Como funciona un motor híbrido

Un motor híbrido eléctrico es un coche de propulsión mixta combinando un motor eléctrico y un motor de combustión.

Muchos sistemas con motor híbrido eléctrico permiten recoger y reutilizar la energía cinética, que se escapa en forma de calor al frenar. Todo gracias al uso de frenos regenerativos, aunque actualmente este sistema también se utiliza en algunos vehículos no híbridos de alta gama.

La combinación de un motor de combustión operando siempre a su máxima eficiencia, y la recuperación de energía del frenado (útil especialmente en los tramos cortos), hace que estos vehículos alcancen un mejor rendimiento que algunos vehículos convencionales, especialmente en ciudades muy transitadas, donde se concentra la mayor parte del tráfico, de forma que se reducen significativamente tanto el consumo de combustible como las emisiones contaminantes.

Ventajas

Los vehículos eléctricos tradicionales se recargan desde una fuente externa, lo que les ocasiona problemas de autonomía de funcionamiento por ausencia de puntos de recarga. Sin embargo, los vehículos híbridos eléctricos obtienen la energía del motor de combustión y con la recuperación de energía durante el frenado. Esto les da similar autonomía que los de combustión interna a costa de algo de perdida de rendimiento frente a ellos por la continua conversión de energía de un formato a otro y las pérdidas por almacenamiento en la batería.

Desventajas

Las grandes desventajas de motor híbrido eléctrico son el peso y el coste de construcción. El uso de dos sistemas de propulsión junto con las baterías auxiliares reduce el espacio habitable. Su peso hace que las prestaciones empeoren respecto de otro de combustión de potencia equivalente. Por otra parte, el usar el motor de combustión para mover un generador, que recarga las baterías. Éstas alimentan un motor eléctrico hace que el rendimiento total del sistema no sea tan eficiente como predican sus constructores. De hecho nunca dan las cifras de coste de combustible por kilómetro en forma de valor moneda comparativo. Se limitan a referenciar al uso del combustible fósil sin contar el consumo eléctrico (mucho más elevado).

Construcción básica

• • Un motor térmico MT, en un extremo del grupo motopropulsor.
  • Otro motor eléctrico MG1 situado a continuación de MT.
  • Un motor eléctrico MG2 en el extremo opuesto a MT.
  • Un mecanismo de tracción basado en un tren epicicloidal y una cadena de arrastre situado entre MG1 y MG2.

Funcionamiento básico

• • MG1 carga la batería de alto voltaje y pone en marcha al motor térmico MT.
  • MG2 es el que arrastra el vehículo en todas las circunstancias, bien solo o bien cooperando con MT, y hace la función de generador durante la frenada. Su alimentación es alterna trifásica. Transmite su par a la corona del tren epicicloidal, la cual es solidaria con el piñón de arrastre de la cadena.

Elementos mecánicos

Elementos que pueden ser utilizados en la configuración de la cadena energética de un vehículo con motor híbrido eléctrico, y deben estar coordinados mediante un sistema electrónico-informático:

• • Baterías de alta capacidad para almacenar energía eléctrica como para mover el vehículo.
  • Pila de combustible, para conseguir almacenar energía eléctrica en forma de combustible y transformarla en el momento de su utilización. De esa forma se consiguen capacidades de almacenamiento energético similares o superiores a las del depósito de combustible fósil.
  • Paneles fotovoltaicos como ayuda a la recarga de las baterías.
  • Batería inercial que permite recuperar la energía desprendida en la frenada. Las baterías no se cargan bajo picos de energía cortos y muy altos, así que acelerar un volante de inercia y luego utilizar esa energía cinética para ir cargando lentamente dichas baterías se perfila como una buena opción.
  • Supercondensadores para poder realizar la misma función que los volantes de inercia usando sólo tecnología eléctrica.
  • Grupos electrógenos para, en caso de niveles muy bajos de batería, consumir combustible fósil en motores de pistones para generar electricidad.
  • Grupos turbogen para, en caso de niveles muy bajos de batería, consumir combustible fósil en motores de turbina rotante para generar electricidad.

Tipos de trenes de propulsión

Existen numerosos tipos de sistemas de propulsión en el  motor híbrido eléctrico, entre los que destacan tres: el sistema paralelo, el sistema combinado y el sistema de secuencia o en serie.

• • Sistema paralelo: el motor térmico es la principal fuente de energía y el motor eléctrico actúa aportando más potencia al sistema. El motor eléctrico ofrece su potencia en la salida y en la aceleración, cuando el motor térmico consume más. Este sistema destaca por su simplicidad, lo que abre la puerta a la posibilidad de implementarlo en modelos de vehículos ya existentes, sin necesidad de diseños específicos, y facilita la equiparación de su coste al de un vehículo convencional. Este es el sistema que utiliza el Honda Insight.

