Análisis de la tecnología full hybrid (HEV), un sistema
híbrido que no requiere conexión a la
red eléctrica
La tecnología Full Hybrid o HEV (Hybrid Electric
Vehicle) es un sistema de propulsión que combina un motor de combustión interna
(generalmente naftero) con uno o más motores eléctricos y una batería
autorrecargable. Su característica principal es que puede desplazar al vehículo
utilizando exclusivamente energía eléctrica a bajas velocidades y durante
distancias cortas, sin necesidad de enchufarse a la red eléctrica.
A.- ¿Cómo funciona la tecnología HEV?
El vehículo gestiona de manera automática e
inteligente el uso de ambos motores a través de una unidad de control,
alternando o combinando sus fuentes tractoras según las circunstancias de conducción. En el caso
de arranque y baja velocidad, el coche inicia la marcha utilizando únicamente
el motor eléctrico. Esto permite circular en entornos urbanos o situaciones de
tráfico pesado en un modo 100% silencioso y con cero consumo de combustible
líquido. En el caso de aceleración y pendientes, que es cuando se requiere
mayor potencia, el motor de combustión se enciende automáticamente. Ambos
motores trabajan juntos para ofrecer una respuesta óptima. A velocidad de
crucero, por ejemplo: en autopista, el motor de combustión suele asumir el
control principal, operando en su rango de mayor eficiencia, mientras recarga
la batería si es necesario.
Los autos HEV son “autorrecargables”
porque nunca se enchufan. La energía se obtiene de dos maneras, a través del frenado
regenerativo, esto es, al soltar el acelerador
o pisar el freno, el motor eléctrico invierte su función y actúa como un generador,
transformando la energía cinética de la desaceleración en electricidad para
recargar la batería.
Y por otro lado, el propio motor térmico puede
accionar un generador para enviar energía sobrante a la batería mientras el
auto avanza.
Diferencias
clave con otros híbridos
Se ubica en el medio de las tres tecnologías
principales:
Principales
ventajas
Este mix trae un ahorro de combustible notable. Son
extremadamente eficientes en ciudad, reduciendo el consumo drásticamente
gracias al uso continuo del motor eléctrico en el tráfico pesado. Marcas como Toyota (con modelos pioneros como
el Corolla o el Prius), Honda (con su sistema e:HEV) y Renault (con los motores
E-Tech) son los principales referentes de esta tecnología en el mercado.
B.- Que hay acerca de la autonomía ¿?
Un vehículo híbrido completo (Full Hybrid o HEV)
logra una autonomía teórica entre los 700
– 1000 kilómetros, de acuerdo a lo que
se publicita, combinando la alta densidad energética de la nafta con la eficiencia extrema de la asistencia
eléctrica.
1.-
Gestión de los Motores (E-CVT y Ciclo Atkinson)
Sincronización Inteligente:
La computadora a bordo del auto decide constantemente qué motor usar. Apaga el
motor térmico en semáforos o velocidad constante baja. Transmisión E-CVT: No tiene marchas tradicionales. Conecta ambos
motores mediante engranajes planetarios. Mantiene el motor de combustión en su
zona de máximo rendimiento
e-CVT (Transmisión Continuamente
Variable Electrónica)
Es
una caja de cambios exclusiva de vehículos híbridos. A diferencia de las CVT
convencionales, no usa poleas ni correas metálicas, sino un engranaje
planetario y motores eléctricos que logran una aceleración fluida y máxima
eficiencia.
En
lugar de cambiar de marcha físicamente, el sistema e-CVT utiliza tres
componentes principales conectados a través de un engranaje planetario:
Motor
de combustión: Aporta la fuerza principal.
Motor
eléctrico 1 (MG1): Actúa principalmente como generador y ajusta la velocidad
del motor de combustión.
Motor
eléctrico 2 (MG2): Impulsa el vehículo junto con el motor térmico y actúa como
generador en el frenado (frenado regenerativo)
Ciclo Atkinson
Un
motor de combustión que funciona de acuerdo a un ciclo Atkinson es un tipo de maquina diseñada
para maximizar la eficiencia térmica. Inventado en 1882 por el ingeniero
británico James Atkinson quien diseñó su motor basándose en el motor de cuatro
tiempos de ciclo Otto, buscando inicialmente una alternativa que evitara las
patentes restrictivas de la época. Logra un menor consumo de combustible que
los motores tradicionales (que funcionan bajo ciclo Otto) porque retrasa el
cierre de la válvula de admisión, sacrificando parte de su potencia. Mientras
que un motor que funciona bajo ciclo
Otto cierra la válvula de admisión apenas el pistón comienza a subir para
comprimir la mezcla, el motor con ciclo Atkinson mantiene la válvula abierta
durante la primera parte de la carrera de compresión.
