Desarrollo
y validación de procedimientos de homologación de emisiones para vehículos
híbridos y eléctricos
Por: Anna Bonanomi
para https://www.electricmotorengineering.com
La evolución de los sistemas de propulsión vehicular, pasando de los motores
de combustión interna convencionales a los sistemas híbridos y eléctricos, ha
incrementado significativamente la complejidad de los ensayos de emisiones y
del cumplimiento normativo. En este trabajo se presenta el panorama actual de
los procedimientos de homologación de emisiones para vehículos híbridos y
eléctricos dentro del marco normativo europeo.
Introducción
Partiendo de los fundamentos de la combustión y la formación
de contaminantes, el estudio destaca la transición hacia metodologías de ensayo
más representativas, como el WLTP y las emisiones en conducción real (RDE),
diseñadas para reflejar mejor las condiciones de conducción del mundo real. Se
presta especial atención a los desafíos que plantean los vehículos
electrificados, en los que las emisiones dependen no solo del funcionamiento
instantáneo del motor, sino también de las estrategias de gestión de la energía
y del estado de carga de la batería.
Figura 1 – OVC-HEV, ensayo de Tipo 1 con agotamiento de
carga (Normas de emisiones de vehículos Euro 7 de la Comisión Europea:
Propuesta de nuevos límites de contaminantes para turismos, furgonetas,
camiones y autobuses. 2022; consultado en 2025)
Combustión y
emisiones
El origen de las emisiones de los vehículos reside en el
proceso de combustión, que sigue siendo el mecanismo predominante de conversión
de energía en los sistemas de propulsión convencionales. En los motores de
combustión interna, la energía química almacenada en los hidrocarburos se
libera mediante la oxidación, generando calor y trabajo mecánico. Sin embargo,
este proceso está intrínsecamente ligado a la formación de contaminantes, lo
que convierte a la combustión tanto en un activo tecnológico como en un desafío
medioambiental.
El proceso de combustión requiere tres elementos
principales: combustible, comburente e ignición. El combustible suele estar
compuesto por átomos de carbono e hidrógeno, mientras que el aire atmosférico
aporta el comburente, que contiene aproximadamente un 21 % de oxígeno. La
ignición puede producirse mediante una chispa (motores de encendido provocado)
o mediante compresión (motores de encendido por compresión).
En condiciones ideales, la combustión completa produce
dióxido de carbono (CO₂), vapor de agua (H₂O) y nitrógeno (N₂). No obstante,
los motores reales funcionan en condiciones transitorias, con mezclas
imperfectas, gradientes de temperatura y cargas dinámicas. Estas desviaciones
dan lugar a una combustión incompleta y a la formación de emisiones nocivas,
como monóxido de carbono (CO), hidrocarburos (HC) y óxidos de nitrógeno (NOx).
Un concepto clave para comprender las emisiones es la
conservación de la masa. Los átomos que entran en el motor no desaparecen; se
reorganizan para formar moléculas diferentes. Esto significa que las emisiones
no se eliminan, sino que se transforman. La calidad de la combustión —y, por
tanto, las emisiones— depende de múltiples parámetros, entre ellos:
La relación aire-combustible;
La carga y el régimen del motor;
El avance del encendido;
La temperatura de combustión.
Estos parámetros influyen directamente en los mecanismos de
formación de contaminantes. Por ejemplo, las altas temperaturas favorecen la
formación de NOx, mientras que las mezclas ricas aumentan las emisiones de CO y
HC.
La necesidad de controlar las emisiones, tanto para los
organismos reguladores como para los fabricantes, ha impulsado el desarrollo de
normativas cada vez más estrictas y el auge de los sistemas de propulsión
híbridos y eléctricos.
Norma europea de
emisiones de escape
El marco normativo europeo sobre emisiones es uno de los
sistemas más estructurados y avanzados del mundo. Está diseñado no solo para
limitar las emisiones contaminantes, sino también para estandarizar la forma en
que se miden, garantizando la comparabilidad entre vehículos y fabricantes.
