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Son vehículos que combinan la autonomía de los vehículos convencionales y las ventajas medioambientales de los eléctricos pero también suponen un sobrecoste por la mayor complejidad

Vehículos híbridos y eléctricos. Ventajas e inconvenientes

José Mª López Martínez, director del INSIA-UPM24/04/2018

Todavía no es fácil responder a cuál será el reto del transporte por carretera del futuro. Una posible respuesta está en su electrificación. Consecuentemente, nuevos conceptos y tecnologías se están desarrollando para realizar vehículos eléctricos híbridos (VEH) y puramente eléctricos (VE), adecuados tanto para la movilidad urbana como interurbana.

El término propulsión híbrida se utiliza para referirse a vehículos con más de una fuente de propulsión. Los sistemas híbridos pueden incorporar varios tipos de acumuladores de energía y/o conversores de energía.

El objetivo del desarrollo de las tecnologías híbridas es combinar dos fuentes de energía de manera que las cualidades de cada una de ellas se utilicen bajo condiciones de generación variables, buscando que las ventajas globales del sistema híbrido pesen más que el costo de su configuración.

Los vehículos eléctricos (VE) están teniendo dificultades en conquistar el mercado automovilístico. La razón principal está en las baterías y sus limitaciones. Simplemente la energía suministrada no es suficiente para largos recorridos, así como los tiempos de recarga de las baterías. El vehículo híbrido combina la gran autonomía de los vehículos convencionales y las ventajas medioambientales de los eléctricos, con el resultado de un vehículo con menor consumo y menores emisiones contaminantes. Su principal inconveniente es el coste debido al incremento en complejidad.

En función al tipo de arquitectura los VEH se pueden clasificar en (ver figura 1):

  • Configuración serie: La configuración en serie es la más simple, donde solamente el motor eléctrico (ME) proporciona la potencia propulsiva. El motor de combustión interna alternativo (MCIA) acciona un generador y, por tanto, está desacoplado del tren propulsor y su rango de operación se puede limitar de manera que evite variaciones bruscas de la carga con la consiguiente disminución del consumo y de las emisiones contaminantes. Algunos de las marcas que se encuentran en el mercado con configuración híbrida en serie son los siguientes: Opel Ampera, Audi A1 e-tron, Chevrolet Volt, etc.
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Audi A1 e-tron, un ejemplo de configuración en serie, donde solamente el motor eléctrico (ME) proporciona la potencia propulsiva. Foto: Audi.
  • Configuración paralelo: En la configuración en paralelo el MCIA y el ME se acoplan mecánicamente de manera que combinan sus pares. Los requerimientos de potencia para el motor eléctrico son menores que en la configuración en serie o que en un VE, ya que el MCIA complementa la potencia total requerida por el VEH. La potencia propulsiva se puede suministrar bien por el MCIA, bien por el motor eléctrico o bien por combinación de ambos sistemas, por lo que sus tamaños son más pequeños. Algunas de las marcas que se encuentran en el mercado con configuración híbrida paralelo son los siguientes: Honda Insight, Peugeot 3008 Hybrid4, Ford Fusion, Mercedes Benz S400 Blue Hybrid, BMW 225xe, etc.
  • Configuración serie-paralelo: Es aquella en la que el MCIA también se utiliza para cargar la batería. Hay una conexión adicional entre el generador y el motor eléctrico, comparado con la configuración en serie, y un generador adicional comparado con el híbrido en paralelo. Con esta disposición es posible combinar las ventajas de ambas configuraciones en serie y paralelo, pero es más cara y compleja. El Mitsubishi Outlander y el Hyundai Ioniq presentan una configuración de este tipo.
  • Configuración compleja: Utiliza una combinación serie-paralelo pero introduciendo un tren planetario que conecta el motor térmico y el motor/generador y, a través del anillo, se acopla a otro motor/generador. Es posible desconectar el motor térmico de la tracción del vehículo y hacer funcionar el vehículo en modo puramente eléctrico (configuración serie), pero en la mayoría de los puntos operativos coexisten ambos flujos de energía como en la configuración en paralelo. El reparto de flujos energéticos depende del régimen de giro, ya que el tren planetario actúa como acoplamiento de velocidad. El sistema, además, se acopla mecánicamente al motor eléctrico pudiendo así, incrementar el par de tracción. Algunos de las marcas que incorporan esta configuración son los siguientes: Toyota Prius, Auris, RAV4 y Lexus ES300h.
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Hyundai Ioniq presenta una configuración serie-paralelo, aquella en la que el MCIA también se utiliza para cargar la batería.
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Toyota es uno de los fabricantes que apuestan por la configuración compleja, basada en la combinación serie-paralelo pero introduciendo un tren planetario que conecta el motor térmico y el motor/generador y, a través del anillo, se acopla a otro motor/generador. Foto: Toyota.

