¿Qué es un vehículo eléctrico híbrido (HEV)?

La palabra «híbrido”significa una mezcla, mezcla entre dos cosas diferentes. En la industria automotriz, el término híbrido se utiliza para describir el sistema de propulsión de un vehículo. A Vehículo eléctrico híbrido (HEV) es un vehículo que utiliza dos fuentes de energía para su propulsión, siendo al menos una de las fuentes de energía energía eléctrica. La gran mayoría de los vehículos eléctricos híbridos utilizan una combinación de motores de gasolina y motores eléctricos.

Existen diferentes tipos de vehículos híbridos, por ejemplo: vehículos híbridos aéreos, vehículos híbridos cinéticos, etc., pero en este artículo nos vamos a centrar únicamente en vehículos eléctricos híbridos.

Imagen: Principio del vehículo híbrido

Desde el punto de vista del principio de funcionamiento, un vehículo híbrido utiliza 2 fuentes de energía, con 2 convertidores de energía. Estas leyes rigen el funcionamiento de un vehículo eléctrico híbrido:

• hay una fuente de energía primaria (1) y una fuente de energía secundaria (2)
• hay un convertidor de energía primario (1) y un convertidor de energía secundario (2)
• para un HEV, el fuente de energía primaria es el depósito de combustible y el fuente de energía secundaria es el batería
• La fuente de energía primaria tiene mucho más contenido energético que la fuente de energía secundaria.
• La energía se puede transferir de la fuente de energía primaria a la fuente de energía secundaria, pero no al revés.
• La transferencia de energía de la fuente primaria hacia la fuente secundaria se realiza a través de convertidores de energía.
• para un HEV, el convertidor de energía primaria es el motor de combustión interna y el convertidor de energía secundaria es el máquina eléctrica (motor/generador)
• parte de energía cinética del vehículo puede recuperarse durante el frenado únicamente mediante el convertidor de energía secundario y almacenarse en la fuente de energía secundaria
• ambos convertidores de energía pueden aplicarse par de tracción al volante al mismo tiempo

Un vehículo eléctrico híbrido (HEV) utiliza tanto el motor de combustión interna como al menos una máquina eléctrica para su propulsión.

Hay tres impulsores principales para el desarrollo de vehículos eléctricos híbridos:

• reducir el consumo de combustible y CO₂ emisiones
• reducir las emisiones de gases de escape
• mejorar la dinámica del vehículo aumentando el par y la potencia de salida

Tipos de vehículos híbridos

El grado de consumo de combustible o de mejora de la dinámica del vehículo depende de la nivel de hibridación. Un vehículo eléctrico híbrido es una mezcla entre un vehículo con motor de combustión interna (ICEV) y un vehículo eléctrico de batería (BEV). El nivel de energía contenida en la batería y la potencia de la máquina eléctrica deciden el nivel (tipo) del vehículo eléctrico híbrido.

Para obtener una comparación más detallada entre los tipos de vehículos eléctricos híbridos, lea el artículo Comprensión de los vehículos eléctricos híbridos micro, suaves, completos y enchufables.

La relación entre diferentes fuentes de energia y la relación entre diferentes dispositivos de propulsión determina el tipo de vehículo híbrido.

Imagen: Tipos de vehículos en función de la fuente de energía y del dispositivo de propulsión.

Los diferentes tipos de vehículos híbridos se resumen en la siguiente tabla.

