Los sistemas de transmisión de los vehículos híbridos transmiten potencia a las ruedas motrices . Un vehículo híbrido tiene múltiples formas de fuerza motriz y puede venir en muchas configuraciones. Por ejemplo, un híbrido puede recibir su energía quemando gasolina, pero alternar entre un motor eléctrico y un motor de combustión .
Un sistema de propulsión típico incluye todos los componentes utilizados para transformar la energía potencial almacenada . Los sistemas de propulsión pueden utilizar energía química, solar, nuclear o cinética para la propulsión. El ejemplo más antiguo es la locomotora de vapor. Los ejemplos modernos incluyen bicicletas eléctricas y vehículos eléctricos híbridos , que generalmente combinan una batería (o supercondensador ) complementada con un motor de combustión interna (MCI) que puede recargar las baterías o impulsar el vehículo. Otros sistemas de propulsión híbridos pueden utilizar volantes de inercia para almacenar energía.
Entre los distintos tipos de vehículos híbridos, en 2017 solo se comercializa el tipo eléctrico/ICE. Una variedad funcionaba en paralelo para proporcionar energía de ambos motores simultáneamente. Otra funcionaba en serie con una fuente que proporcionaba exclusivamente la energía y la segunda que proporcionaba la electricidad. Cualquiera de las fuentes puede proporcionar la fuerza motriz primaria, mientras que la otra la complementa.
Otras combinaciones ofrecen ganancias de eficiencia gracias a una gestión y regeneración energéticas superiores que se ven compensadas por el costo, la complejidad y las limitaciones de la batería. Los híbridos de combustión-eléctricos (CE) tienen paquetes de baterías con una capacidad mucho mayor que un vehículo de combustión únicamente. Un híbrido de combustión-eléctrico tiene baterías que son livianas y ofrecen una mayor densidad energética y son mucho más costosas. Los ICE solo requieren una batería lo suficientemente grande como para operar el sistema eléctrico y encender el motor. [1]
Los vehículos eléctricos tienen una larga historia de combinación de combustión interna y transmisión eléctrica (como en un sistema de propulsión diésel-eléctrico ), aunque se han utilizado principalmente para locomotoras ferroviarias . Un sistema de propulsión diésel-eléctrico no cumple la estricta definición de híbrido porque la transmisión eléctrica reemplaza directamente a la transmisión mecánica en lugar de ser una fuente complementaria de fuerza motriz.
Una de las primeras formas de vehículo terrestre híbrido fue el experimento del trolebús "sin orugas" en Estados Unidos (Nueva Jersey), que se desarrolló entre 1935 y 1948 y que normalmente utilizaba corriente de tracción suministrada por cable. El trolebús estaba equipado con un motor de combustión interna para alimentar directamente el tren de transmisión mecánico, no para generar electricidad para el motor de tracción. Esto permitió que el vehículo se utilizara para servicios comerciales en los que no había cable de contacto.
Desde la década de 1990 se han introducido trolebuses híbridos con pequeñas plantas de energía para proporcionar una capacidad de baja velocidad para emergencias y mantenimiento, pero no para respaldar el servicio de ingresos generales.
Los sistemas híbridos en paralelo cuentan con un motor de combustión interna y un motor eléctrico que pueden impulsar el vehículo de forma individual o ambos acoplados para proporcionar propulsión. Este es el sistema híbrido más común en 2016.
Si se unen en un eje (en paralelo) , las velocidades en ese eje deben ser idénticas y los pares suministrados se sumarán (la mayoría de las bicicletas eléctricas son de este tipo). Cuando solo se utiliza una de las dos fuentes, la otra debe estar conectada mediante un embrague unidireccional o rueda libre para que pueda girar libremente.
En los automóviles, las dos fuentes pueden aplicarse al mismo eje (por ejemplo, con el motor eléctrico conectado entre el motor y la transmisión), girando a velocidades iguales y sumándose los pares, y el motor eléctrico suma o resta par al sistema según sea necesario (las dos primeras generaciones del Honda Insight utilizan este sistema).
Los híbridos paralelos se pueden clasificar además por el equilibrio entre los diferentes motores que proporcionan potencia motriz: el ICE puede ser dominante (activando el motor eléctrico solo en circunstancias específicas) o viceversa; mientras que en otros pueden funcionar solo con el sistema eléctrico, pero debido a que los híbridos paralelos actuales no pueden proporcionar modos solo eléctricos o solo de combustión interna, a menudo se clasifican como híbridos suaves (ver a continuación).
Los híbridos paralelos dependen más del frenado regenerativo y el ICE también puede actuar como generador para recarga complementaria. Esto los hace más eficientes en condiciones urbanas de "paradas y arranques". Utilizan un paquete de baterías más pequeño que otros híbridos. Los primeros híbridos Insight, Civic y Accord de Honda que utilizan IMA son ejemplos de híbridos paralelos de producción. [2] Los híbridos BAS y de camiones híbridos paralelos (PHT) de General Motors, como el Saturn Vue y el Aura Greenline y los híbridos Chevrolet Malibu , también emplean una arquitectura híbrida paralela.
