Tipos de tecnología híbrida térmica y eléctrica

  • Última modificación de la entrada:21/07/2021
  • Tiempo de lectura:23 minutos de lectura

Los automóviles con motores que pueden funcionar con más de un combustible hace muchos años que existen, incluso los que disponen de más de una energía para su desplazamiento con uno o varios motores.

Con la necesidad imperiosa de reducir hasta eliminar la emisión de dióxido de carbono CO2 de los motores térmicos (el de hidrógeno no lo genera pero no está en el mercado), van a existir tecnologías de transición que combinan más de un combustible o tipos de energía, hasta llegar a la o las que no emiten CO2 circulando, que serán mediante motores eléctricos alimentados por baterías o pila de combustible de hidrógeno.

De momento, en este artículo vamos a ver lo relacionado con la tecnología híbrida de transición para reducir la emisión de dióxido de carbono CO2.

Se van a exponer las diferentes tecnologías de forma didáctica, en texto e imágenes, para transmitir mejor los conceptos y los procesos de funcionamiento.

Los elementos que aparecen en los vehículos reales pueden estar ubicados en diferentes posiciones, pero los coches identificados en las imágenes de base tienen las tecnologías que se explican en cada uno de estos, menos en el vídeo (1/6) que se realiza con esquemas didácticos.

Concepto de tecnología híbrida

En resumen, es cuando el desplazamiento del automóvil se puede hacer con más de un combustible o tipo de energía.

Puede ser seleccionable por el conductor el combustible o energía en cada momento, hacerlo el sistema automáticamente o combinar las dos formas.

Vamos a ver cinco ejemplos de tecnología híbrida sobre automóviles elegidos aleatoriamente: 

Térmico y eléctrico

  • La implantación es de motor longitudinal delantero de cuatro cilindros en línea y propulsión
  • Se ve además del motor, el embrague o convertidor de par, caja de cambios, árbol de transmisión y diferencial
  • El combustible del motor térmico puede ser gasolina, gas o gasóleo
  • A la salida de la caja de cambios, que habitualmente está en su interior, hay un motor eléctrico alimentado por baterías de propulsión que puede mover el árbol de transmisión, como lo hace el motor térmico
  • Puede funcionar el automóvil con el motor térmico, el eléctrico o ambos a la vez
  • Este automóvil es híbrido térmico y eléctrico, combina dos tipos de energía de propulsión
  • Las baterías o batería de propulsión son o es independiente de la de servicio de 12 V (voltios) para el circuito eléctrico del automóvil

Bi fuel; gasolina o gas (GLP o GNC)

  • En este automóvil con carrocería familiar el motor es longitudinal delantero, con cuatro cilindros en línea y son motrices las ruedas traseras
  • La denominación bi fuel quiere decir que el motor puede funcionar con dos combustibles, uno u otro, pero no a la vez
  • En este automóvil los dos combustibles son gasolina o gas (GLP o GNC)
  • Este sistema es híbrido gasolina y gas, bi fuel

Dual fuel; gasóleo y gas (GLP o GNC)

  • Este vehículo para uso todoterreno extremo tiene motor longitudinal delantero, reductora y 4×4
  • Se identifica el término dual fuel como que el motor puede funcionar simultáneamente con dos combustibles
  • En este caso los dos combustibles son gas y gasóleo
  • El gas se aporta al aire que entra al motor, y al ser combustible se necesita menos gasóleo para la combustión
  • También puede funcionar el motor solamente con gasóleo, sin aportar gas, entonces aumenta el consumo de gasóleo
  • Este motor es híbrido gasóleo y gas a la vez, dual fuel

Enlace con información sobre tecnologías bi fuel y dual fuel.

