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Un vehículo híbrido es aquel que utiliza dos o más tipos distintos de energía, como los submarinos que utilizan diésel cuando están en la superficie y baterías cuando están sumergidos. Otros medios para almacenar energía incluyen fluido presurizado en híbridos hidráulicos .
Los sistemas de propulsión híbridos están diseñados para cambiar de una fuente de energía a otra para maximizar tanto la eficiencia del combustible como la eficiencia energética . En los vehículos eléctricos híbridos , por ejemplo, el motor eléctrico es más eficiente a la hora de producir par o potencia de giro, mientras que el motor de combustión es mejor para mantener una alta velocidad. Una mayor eficiencia, menores emisiones y menores costos de funcionamiento en relación con los vehículos no híbridos son tres beneficios principales de la hibridación.
Los ciclomotores , las bicicletas eléctricas e incluso los patinetes eléctricos son una forma simple de híbrido, impulsado por un motor de combustión interna o un motor eléctrico y los músculos del conductor. Los primeros prototipos de motocicletas de finales del siglo XIX utilizaban el mismo principio.
El primer prototipo publicado de un SHB es de Augustus Kinzel (patente estadounidense 3'884'317) en 1975. En 1994, Bernie Macdonalds concibió el Electrilite [3] SHB con electrónica de potencia que permitía el frenado regenerativo y el pedaleo en parado. En 1995, Thomas Müller diseñó y construyó un "Fahrrad mit elektromagnetischem Antrieb" para su tesis de diploma de 1995. En 1996, Jürg Blatter y Andreas Fuchs, de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Berna, construyeron un SHB y en 1998 modificaron un triciclo Leitra (patente europea EP 1165188). Hasta 2005 construyeron varios prototipos de triciclos y cuatriciclos SH . [4] Harald Kutzke describió en 1999 una "bicicleta activa": el objetivo es acercarse a la bicicleta ideal que no pese nada y no tenga resistencia mediante compensación electrónica.
Un prototipo de SHEPB fabricado por David Kitson en Australia [5] en 2014 utilizó un motor eléctrico de CC sin escobillas liviano de un dron aéreo y un motor de combustión interna del tamaño de una pequeña herramienta manual , y un sistema de propulsión impreso en 3D y una carcasa liviana, que en total pesaban menos de 4,5 kg. El enfriamiento activo evita que las piezas de plástico se ablanden. El prototipo utiliza un puerto de carga normal para bicicletas eléctricas.
Los trenes de potencia híbridos utilizan diésel-eléctrico o turboeléctrico para propulsar locomotoras, autobuses, vehículos pesados, maquinaria hidráulica móvil y barcos. Un motor diésel / turbina impulsa un generador eléctrico o una bomba hidráulica, que alimenta motores eléctricos/hidráulicos, estrictamente una transmisión eléctrica/hidráulica (no una híbrida), a menos que pueda aceptar energía del exterior. Con vehículos grandes, las pérdidas de conversión disminuyen y las ventajas de distribuir la energía a través de cables o tuberías en lugar de elementos mecánicos se vuelven más prominentes, especialmente cuando se accionan múltiples transmisiones, por ejemplo, ruedas motrices o hélices. Hasta hace poco, la mayoría de los vehículos pesados tenían poco almacenamiento secundario de energía, por ejemplo, baterías/ acumuladores hidráulicos , excepto los submarinos no nucleares , uno de los híbridos de producción más antiguos, que funcionan con diésel en la superficie y con baterías cuando están sumergidos. Tanto las configuraciones en serie como en paralelo se utilizaron en los submarinos de la era de la Segunda Guerra Mundial.
Europa
El nuevo Autorail à grande capacité (AGC o vagón de alta capacidad) construido por la empresa canadiense Bombardier para prestar servicio en Francia está compuesto por motores diésel/eléctricos, que utilizan 1.500 o 25.000 V en diferentes sistemas ferroviarios. [7] Fue probado en Rotterdam, Países Bajos, con Railfeeding, una empresa de Genesee & Wyoming .
China
La primera locomotora híbrida de evaluación fue diseñada por el centro de investigación ferroviaria Matrai en 1999 y construida en 2000. Era una locomotora EMD G12 mejorada con baterías, un generador diésel de 200 kW y cuatro motores de CA.
Japón
El primer tren híbrido de Japón con un importante almacenamiento de energía es el KiHa E200 , con baterías de iones de litio montadas en el techo . [8]
India
Los ferrocarriles indios lanzaron un tren híbrido GNC -Diésel único en su tipo en enero de 2015. El tren tiene un motor de 1400 hp que utiliza tecnología de fumigación. El primero de estos trenes circulará por la ruta Rewari-Rohtak de 81 km de longitud. [9] El GNC es una alternativa menos contaminante al diésel y la gasolina y es popular como combustible alternativo en la India. Muchos vehículos de transporte, como los rickshaws y los autobuses, ya funcionan con GNC.
América del Norte
En Estados Unidos, General Electric fabricó una locomotora con almacenamiento en batería de cloruro de sodio y níquel (Na-NiCl 2 ). Esperan una economía de combustible ≥10%. [10] [ verificación fallida ]
Las variantes de locomotora eléctrica diésel incluyen los motores de conmutación/patio Green Goat (GG) y Green Kid (GK) construidos por Railpower Technologies de Canadá , con baterías de plomo ácido (Pba) y motores eléctricos de 1000 a 2000 hp, y una nueva combustión limpia ≈160 generador diesel hp. No se desperdicia combustible al ralentí: entre el 60% y el 85% del tiempo para este tipo de locomotoras. No está claro si se utiliza el frenado regenerativo; pero en principio es fácil de utilizar.
Dado que estos motores normalmente necesitan peso adicional para fines de tracción, el peso de la batería es una penalización insignificante. [ cita necesaria ] El generador diésel y las baterías normalmente se construyen sobre el bastidor de una locomotora de "patio" "retirada" existente. Todos los motores y trenes de rodaje existentes se reconstruyen y reutilizan. Se afirma que se ahorra entre un 40% y un 60% de combustible y se reduce la contaminación hasta un 80% en comparación con un motor de conmutación/patio antiguo "típico". Las ventajas que tienen los automóviles híbridos en cuanto a arranques y paradas frecuentes y períodos de inactividad se aplican al uso típico en el patio de maniobras. [11] Las locomotoras "Green Goat" han sido compradas por Canadian Pacific , BNSF , Kansas City Southern Railway y Union Pacific, entre otras.