Un híbrido paralelo alternativo es el tipo "a través de la carretera". [3] [4] En este sistema, un tren de transmisión convencional impulsa un eje, con un motor o motores eléctricos impulsando otro. Esta disposición fue utilizada por los primeros trolebuses "fuera de la vía". En efecto, proporciona un tren de potencia de respaldo completo. En los motores modernos, las baterías se pueden recargar a través del frenado regenerativo o cargando las ruedas impulsadas eléctricamente durante la marcha. Esto permite un enfoque más simple para la gestión de la energía. Esta disposición también tiene la ventaja de proporcionar tracción a las cuatro ruedas en algunas condiciones. (Un ejemplo de este principio es una bicicleta equipada con un motor en el buje delantero, que asiste la potencia del pedaleo del ciclista en la rueda trasera). Los vehículos de este tipo incluyen los concept cars Audi 100 Duo II y Subaru VIZIV , Peugeot 3008 , Peugeot 508 , 508 RXH , Citroën DS5 (todos ellos utilizan el sistema HYbrid4 de PSA ), el Volvo V60 híbrido enchufable , el BMW Serie 2 Active Tourer , el BMW i8 y el Honda NSX de segunda generación .
Los híbridos en serie también se denominan vehículos eléctricos de autonomía extendida (EREV) [5] o vehículos eléctricos de autonomía extendida (REEV), o vehículo eléctrico con autonomía extendida (EVER). Todos los híbridos en serie son EREV, REEV o EVER, pero no todos los EREV, REEV o EVER son híbridos en serie. Los híbridos en serie con características particulares están clasificados como vehículos eléctricos de batería de autonomía extendida (BEVx) por la Junta de Recursos del Aire de California . [6]
La transmisión eléctrica ha estado disponible como alternativa a las transmisiones mecánicas convencionales desde 1903. Por lo general, las transmisiones mecánicas implican muchas desventajas, como peso, volumen, ruido, costo, complejidad y una pérdida de potencia del motor con cada cambio de marcha, ya sea manual o automático. A diferencia de los motores de combustión interna, los motores eléctricos no requieren transmisión.
En efecto, se elimina toda la transmisión mecánica entre el ICE y las ruedas y se reemplaza por un generador eléctrico, algunos cables y controles y motores de tracción eléctricos , con el beneficio de que el ICE ya no está conectado directamente a la demanda.
Se trata de una disposición híbrida en serie y es común en locomotoras y barcos diésel-eléctricos (el barco fluvial ruso Vandal , botado en 1903, fue el primer buque del mundo propulsado por diésel y diésel-eléctrico ) y Ferdinand Porsche utilizó con éxito esta disposición a principios del siglo XX en coches de carreras, incluido el Lohner–Porsche Mixte Hybrid . Porsche denominó al sistema System Mixte, que tenía una disposición de motor en el cubo de la rueda , con un motor en cada una de las dos ruedas delanteras, estableciendo récords de velocidad.
Los argumentos de mayor flexibilidad, mayor eficiencia y menores emisiones en el punto de uso se logran en un sistema híbrido en serie para vehículos de carretera cuando una batería eléctrica intermedia, que actúa como amortiguador de energía, se sitúa entre el generador eléctrico y los motores de tracción eléctricos.
El motor de combustión interna hace girar un generador y no está conectado mecánicamente a las ruedas motrices. Esto aísla al motor de la demanda, lo que le permite funcionar de forma constante a su velocidad más eficiente. Dado que la fuerza motriz principal la genera la batería, se puede instalar un generador/motor más pequeño en comparación con un motor de transmisión directa convencional. Los motores de tracción eléctricos pueden recibir electricidad de la batería, o directamente del motor/generador o de ambos. Los motores de tracción con frecuencia se alimentan únicamente de la batería eléctrica, que se puede cargar desde fuentes externas como la red eléctrica.
Esto permite un vehículo con un motor/generador que solo funciona cuando es necesario, como cuando la batería está agotada, o para cargar las baterías. Los vehículos de este tipo incluyen la línea e-Power de Nissan ( Nota , [7] Serena , [8] Kicks , [9] X-Trail , [10] y Qashqai ) [11] que utiliza un motor de gasolina para impulsar un generador y el motor de tracción EM57; [12] el MX-30 de Mazda , cuando está equipado con un extensor de rango de motor/generador rotativo; [13] los autobuses de tránsito híbridos ThunderVolt integrados por ISE Corporation ; [14] y los autobuses de tránsito equipados con sistemas de propulsión HybriDrive de BAE Systems (anteriormente Lockheed Martin ). [15] [16]
Los motores eléctricos son más eficientes que los de combustión interna, ya que tienen una alta relación potencia-peso que proporciona par en un amplio rango de velocidades. Los de combustión interna son más eficientes cuando giran a una velocidad constante.
Los motores de combustión interna pueden funcionar de manera óptima al hacer girar un generador. Los sistemas híbridos en serie ofrecen una aceleración más suave al evitar los cambios de marcha. Los híbridos en serie incorporan:
Además:
El motor eléctrico puede ser alimentado completamente por electricidad de la batería o a través del generador accionado por el motor de combustión interna, o ambos. Este tipo de vehículo se asemeja conceptualmente a una locomotora diésel-eléctrica con el añadido de una batería que puede alimentar el vehículo sin hacer funcionar el motor de combustión interna y que actúa como un amortiguador de energía que se utiliza para acelerar y alcanzar una mayor velocidad; el generador puede cargar simultáneamente la batería y alimentar el motor eléctrico que mueve el vehículo.
