Híbrido enchufable “plug in”

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La evolución de las directivas anticontaminación, cada vez más severas, pero imprescindible para nuestra salud, marca ciclos de tiempo que van limitando la implantación de los motores térmicos en el automóvil.

Entendemos que en realidad no es por contaminación tóxica, pues los automóviles equipan sistemas para evitar que salga al exterior.

Estos gases tóxicos son; CO monóxido de carbono, HC hidrocarburos no quemados, NO_X óxidos de nitrógeno, micropartículas MPC y SO_X óxidos de azufre.

El gas que sale por el escape y que va a obligar a prescindir del motor térmico es el CO2 dióxido de carbono, no es un contaminante tóxico y puede ingerirse, está en las bebidas con gas.

Su efecto es potenciar el calentamiento global de nuestro planeta, por lo que ha de ser eliminado como producto de la circulación de los vehículos.

La emisión de CO2 depende del combustible y cantidad que queme el motor, es decir del consumo.

Durante el periodo que va hasta que no se autorice la emisión de CO2 va a haber, ya se está produciendo, diversas propuestas, algunas con combustibles sintéticos, aunque lo más probable es que sean de transición.

Durante este periodo van a proliferar sistemas de propulsión híbrida, entendida como disponer de motor térmico y eléctrico en el mismo automóvil, con diferentes posibilidades, también de transición.

Los resultados de estas tecnologías con relación a la emisión de CO2 son diversas.

Cómo un factor de influencia en la compra de un automóvil es que disponga de las etiquetas que le permiten entrar a cascos urbanos de grandes ciudades con las menores restricciones posibles, basadas en la misión de CO2, los fabricantes están proponiendo el automóvil híbrido enchufable que cumple los requisitos que la ley marca para obtener etiquetas más permisivas.

Estas son actualmente las que hay; “B” con bastantes limitaciones, “C” menos limitaciones, “ECO” más permisiva “0“ sin limitaciones.

Pero para que se cumpla lo que el automóvil híbrido enchufable homologa como emisión de CO2 se ha de utilizar de la forma prevista, de no hacerlo así puede emitir tanto o más CO2 que si solamente tuviese motor térmico sin asistencia eléctrica.

Para centrar lo que queremos explicar vamos a utilizar gráficos similares a los de la homologación de la norma WLTP de emisiones, tanto contaminantes tóxicos como consumo y CO2 adaptados didácticamente a los objetivos de este artículo, por lo que vamos a relacionar la emisión de CO2 con la distancia recorrida.

El test WLTP tiene protocolos que se hacen en laboratorio de la misma forma a todos los automóviles, aceleraciones, cambios de relación, deceleraciones, se alcanzan diferentes velocidades simulando recorridos urbanos con algunas incursiones en carretera a más velocidad, se trata de reproducir lo mejor posible la conducción en situaciones reales.

Vamos a comparar las emisiones de CO2 con diversas tecnologías que permitan situar al sistema híbrido enchufable en el conjunto; motor de gasolina, diésel, híbrido de asistencia en aceleración (micro híbrido o “mild hybrid), hibrido auto recargable, hibrido enchufable (“plug in”).

Al final comentaremos los sistemas eléctrico con baterías y pila de combustible de hidrógeno.

También en el texto y al final, proponemos enlaces al blog de temas complementarios aludidos.

Las normas WLTP (World Harmonized Light – duty Vehicle Test Procedure) acercan bastante los resultados de laboratorio a los que se producirían en uso real, y se complementan con ensayos circulando RDE (Real Driving Emissions) para ofrecer los resultados más fiables con relación al uso habitual del automóvil.

Es frecuente que los automóviles dispongan de un mando para que el conductor seleccione la respuesta del motor al actuar sobre el acelerador, en este artículo proponemos tres modos; E económico, M medio y S deportivo o más prestacional.

Para la misma actuación sobre el pedal del acelerador se modifica la respuesta del motor, lo que supone que en M y S la mayor aceleración aumenta la emisión de CO2 y el consumo.