Tipo	Fuente de energía	Dispositivo de propulsión	Características
ICEV (Vehículo con motor de combustión interna)	– 100% combustible (gasolina/gasolina, diésel)	– Motor 100% de combustión interna	– vehículo convencional
mHEV (Vehículo eléctrico microhíbrido)	– 99% combustible (gasolina/gasolina, diésel) – 1% de energía eléctrica	– Motor 100% de combustión interna	– tiene la capacidad de utilizar la energía de la batería para sistemas eléctricos sin necesidad de consumir energía del alternador – puede modificar el perfil de carga de la batería de bajo voltaje (12 V) aumentando la velocidad de carga durante la desaceleración del vehículo
MHEV (Vehículo eléctrico híbrido suave)	– 80-90% de combustible (gasolina/gasolina, diésel) – 10-20% de energía eléctrica	– 80-90% motor de combustión interna – 10-20% motor eléctrico	– la máquina eléctrica puede proporcionar un par adicional durante las fases de aceleración del vehículo – la máquina eléctrica puede recuperar energía eléctrica durante la desaceleración del vehículo – tiene dos redes eléctricas y baterías, una de bajo voltaje (12 V) y un sistema de alto voltaje (48-150V) – tiene un convertidor DCDC para intercambiar energía entre la red de bajo voltaje y alto voltaje – tiene una máquina eléctrica de alto voltaje, generalmente controlada por un inversor trifásico
HEV (Vehículo eléctrico híbrido)	– 70-80% de combustible (gasolina/gasolina, diésel) – 20-30% de energía eléctrica	– 70-80% motor de combustión interna – 20-30% motor eléctrico	– adicionales a las características del MHEV: – el vehículo puede circular en modo EV – el sistema de alto voltaje puede llegar hasta 300-400V – la batería de alto voltaje tiene mayor contenido energético – la máquina eléctrica tiene mayor potencia de salida
PHEV (Vehículo eléctrico híbrido enchufable)	– 60-70% de combustible (gasolina/gasolina, diésel) – 30-40% de energía eléctrica	– 60-70% motor de combustión interna – 30-40% motor eléctrico	– adicionales a las características del HEV: – la batería de alto voltaje se puede cargar desde la red – el vehículo se puede conducir en modo EV hasta 50-60 km – la batería de alto voltaje tiene mayor contenido energético – la máquina eléctrica tiene mayor potencia de salida
REEV (Vehículo eléctrico con extensor de alcance)	– 80% energía eléctrica – 20% combustible (gasolina/gasolina)	– Máquina 100% eléctrica	– puede considerarse como un híbrido en serie – el motor de combustión interna se utiliza únicamente como generador de energía – tiene un generador eléctrico adicional conectado al motor de combustión interna
BEV (Vehículo eléctrico de batería)	– 100% energía eléctrica	– Máquina(s) 100% eléctrica(s)	– vehículo eléctrico de batería completa
FCEV (Vehículo eléctrico de pila de combustible)	– 50% de energía de la batería – 50% de energía de hidrógeno	– Máquina 100% eléctrica	– La pila de combustible se utiliza como convertidor de energía. – utiliza un tanque de hidrógeno como fuente de energía adicional

Observación: Un máquina eléctrica Puede ser motor o generador, dependiendo de la situación de conducción. Cuando se acelera el vehículo y la máquina eléctrica proporciona par a la rueda, se convierte en un motor eléctrico. Durante la desaceleración (frenado) del vehículo, la máquina eléctrica actúa como generador y convierte la energía cinética del vehículo en energía eléctrica, cargando la batería.

En un vehículo eléctrico híbrido, cuanto mayor sea la energía eléctrica y la potencia disponible, menores serán el consumo de combustible y las emisiones de escape. Esto es posible gracias a que la energía eléctrica se puede utilizar durante períodos de tiempo más largos y también a velocidades más altas del vehículo.

La mejora en el consumo de combustible es mínima para un microhíbrido y máxima para un híbrido enchufable.

Imagen: Función de economía de combustible del nivel de hibridación
Crédito: [1]

A Vehículo eléctrico híbrido (HEV) también se conoce como híbrido completo o híbrido autocargable. El híbrido completo surge del hecho de que un HEV puede conducirse en modo EV puro, en comparación con un MHEV. El híbrido autocargable surge del hecho de que la batería de un HEV sólo se carga a bordo, mediante el motor de combustión interna o durante la recuperación de energía. Por el contrario, la batería de alto voltaje de un PHEV se puede cargar desde la red eléctrica.

Las principales funciones de un vehículo eléctrico híbrido se resumen en la siguiente tabla, en función del nivel de hibridación [6].

Funciones	Híbrido tipo
	mHEV	MHEV	HEV	PHEV
Parada/arranque del motor en ralentí	•	•	•	•
Recuperación de energía	•	•	•	•
Asistencia de par eléctrica		•	•	•
Conducción eléctrica			•	•
Carga de batería desde la red				•

Arquitecturas de vehículos eléctricos híbridos (HEV)

Desde el punto de vista de la fuente de energía y del dispositivo de propulsión, un vehículo eléctrico híbrido es una mezcla entre un ICEV convencional y un BEV.

En un vehículo propulsado por un motor de combustión interna, toda la energía para la propulsión se almacena en un depósito de combustible. A través de un línea de suministro de combustible el combustible se alimenta al motor que, junto con la transmisión, impulsa las ruedas motrices.

Imagen: Arquitectura del sistema de propulsión del vehículo – ICE

Imagen: Arquitectura del sistema de propulsión del vehículo – EV

En un vehículo eléctrico puramente de batería, toda la energía para la propulsión se almacena en un batería de alto voltaje. A través de un línea de suministro eléctrico la energía se alimenta al motor eléctricojunto con la transmisión, impulsa las ruedas motrices.