Cuando el vehículo está parado, el motor de combustión interna se apaga sin ralentí, mientras que la batería proporciona la energía necesaria en reposo. Los vehículos en semáforos o en tráfico lento con paradas y arranques no necesitan quemar combustible cuando están parados o circulan lentamente, lo que reduce las emisiones.
Los híbridos en serie pueden estar equipados con un supercondensador o un volante de inercia para almacenar energía de frenado regenerativo , lo que puede mejorar la eficiencia al recuperar energía que de otro modo se perdería en forma de calor a través del sistema de frenado. Debido a que un híbrido en serie no tiene un vínculo mecánico entre el motor de combustión interna y las ruedas, el motor puede funcionar a un ritmo constante y eficiente independientemente de la velocidad del vehículo, logrando una mayor eficiencia (37 %, en lugar del promedio de los motores de combustión interna del 20 % [17] ) y a velocidades bajas o mixtas esto podría resultar en un aumento de aproximadamente el 50 % en la eficiencia general (19 % frente al 29 %).
Lotus ofreció un diseño de motor/generador que funciona a dos velocidades, proporcionando 15 kW de potencia eléctrica a 1.500 rpm y 35 kW a 3.500 rpm a través del generador eléctrico integrado, [18] utilizado en el concepto Nissan Infiniti Emerg-e .
Este perfil operativo permite un mayor alcance para diseños de motores alternativos, como una microturbina , [19] un motor de ciclo Atkinson rotativo o un motor de combustión lineal . [20]
El motor de combustión interna se combina con el motor eléctrico comparando las tasas de salida a velocidad de crucero . Por lo general, las tasas de salida de los motores de combustión se proporcionan para tasas de salida instantáneas (máximas), [21] pero en la práctica no se pueden utilizar.
El uso de un motor eléctrico que acciona una rueda elimina directamente los elementos de transmisión mecánica convencionales: caja de cambios, ejes de transmisión y diferencial, pudiendo en ocasiones eliminar los acoplamientos flexibles .
En 1997, Toyota lanzó el primer autobús híbrido en serie vendido en Japón. [22] Designline International de Ashburton, Nueva Zelanda, produce autobuses urbanos con un sistema híbrido en serie impulsado por microturbinas . Wrightbus produce autobuses híbridos en serie, incluidos el Gemini 2 y el New Routemaster . AFS Trinity ha utilizado supercondensadores combinados con un banco de baterías de iones de litio en un vehículo todoterreno Saturn Vue convertido. Utilizando supercondensadores, afirman que alcanza hasta 150 mpg en un sistema híbrido en serie. [23]
Entre los modelos híbridos en serie más conocidos se encuentra la variante del BMW i3 , que está equipada con un extensor de autonomía. Otro ejemplo de automóvil híbrido en serie es el Fisker Karma . El Chevrolet Volt es prácticamente un híbrido en serie, pero también incluye un enlace mecánico del motor a las ruedas por encima de los 110 km/h. [24] [25]
La industria aeronáutica ha adoptado la idea de utilizar híbridos en serie. El DA36 E-Star, un avión diseñado por Siemens , Diamond Aircraft y EADS , emplea un sistema de propulsión híbrido en serie , en el que la hélice es accionada por un motor eléctrico Siemens de 70 kW (94 CV). Se elimina la unidad de reducción de velocidad de la hélice, que consume mucha potencia. El objetivo es reducir el consumo de combustible y las emisiones hasta en un 25 por ciento. Un motor rotativo Wankel Austro Engine de 40 CV (30 kW) y un generador proporcionan la electricidad.
Se eligió el motor Wankel por su pequeño tamaño, bajo peso y excelente relación potencia-peso. (Los motores Wankel también funcionan de manera eficiente a una velocidad constante de aproximadamente 2000 RPM, lo que es adecuado para el funcionamiento con generador. Mantener una banda constante/estrecha compensa muchas de las desventajas percibidas del motor Wankel en aplicaciones automotrices. [26] )
El motor de hélice eléctrico utiliza electricidad almacenada en baterías, cuando los motores no están en funcionamiento, para despegar y ascender, lo que reduce las emisiones de sonido. El sistema de propulsión reduce el peso del avión en 100 kilos en relación con su predecesor. El DA36 E-Star voló por primera vez en junio de 2013, lo que lo convierte en el primer vuelo de un sistema de propulsión híbrido en serie. Diamond Aircraft afirma que la tecnología es escalable a un avión de 100 asientos. [27] [28]
Si los motores están fijados a la carrocería del vehículo, se requieren acoplamientos flexibles , pero no si los motores de tracción están integrados en las ruedas . Una desventaja es que la masa no suspendida aumenta y la capacidad de respuesta de la suspensión disminuye, lo que afecta la conducción y potencialmente la seguridad. Sin embargo, el impacto debería ser mínimo, ya que los motores eléctricos en los cubos de las ruedas, como Hi-Pa Drive , pueden ser muy pequeños y livianos, con relaciones potencia-peso excepcionalmente altas y los mecanismos de frenado pueden ser más livianos, ya que los motores de las ruedas frenan el vehículo.