Según el equipamiento del automóvil estos modos pueden afectar a otros sistemas, estos son los más habituales; dirección asistida eléctrica o de accionamiento eléctrico (endureciendo su tacto e incluso haciéndola más directa), suspensión adaptativa (en dureza y altura), secuencias de paso de relaciones con caja de cambios automática o automatizada (se hacen los cambios de marcha a más o menos RPM al subir o bajar de relación).

Estas identificaciones de los modos E, M y S pueden ser diferentes e incluso tener más o menos.

Se supone que las pruebas de homologación se hacen en la posición E, más favorable para reducir la emisión de CO2.

Se indica entre paréntesis en el texto la silueta del coche que se ha utilizado para representar cada tecnología.

Homologación WLTP gasolina (Renault Captur Tce)

A la izquierda se ve un coche con motor de gasolina y a la derecha la adaptación didáctica comentada de la prueba de homologación de emisión de CO2 en función de la distancia recorrida.

La emisión de CO2 está relacionada con la aceleración y velocidad de circulación.

Los elementos de este automóvil de gasolina son estos:

Mt; motor térmico de gasolina
E; embrague
CCm; caja de cambios manual. Con caja de cambios automatizada podría haber más de un embrague y si es automática convertidor de par
Dc; depósito de combustible
Rc; repostaje de combustible
Ac; sistemas anticontaminación del motor térmico de gasolina
Mando de respuesta del motor; E económico, M medio y S deportivo
Con esta tecnología y según el sistema anticontaminación se puede tener etiqueta B o C

En el gráfico de homologación WLTP a la derecha se representa lo siguiente:

En amarillo los resultados de emisión de CO2 según el recorrido y velocidad, es un programa para todos los automóviles que supone cambios de marcha, aceleraciones, retenciones, paradas y velocidades diferentes de circulación
En rojo; si el conductor se comporta de forma más exigente, acelerando más a fondo y alcanzando mayores velocidades y RPM, la emisión de CO2 (y consumo) suben proporcionalmente. También con el mando de selección de respuesta del motor se incrementa la aceleración para la misma actuación sobre el acelerador en M y más en S, emite mayor cantidad de CO2

Homologación WLTP diésel (Renault Captur Blue dCi)

A la izquierda se ve el coche con motor diésel y a la derecha la adaptación didáctica comentada de la prueba de homologación de emisión de CO2 en función de la distancia recorrida.

La emisión de CO2 está relacionada con la aceleración y velocidad de circulación.

Los elementos de este automóvil diésel son estos:

M;t motor térmico diésel
E; embrague
CCm; caja de cambios manual. Con caja de cambios automatizada podría haber más de un embrague y si es automática convertidor de par
Dc; depósito de combustible
Rc; repostaje de combustible
Ac; sistemas anticontaminación del motor térmico diésel, bastante más complejos que con gasolina
Mando de respuesta del motor; E económico, M medio y S deportivo
Con esta tecnología y según el sistema anticontaminación se puede tener etiqueta B o C

En el gráfico de homologación WLTP a la derecha se representa lo siguiente:

En amarillo los resultados de emisión de CO2 según el recorrido y velocidad, es un programa para todos los automóviles que supone cambios de marcha, aceleraciones, retenciones, paradas y velocidades diferentes de circulación
En rojo; si el conductor se comporta de forma más exigente, acelerando más a fondo y alcanzando mayores velocidades y RPM, la emisión de CO2 (y consumo) suben proporcionalmente. También con el mando de selección de respuesta del motor se incrementa la aceleración para la misma actuación sobre el acelerador en M y más en S, emite mayor cantidad de CO2

Conducción real gasolina y diésel en carretera

Se representa en otra diapositiva para ambas tecnologías, gasolina y diésel.

