislados del chasis metálico – Monitor de fallo de masa:
IGCT
Si hay derivaciones al chasis:
¾Se enciende la Luz de aviso maestra ¾Se enciende la Luz de aviso del híbrido
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Seguridad Frente a Alta Tensión • La Unidad de Control del Sistema Híbrido, monitoriza las fugas de corriente a masa (carrocería).
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Batería 12V • Suministra corriente a los faros, el sistema de audio, otros accesorios y todas las ECUs • Especial para habitáculo
12 V Baterías HV (201,6 V)
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Batería auxiliar de 12 V (Tipo estanco)
Unidad de apoyo alimentación de corriente de 12 V para frenos ECB
Batería 12V • Terminal ”+” del arranque en puente de la batería auxiliar de 12 V
Terminal de arranque en puente
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Batería 12V Stock del vehículo y mantenimiento de la batería. (Centro de servicio). • Antes de la entrega: - Cargue totalmente la batería de 12 V a bajo régimen (máx. 3,5 A)
12 V
Terminal de arranque en puente
• Si va a guardar el coche durante un período superior a 10 días: - Desconecte el mazo de cables del terminal de arranque en puente de la batería de 12 V (se evita la descarga debido al paso de corriente hacia las ECU y el sistema de la llave Smart) - Cierre la tapa del terminal de arranque en puente y sujete el mazo de cables a la parte sobresaliente de la tapa (cortocircuito!)
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Funcionamiento de un Prius
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Funcionamientos del HSD
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Funcionamiento del HSD Pantalla del monitor de energía: • Las flechas indican el flujo de la energía: - naranja (motor de gasolina) - amarilla (motor eléctrico/alternador) • Recuperación de energía: - Cambio en el sentido de la indicación - Se vuelven verdes • Capacidad remanente de las baterías HV: - verde = cargadas - azul = carga parcial - rojo = descargadas
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Funcionamientos del HSD Mecanismo Repartidor de Energía (Engranajes Planetarios). Las líneas verticales muestran las rpm y la dirección de rotación de: • Sol • Portador • Corona Los espacios entre las líneas verticales representan las desmultiplicaciones
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Inicio marcha
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Inicio marcha • El MG2 actúa solo cuando el vehículo está iniciando su movimiento o en condiciones de baja carga
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Inicio marcha • Inicio de Movimiento
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Arranque del térmico • El MG1 funciona para arrancar el motor durante la aceleración.
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Arranque del térmico
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Marcha normal
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Marcha normal • Marcha a velocidad de crucero sin aceleraciones ni frenazos bruscos.
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Acelerando
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Acelerando • Aceleración / Plena Carga - El MG2 proporciona una potencia añadida para ayudar al motor durante la aceleración - La electricidad para el MG2 es suministrada por el MG1; la batería HV también suministra electricidad dependiendo de la cantidad de aceleración
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Acelerando
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Acelerando
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Decelerando
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Decelerando
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Decelerando
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Recargando
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Recargando
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Marcha atrás • Durante la marcha atrás actúa sólo el MG2. • La energía suministrada al MG2 produce la rotación invertida.
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Marcha atrás
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Marcha atrás
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Sistema de control
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Sistema de control • Control de tracción. - Si aparece excesivo patinamiento del motor eléctrico, la ECU de HV controla el par aplicado a MG2 y si fuera necesario la ECU de skid aplica fuerza de frenado en las ruedas para proteger el conjunto planetario.
Inversor Control Tracción Motor Sensor MG2 velocidad motor
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ECU HV
Skid Control ECU Control de Patinado la fuerza de frenado Sensores velocidad ruedas
Actuador frenos
Sistema de control • Control de asistencia en cuestas - Iniciando marcha en cuesta, si se detecta contramarcha, se produce un aumento del par en MG2 y aplicación de los frenos traseros.
Resolver MG2.
