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0. Lo que explica este artículo
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Las rutas energéticas de los híbridos en serie, en paralelo y serie-paralelo.
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La intuición y las limitaciones de la distribución de potencia del Sistema Híbrido de Toyota (THS) mediante un engranaje planetario.
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El control del estado de carga (SOC), el frenado regenerativo, el arranque del motor y los límites térmicos y de seguridad.
1. ¿Qué problema resuelve realmente un híbrido?
Un motor de combustión interna pierde eficiencia térmica a baja carga, baja velocidad y durante el arranque, mientras que un motor eléctrico por sí solo está limitado por la poca energía que una batería puede almacenar por kilogramo, lo que limita la autonomía. ¿Cómo deben combinarse ambas fuentes de energía para que cada una compense las deficiencias de la otra? Eso es precisamente lo que responde un sistema híbrido: coordina un motor de combustión interna que convierte el combustible en energía mecánica y un motor eléctrico que convierte la electricidad de la batería en par motor a través de múltiples rutas energéticas, manteniendo el motor de combustión cerca de las regiones de funcionamiento eficientes, enviando el excedente de energía a la generación y devolviendo la energía cinética del vehículo a la batería durante la desaceleración.
2. Tres rutas
Figura 1 — Un híbrido en serie genera energía con el motor de combustión y acciona las ruedas únicamente con el motor eléctrico; un híbrido en paralelo conecta el motor de combustión y el motor eléctrico mecánicamente. Un híbrido de reparto de potencia combina un engranaje planetario con una vía eléctrica.
3. Diferencias entre las arquitecturas
En una configuración en serie, el motor de combustión actúa como generador y el motor eléctrico acciona las ruedas por sí solo. El control a baja velocidad es sencillo, pero siempre existen pérdidas por conversión de energía mecánica a eléctrica y viceversa. Una configuración en paralelo conecta el motor de combustión y el motor eléctrico a las ruedas mediante un embrague, una correa o engranajes coaxiales, utilizando la vía mecánica. Funcionan eficientemente en velocidad crucero, pero requieren cambios coordinados. Los sistemas serie-paralelo conmutan o combinan ambas trayectorias según la velocidad y la carga.
4. Engranaje planetario THS
Toyota explica que el dispositivo de distribución de potencia THS redistribuye continuamente la potencia del motor entre las ruedas y un generador. Un conjunto planetario con sol, anillo y portador tiene la restricción de velocidad:
para el número de dientes N_s,N_r. Asignar el motor, el generador MG1 y la rueda/motor MG2 a estos componentes permite desacoplar la velocidad del motor de la velocidad de la carretera. MG1 puede generar energía mientras el motor se mantiene cerca de un punto de eficiencia, pero persisten las pérdidas por conversión y un límite de velocidad para MG1.
En los diseños reales, la relación de número de dientes N_r/N_s suele ser de alrededor de 2. Si el motor se mantiene a una velocidad constante y eficiente mientras la velocidad de la carretera (aproximadamente, la velocidad de MG2) aumenta, la restricción anterior muestra que la velocidad de MG1 varía considerablemente con la velocidad de la carretera, hasta superar cierta velocidad. El sentido de rotación de MG1 se invierte. Alrededor de ese punto de inversión, el flujo de potencia pasa de "generación" (MG1 convierte parte de la potencia del motor en electricidad) a "motor" (MG1 también actúa como motor, añadiendo par a MG2). Un único conjunto planetario, sin transmisión mecánica alguna, produce una relación de transmisión continuamente variable, funcionando como lo que comúnmente se denomina una CVT eléctrica.
5. Estado de carga y balance energético
El estado de carga se puede aproximar mediante la integración de corriente como:
con corriente de descarga positiva, capacidad nominal Q_n y eficiencia de carga \eta_c. Los estimadores de producción añaden temperatura, voltaje de circuito abierto, resistencia interna y sesgo del sensor de corriente. Si el estado de carga alcanza su límite superior, la regeneración no está disponible y el motor pierde un grado de libertad; por lo tanto, el controlador mantiene una banda de estado de carga objetivo.
