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- Tutorial nº 136 -

Fundamentos de los Motores Híbridos

Índice de contenidos:

1- Introducción

1.1- Definición de un motor híbrido

1.2- Sistemas de recuperación de energía en motores híbridos

1.3- Tipos de motores híbridos

1.4- Ventajas de los motores híbridos

2- Características de funcionamiento de los motores híbridos

2.1- Generalidades

2.2- Detenido

2.3- Arranque y puesta en marcha

2.4- Conducción normal

2.5- Aceleración máxima y altas velocidades

2.6- Desaceleración y frenado

2.7- Marcha atrás

2.8- Parada

3- Componentes principales de los motores híbridos

3.1- Generalidades

3.2- Motor de combustión interna

3.3- Moto - generador eléctrico

3.4- Inversor

3.5- Batería de alto voltaje HV

3.6- Transmisión híbrida

3.7- Unidad de control electrónica

 


DESARROLLO DEL CONTENIDO


1- Introducción

1.1- Definición de un motor híbrido

En el mundo de la automoción es una constante la investigación de nuevas tecnologías que permitan disminuir el consumo de combustible de los vehículos y, como consecuencia, también conseguir una disminución de las emisiones contaminantes a la atmósfera. En este sentido, el uso de motores híbridos como una posible alternativa a los tradicionales motores de combustión interna responde a estas nuevas exigencias.

Componentes de un vehículo híbrido

Básicamente, un motor híbrido es un tipo de motor donde se combinan dos fuentes de energías diferentes para propulsar el vehículo: la energía térmica de un motor de combustión interna y la energía eléctrica producida por un motor eléctrico.

Además, los sistemas híbridos cuentan con baterías de recarga de alto voltaje, generalmente de ión-litio, donde se almacena la energía eléctrica generada por el sistema.

Estas baterías de almacenamiento proporcionan energía al motor eléctrico que ayuda a propulsar el vehículo, o bien, alimenta el moto-generador que permite volver arrancar el vehículo desde una posición de parada.

Ambos motores, el de combustión interna y el eléctrico, se pueden combinar en distintas configuraciones dando lugar a distintos tipos de sistemas híbridos. Principalmente, son tres las configuraciones que se montan en los vehículos híbridos:

-  Motores híbridos en serie

-  Motores híbridos en paralelo

-  Motores híbridos mixtos.

De las anteriores, es la configuración en serie la que da la posibilidad de poder emplear motores de combustión mucho más pequeños, debido a que éste sólo se usa para hacer girar al generador que carga las baterías, mientras que el motor eléctrico es el encargado exclusivamente del accionamiento de las ruedas motrices del vehículo.

Evidentemente, con la configuración en serie se consigue una importante disminución de combustible debido a que el motor de combustión sólo se emplea para mover el generador, por lo que resulta mucho más pequeño y de menor potencia. Además, la eficiencia energética de este sistema híbrido es mucho mayor que la de un vehículo convencional, dado que no se originan las pérdidas por rozamiento y calor que se producen en el sistema de transmisión de un vehículo convencional movido sólo con motor de combustión.

Por tanto, con esta novedosa tecnología se reduce considerablemente el consumo de combustible, y por consiguiente, sus emisiones de gases contaminantes. También se reduce el ruido que genera al emplearse motores de combustión mucho más pequeños, de manera que el funcionamiento de los vehículos híbridos es mucho más silencioso. Además, existen versiones que reducen aún más las emisiones, al sustituir el uso de gasolina por otros combustibles menos contaminantes, como el metanol o el gas natural comprimido (GNC).

Por otro lado, si se comparan los vehículos híbridos con los vehículos eléctricos puros, los sistemas híbridos no requieren disponer obligatoriamente de un sistema de recarga externa como ocurre con los eléctricos 100%, dado que los sistemas híbridos disponen del motor de combustión que puede emplearse para accionar el generador de carga de las baterías.

 

1.2- Sistemas de recuperación de energía en motores híbridos

Una de las características más importante de los motores híbridos es su gran eficiencia energética, debido principalmente a que suelen incorporar, según el modelo del vehículo que se trate, de novedosos sistemas de recuperación de energía.

Básicamente, los sistemas de recuperación de energía más usados comercialmente en los vehículos híbridos se pueden resumir en tres tipos:

1.  Frenada regenerativa: es un tipo de sistema que aprovecha durante las frenadas la energía cinética que acumula el vehículo por su movimiento, y que la transforma en energía eléctrica que puede ser posteriormente almacenada en las baterías del vehículo.

2.  Motor eléctrico bidireccional: el motor eléctrico de un vehículo híbrido es de tipo bidireccional, es decir, que puede funcionar como un motor eléctrico convencional que actúa sobre las ruedas accionándolas, o bien, en las fases de desaceleración, cuando se levanta el pie del acelerador, o cuando el vehículo baja por una pendiente descendente, aprovechar la inercia del movimiento de las ruedas y funcionar como un generador que produce energía eléctrica que puede ser almacenada también en las baterías.

3.  Motor de combustión: en ciertas circunstancias, cuando el motor de combustión trabaja en un régimen de revoluciones óptimo de buena eficiencia y a baja carga, el sistema actúa desviando parte del par de fuerza producido por el motor para mover el generador que recarga las baterías del vehículo.

En los vehículos convencionales movidos sólo con motores de combustión, no se disponen de estos sistemas de recuperación energética, por lo que toda esta energía cinética que acumula el vehículo debido a su movimiento se pierde irremediablemente en forma de calor en los frenos.

Sin embargo, en los vehículos híbridos, gracias a estos sistemas de recuperación, se puede recuperar parte de esta energía y almacenarla en las baterías, para poder utilizarla posteriormente en otras situaciones.

 

1.3- Tipos de motores híbridos

En el mercado de la automoción se pueden encontrar muchos tipos de motores híbridos de vehículos que utilizan diferentes configuraciones y tecnologías, dando lugar a diferentes formas de clasificar a los vehículos híbridos, cado uno con sus especificaciones y características propias de funcionamiento.

Así, una primera clasificación se basa en el tipo de configuración en el montaje de los motores de combustión y eléctrico, y de cómo se realiza la transmisión del movimiento, es decir, de cómo fluye la energía desde las fuentes de generación hasta las ruedas motrices del vehículo. En este sentido, se pueden obtener los siguientes tipos de motores híbridos:

•  Motores híbridos en serie:

En los sistemas híbridos con una configuración en serie, el motor eléctrico es el motor principal del vehículo y el que sólo trasmite el movimiento a las ruedas. Está alimentado por una batería de alto voltaje y de gran capacidad de carga.

En este tipo de configuración, el motor de combustión es tan sólo un motor secundario cuyo eje de salida se conecta con el generador eléctrico para la recarga de la batería.

En este tipo de híbridos, el motor de combustión funciona siempre a un régimen constante e independiente del movimiento del vehículo, dado que sólo se encarga de la recarga de la batería. De hecho, cuando la batería alcanza su plena carga, el motor de combustión se apaga, de manera que el vehículo puede moverse sólo con el funcionamiento del motor eléctrico.

En resumen, en los motores híbridos en serie, su configuración se caracteriza principalmente por los siguientes elementos:

-  Motor eléctrico: alimentado por la batería y se encarga de transmitir el movimiento a las ruedas motrices. Es de doble sentido, porque también puede recargar la batería por medio de un sistema de frenos regenerativos durante la fase de frenada, o bien, aprovechando la energía cinética que acumula el vehículo cuando éste desacelera o circula por pendientes descendentes

-  Motor de combustión: el motor de combustión se emplea únicamente para accionar al generador eléctrico que se utiliza tanto para la recarga de la batería, como también para alimentar el motor eléctrico principal.

Vehículo con motor híbrido en serie

—  Sistema Híbrido en Serie  —


•  Motores híbridos en paralelo:

En los sistemas híbridos con una configuración en paralelo, los dos motores, tanto el motor eléctrico como el de combustión, participan simultáneamente en el accionamiento de las ruedas motrices del vehículo a través de un mismo sistema de transmisión.