Los ingenieros de Railpower Technologies que trabajan con TSI Terminal Systems están probando una unidad de energía híbrida diésel-eléctrica con almacenamiento de batería para su uso en grúas pórtico sobre neumáticos (RTG) . Las grúas RTG se utilizan normalmente para cargar y descargar contenedores en trenes o camiones en puertos y patios de almacenamiento de contenedores. La energía utilizada para levantar los contenedores se puede recuperar parcialmente cuando se bajan. Los ingenieros de Railpower predicen reducciones de emisiones y combustible diésel del 50% al 70%. [12] Se espera que los primeros sistemas estén operativos en 2007. [13]
Los sistemas híbridos se utilizan habitualmente en camiones, autobuses y otros vehículos pesados de carretera. Los tamaños de flota pequeños y los costos de instalación se compensan con el ahorro de combustible, [14] [ necesita actualización ] con avances como mayor capacidad, menor costo de la batería, etc. Toyota, Ford, GM y otros están introduciendo camionetas y SUV híbridos. Kenworth Truck Company presentó recientemente el Kenworth T270 Clase 6 que para uso urbano parece ser competitivo. [15] [16] FedEx y otros están invirtiendo en vehículos de reparto híbridos, particularmente para uso urbano, donde la tecnología híbrida puede ser la primera en dar sus frutos. [17] En diciembre de 2013, [update]FedEx está probando dos camiones de reparto con motores eléctricos Wrightspeed y generadores diésel; Se afirma que los kits de modernización se amortizarán por sí solos en unos pocos años. Los motores diésel funcionan a RPM constantes para lograr la máxima eficiencia. [18]
En 1978, estudiantes del Centro Técnico Vocacional Hennepin de Minneapolis, Minnesota, convirtieron un Volkswagen Beetle en un híbrido petrohidráulico con componentes disponibles en el mercado. Un automóvil con una potencia de 32 mpg arrojaba 75 mpg con el motor de 60 hp reemplazado por un motor de 16 hp y alcanzaba las 70 mph. [19]
En la década de 1990, los ingenieros del Laboratorio Nacional de Emisiones de Combustibles y Vehículos de la EPA desarrollaron un sistema de propulsión petrohidráulico para un típico automóvil sedán estadounidense. El auto de prueba logró más de 80 mpg en ciclos de conducción combinados de ciudad/carretera de la EPA. La aceleración era de 0 a 100 km/h en 8 segundos, utilizando un motor diésel de 1,9 litros. No se utilizaron materiales ligeros. La EPA estimó que la producción en grandes volúmenes de componentes hidráulicos agregaría sólo $700 al costo. [20] Según las pruebas de la EPA, una Ford Expedition híbrida hidráulica arrojó 32 mpg (7,4 L/100 km) en ciudad y 22 mpg (11 L/100 km) en carretera. [20] [21] UPS actualmente tiene dos camiones en servicio que utilizan esta tecnología. [22]
Desde 1985, el ejército estadounidense ha estado probando Humvees híbridos en serie [23] [24] y ha descubierto que ofrecen una aceleración más rápida, un modo sigiloso con baja firma térmica , funcionamiento casi silencioso y mayor economía de combustible.
Los barcos con velas montadas en mástiles y máquinas de vapor fueron una de las primeras formas de vehículo híbrido. Otro ejemplo es el submarino diésel-eléctrico . Funciona con baterías cuando está sumergido y las baterías pueden recargarse con el motor diésel cuando la embarcación está en la superficie.
A 2022 [update], hay 550 barcos con una media de 1,6 MWh de baterías. El promedio fue de 500 kWh en 2016. [25]
Los sistemas híbridos de propulsión naval más nuevos incluyen grandes cometas de remolque fabricadas por empresas como SkySails . Las cometas remolcadoras pueden volar a alturas varias veces superiores a los mástiles de los barcos más altos, capturando vientos más fuertes y constantes.
El avión demostrador de pila de combustible de Boeing tiene un sistema híbrido de pila de combustible y batería de iones de litio de membrana de intercambio de protones (PEM) para alimentar un motor eléctrico, que está acoplado a una hélice convencional. La pila de combustible proporciona toda la energía para la fase de crucero del vuelo. Durante el despegue y el ascenso, el segmento de vuelo que requiere más energía, el sistema utiliza baterías ligeras de iones de litio.
El avión de demostración es un planeador a motor Dimona, construido por Diamond Aircraft Industries de Austria, que también llevó a cabo modificaciones estructurales en el avión. Con una envergadura de 16,3 metros (53 pies), el avión podrá volar a unos 100 km/h (62 mph) gracias a la energía de la pila de combustible. [26]
Se han diseñado FanWings híbridos. Un FanWing está creado por dos motores con la capacidad de girar automáticamente y aterrizar como un helicóptero. [27]
Cuando se utiliza el término vehículo híbrido , normalmente se refiere a un vehículo eléctrico híbrido . Estos incluyen vehículos como Saturn Vue , Toyota Prius , Toyota Yaris , Toyota Camry Hybrid , Ford Escape Hybrid , Ford Fusion Hybrid , Toyota Highlander Hybrid , Honda Insight , Honda Civic Hybrid , Lexus RX 400h y 450h , Hyundai Ioniq y otros. . Un híbrido de petróleo y electricidad utiliza más comúnmente motores de combustión interna (que utilizan una variedad de combustibles, generalmente motores de gasolina o diésel ) y motores eléctricos para impulsar el vehículo. La energía se almacena en el combustible del motor de combustión interna y en una batería eléctrica . Hay muchos tipos de transmisiones híbridas petróleo-eléctricas , desde híbridas completas hasta híbridas suaves , que ofrecen distintas ventajas y desventajas. [28]
William H. Patton presentó una solicitud de patente para un sistema de propulsión de vagón híbrido de gasolina y electricidad a principios de 1889, y para un sistema de propulsión de barco híbrido similar a mediados de 1889. [29] [30] No hay evidencia de que su barco híbrido cumpliera No tuvo éxito, pero construyó un prototipo de tranvía híbrido y vendió una pequeña locomotora híbrida . [31] [32]
En 1899, Henri Pieper desarrolló el primer automóvil híbrido petroeléctrico del mundo . En 1900, Ferdinand Porsche desarrolló un híbrido en serie que utilizaba dos disposiciones de motor en cubo de rueda con un grupo electrógeno de combustión interna que proporcionaba energía eléctrica; El híbrido de Porsche estableció récords en dos velocidades. [ cita necesaria ] Si bien los híbridos eléctricos y de combustible líquido se remontan a finales del siglo XIX, el híbrido de frenado regenerativo fue inventado por David Arthurs, un ingeniero eléctrico de Springdale, Arkansas, en 1978-1979. Se informó que su Opel GT convertido en casa arrojaba hasta 75 mpg con planes todavía vendidos con este diseño original y la versión modificada de "Mother Earth News" en su sitio web. [33]
El vehículo eléctrico enchufable (PEV) es cada vez más común. Tiene el alcance necesario en localidades donde existen grandes brechas sin servicios. Las baterías se pueden enchufar a la red eléctrica de la casa para cargarlas, además de cargarlas mientras el motor está en marcha.
