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.
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...