En los sistemas híbridos en paralelos, su configuración se caracteriza principalmente por los siguientes elementos:

-  Motor eléctrico: está alimentado por la batería y participa en la transmisión del movimiento a las ruedas. También es de doble sentido, porque, además de funcionar como motor para accionar a las ruedas, también puede recargar la batería por medio del sistema de frenos regenerativos durante las frenadas, o cuando el vehículo desacelera o circula por pendientes descendentes.

-  Motor de combustión: interviene a través del sistema de transmisión a impulsar las ruedas del vehículo, y también puede realizar la recarga de la batería a través del eje que lo conecta con el motor eléctrico que entonces funcionaría como un generador.

Vehículo con motor híbrido en paralelo

—  Sistema Híbrido en Paralelo  —


•  Motores híbridos mixtos o en serie paralelo:

En los motores híbridos mixtos permiten propulsar al vehículo mediante tres posibilidades diferentes:

1.  Sólo accionado por medio del motor de combustión interna

2.  Sólo accionado a través del motor eléctrico

3.  Mediante la combinación simultánea de ambos motores.

Como se puede apreciar, el concepto de la configuración híbrida mixta se asemeja mucho al sistema híbrido en serie, con la salvedad que con el sistema mixto el motor de combustión se conecta directamente al eje de las ruedas motrices.

En el sistema mixto se emplea un sistema diferencial de engranajes que interconecta tanto el motor de combustión, el generador y el motor eléctrico al sistema de transmisión del vehículo para el accionamiento de las ruedas motrices.

Vehículo con motor híbrido mixto

—  Sistema Híbrido en Mixto  —


Los sistemas híbridos con una configuración mixta se caracterizan principalmente por lo siguiente:

-  Motor de combustión interna: interviene en la propulsión del vehículo a través del conjunto diferencial que lo conecta a la transmisión.

-  Generador de energía eléctrica: es accionado por el motor de combustión y también está conectado al sistema diferencial. La energía eléctrica producida por el generador sirve para recargar la batería, o para alimentar el motor eléctrico, dependiendo de las condiciones de funcionamiento.

-  Motor eléctrico: también interviene en la propulsión del vehículo a través del conjunto diferencial. El motor eléctrico está alimentado por la batería y es del tipo de doble sentido, es decir, que además es capaz de recargar la batería en determinados momentos de funcionamiento, por ejemplo, cuando actúa el freno regenerativo durante los periodos de frenada del vehículo.

Otra forma de clasificar los vehículos híbridos es en función de la posibilidad de poder hacer la recarga de la batería de manera externa o no. En este sentido, los vehículos híbridos se clasifican en:

•  Vehículos híbridos enchufables (PHEV):

Los vehículos híbridos enchufables (en inglés "Plug-in Hybrid Electric Vehicle", PHEV) suelen presentar una configuración mixta, es decir, que cuenta con un motor de combustión interna, generalmente de gasolina, asociado a un motor eléctrico. Ambos motores pueden propulsar el vehículo por sí mismos y la parte eléctrica dispone de una batería que, por lo general, suele ser de pequeño tamaño que permite una autonomía de unos 50 kilómetros para recorridos urbanos.

En este tipo de híbridos, las baterías pueden recargarse, o bien, mediante el motor de combustión que activa el generador, o bien, a través de un sistema de conexionado que permite ser enchufado a la red eléctrica exterior, permitiendo por tanto su uso completamente eléctrico, generalmente, para trayectos de corto recorrido.

•  Vehículos híbridos no enchufables (HEV):

En los vehículos híbridos no enchufables (en inglés "Hybrid Electric Vehicle", HEV) tienen la peculiaridad que la batería no puede recargarse a través de la red eléctrica exterior, sino que utiliza el motor de combustión o bien un sistema de recuperación de energía cinética (por ejemplo, frenos regenerativos), que aprovecha las fases de frenada y desaceleración.

 

1.4- Ventajas de los motores híbridos

De entre todas las ventajas que pudieran ofrecer los vehículos híbridos, posiblemente la más importante es la gran eficiencia que tienen estos vehículos. Recordemos que la eficiencia energética consiste en emplear el mínimo de energía para conseguir un determinado objetivo.

Así, mientras un motor de combustión interna de gasolina de ciclo Otto viene a tener una eficiencia de entre el 20 y el 30%, y un motor de gasóleo de ciclo Diésel ofrece una eficiencia de entre el 30 y el 45%, los motores eléctricos pueden ofrecer una eficiencia energética que ronda el 96%.

En segundo lugar, un motor convencional de combustión, ya sea de gasolina o diesel, son unidireccionales, es decir, una vez que se quema el combustible en el cilindro, la energía obtenida fluye para mover el cigüeñal que actúa sobre el sistema de transmisión que mueve las ruedas y, por tanto, esta energía ya no se puede recuperar.

Sin embargo, los sistemas híbridos incorporan motores eléctricos bidireccionales, es decir, que pueden funcionar como un motor eléctrico convencional que transmiten movimiento a las ruedas para propulsar al vehículo, o bien, en ciertas situaciones pueden aprovechar la inercia del vehículo y transformar el giro de las ruedas en energía eléctrica, es decir, funcionar como un generador para la recarga de las baterías.

De hecho, la mayor parte del ahorro de combustible que se consigue con un vehículo híbrido se basa en el sistema de recuperación de energía durante las frenadas. El resto del ahorro se consigue evitando que el motor de combustión funcione en esas situaciones donde su eficiencia es muy mala, como, por ejemplo, al iniciar la marcha, en ralentí o al circular acelerando muy poco.

A continuación, se van a enumerar las principales ventajas que ofrecen los motores híbridos aplicados a la automoción frente a los vehículos tradicionales movidos por un motor de combustión interna.

•  Recuperación de energía y reutilización:

La mayoría de los vehículos híbridos disponen de sistemas de recuperación de energía que actúan en ciertas situaciones de la conducción, y que en el caso de los vehículos tradicionales siempre supone pérdidas en forma de calor, como por ejemplo, durante las frenadas y en fases de desaceleración.

Así, casi todos los vehículos híbridos disponen de un sistema de frenos regenerativos que aprovecha la energía cinética que acumula el vehículo debido a su movimiento y que posteriormente la utiliza para recargar las baterías o para energizar el arranque y el motor eléctrico.

•  Menor consumo de combustible y menores emisiones contaminantes:

Los vehículos híbridos necesitan de un motor de combustión mucho más pequeño al disponer de otra fuente de energía adicional de apoyo, el motor eléctrico, que también participa en la propulsión del vehículo.

Por tanto, al tener un motor de combustión más pequeño, también su consumo será mucho menor y, por tanto, las emisiones asociadas a la combustión del combustible también serán menores.

Además, el sistema híbrido hace entrar en funcionamiento al motor de combustión sólo en determinadas condiciones de marcha y hace apagar el motor de combustión en otras situaciones donde su eficiencia es muy baja, por ejemplo, funcionando en vacío (ralentí), consiguiéndose así un importante ahorro de combustible.

•  Alta eficiencia:

Una alta eficiencia supone conseguir una buenas condiciones de funcionamiento del motor con un consumo mínimo y reduciendo al máximo las pérdidas, generalmente por calor o por rozamiento entre piezas.

Así, los sistemas híbridos presentan en su conjunto una gran eficiencia de funcionamiento aprovechando al máximo la energía disponible. Esto es así porque al disponer de un motor eléctrico, el sistema lo hace funcionar en aquellas condiciones donde la eficiencia del motor de combustión sea muy baja (por ejemplo, en ralentí o a bajas velocidades), y por contra, se utilizará el motor de combustión para la generación de electricidad en aquellas otras condiciones donde su eficiencia sea máxima, consiguiéndose así un alto rendimiento del conjunto, lo que supone un consumo mínimo y unas buenas prestaciones de funcionamiento del motor.