Algunos vehículos eléctricos de batería se pueden recargar mientras el usuario conduce. Un vehículo de este tipo establece contacto con un riel electrificado, una placa o cables aéreos en la carretera a través de una rueda conductora adjunta u otros mecanismos similares (consulte la recolección de corriente del conducto ). Las baterías del vehículo se recargan mediante este proceso (en la carretera) y luego pueden usarse normalmente en otras carreteras hasta que se descarguen. Por ejemplo, algunas de las locomotoras eléctricas de batería utilizadas para el mantenimiento de trenes en el metro de Londres son capaces de operar de este modo.
El desarrollo de una infraestructura para vehículos eléctricos de batería proporcionaría la ventaja de una autonomía prácticamente ilimitada en carretera. Dado que muchos destinos se encuentran a menos de 100 kilómetros de una carretera importante, esta tecnología podría reducir la necesidad de costosos sistemas de baterías. Sin embargo, el uso privado de la red eléctrica existente está casi universalmente prohibido. Además, la tecnología para este tipo de infraestructuras eléctricas está en gran medida obsoleta y, fuera de algunas ciudades, no está ampliamente difundida (ver Conductos de recogida de corriente , tranvías , carriles eléctricos , carros , tercer carril ). La actualización de los costos eléctricos y de infraestructura requeridos tal vez podría financiarse con ingresos por peajes o impuestos específicos al transporte.
Además de los vehículos que utilizan dos o más dispositivos diferentes para la propulsión , algunos también consideran híbridos los vehículos que utilizan distintas fuentes de energía o tipos de insumos (" combustibles ") utilizando el mismo motor, aunque para evitar confusión con los híbridos como se describe anteriormente y para Utilice correctamente los términos, quizás se describan más correctamente como vehículos de modo dual :
Los vehículos híbridos hidráulicos y neumáticos híbridos utilizan un motor o un frenado regenerativo (o ambos) para cargar un acumulador de presión para impulsar las ruedas a través de unidades de accionamiento hidráulicas (líquido) o neumáticas (gas comprimido). En la mayoría de los casos, el motor está separado de la transmisión y sirve únicamente para cargar el acumulador de energía. La transmisión es perfecta. El frenado regenerativo se puede utilizar para recuperar parte de la energía de accionamiento suministrada y devolverla al acumulador.
Una empresa francesa, MDI , ha diseñado y tiene en funcionamiento modelos de un automóvil con motor híbrido petro-aéreo. El sistema no utiliza motores neumáticos para impulsar el vehículo, siendo impulsado directamente por un motor híbrido. El motor utiliza una mezcla de aire comprimido y gasolina inyectada en los cilindros. [37] Un aspecto clave del motor híbrido es la "cámara activa", que es un compartimento que calienta el aire a través del combustible y duplica la producción de energía. [38] Tata Motors de la India evaluó la fase de diseño hacia la producción total para el mercado indio y pasó a "completar el desarrollo detallado del motor de aire comprimido para aplicaciones estacionarias y de vehículos específicos". [39] [40]
Las configuraciones petrohidráulicas son habituales en trenes y vehículos pesados desde hace décadas. La industria automotriz se centró recientemente en esta configuración híbrida, ya que ahora parece prometedora para su introducción en vehículos más pequeños.
En los híbridos petrohidráulicos, la tasa de recuperación de energía es alta y, por lo tanto, el sistema es más eficiente que los híbridos cargados con baterías eléctricas que utilizan la tecnología actual de baterías eléctricas, lo que demuestra un aumento del 60 % al 70 % en la economía energética según la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) pruebas. [41] El motor de carga solo necesita dimensionarse para un uso promedio con ráfagas de aceleración utilizando la energía almacenada en el acumulador hidráulico, que se carga cuando el vehículo requiere poca energía. El motor de carga funciona a velocidad y carga óptimas para lograr eficiencia y longevidad. Según las pruebas realizadas por la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA), una Ford Expedition híbrida hidráulica arrojó 32 millas por galón estadounidense (7,4 L/100 km; 38 mpg -imp ) en ciudad y 22 millas por galón estadounidense (11 L/100 km). ; 26 mpg -imp ) en carretera. [20] [21] UPS actualmente tiene dos camiones en servicio que utilizan esta tecnología. [22]
Aunque la tecnología híbrida petrohidráulica se conoce desde hace décadas y se utiliza en trenes, así como en vehículos de construcción de gran tamaño, los altos costes del equipo excluyeron los sistemas de camiones y automóviles más ligeros. En el sentido moderno, un experimento demostró la viabilidad de pequeños vehículos de carretera híbridos petrohidráulicos en 1978. Un grupo de estudiantes del Centro Técnico Vocacional Hennepin de Minneapolis, Minnesota, convirtió un automóvil Volkswagen Beetle para que funcionara como un híbrido petrohidráulico usando motores fuera de línea. componentes del estante. Un automóvil con una potencia de 32 mpg -EE.UU. (7,4 L/100 km; 38 mpg -imp ) devolvía 75 mpg -EE.UU. (3,1 L/100 km; 90 mpg -imp ) con el motor de 60 hp reemplazado por un motor de 16 hp. El coche experimental alcanzó los 110 km/h (70 mph). [19]
En la década de 1990, un equipo de ingenieros que trabajaban en el Laboratorio Nacional de Emisiones de Combustibles y Vehículos de la EPA logró desarrollar un tipo revolucionario de tren motriz híbrido petrohidráulico que impulsaría un típico automóvil sedán estadounidense. El auto de prueba logró más de 80 mpg en ciclos de conducción combinados de ciudad/carretera de la EPA. La aceleración fue de 0 a 60 mph en 8 segundos, utilizando un motor diésel de 1,9 L. No se utilizaron materiales ligeros. La EPA estimó que producir en grandes volúmenes los componentes hidráulicos agregaría sólo $700 al costo base del vehículo. [20]
El sistema híbrido petrohidráulico tiene ciclos de carga/descarga más rápidos y eficientes que los híbridos petroeléctricos y también es más barato de construir. El tamaño del recipiente del acumulador determina la capacidad total de almacenamiento de energía y puede requerir más espacio que un conjunto de baterías eléctricas. Cualquier espacio del vehículo consumido por un recipiente acumulador de mayor tamaño puede verse compensado por la necesidad de un motor de carga de menor tamaño, en HP y tamaño físico.
