A vehículo eléctrico híbrido (HEV) Es un vehículo que utiliza dos fuentes de energía para su propulsión, siendo una de ellas energía eléctrica. La mayoría de los vehículos de carretera con sistema de propulsión híbrido utilizan un motor de combustión interna (ICE) combinado con una máquina eléctrica (EM).
En comparación con un vehículo convencional, propulsado por un ICE, un vehículo eléctrico híbrido es capaz de realizar estas funciones:
- parada y arranque rápido de ICE
- recuperación de energía durante el frenado (frenado regenerativo)
- asistencia/aumento de par
- conducción eléctrica
- navegación por inercia (opcional)
Para obtener una introducción detallada a los vehículos eléctricos híbridos, sus tipos y su modo de funcionamiento, lea el artículo. ¿Qué es un vehículo eléctrico híbrido (HEV)?
En este artículo nos centraremos en los diferentes tipos (arquitecturas) de tren motriz HEV, destacando el principio de funcionamiento y las ventajas/desventajas en comparación con otros tipos.
Sistema de propulsión híbrido paralelo con dos embragues
En un sistema de propulsión híbrido paralelo, tanto el motor de combustión interna como el motor eléctrico pueden transmitir par a la rueda motriz, en secuencia o al mismo tiempo. Para un vehículo con tracción trasera (RWD), una arquitectura de tren motriz híbrido común utiliza una máquina eléctrica entre dos embragues.
Imagen: Tren motriz híbrido paralelo con dos embragues
dónde:
ICE – motor de combustión interna
EM – máquina eléctrica
TRN – transmisión
PE – electrónica de potencia
El primer embrague, entre el motor y el motor eléctrico, permite desconectar el motor de la transmisión y conducir en modo EV puro. Además, durante las fases de desaceleración, al desconectar el motor, podemos eliminar su efecto de frenado y tener una mayor eficiencia en la recuperación de energía cinética.
El segundo embrague permite desconectar la máquina eléctrica de la transmisión y dejar que el vehículo se deslice durante la desaceleración. Desde el punto de vista de la implementación, el segundo embrague forma parte de la transmisión y no como un componente independiente.
Los estados de los embragues durante cada modo del tren motriz híbrido se resumen en la siguiente tabla.
| Modo | Embrague antes del estado EM | Embrague después del estado EM |
| (1)Parada y arranque del motor | Abierto | Abrir cerrado |
| Recuperación de energía | Abierto | Cerrado |
| Asistencia/aumento de par | Cerrado | Cerrado |
| Conducción eléctrica | Abierto | Cerrado |
| De cabotaje | Abierto | Abierto |
| Carga en reposo | Cerrado | Abierto |
(1)suponiendo que la parada/arranque del motor se realice con un arranque eléctrico adicional
Hay varios fabricantes de equipos originales que utilizan esta arquitectura de tren motriz híbrido para sus vehículos. Un ejemplo es Nissan, con dos variantes:
- Sistema híbrido de vehículo con tracción delantera y motor delantero (FF HEV)
- Sistema híbrido de vehículo con motor delantero y tracción trasera (FR HEV)
El sistema FF HEV utiliza un motor de combustión interna junto con una máquina eléctrica y una transmisión continuamente variable (CVT) en el eje delantero.
Imagen: Nissan X-Trail híbrido
Crédito: Nissan
El sistema híbrido mejora el rendimiento de conducción y el consumo de combustible al utilizar el motor para regenerar energía durante la desaceleración y almacenarla en la batería, además de respaldar el motor al usar la batería para alimentar el motor para la conducción y aceleración de vehículos eléctricos a baja velocidad. Además, el consumo de combustible aumenta al utilizar la batería para alimentar los componentes electrónicos del automóvil cuando el vehículo está estacionado. Como el motor se puede separar del tren motriz cuando sea necesario, la fuente de energía tanto para el motor como para el motor se puede utilizar de manera óptima, lo que significa que tampoco hay pérdida por fricción del motor cuando se regenera con el motor separado del tren motriz o durante la conducción de vehículos eléctricos. .
El sistema emplea control inteligente de doble embrague, que combina un motor y dos embragues para implementar un sistema híbrido de tracción delantera que es liviano y compacto. El embrague 1 se instala entre el motor y el motor, mientras que el embrague 2 se instala entre el motor y la CVT. El uso del motor se puede diferenciar según las circunstancias seleccionando “on” o “off” para el Embrague 1, lo que permite una conducción eficiente.
