Análisis de la tecnología full hybrid (HEV)

 

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.-