Hay varias formas de combinar el motor de combustión interna, la máquina eléctrica (motor/generador) y la batería de alto voltaje. Cuatro básicos arquitecturas de vehículos eléctricos híbridos son usados ​​:

• serie HEV
• HEV paralelo
• HEV dividido
• HEV serie-paralelo

en un serie HEV, el motor de combustión interna nunca impulsa directamente el vehículo. En cambio, el motor impulsa un generador eléctrico, y el generador puede cargar las baterías o alimentar un motor eléctrico que impulsa la energía a las ruedas.

Imagen: Arquitectura del sistema de propulsión del vehículo – Serie HEV

La serie HEV es el tipo más simple, donde sólo el motor eléctrico proporciona toda la potencia de propulsión. Un motor de combustión interna de tamaño reducido a bordo acciona un generador, que complementa la batería de alto voltaje y puede cargarla cuando el estado de carga (SOC) cae por debajo de un umbral mínimo. La potencia necesaria para mover el vehículo la proporciona únicamente el motor eléctrico. Más allá del motor de combustión interna y el generador eléctrico, el sistema de propulsión es el mismo que el de un BEV, por lo que los requisitos de potencia del motor eléctrico son los mismos que los del BEV.

Las ventajas de un HEV en serie son:

• flexibilidad en el embalaje y ubicación del grupo motogenerador
• transmisiones simples
• Estrategias de control simples para el motor de combustión interna (que funciona a la velocidad y el par más económicos).

Las desventajas de un HEV en serie son:

• requiere una máquina eléctrica adicional (generador)
• sin la ayuda del motor, el motor eléctrico debe estar diseñado para la máxima potencia sostenida que el vehículo pueda requerir, como por ejemplo al subir una pendiente alta; sin embargo, el vehículo funciona por debajo de la potencia máxima la mayor parte del tiempo.
• los tres componentes del tren motriz deben diseñarse para ofrecer la máxima potencia para una conducción sostenida a alta velocidad en largas distancias; esto es necesario porque las baterías se agotarán con bastante rapidez, dejando que el motor suministre toda la energía a través del generador.

en un HEV paralelo, el motor de combustión interna está conectado a la transmisión, así como al motor eléctrico. De modo que tanto el motor como la máquina eléctrica (generador/motor) pueden suministrar energía a las ruedas, alternando entre sí según varían las condiciones de conducción.

Imagen: Arquitectura del sistema de propulsión del vehículo: HEV paralelo

En un HEV paralelo, el motor de combustión interna y el motor eléctrico se pueden conectar al eje de transmisión mediante embragues separados. Los requisitos de potencia del motor eléctrico en el híbrido paralelo son menores que los de un BEV o un híbrido en serie, porque el motor de combustión interna complementa el requisito de potencia total del vehículo. La potencia de propulsión puede ser suministrada por el motor de combustión interna, por el motor eléctrico o por los dos sistemas en paralelo.

Las ventajas de un HEV paralelo son:

• sólo necesita dos componentes de propulsión: motor y máquina eléctrica (motor/generador)
• Se pueden utilizar un motor más pequeño y un motor más pequeño para obtener el mismo rendimiento, hasta que se agoten las baterías. Para misiones de viajes cortos, ambos pueden tener la mitad de la potencia máxima para proporcionar la potencia total, suponiendo que las baterías nunca se agoten. Para viajes de larga distancia, el motor puede estar clasificado para la potencia máxima, mientras que el motor/generador aún puede estar clasificado para la mitad de la potencia máxima o incluso menos.

Las desventajas de un HEV paralelo:

• La complejidad del control aumenta significativamente, porque el flujo de energía debe regularse y combinarse desde dos fuentes paralelas.
• La combinación de potencia del motor y del motor eléctrico requiere una transmisión compleja.

en un HEV dividido, el motor impulsa un eje y el motor eléctrico impulsa el otro. No existe conexión entre el motor y los componentes eléctricos excepto “a través del camino”.

Imagen: Arquitectura del sistema de propulsión del vehículo: HEV dividido

En la arquitectura HEV de tipo dividido, tanto el motor de combustión interna como el motor eléctrico pueden impulsar el vehículo al mismo tiempo, en diferentes ejes. Si es necesario cargar la batería, el motor entregará el par necesario tanto para propulsar como para hacer girar la máquina eléctrica (generador) en el eje separado.