Se están realizando investigaciones en grandes corporaciones y pequeñas empresas. La atención se ha centrado ahora en vehículos más pequeños. 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 a carga parcial. Una empresa británica ( Artemis Intelligent Power ) logró un gran avance al introducir un motor/bomba hidráulico controlado electrónicamente, el motor/bomba Digital Displacement®. La bomba es altamente eficiente en todos los rangos de velocidad y cargas, lo que brinda viabilidad para pequeñas aplicaciones de híbridos petrohidráulicos. [42] La empresa convirtió un automóvil BMW como banco de pruebas para demostrar su viabilidad. El BMW 530i rindió el doble de mpg en ciudad que el coche estándar. Esta prueba utilizó el motor estándar de 3.000 cc; con un motor más pequeño las cifras habrían sido más impresionantes. El diseño de híbridos petrohidráulicos que utilizan acumuladores de buen tamaño permite reducir el tamaño de un motor al uso de energía promedio, no al uso de energía máxima. La potencia máxima la proporciona la energía almacenada en el acumulador. Un motor de velocidad constante más pequeño y eficiente reduce el peso y libera espacio para un acumulador más grande. [43]
Las carrocerías de los vehículos actuales están diseñadas en torno a la mecánica de las configuraciones de motor/transmisión existentes. Es restrictivo y está lejos de ser ideal instalar mecanismos petrohidráulicos en carrocerías existentes que no están diseñadas para configuraciones hidráulicas. El objetivo de un proyecto de investigación es crear un diseño de automóvil nuevo en blanco para maximizar el empaquetado de los componentes híbridos petrohidráulicos en el vehículo. Todos los voluminosos componentes hidráulicos están integrados en el chasis del coche. Un diseño ha afirmado que arroja 130 mpg en las pruebas utilizando un gran acumulador hidráulico que también es el chasis estructural del automóvil. Los pequeños motores de accionamiento hidráulico están incorporados dentro de los cubos de las ruedas, impulsando las ruedas e invirtiendo la energía de frenado cinético. Los motores de cubo eliminan la necesidad de frenos de fricción, transmisiones mecánicas, ejes de transmisión y juntas universales, lo que reduce costos y peso. En vehículos industriales se utiliza tracción hidrostática sin frenos de fricción. [44] El objetivo es 170 mpg en condiciones de conducción promedio. La energía creada por los amortiguadores y la energía de frenado cinético que normalmente se desperdiciaría ayuda a cargar el acumulador. Un pequeño motor de pistón de combustible fósil, de tamaño adecuado para un uso de energía promedio, carga el acumulador. El acumulador está dimensionado para hacer funcionar el coche durante 15 minutos cuando está completamente cargado. El objetivo es un acumulador completamente cargado que producirá una velocidad de aceleración de 0 a 60 mph en menos de 5 segundos con tracción en las cuatro ruedas. [45] [46] [47]
En enero de 2011, el gigante industrial Chrysler anunció una asociación con la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) para diseñar y desarrollar un sistema de propulsión híbrido petrohidráulico experimental adecuado para su uso en turismos grandes. En 2012, se adaptó una minivan de producción existente al nuevo tren motriz hidráulico para su evaluación. [20] [48] [49] [50]
PSA Peugeot Citroën exhibió en el Salón del Automóvil de Ginebra de 2013 un motor experimental "Hybrid Air" . [51] [52] El vehículo utiliza gas nitrógeno comprimido por la energía obtenida al frenar o desacelerar para impulsar un accionamiento hidráulico que complementa la potencia de su motor de gasolina convencional. Los componentes hidráulicos y electrónicos fueron suministrados por Robert Bosch GmbH . Se estimó que el kilometraje era de aproximadamente 118 mpg -US (2 L/100 km; 142 mpg -imp ) en el ciclo de prueba Euro si se instala en una carrocería tipo Citroën C3 . [53] [54] PSA Aunque el automóvil estaba listo para la producción y fue probado y factible entregando los resultados declarados, Peugeot Citroën no pudo atraer a un fabricante importante para compartir los altos costos de desarrollo y está archivando el proyecto hasta que se pueda concertar una asociación. . [55]
Otra forma de vehículo híbrido son los vehículos eléctricos de propulsión humana. Estos incluyen vehículos como Sinclair C5 , Twike , bicicletas eléctricas , patinetas eléctricas y motocicletas y scooters eléctricos.
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En un vehículo híbrido paralelo, un motor eléctrico y un motor de combustión interna están acoplados de tal manera que pueden impulsar el vehículo individualmente o juntos. Normalmente, el motor de combustión interna, el motor eléctrico y la caja de cambios están acoplados mediante embragues controlados automáticamente. Para la conducción eléctrica, el embrague entre el motor de combustión interna está abierto mientras el embrague de la caja de cambios está acoplado. Mientras está en modo de combustión, el motor y el motor funcionan a la misma velocidad.
El primer híbrido paralelo de producción en masa vendido fuera de Japón fue el Honda Insight de primera generación .