Las tecnologías comentadas anteriormente recargan las baterías a bordo. Existe otra categoría de vehículos híbridos que son los vehículos eléctricos híbridos enchufables, los cuales están preparados para recargar las baterías enchufándolos a la red eléctrica por lo que proporcionan una mayor autonomía en modo eléctrico. Dentro de este grupo existe una categoría que son los vehículos enchufables de autonomía extendida (Range Extender). Esta definición se aplica a vehículos híbridos en configuración en serie que pueden funcionar en modo puramente eléctrico por encima de los 40 km. Disponen de un motor-generador que pueden aumentar la autonomía por encima de los 500 km (la DGT los cataloga como cero emisiones). Algunas de las marcas que se encuentran en el mercado como vehículos enchufables son los siguientes: Opel Ampera, Ford C-Max, Volvo V60, BMW225xe, Toyota Prius plug-in, Mitsubishi Outlander, etc.

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Figura 1. Clasificación de los VEH en función de su configuración.

En la tabla siguiente se indican, a modo de resumen, las principales ventajas de los VEH y los inconvenientes más destacados.

VENTAJAS

INCONVENIENTES

Recuperación de parte de la energía durante las deceleraciones (frenado regenerativo)

Mayor peso que un vehículo convencional debido, fundamentalmente, al peso añadido por el motor eléctrico y las baterías

Menor consumo y emisiones de CO2

Más complejo, más posibilidad de averías

El motor térmico tiene una potencia más ajustada al uso habitual.

Mayor coste en comparación con los vehículos convencionales

Tabla 1. Principales ventajas e inconvenientes de los vehículos híbridos.

Un vehículo puramente eléctrico de baterías (VE) es aquél que utiliza uno o varios motores eléctricos para su tracción y un conjunto de baterías que alimentan dichos motores (ver figura 2). La energía química almacenada en la batería se transforma en energía eléctrica y posteriormente se convertirá mediante el motor eléctrico en energía mecánica para la tracción del vehículo. A través de las señales del freno y del acelerador, el controlador electrónico gestiona los subsistemas para proporcionar la correspondiente potencia de tracción como la de frenado. Asimismo, la unidad de suministro de energía de auxiliares proporciona la potencia necesaria con diferentes niveles de tensión para todos los auxiliares: el sistema de dirección, la climatización, etc. Un aspecto a tener presente en el diseño de la capacidad de las baterías es la energía necesaria para afrontar el accionamiento de dichos auxiliares.

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Figura 2. Esquema conceptual de la configuración de un vehículo eléctrico.

El sistema de propulsión de un VE convierte la energía eléctrica almacenada en movimiento del vehículo, pero también puede cambiar la dirección del flujo, es decir, retornar la energía cinética del vehículo en energía eléctrica almacenable mediante un sistema de frenada regenerativa. Dicha situación no se produce en un vehículo de combustión convencional, con la consecuente reducción del desgaste del sistema de frenos mecánicos (esta característica también se incorpora en los propulsores híbridos). La importancia de la regeneración es significativa en ciclo urbano, donde aproximadamente un 60% de la energía total se invierte en superar los efectos de inercia y, teóricamente, más de la mitad puede recuperarse en los periodos de deceleración. Prácticamente todas las marcas tienen algún modelo en el mercado: Jaguar i-Pace, Auidi e-Tron, Renault Zoe, Peugeot Ion, Nissan Leaf, Citröen C-Zero, Hyundai Ionic, Tesla, etc. Estos vehículos vienen a embarcar baterías en torno a los 40 – 90 kWh proporcionando autonomías de hasta 400 km en ciclo de homologación NEDC (New European Driving Cycle).

En la tabla II se resumen las principales ventajas de los VE y, también los principales requerimientos que deben satisfacer para favorecer su penetración en el mercado.

Ventajas de los VE

Requerimientos de los VE para su penetración en el mercado

CO2 neutro utilizando energía renovable

Aseguramiento de un nivel autonomía adecuado

Alto rendimiento del sistema propulsor

Seguridad en el sistema de almacenamiento de energía eléctrica

Bajo coste de operación

Amplia disponibilidad de puntos de carga

Funcionamiento silencioso

Tiempos de carga aceptables

Posibilidad de utilización de la red eléctrica existente

 Disponibilidad de energías renovables para el suministro a vehículos

Emisiones cero en el punto de uso

Reducción del coste inicial de las baterías y otros componentes.

Tabla 2. Ventajas y requerimientos para el futuro de los VE.

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