Las ventajas de los motores de rueda individuales incluyen un control de tracción simplificado , tracción en las cuatro ruedas si es necesario y un piso inferior (útil para autobuses y otros vehículos especializados; algunos vehículos militares con tracción en las cuatro ruedas 8x8 utilizan motores de rueda individuales). Las locomotoras diésel-eléctricas han utilizado este concepto (motores individuales que impulsan los ejes de cada par de ruedas) durante 70 años. [29] [ cita completa requerida ]
Otras medidas incluyen ruedas de aluminio livianas para reducir la masa no suspendida del conjunto de ruedas; los diseños de vehículos pueden optimizarse para bajar el centro de gravedad ubicando elementos más pesados (incluida la batería) al nivel del piso; en un vehículo de carretera típico, la configuración de transmisión de potencia puede ser más pequeña y liviana que la configuración de transmisión de potencia mecánica convencional equivalente, liberando espacio; el grupo electrógeno de combustión solo requiere cables para los motores eléctricos de accionamiento, lo que aumenta la flexibilidad en el diseño de los componentes principales distribuidos en un vehículo, brindando una distribución de peso superior y maximizando el espacio de la cabina del vehículo y abriendo la posibilidad de diseños de vehículos superiores que exploten esta flexibilidad.
Los híbridos con distribución de potencia o híbridos serie-paralelo son híbridos paralelos que incorporan dispositivos de distribución de potencia, lo que permite que la energía del motor de combustión interna a las ruedas pase de forma mecánica o eléctrica. El principio fundamental es desacoplar la energía suministrada por la fuente primaria de la energía demandada por el conductor.
El par motor del motor de combustión interna es mínimo a bajas revoluciones por minuto y los vehículos convencionales aumentan el tamaño del motor para cumplir con los requisitos del mercado para una aceleración inicial aceptable. El motor más grande tiene más potencia de la necesaria para la conducción a velocidad de crucero. Los motores eléctricos producen un par motor completo en punto muerto y son adecuados para complementar la deficiencia de par motor del motor de combustión interna a bajas revoluciones por minuto. En un híbrido con división de potencia, se puede utilizar un motor más pequeño, menos flexible y más eficiente. El ciclo Otto convencional (mayor densidad de potencia, más par motor a bajas revoluciones por minuto, menor eficiencia de combustible ) a menudo se modifica a un ciclo Atkinson o ciclo Miller (menor densidad de potencia, menos par motor a bajas revoluciones por minuto, mayor eficiencia de combustible; a veces llamado ciclo Atkinson-Miller). El motor más pequeño, que utiliza un ciclo más eficiente y que a menudo funciona en la región favorable del mapa de consumo de combustible específico de los frenos , contribuye significativamente a una mayor eficiencia general del vehículo.
Variantes interesantes del diseño simple (foto a la derecha) que se encuentran, por ejemplo, en el conocido Toyota Prius son:
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El sistema híbrido de Toyota (THS) / Hybrid Synergy Drive tiene un único dispositivo de reparto de potencia (incorporado como un único conjunto de engranajes planetarios de tres ejes) y se puede clasificar como un sistema de reparto de potencia, ya que la potencia del motor se reparte en la entrada de la transmisión. Esto, a su vez, hace que esta configuración sea muy sencilla en términos mecánicos, pero tiene sus propios inconvenientes. Por ejemplo, en los HSD de Generación 1 y Generación 2 la velocidad máxima está limitada principalmente por la velocidad del motor eléctrico más pequeño (que a menudo funciona como generador). El HSD de Generación 3 separa la ruta ICE-MG1 de la ruta MG2, cada una con su propia relación de transmisión personalizada (1,1:1 y 2,5:1, respectivamente, para los Prius más recientes, incluido el Prius c). El HSD de Generación 4 elimina el segundo conjunto de engranajes planetarios y coloca los motores eléctricos en ejes paralelos, con un engranaje de combinación entre estos ejes, y transfiere el resultado combinado al diferencial de transmisión final. Esto es bastante similar al sistema híbrido de Aisin Seiki , afiliado a Toyota, y ahorra mucho espacio.