Coches identificando sus componentes y emisión de CO2 según la distancia recorrida; arriba gasolina y debajo diésel:

En ambos se comparan con los gráficos los resultados en carretera en rojo con la homologación WLTP en amarillo
Se aprecia que en las líneas amarillas de homologación hay altibajos por las aceleraciones y deceleraciones, y en las rojas la velocidad en carretera es más constantes, con menos consumo y CO2
El consumo y emisiones de CO2 son menores al funcionar el motor a RPM más estables, y en zonas de buen rendimiento, manteniendo la velocidad de crucero
Estos resultados se alteran si se utilizan modos de respuesta del motor más prestacionales que E
Se ve como el consumo y emisión de CO2 son sensiblemente menores con motor diésel, aunque los sistemas de contaminación son bastante más complejos y pueden tener degradaciones prematuras según la utilización
Con estas tecnologías de gasolina y diésel según sus sistemas anticontaminación pueden tener las etiquetas “B” o “C”
En el motor de gasolina es más fácil acceder a la etiqueta “C”, en el diésel requiere de más elementos anticontaminación y recurrir a aditivos para su adecuada función

Homologación WLTP híbrido de asistencia en arranque y aceleración, micro híbrido o “mild Hybrid” (Mazda 2 90CV)

Cuando más consume y emite CO2 un automóvil con motor térmico es al arrancar en frío, iniciar la marcha y aceleraciones.

Para reducir estos efectos se aplica la tecnología que vamos a explicar, consiste en hacer que el alternador tenga también la función de motor de arranque, alterno – arranque y lo más habitual es que la electricidad la proporciona una batería de 48 V (voltios).

Con este sistema se puede prescindir del motor de arranque convencional o mantenerlo para la puesta en marcha del motor por el conductor.

El alterno – arranque permite también mejorar los resultaos de la función ”stop & start”.

Estos son los componentes representados en el automóvil que vemos arriba a la izquierda con esta tecnología:

Mt motor térmico de gasolina (podría ser diésel o de gas)
E embrague o convertidor de par
CCm caja de cambios manual, que podría ser automatizada o automática
Dc depósito de combustible del motor térmico
Rc repostaje de combustible del motor térmico
Al At alterno – arranque. Lo más habitual es que esté arrastrado por el motor como el alternador normal, pero también puede estar integrado en la caja de cambios
Ce calculador electrónico de control de la energía; determina los ciclos de asistencia eléctrica y paradas del motor térmico
Bp medio V son las baterías de propulsión que asisten al motor térmico y funcionan con voltaje medio (habitualmente 48V)
Ac sistemas anticontaminación del motor de gasolina (más complejo si es diésel)
Mando de respuesta del motor; E económico, M medio y S deportivo o prestacional
Esta tecnología favorece disponer de la etiqueta “ECO”

En el gráfico adaptado WLTP arriba a la derecha vemos las pruebas de homologación:

La línea amarilla representa los resultados según el protocolo establecido
En línea roja se ven los resultados si el conductor actúa más enérgicamente sobre el acelerador, o utiliza otros programas del selector del respuesta del motor que no sea E
También se incluye el resultado en la línea azul correspondiente a este automóvil sin el sistema de asistencia híbrida en aceleración como referencia

Homologación WLTP híbrido auto recargable (Toyota C – HR)

Este sistema se basa en que el desplazamiento del automóvil se pueda hacer mediante el motor térmico o eléctrico alimentado por baterías de propulsión, que se recargan exclusivamente en retenciones y frenadas.

Puede actuar el motor térmico, el eléctrico o ambos, es el sistema híbrido paralelo.

Al decelerar o frenar, el motor eléctrico pasa a ser generador recargando las baterías.

Se han mantenido las teclas de los modos de respuesta, pero pueden variar sus funciones al permitir adaptar la recarga de las baterías al decelerar, con más o menos intensidad.

Esto repercute en el efecto de deceleración que se produce, de hecho si se selecciona la de mayor capacidad de recarga la retención es tal que se puede circular sin que sea necesario prácticamente utilizar el pedal de freno.