Incremento de par
ECU HV
Fuerza de frenada
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Skid Control ECU
Sistema de control • Control del modo de tracción por motor eléctrico (Modo EV) - Se retrasa la activación del motor de gasolina
Normal
Modo EV
Condiciones cancelación del modo EV • Si se pulsa el interruptor de modo EV • Si disminuye la carga de la batería HV • Si la temp. de la batería HV es baja o alta • Si el motor de gasolina está calentando • Si la velocidad del vehículo supera la especificada • Si el ángulo de la posición del pedal del acelerador supera el valor especificado INSTITUTO TOYOTA
Sistema de control • Control del Modo EV ECU Bateria Interruptor EV Testigo Modo EV
Gateway ECU
Sensor posición pedal acelerador Sensores velocidad
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Skid Control ECU
•SOC •Temperatura. Batería HV
HV ECU
Drive
Inversor
Sistema de control • Control del modo EV • El interruptor del modo EV es del tipo momentaneo • Modo EV: - +/- 1 km < 45 km/h en una carretera llana (con un estado de carga de la batería HV estándar)
Interruptor del modo EV INSTITUTO TOYOTA
Sistema de control Luces testigo y de aviso del combinado de instrumentos Avisador acústico
Luz testigo modo EV INSTITUTO TOYOTA
Luz de READY
Luz de aviso maestra
Luz testigo de fallo de funcionamiento del motor
Sistema de control Pantalla de información múltiple • Luces de aviso que pueden encenderse con la luz de aviso maestra
Luz de aviso de descarga
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Luz de aviso del sistema híbrido
Luz de aviso de la batería HV
TECNOLOGÍAS ASOCIADAS A LOS VEHÍCULO HÍBRIDOS
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TECNOLOGÍAS ASOCIADAS A LOS V.H. • FRENOS ELECTRÓNICOS. • A/C ELÉCTRICO. • DIRECCION ASISTIDA DE ALTO VOLTAJE. • SISTEMA DE APARCAMIENTO INTELIGENTE.
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TECNOLOGÍAS ASOCIADAS A LOS V.H. • FRENOS ELECTRÓNICOS.
Freno Regenerativo
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Freno Hidráulico
TECNOLOGÍAS ASOCIADAS A LOS V.H. • FRENOS ELECTRÓNICOS HSD. Demanda del conductor (señal eléctrica) = Frenada hidráulica + frenada
regenerativa
Demanda del conductor
Estado del vehículo
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Control frenos hidráulicos
VSC ECU
HV ECU Control frenada regenerativa
Actuador de frenos
TECNOLOGÍAS ASOCIADAS A LOS V.H. • FRENOS ELECTRÓNICOS HSD
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ECB (Electronically Controlled Brake System)
Sistema Hidráulico
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TECNOLOGÍAS ASOCIADAS A LOS V.H. • FRENOS ELECTRÓNICOS HSD - El sistema equilibra los esfuerzos de los frenos hidráulicos y de la frenada regenerativa Demanda del conductor (Presión cilindro maestro)
Esfuerzo de frenado
Esfuerzo frenos hidráulicos (Actuador hidráulico)
Esfuerzo frenada regenerativa
Control cooperación (ejemplo) INSTITUTO TOYOTA
Tiempo
TECNOLOGÍAS ASOCIADAS A LOS V.H. • A/C ELÉCTRICO HSD.
• A/C con compresor eléctrico que permite combinar el confort y la eficacia del combustible. • Compresor del A/C accionado por la batería HV y no por el motor de gasolina.
Batería HV (201,6 V CC)
CC Inversor aire acond. (CC → CA) CA
Compresor de inversor eléctrico 201,6 V CA
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TECNOLOGÍAS ASOCIADAS A LOS V.H. • A/C ELÉCTRICO HSD • Compresor eléctrico tipo Scroll Compresor Scroll
Cablería de alto voltaje
Motor A/C Eje del motor INSTITUTO TOYOTA
TECNOLOGÍAS ASOCIADAS A LOS V.H. • A/C ELÉCTRICO HSD • Compresor eléctrico tipo Scroll
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TECNOLOGÍAS ASOCIADAS A LOS V.H. • A/C ELÉCTRICO HSD.
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TECNOLOGÍAS ASOCIADAS A LOS V.H. • DIRECCION ASISTIDA DE ALTO VOLTAJE.
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TECNOLOGÍAS ASOCIADAS A LOS V.H. • SISTEMA DE APARCAMIENTO INTELIGENTE.
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TECNOLOGÍAS ASOCIADAS A LOS V.H. • SISTEMA DE APARCAMIENTO INTELIGENTE.
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Muchas gracias
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HSD 4WD
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HSD en RX400h
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HSD 4WD: Componentes principales
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Motor Térmico • Motor V6, 24 válvulas de 3311cc. • Potencia 211CV a 5600rpm con 288Nm a 4400rpm.
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Transeje Híbrido delantero en RX400h • Motor a 650 V de 172CV con 333Nm hasta 1500rpm
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Tren de transmisión delantero
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Transeje Híbrido trasero en RX400h • Motor a 650V de 68CV a 4600/5100rpm con 130Nm de 0 a 610rpm.
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Inversor en RX400h
Potencia combinada de 272CV
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Batería en RX400h • Batería de 288V (45kW).
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HSD 4WD: Funcionamientos
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HSD 4WD: Funcionamientos • Monitor de flujos de energía.
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HSD 4WD: Funcionamientos
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HSD 4WD: Funcionamientos
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