A
raíz de este comportamiento, la fase de
compresión se acorta, al mantener la válvula abierta, parte de la mezcla
aire-combustible es devuelta al colector de admisión (Ver diagrama
Presión-Volumen). La compresión real comienza recién cuando la válvula se
cierra. Lo cual implica que la carrera de expansión (producto de la explosión)
es más larga que la carrera de compresión. Esto permite extraer más energía
útil de cada unidad de combustible y
reducir la temperatura de los gases.
Como todo tiene sus ventajas y
desventajas
Como
ventajas podemos mencionar una mayor eficiencia ya que extrae más energía del
combustible, reduciendo el consumo y las emisiones. Se caracteriza por una baja
fricción y temperatura al comprimir menos mezcla, el motor trabaja más relajado
y se calienta menos. Como desventaja, obtenemos una menor potencia, al expulsar
parte de la mezcla durante la compresión, el motor tiene menos torque y genera
menos potencia máxima en comparación a un motor Otto de igual tamaño. El motor
de ciclo Atkinson logra una eficiencia térmica de entre el 35% y el 41%,
superando a los motores de ciclo Otto convencionales.
Ciclo Miller
Es
similar al ciclo Atkinson, pero en el ciclo Miller se compensa la pérdida de
masa de aire inicial mediante el uso de un turbocompresor o compresor
volumétrico.
2.-
Recuperación y Almacenamiento de Energía
Frenado
Regenerativo, como se dijo, el motor eléctrico actúa como generador al
desacelerar. Transforma la energía cinética del movimiento remanente en
electricidad.
Carga
en Movimiento, el motor de combustión recarga la batería sobrante mientras
funciona. Nunca se enchufa a una fuente de energía exterior. La batería
Auto-Sustentable, es pequeña pero de carga y descarga ultra rápida. Mantiene un
ciclo óptimo entre el 20% y el 80% de capacidad. El arranque y la reversa son
100% eléctricos. Son los momentos donde un motor de combustión Otto/Miller consume
más combustible.
C.- Cálculo de la autonomía
Por
ejemplo, un tanque promedio de un auto mediano tiene 43 litros. Si el sistema
híbrido logra un consumo promedio teórico de 4.7 litros cada 100 kilómetros
(más de 21 km/l), el cálculo matemático estricto (43 / 4.7 * 100) otorga 914
kilómetros de autonomía total.
Pero,
como logra el sistema híbrido un consumo promedio teórico de 4.7 litros cada
100 kilómetros?
El
sistema híbrido logra este consumo
promedio teórico eliminando los momentos de mayor desperdicio de energía y
haciendo que el motor de combustión Atkinson/Miller trabaje solo en su punto de
máxima eficiencia.
De
qué manera se alcanza:
1.- El 80% del tiempo urbano en modo eléctrico
En
ciudad, un auto convencional consume más combustible al arrancar desde el
reposo y en el tráfico pesado. Un Full Hybrid soluciona esto de raíz, porque el
motor eléctrico se encarga de mover el auto al iniciar la marcha. No se gasta
una sola gota de combustible en los semáforos. Por otro lado, siempre que el
auto se detiene, desacelera o avanza a baja velocidad, el motor térmico se
apaga por completo. El sistema eléctrico mantiene el aire acondicionado y las
pantallas funcionando.
Uso
eficiente en ciudad: En trayectos urbanos, el vehículo puede circular hasta un
80% del tiempo en modo 100% eléctrico, acumulando kilómetros recorridos a
"costo cero" de combustible líquido.
2.- Reciclaje de energía
Un auto tradicional convierte toda la energía del
movimiento en calor inútil en los frenos. El híbrido la recicla, al soltar el
acelerador o pisar el freno, el motor eléctrico gira a la inversa. Funciona
como un generador que retiene el auto y recupera esa energía cinética para
enviarla a la batería en forma de electricidad.
Carga de oportunidad, si la batería está baja y vas
a velocidad constante, el motor de combustión genera un pequeño excedente de
fuerza para mover un generador y cargarla, sin aumentar casi nada su consumo
El motor térmico trabaja bajo sus propias reglas, el
motor de combustión de un híbrido no está conectado directamente a las ruedas
como en un auto estándar, depende de la computadora de gestión de energía:
Ciclo
Atkinson/Miller: El motor está diseñado mecánicamente para ahorrar. Aunque
entrega menos potencia inmediata que un motor convencional (Ciclo Otto), extrae
mucha más energía por cada gota de combustible.