La evolución desde la norma Euro 1 hasta la Euro 6 refleja
un endurecimiento continuo de los límites de emisiones y un enfoque cada vez
mayor en la relevancia para las condiciones reales de uso. Las primeras normas
abordaban principalmente las emisiones de CO y HC, mientras que las
regulaciones posteriores introdujeron límites para los NOx y las partículas, lo
que influyó significativamente en el desarrollo de los motores diésel.
Se produjo un cambio fundamental con la introducción de la
norma Euro 6, que no solo redujo los límites de emisiones, sino que también
redefinió la metodología de ensayo. El objetivo ya no era únicamente cumplir
con los requisitos de laboratorio, sino alinearse con las condiciones de
conducción reales.
La transición del Nuevo Ciclo de Conducción Europeo (NEDC)
al Procedimiento Mundial Armonizado para Ensayos de Vehículos Ligeros (WLTP)
marcó uno de los cambios más significativos en la normativa europea, ya que el
WLTP se desarrolló utilizando datos de conducción real recopilados a nivel
mundial, lo que lo hace mucho más representativo del uso real de los vehículos.
El ciclo WLTP se estructura en cuatro fases:
baja velocidad (conducción urbana);
velocidad media (condiciones suburbanas);
alta velocidad (conducción en carreteras secundarias);
velocidad muy alta (conducción en autopista).
Cada una de ellas incorpora aceleraciones, desaceleraciones
y paradas para reflejar mejor los patrones de conducción reales, introduciendo
así una mayor variabilidad en la carga del motor y en las condiciones de
funcionamiento, lo que da lugar a mediciones de emisiones más realistas. Además
de los ensayos en laboratorio, la norma Euro 6 introdujo también el ensayo de
emisiones en conducción real (RDE, por sus siglas en inglés), que consiste en
medir las emisiones en vías públicas mediante equipos portátiles para
garantizar que los vehículos cumplan los límites no solo en condiciones
controladas, sino también en escenarios reales.
Asimismo, la aparición de vehículos híbridos y eléctricos
exigió un cambio fundamental en la filosofía normativa, dado que estos
vehículos operan en múltiples modos y sus emisiones dependen de factores como
el uso de la batería, el comportamiento del conductor y las estrategias de
control; en consecuencia, la normativa hace hincapié ahora en aspectos como el
balance energético (estado de carga de la batería), las transiciones entre los
modos eléctrico y de combustión, la repetibilidad de las condiciones de ensayo
y unos criterios de finalización claramente definidos, garantizando así
mediciones de emisiones coherentes y fiables, independientemente de cómo
gestione el vehículo su energía.
Normativa
El marco normativo que regula las pruebas de emisiones ha
evolucionado progresivamente desde un conjunto de procedimientos de laboratorio
relativamente sencillos hasta un sistema altamente complejo, diseñado para
captar el comportamiento real de sistemas de propulsión cada vez más
sofisticados. Esta evolución ha sido impulsada no solo por objetivos
medioambientales más estrictos, sino también por la introducción de vehículos
híbridos y eléctricos, cuya lógica de funcionamiento no puede describirse
mediante una única condición de régimen estacionario.
En los vehículos convencionales con motor de combustión
interna (ICE), las emisiones están directamente vinculadas a la combustión del
combustible. Por ello, los procedimientos normativos se centraban
históricamente en ciclos de conducción reproducibles, realizados en condiciones
de laboratorio controladas. Sin embargo, incluso en este escenario
aparentemente sencillo, garantizar la reproducibilidad exige un control
estricto de las condiciones de contorno, tales como la temperatura, el
acondicionamiento del vehículo y la precisión en el seguimiento del perfil de
conducción.
Con los vehículos electrificados, la situación se vuelve
considerablemente más compleja. Las emisiones ya no dependen únicamente del
funcionamiento instantáneo del motor, sino también del historial de uso de
energía del vehículo.