Pila de combustible de hidrógeno

  • Son motrices las ruedas delanteras y se ve la implantación de los componentes para el funcionamiento del automóvil con este tipo de energía
  • El automóvil se desplaza por uno, en la imagen, o más motores eléctricos
  • La electricidad es producida por la pila de combustible; toma el oxígeno del aire e hidrógeno del depósito de combustible, de su reacción se genera electricidad para alimentar al motor eléctrico y sale al exterior agua (H2O)
  • Parte de la electricidad se acumula en una batería de propulsión que asiste en ciertas situaciones a la pila de combustible aportando electricidad
  • Esta tecnología híbrida es de hidrógeno y electricidad

Hidrógeno y mezcla ultra pobre de gasolina

  • Se representa un automóvil con motor longitudinal delantero de cuatro cilindros en línea y propulsión, como modelo de posible implantación de esta tecnología, que está en fase de I + D
  • Se inyecta hidrógeno al aire que entra a los cilindros, y también gasolina
  • Como el hidrógeno es combustible se necesita bastante menos gasolina para que se produzca la explosión al saltar la chispa en la bujía, mezcla ultra pobre de gasolina
  • El resultado en un híbrido gasolina e hidrógeno, dual fuel al funcionar con los dos combustibles a la vez
  • Esta tecnología está en fase de desarrollo y al ser de transición puede que no se llegue a implantar

El combustible para los motores térmicos que emiten CO2 se puede hacer mezclándolo con biomasa o fabricar, entonces es biocombustible o sintético (e fuel).

Se emite CO2 por el escape, pero al haberse utilizado o absorbido este contaminante no tóxico se reduce de lo emitido, no aumentando el CO2 en el aire.

No es tóxico el CO2 al ser ingerible sin causar daños, pero su exceso en el aire potencia el efecto invernadero que lleva al calentamiento global.

Todos los automóviles que vamos a ver a continuación, como representantes de diferentes tecnologías híbridas térmica – eléctrica, tienen motor transversal delantero de cuatro cilindros en línea, que en vista lateral no se aprecia, y ruedas delanteras motrices.

Híbrido paralelo auto recargable (Toyota Prius)

Este es el sistema híbrido térmico y eléctrico que antes comenzó a fabricarse y difundirse de forma relevante, desde 1997, es el Toyota Prius, y estos son los componentes:

  • Motor térmico de gasolina, de ciclo Atkinson con cinco tiempos
  • Acoplamiento motor y caja de cambios, no hay embrague, es mediante motor eléctrico
  • Caja de cambios con efecto CVT (transmisión de variación continua); no hay paso de relaciones, va variando progresivamente en fase térmica según se actúa sobre el acelerador
  • Diferencial, son motrices las ruedas delanteras
  • Motor eléctrico de propulsión, que puede mover el diferencial como la caja de cambios accionada por el motor térmico
  • Baterías de propulsión; almacenan electricidad para aportarla al motor eléctrico cuando se demanda. Como la tensión (voltaje) es elevada y puede provocar daños si se manipula, los cableados y sistemas afectados van protegidos y enfundados o marcados en color naranja
  • Control electrónico de propulsión; determina las secuencias de funcionamiento del motor térmico y eléctrico
  • El inicio de la marcha al acelerar se hace en fase eléctrica, con la energía de las baterías de propulsión, y el motor térmico está parado
  • Desde cierta velocidad, antes si se acelera más, se pone en marcha el motor térmico y toma el relevo al eléctrico que deja de actuar
  • Al decelerar o frenar el motor eléctrico se transforma en generador produciendo electricidad para recargar las baterías de propulsión
  • Si circulando en fase térmica se acelera o se exige más par al motor, subida, adelantamiento … el motor eléctrico aporta empuje según la disposición de carga en las baterías de propulsión

Resumen del sistema híbrido paralelo auto recargable

  • Puede funcionar moviendo las ruedas motrices en fase térmica, eléctrica o ambas; según la velocidad, aceleración y carga disponible en las baterías de propulsión
  • Las baterías de propulsión se recargan en retenciones y frenadas, es la única forma en que lo hacen
  • El efecto de retención producido por la función generador del motor eléctrico puede necesitar menos de los frenos, e incluso ser regulable para facilitar la conducción
  • Es en circulación urbana con frecuentes retenciones cuando este sistema aporta sus mejores resultados, al cargarse las baterías en retenciones y frenadas están disponibles más tiempo al iniciar la marcha y asistir al motor térmico al acelerar
  • En carretera a velocidad de crucero con escasas retenciones el apoyo eléctrico es reducido, lo que aumenta el consumo de gasolina
  • La etiqueta relacionada con la contaminación que corresponde a este sistema es “ECO”