A continuación, se estudiarán por separados las ventajas que presentan los motores híbridos dependiendo del tipo de configuración:

-  Motores híbridos en serie

Como ya se ha indicado anteriormente, el motor de combustión en los motores híbridos en serie sólo se emplea para mover el generador que recarga la batería, y no se utiliza para propulsar el vehículo. Por ello, los vehículos híbridos con una configuración en serie presentan las siguientes ventajas específicas:

  Los motores híbridos en serie no necesitan de ningún sistema de transmisión mecánica entre el motor de combustión y las ruedas motrices, por lo que las pérdidas por rozamiento que se producen en los sistemas de transmisión de un vehículo convencional no ocurren en los vehículos híbridos en serie. Por tanto, la eficiencia energética global en estos tipos de motores es mucho más elevada que la eficiencia que presentan los vehículos con motores de combustión convencionales.

  Una parte nada despreciable del consumo de combustible en un vehículo convencional de combustión se produce en los periodos que se conoce como ralentí, donde el vehículo se encuentra parado con el motor funcionando. En un vehículo híbrido en serie el motor de combustión nunca trabaja en vacío, es decir, cuando el vehículo está parado el motor de combustión siempre está parado, consiguiéndose así un importante ahorro de combustible.

  Como se ha dicho, en los vehículos híbridos en serie el motor de combustión sólo se usa para mover el generador que recarga la batería, por lo tanto, motor y generador se diseñan conjuntamente para que sólo tengan que trabajar a un determinado régimen de revoluciones, independientemente de la velocidad a la que circule el vehículo, lo que permite optimizar mucho su diseño, disminuyendo su consumo.

-  Motores híbridos en paralelo

  En los sistemas híbridos con una configuración en paralelo, tanto el motor eléctrico como el de combustión participan simultáneamente en el accionamiento de las ruedas motrices del vehículo, a través de un mismo sistema de transmisión. Como consecuencia de ello, los sistemas híbridos con esta configuración son más potentes debido a que ambos motores participan conjuntamente en la propulsión del vehículo.

  Además, la mayoría de los vehículos híbridos con esta configuración no necesitan de generador para la recarga de la batería, lo que reduce su costo de fabricación, su peso y el espacio disponible.

-  Motores híbridos mixtos

  En los motores híbridos con una configuración mixta el motor de combustión también está conectado directamente a las ruedas gracias a la incorporación de un conjunto diferencial, que permite que el motor participe en la propulsión del vehículo en algunas condiciones de funcionamiento, lo que se traduce en un máximo rendimiento y menor consumo.

  Estos tipos de motores disponen de una unidad de control electrónica que controla el funcionamiento conjunto del motor de combustión - motor eléctrico, de manera que éste sea óptimo, reduciendo el consumo y adaptando el funcionamiento del motor a las condiciones y exigencias de la conducción en cada momento.

2- Características de funcionamiento de los motores híbridos

2.1- Generalidades

Como ya se ha dicho, los sistemas híbridos disponen de dos fuentes de energía diferentes que se complementan, un motor de combustión y un motor eléctrico, por lo que deben estar perfectamente sincronizados para que el funcionamiento del conjunto pueda ofrecer las mejores prestaciones en la conducción.

Por otro lado, es sabido que la eficiencia de un motor no es siempre la misma, sino que depende del rango de funcionamiento en que trabaje. Por tanto, sería deseable que cada motor, según su diseño, funcionara en aquellas condiciones donde pudiera ofrecer su mejor rendimiento.

Para ello, los sistemas híbridos utilizan programas de funcionamiento específicos que están almacenados en la memoria de la unidad de control electrónica. Con esto se consigue controlar y adecuar el funcionamiento de ambos motores, el de combustión y el eléctrico, para que funcionen en aquellas situaciones donde su rendimiento sea mayor, según las necesidades de conducción.

 

2.2- Detenido

Con el vehículo detenido, si la batería dispone de suficiente carga, el motor de combustión se mantiene apagado. Sólo en el caso que el sistema de control detecte que la batería está descargada o con poca carga, activará el arranque del motor de combustión para que accione el generador para cargar la batería.

 

2.3- Arranque y puesta en marcha

Durante el arranque de un vehículo híbrido sólo funciona el motor eléctrico, que está alimentado por la batería, y sólo si el arranque se realiza de una manera gradual con una aceleración suave. En estas condiciones, por tanto, el motor de combustión no funciona por lo que se consigue un gran ahorro de combustible. (A)

Funcionamiento del motor híbrido en el arranque

—  Funcionamiento del Motor Híbrido en el Arranque  —


De esta forma, el vehículo al iniciar la marcha con carga ligera y una aceleración suave, sólo el motor eléctrico es el que proporciona potencia a las ruedas, por lo que el vehículo funciona en modo eléctrico. En estas condiciones el generador gira al revés, y no genera energía eléctrica hacia las baterías, quedando de esta forma inactivo.

 

2.4- Conducción normal

Durante la etapa de una conducción normal, por una carretera relativamente llana y a baja velocidad, el motor de combustión está activado, aunque trabaja en una situación muy holgada, lo que permite aprovechar parte de su par motor en accionar el generador.

En esta situación, por tanto, el generador se enciende y gira en la misma dirección que el motor de combustión, lo que permite suministrar corriente al motor eléctrico.

En esta fase, también el motor eléctrico está encendido, lo que permite proporcionar una potencia adicional a las ruedas. El motor eléctrico estará alimentado, tanto por la batería, como por la corriente generada por el generador.

Funcionamiento del motor híbrido en conducción normal

—  Funcionamiento del Motor Híbrido en Conducción Normal  —


Por tanto, durante la fase de conducción normal, la energía del motor de combustión se reparte entre mover el generador que a su vez acciona al motor eléctrico (B), y el resto que se emplea en mover directamente a las ruedas motrices (C).

 

2.5- Aceleración máxima y altas velocidades

Para los momentos donde se someta al vehículo a fuertes aceleraciones o circule a grandes velocidades, la potencia es suministrada por el motor de combustión interna ayudado por una potencia extra del motor eléctrico (B+C).

El motor eléctrico en esta situación es alimentado por las baterías (A). Evidentemente, esto será posible siempre que las baterías dispongan de carga suficiente.

Funcionamiento del motor híbrido a altas velocidades

—  Funcionamiento del Motor Híbrido a Altas Velocidades  —


 

2.6- Desaceleración y frenado

Cuando se deja de pisar el pedal del acelerador o se inicia la frenada, el motor de combustión se apaga, y en este caso el motor eléctrico se convierte en un generador de electricidad.

En esta situación, por tanto, el consumo de combustible es nulo, y gracias a los sistemas de recuperación de energía, por ejemplo, con el freno regenerativo (D), parte de la energía cinética que tiene el vehículo se transforma en energía eléctrica, gracias a que el motor eléctrico actúa como un generador de corriente, lo que permite recargar las baterías.

Funcionamiento del motor híbrido desacelerando y en frenadas

—  Funcionamiento del Motor Híbrido Desacelerando y Frenadas  —


 

2.7- Marcha atrás

Cuando el vehículo circula marcha atrás, el motor de combustión se mantiene apagado, y las ruedas son accionadas por el motor eléctrico. En esta situación el generador gira en dirección frontal a mínima velocidad y sin generar electricidad.

 

2.8- Parada

Cuando el vehículo queda completamente detenido, el motor de combustión también se apaga. Sólo se enciende de manera automática, con el sistema parado, si es necesario recargar las baterías, en el caso que estuvieran por debajo de su nivel mínimo de carga (E).

Funcionamiento del motor híbrido con el vehículo detenido

—  Funcionamiento del Motor Híbrido con el Vehículo Detenido  —


3- Componentes principales de los motores híbridos

3.1- Generalidades

En este capítulo se explicarán y analizarán las funcionalidades y características de los principales componentes que constituyen los motores híbridos con configuración en serie.