La mayoría de los híbridos de producción restringen el control a una banda estrecha cerca del centro de la capacidad real del paquete de baterías. (aproximadamente entre el 40 % y el 80 % de la capacidad total, por ejemplo), por lo que el conductor nunca experimenta la carga o descarga completa que la celda podría soportar. El margen superior absorbe la regeneración durante el frenado brusco; el margen inferior permite que el motor compense la falta de energía cuando el motor de combustión por sí solo no puede satisfacer la demanda de una aceleración brusca. La amplitud de este margen, en relación con el tamaño de la batería, determina el tamaño de la batería que necesita cada modelo.
6. Modos de funcionamiento
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Arranque y baja velocidad: el motor de combustión evita el impacto al arrancar.
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Carga media: el motor de combustión se acerca a un punto de eficiencia óptimo y se carga la batería con la energía sobrante.
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Aceleración brusca: se utilizan el motor de combustión y el motor eléctrico simultáneamente, monitorizando la potencia de la batería y la temperatura del inversor.
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Desaceleración: se prioriza la regeneración y, posteriormente, se pasa al frenado por fricción al alcanzar los límites de SOC, temperatura o ABS.
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Parada: se detiene el ralentí y se alimentan los sistemas auxiliares con la batería o la electricidad generada por el motor de combustión.
7. Comparación de configuraciones reales
| Arquitectura | Flujo de potencia | Potencia | Punto de control | Ejemplo |
|---|---|---|---|---|
| Serie | Motor → Generador → Batería/Motor | Velocidad del motor independiente | Múltiples etapas de conversión | Extensor de autonomía |
| Paralelo | Motor + Motor → Ruedas | Trayectoria mecánica eficiente | Control de embrague y cambio | Híbrido ligero, híbrido enchufable |
| Distribución de potencia | Planetario + MG1/MG2 | Control continuo del punto de operación del motor | Pérdida eléctrica y de velocidad del MG1 | Toyota THS |
| Dos motores + multiengranajes | Motor + motores + engranajes | Flexibilidad para alta velocidad y remolque | Componentes, masa y controles | Híbrido enchufable de gran tamaño |
8. Condiciones difíciles y seguridad
Los trayectos cortos repetidos terminan antes de que el motor y el sistema de postratamiento alcancen la temperatura óptima. En autopista, la batería contribuye menos y su masa se convierte en una desventaja. Las bajas temperaturas limitan la potencia y la regeneración, y el calentamiento de la batería reduce la eficiencia. El aislamiento de alta tensión, la desconexión en caso de colisión, las fugas de combustible, el escape y los cambios de par tras el arranque requieren medidas de seguridad específicas. monitores.
9. Opciones prácticas
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Ciudad y tráfico: priorizar la frecuencia de regeneración, el funcionamiento a baja velocidad del vehículo eléctrico y los arranques suaves del motor.
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Autopistas: comparar la eficiencia térmica del motor, las pérdidas mecánicas y la masa de la batería durante el ciclo de conducción.
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PHEV: comprobar la potencia de carga, la autonomía eléctrica, el modo de mantenimiento del estado de carga (SOC) y la gestión de la batería de larga duración.
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Vehículos comerciales: evaluar la refrigeración en ascenso continuo, la facilidad de mantenimiento y la vida útil del freno regenerativo/de fricción.
10. Resumen de tres líneas
Los híbridos combinan un motor de combustión y un motor eléctrico mediante conexiones en serie, en paralelo o con distribución de potencia.
El engranaje planetario THS desacopla la velocidad del motor de la velocidad del vehículo, a la vez que distribuye la generación del MG1 y la propulsión del MG2.
El estado de carga (SOC), la regeneración, la temperatura, los arranques y el aislamiento deben controlarse conjuntamente para que la eficiencia teórica se traduzca en un ahorro real de combustible.
¿Puede el frenado regenerativo recuperar toda la energía de desaceleración?
La aceptación de la batería, la potencia del motor, el comportamiento a baja velocidad y las pérdidas por conversión limitan la recuperación. Los frenos de fricción siguen participando en la tarea.
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