Zona
de eficiencia óptima: Gracias a la transmisión inteligente (como la E-CVT de
marcas como Toyota), el motor de combustión casi nunca trabaja
"forzado" ni a revoluciones excesivas. La computadora lo mantiene
exactamente en las revoluciones donde consume menos, usando el motor eléctrico
para aportar la fuerza que falte.
Se
puede decir que es la combinación ideal,
ya que al promediar los tramos de consumo cero (eléctrico puro) con los
momentos donde el motor de combustión funciona de manera híper-eficiente en ruta,
se obtiene la cifra homologada de 4.7 litros.
D.- ¿Cómo cambia este consumo si se maneja a más de 120 km/h
A
velocidades superiores a los 120 km/h, el consumo de un Full Hybrid aumenta
significativamente, elevándose típicamente de esos 4.7 litros teóricos a un
rango de entre 5.5 y 6.5 litros cada 100 kilómetros (o incluso más según el
modelo).
1.
El motor térmico trabaja al 100%
Sin
modo eléctrico: A más de 120 km/h, la demanda de energía es demasiado alta para
la pequeña batería y el motor eléctrico. El motor de gasolina debe estar
encendido todo el tiempo para mantener el ritmo.
Carga
de la batería: Como ya no frena ni desacelera, el motor térmico tiene que
realizar un esfuerzo doble: mover el auto y, al mismo tiempo, arrastrar el
generador, si es necesario, para que la batería no se descargue por completo
La física juega en contra (Resistencia aerodinámica)
Resistencia exponencial: La resistencia del aire no
aumenta de forma lineal, sino al cuadrado de la velocidad. Mover un auto a 130
km/h requiere casi el doble de potencia que moverlo a 90 km/h.
Diseño del motor: El motor de ciclo Atkinson
(diseñado para ahorrar) se ve obligado a operar a altas revoluciones fuera de
su zona de máxima eficiencia, lo que dispara el gasto de combustible.
Resumen del impacto
A
pesar del incremento, un híbrido a 120 km/h sigue consumiendo igual o un poco
menos que un auto convencional equivalente gracias a su transmisión eficiente
(E-CVT), pero pierde la ventaja demoledora que tiene en la ciudad. Al subir el
consumo a un rango de 5.5 a 6.5 litros cada 100 kilómetros en autopista, la
autonomía teórica de 914 km se reduce a un rango de entre 660 y 780 kilómetros
con el mismo tanque de 43 litros.
Así
cambia el cálculo matemático exacto según tu velocidad y estilo de manejo a más
de 120 km/h:
Manejo
estable, a 120 km/h (Consumo de 5.5 L/100 km)
Cálculo:
(43 litros / 5.5) * 100 Autonomía:
781 kilómetros.
Pérdida:
Reduces unos 133 kilómetros respecto al óptimo teórico.
Manejo
rápido, a 130 km/h o con viento en contra (Consumo de 6.5 L/100 km)
Cálculo:
(43 litros / 6.5) * 100 Autonomía:
661 kilómetros.
Pérdida:
Pierdes 253 kilómetros de autonomía debido a la resistencia del aire.
¿Por
qué sigue siendo un buen número?
Aunque
pierdas entre un 15% y un 28% de autonomía, una autonomía de 700 kilómetros en ruta
sigue siendo competitivo. Esto se logra porque el motor térmico está muy bien
optimizado, superando aún a muchos autos medianos convencionales de nafta que
en esas condiciones bajan de los 500 kilómetros por tanque.
E.- Núcleo del balance energético
automotriz
Vamos a realizar una evaluación energética, porque
cuando el motor eléctrico funciona, es a expensa de la energía que genero el térmico
+ generador y almaceno en la batería. Esto es “energía generada por el térmico
por Km eléctrico”. Luego si funciona
solo el térmico, “energía generada por el térmico por Km térmico”.
Si el motor térmico proporciona la energía, la pasa
por un generador, la almacena en una batería y luego la usa en un motor
eléctrico, se añaden pérdidas en cada paso. Sin embargo, la física y
la ingeniería demuestran que el "kilómetro eléctrico" (generado
indirectamente por el térmico) termina siendo más eficiente, en ciudad, que el
"kilómetro térmico" directo. Evaluamos energéticamente por qué ocurre
esta aparente paradoja.
El gran secreto: Es el punto de máxima eficiencia
(BSFC), el “consumo específico de combustible en un dinamómetro” (BSFC, por sus
siglas en inglés) es un parámetro que refleja la eficiencia de un motor de
combustión interna que quema combustible y produce potencia rotacional.