Recordemos que en el caso de los motores híbridos en serie, el motor eléctrico es el motor principal del vehículo que trasmite el movimiento a las ruedas motrices. En esta configuración, el motor de combustión es tan sólo un motor secundario que se encarga de accionar el generador eléctrico para la recarga de las baterías.

Básicamente, los componentes principales de estos tipos de motores híbridos son: el motor de combustión, el moto - generador eléctrico, el inversor, las baterías, el sistema de transmisión híbrida y la unidad de control electrónica.

 

3.2- Motor de combustión interna

En general, todos los vehículos híbridos disponen de un motor de combustión interna, que puede ser de gasolina o diesel, donde se transforma la energía química del combustible en energía cinética que se emplea para mover las ruedas del vehículo y/o para accionar el moto-generador que recarga las baterías, según el tipo de la configuración híbrida que se trate.

Motor de combustión interna

La mayoría de los modelos híbridos del mercado, sobretodo si son vehículos ligeros, tipo turismo, utilizan motores de combustión interna de gasolina. El funcionamiento de estos motores se basa en el movimiento alternativo de un émbolo o pistón que completa un ciclo de cuatro tiempos, también conocido como ciclo Otto, donde el émbolo realiza cuatro desplazamientos o carreras correspondientes a la admisión, compresión, combustión y expansión o escape. Posteriormente, un sistema mecánico de biela-manivela transforma los movimientos de desplazamiento del pistón dentro del cilindro en movimiento de rotación del cigüeñal.

Como se sabe, la entrada y salida de las mezclas de gases a los cilindros para que ocurra la combustión es controlada mediante válvulas. La apertura y cierre de estas válvulas se realiza mediante un sistema de distribución cuyo movimiento está sincronizado con el movimiento de giro del árbol de levas o cigüeñal.

No obstante, actualmente muchos de los vehículos híbridos disponibles en el mercado funcionan según otro ciclo, el llamado ciclo Atkinson, que se diferencia ligeramente del tradicional ciclo Otto de los motores de gasolina de cuatro tiempos por el mayor grado de compresión que alcanza la mezcla dentro de los cilindros.

Como se sabe, el rendimiento de todo motor de combustión interna depende en gran medida del grado de compresión que alcance la mezcla dentro de la cámara de combustión. A mayor nivel de compresión de la mezcla antes de producirse la chispa, mayor energía se liberará durante la combustión y, por tanto, mejor será el rendimiento del motor.

No obstante, la mezcla de combustible y aire no se puede comprimir todo lo que se desee sin que puedan producirse detonaciones antes de tiempo, no deseadas y descontroladas, que afectan negativamente al rendimiento del motor.

Para solventar este inconveniente, el ciclo Atkinson aplicado a los modernos motores de combustión consigue aprovechar mejor las fases de compresión de la mezcla dentro del cilindro sin originar estas detonaciones no deseadas, lo que se traduce en un mejor rendimiento del motor.

Básicamente, lo que se consigue con el ciclo Atkinson es reducir la carrera efectiva de compresión en comparación con la compresión que se obtendría con un ciclo Otto normal. La manera de llevarlo a cabo es retrasando el cierre de la válvula de admisión, de manera que se consigue un cierto reflujo de gases hacia el colector de admisión cuando el pistón comienza a ascender, de manera que esta mezcla se aprovecharía en el siguiente ciclo de admisión.

Ciclo Atkinson

—  Ciclo Atkinson  —


Este retraso en el cierre de la válvula de admisión supone una menor cantidad de gases presentes en la cámara de combustión en el comienzo de la fase de compresión. Aunque la menor cantidad de mezcla presente en el cilindro pueda hacer suponer que se consiga una menor cantidad de energía en la combustión, esto no es así, dado que este inconveniente se contrarresta con la posibilidad de poder aumentar las relaciones de compresión mucho más (del orden de 13:1), lo que al final permite que se consiga aumentar el rendimiento de la combustión.

Los modelos híbridos de vehículos llevan incorporados una distribución variable del tipo VVT-i. Con este sistema, la válvula de admisión puede cerrar entre 78º y 105º después del punto muerto inferior. Así, en función de las condiciones de funcionamiento del motor, este sistema permite no cerrar las válvulas de admisión hasta después de llevar media carrera ascendente el pistón ya en la fase de compresión.

Sistema de Distribución VVT - i

—  Sistema de Distribución VVT - i  —


 

3.3- Moto - generador eléctrico

El conjunto motor eléctrico y generador, junto con la unidad de control que lo gobierna, es quizás la pieza fundamental de todo sistema híbrido. Por un lado, el motor eléctrico debe ser capaz de transformar la energía eléctrica que le proporciona las baterías en energía mecánica para el accionamiento de las ruedas, pero además, y gracias a que los motores eléctricos de los sistemas híbridos son de doble sentido, debe ser capaz también en determinadas situaciones de la conducción (por ejemplo, durante la frenada) de transformar la energía cinética del vehículo en energía eléctrica para que se almacene en las baterías.

Por otro lado, el generador es un elemento que transforma la energía mecánica que le proporciona el motor de combustión en energía eléctrica usada para el accionamiento del motor eléctrico. También el generador puede funcionar como motor de arranque del motor de combustión, siempre y cuando el nivel de carga de las baterías lo permita.

En muchos modelos de vehículos híbridos, el sistema moto - generador eléctrico realmente lo componen dos unidades de motores generadores trifásicos que funcionan en alta tensión (alrededor de 500 VAC), denominados Moto - Generador 1 y Moto - Generador 2, cada uno con una función específica.

Componentes de un motor híbrido

Para conseguir la corriente alterna que haga funcionar los moto - generadores es necesario la utilización de un inversor de corriente que se alimenta desde las baterías de alto voltaje HV (recordemos que las baterías proporcionan la corriente en continua).

Así, mientras el Moto - Generador 1 se encarga de generar energía eléctrica que se almacena en las baterías de alto voltaje HV y también para accionar el Moto - Generador 2, esta otra unidad, el Moto - Generador 2 es el encargado de sincronizarse con el motor de combustión para intervenir en el accionamiento de las ruedas en aquellas situaciones donde la eficiencia del motor de combustión sea muy baja, o cuando se necesite del funcionamiento de ambos motores para conseguir una potencia extra. Todas estas situaciones de funcionamiento de ambos motores (combustión y eléctricos) son controladas por la unida de control electrónica del sistema híbrido.

Pero quizás, otra de las funciones más importantes que desempeña el Moto - Generador 2 es la de poder funcionar como un generador eléctrico que permite la recarga de las baterías. En efecto, esta función sólo la realiza en las situaciones de frenada del vehículo, mediante el llamado sistema de freno regenerativo, característico de los vehículos híbridos. Mediante este sistema, el Moto - Generador 2 funciona como un mero generador que recibe la energía cinética que acumula el vehículo debido a su movimiento, y que lo transforma en energía eléctrica que, a través del inversor, se almacena en las baterías de alto voltaje HV del sistema.

Esta función permite elevar muchísimo la eficiencia de los vehículos híbridos frente a los vehículos convencionales, dado que estos últimos toda la energía cinética que acumula los vehículos durante las frenadas se pierde irremediablemente en forma de calor en las pastillas y discos de frenos, mientras que los vehículos híbridos aprovechan y acumulan toda esta energía en las baterías para su posterior uso.

Para el proceso de arranque del motor de combustión, los vehículos híbridos pueden seguir diferentes estrategias, dado que no disponen del típico motor de arranque de un vehículo convencional. Así, si el vehículo está parado, el arranque del motor de combustión lo realiza el Moto - Generador 1, mientras que si el vehículo se encuentra en movimiento y necesita de la intervención del motor de combustión, éste se arranca por la acción combinada de ambos moto - generadores.