El coche con sistema híbrido paralelo auto recargable que hemos explicado tiene motor térmico de gasolina, hay otras marcas y modelos que cuentan con motores térmicos diésel, y hay modificaciones para que los híbridos de gasolina puedan funcionar también con gas, bi fuel, en realidad sería tri fuel incluyendo la propulsión eléctrica.

Híbrido paralelo enchufable o “plug in” (Hyundai Ioniq)

Hemos seleccionado como imagen de base al Hyundai Ioniq en la versión con el sistema híbrido que vamos a explicar, de forma didáctica y situando los elementos para seguir fácilmente los comentarios:

  • Motor térmico de gasolina de ciclo Atkinson
  • Acoplamiento del motor con la caja de cambios mediante dos embragues de accionamiento pilotado, sin pedal
  • Caja de cambios pilotada o automatizada (con dos embragues). Posiciones de palanca P (aparcamiento), R (marcha atrás), N (punto muerto) y D (automático “drive”)
  • Diferencial en las ruedas delanteras motrices
  • Motor eléctrico de propulsión que puede mover el diferencial
  • Baterías de propulsión de capacidad media, más que el híbrido auto recargable
  • Cargador de baterías en la red eléctrica
  • Control electrónico de propulsión; conjuga las fases térmica y eléctrica de desplazamiento del automóvil
  • El cableado y elementos relacionados con la alta tensión de propulsión van en fundas o identificación en color naranja
  • Al iniciar el movimiento acelerando, el funcionamiento es en fase eléctrica con el motor térmico parado
  • Cuando se llega al límite de descarga admisible de las baterías de propulsión, máxima autonomía eléctrica de al menos 40 km, se pone en marcha el motor térmico sustituyendo al eléctrico
  • Al retener o frenar el motor eléctrico actúa como generador recargando las baterías de propulsión, con el efecto comentado de reducción de intensidad de intervención del sistema de frenos
  • Las baterías se han de recargar en la red para recuperar toda la autonomía eléctrica sin emitir CO2 circulando, lo que puede llevar entre 2 y 4 horas como referencia, en función de las tecnologías disponibles en los cargadores; embarcado y de red

Resumen del sistema paralelo enchufable (“plug in”)

  • Dispone de al menos 40 km de autonomía eléctrica con las baterías de propulsión a plena carga, para obtener la etiqueta “0 (cero)”
  • Al llegar al límite autorizado de descarga de las baterías de propulsión, se continua la marcha con el motor térmico funcionando, que adapta el par con la caja de cambios automatizada
  • Las baterías de propulsión se van recargando en frenadas y retenciones necesitando menos colaboración de los frenos
  • También el motor térmico puede recargar las baterías de propulsión, lo que implica más consumo de gasolina
  • En circulación urbana se debe utilizar la propulsión eléctrica para que el motor térmico funcione lo menos posible, reduciendo la emisión de CO2
  • En carretera, si se prevé entrar a núcleos urbanos, se ha de funcionar con el motor térmico, para reservar la carga de las baterías de propulsión y disponer de suficiente autonomía eléctrica al entrar en la ciudad
  • El conductor cuenta con un mando de selección de modos de funcionamiento, estos son los más habituales:
    • C: tránsito de la energía determinado por el control electrónico, fase térmica, eléctrica o ambas
    • E: funcionamiento exclusivamente eléctrico mientras haya suficiente carga en las baterías de propulsión y no se demanden prestaciones excesivas
    • R: recarga de las baterías de propulsión mediante el motor eléctrico actuando como generador movido por el motor térmico, con más consumo de combustible
  • Si la autonomía eléctrica es superior a 40 km, o la determinada por la legislación vigente, se dispone de etiqueta “0 (cero)”, si la autonomía “oficial” es menor se queda con la etiqueta “ECO”

Si se dispone de la etiqueta “0 (cero)”, es muy importante que sea el conductor consciente de que en ciudad ha de circular en eléctrico para limitar las actuaciones del motor térmico y cumplir los objetivos que entraña esta etiqueta.