En particular, el estado de carga (SOC) de la batería
desempeña un papel fundamental, ya que determina si el vehículo opera en modo
eléctrico, en modo híbrido o en un modo dominado por la combustión. Esto
introduce una dimensión temporal en las pruebas de emisiones: el resultado
depende no solo de lo que el vehículo está haciendo en ese momento, sino
también de lo que ha hecho anteriormente.
Figura 3
Vehículos con motor
de combustión interna (ICE)
Para los vehículos con motor de combustión interna (ICE), la
lógica normativa se basa en el concepto de repetibilidad. El objetivo es
garantizar que dos vehículos idénticos, sometidos a pruebas en laboratorios
diferentes, arrojen resultados comparables. Para lograrlo, el procedimiento de
ensayo comienza con una fase de preacondicionamiento, durante la cual el
vehículo se estabiliza bajo condiciones ambientales controladas. Este paso es
fundamental, ya que la temperatura del motor, la viscosidad del lubricante y la
eficiencia de los sistemas de postratamiento dependen de la temperatura.
Una vez estabilizado, el vehículo se somete al ciclo de
conducción WLTP en un dinamómetro de chasis. El dinamómetro simula la carga de
rodadura, permitiendo que el vehículo «circule» mientras permanece estático. El
conductor debe seguir una curva de velocidad predefinida, y hasta las
desviaciones más leves pueden invalidar la prueba. Por ello se emplean sistemas
de asistencia a la conducción como AVL DriverAid: estos proporcionan
información en tiempo real para asegurar que la velocidad del vehículo se
ajuste con precisión al perfil prescrito.
El ciclo WLTP en sí no es una simple prueba de velocidad
constante, sino una secuencia altamente dinámica de aceleraciones,
deceleraciones y fases de régimen constante.
Esta variabilidad es crucial, ya que obliga al motor a
operar en un amplio rango de condiciones, revelando un comportamiento de
emisiones que no sería visible bajo un funcionamiento en régimen estacionario.
Paralelamente a las pruebas de laboratorio, los
procedimientos de emisiones en conducción real (RDE, por sus siglas en inglés)
amplían la evaluación a condiciones del mundo real. En este caso, el vehículo
circula por vías públicas mientras sistemas de medición portátiles registran
las emisiones. Este enfoque dual —laboratorio y mundo real— garantiza que los
vehículos no se optimicen únicamente para las condiciones de ensayo, sino que
ofrezcan un rendimiento constante en el uso cotidiano.
Vehículos híbridos
enchufables (OVC-HEV)
Los vehículos híbridos eléctricos enchufables (OVC-HEV, por
sus siglas en inglés) plantean un paradigma fundamentalmente distinto. Estos
vehículos pueden funcionar utilizando energía eléctrica almacenada en la
batería, energía generada por el motor de combustión interna o una combinación
de ambas. En consecuencia, sus emisiones no pueden caracterizarse mediante un
único ciclo de pruebas.
La solución normativa ante esta complejidad consiste en
definir condiciones de funcionamiento diferenciadas, principalmente los modos
de agotamiento de carga (CD) y de mantenimiento de carga (CS). Estos modos no
son etiquetas arbitrarias, sino que reflejan el balance energético subyacente
del vehículo. En las operaciones de agotamiento de carga (*charge-depleting*),
el vehículo depende en gran medida de la batería y la energía eléctrica
almacenada disminuye con el tiempo. Este modo refleja situaciones reales en las
que un híbrido enchufable comienza con la batería totalmente cargada y pasa
gradualmente a un funcionamiento híbrido. Desde el punto de vista de los ensayos,
esto requiere la realización de ciclos de conducción repetidos. El vehículo
recorre ciclos WLTP consecutivos y, tras cada ciclo, el sistema evalúa si se ha
producido la transición al régimen de mantenimiento de carga
(*charge-sustaining*); véase la figura 1.