En comparación con un HEV paralelo, la ventaja del HEV dividido es que tiene una transmisión simple, ya que la máquina eléctrica está en un eje separado. La desventaja es que al cargar la batería se desperdicia mucha energía ya que se transfiere “a través de la carretera”, por lo que tiene una menor eficiencia energética.

Para vehículos de carretera prácticos, la mejor arquitectura es una combinación de configuraciones HEV en serie y en paralelo. En esto HEV serie-paralelo arquitectura, el motor también se utiliza para cargar la batería y accionar la rueda motriz.

Imagen: Tren motriz híbrido serie-paralelo

En un HEV serie-paralelo, un dispositivo de división de potencia (PSD) asigna energía del ICE a las ruedas delanteras a través del eje de transmisión y el generador eléctrico, según las condiciones de conducción. La energía a través del generador también se utiliza para cargar la batería de alto voltaje. El motor eléctrico también puede entregar potencia a las ruedas delanteras en paralelo con el motor.

El inversor es bidireccional y se utiliza para cargar las baterías del generador o para controlar la potencia entregada por el motor eléctrico. Para ráfagas breves de velocidad, la potencia se entrega al eje de transmisión desde el motor y el motor eléctrico. Una unidad de control central regula el flujo de energía del sistema utilizando múltiples señales de retroalimentación de los distintos sensores. Se debe minimizar el uso del motor para cargar la batería de alto voltaje para maximizar la eficiencia. Siempre se pierde energía durante la carga y descarga de la batería y durante el flujo de energía a través del inversor.

Imagen: Comparación del sistema de propulsión híbrido
Crédito: [2]

La arquitectura híbrida en serie-paralelo combina las ventajas de los HEV en serie y en paralelo. Por este motivo, es la arquitectura más utilizada para la producción de vehículos eléctricos híbridos.

Ventajas de los vehículos eléctricos híbridos (HEV)

Comparado con un ICEV convencional, un vehículo eléctrico híbrido tiene las siguientes ventajas:

• reducción de pérdida de energía: el sistema híbrido detiene automáticamente el ralentí del motor (idling stop), reduciendo así la energía que normalmente se desperdiciaría
• recuperación de energía: la energía cinética del vehículo que normalmente se desperdiciaría en forma de calor durante la desaceleración y el frenado se recupera como energía eléctrica, que luego es utilizada por el motor eléctrico
• asistencia de motor eléctrico: el motor eléctrico asiste al motor durante las operaciones transitorias (aceleración), mejorando así la respuesta dinámica y reduciendo las emisiones de gases de escape.
• motor de alta eficiencia operación: al utilizar la(s) máquina(s) eléctrica(s) como motor o generador, el punto de funcionamiento del motor (par y velocidad) se puede mantener en la región más económica
• conducción puramente eléctrica: a baja velocidad, el vehículo se puede conducir en modo EV, con lo que se obtienen cero emisiones de escape y consumo de combustible.

En comparación con el motor de combustión interna, un motor eléctrico puede generar un par instantáneo y tiene una alta eficiencia energética. Debido a estas ventajas, el motor eléctrico puede ayudar al ICE durante las fases de aceleración y también proporcionar par adicional durante breves períodos de tiempo.

Imagen: Impacto del tren motriz HEV en la velocidad transitoria del vehículo

Imagen: Respuesta dinámica del tren motriz híbrido Crédito: [4]

Un motor de combustión interna puede funcionar en un estado estable (par y velocidad constantes) o un estado transitorio (par y velocidad variables). La operación transitoria ocurre durante la aceleración y desaceleración del vehículo. La fase de desaceleración suele ser con el pedal de aceleración levantado, por lo tanto en funcionamiento de corte de combustible (sin combustión). La fase de aceleración del vehículo requiere que el motor aumente el par y la velocidad, lo que tiene un impacto negativo en el consumo de combustible y/o las emisiones de gases de escape. En esta situación, un motor eléctrico es de gran ayuda porque puede entregar parte del par demandado por el conductor y permite que el motor funcione de manera más eficiente.

Sistema híbrido Toyota (THS)

Uno de los primeros y más emblemáticos vehículos eléctricos híbridos (HEV) es el Toyota Prius, que tiene un sistema de propulsión híbrido en serie-paralelo arquitectura. El tren motriz híbrido de Toyota se llama Sistema híbrido Toyota (THS) y combina un motor de combustión interna, dos máquinas eléctricas, un dispositivo de división de potencia (engranaje planetario) y un engranaje reductor.