Si no se cargan habitualmente las baterías de propulsión en la red, se comporta el automóvil como híbrido paralelo auto recargable y le correspondería la etiqueta “ECO”, con menos beneficios para circulación urbana.

Esta tecnología se puede ver también con motor diésel y caja de cambios automática.

Híbrido serie (Chevrolet Volt)

En este sistema el motor térmico no mueve las ruedas motrices, estas son siempre accionadas por el motor eléctrico.

Lo vemos mediante esquemas didácticos sobre la imagen de un Chevrolet Volt:

  • Motor térmico de gasolina; al no mover las ruedas directamente se busca que tenga su mejor rendimiento a determinadas secuencias de RPM
  • A la salida del motor térmico este acopla un generador eléctrico que produce electricidad con el motor en marcha
  • El generador también puede funcionar como motor eléctrico
  • Motor eléctrico de propulsión, es el que mueve las ruedas motrices circulando al estar acoplado al diferencial
  • Baterías de propulsión, de mayor capacidad para aportar más autonomía eléctrica
  • Cargador de baterías de propulsión en red, puede contar con carga estándar y también rápida para situaciones de emergencia en ruta
  • Control electrónico de propulsión, que gobierna el paso de electricidad del generador movido por el motor térmico al eléctrico
  • El cableado y elementos relacionados con la alta tensión de propulsión van en fundas o identificación en color naranja
  • Inicio de la marcha en eléctrico y se mantiene durante una autonomía entre 80 a 90 km en conducción normal
  • Al superar la autonomía estarán al límite de descarga las baterías de propulsión, se pone en marcha el motor térmico que mueve al generador de electricidad
  • … este produce electricidad para alimentar al motor eléctrico de propulsión y continuar circulando
  • La autonomía total, eléctrica más térmica (moviendo el generador no las ruedas), está en el entorno de 500 km
  • El generador movido por el motor térmico funcionando puede recargar a las baterías de propulsión, que también se hace en retenciones y frenadas exigiendo menos del sistema de frenos
  • Las baterías de propulsión se han de recargar en red para disponer de toda su autonomía eléctrica
  • Se representan dos formas de hacerlo según las tecnologías disponibles en el coche y la red:
    • Estándar o normal; estimada en ± 4 horas
    • Rápida; en ± 30 minutos se llega a recuperar el 80% de la autonomía

Resumen del sistema híbrido serie

  • El motor térmico en marcha no mueve las ruedas motrices, acciona un generador de electricidad
  • Con las baterías cargadas estas son las que aportan electricidad al motor eléctrico de propulsión sin emitir CO2 circulando
  • Cuando las baterías de propulsión llegan a su límite de descarga, se pone en marcha el motor térmico que al arrastrar al generador hace que este produzca la electricidad para seguir circulando
  • El motor térmico no mueve directamente a las ruedas motrices
  • La carga de las baterías en red se puede hacer habitualmente de forma estándar con varias horas (± 4), o rápida en unos 30 minutos para el 80% de autonomía
  • Las cargas rápidas fatigan prematuramente las baterías de propulsión si se hace con frecuencia
  • El conductor cuenta con la posibilidad de seleccionar modos de funcionamiento, estos son los más habituales:
    • C: tránsito de la energía determinado por el control electrónico, fase térmica, eléctrica o ambas
    • E: funcionamiento exclusivamente eléctrico mientras haya suficiente carga en las baterías de propulsión y no se demanden prestaciones excesivas
    • R: recarga de las baterías de propulsión mediante el generador movido por el motor térmico, con más consumo de combustible
  • A este sistema le corresponde la etiqueta “0 (cero)”

Este sistema híbrido serie se ha utilizado en pocos automóviles, ha evolucionado como veremos a estar combinado en un mismo automóvil que puede funcionar como híbrido serie y paralelo, tanto con baterías de propulsión auto recargables como también de carga en red.

