Autora: Victoria Abad San Martín
1. INTRODUCCIÓN
En 2020 la UE espera reducir, respecto de 1990, un 20% las emisiones de gases de efecto invernadero al menos un 20%, aumentar la cuota de energías renovables al 20% del consumo, y lograr un ahorro energético del 20% o superior.
El sector del transporte consume alrededor del 30% del consumo total de energía y supone el 25% de las emisiones de CO2. La necesidad de reducir la dependencia de los combustibles fósiles en este sector llevó a considerar alternativas como los vehículos eléctricos (EVs). Tecnológicamente se pueden distinguir tres tipos de vehículos eléctricos: eléctricos de baterías, de pila de combustible e híbridos. Los dos primeros son vehículos puramente eléctricos, mientras que los híbridos combinan motores eléctricos con motores de combustión interna (gasolina o diésel), lo que les confiere más potencia y una mayor autonomía, principal punto débil de los eléctricos puros.
En este artículo se presentan las características, funcionamiento y evolución del Toyota Prius a lo largo de sus cuatro generaciones y 20 años de vida.
2. Vehículos híbridos
2.1 Tipos de Vehículos híbridos
Los vehículos eléctricos “híbridos” o Hybrid Electrical Vehicle (HEV). Combinan (Figura 2.1) al menos dos fuentes de energía para alimentar el tren de transmisión, siendo una de ellas la electricidad.
Disponen de un motor de combustión interna y de un sistema eléctrico con uno o más motores o generadores y un sistema de almacenamiento mediante baterías, normalmente de alta tensión. El depósito de combustible sería la fuente primaria de energía y las baterías serían la fuente secundaria. Este sistema elimina la limitación de la potencia y disponibilidad de la energía de la batería, y por tanto de la autonomía y de los tiempos de carga. Además, aprovecha el mejor rendimiento del motor eléctrico
Figura 2.1. Tipos de Hibridación en vehículos. Fuente: Toyota.
En un sistema de transmisión híbrido es necesario un mecanismo transeje que una mecánicamente los ejes de los motores, repartiendo la energía de ambos sistemas a las ruedas, como muestra la Figura 2.2.
Figura 2.2. Esquema de sistema combinado CHEV: Fuente: (ToyotaTraining 2008)
2.2 El sistema HSD©del Prius.
2.2.1 El Toyota PRIUS
El PRIUS original es puesto en el mercado japonés en el año 1997, llegando a Europa en el 2000. Disponía de sistema denominado Toyota Hybrid System (THS) con 110 CV de potencia con un consumo medio de 3,9 l/100 km y un 90% menos de emisiones respecto de un vehículo similar con motor térmico.
La segunda generación del Prius apareció el año 2004. Con la elevación de la tensión se obtuvo un 50% más de potencia y se redujeron los costes del sistema en un 70%.
La tercera generación, con tecnología Hybrid Sinergy Drive (HSD), llega en junio de 2009 y, además de mejoras en los sistemas de control, se introduce la posibilidad de conectar a la red eléctrica doméstica para cargar las baterías.
Figura 2.3. Logotipo de HSD. Fuente Toyota.
La cuarta generación llegó en septiembre de 2016, con un sistema de dos ejes en el PSD.
Cada una de las versiones del Prius ha sido incluida en el Top 10 Tech Cars yactualmente otros modelos de Toyota y Lexus, así como otros fabricantes como Nissan, están implementando la tecnología HSD.
Sus componentes principales son:
– Un motor de combustión interna.
– Dos motores/generadores eléctricos. Funcionan de forma contraria dependiendo del régimen de marcha.
– Un sistema de baterías de alta potencia de NiMH. Se carga mediante el generador y mueve el motor eléctrico.
– Un sistema de transmisión de potencia (PSD).
– Un sistema de control de Potencia (PCU).
2.2.2 Descripción general.
La tecnología HSD remplaza la transmisión clásica embrague/engranajes por un conjunto electromecánico que reparte la potencia en varios sentidos entre los sistemas mecánico y eléctrico, totalmente controlado por un ordenador.
Al motor de combustión interna, el cual desarrolla su mejor rendimiento en un corto rango de pares y velocidades, le acompaña un grupo eléctrico generador-motor (MG1 y MG2 respectivamente). MG1 y MG2 deben su nombre a su capacidad de actuar de formas contrarias generando o consumiendo energía eléctrica. Este conjunto Motor-Generador es trifásico, de imanes permanentes y sin escobillas.
2.2.2.1 Generador MG1
Tiene una función principal de generador eléctrico, cargando las baterías. Es reversible, y se utiliza como motor de arranque del de combustión. Ver Figura 2.4.
Figura 2.4. MG1 2004 y 2010. Fuente: Toyota
2.2.2.2 Motor MG2
Al igual que el MG1 es reversible, siendo su función principal actuar como motor eléctrico en combinación con el motor térmico. Puede proporcionar una potencia de 50 kW entre 1.200 y 1.540 rpm. Con un par máximo es 400 Nm, hasta 1.200 rpm. Pesa unos 36 kg, un tercio del conjunto mecánico y su régimen máximo es 6.150 rpm. Ver Figura 2.5.
Figura 2.5. MG2 2004 y 2010. Fuente: Toyota
2.2.2.3 Sistema de transmisión
En el corazón del sistema HSD se encuentra el conjunto de transmisión, auténtica obra de ingeniería que interconecta las distintas fuentes de energía y controla los flujos de potencias de los 3 motores dependiendo del régimen de funcionamiento del vehículo. Su sistema de reparto de potencia es el encargado de aunar la potencia del motor térmico y del eléctrico y mover el eje motriz a través de un sistema de engranajes epicicloidales, donde los motores MG1 y MG2 son los soles del epicicloidal como muestran la Figura 2.6.