Evidentemente, todas estas posibles formas de funcionamiento entre los moto - generadores y el motor de combustión es posible gracias al sistema de transmisión de engranajes planetarios que incorporan los motores híbridos y que permite sincronizar el funcionamiento del motor de combustión y los moto - generadores eléctricos.

 

3.4- Inversor

El inversor es otro de los componentes fundamentales de los vehículos híbridos, cuyo funcionamiento está controlado por la unidad de control electrónica del sistema, el cual, además de generar las órdenes que regulan el normal funcionamiento del inversor, también realiza su diagnóstico en tiempo real, incluyendo la generación de códigos de fallos del inversor, en casos que se produzcan.

Inversor de vehículos híbridos

A continuación, se detallan las distintas tareas que puede desempeñar el inversor en los sistemas de los vehículos híbridos:

  En primer lugar, el inversor se encarga de hacer funcionar a los dos moto -generadores eléctricos. Para ello, el inversor recibe la alimentación eléctrica de la batería de alto voltaje HV a una tensión de 220VDC en corriente continua. El inversor se encarga mediante un circuito de potencia de transformar esta corriente que recibe de la batería en una corriente de tipo alterna de tres fases y en alta tensión (alrededor de 500 VAC), que es el tipo de corriente necesaria para hacer funcionar a los dos moto - generadores.

  Otra tarea que desempeña el inversor es hacer funcionar el motor eléctrico que activa el aire acondicionado del vehículo. Para ello, el inversor, a partir de la alimentación que recibe de la batería de alto voltaje HV, genera una corriente trifásica adaptada para hacer funcionar un motor eléctrico de frecuencia variable que acciona el sistema del aire acondicionado. Esto debe de hacerse así porque el motor de combustión se apaga en algunas condiciones de funcionamiento en los vehículos híbridos, como ya se ha visto anteriormente. De esta manera, para que el sistema del aire acondicionado está disponible en todo momento, éste deberá ser activado por medio de un motor eléctrico aparte.

  Los vehículo híbridos también disponen de una batería adicional de 12 VDC que alimenta a todos los accesorios y mecanismos propios de cualquier vehículo convencional (iluminación, elevalunas eléctricos, radio, luces del salpicadero, iluminación interior del habitáculo, etc.) y que funcionan a una tensión de 12 VDC. Para ello, el inversor permite convertir la tensión de la batería de alto voltaje HV en una tensión de 12 VDC para mantener en carga esta batería adicional.

  Recordemos que los dos moto - generadores también pueden realizar la recarga de la batería de alta tensión HV. Pues bien, otras de las funciones del inversor es permitir que esta recarga pueda llevarse a cabo a través de diversos componentes electrónicos de potencia que constituyen el inversor, como son el IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) y la unidad de control del sistema híbrido (ECU HV).

  Por último, otra función del inversor es la de permitir el funcionamiento del moto - generador 1 en condición de arranque para activar la marcha del motor de combustión interna en determinadas ocasiones, por ejemplo, cuando el nivel de carga de la batería de alto voltaje HV se encuentra por debajo del límite establecido, y el vehículo, entonces, debe funcionar en modo gasolina sólo con el motor de combustión.

Revisando el tipo de funcionamiento del inversor antes descrito y porque maneja corrientes eléctricas en alta tensión, es fácil adivinar que en el interior del inversor se va generar mucho calor, que será necesario evacuar. Para ello, este dispositivo dispone de un sistema propio de refrigeración por agua, que permite mantener una temperatura controlada de todos los componentes electrónicos que constituyen el inversor, imprescindible para que puedan funcionar en un óptimo grado de funcionamiento.

Sistema de refrigeración del inversor

—  Sistema de refrigeración del inversor  —


Como ya se ha indicado anteriormente, el inversor trabaja con corrientes en alta tensión. Como curiosidad, se incluye un detalle del conexionado de alta tensión al inversor, los cuales se realizan por medio de conectores especiales, con una forma y diámetros específicos para los sistemas híbridos instalados en vehículos.

Conectores de alta tensión del inversor

—  Conectores de alta tensión del inversor  —


 

3.5- Batería de alto voltaje HV

Las baterías de alto voltaje HV en los vehículos híbridos son los elementos encargados de almacenar la energía para poder ser utilizada posteriormente por el sistema híbrido para el accionamiento del vehículo.

Es evidente que las baterías destinadas a la automoción deberán estar diseñadas para soportar unos altos niveles de exigencia. Por un lado, deberán ser capaces de almacenar la mayor cantidad de energía con la menor masa posible (lo que se denomina densidad energética). También deberán ser capaces de soportar rangos de temperaturas de funcionamiento muy amplios sin sufrir deterioros, accidentes o posibles riesgos de incendio. Y además, deberán estar diseñadas para poder soportar miles de ciclos de recarga sin que ello merme de manera significativa la duración de su vida útil.

Batería de alto voltaje HV

—  Batería de alto voltaje HV  —


Las baterías almacenan la energía en su interior en forma de energía química. Están constituidas por un conjunto de células electrolíticas donde tienen lugar una serie de reacciones químicas reversibles, en una dirección en la fase de carga, y en la dirección contraria para la descarga, de manera que se produce un intercambio de iones y electrones entre los dos polos de cada célula.

Así, durante la fase de descarga de la batería, ésta genera una corriente eléctrica que es capaz de mover el motor eléctrico que impulsa el coche, mientras que cuando tiene lugar la carga, tanto iones como electrones de cada célula de la batería vuelven a su situación original, gracias a un aporte de energía externo, que puede ser por la acción del motor de combustión que mueve el generador eléctrico del vehículo, o bien, a partir de una recarga eléctrica externa para el caso de los vehículos híbridos enchufables (PHEV).

Dependiendo del tipo de elementos químicos que se empleen en la construcción de las células que conforman la batería, y de la electrónica de control que gestiona el proceso de carga y descarga de la misma, variará el rendimiento y la duración de la vida útil de cada batería.

Las células de las baterías empleadas en los sistemas híbridos se componen de dos polos, a saber, un cátodo (electrodo positivo) y un ánodo (electrodo negativo), además de un electrolito, que separa ambos electrodos y constituye el medio donde se realiza la transferencia de carga dentro de la célula.

Existen en el mercado principalmente tres tipos de baterías que se aplican en el mundo de la automoción, que son las baterías de Plomo-Ácido, las baterías de Metal-Níquel y las baterías de Ion-Litio.

  Las baterías de Plomo-Ácido son, posiblemente, las más baratas del mercado, y son las que se han venido utilizando durante décadas para arrancar los motores de combustión de los vehículos tradicionales.

Entre sus ventajas, además de ser las más baratas y extendidas por todo el mundo, se encuentra que ofrecen una buena potencia específica (W/kg), es decir, una buena relación entre la potencia que ofrecen y el peso de la batería, que ronda los 350 W/kg.

Además, las baterías de Plomo-Ácido funcionan bien en un amplio rango de temperaturas, son capaces de retener la carga en el tiempo y son relativamente fáciles de reciclar.

Como contrapartida de las baterías de Plomo-Ácido está su baja capacidad de almacenaje, alrededor de unos 50 Wh/kg, es decir, que su densidad energética (la relación entre la energía almacenada y el peso de la batería) es muy baja en comparación con otros tipos de baterías como se verá más adelante. Además, no admite una recarga rápida, por lo que el tiempo que se necesita para volver a efectuar su carga es elevado, y tiene una vida útil de las más cortas del mercado (aguantan alrededor de unos 800 ciclos de recarga).

  Las baterías de Níquel-Metal son otro tipo de baterías ampliamente utilizadas por conocidas marcas de fabricantes de vehículos híbridos, sobretodo en híbridos no enchufables.

Este tipo de batería ofrece una más que correcta relación de potencia específica que ronda los 180 W/kg, un ciclo de vida largo (aguantan más de 1000 ciclos de recarga) y no presentan problemas medioambientales dado que todos sus componentes son reciclables.