Un motor térmico convencional es sumamente
ineficiente a bajas revoluciones, al arrancar o en el tráfico (rango donde su
eficiencia cae a un 10% - 15%). En cambio, en autopista a velocidad constante,
su eficiencia óptima alcanza el 35% - 40%. El sistema Full Hybrid rompe la
conexión directa entre lo que exige el conductor y cómo trabaja el motor térmico:
Baja Demanda en Ciudad ----- El sistema enciende el motor térmico a
propósito en su zona óptima (Ej: 38% de eficiencia) ----- El exceso de energía va al generador y se
almacena en la batería ------ El motor
térmico se apaga y el auto avanza en modo 100% eléctrico.
En este punto evaluamos cuánta energía química del
combustible aprovechamos para mover las ruedas en ambos escenarios (asumiendo
pérdidas de conversión promedio del 10% en cada paso eléctrico):
1. Kilómetro Térmico Puro en Ciudad (tráfico/arranques)
El motor opera fuera de su zona óptima debido a las
constantes detenciones. Eficiencia del motor térmico: ~15%. Energía real en las ruedas: 15% de la energía
del combustible (El 85% se desperdicia por completo en calor y fricción).
2. Kilómetro Eléctrico en Ciudad (Generado por el térmico)
El motor térmico enciende únicamente para cargar la
batería, fijando sus revoluciones en su zona de máxima eficiencia.
Eficiencia inicial del motor térmico: ~38%
Pérdida del Generador (-10%): El 38% se convierte en
34.2% de energía eléctrica. Pérdida Química de la batería al cargar/descargar
(-10%): Baja a 30.7%.
Pérdida del Motor Eléctrico al mover el auto (-10%):
Baja a 27.6%.
Energía real en las ruedas: ~27.6%.
Como resultado de toda esta evaluación tenemos que aunque
la energía del kilómetro eléctrico sufrió pérdidas de conversión, es casi el
doble de eficiente (27.6% vs. 15%) que haber usado el motor térmico
directamente para arrancar y frenar en el tráfico
Hay dos
variables ocultas del balance real para que la evaluación energética sea justa,
debemos añadir al análisis dos factores críticos que cambian las matemáticas a
favor del híbrido, que son:
El frenado Regenerativo,
en ciudad, hasta el 30% de la energía almacenada en la batería no proviene del
motor térmico, sino de recuperar la energía cinética al frenar (que en un auto
convencional se disipa totalmente como calor en los frenos). Esto eleva drásticamente
el rendimiento global de los kilómetros eléctricos.
Y la eliminación del ralentí, ya que el motor
térmico jamás trabaja gastando combustible mientras el auto está detenido.
Se invierte el balance y el análisis inicial se
vuelve 100% correcto cuando el auto sale
a la ruta. A altas velocidades constantes, el motor térmico ya se encuentra por
sí solo en su zona de máxima eficiencia (35%-40%). Si en ese escenario
quisiéramos usar el motor térmico para cargar la batería y movernos con el
eléctrico, las pérdidas de conversión (38% → 27.6%) jugarían en contra. Por
eso, el cerebro electrónico del Full Hybrid desconecta el sistema eléctrico a
altas velocidades y prioriza el uso del motor térmico directo a las ruedas.
F.- Pero, como se mide esos 4.7 litros/100 Km ¿?
A
través del consumo mixto homologado WLTP (Worldwide harmonized Light vehicles
Test Procedure, Procedimiento de prueba armonizado a
nivel mundial para vehículos ligeros) que es el promedio de combustible o
energía que consume un vehículo calculado a través del ciclo de pruebas. El
ciclo WLTP es un estándar global de pruebas
de emisiones, consumos y autonomías.
En
estos test, que son la referencia
especialmente en Europa, se pretende simular
condiciones de conducción realistas, pero, ¿hasta qué punto se ajustan a
la realidad de cada uno de nosotros?
Lo
cierto es que es imposible conseguir un test que nos sirva a todos. Obviamente,
cada uno tiene un estilo de conducción, diferentes recorridos, diferentes
temperaturas, altitudes, entre otros. Pero el hecho de que no se ajuste a todos
no quiere decir que no tenga un valor comparativo interesante, puesto que es el
mismo proceso para todos los coches de una misma tecnología.
Se
trata de una prueba, de forma general, de 30 minutos de duración y 23,3
kilómetros, en la que se replican en laboratorio una serie de simulaciones que
pretender reflejar una variedad de circunstancias de conducción.
Este
protocolo estandarizado mundial simula condiciones de conducción divididas en
cuatro fases: baja, media, alta y muy alta velocidad, permitiendo comparar
objetivamente la eficiencia de diferentes modelos.