Algunos automóviles, denominados eléctricos con autonomía extendida, utilizan el sistema explicado, con la diferencia de que la autonomía eléctrica es bastante mayor, en el entorno de ± 300 km y la térmica de ± 50 km.

Híbrido de asistencia con 12V o 48V; micro híbrido, “mild hybrid”, o hibridación suave “soft” (Renault Captur)

Las directivas anticontaminación más estrictas, y el mayor control de circulación por núcleos urbanos según la etiqueta de contaminación del automóvil, ha llevado a un sistema híbrido térmico y eléctrico relativamente sencillo de implantar en todos los automóviles, y con costes asumibles, es el que vamos a ver sobre un Renault Captur:

  • Motor térmico de gasolina
  • Acoplamiento con la caja de cambios automatizada mediante dos embragues pilotados
  • Caja de cambios automatizada con posiciones de palanca P (aparcamiento), R (marcha atrás), N (punto muerto) y D (automático “drive”)
  • Diferencial
  • Motor eléctrico de asistencia a la propulsión del motor térmico
  • Batería de asistencia a la propulsión del motor térmico puede ser de 12V o 48V
  • La batería de propulsión, en este caso de asistencia a la propulsión, es adicional e independiente de la de servicio de 12V
  • Control electrónico de asistencia a la propulsión del motor eléctrico al térmico
  • Inicio de la marcha siempre con motor térmico, asistido por el motor eléctrico durante unos segundos, más o menos según la demanda de aceleración y carga de la batería de asistencia a la propulsión
  • Durante la marcha, el motor térmico aporta el par adaptado en la caja de cambios automatizada, cuando se acelera o se requiere más par colabora el motor eléctrico con más o menos asistencia según la aceleración solicitada y estado de carga de la batería de asistencia a la propulsión
  • La batería de asistencia a la propulsión se recarga en retenciones

Resumen del sistema híbrido de asistencia con 12V o 48V

  • El motor térmico mueve siempre las ruedas
  • La caja de cambios puede ser manual, automática o automatizada, que es el caso del coche que hemos visto
  • El motor eléctrico no mueve por si solo las ruedas, asiste al motor térmico cuando se requiere puntualmente más par, con mayor o menor apoyo, según la carga de la batería de asistencia a la propulsión; al iniciar la marcha y en aceleraciones o subidas
  • La batería de asistencia suele ser de ion – litio y es adicional e independiente de la de servicio, con 12V o 48V, en este último caso los cables y elementos relacionados se cubren con fundas del color naranja
  • El motor eléctrico de asistencia suele ser un alterno – arranque arrastrado por el motor mediante correa exterior, entonces se puede prescindir del motor de arranque tradicional, es más habitual hacerlo con asistencia de 48V a la propulsión
  • A este sistema de hibridación se le adjudica la etiqueta “ECO”

Se ha explicado esta hibridación sobre un modelo concreto de automóvil, pero al ser un sistema sencillo y permitir disponer de la etiqueta “ECO” es utilizable en todo tipo de automóviles con motor térmico, gasolina, gas o diésel, y con caja de cambios manual, automática, automatizada o CVT.

Híbrido paralelo y serie en el mismo automóvil (Renault Mégane)

Los sistemas híbrido serie y paralelo, térmico + eléctrico, tienen sus particularidades, en unos aspectos una tecnología tiene más ventajas y en otros es a la inversa.

Para poder conjugar en un mismo automóvil las ventajas de ambas tecnologías se implantan sistemas que pueden funcionar de las dos formas, y además se ofertan con baterías de propulsión auto recargables y también con posibilidad de recarga en red, que es la que vamos a exponer.