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General Motors , BMW y DaimlerChrysler colaboraron en un sistema denominado "Two-Mode Hybrid" como parte de la Global Hybrid Cooperation . La tecnología se lanzó en el otoño de 2007 en el Chevrolet Tahoe Hybrid . El sistema también se presentó en el vehículo conceptual SUV GMC Graphite en el Salón Internacional del Automóvil de Norteamérica de 2005 en Detroit . [32] El sedán F3DM de BYD Auto es un automóvil híbrido enchufable en serie-paralelo , que salió a la venta en China en 2008. [33] [34] [35]
El nombre de híbrido de dos modos resalta la capacidad del tren de transmisión para operar en modos totalmente eléctricos (Modo 1 o Input-Split ) así como híbridos (Modo 2 o Compound-Split ). El diseño permite el funcionamiento en más de dos modos. Hay dos modos de división de potencia disponibles, junto con varios regímenes de engranajes fijos (esencialmente híbridos paralelos). Este diseño puede denominarse diseño de múltiples regímenes. [36] El diseño del tren de potencia híbrido de dos modos puede clasificarse como un diseño de división compuesta, ya que la adición de cuatro embragues dentro de la transmisión permite múltiples configuraciones de división de potencia del motor. Además de los embragues, esta transmisión tiene un segundo juego de engranajes planetarios. El objetivo del diseño es variar el porcentaje de potencia transmitida mecánicamente frente a eléctricamente para hacer frente a condiciones de funcionamiento tanto de baja como de alta velocidad. Esto permite que los motores más pequeños hagan el trabajo de motores más grandes en comparación con los sistemas monomodo, porque la potencia pico eléctrica derivada es proporcional al ancho del rango de variación continua. Los cuatro engranajes fijos permiten que el híbrido de dos modos funcione como un híbrido paralelo convencional en regiones de alta potencia continua, como cruceros de alta velocidad sostenidos o remolques. El impulso eléctrico completo está disponible en modos de engranajes fijos. [37]
Contienen dos sistemas diferentes de recuperación de energía. Se trata de una categorización transversal.
Microhíbrido es un término general que se aplica a los vehículos que utilizan algún tipo de sistema de arranque y parada para apagar automáticamente el motor cuando está en ralentí . Estrictamente hablando, los microhíbridos no son vehículos híbridos reales, porque no dependen de dos fuentes de energía diferentes. [38]
Los híbridos suaves son, en esencia, vehículos convencionales con algunos componentes híbridos, pero con características híbridas limitadas. Por lo general, son híbridos paralelos con sistema start-stop y niveles modestos de asistencia del motor o frenado regenerativo. Los híbridos suaves por lo general no pueden proporcionar propulsión completamente eléctrica.
Los híbridos suaves, como el camión híbrido paralelo (PHT) 2004-2007 de General Motors y los híbridos Eco-Assist de Honda, están equipados con un motor eléctrico trifásico montado dentro de la carcasa de la campana, entre el motor y la transmisión, lo que permite apagar el motor cuando el camión se desplaza por inercia, frena o se detiene, pero se reinicia rápidamente para proporcionar energía. Los accesorios pueden seguir funcionando con energía eléctrica mientras el motor está apagado y, como en otros diseños híbridos, el frenado regenerativo recupera energía. El gran motor eléctrico hace girar el motor a velocidades operativas antes de inyectar combustible.
La Chevrolet Silverado PHT 2004-2007 era una camioneta pickup de tamaño completo . Chevrolet pudo obtener una mejora del 10 % en la eficiencia al apagar y reiniciar el motor según la demanda y al usar el frenado regenerativo. La energía eléctrica se utilizó solo para accionar accesorios como la dirección asistida. La GM PHT utilizó un sistema de 42 voltios a través de tres baterías de plomo ácido ventiladas de 12 voltios conectadas en serie (36 V en total) para suministrar la energía necesaria para el motor de arranque, así como para alimentar los accesorios electrónicos.
General Motors luego presentó su sistema BAS Hybrid , otra implementación mild-hybrid lanzada oficialmente en el Saturn Vue Green Line 2007. Su funcionalidad de "arranque y parada" funciona de manera similar a la Silverado, aunque a través de una conexión por correa a la unidad motor/generador. Sin embargo, el sistema híbrido BAS de GM también puede proporcionar una asistencia modesta durante la aceleración y durante la conducción constante, y captura energía durante el frenado regenerativo (combinado). BAS Hybrid ofreció hasta un 27% de mejora en la eficiencia de combustible combinada en las pruebas de la EPA del Saturn VUE 2009. [39] El sistema también se puede encontrar en el Saturn Aura Green Line 2008-2009 y los híbridos Chevrolet Malibu 2008-2010 .
Otra forma de ofrecer arranque y parada es mediante el uso de un motor de arranque estático. Este tipo de motor no requiere motor de arranque, sino que emplea sensores para determinar la posición exacta de cada pistón y, a continuación, cronometrar con precisión la inyección y el encendido del combustible para hacer girar el motor. [40]
Los híbridos suaves a veces se denominan híbridos con asistencia eléctrica , ya que utilizan el motor de combustión interna como fuente de energía principal, con un motor eléctrico que aumenta el par conectado a un tren de potencia (en gran parte) convencional. El motor eléctrico está montado entre el motor y la transmisión. Es esencialmente un gran motor de arranque que funciona cuando es necesario hacer girar el motor y cuando el conductor "pisa el acelerador" y requiere potencia adicional. El motor eléctrico también puede reiniciar el motor de combustión y apagar el motor principal al ralentí, mientras que el sistema de batería mejorado se utiliza para alimentar los accesorios. [ cita requerida ] GM anunció los híbridos suaves Buick LaCrosse y Buick Regal denominados Eassist.
Antes de 2015, los híbridos de Honda , incluido el Insight , utilizaban este diseño, aprovechando su experiencia en motores de gasolina pequeños y eficientes; su sistema se denomina Integrated Motor Assist (IMA). Los híbridos IMA no pueden proporcionar propulsión solo con energía eléctrica. Sin embargo, dado que la cantidad de energía eléctrica necesaria es mucho menor, el tamaño del sistema se reduce.
