¿Cuándo es mejor conducir un eje con un motor eléctrico que vincularlo directamente a un motor de combustión?

Answer 1

La respuesta simple es: el ciclo de conducción lo determina.

Comenzaré con un pequeño problema matemático.

• Mejor eficiencia del motor IC (ICE) = 0.35 (suponiendo diesel)
• Mejor eficiencia de transmisión (GB) = 0.93
• Mejor eficiencia del generador (G) = 0.9
• Mejor eficiencia del motor (M) = 0.9
• Mejor eficiencia del convertidor de potencia (C) = 0.85

{Estoy dando cifras altas para generadores y motores porque esa no es mi área de especialización}

Eficiencia al volante:

Convencional: ICE * GB = 0.325 = 32.5%

Híbrido: ICE * G * M = 0.2835 = 28.35%

Nota: Todavía no he considerado las pérdidas de batería y la eficiencia del convertidor de potencia. Esto supone que la corriente de la armadura puede controlarse y uno usa la energía directamente del generador.

Como puede ver, el tren de fuerza híbrido no tiene sentido para un punto de operación constante.

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Ahora, en aplicaciones donde el punto de operación a largas distancias no es constante, la eficiencia de ICE cae como una roca. En la siguiente imagen: el eje x es la velocidad del motor, generalmente de 1000 a 6000 rpm. y es el torque y los colores son el combustible consumido. Reduce el consumo, más eficiente es. La mancha azul es la mitad de la mancha roja. (Fuente de la imagen: control CVT)

Si se puede mantener el requisito de velocidad y carga para cumplir con el punto azul, entonces no hay necesidad de un tren de fuerza híbrido. Un método para hacerlo es tener una transmisión continuamente variable (CVT) – Transmisión continuamente variable – Wikipedia. El CVT es una tecnología en desarrollo y ofrecerá una solución intermedia entre costo y beneficio de eficiencia. El CVT operará sobre la línea rosa de la tabla en un vehículo.

La mejor solución es un sistema híbrido. El motor funcionará solo en el punto azul y los cambios de velocidad y carga serán asumidos por el motor. Si volvemos a las matemáticas:

Convencional: ICE en el peor * GB = 0.35 / 2 * 0.93 = 0.1627 = 16.27%

Híbrido: ICE en el mejor de los casos * G * M * C = 0.35 * 0.9 * 0.9 * 0.85 = 0.241 = 24.1%

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En los turismos, la velocidad y la carga varían mucho y tiene sentido tener un sistema híbrido. Los autobuses también tienen un cambio de velocidad / carga muy alto y tiene sentido usar un híbrido.

Los camiones pesados ​​son una de las fuentes de mayor consumo de combustible, sin embargo, no existe una aplicación híbrida. Operan en cruceros por carretera la mayor parte de su tiempo y no hay muchos cambios de carga. Un sistema híbrido simplemente reduciría la eficiencia en este contexto.

Para los trenes: no estaría de acuerdo con el Sr. Graham Cox. La razón de los híbridos eléctricos diesel era simplemente evitar usar una caja de engranajes mecánica. El diseño de la caja de engranajes para manejar los pares requeridos era demasiado alto una vez que se requería una mayor capacidad de carga.

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Una anécdota interesante: Ferdinand Porsche fue uno de los pioneros de la electrificación. Uno de sus primeros diseños de tanques ( VK 4501 (P) – Wikipedia ) incorporó un motor bimotor y una unidad híbrida a cada pista, lo que los hizo independientes del motor. Esto aseguró que se evitó la caja de cambios de reducción pesada y el tanque podría ser mucho más ligero y rápido que los competidores. Desafortunadamente, estaba demasiado adelantado a su tiempo y los componentes para controlar este concepto no estaban realmente disponibles. Eso archivó el proyecto por el momento.

Answer 2

Cuando sea posible.

Los motores eléctricos son brillantes para conducir casi cualquier cosa. Son muy eficientes, limpios, silenciosos, tienen muy pocas piezas móviles, tienen suministro de energía en un amplio rango de velocidades y se controlan fácilmente.

El único inconveniente con los motores eléctricos es la fuente de energía. Si la ‘cosa’ que conduce tiene una ubicación fija, y puede alimentarla desde una fuente de alimentación fija confiable, ya sea desde la red o no, entonces es obvio.

Para equipos portátiles y automóviles, es menos claro. Las baterías siguen siendo pobres en términos de densidad de energía y peso en comparación con un tanque de combustible, incluso si se tiene en cuenta la eficiencia mucho mayor de un motor. Pero las cosas están cambiando, de abajo hacia arriba. Hace 30 años, no habría tenido ningún sentido alimentar un taladro eléctrico con una batería (entonces no se podía obtener la potencia ni la resistencia con las baterías), un taladro tenía que enchufarse a una toma de corriente. Ahora los ejercicios de batería son la norma para la gran mayoría de los trabajos. Es la misma historia con aviones controlados por radio o herramientas eléctricas de jardinería. La elección de usar baterías / motores sobre IC o red / motores se está moviendo a aplicaciones de mayor y mayor potencia con el tiempo a medida que mejora la tecnología de la batería.

Incluso cuando las potencias están más allá de las baterías, puede ser una ganancia de eficiencia neta usar un motor IC para conducir un generador. Este ha sido el caso de las locomotoras diesel-eléctricas durante más de 50 años. Algunos autobuses ya funcionan de esa manera, aunque las ganancias de eficiencia han sido modestas hasta ahora. Una turbina de gas podría funcionar aún mejor. Ese enfoque debería funcionar para camiones grandes, etc.

Los motores tienen mucho más sentido como una forma de convertir energía en movimiento que casi cualquier otro dispositivo. Es por eso que la investigación sobre baterías es tan importante.