Como contrapartida, este tipo de baterías sufre un alto índice de descarga en periodos de inactividad (pierden el 30% de la carga en un mes sin funcionar) y su coste de fabricación es elevado por incorporar tierras raras en la fabricación del electrodo positivo de esta batería. No obstante, presenta una capacidad de almacenaje de unos 70 Wh/kg, superior a lo que ofrecen las baterías de Plomo-Ácido.

  Las baterías de Ion-Litio, de las que existen muchos tipos, parecen ser las que tienen mayor perspectiva de futuro para su uso en vehículos, tanto híbridos como 100% eléctricos.

Las baterías de ion-litio mejoran sustancialmente a las dos opciones anteriores. Su voltaje, potencia específica (mayor a 300 W/kg), densidad energética (alrededor de 120 Wh/kg), carga utilizable, eficiencia de recarga y ciclo de vida son muy superiores a las de plomo-ácido y níquel-metal, al tiempo que su índice de descarga es mucho menor.

No obstante, las baterías de ion-litio requieren emplear sofisticados sistemas de control que gestionen la protección y el correcto funcionamiento este tipo de baterías, que unido al tipo de elementos químicos que la componen, hacen del coste de fabricación de las baterías de ion-litio mayor que los otros tipos de baterías.

Ubicación en el vehículo de la batería de alto voltaje HV

De entre los anteriores tipos, la mayoría de los fabricantes de vehículos híbridos se decantan por el uso de las baterías de Ion-Litio y son las que posiblemente tengan mayores perspectiva de mejorar sus prestaciones en el futuro. Por tanto, a continuación se va a estudiar con algo de mayor profundidad este tipo de baterías.

Realmente, bajo el nombre de baterías de Ion-Litio se encierra un mundo muy variado de posibilidades. Existen en el mercado muchos tipos de baterías de Ion-Litio que sólo tienen en común la utilización de un ánodo de Litio-Carbono, pero que en todo lo demás, por ejemplo, en el tipo de óxido de litio que utilizan como cátodo, se diferencian unos tipos de baterías de otros.

Una de las ventajas que más agradecen los fabricantes de vehículos es que las baterías de litio son más ligera en comparación con otros tipos de baterías, por lo que pueden ofrecer el mejor ratio de potencia específica (W/kg) del mercado. Además son capaces de conservar intacto su nivel de carga, incluso cuando hayan estado sin uso durante un largo periodo de tiempo.

Como ya se ha indicado anteriormente, con el nombre baterías de Ion-Litio se abarca una gran variedad de baterías. Entre los tipos de baterías de Ion-Litio más utilizadas comercialmente destacan las siguientes:

Baterías de Litio-Cobalto (Li Co O2):

Este tipo de batería de Ion-Litio puede ofrecer una densidad energética (la relación entre la energía almacenada y el peso de la batería) de entre 170 - 185 Wh/kg.

Su utilizan sobretodo para dispositivos móviles, como teléfonos u ordenadores portátiles, pero son difícilmente utilizables en el mundo de la automoción porque sólo aguantan unos 500 ciclos de recarga y, en caso de accidente o rotura pueden generar reacciones exotérmicas que pueden desembocar en riesgo serio de incendio.

Baterías de Litio-Hierro-Fosfato (Li Fe P O2):

Este tipo de batería ofrece una densidad energética que oscila entre 90 - 125 Wh/kg.

Este tipo de batería son las más seguras, por tener la mayor estabilidad térmica y química durante su funcionamiento. Aunque su capacidad de almacenaje energético no sea de los más elevado, el aspecto de la seguridad las hace muy recomendables su uso.

Además, este tipo de baterías ofrecen una elevada durabilidad, con hasta 2.000 ciclos de recarga. Son también las más baratas, junto con las de cobalto, por lo que constituyen hoy en día un tipo de batería que sí se puede emplear en automoción, tanto para vehículos híbridos como eléctricos puros, sin ningún tipo de riesgos.

Baterías de Litio-Manganeso (Li Mn2 O2):

Este tipo de batería ofrece una densidad energética que oscila entre 90 - 110 Wh/kg.

También son más estables térmicamente que las de cobalto y soportan un mayor voltaje. No obstante, como parte negativa está la poca capacidad de almacenaje energético (densidad energética) que pueden ofrecer este tipo de baterías. Decir también que el manganeso no es un elemento contaminante, lo que cuenta a favor de este tipo de baterías.

Baterías de Litio-Níquel-Cobalto-Manganeso (Li Nix Coy Mnz O2):

La densidad energética de este tipo de baterías está entre 155 - 190 Wh/kg.

Gracias a estos excelentes niveles para almacenar energía, y a que su coste de fabricación no es muy elevado, su uso empieza a generalizarse en aplicaciones de vehículos híbridos y eléctricos.

Otro dato a su favor es que pueden soportar más de 1.500 ciclos de recarga, y niveles de voltaje de los más elevados.

Baterías de Litio-Titanio (Li4 Ti5 O12):

La densidad energética de este tipo de baterías está entre 65 - 100 Wh/kg.

Son las más duraderas, pues aguantan hasta 12.000 ciclos de recarga (unas 10 veces más que cualquiera de las otras), pero su densidad energética actual es algo baja y su coste de fabricación, a día de hoy, muy elevado.

Una vez visto los principales tipos de baterías de Ion-Litio, cabe decir que, en general, las baterías de alto voltaje empleadas en los vehículos híbridos enchufables son mucho más pequeñas que la de los vehículos 100% eléctricos, aunque su diseño sea el mismo.

Por ejemplo, en el caso de la batería de alto voltaje del Toyota Prius híbrido, ésta se compone de 228 celdas de 1,2 VDC cada una. De esta manera, la batería alcanza un voltaje nominal de 273 VDC. Las celdas se disponen en 38 módulos de 6 celdas cada módulo. La corriente máxima que proporciona esta batería es de 80 Amperios en la fase de descarga y de 50 Amperios durante la carga. La capacidad nominal de esta batería es de 6,5 A-h, aunque es habitual que la unidad de control no permita la descarga completa de la batería con el fin de prolongar su vida útil, ni tampoco una recarga completa. Generalmente, durante la fase de carga, la unidad de control trabaja entre el 40% y el 80% de la carga total nominal de la batería.

Este modelo de vehículo también dispone de una batería auxiliar de Plomo-Ácido que suministra una corriente a 12 VDC y 28 Amp-h. El propósito de esta batería auxiliar es la de suministrar energía eléctrica a todos los accesorios del vehículo cuando el sistema híbrido se encuentra apagado y cuando el relé de alto voltaje de la batería principal no está energizado.

Cuando el sistema híbrido está activo, la tensión de alimentación de 12 VDC proviene del sistema de alto voltaje haciendo uso de un transformador de corriente de DC a DC. Además, esta batería auxiliar también podrá ser cargada, si fuese necesario, desde la batería principal de alta tensión.

Para el caso del Peugeot 508 Hybrid, la batería de alto voltaje está compuesta por 7 módulos de 12 celdas, que suman un total de 84 celdas. Su capacidad total es de 11,8 kWh de los que 9,4 kWh son útiles. La autonomía WLTP homologada es de 54 kilómetros en modo 100% eléctrico en el caso de la berlina y 52 kilómetros para la carrocería familiar SW.

Las baterías del 3008 Hybrid y 3008 Hybrid4 tienen una capacidad total de 13,2 kWh de los que 10,4 kWh son útiles. Cuentan con 8 módulos de 12 celdas, con un total de 96 celdas y las autonomías homologadas en modo eléctrico son de 59 kilómetros para la versión 3008 Hybrid4 y de 56 kilómetros para el 3008 Hybrid.