Imagen: Tren motriz híbrido Nissan FF
Crédito: Nissan
El embrague y el motor del sistema híbrido están diseñados para encajar en el espacio para el convertidor de par utilizado en vehículos con motor CVT. Por tanto, no se requiere ningún chasis específico y se puede utilizar en una variedad de modelos. También se puede aplicar fácilmente a vehículos con tracción en las cuatro ruedas e híbridos enchufables. Para la batería del sistema se ha adoptado una batería de iones de litio de alto rendimiento, desarrollada para híbridos y con excelente descarga y carga.
En el sistema FR HEV, el sistema híbrido de un motor y dos embragues puede separar el motor de la transmisión según sea necesario. Puede utilizar el motor y el motor como fuentes de energía, desde funcionar solo con el motor hasta utilizar ambos para una aceleración total, logrando una conducción más eficiente según la situación. Durante la regeneración y la conducción en modo eléctrico, el motor está completamente desconectado del tren de transmisión, lo que resulta en cero pérdidas por fricción del motor.
Imagen: Tren motriz híbrido Nissan FR
Crédito: Nissan
Nissan reemplazó el convertidor de par de una transmisión automática de 7 velocidades existente con un motor y dos embragues en una configuración compacta. El uso de un sistema de un solo motor para impulsar las ruedas y regenerar la electricidad permite reducir el número de piezas y reducir el peso.
Los dos embragues transfieren energía mecánicamente al motor y al motor. Si bien es eficiente y con poca pérdida de energía en comparación con un convertidor de par normal, el sistema también tiene una aceleración intuitiva y sensible. A través del control integrado de este sistema y la transmisión utilizando tecnología de control de alto nivel, se logra una conducción que responde a una variedad de condiciones de conducción.
La batería de iones de litio del coche híbrido puede descargar altas corrientes en poco tiempo. De esta forma, la proporción de funcionamiento del motor aumenta y es posible recuperar energía de frenado con frecuencia. Poder utilizar la electricidad de forma eficaz significa que el consumo de gasolina disminuye y, en consecuencia, contribuye a un mejor kilometraje.
Sistema de propulsión híbrido paralelo con transmisión de doble embrague
En algunas aplicaciones de vehículos, especialmente aquellos que tienen motor delantero y tracción delantera, el embalaje de los componentes es fundamental debido a la falta de espacio. Probablemente no sea posible instalar un embrague entre el motor y la máquina eléctrica, ya que requerirá espacio adicional que no está disponible.
En este caso, es deseable utilizar una solución de sistema de propulsión existente y convertirla en híbrida. Una solución es utilizar una transmisión de doble embrague (DCT) e integrar una máquina eléctrica en uno de los ejes de entrada, después del embrague.
Imagen: Híbrido paralelo con sistema de propulsión DCT
En esta arquitectura, la máquina eléctrica está integrada en una subunidad de la transmisión, en las marchas pares o impares. Gracias a los dos ejes de entrada y de salida para las marchas pares e impares, el par de entrada del motor de combustión interna puede transmitirse a la salida por un camino mecánico diferente al de la máquina eléctrica. Los pares se suman en la corona dentada conectada al diferencial.
Getrag ha convertido una de sus propias transmisiones de doble embrague de 7 velocidades 7DCT300 en una transmisión híbrida, integrando una máquina eléctrica en el eje de engranajes pares. La transmisión transversal delantera 7DCT300 tiene siete marchas adelante y una marcha atrás. Las marchas pares (2, 4, 6, R) e impares (1, 3, 5, 7) se dividen en dos subtransmisiones. El motor y las dos transmisiones parciales están conectados mediante un embrague doble (dual) húmedo.
El resultado, 7HDT300, es una transmisión híbrida flexible capaz de integrarse en vehículos eléctricos híbridos suaves, totalmente híbridos y enchufables. El híbrido completo La variante de la transmisión integra una máquina eléctrica de 40 kW, que permite conducir vehículos eléctricos a una velocidad del vehículo de 50 a 60 km/h (según la aplicación).
Crédito: Getrag | 
Crédito: Getrag |
Esta solución permite la desconexión del motor mediante la apertura de ambos embragues y la conducción puramente EV. La desconexión de la máquina eléctrica del resto de la cadena cinemática también es posible desengranando las sincronizaciones de marchas dentro de la transmisión.