Esta transición no se define mediante un único parámetro,
sino mediante un criterio de finalización que refleja la estabilización del
balance energético. En la práctica, el ensayo continúa hasta que la batería
deja de agotarse en promedio, lo que indica que el vehículo ha alcanzado un
funcionamiento híbrido en estado cuasiestacionario. En ese momento, se
identifica el ciclo en el que se produce la transición y se lleva a cabo un
ciclo de confirmación adicional para garantizar la coherencia de los resultados.
Por el contrario, la condición de mantenimiento de carga
representa un funcionamiento híbrido en estado estacionario, en el que la
batería actúa como elemento de compensación (*buffer*) y no como fuente de
energía principal.
En este caso, la energía extraída de la batería durante la
conducción se compensa aproximadamente con la energía recuperada mediante el
frenado regenerativo o generada por el propio motor. Gracias a este equilibrio,
basta con un único ciclo WLTP para caracterizar las emisiones.
Lo que hace especialmente interesante el ensayo de los
vehículos OVC-HEV es la posibilidad de combinar estos modos en distintas
secuencias. Por ejemplo, un ensayo puede comenzar en modo de agotamiento de
carga y pasar posteriormente al modo de mantenimiento de carga, o viceversa.
Estas combinaciones no son meras variaciones procedimentales; están diseñadas
para reflejar diferentes patrones de uso en condiciones reales y garantizar que
el vehículo funcione de manera coherente en todas las condiciones operativas.
NOVC-HEV
Los vehículos eléctricos híbridos no enchufables (NOVC-HEV)
simplifican el problema al prescindir de la carga externa. En estos vehículos,
la batería se carga siempre internamente, ya sea mediante el frenado
regenerativo o a través del propio motor. Como resultado, el vehículo opera
exclusivamente en régimen de mantenimiento de carga.
Desde una perspectiva normativa, esto significa que
desaparece la complejidad asociada al funcionamiento en modo de agotamiento de
carga. No es necesario realizar un seguimiento del agotamiento de la batería a
lo largo de múltiples ciclos, ni se requiere un criterio de finalización. En su
lugar, la prueba se centra en garantizar que el vehículo funcione en
condiciones de equilibrio energético estable, lo cual puede lograrse tras un
único ciclo de preacondicionamiento seguido de un ciclo de prueba WLTP. A pesar
de esta simplificación, es importante señalar que el sistema híbrido sigue
influyendo en las emisiones.
Procedimiento de
ensayo
Si bien las definiciones normativas proporcionan el marco de
referencia, la implementación real de los ensayos de emisiones se lleva a cabo
en un entorno de software altamente estructurado. En este trabajo, los
procedimientos se han implementado en la plataforma de automatización AVL i4Lx,
la cual coordina todas las fases del ensayo, desde la inicialización hasta la
adquisición de datos y el procesamiento de resultados (figura 3).
El ensayo de vehículos híbridos y eléctricos requiere un
enfoque multidisciplinario que integre sistemas mecánicos, eléctricos y de
software. La complejidad surge de la necesidad de monitorizar tanto los flujos
de energía provenientes del combustible como los de origen eléctrico.
Una celda de ensayo típica incluye:
dinamómetro de chasis para la simulación de carga;
sistemas de refrigeración para la gestión térmica;
analizadores de gases para la medición de emisiones;
software de automatización para el control del ensayo.
Para los vehículos electrificados, se requieren componentes
adicionales:
sistemas de monitorización de la batería (seguimiento del
SOC);
analizadores de potencia (tensión, corriente, flujo de
energía);
sistemas de seguridad de alta tensión;
lógica de control para el funcionamiento híbrido.
Vehículos con motor
de combustión interna (ICE)
El proceso de ensayo para vehículos con motor de combustión
interna comienza con la configuración del entorno de prueba. El operador
selecciona los parámetros adecuados, incluidas las características del
vehículo, las condiciones ambientales y el ciclo de conducción que se
utilizará. Esta fase de configuración no es meramente administrativa; define
las condiciones de contorno que garantizan la validez del ensayo.