 

3.6- Transmisión híbrida

La transmisión es un elemento mecánico crucial en los sistemas híbridos cuya misión es conectar de manera eficiente entre sí los distintos elementos que componen la cadena cinemática del vehículo, esto es, el motor eléctrico, el motor de combustión y el generador de corriente, y todos ellos con las ruedas motrices del vehículo.

Es importante resaltar que la transmisión híbrida, además de conectar el movimiento de los motores del sistema (tanto, el motor eléctrico como el de combustión) con las ruedas motrices del vehículo, también sirve para conectar el motor de combustión con el generador de corriente.

Para los vehículos híbridos con configuración en serie, la cadena cinemática se simplifica muchísimo, dado que en este caso sólo el motor eléctrico transmite movimiento a las ruedas.

Para estos tipos de híbridos se puede utilizar un solo motor eléctrico o varios, uno por cada rueda motriz. Para el caso de emplear un único motor eléctrico para mover las ruedas del mismo eje motriz, se necesitaría un diferencial para compensar la diferencia de la velocidad lineal de ambas ruedas al tomar una curva. Sin embargo, si se empleara un motor eléctrico por cada rueda motriz, ya tampoco haría falta hacer uso del diferencial, por lo que con esta configuración la mecánica a emplear se simplificaría enormemente. Ahora bien, como contrapartida haría falta usar una unidad de control electrónica potente que sincronizara a la perfección el movimiento de los distintos motores eléctricos que accionan a cada rueda del vehículo.

Transmisión híbrida

—  Transmisión híbrida  —


El caso de los vehículos híbridos con configuración en paralelo, el asunto se complica un poco, dado que en este caso tanto el motor de combustión como el motor eléctrico participan en la transmisión de movimiento a las ruedas.

Para transmitir el par de fuerza que desarrollan ambos motores, tanto el motor eléctrico como el motor de combustión se interconectan en un mismo eje a través de reducciones mecánicas fijas, para posteriormente conectarse con el eje motriz de las ruedas por medio de un diferencial. Para los vehículos que dispongan de un generador de corriente aparte, también deberá estar conectado a este eje común.

Además, en los vehículos híbridos con configuración en paralelo la transmisión podrá permitir la desconexión del motor de combustión cuando el sistema funcione sólo con el motor eléctrico. Para poder llevar a cabo la desconexión del motor de combustión de la transmisión híbrida, estos vehículos cuentan con un embrague electromecánico que estará controlado por la unidad de control electrónica del sistema.

Por el contrario, tanto el motor eléctrico como el generador no hará falta desconectarlos físicamente de la transmisión, por lo que irán siempre engranados a la transmisión híbrida. Para desactivarlos sólo hará falta cortar el suministro de corriente y de esta forma, tanto motor eléctrico como generador, no generarán ningún par resistente.

Los sistemas de transmisión híbridas no necesitan de una caja de cambios de velocidades como en los vehículos convencionales, ya sea de engranajes o automática, sino que disponen de un único engranaje planetario para transmitir el movimiento de los motores, tanto eléctrico como el de combustión, a las ruedas.

Al no necesitar de caja de cambios, los vehículos híbridos disponen de mayor espacio bajo el capó, se disminuyen las pérdidas por rozamiento que generan las cajas de cambio y logran aligerar el peso.

Disponer de un sistema de engranajes planetario (Power Split Device) es necesario en la transmisión de los vehículos híbridos, dado que el motor eléctrico siempre trabaja a plena carga, donde su eficiencia es más alta, por lo que resulta necesario adaptar las revoluciones a la que gira el motor eléctrico con las condiciones de movimiento del vehículo en cada momento, ya sea en marcha lenta o para circular a mayor velocidad.

Un engranaje planetario se compone básicamente de tres elementos: un planeta o engranaje central, engranajes satélites que giran alrededor del planeta, y una corona con un dentado interior al cual están engranados también los satélites.

Esquema del engranaje planetario de una transmisión híbrida

—  Esquema del engranaje planetario de una transmisión híbrida  —


El esquema del conexionado del engranaje planetario en una transmisión híbrida es la siguiente: el porta-satélite se encuentra engranado al motor de combustión interna, el engranaje central o planetario está conectado al generador eléctrico, y la corona al motor eléctrico y a las ruedas.

En una transmisión híbrida el giro del generador eléctrico varía, no es siempre el mismo, dependiendo de la resistencia que se oponga. Así, cuando el vehículo circula en una velocidad corta el generador eléctrico ofrece una gran resistencia al movimiento, con ello se consigue que parte del par de fuerza del motor de combustión se desvía hacia el motor eléctrico, que también participa en el movimiento de las ruedas. Conforme el vehículo gana velocidad, el generador eléctrico opone cada vez menos resistencia y su velocidad de giro se incrementa, con lo que se consigue circular en un desarrollo más largo.

Cuando las baterías de alto voltaje HV no intervengan en la aceleración del vehículo, todo el par de fuerza para mover las ruedas la desarrolla el motor de combustión interna, sin embargo, esta fuerza también puede llegar a las ruedas a través del motor eléctrico, alimentado por el generador, o si éste no interviene, directamente accionado por el motor de combustión.

A continuación, se incluye un esquema donde se representa la cadena cinemática de una transmisión híbrida. En el esquema se aprecia la conexión del motor de combustión interna con los engranajes planetarios, mientras que la corona está conectada a la cadena silenciosa por medio del piñón de la cadena y al Moto - Generador 2.

Como se ve, el eje de salida del motor de combustión interna pasa a través del eje del Moto - Generador 1 hasta llegar al porta-satélites del sistema planetario. En este esquema, la transmisión permite que entre la corona y el diferencial exista una cadena de transmisión y dos pares de engranajes.

Cadena cinemática de una transmisión híbrida

—  Cadena cinemática de una transmisión híbrida  —


Del esquema anterior se deduce que mientras el vehículo se encuentre en movimiento, la corona del engranaje planetario también se moverá. La fuerza que hace que la corona del planetario se mueva proviene directamente del moto generador eléctrico MG2, o bien del empuje que viene del motor de combustión interna.

Conforme más lenta sea la velocidad de circulación del vehículo, mayor par de fuerza provendrá del motor eléctrico, mientras que si la velocidad del vehículo va aumentando progresivamente, entonces toda la potencia la desarrollará el motor de combustión.

A continuación, se estudiará el modo de funcionamiento del sistema de transmisión híbrida en función de las condiciones de conducción y de marcha del vehículo:

1.-  El vehículo sólo se mueve con la energía que le suministra la batería de alto voltaje HV. En esta situación el motor de combustión está detenido, mientras que toda la fuerza motriz proviene del motor eléctrico que funciona a régimen. En esta situación, el generador funciona en sentido inverso, sin producir energía eléctrica.

2.-  El vehículo está detenido y el motor de combustión funcionando cargando la batería. Cuando la batería llega a su límite mínimo de carga y el vehículo se encuentra parado, el sistema arranca el motor de combustión para la recarga de la batería. En esta situación, el generador sí ofrece resistencia y por tanto genera energía eléctrica para la recarga de la batería.

3.-  El vehículo se mueve a velocidad constante. En esta situación es el motor de combustión el que propulsa al vehículo. En efecto, el motor de combustión acciona al porta-satélites que empuja a la corona, moviendo al motor eléctrico. En esta situación el engranaje central o planetario está detenido, por lo que el generador no se mueve.

4.-  El vehículo acelera fuertemente. Cuando el vehículo se está moviendo y el conductor pisa de forma brusca el acelerador, el generador de corriente se pone en marcha. En este caso el motor eléctrico también interviene en la propulsión del vehículo, recibiendo la alimentación de tres fuentes distintas: del motor de combustión que mueve al generador para proporcionar energía al motor eléctrico, del propio motor de combustión que directamente engrana con el eje del motor eléctrico, y de la corriente que suministra la propia batería.