Los estados de los embragues durante cada modo del tren motriz híbrido DCT se resumen en la siguiente tabla.
| Modo | Estado de las marchas impares del embrague | Estado de las marchas pares del embrague |
| (1)Parada y arranque del motor | Abierto | Abierto |
| Recuperación de energía | Abierto | Abierto |
| Asistencia/aumento de par | Cerrado abierto | Abrir cerrado |
| Conducción eléctrica | Abierto | Abierto |
| De cabotaje | Abierto | Abierto |
| Carga en reposo | Abierto | Cerrado |
(1)suponiendo que la parada/arranque del motor se realice con un arranque eléctrico adicional
El principal beneficio de esta solución es que la máquina eléctrica no necesita espacio de instalación adicional en la caja de transmisión, lo que permite una gran flexibilidad para la integración y las aplicaciones del vehículo. Esta arquitectura híbrida puede acomodar diferentes niveles de potencia de la máquina eléctrica (15-110 kW), trabajando a diferentes niveles de voltaje (48 – 360 V). Por este motivo se puede integrar fácilmente en diferentes tipos de vehículos híbridos, desde híbridos suaves hasta híbridos completos y enchufables.
Tren motriz híbrido paralelo con ejes divididos
Otro tipo de vehículo eléctrico híbrido paralelo es el híbrido de ejes divididos. En esta arquitectura, un eje (normalmente el delantero) es impulsado por el motor de combustión interna y una transmisión, mientras que el segundo eje es impulsado por un motor eléctrico y un engranaje de relación fija.
Imagen: Tren motriz híbrido paralelo con ejes divididos
Esta solución requiere una transmisión automática en el eje delantero, lo que hará posible la desconexión del motor durante la conducción del vehículo eléctrico. La ventaja de esta solución es que el vehículo dispone de tracción total siempre que no se agote la batería.
En comparación con las soluciones híbridas paralelas anteriores, el híbrido de ejes divididos no puede cargar la batería mientras el vehículo está parado. Para solucionar este problema, y también para permitir una tracción total continua, el motor está equipado con una máquina eléctrica integrada con correa secundaria. La máquina eléctrica adicional, conectada permanentemente al motor (arquitectura P0), permite generar energía eléctrica durante la parada y durante la conducción.
Un ejemplo de híbrido paralelo con ejes divididos es el Peugeot 3008 híbrido. Este sistema de propulsión híbrido fue desarrollado por el grupo PSA en colaboración con Bosch.
Imagen: Sistema de propulsión híbrido del Peugeot 3008
Crédito: peugeot
El eje delantero está propulsado por un motor diésel de 2,0 litros acoplado a una transmisión manual automatizada de 6 velocidades. El eje trasero contiene una máquina eléctrica de imanes permanentes de 20/27 (continuo/pico) kW acoplada a una caja de cambios de una sola velocidad. La máquina eléctrica secundaria de 8 kW está integrada por correa en el motor, garantiza la función Stop & Start del motor y también puede generar la electricidad necesaria para el funcionamiento del motor eléctrico en todas las circunstancias, si es necesario (modo de tracción total).
Imagen: Tren motriz híbrido con eje dividido
Crédito: Bosch
Tren motriz híbrido de serie
En un sistema de propulsión híbrido en serie, el motor de combustión interna no proporciona par directamente a las ruedas motrices. En cambio, el motor alimenta un generador eléctrico que proporciona energía eléctrica al motor eléctrico de tracción. Un híbrido en serie utiliza dos máquinas eléctricas:
- un generador eléctrico (conectado al motor)
- un motor eléctrico (conectado a las ruedas a través de una caja de cambios de un solo paso y un diferencial)
También existen otras diferencias notables entre un híbrido paralelo y un híbrido en serie. Dado que no existe una conexión mecánica directa entre el motor y las ruedas motrices, no hay necesidad de transmisión. Esto supone una ventaja en términos de embalaje, ya que se requiere menos espacio para el montaje del motor y del generador.
Imagen: Tren motriz híbrido de serie
Además, no hay embrague entre el motor eléctrico y las ruedas motrices. Esto es una ventaja en términos de embalaje, pero no permite que el vehículo se deslice ya que el motor eléctrico siempre estará conectado a las ruedas motrices.