Imagen: Tren motriz híbrido de Toyota

Imagen: Tren motriz híbrido de Toyota – componentes

Existen varias versiones de THS, en este artículo nos vamos a centrar en THS II, explicando los componentes y cómo funciona. Los principales componentes del THS II son:

• un motor de gasolina de alta eficiencia (que funciona según el ciclo Atkinson, que es un ciclo de alta relación de expansión)
• motor síncrono de CA de imán permanente
• Generador síncrono de CA de imán permanente
• Batería de hidruro metálico de níquel (Ni-MH) de alto voltaje
• una unidad de control de la electrónica de potencia
• un dispositivo de división de potencia (conjunto de engranajes planetarios)
• una cadena metálica y un engranaje reductor

Esta unidad de control de electrónica de potencia contiene un circuito de potencia de alto voltaje para elevar el voltaje del sistema de suministro de energía para el motor y el generador a un alto voltaje de 500 V, además de un inversor AC-DC para convertir entre la corriente AC de el motor y el generador y la corriente continua de la batería híbrida. Otros componentes clave incluyen un dispositivo de división de potencia, que transmite el par mecánico del motor, el motor y el generador asignándolos y combinándolos. La unidad de control de potencia controla con precisión estos componentes a altas velocidades para permitirles trabajar cooperativamente con alta eficiencia.

Modos de conducción de vehículos eléctricos híbridos (HEV)

En comparación con un ICEV convencional, un HEV tiene al menos dos fuentes de par para la tracción. Además, durante la desaceleración del vehículo, el generador puede recuperar la energía cinética del vehículo y convertirla en energía eléctrica. Todas estas situaciones complican el comportamiento de un HEV, en particular en la gestión de la energía a bordo.

Los principales modos de conducción de un Toyota Prius se resumen en la siguiente tabla, pero son estándar para la mayoría de los HEV. Dependiendo de la arquitectura HEV, el modo de conducción (operación) puede ser diferente, pero no del todo.

Flujo de energía	Descripción
Imagen: Modo de funcionamiento THS – carga inicial	cargo inicial Dependiendo del estado de carga de la batería, al arrancar el vehículo, el ICE podría arrancar y cargar la batería. Este modo está disponible antes de que la transmisión pase al modo Drive.
Imagen: Modo de funcionamiento THS: conducción de vehículos eléctricos	conducción de vehículos eléctricos El ICE se mantiene apagado y la batería proporciona toda la energía necesaria para el lanzamiento y la conducción del vehículo. Este modo está disponible por tiempo limitado y a una velocidad del vehículo inferior a 15-25 km/h. Este modo también está disponible en reversa.
Imagen: Modo de funcionamiento THS: motor y accionamiento del motor	Motor y accionamiento del motor. A baja velocidad del vehículo y demanda de par del conductor, el motor proporciona un par parcial para las ruedas motrices y un par parcial para el generador. El motor eléctrico también proporciona par motor utilizando la energía producida por el generador.
Imagen: Modo de funcionamiento THS: accionamiento del motor y carga de la batería	Propulsión del motor y carga de la batería. A baja velocidad del vehículo y demanda de par motor, si el estado de carga de la batería es bajo, el motor proporciona par tanto para la propulsión del vehículo como para la carga de la batería. En este modo, el motor eléctrico no genera ningún par para ahorrar energía eléctrica y cargar la batería.
Imagen: Modo de funcionamiento THS: motor, accionamiento del motor y carga de la batería	Motor y accionamiento del motor y carga de batería. En este modo, el motor proporciona par a las ruedas motrices, par al generador para producir electricidad para el motor eléctrico y cargar la batería, todo al mismo tiempo.
Imagen: Modo de funcionamiento THS – potencia máxima	Aceleración total En un escenario de reducción del pedal de aceleración, el motor proporciona par a la rueda motriz y al generador, y la batería alimenta el motor eléctrico. En este modo, el par máximo lo proporcionan tanto el motor como el motor eléctrico.
Imagen: Modo de funcionamiento THS – recuperación de energía	Recuperación de energía Durante la desaceleración del vehículo (levantando el pedal del acelerador o pisando ligeramente el pedal del freno), el motor eléctrico se convierte en un generador y convierte la energía cinética del vehículo en energía eléctrica, cargando la batería de alto voltaje.

Resumen

Por definición, un vehículo híbrido combina dos fuentes de energía cualesquiera para la propulsión del vehículo. Un caso especial dentro de esa amplia definición es el vehículo eléctrico híbrido (HEV). La combinación de los componentes de un vehículo eléctrico puro (EV) y un vehículo convencional con motor de combustión interna pura (ICEV) da como resultado un HEV.

Referencias