• • Sistema combinado: el motor eléctrico funciona en solitario a baja velocidad, mientras que a alta velocidad, el motor térmico y el eléctrico trabajan a la vez. El motor térmico combina las funciones de propulsión del vehículo y de alimentación del generador, que provee de energía al motor eléctrico, lo que suele aumentar la eficiencia del sistema, ya que se puede aprovechar la energía generada por el motor térmico, que en ciertas circunstancias puede ser en exceso, y en lugar de desperdiciarla, utilizarla para recargar las baterías del sistema eléctrico. El Toyota Prius utiliza este sistema.

• • Sistema en serie: el vehículo se impulsa sólo con el motor eléctrico, que obtiene la energía de un generador alimentado por el motor térmico. El Opel Ampera, basado en el Chevrolet Volt, es un híbrido eléctrico en serie.

Asimismo pueden clasificarse en:

• • Regulares, que utilizan el motor eléctrico como apoyo, pero que no se pueden recargar conectándolo a la red eléctrica.
  • Enchufables, (también conocidos por sus siglas en inglés PHEVs), que emplean principalmente el motor eléctrico y que se pueden recargar enchufándolos a la red eléctrica. Un generador de combustión interna recarga las baterías cuando el ordenador de a bordo detecta que estas se han agotado. Ni siquiera se necesita que dicho generador mueva las ruedas, el altísimo par de los motores eléctricos moviendo las ruedas evita incluso el uso de una transmisión y un embrague.

Cada uno de estos sistemas tiene sus pros y sus contras, pero todos ellos tienen un importante componente positivo, ya que indican un esfuerzo serio en investigación y desarrollo de sistemas de propulsión más eficientes y limpios por parte de algunas marcas del sector de la automoción.

Una desventaja de los híbridos eléctricos es su peso ligeramente más alto que el convencional, debido al sistema eléctrico adicional, y que la tracción del mismo es mecánica (caja de cambios y palieres a las ruedas) conectada al motor térmico del mismo.

Como ahorra el motor híbrido

• • Arranque desde parado: El motor eléctrico se utiliza para mover el coche con o sin el motor térmico (con poca demanda de aceleración). La transición de parado a movimiento es lo más suave posible, alcanzada cierta velocidad el motor de gasolina mueve el coche también si no lo ha hecho ya. Así evitamos un momento de gran ineficiencia del motor térmico. Los semihíbridos siempre arrancan con los dos motores.
  • Aceleración: Como el motor térmico es de potencia más ajustada, el eléctrico se utiliza para ayudarle a empujar durante un tiempo suficiente (no valdría para un 0-punta). Al tener que hacer menos esfuerzo el térmico su consumo es menor y el comportamiento similar a si tuviese más potencia.
  • Velocidad de crucero baja: En zona urbana y en determinadas circunstancias el motor eléctrico puede realizar toda la labor de empuje mientras el nivel de carga de las baterías lo admita. El consumo de combustible pasa a ser cero, no hay emisiones y el sonido del vehículo se limita al ruido de rodadura de los neumáticos.
  • Velocidad de crucero media/alta: Es el motor térmico el que empuja al vehículo, con puntuales asistencias del eléctrico para ligeras pendientes, en caso contrario se almacena en las baterías cualquier excedente de potencia del motor térmico. En este caso, la alta eficiencia del motor térmico rebaja el consumo. Es mucho más fácil en términos de esfuerzo mantener una velocidad que hacer variaciones en ella (aceleración en este caso).
  • Frenado: Si la potencia de frenada exigida es baja, en vez de utilizarse los frenos de disco el generador ofrece una gran resistencia al avance y convierte el movimiento del vehículo en electricidad para recargar baterías. Si exigimos más potencia de frenado actúa el sistema convencional además del regenerativo.
  • Detenciones: Cuando estamos detenidos no funciona ninguno de los motores a menos que las baterías estén bajas de carga. No hacemos ningún ruido, ni gastamos, ni emitimos ningún gas. Los peatones pensarán que se nos ha calado el coche. El sistema de aire acondicionado tirará de la energía almacenada en las baterías para evitar el ralentí, una gran pérdida de energía.

¿Cómo se recargan las baterías de un motor híbrido?

En un vehículo híbrido, la recarga de las baterías se puede producir en dos momentos diferentes. Lo que nos tiene que quedar claro es que en ningún momento es necesario conectarlo a la red eléctrica para hacerlo.

Las baterías de estos motores se recargan en dos situaciones:

• • Circulando a velocidad de crucero. Si por cualquier motivo, el vehículo detecta que la carga disponible en la batería es baja, utilizará parte de la potencia del motor de combustión que no se está utilizando para mover el vehículo para recargar a su vez la batería.
  • Al realizar una deceleración, ya sea mediante la retención del motor o aprovechando la energía de recarga de frenado, de la cual ya hablamos en otra ocasión.En este caso, la energía que en cualquier otro vehículo se disipa en forma de calor a través de los frenos o simplemente no puede usarse, mueve el motor eléctrico, convertido en ese momento en generador de corriente y recargando la batería. Con esta energía que hemos conseguido recuperar podremos, por ejemplo, volver a ponernos en movimiento para salir del semáforo en el que nos hemos detenido.

En el siguiente vídeo se explica como funciona el motor híbrido de Toyota

JOSE LUIS ALVAREZ Formador vial