El Mercedes-Benz E 300 BlueTEC HYBRID lanzado en 2012 solo en los mercados europeos es un vehículo híbrido diésel muy raro producido en serie propulsado por un motor Mercedes-Benz OM651 que desarrolla 152 kW (204 hp) combinado con un motor eléctrico de 20 kW (27 hp). motor, situado entre el motor y la caja de cambios, para una potencia combinada de 170 kW (228 CV). El vehículo tiene una tasa de consumo de combustible de 24 a 26 km/L (56 a 62 mpg en Estados Unidos ; 67 a 74 mpg en imp ). [56] [57] [58]
Estos tipos utilizan un motor eléctrico generalmente compacto (normalmente <20 kW) para proporcionar funciones de arranque/parada automática y para proporcionar asistencia de potencia adicional [59] durante la aceleración y para generar en la fase de desaceleración (también conocido como frenado regenerativo ).
Los ejemplos en carretera incluyen Honda Civic Hybrid , Honda Insight de segunda generación, Honda CR-Z , Honda Accord Hybrid , Mercedes Benz S400 BlueHYBRID , BMW Serie 7 híbridos, General Motors BAS Hybrids , Suzuki S-Cross , Suzuki Wagon R y Smart fortwo con propulsión microhíbrida.
En un tren de transmisión eléctrico híbrido de potencia dividida, hay dos motores: un motor eléctrico de tracción y un motor de combustión interna. La potencia de estos dos motores se puede compartir para impulsar las ruedas mediante un dispositivo de división de potencia, que es un simple conjunto de engranajes planetarios . La relación puede ser del 100% para el motor de combustión al 100% para el motor eléctrico de tracción, o cualquier valor intermedio. El motor de combustión puede actuar como generador cargando las baterías.
Las versiones modernas, como el Toyota Hybrid Synergy Drive, tienen un segundo motor/generador eléctrico conectado al engranaje planetario. En cooperación con el motor/generador de tracción y el dispositivo de división de potencia, esto proporciona una transmisión continuamente variable.
En carretera, la principal fuente de energía es el motor de combustión interna. Cuando se requiere la máxima potencia, por ejemplo para adelantar, se utiliza el motor eléctrico de tracción como ayuda. Esto aumenta la potencia disponible durante un corto período, dando el efecto de tener un motor más grande que el realmente instalado. En la mayoría de las aplicaciones, el motor de combustión se apaga cuando el automóvil va lento o está parado, lo que reduce las emisiones en la acera.
Las instalaciones de turismos incluyen Toyota Prius , Ford Escape y Fusion, así como Lexus RX 400h, RX450h, GS450h, LS600h y CT200h.
Un vehículo en serie o híbrido en serie es impulsado por un motor eléctrico, que funciona como un vehículo eléctrico mientras el suministro de energía del paquete de baterías es suficiente, con un motor sintonizado para funcionar como generador cuando el paquete de baterías es insuficiente. Por lo general, no existe una conexión mecánica entre el motor y las ruedas, y el propósito principal del extensor de alcance es cargar la batería. A los híbridos en serie también se les ha denominado vehículo eléctrico de autonomía extendida , vehículo eléctrico de autonomía extendida o vehículo eléctrico de autonomía extendida (EREV/REEV/EVER).
El BMW i3 con Range Extender es un híbrido de serie. Funciona como un vehículo eléctrico hasta que la carga de la batería está baja y luego activa un generador impulsado por el motor para mantener la energía y también está disponible sin el extensor de alcance. El Fisker Karma fue el primer vehículo híbrido de producción en serie.
Al describir los automóviles, la batería de un híbrido en serie generalmente se carga al enchufarlo, pero un híbrido en serie también puede permitir que una batería actúe solo como amortiguador (y con fines de regeneración), y que la energía del motor eléctrico se ser alimentado constantemente por un motor de apoyo. Las disposiciones en serie han sido comunes en locomotoras y barcos diésel-eléctricos . Ferdinand Porsche inventó efectivamente esta disposición en autos de carreras que establecieron récords de velocidad a principios del siglo XX, como el Lohner-Porsche Mixte Hybrid . Porsche llamó a su disposición "System Mixt" y era un diseño de motor de cubo de rueda , donde cada una de las dos ruedas delanteras estaba propulsada por un motor independiente. Esta disposición a veces se denominaba transmisión eléctrica , ya que el generador eléctrico y el motor impulsor reemplazaban a una transmisión mecánica. El vehículo no podía moverse a menos que el motor de combustión interna estuviera en marcha.
En 1997, Toyota lanzó el primer autobús híbrido de serie vendido en Japón. [60] GM introdujo el híbrido enchufable de la serie Chevy Volt en 2010, con el objetivo de una autonomía totalmente eléctrica de 40 millas (64 km), [61] aunque este automóvil también tiene una conexión mecánica entre el motor y la transmisión. [62] AFS Trinity ha utilizado supercondensadores combinados con un banco de baterías de iones de litio en un vehículo SUV Saturn Vue reconvertido. Utilizando supercondensadores, reclaman hasta 150 mpg en una configuración híbrida en serie. [63]
Nissan Note e-power es un ejemplo de tecnología híbrida en serie desde 2016 en Japón.
Otro subtipo de vehículos híbridos es el vehículo eléctrico híbrido enchufable . El híbrido enchufable suele ser un híbrido general combustible-eléctrico (en paralelo o en serie) con mayor capacidad de almacenamiento de energía, generalmente a través de una batería de iones de litio , que permite al vehículo circular en modo totalmente eléctrico una distancia que depende de la batería. tamaño y su disposición mecánica (serie o paralelo). Podrá conectarse a la red eléctrica al final del viaje para evitar la carga mediante el motor de combustión interna de a bordo. [64] [65]
Este concepto es atractivo para quienes buscan minimizar las emisiones en carretera evitando, o al menos minimizando, el uso de ICE durante la conducción diaria. Al igual que con los vehículos puramente eléctricos, el ahorro total de emisiones, por ejemplo en términos de CO 2 , depende de la fuente de energía de la empresa generadora de electricidad.