Figura 2.6. Esquema del sistema de transmisión del Prius y conjunto real. Fuente: Toyota
A efectos prácticos es como una transmisión de tipo CVT (transmisión variable continua), pero sin ruidosas cadenas ni saltos de marcha. Toda la trasferencia de par se efectúa a través del sistema de reparto de potencia (PSD), que se sitúa entre el motor térmico, el generador eléctrico MG1, el motor eléctrico MG2 y las ruedas.
2.2.2.4 Sistema Control de Potencia (PCU)
Comprende dos conversores CC-CC y el inversor CC-CA trifásico para controlar los motores MG1 y MG2. Todo el sistema de electrónica de potencia del vehículo es controlado por el ordenador central. Tanto MG1 como MG2 funcionan en CA trifásica, mientras que las baterías eléctricas funcionan en corriente CC. Para interconectar ambos sistemas es necesario un inversor.
En concreto, este dispositivo inversor realiza las siguientes funciones (ver Figura 2.8):
- Transforma la corriente eléctrica de 201,6V CC de la batería HV a 201,6V CA trifásica.
- Eleva la tensión de estos 201,6V CC hasta un máximo de 650V CA trifásica para el motor y generador eléctricos.
- Convierte los 201,6V CC en 201,6V CA para el compresor eléctrico del aire acondicionado.
Figura 2.8. Esquema de funciones del inversor. Fuente: Toyota
2.2.2.5 Batería de alto voltaje
La energía eléctrica generada por MG1 puede aplicarse directamente a MG2 o pasar a cargar las baterías. El sistema comprende 38 módulos de 202 V de Níquel Hidruro-metál, con un peso de 42 kg. Esta tecnología presenta la densidad de energía más alta y no tiene “efecto memoria”. Todo el cableado del sistema de baterías se realiza con conductores de aluminio en vez de cobre para reducir peso y precio.
La batería se coloca en el maletero, como muestra la Figura 2.9, bajo el piso, detrás del asiento trasero y aún permite 408 l de capacidad de maletero.
Figura 2.9 Disposición de la batería y vista exterior de la misma. Fuente: Toyota
2.3 Modos de funcionamiento del vehículo
A la hora de determinar qué motor (térmico y/o eléctrico) debe funcionar, qué proporción de potencia suministra cada uno, si se apaga el motor térmico para no consumir combustible o si se carga la batería, deben de tenerse en cuenta todos los factores y modos de funcionamiento del vehículo. Un ordenador se encarga de ello.
2.3.1 Arranque y baja velocidad (Modo eléctrico puro)
Es el modo EV puro. El motor MG2, en solitario, más eficiente que el de combustión, mueve las ruedas alimentado por la batería. Si la batería no dispone de carga suficiente, el PCU arrancaría el motor térmico.
Figura 2.10. Arranque. Fuente: (ToyotaTraining 2008).
2.3.2 Arranque del motor de combustión
El motor MG1, alimentado por la batería, impulsa el motor de combustión para su arranque y MG2 permanece clavado (Figura 2.11).
Figura 2.11. Arranque del motor gasolina. Fuente: (ToyotaTraining 2008).
2.3.3 Conducción de crucero.
Las ruedas son accionadas por el motor térmico y MG2 simultáneamente, que se alimenta de MG1.
Figura 2.12. Funcionamiento de crucero. Fuente: (ToyotaTraining 2008).
2.3.4 Carga por batería baja
El motor térmico genera un exceso de energía cargando la batería mediante MG1.. MG2 colabora con el motor térmico en la impulsión del vehículo (Figura 2.13).
Figura 2.13. Carga por batería baja. Fuente: (ToyotaTraining 2008).
2.3.5 Aceleración o subida de pendientes
El motor térmico y MG2 impulsan el vehículo. MG1 actúa como generador alimentando a MG2. MG2 es alimentado por la batería y MG1 simultáneamente.
Figura 2.14. Aceleración. Fuente: (ToyotaTraining 2008).
2.3.6 Parada
El motor de combustión se pone en marcha solo si es necesario para aumentar su temperatura y/o cargar la batería).
Figura 2.15. Parada y carga de batería. Fuente: (ToyotaTraining 2008).
2.3.7 Deceleración o frenado regenerativo.
MG2 actúa como generador cargando la batería con la energía del frenado, que se desperdiciaría en un vehículo clásico.
Figura 2.16. Frenado regenerativo. Fuente: (ToyotaTraining 2008).
2.3.8 Marcha atrás
El motor MG2 actúa impulsando el vehículo si el SOC y la temperatura de motor son las adecuadas).
Figura 2.17. Marcha atrás. Fuente: (ToyotaTraining 2008).
El vehículo, controlado por un ordenador, cambia entre estos modos de funcionamiento según las condiciones de la conducción.
3. PARA INVESTIGAR MÁS A FONDO
Video de Toyota explicando la tecnología HSD.
https://www.youtube.com/watch?v=o4z8ypTXNIsh?v=o4z8ypTXNIs
Página de Wikipedia sobre el Prius
https://es.wikipedia.org/wiki/Toyota_Prius
En la siguiente página web, se puede, mediante el ratón, deslizar las velocidades del motor MG2 y de motor de combustión (ICE), para ver cómo funciona el PSD del Prius.