Lo más habitual es que se inicie la marcha en eléctrico y al llegar a determinada velocidad, o acelerar más, se ponga en marcha el motor térmico, que será asistido en aceleraciones por el eléctrico.

Por supuesto en las paradas, se para el motor térmico.

Estos son los componentes que equipa el automóvil seleccionado situado abajo a la izquierda.

Puede haber otros elementos según los objetivos en automóviles con tecnología similar:

Mt motor térmico de gasolina (puede ser diésel o de gas)
Me motor o motores eléctricos y también generadores
Ccae caja de cambios automática a con asistencia eléctrica (podría ser automatizada)
Dc depósito de combustible para el motor térmico
Rc repostaje de combustible para el motor térmico
Ce calculador electrónico de control de la energía
Bp alto V baterías de propulsión habitualmente de medio o alto voltaje (en el entorno de 230 V)
Ac sistemas anticontaminación del motor de gasolina (más complejos con motor diésel)
Mando de respuesta del motor; E económico, M medio y S deportivo o prestacional. Habitualmente modifica los efectos de retención al decelerar y frenar
Esta tecnología permite disponer de la etiqueta “ECO”

En el gráfico adaptado WLTP abajo a la derecha vemos las pruebas de homologación:

La línea amarilla representa los resultados según el protocolo de homologación establecido
En línea roja se ven los resultados si el conductor actúa más enérgicamente sobre el acelerador, puede influir la posición de la selección de modo de funcionamiento (E, M y S)
También se incluye el resultado de circulación por carretera exclusivamente en la línea azul
El consumo y emisión de CO2 es mayor al no haber retenciones habituales como en ciudad para recargar las baterías, lo que hace que se circule casi todo el tiempo con el motor térmico

Homologación WLTP híbrido enchufable (Renault Captur E TECH)

Este sistema puede ser como el híbrido auto recargable paralelo, con más capacidad de las baterías de propulsión para aportar cierta autonomía de recorrido en fase eléctrica y poder cargar las baterías, además de en retenciones o frenadas, en la red eléctrica.

También puede ser híbrido serie, el motor térmico cuando funciona no mueve las ruedas, acciona un generador que suministra electricidad para el motor eléctrico que mueve las ruedas y también puede recargar las baterías.

Hay también automóviles híbridos enchufables que pueden funcionar como serie o paralelo.

Para centrarnos, el híbrido enchufable puede (y debe) cargar sus baterías de propulsión en la red eléctrica, lo que supone varias horas.

Hay cargadores rápidos que reducen el tiempo pero si se usan frecuentemente puede afectar a la duración de las baterías.

Estos son los componentes del hibrido enchufable que se ha seleccionado para las explicaciones de su tecnología:

Mt motor térmico de gasolina (¿diésel o gas?)
Ac sistemas anticontaminación (más complejos con motor diésel)
Me motores eléctricos y generadores
Ccae caja de cambios automatizada con asistencia eléctrica (podría ser automática)
Dc depósito de combustible del motor térmico
Rc repostaje de combustible del motor térmico
Ce calculador electrónico de control de la energía
Bp alto V baterías de propulsión de medio o alto voltaje (230 V o más)
Re recarga de las baterías de propulsión en la red eléctrica
La autonomía eléctrica depende de la energía de las baterías y ha de ser superior a 40 km para obtener la etiqueta “0” emisiones
Mando de respuesta o capacidad de recarga al retener y frenar; E, M y S

La homologación WLTP se hace en varias fases, midiendo en cada una emisiones de gases contaminantes, CO2 y consumo, como se ve en el gráfico:

Inicio con baterías de propulsión cargadas y se repite el test hasta que se llegue al mínimo de carga de baterías que autoriza el vehículo, y se pone en marcha el motor térmico
Con las baterías de propulsión descargadas se completa un último test con el motor térmico funcionando
En fase eléctrica según se descargan las baterías serán precisas más aportaciones del motor térmico en las secuencias de los test, se representan por las líneas en color naranja
Al final se hace una media entre ambas emisiones, introduciendo un factor de utilidad (UF “utility factor”), es la proporción de circulación en eléctrico
En un coche eléctrico es el 100% y con motor térmico el 0%
Las emisiones de CO2 se calculan por el % de autonomía en fase eléctrica con relación a la total
El resultado se representa por la línea amarilla
Si en circulación se conduce de forma más rápida aumenta el consumo y emisión de CO2 como se ve en la línea roja

Al llegar las baterías al mínimo de carga autorizada, si se continua circulando es con el motor térmico, tanto si la tecnología híbrida es paralelo o serie.

Saber como se recargan las baterías es determinante para valorar si realmente esta tecnología se comporta como la etiqueta “0” emisiones indica.

En la siguiente diapositiva valoramos los diferentes posibles resultados, pero antes nos hacemos algunas preguntas:

¿Se circula en ciudad siempre en fase eléctrica o no?
¿Se cargan habitualmente las baterías en la red eléctrica o no?
¿Se cargan habitualmente las baterías con el motor térmico tanto en carretera como ciudad?
¿Se circula lo más posible en modo económico o no?

Conducción híbrido enchufable con baterías descargadas

Un automóvil con esta tecnología no da información al exterior de con que energía se esta desplazando, eléctrica o térmica.

Se detecta que se mueve por el motor térmico si se aprecia en el escape o por el ruido, pero ambos no son fáciles de identificar estando en circulación, y al detenerse se para el motor térmico, si no se ha accionado el mando de recarga de baterías por el motor térmico.

Los componentes de este sistema de propulsión que corresponden a este coche son estos:

Mt motor de gasolina
Ac sistemas anticontaminación de gasolina
Me motores eléctricos y generadores
Ccae caja de cambios automatizada con asistencia eléctrica
Dc depósito de gasolina
Rc repostaje de gasolina
Ce calculador electrónico de control de la energía
Bp alto V baterías de propulsión de medio o alto voltaje (230 V o más)
Re recarga de las baterías de propulsión en la red eléctrica
Mando de respuesta o capacidad de recarga al retener y frenar; E, M y S

La autonomía eléctrica depende de la energía de las baterías y ha de ser superior a 40 km para obtener la etiqueta “0” emisiones.

En el gráfico vemos lo siguiente:

La referencia en amarillo de la homologación del ciclo WLTP, como se ha explicado en la anterior imagen
Marcha en carretera con el motor térmico sin utilizarlo para recargar las baterías en azul claro
Circulación en ciudad con el motor térmico sin que este cargue las baterías en naranja
Marcha en carretera con el motor térmico que también carga las baterías mediante el generador que mueve en azul oscuro
Uso en ciudad con el motor térmico en marcha que también carga las baterías mediante el generador en rojo

Con estos resultados se ve que para que no emita CO2 este sistema ha de circular en eléctrico, si se pone en marcha el motor térmico ya no es en realidad “0” emisiones:

Según como se utilice el automóvil híbrido enchufable así será el resultado de emisión de CO2 y depende de como actúe el conductor
Es posible circular emitiendo más CO2 de lo autorizado por la etiqueta sin que nada lo impida actualmente, incluso en ciudad o tráfico congestionado
Puede emitir más CO2 que lo correspondiente al motor térmico si se utiliza para desplazar el automóvil y recargar simultáneamente las baterías
Esta actitud implica alteraciones de emisión de CO2 proporcionales al tiempo que se circule en estas condiciones

Hay automóviles con motores de gasolina y diésel que disponen de muy altos valores de par y potencia, con emisiones sumamente elevadas de CO2 que incorporan baterías de propulsión y motores – generadores eléctricos para poder tener autonomía eléctrica superior a la necesaria para obtener la etiqueta “0“, pero en realidad depende de la actitud del conductor la emisión de CO2.