Para algunos usuarios, este tipo de vehículo también puede resultar atractivo económicamente siempre que la energía eléctrica utilizada sea más barata que la gasolina/diésel que habrían utilizado de otro modo. Los sistemas tributarios actuales en muchos países europeos utilizan los impuestos sobre el petróleo como una importante fuente de ingresos. Por lo general, este no es el caso de la electricidad, que tributa de manera uniforme para el cliente doméstico, independientemente del uso que haga esa persona. Algunos proveedores de electricidad también ofrecen beneficios de precios para los usuarios nocturnos fuera de las horas pico, lo que puede aumentar aún más el atractivo de la opción enchufable para los viajeros y los automovilistas urbanos.
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Un informe de 2009 de la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en Carreteras examinó los accidentes de vehículos eléctricos híbridos que involucraron a peatones y ciclistas y los comparó con accidentes que involucraron vehículos con motor de combustión interna (ICEV). Los hallazgos mostraron que, en determinadas situaciones de la carretera, los vehículos HEV son más peligrosos para quienes van a pie o en bicicleta. En los accidentes en los que un vehículo estaba desacelerando o deteniéndose, retrocediendo, entrando o saliendo de un espacio de estacionamiento (cuando la diferencia de sonido entre los HEV y los ICEV es más pronunciada), los HEV tenían el doble de probabilidades de verse involucrados en un choque de peatones que los ICEV. Para los choques que involucran a ciclistas o peatones, hubo una tasa de incidentes más alta para los HEV que para los ICEV cuando un vehículo estaba doblando una esquina. Sin embargo, no hubo diferencias estadísticamente significativas entre los tipos de vehículos cuando circulaban en línea recta. [66]
Varios fabricantes de automóviles desarrollaron sonidos de advertencia para vehículos eléctricos diseñados para alertar a los peatones sobre la presencia de vehículos eléctricos , como vehículos eléctricos híbridos, vehículos eléctricos híbridos enchufables y vehículos totalmente eléctricos (EV) que viajan a bajas velocidades. Su propósito es alertar a los peatones, ciclistas, invidentes y otras personas de la presencia del vehículo mientras opera en modo totalmente eléctrico . [67] [68] [69] [70]
Los vehículos en el mercado con dichos dispositivos de seguridad incluyen el Nissan Leaf , Chevrolet Volt , Fisker Karma , Honda FCX Clarity , Nissan Fuga Hybrid/Infiniti M35 , Hyundai ix35 FCEV , Hyundai Sonata Hybrid , Honda Fit EV 2012 , Toyota Camry Hybrid 2012, 2012 Lexus CT200h , y toda la familia de coches Prius .
El vehículo híbrido normalmente logra una mayor economía de combustible y menores emisiones que los vehículos convencionales con motor de combustión interna (ICEV), lo que genera menos emisiones. Estos ahorros se logran principalmente mediante tres elementos de un diseño híbrido típico:
Otras técnicas que no son necesariamente características "híbridas", pero que se encuentran con frecuencia en vehículos híbridos, incluyen:
Estas características hacen que un vehículo híbrido sea particularmente eficiente para el tráfico urbano, donde hay frecuentes paradas, desplazamientos por inercia y períodos de ralentí. Además, se reducen las emisiones de ruido , especialmente al ralentí y a bajas velocidades de funcionamiento, en comparación con los vehículos con motor convencional. Para el uso continuo de autopistas de alta velocidad, estas características son mucho menos útiles para reducir las emisiones.
Las emisiones de los vehículos híbridos hoy en día se están acercando o incluso por debajo del nivel recomendado establecido por la EPA (Agencia de Protección Ambiental). Los niveles recomendados que sugieren para un vehículo de pasajeros típico deberían equivaler a 5,5 toneladas métricas de CO 2 . Los tres vehículos híbridos más populares, Honda Civic , Honda Insight y Toyota Prius , fijaron estándares aún más altos al producir 4,1, 3,5 y 3,5 toneladas, lo que demuestra una importante mejora en las emisiones de dióxido de carbono. Los vehículos híbridos pueden reducir las emisiones atmosféricas de contaminantes que forman smog hasta en un 90% y reducir las emisiones de dióxido de carbono a la mitad. [71]
Se necesita un aumento de combustibles fósiles para construir vehículos híbridos frente a los convencionales. Este aumento se ve más que compensado por la reducción de las emisiones al circular el vehículo. [72]
Las emisiones de CO 2 de los híbridos se han subestimado al comparar los ciclos de certificación con la conducción en el mundo real. En un estudio que utilizó datos de conducción reales, se demostró que utilizan una media de 120 g de CO 2 por km en lugar de los 44 g por km de las pruebas oficiales. [73]
Toyota afirma que tres vehículos híbridos equivalen a un vehículo eléctrico de batería en cuanto al efecto de reducción de CO 2 desde el punto de vista de la neutralidad de carbono , lo que significa reducir las emisiones de CO 2 a cero durante todo el ciclo de vida de un producto, comenzando desde la adquisición de materias primas, la fabricación y el transporte hasta su uso. , reciclaje y eliminación. [74]
Aunque los coches híbridos consumen menos combustible que los coches convencionales, todavía existe un problema relacionado con el daño medioambiental de la batería del coche híbrido. [75] [76] Hoy en día, la mayoría de las baterías de automóviles híbridos son de iones de litio , que tienen una mayor densidad de energía que las baterías de hidruro metálico de níquel y son más respetuosas con el medio ambiente que las baterías de plomo que constituyen la mayor parte de las baterías de arranque de automóviles de gasolina en la actualidad. [77]
Hay muchos tipos de baterías. Algunos son mucho más tóxicos que otros. Las baterías de iones de litio son las menos tóxicas de las mencionadas anteriormente. [78]
Los niveles de toxicidad y el impacto ambiental de las baterías de hidruro metálico de níquel, el tipo utilizado anteriormente en los híbridos, son mucho más bajos que las baterías como las de plomo ácido o níquel cadmio, según una fuente. [79] Otra fuente afirma que las baterías de hidruro metálico de níquel son mucho más tóxicas que las de plomo, además de que reciclarlas y eliminarlas de forma segura es difícil. [80] En general, varios compuestos de níquel solubles e insolubles, como el cloruro de níquel y el óxido de níquel, tienen efectos cancerígenos conocidos en embriones de pollo y ratas. [81] [82] [83] El principal compuesto de níquel en las baterías de NiMH es el oxihidróxido de níquel (NiOOH), que se utiliza como electrodo positivo. Sin embargo, las baterías de hidruro metálico de níquel han perdido popularidad en los vehículos híbridos a medida que diversas sustancias químicas de iones de litio se han vuelto más maduras en el mercado.