Otra variación es el sistema híbrido Saturn Vue Green Line BAS, que utiliza un motor eléctrico más pequeño (montado en el lateral del motor) y un paquete de baterías que el Honda IMA, pero funciona de manera similar.
Otra variante de este tipo es el sistema e-4WD de Mazda , que se ofrece en el Mazda Demio que se vende en Japón. [41] Este vehículo de tracción delantera tiene un motor eléctrico que puede impulsar las ruedas traseras cuando se necesita tracción adicional . El sistema se desactiva en todas las demás condiciones de conducción, por lo que no mejora directamente el rendimiento ni la economía, pero permite el uso de un motor más pequeño y más económico en relación con el rendimiento total.
Ford ha calificado los híbridos de Honda de "suaves" en su publicidad para el Escape Hybrid, argumentando que el diseño híbrido completo del Escape es más eficiente.
El Genesis G90 y el Genesis GV80 Coupé ofrecen opciones híbridas suaves con un supercargador eléctrico . [42] [43]
Estos contienen dos sistemas diferentes de recuperación de energía.
El Mercedes-Benz Clase C (W206) , el Mercedes-AMG SL 43 (R232) , el Mercedes-AMG CLE 53, el Mercedes C254/X254 de gasolina y el Porsche 911 Carrera GTS T-Hybrid tienen un turbocompresor asistido eléctricamente / MGU-H . [44] [45] [46]
Un híbrido completo , a veces también llamado híbrido fuerte , es un vehículo que puede funcionar solo con el motor, las baterías o una combinación. El Toyota Prius , Toyota Camry Hybrid , Ford Escape Hybrid / Mercury Mariner Hybrid , Ford Fusion Hybrid / Lincoln MKZ Hybrid / Mercury Milan Hybrid , Ford C-Max Hybrid , Ford Maverick Hybrid , Kia Optima Hybrid , Toyota Sienna Hybrid , así como los camiones y SUV híbridos de 2 modos de General Motors , son ejemplos de este tipo de hibridación, ya que pueden funcionar solo con energía de batería. Una batería grande de alta capacidad proporciona un funcionamiento solo con batería. Estos vehículos tienen una ruta de potencia dividida que permite una mayor flexibilidad en el tren motriz al interconvertir la energía mecánica y eléctrica. Para equilibrar las fuerzas de cada parte, los vehículos utilizan un enlace de estilo diferencial entre el motor y el motor conectado al extremo delantero de la transmisión.
El nombre de marca de Toyota para esta tecnología es Hybrid Synergy Drive , que se utiliza en el Prius, el todoterreno híbrido Highlander y el Camry híbrido . Una computadora supervisa el funcionamiento del sistema y determina cómo mezclar las fuentes de energía. El funcionamiento del Prius se puede dividir en seis regímenes distintos:
Estos contienen dos sistemas diferentes de recuperación de energía.
Un ejemplo de híbridos duales son los coches de Fórmula Uno . Véase Motores de Fórmula Uno n.° 2014-2021 y Motores de Fórmula Uno n.° 2022-2025 .
Otro es el Porsche 919 Hybrid .
El Proyecto Infiniti Black S fue cancelado.
Un vehículo eléctrico híbrido enchufable (PHEV) tiene dos características definitorias:
Son híbridos completos, capaces de funcionar con energía de batería. Ofrecen mayor capacidad de batería y la capacidad de recargarse desde la red . Pueden ser diseños en paralelo o en serie. También se denominan híbridos opcionales de gas o conectables a la red . Su principal beneficio es que pueden ser independientes de la gasolina para distancias significativas, con la autonomía extendida de un ICE para viajes más largos. La investigación del Electric Power Research Institute encontró un menor costo total de propiedad para los PHEV debido a los costos de servicio reducidos y la mejora gradual de la tecnología de la batería. La eficiencia " del pozo a la rueda " y las emisiones de los PHEV en comparación con los híbridos de gasolina dependen de las fuentes de energía de la red (la red de EE. UU. es de carbón en un 30% ; la red de California es principalmente de gas natural , energía hidroeléctrica y energía eólica ).
En Estados Unidos se construyeron prototipos de PHEV con baterías más grandes que se pueden recargar desde la red eléctrica, en particular en el Centro Híbrido de Andy Frank [47] de la Universidad de California en Davis . En 2003 salió a la venta en Francia un PHEV de producción, el Renault Kangoo . DaimlerChrysler fabricó PHEV basados en la furgoneta Mercedes-Benz Sprinter . Micro-Vett SPA [48] ofrece camiones ligeros, los llamados Daily Bimodale.