Como se puede apreciar en las transmisiones híbridas, éstas no disponen de marcha atrás. Para hacer mover un vehículo híbrido marcha atrás se utiliza sólo el motor eléctrico, que puede girar en ambos sentidos con sólo invertir la alimentación. Por tanto, cuando el vehículo se mueve marcha atrás, el motor de combustión no funciona, y el par de fuerza necesario sólo lo genera el motor eléctrico.

 

3.7- Unidad de control electrónica

La unidad de control electrónica es el cerebro del sistema híbrido. Su principal misión es la de regular el funcionamiento de los motores en los vehículos híbridos, tanto el motor eléctrico como el de combustión.

La unidad de control electrónica decide cuándo entra en funcionamiento cada motor o cuándo se detienen, según las necesidades de la conducción, y siempre persiguiendo el mayor ahorro de combustible posible, la máxima eficiencia, el mínimo de emisiones contaminantes y ofreciendo siempre las máximas prestaciones de potencia que pueda dar el sistema.

Unidad de control electrónica

La unidad de control electrónica gestiona el funcionamiento del sistema híbrido, haciendo funcionar el vehículo con la máxima eficiencia posible, según las condiciones de la conducción, controlando las necesidades energéticas del sistema, pero no sólo la energía necesaria para mover el vehículo, sino también la energía necesaria para hacer funcionar el resto de componentes auxiliares, como el aire acondicionado, la calefacción, iluminación exterior e interior del vehículo, etc.

La unidad de control electrónica realiza un monitoreo en tiempo real de las condiciones de funcionamiento de cada uno de los elementos que constituyen el sistema híbrido, que entre otros son:

-  el motor de combustión, que actúa como la fuente principal de energía de todo el vehículo;

-  el motor eléctrico, que participa en la propulsión del vehículo alimentado por la energía eléctrica que le proporciona la batería;

-  el generador, que se utiliza como motor de arranque del motor de combustión, además de para generar energía eléctrica destinada a la recarga de la batería a partir de la energía sobrante del motor de combustión;

-  y la batería de alto voltaje HV, que almacena la energía generada, por ejemplo, por el propio motor eléctrico durante las fases de desaceleración.

Pero también la unidad de control electrónica recibe información del estado de otros componentes del vehículo, como los sensores de frenos, los sensores de velocidad, posición del acelerador, etc., de manera que a partir de las condiciones de funcionamiento de estos elementos, la unidad de control electrónica podrá emitir las órdenes correctas a los distintos componentes del sistema.

Los sistemas híbridos disponen de estrategias de funcionamiento que están almacenadas en la memoria de la unidad de control electrónica, de manera que el vehículo siempre funcione con la máxima eficiencia. A continuación, se indican cada una de estas estrategias de funcionamiento, según las condiciones de la conducción:

• Detenido

Cuando el vehículo se encuentra detenido, y la batería de alto voltaje está cargada, entonces la unidad de control hace que se apague el motor de combustión. De esta manera, con el motor de combustión apagado se logra un gran ahorro de combustible.

Sólo cuando la batería de alto voltaje necesita ser cargada, la unidad de control pondrá en marcha el motor de combustión para que mueva el generador y cargue la batería.

En caso que los ocupantes del vehículo accionen el aire acondicionado, la unidad de control también pondrá en marcha al motor de combustión, ya que el compresor del aire acondicionado es accionado por el propio motor de combustión.

Estrategia de Control: Detenido

—  Estrategia de Control: Detenido  —


• Inicio de la marcha a bajas velocidades

Al iniciarse la marcha a bajas velocidades, es decir, presionando ligeramente el pedal del acelerador, sólo el moto - generador MG2 proporciona potencia a las ruedas. El motor de combustión permanece apagado y el vehículo sólo funciona con energía eléctrica.

El motor de combustión sólo se pondría en marcha si el nivel de carga de la batería de alto voltaje HV fuese bajo.

Generalmente, cuando el vehículo sobrepasa los 30 km/h aproximadamente, el motor de combustión entrará entonces en funcionamiento.

En estas circunstancias, el moto -generador MG1 funciona girando en sentido contrario y no genera electricidad, por lo que está inactivo.

Estrategia de Control: Arranque a velocidades bajas

—  Estrategia de Control: Arranque a velocidades bajas  —


• Conducción normal

Durante una conducción normal y a velocidades comprendidas entre 30 y 80 km/h, el motor de combustión se pone en marcha y suministra potencia a las ruedas. En estas circunstancias el moto - generador MG2 funciona también como motor eléctrico suministrando una potencia adicional a las ruedas.

En este modo de funcionamiento, el moto - generador MG1 se enciende y gira en la misma dirección que el motor de combustión, por lo que funciona como un generador de corriente, que proporciona energía al moto - generador MG2. A esta energía que le proporciona el MG1 se le suma la energía que proviene de la batería de alto voltaje HV, por lo cual, el MG2 dispone de la energía suficiente para ayudar en la propulsión del vehículo.

Por tanto, cuando se conduce en condiciones normales y a un rango de velocidades entre 30 y 80 km/h, el motor de combustión está funcionando, y la energía que proporciona se divide en dos partes: una para el accionamiento de las ruedas, y otra para el accionamiento del moto - generador MG1 para generar electricidad. Es misión de la unidad de control electrónica controlar y distribuir esta energía, de manera que se consiga la máxima eficiencia en el funcionamiento del vehículo.

Estrategia de Control: Conducción normal

—  Estrategia de Control: Conducción normal  —


• Máxima aceleración y altas velocidades

Al pisarse al máximo el pedal del acelerador, o cuando el vehículo circule a grandes velocidades (por encima de los 120 km/h), la potencia entregada por el moto - generador MG2 complementa a la que proporciona el motor de combustión.

En estas circunstancias, la batería de alto voltaje HV suministra la corriente necesaria para que el motor - generador MG2 funcione como motor eléctrico que ayuda a propulsar las ruedas.

Por otro lado, el moto - generador MG1 también recibe energía de la batería de alto voltaje HV y gira en sentido inverso al motor de combustión, para provocar así una relación de sobre-marcha para alcanzar altas velocidades.

Por tanto, durante momentos de máxima aceleración o circulando a altas velocidades, la potencia es proporcionada por el motor de combustión y el moto - generador MG1, que es la misma que extrae de la batería.

El par de fuerza producido por el motor de combustión y el producido por el moto - generador MG2 proporcionan la potencia necesaria para acelerar al máximo el vehículo.

Estrategia de Control: Máxima aceleración y altas velocidades

—  Estrategia de Control: Máxima aceleración y altas velocidades  —


• Desaceleración y frenado

En el momento de pisar el pedal del freno, el moto - generador MG2 pasa a funcionar como un generador de corriente, que gira gracias a la acción de las ruedas. La corriente que va generando el moto - generador MG2 se conduce hacia la batería de alto voltaje para su recarga. Este proceso es lo que se conoce como freno regenerativo.

Como en este proceso el vehículo se desacelera, el motor de combustión no hace falta y se apaga. Por otro lado, el moto - generador MG1 gira en reversa para mantener la relación de transmisión.

Como se ve, al pisar el pie del freno, la mayor fuerza de frenado proviene de la resistencia que ofrece el freno regenerativo y de la fuerza necesaria para hacer girar el moto - generador 2 al funcionar como generador de corriente. Por tanto, esto supone hacer un menor uso de las pastillas y discos de freno, lo que hace aumentar su durabilidad.

Estrategia de Control: Desaceleración y frenado

—  Estrategia de Control: Desaceleración y frenado  —


• Marcha atrás

Cuando el vehículo circula marcha atrás, el moto - generador MG2 funciona como un motor eléctrico accionando las ruedas del vehículo para moverse hacia atrás.

En esta situación el motor de combustión se mantiene apagado, por lo que el vehículo marcha atrás funciona 100% eléctrico, mientras que el moto - generador MG1 gira en dirección frontal a la mínima velocidad sin generar electricidad.

Estrategia de Control: Marcha atrás

—  Estrategia de Control: Marcha atrás  —


 

 

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