En términos de funciones del sistema de propulsión, un híbrido en serie sólo es capaz de:
- Parada y arranque del motor
- Recuperación de energía
- Conducción eléctrica
- Carga en reposo
Ambas máquinas eléctricas deben tener una potencia similar a la del motor de combustión interna. Dado que la velocidad del vehículo no depende de la velocidad del motor, el punto de funcionamiento del motor (velocidad y par) se puede configurar para lograr la máxima eficiencia de combustible. Esto es una ventaja a baja velocidad del vehículo, pero una desventaja a velocidades más altas.
Otra desventaja del híbrido en serie es la doble conversión de energía. Si la batería se agota, la energía necesaria al volante proviene del motor de combustión interna, tras ser convertida en energía eléctrica. Esto disminuye aún más la eficiencia general del tren motriz cuando el motor proporciona la principal fuente de energía.
Dado que un híbrido en serie no es flexible en términos de potencia para una amplia gama de velocidades del vehículo, no es adecuado como arquitectura de sistema de propulsión híbrido para vehículos de carretera. Sin embargo, al montar un motor más pequeño, con una potencia nominal menor que el motor eléctrico de tracción, un híbrido de serie se convierte en un Vehículo Eléctrico de Autonomía Extendida (REEV).
Vehículo híbrido serie-paralelo
Un híbrido en serie se convierte en un híbrido en serie-paralelo añadiendo una conexión mecánica (embrague) entre las dos máquinas eléctricas. La ventaja de esta arquitectura es que a bajas velocidades, con el embrague abierto, el sistema de propulsión se comporta como un híbrido en serie, haciendo funcionar el motor en el punto de funcionamiento más eficiente. A alta velocidad del vehículo, el embrague se cierra y el motor puede transmitir par a la rueda motriz, por lo que el tren motriz se convierte en un híbrido paralelo.
Imagen: Tren motriz híbrido en serie-paralelo
En comparación con el híbrido en serie, el híbrido en serie-paralelo tiene la ventaja de una menor potencia del generador, ya que el exceso de potencia del motor se puede transferir directamente a las ruedas motrices. La desventaja es que, al añadir una conexión mecánica (embrague), perdemos flexibilidad en cuanto al embalaje.
En términos de funciones del sistema de propulsión, un híbrido serie-paralelo es capaz de:
- Parada y arranque del motor
- Recuperación de energía
- Asistencia/aumento de par
- Conducción eléctrica
- Carga en reposo
En comparación con un híbrido paralelo, un híbrido en serie-paralelo utiliza dos máquinas eléctricas y realiza las mismas tareas. Por estas razones, los fabricantes de automóviles no utilizan ampliamente la arquitectura del sistema de propulsión en serie paralela con una conexión de embrague entre las dos máquinas eléctricas.
Sistema de propulsión híbrido con división de potencia
Un vehículo híbrido con arquitectura de potencia dividida combina las características de un híbrido paralelo con las de un híbrido en serie. Un sistema de propulsión híbrido de potencia dividida conecta mecánicamente un motor de combustión interna y dos máquinas eléctricas mediante un dispositivo de división de energía (PSD). El dispositivo de división de energía suele ser un solo conjunto de engranajes planetarios (PSG) o varios PSG.
Imagen: Sistema de propulsión híbrido de potencia dividida
El motor de combustión interna tiene la potencia nominal más alta en comparación con los motores eléctricos. Una parte de la potencia del motor es transformada por una máquina eléctrica en energía eléctrica, transmitiéndose el exceso de potencia a la rueda motriz, en paralelo con la potencia de la segunda máquina eléctrica.
Excepto el modo de inercia, un sistema de propulsión híbrido de potencia dividida realiza todas las funciones de un híbrido completo:
- Parada y arranque del motor
- Recuperación de energía
- Asistencia/aumento de par
- Conducción eléctrica
- Carga en reposo
Dado que el motor siempre está conectado a las ruedas motrices a través del conjunto de engranajes planetarios, su velocidad sólo se puede ajustar dentro de ciertos límites, dependiendo de las relaciones de transmisión PSG y de la velocidad de los dos motores eléctricos. máquinas. La combinación del motor de combustión interna, dos motores eléctricos y el PSG da el comportamiento general de una transmisión continuamente variable (CVT). Por esta razón, se anuncia que los vehículos eléctricos híbridos de potencia dividida tienen una Transmisión eléctrica continuamente variable (ECVT).
El sistema Hybrid Synergy Drive de Toyota es un ejemplo de sistema de propulsión híbrido con división de potencia.