La batería de iones de litio se ha convertido en líder del mercado en este segmento debido a su alta densidad de energía, estabilidad y costo en comparación con otras tecnologías. [84] Un líder del mercado en esta área es Panasonic con su asociación con Tesla [85] [86] [87] [88]
Las baterías de iones de litio son atractivas porque tienen la densidad de energía más alta de todas las baterías recargables y pueden producir un voltaje más de tres veces mayor que el de las celdas de baterías de hidruro metálico de níquel y, al mismo tiempo, también almacenan grandes cantidades de electricidad. [77] Las baterías también producen un mayor rendimiento (aumentando la potencia del vehículo), una mayor eficiencia (evitando el desperdicio de electricidad) y proporcionan una excelente durabilidad, en comparación con la vida útil de la batería que es aproximadamente equivalente a la vida útil del vehículo. [89] Además, el uso de baterías de iones de litio reduce el peso total del vehículo y también logra una mejor economía de combustible del 30% mejor que los vehículos propulsados por gasolina, con la consiguiente reducción de las emisiones de CO 2 , lo que ayuda a prevenir el calentamiento global.[90]
Las baterías de iones de litio también son más seguras de reciclar, y el Grupo Volkswagen es pionero en procesos para reciclar baterías de iones de litio; [91] Esto también está siendo perseguido por otras grandes empresas, como BMW , [92] Audi , [93] Mercedes-Benz [94] y Tesla . [95] El objetivo principal de muchas de estas empresas es combatir la desinformación sobre la naturaleza de las baterías de litio, principalmente que no son reciclables, que surge principalmente de artículos que discuten las dificultades del reciclaje. [96] [97] [98]
Hay dos niveles diferentes de carga en los híbridos enchufables. La carga de nivel uno es el método más lento ya que utiliza un tomacorriente monofásico con conexión a tierra de 120 V/15 A. El nivel dos es un método más rápido; Los equipos de nivel 2 existentes ofrecen carga desde 208 V o 240 V (hasta 80 A, 19,2 kW). Puede requerir equipos dedicados y una instalación de conexión para unidades domésticas o públicas. [99] La ventana de carga óptima para las baterías de iones de litio es de 3 a 4,2 V. La recarga con un tomacorriente doméstico de 120 voltios demora varias horas, un cargador de 240 voltios demora de 1 a 4 horas y una carga rápida demora aproximadamente 30 minutos para alcanzar 80 % cargar. Tres factores importantes: distancia de carga, costo de carga y tiempo de carga [100] Para que los híbridos funcionen con energía eléctrica, el automóvil debe realizar la acción de frenar para generar algo de electricidad. La electricidad se descarga de forma más eficaz cuando el coche acelera o sube una pendiente. En 2014, las baterías de los automóviles eléctricos híbridos pueden funcionar únicamente con electricidad durante 70 a 130 millas (110 a 210 km) con una sola carga. La capacidad de la batería híbrida oscila actualmente entre 4,4 kWh y 85 kWh en un coche totalmente eléctrico. En un coche híbrido, los paquetes de baterías oscilan actualmente entre 0,6 kWh y 2,4 kWh, lo que representa una gran diferencia en el uso de electricidad en los coches híbridos. [101]
Es inminente un aumento de los costes de muchos materiales raros utilizados en la fabricación de coches híbridos. [102] Por ejemplo, el elemento de tierras raras disprosio es necesario para fabricar muchos de los motores eléctricos avanzados y sistemas de baterías en sistemas de propulsión híbridos. [102] [103] El neodimio es otro metal de tierras raras que es un ingrediente crucial en los imanes de alta resistencia que se encuentran en los motores eléctricos de imanes permanentes. [104]
Casi todos los elementos de tierras raras del mundo provienen de China, [105] y muchos analistas creen que un aumento general en la fabricación de productos electrónicos chinos consumirá todo este suministro para 2012. [102] Además, las cuotas de exportación de tierras raras chinas elementos han resultado en una cantidad desconocida de suministro. [103] [106]
Actualmente se están desarrollando algunas fuentes no chinas, como el proyecto avanzado del lago Hoidas en el norte de Canadá, así como Mount Weld en Australia; [106] sin embargo, las barreras de entrada son altas [107] y requieren años para estar en línea.
Los vehículos híbridos-eléctricos (HEV) combinan las ventajas de los motores de gasolina y los motores eléctricos . Las áreas clave para mejorar la eficiencia o el rendimiento son el frenado regenerativo, las fuentes de energía duales y el menor ralentí. [108]
Otros tipos de vehículos ecológicos incluyen otros vehículos que funcionan total o parcialmente con fuentes de energía alternativas a los combustibles fósiles . Otra opción es utilizar una composición de combustible alternativa (es decir, biocombustibles ) en vehículos convencionales basados en combustibles fósiles, haciéndolos funcionar en parte con fuentes de energía renovables.
Otros enfoques incluyen el tránsito rápido personal , un concepto de transporte público que ofrece transporte automatizado bajo demanda y sin escalas, en una red de vías-guía especialmente construidas.
Los fabricantes de automóviles gastan alrededor de 8 millones de dólares cada año en la comercialización de vehículos híbridos. Con el esfuerzo combinado de muchas empresas automotrices, la industria híbrida ha vendido millones de híbridos. [ cita necesaria ]
Las compañías de automóviles híbridos como Toyota, Honda, Ford y BMW se han unido para crear un movimiento de ventas de vehículos híbridos impulsado por los cabilderos de Washington para reducir las emisiones mundiales y volvernos menos dependientes de nuestro consumo de petróleo. [ cita necesaria ]
En 2005, las ventas superaron los 200.000 híbridos, pero en retrospectiva, eso sólo redujo el uso global de gasolina en 200.000 galones por día, una pequeña fracción de los 360 millones de galones utilizados por día. [ cita necesaria ] Según Bradley Berman, autor de Impulsando el cambio: un híbrido a la vez , "la economía fría muestra que en dólares reales, excepto por un breve aumento en la década de 1970, los precios de la gasolina se han mantenido notablemente estables y baratos. El combustible continúa representando una pequeña parte del coste total de poseer y operar un vehículo personal". [109] Otras tácticas de marketing incluyen el lavado verde , que es la "apropiación injustificada de la virtud ambiental". [110] Temma Ehrenfeld explicó en un artículo de Newsweek. Los híbridos pueden ser más eficientes que muchos otros motores de gasolina en lo que respecta al consumo de gasolina, pero en lo que respecta a ser ecológicos y buenos para el medio ambiente es completamente inexacto.