Como se aprecia se busca ofrecer opciones diferentes para que se adapten a cada tipo de utilización.

Lo vemos sobre un Renault Mégane:

  • Motor térmico de gasolina
  • Motores eléctricos entre el térmico y la caja de cambios automatizada que pueden funcionar como generadores
  • Caja de cambios automatizada sin embrague
  • Motores eléctricos con efectos sincronizadores en la caja de cambios, igualan les velocidades de los piñones de las relaciones que se van engranando
  • Diferencial
  • Motor eléctrico de propulsión
  • Baterías de propulsión de capacidad media (auto recargables) o alta (recargables también en red para cierta autonomía eléctrica)
  • Cargador de baterías en red con carga estándar y posibilidad de incluir también carga rápida

Conjuga las cualidades de híbrido paralelo y serie

  • Inicio de la marcha en fase eléctrica y el motor térmico está parado (híbrido paralelo)
  • Si no se acelera demasiado se mantiene la propulsión eléctrica exclusivamente
  • Si se acelera más se pondría en marcha el térmico, que puede mover las ruedas mediante la caja de cambios automatizada (híbrido paralelo) o desconectarse de esta y accionar el generador para producir electricidad y mover el motor eléctrico de propulsión (híbrido serie)
  • Cuando las baterías de propulsión llegan a la mínima carga autorizada se pone en marcha el motor térmico, moviendo al generador que aporta electricidad para el motor eléctrico de propulsión (híbrido serie) y, si la demanda de par no es excesiva, el generador puede ir recargando a las baterías de propulsión (híbrido serie)
  • Según las condiciones de marcha se puede combinar este funcionamiento con paso de par motor a la caja de cambios automatizada y de esta a las ruedas (híbrido paralelo y serie), así se puede aportar más electricidad a las baterías de propulsión

Resumen de híbrido paralelo y serie en el mismo automóvil

  • Pueden funcionar los motores térmico y eléctrico independiente o a la vez para mover las ruedas, el eléctrico directamente y el térmico por la caja de cambios automatizada (híbrido paralelo)
  • Puede desplazase el automóvil exclusivamente por el motor eléctrico alimentado por las baterías de propulsión (híbrido paralelo)
  • El motor térmico pude funcionar en estas tres fases:
    • Moviendo las ruedas a través de la caja de cambios automatizada (híbrido serie)
    • Generando electricidad sin mover las ruedas, arrastra al generador que produce la energía para el motor eléctrico de propulsión (híbrido serie)
    • Los dos funcionamientos anteriores alternativamente según las condiciones de marcha (híbrido paralelo y serie)
  • Se cuenta con posibilidad de seleccionar modos de funcionamiento, que ya se han comentado con diferentes identificaciones:
    • A automático: el control electrónico determina las fases de funcionamiento según las condiciones de marcha, demanda de prestaciones y estado de carga de las baterías de propulsión
    • E eléctrico: el conductor impone funcionamiento en fase eléctrica, que se mantiene mientras haya suficiente carga en las baterías de propulsión y no se demanden demasiadas prestaciones, pues entonces se pondría en marcha el motor térmico funcionando en paralelo o serie según las situaciones
    • C carga de las baterías: se busca mantener las baterías con su máxima carga para poder utilizarlas cuando se circule por núcleos urbanos. Se hace con el motor térmico en marcha moviendo las ruedas por la caja de cambios automatizada, a la vez que arrastra el generador recargando las baterías de propulsión. Este modo aumenta sensiblemente el consumo de gasolina
  • El automóvil representado es enchufable y le corresponde la etiqueta “0 (cero)”

Este sistema que hemos explicado como de carga en red de las baterías de propulsión, también existe sin esta función, es decir híbrido serie y paralelo con baterías de propulsión auto recargables, como se ha adelantado, entonces la etiqueta sería “ECO”.

Esta tecnología es viable con motor diésel y también con caja de cambios automática o CVT.

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