Esta tecnología en automóviles de alta gama, incluso deportivos, perfectamente asumible por sus elevados precios, tiene cierto contrasentido pues no se controla en que condiciones está circulando en cada momento, y en ciudad puede estar funcionando el motor térmico emitiendo muy altos valores de CO2.

Automóvil eléctrico (Hyundai Ioniq)

Esta tecnología tiene baterías de propulsión y uno más motores eléctricos, los componentes de este automóvil eléctrico son estos:

Ce calculador electrónico de control de la energía eléctrica
Motores eléctricos y generadores (se ve uno pero suele haber más)
Et engranajes de transmisión, no tiene embrague ni caja de cambios, son unos piñones de desmultiplicación de velocidad. Algún coche puede tener más de una relación, peor es excepción
Bp + alto V baterías de propulsión con voltajes altos, habitualmente más de 400 V
Re recarga de baterías en la red eléctrica. Es en esta situación cuando el automóvil eléctrico puede emitir CO2, bueno no directamente, sería la central generadora de electricidad según como la obtenga

Particularidades del automóvil eléctrico comparado con el térmico para todo tipo de utilizaciones:

Circulando no emite CO2 por el sistema de propulsión, etiqueta “0” emisiones
Autonomía insuficiente en carretera y muy sensible a la velocidad de circulación
Mucho tiempo de recarga, más de 10 horas en un enchufe doméstico
Si se utilizan habitualmente cargadores rápidos las baterías se degradan prematuramente
Suelen disponer de sistemas que controlan la velocidad de carga adaptándola a la que admite la batería para protegerla

Automóvil con pila de combustible de hidrógeno (Toyota Mirai)

Es un automóvil eléctrico que produce la electricidad mediante la reacción del oxígeno del aire con el hidrógeno que se aporta desde el depósito de combustible.

Esta electricidad permite mover las ruedas mediante un motor eléctrico.

Se dispone de batería de propulsión para asistir a la pila de combustible en algunos momentos.

El repostaje de hidrógeno lleva unos minutos y es similar a como se hace con GLP o GNC.

Estos son los componentes del automóvil representados con esta tecnología:

Ce calculador electrónico de control de la energía
Me motores y generadores eléctricos, puede haber más de uno
Et engranajes de transmisión, sin caja de cambios
Bp medio V dispone de baterías de propulsión de medio voltaje como complemento para algunas situaciones
PCh pila de combustible de hidrógeno
Dh depósito de hidrógeno
Rh repostaje de hidrógeno. Para que esta tecnología se realmente limpia se ha de fabricar el hidrógeno por medios que no emitan contaminantes ni CO2
OX entrada de aire con oxígeno
H2O salida de vapor de agua por el escape al exterior, o agua condensada

Comentarios sobre esta tecnología de pila de combustible de hidrógeno comparada con el motor térmico para todo tipo de utilizaciones:

Circulando no emite CO2 por el sistema de propulsión, etiqueta “0” emisiones
La autonomía es similar a la del motor térmico
Tiempo de repostaje de hidrógeno es como en el motor térmico
Es preciso fabricar y distribuir el hidrógeno

De las tecnologías que hemos visto, las dos que no emiten CO2 son la eléctrica y la pila de combustible de hidrógeno.

De estas, es la pila de combustible la que puede sustituir en todos sus aspectos de uso al automóvil con motor térmico.

Las híbridas, son tecnologías de transición hasta llegar a la que permite no emitir CO2 al circular, puede ser una o más según el tipo de uso, pero entonces haría falta un coche para ciudad o recorridos cortos o medios y otro para carretera.

Nuestro punto de vista, que hemos expuesto en repetidas ocasiones, es que la pila de combustible de hidrógeno es la más adecuada para el usuario, además ya está operativa pero no hay distribución de hidrogeno.

Puede que no se difunda o tarde en hacerlo al afectar a estamentos con intereses diversos que se verían afectados, pues esta tecnología no es útil únicamente como energía para mover el automóvil.

Otros enlaces

Vehículo híbrido eléctrico enchufable