Una vez configurado el sistema, se carga el perfil de
velocidad WLTP en el sistema AVL DriverAid. Este paso es crucial, ya que todo
el ensayo depende de la capacidad del conductor para seguir el perfil de
velocidad prescrito. La interfaz de AVL DriverAid proporciona información en
tiempo real, mostrando tanto la velocidad objetivo como la velocidad real del
vehículo, junto con la desviación admisible.
Al comenzar el ensayo, el vehículo se opera sobre el
dinamómetro de chasis y se registran continuamente todos los datos relevantes:
emisiones, consumo de combustible y parámetros del motor. El software de
automatización asegura la sincronización entre los diversos sistemas de
medición, garantizando que todos los datos estén alineados temporalmente.
Vehículos OVC-HEV
En el caso de los vehículos híbridos enchufables (OVC-HEV),
el procedimiento de ensayo se vuelve considerablemente más dinámico. El
software no solo debe controlar la ejecución del ciclo de conducción, sino
también monitorizar el estado interno del vehículo, particularmente el estado
de carga (SOC) de la batería. En las pruebas de agotamiento de carga
(*charge-depleting*), el procedimiento comienza con una fase de
acondicionamiento previo, seguida de la ejecución del ciclo WLTP. Al finalizar
cada ciclo, el software evalúa si se ha alcanzado la condición de finalización.
De no ser así, el ciclo se repite automáticamente. Este bucle continúa hasta
que el sistema detecta que el vehículo ha pasado a un modo de funcionamiento de
mantenimiento de carga (*charge-sustaining*).
Uno de los aspectos más delicados de este procedimiento es
la gestión del evento de finalización. Cuando se alcanza dicha condición, la
prueba debe concluirse de manera controlada. El vehículo no puede detenerse
bruscamente; por el contrario, debe desacelerar suavemente hasta detenerse por
completo dentro de un intervalo de tiempo definido. Este requisito garantiza
tanto la seguridad como la coherencia entre las distintas pruebas.
En las pruebas de mantenimiento de carga, el procedimiento
es más sencillo. Tras el acondicionamiento previo, el vehículo realiza un único
ciclo WLTP. Dado que el balance energético es estable, no es necesario repetir
ciclos ni detectar condiciones de finalización.
Cuando se utilizan modos de prueba combinados, el software
debe gestionar las transiciones entre fases. Esto incluye supervisar la finalización
del acondicionamiento previo, identificar la etapa actual de la prueba y
asegurar que cada fase se ejecute en la secuencia correcta. La complejidad de
esta lógica pone de relieve la importancia de la automatización en las pruebas
de emisiones modernas.
Vehículos NOVC-HEV
El procedimiento de prueba para los vehículos NOVC-HEV
refleja su principio de funcionamiento más simple. Tras el acondicionamiento
previo, el vehículo realiza un único ciclo WLTP en condiciones de mantenimiento
de carga. La ausencia de carga externa y de funcionamiento con agotamiento de
carga elimina la necesidad de repetir ciclos o aplicar una lógica de
finalización.
No obstante, el software debe garantizar que el vehículo se
inicialice correctamente y que todos los sistemas de medición estén
sincronizados. Incluso en un escenario simplificado, la precisión sigue siendo
fundamental.
Vehículos PEV
(vehículos eléctricos)
En el caso de los vehículos PEV, el procedimiento de prueba
se centra en la energía más que en las emisiones. En las pruebas consecutivas,
el ciclo WLTP se repite hasta que se agota la batería. El software supervisa
continuamente el rendimiento del vehículo y la prueba finaliza cuando se
alcanza la condición de terminación.
En las pruebas de ciclo reducido, el procedimiento adquiere
una estructura más definida. El software alterna entre segmentos dinámicos y
segmentos de velocidad constante, gestionando las transiciones y asegurando que
el vehículo siga el perfil prescrito. La condición de finalización suele producirse
durante el segundo segmento dinámico, marcando el fin de la prueba. Lo que
distingue a las pruebas de vehículos eléctricos (PEV) es la necesidad de
integrar mediciones eléctricas en la evaluación. El consumo de energía se
calcula en función tanto de la energía consumida...