La California Cars Initiative convirtió el Toyota Prius de 2004 y posteriores en un prototipo de lo que llama PRIUS+. Con la incorporación de 140 kg (300 lb) de baterías de plomo-ácido , el PRIUS+ logró aproximadamente el doble del rendimiento de gasolina de un Prius estándar y podía hacer viajes de hasta 16 kilómetros (10 mi) utilizando solo energía eléctrica. [49]
El fabricante chino de baterías y de automóviles BYD Auto lanzó el sedán compacto F3DM al mercado de flotas chino el 15 de diciembre de 2008, [50] [51] posteriormente reemplazado por el híbrido enchufable BYD Qin . [52] [53]
General Motors comenzó las entregas del Chevrolet Volt en los Estados Unidos en diciembre de 2010, [5] y su hermano, el Opel Ampera, se lanzó en Europa a principios de 2012. [54] [55] En noviembre de 2012 [actualizar], otros híbridos enchufables disponibles en varios mercados eran el Fisker Karma , el Toyota Prius Plug-in Hybrid y el Ford C-Max Energi .
En octubre de 2012 [actualizar], el PHEV más vendido es el Volt, con más de 33.000 unidades de la familia Volt/Ampera vendidas en todo el mundo desde diciembre de 2010, lideradas por las ventas en Estados Unidos con 27.306, [56] [57] seguido por los Países Bajos con 2.175 Amperas vendidos hasta octubre de 2012. [58] [59] El Prius Plug-in Hybrid había vendido 21.600 unidades en todo el mundo hasta octubre de 2012, con ventas en Estados Unidos de 9.623 unidades, seguido por Japón con 9.500 unidades. [57] [60]
Estos contienen dos sistemas diferentes de recuperación de energía.
El Mercedes-AMG ONE es un híbrido dual enchufable.
El Mercedes-Benz Clase C (W206) y el Mercedes C254/X254 también tienen un turbocompresor asistido eléctricamente / MGU-H . [61] [45]
Existen muchas formas de crear un híbrido de motor de combustión interna (ICE) eléctrico. La variedad de diseños de ICE eléctrico se puede diferenciar por cómo se conectan las partes eléctrica y de combustión del tren motriz, en qué momentos está en funcionamiento cada parte y qué porcentaje de la potencia proporciona cada componente híbrido. Dos categorías principales son los híbridos en serie y los híbridos en paralelo , aunque los diseños en paralelo son los más comunes en la actualidad.
La mayoría de los híbridos, sin importar el tipo específico, utilizan el frenado regenerativo para recuperar energía al desacelerar el vehículo. Esto simplemente implica accionar un motor para que actúe como generador.
Muchos diseños también apagan el motor de combustión interna cuando no es necesario para ahorrar energía. Ese concepto no es exclusivo de los híbridos; Subaru fue pionero en esta característica a principios de la década de 1980, y el Volkswagen Lupo 3L es un ejemplo de un vehículo convencional que apaga su motor cuando está detenido. Sin embargo, se deben tomar algunas previsiones para accesorios como el aire acondicionado que normalmente son impulsados por el motor. Además, los sistemas de lubricación de los motores de combustión interna son inherentemente menos efectivos inmediatamente después de que el motor se pone en marcha; dado que es al arrancar que se produce la mayor parte del desgaste del motor, el arranque y parada frecuentes de dichos sistemas reducen considerablemente la vida útil del motor. [ dudoso - discutir ] Además, los ciclos de arranque y parada pueden reducir la capacidad del motor para funcionar a su temperatura óptima, lo que reduce la eficiencia del motor.
Los vehículos de pila de combustible suelen estar equipados con una batería o un supercondensador para proporcionar potencia máxima de aceleración y reducir las limitaciones de tamaño y potencia de la pila de combustible (y, por lo tanto, su coste); en realidad, también se trata de una configuración híbrida en serie.
Un vehículo híbrido hidráulico utiliza componentes hidráulicos y mecánicos en lugar de eléctricos. Una bomba de desplazamiento variable reemplaza al motor/generador eléctrico. Un acumulador hidráulico almacena energía. El recipiente normalmente lleva una vejiga flexible de gas nitrógeno presurizado precargado. El fluido hidráulico bombeado se comprime contra la vejiga almacenando la energía en el gas nitrógeno comprimido. Algunas versiones tienen un pistón en un cilindro en lugar de una vejiga presurizada. El acumulador hidráulico es potencialmente más barato y más duradero que las baterías. La tecnología híbrida hidráulica se implementó originalmente en Alemania en la década de 1930. Volvo Flygmotor utilizó híbridos petrohidráulicos de manera experimental en autobuses desde principios de la década de 1980.
El concepto inicial incluía un volante gigante (ver Gyrobus ) para almacenamiento conectado a una transmisión hidrostática. Eaton y otras empresas están desarrollando el sistema , principalmente en vehículos pesados como autobuses, camiones y vehículos militares. Un ejemplo es el camión conceptual Ford F-350 Mighty Tonka que se mostró en 2002. Cuenta con un sistema Eaton que puede acelerar el camión a velocidades de autopista.