A las empresas de automóviles híbridos les queda mucho tiempo por delante si esperan volverse realmente ecológicas. Según el profesor de negocios de Harvard Theodore Levitt, "gestionar productos" y "satisfacer las necesidades de los clientes" "debe adaptarse a las expectativas del consumidor y anticiparse a sus deseos futuros". [111] Esto significa que las personas compran lo que quieren; si quieren un automóvil de bajo consumo de combustible, compran un híbrido sin pensar en la eficiencia real del producto. Esta "miopía verde", como la llama Ottman, fracasa porque los especialistas en marketing se centran en el carácter ecológico del producto y no en su eficacia real.
Los investigadores y analistas dicen que la gente se siente atraída por la nueva tecnología, así como por la conveniencia de menos repostajes. En segundo lugar, a la gente le resulta gratificante poseer el coche mejor, más nuevo, más llamativo y el llamado más ecológico.
En 2019, el término híbrido autocargable se hizo frecuente en la publicidad, aunque los automóviles a los que se hace referencia con este nombre no ofrecen ninguna funcionalidad diferente a la que ofrece un vehículo eléctrico híbrido estándar . El único efecto de autocarga es la recuperación de energía mediante el frenado regenerativo, lo que también se aplica a los híbridos enchufables , los vehículos eléctricos de pila de combustible y los vehículos eléctricos de batería. [112]
En enero de 2020, se prohibió el uso de este término en Noruega , por publicidad engañosa de Toyota y Lexus . [113] "Nuestra afirmación se basa en el hecho de que los clientes nunca tienen que cargar la batería de su vehículo, ya que ésta se recarga durante el uso del vehículo. No existe ninguna intención de engañar a los clientes, al contrario: se trata de explicar claramente la diferencia con los vehículos híbridos enchufables."
Si bien la tasa de adopción de híbridos en los EE. UU. es pequeña hoy en día (2,2 % de las ventas de automóviles nuevos en 2011), [114] esto se compara con una participación del 17,1 % de las ventas de automóviles nuevos en Japón en 2011, [115] y tiene el potencial ser muy grande con el tiempo a medida que se ofrecen más modelos y los costos incrementales disminuyen debido al aprendizaje y los beneficios de escala. Sin embargo, las previsiones varían mucho. Por ejemplo, Bob Lutz , un escéptico de los híbridos desde hace mucho tiempo, indicó que espera que los híbridos "nunca representen más del 10% del mercado automovilístico estadounidense". [116] Otras fuentes también esperan que las tasas de penetración híbrida en los EE.UU. se mantengan por debajo del 10% durante muchos años. [117] [118] [119]
Las opiniones más optimistas a partir de 2006 incluyen predicciones de que los híbridos dominarían las ventas de automóviles nuevos en Estados Unidos y otros lugares durante los próximos 10 a 20 años. [120] Otro enfoque, adoptado por Saurin Shah, examina las tasas de penetración (o curvas S) de cuatro análogos (históricos y actuales) de los vehículos híbridos y eléctricos en un intento de medir la rapidez con la que el parque de vehículos podría hibridarse y/o electrificado en los Estados Unidos. Los análogos son (1) los motores eléctricos de las fábricas estadounidenses a principios del siglo XX, (2) las locomotoras diésel-eléctricas de los ferrocarriles estadounidenses en el período 1920-1945, (3) una gama de nuevas características/tecnologías automotrices introducidas en los EE.UU. durante los últimos cincuenta años, y 4) compras de bicicletas eléctricas en China durante los últimos años. Estos análogos en conjunto sugieren que se necesitarían al menos 30 años para que los vehículos híbridos y eléctricos capturen el 80% del parque de vehículos de pasajeros de Estados Unidos. [121]
La EPA espera que la participación de mercado combinada de los nuevos vehículos ligeros híbridos de gasolina alcance el 13,6% para el año modelo 2023 desde el 10,2% en el año modelo 2022. [122]
El Parlamento Europeo, el Consejo y la Comisión Europea han llegado a un acuerdo cuyo objetivo es reducir las emisiones medias de CO 2 de los turismos a 95 g/km para 2020, según un comunicado de prensa de la Comisión Europea.
Según el comunicado, los detalles clave del acuerdo son los siguientes:
Objetivo de emisiones: El acuerdo reducirá las emisiones medias de CO 2 de los coches nuevos a 95 g/km a partir de 2020, tal y como propone la Comisión. Se trata de una reducción del 40 % con respecto al objetivo obligatorio de 130 g/km para 2015. El objetivo es obtener un promedio de la flota de vehículos nuevos de cada fabricante; permite a los fabricantes de equipos originales fabricar algunos vehículos que emiten menos que el promedio y otros que emiten más. Objetivo para 2025: La Comisión debe proponer un nuevo objetivo de reducción de emisiones para finales de 2015 que entre en vigor en 2025. Este objetivo estará en consonancia con los objetivos climáticos a largo plazo de la UE. Súper créditos para vehículos de bajas emisiones: el Reglamento dará a los fabricantes incentivos adicionales para producir coches con emisiones de CO 2 de 50 g/km o menos (que serán coches eléctricos o híbridos enchufables). Cada uno de estos vehículos se contará como dos vehículos en 2020, 1,67 en 2021, 1,33 en 2022 y luego como un vehículo a partir de 2023. Estos supercréditos ayudarán a los fabricantes a reducir aún más las emisiones medias de su flota de vehículos nuevos. Sin embargo, para evitar que el plan socave la integridad medioambiental de la legislación, habrá un límite de 2,5 g/km por fabricante en la contribución que los supercréditos pueden hacer a su objetivo en cualquier año. [123]
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Medios relacionados con vehículos de propulsión híbrida en Wikimedia Commons