Imagen: Toyota Prius híbrido
Crédito: Toyota
El eje delantero está propulsado por un sistema de propulsión híbrido de potencia dividida.
A velocidades del vehículo bajas y medias, el híbrido de potencia dividida puede comportarse como un híbrido de serie S, donde el motor alimenta una máquina eléctrica (generador), que a su vez genera electricidad y alimenta la segunda máquina eléctrica (motor). A alta velocidad del vehículo, donde hay una gran demanda de potencia, parte de la potencia del motor se transmite directamente a las ruedas motrices, a través del conjunto de engranajes planetarios, siendo en este caso el híbrido de potencia dividida un híbrido paralelo.
 Imagen: Tren motriz híbrido de Toyota (1)Crédito: Toyota |  Imagen: Tren motriz híbrido de Toyota (2)Crédito: Toyota |
En un híbrido de potencia dividida también existe una conexión mecánica entre el motor de combustión interna y las máquinas eléctricas. Debido a esto, sus puntos de operación (par y velocidad) son siempre interdependientes y no pueden separar completamente el motor del motor eléctrico. Un híbrido de potencia dividida puede reducir sustancialmente el consumo de combustible a una velocidad del vehículo baja-media, pero con un beneficio mínimo a una velocidad del vehículo alta.
La siguiente tabla resume las funciones de los diferentes tipos/arquitecturas de vehículos eléctricos híbridos, destacando sus ventajas y desventajas.
| HEV paralelo con dos embragues | HEV paralelo con DCT | HEV con eje dividido | Serie HEV | HEV serie-paralelo | HEV de potencia dividida | |
| Parada y arranque del motor | Sí | Sí | Sí | Sí | Sí | Sí |
| Recuperación de energía | Sí | Sí | Sí | Sí | Sí | Sí |
| Asistencia/aumento de par | Sí | Sí | Sí | No | Sí | Sí |
| Conducción eléctrica | Sí | Sí | Sí | Sí | Sí | Sí |
| De cabotaje | Sí | Sí | No | No | No | No |
| Carga en reposo | Sí | Sí | (1)Sí | Sí | Sí | Sí |
| Clasificaciones de potencia | – potencia del motor mucho mayor que la potencia de la máquina eléctrica | – potencia del motor mucho mayor que la potencia de la máquina eléctrica | – potencia del motor superior a la potencia de la máquina eléctrica | – potencia similar entre el motor y las máquinas eléctricas | – potencia similar entre el motor y una máquina eléctrica – menor potencia nominal de la segunda máquina eléctrica | – potencia similar entre el motor y una máquina eléctrica – menor potencia nominal de la segunda máquina eléctrica |
| Ventajas | – configuración flexible del tren motriz – se puede integrar fácilmente con un sistema de propulsión convencional existente – solo se requiere una máquina eléctrica para un rendimiento híbrido completo | – requiere un espacio de instalación adicional mínimo para la máquina eléctrica – solo se requiere una máquina eléctrica para un rendimiento híbrido completo | – (1)capacidad de tracción total continua | – flexibilidad en la instalación debido a la inexistencia de conexión mecánica entre máquinas eléctricas – el motor puede funcionar en el área más eficiente independientemente de la velocidad del vehículo – no requiere transmisiones de varios pasos | – el motor puede transmitir el par directamente a las ruedas motrices – no requiere transmisiones de varios pasos – puede cambiar entre serie y paralelo híbrido | – instalación compacta gracias al uso de un conjunto de engranajes planetarios – eficiencia energética a velocidad del vehículo baja-media |
| Desventajas | – requiere que también se integre una transmisión totalmente automática | – el par de la máquina eléctrica sólo se multiplica por la mitad (par o impar) de las relaciones de transmisión | – No es posible navegar por inercia debido a una conexión permanente o a una máquina eléctrica – requiere espacio de instalación adicional en el eje trasero | – requiere dos máquinas eléctricas de potencia similar – el rendimiento dinámico del vehículo depende enteramente del par y la potencia de la máquina eléctrica – energéticamente ineficiente debido a la doble conversión de la potencia del motor (mecánico-eléctrico-mecánico) | – requiere dos máquinas eléctricas – el motor y las máquinas eléctricas están unidos mecánicamente, lo que requiere espacio de instalación adicional | – requiere dos máquinas eléctricas – no hay beneficio en la eficiencia del combustible a alta velocidad del motor |
(1)requiere un generador de arranque integrado con correa adicional en el lado del motor