Los componentes del sistema eran caros, lo que impedía su instalación en camiones y automóviles más pequeños. Un inconveniente era que los motores de potencia no eran lo suficientemente eficientes con carga parcial. El enfoque cambió a vehículos más pequeños. Una empresa británica, Artemis Intelligent Power , hizo un gran avance al introducir un motor/bomba hidráulico controlado electrónicamente que es eficiente en todos los rangos y cargas, lo que hace factibles las pequeñas aplicaciones de híbridos petrohidráulicos. [62] La empresa convirtió un automóvil BMW para demostrar la viabilidad. El BMW 530i dio el doble de MPG en conducción urbana en comparación con el automóvil estándar. La prueba utilizó el motor estándar de 3000 cc. Los híbridos petrohidráulicos permiten reducir el tamaño de un motor al uso de potencia promedio, no al uso de potencia máxima. La potencia máxima la proporciona la energía almacenada en el acumulador. [63]
La tasa de recuperación de energía de frenado cinético es mayor y, por lo tanto, el sistema es más eficiente que los híbridos cargados por batería de la era 2013, demostrando un aumento del 60% al 70% en la economía en las pruebas de la EPA. [64] En las pruebas de la EPA, un Ford Expedition híbrido hidráulico arrojó 32 mpg ‑US (7,4 L/100 km) en conducción urbana y 22 mpg ‑US (11 L/100 km) en la carretera. [65]
El objetivo de una empresa de investigación era crear un diseño nuevo para mejorar el empaquetado de los componentes híbridos de gasolina e hidráulicos. Todos los voluminosos componentes hidráulicos se integraron en el chasis. Un diseño afirmó alcanzar 130 mpg en pruebas utilizando un gran acumulador hidráulico que también es el chasis estructural. Los motores de accionamiento hidráulico están incorporados dentro de los cubos de las ruedas y dan marcha atrás para recuperar la energía de frenado. El objetivo es 170 mpg en condiciones de conducción promedio. La energía creada por los amortiguadores y la energía cinética de frenado, que normalmente se desperdiciaría, ayuda a cargar el acumulador. Un motor de combustión interna del tamaño adecuado para un uso de energía promedio carga el acumulador. El acumulador está dimensionado para hacer funcionar el automóvil durante 15 minutos cuando está completamente cargado. [66] [67] [68]
En enero de 2011, Chrysler anunció una asociación con la EPA para diseñar y desarrollar un sistema de propulsión híbrido de gasolina e hidráulico experimental adecuado para su uso en automóviles de pasajeros. Chrysler adaptó una minivan de producción existente al sistema de propulsión. [69] [70] [71] [72] [73]
La empresa estadounidense NRG Dynamix afirmó que su método reducía el coste en un tercio en comparación con los híbridos eléctricos y añadía solo 136 kg al peso del vehículo, frente a los 454 kg de los híbridos eléctricos. La empresa afirmó que una camioneta estándar impulsada por un motor de 2,3 litros y 4 cilindros alcanzaba 16,8 l/100 km en conducción urbana. Con la configuración petrohidráulica, el consumo de combustible alcanzaba "alrededor de 25 y pico". [74]
El aire comprimido puede impulsar un automóvil híbrido con un compresor de gasolina para proporcionar la energía. Motor Development International en Francia estaba desarrollando este tipo de automóviles propulsados por aire. Un equipo dirigido por Tsu-Chin Tsao, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial de la UCLA , colaboró con ingenieros de Ford para poner en funcionamiento la tecnología híbrida neumática. El sistema es similar al de un vehículo híbrido-eléctrico en el que se aprovecha y almacena la energía de frenado para ayudar al motor según sea necesario durante la aceleración.
Muchos vehículos terrestres y acuáticos utilizan la energía humana combinada con otra fuente de energía. Son comunes los híbridos paralelos, por ejemplo, un velero con remos, bicicletas motorizadas o un vehículo híbrido humano-eléctrico como el Twike . Existen algunos híbridos en serie. Estos vehículos pueden ser vehículos tríbridos , que combinan tres fuentes de energía, por ejemplo, células solares de a bordo, baterías cargadas por la red y pedales.
Los vehículos híbridos pueden utilizarse en distintos modos. La figura muestra algunos modos típicos de una configuración híbrida paralela.
P significa Posición. Si hay varios motores eléctricos en diferentes ubicaciones, se puede escribir como P1 + P3 o P0 + P2,5 + P4.
Ubicación del motor(es) eléctrico(s) en el tren de transmisión:
A menudo, se puede añadir un sistema de propulsión de posventa a un vehículo. La solución de posventa se utiliza cuando el usuario entrega un planeador ( chasis rodante ) y el kit de sistema de propulsión híbrido (dos motores) o totalmente eléctrico (solo un motor eléctrico) al fabricante de automóviles y recibe el vehículo con la tecnología instalada. Un instalador de posventa puede añadir un sistema de propulsión (eléctrico o híbrido) a un planeador [77] .
En 2013, un equipo de diseño de la Universidad de Florida Central , On the Green , trabajó para desarrollar un kit de conversión híbrido atornillable para transformar un vehículo de modelo antiguo en un híbrido de gas y electricidad. [78]
Un ingeniero de California demostró la conversión de un Mustang de 1966. El sistema reemplazó el alternador por un motor eléctrico sin escobillas de 12 kW (pico de 30 kW). El consumo de combustible y la potencia mejoraron. [79]
Hay motores de cubo que se pueden instalar en la rueda [80] o entre la rueda y el rotor del freno [81] de los vehículos de combustión interna para convertirlos en vehículos híbridos con tracción individual (IWD).