En
el proceso de testeo se intentan replicar diferentes circunstancias de
conducción de acuerdo a los subciclos:
–
Bajo
–
Medio
–
Alto
–
Muy alto
El
único dato que a menudo encontraremos publicado por parte de los fabricantes es
el correspondiente a la media de todos los ciclos, es lo que se conoce como consumo en ciclo combinado WLTP.
(No
estando el detalle por tramos disponible siempre, la única forma de asegurar
una comparativa homogénea entre tecnologías es comparando el dato del conjunto
del test, ciclo combinado)
La
siguiente tabla muestra el detalle a lo largo del proceso de test:
En
forma gráfica:
Para
coches full-hybrid, el consumo homologado (ciclo combinado) será mayor que el
que obtendremos circulando en ciudad y menor del que podamos conseguir en
velocidades altas. Esto es así porque los coches equipados con esta tecnología
cuentan con una batería de pequeño tamaño que ayuda a reducir consumos en la
medida que cuente con carga. La energía que estos vehículos acumulan en su
batería proviene, de forma general, del aprovechamiento de la energía de
deceleraciones y frenadas, y del motor de combustión funcionando como generador.
Cuando
circulamos en ciudad, se dan casi inevitablemente frenadas con cierta
asiduidad. En esas circunstancias es cuando la batería tiene opción de cargarse
y aportar a efectos de reducción de consumos.
Si,
por el contrario, circulamos en carretera a velocidades elevadas y constantes,
la batería no tiene capacidad de cargarse por esas deceleraciones y frenadas.
Por
lo tanto, la única forma de mantenerla con cierta carga es a través del propio
motor de combustión, con el consiguiente impacto en consumos. En estas
circunstancias, el motor de combustión se ocupa ya no solo de propulsar el
vehículo, sino puntualmente también de mantener la batería mínimamente cargada.
La
razón para mantener una mínima carga en la batería es para asegurar que el
conductor pueda contar con el apoyo adicional del motor eléctrico si lo
necesita.
G.- Ejemplo MG ZS Hybrid+ Confort
El
MG3 Hybrid+ utiliza el ciclo de pruebas WLTP
para determinar su autonomía y consumo. Bajo esta normativa, el vehículo
logra una autonomía total combinada de aproximadamente 800 – 900 kilómetros con un solo tanque de combustible.
A
diferencia del antiguo ciclo NEDC, el WLTP evalúa al MG3 Hybrid+ mediante pruebas más largas, distancias
mayores y fases de aceleración más dinámicas que simulan el tráfico real. Dado
que el vehículo gestiona su batería de 1,83 kWh y su motor térmico de forma
automática, el ciclo arroja un promedio ponderado. Esto
significa que en entornos urbanos (donde el motor eléctrico funciona la mayor
parte del tiempo), el consumo disminuye drásticamente, mientras que en
autopista el motor térmico toma el control continuo, equilibrando el consumo
total a esos 4,4 L/100 km.
La
tecnología Hybrid+ de MG Motor funciona en varios modos:
En
modo 100% eléctrico, el motor eléctrico impulsa el vehículo por sí solo a bajas
velocidades. En modo híbrido en serie, el motor de combustión recarga la
batería sin impulsar las ruedas, que siguen siendo movidas por el motor
eléctrico.
En
modo híbrido en paralelo, el motor de combustión y el motor eléctrico trabajan
conjuntamente para ofrecer mayor potencia. En modo de recuperación de energía,
la batería se recarga durante la frenada y la desaceleración, con el motor de
combustión apagado.
Por
último, en modo combustión, el motor de nafta toma el control en autopista o a
altas velocidades para optimizar la eficiencia global.
Conducción
eléctrica
Equipado
con una batería de 1,83 kWh, el modelo Hybrid+ pueden circular durante más
tiempo y a mayores velocidades en modo 100% eléctrico en comparación con otras
tecnologías híbridas. Vehículos como el MG3 Hybrid+ pueden alcanzar hasta 60
km/h utilizando únicamente el motor eléctrico. La batería, de generosa
capacidad, se recarga mediante el motor térmico. Este modo optimiza la
eficiencia energética del motor térmico, reduciendo el consumo sin renunciar a
la respuesta de conducción de un vehículo eléctrico.
Menor
consumo
En
entornos urbanos, el sistema prioriza la propulsión eléctrica. En ruta, el
motor térmico optimiza el flujo de energía y la frenada regenerativa. El
resultado: consumos muy bajos (4,4 a 5,1 l/100 km, según modelo) y menores emisiones de
CO₂, con una respuesta inmediata.
Otros ejemplos con
tecnología similar:
Ricardo Berizzo
Ingeniero Electricista
2026.-
