jueves, 4 de septiembre de 2014

Algunos apuntes sobre los Vehículos híbridos.

Algunos apuntes sobre los Vehículos híbridos.
Por Beamspot 
Como se ha visto, casi todo lo aplicable a vehículos eléctricos es, al menos en parte, aplicable a los vehículos denominados híbridos. En el fondo, esto es debido a que un vehículo híbrido es en realidad un vehículo que mezcla dos tipos de propulsión. Más concretamente, en el ámbito que nos atañe y como ‘concepto popular’ (lejos del concepto real del diccionario), es la mezcla de propulsión eléctrica y motores térmicos.
Dado que la metodología de control de ambos es muy dispar, y encima, se trata de conseguir objetivos muy diferentes, tenemos varias maneras de realizar la mezcla. Para empezar, están los sistemas Start&Stop, que en sí mismos, no tienen casi nada de híbridos, pero además de incluir esta tecnología en los híbridos, también es la base o punto de partida de los híbridos más sencillos, los llamados ‘mild hybrid’. Siguen a éstos, con un gran parecido, los híbridos paralelos, los mixtos (paralelo y serie), y los híbridos serie, también llamados ‘rango extendido’ o ‘range extended’. Este orden además va clasificado de menor a mayor potencia del motor eléctrico en la mezcla.
Los primeros, llamados Stop&Start o Start&Stop [1], son coches con propulsión meramente térmica. La diferencia entre estos y los térmicos ‘normales’ es que el motor se para cuando llegan a un semáforo, volviendo a arrancar enseguida. Así pues, no se les puede considerar híbridos, pues no hay propulsión eléctrica.
Sin embargo, no son iguales a los de siempre. La diferencia es que el alternador ahora está sustituido por un motoalternador, es decir, que tanto genera electricidad como que arranca al motor térmico cuando hace falta, si éste está ya caliente y en condiciones (en frío arranca con el motor de arranque clásico), hace ambas funciones.  Es por tanto, tan parecido como pueda parecer al motor de un eléctrico, hasta el punto que también suele ser trifásico, en bastantes casos de hasta 10KW (más que cualquier alternador), suele llevar un inverter, y es un buen banco de pruebas para otras cosas.
El gran punto débil de este sistema suele ser que no sólo no ahorra combustible de manera acusada, si no que la batería de plomo suele tener la vida más corta, además de estar sobredimensionada. Más inconvenientes reales existen, aunque pasan desapercibidos. Uno de ellos es que la tensión de KL30, la de la batería, cae tanto cada vez que arranca que resetearía muchos de los elementos internos del vehículo. Eso obliga a encarecer y complicar toda la electrónica de a bordo para que puedan trabajar en condiciones de baja tensión, y/o da pie a nuevos elementos extra, buenos bancos de pruebas para experimentos varios, que además de pasar desapercibidos, sirven para coger experiencia y datos que de otra manera sería demasiado difícil, caro, complejo, peligroso en cuanto a percepción por parte del cliente, malo para las ventas, etc.
Un ejemplo, es el i-Eloop de Mazda [2] (con el permiso de Apple de momento). Se trata de un sistema en el que se aprovecha la energía cinética en la frenada para recargar la batería principal a partir de un supercondensador que se encarga de absorber dicha energía de manera rápida, para luego entregarla de manera dosificada a todo el sistema eléctrico. De esta manera, se minimiza la cantidad de combustible usado para alimentar todo el sistema eléctrico.
Otros sistemas similares se utilizan no tanto para recargar la batería del vehículo como para arrancar el motor térmico en las salidas de los semáforos sin abusar de la batería del vehículo y estabilizar la tensión de KL30 sin los típicos bajones que pueden llegar a resetear toda la (cada vez mayor) circuitería del coche y/o encarecerla para que pueda operar en condiciones más difíciles.
Dado que todos estos extras no son o no forman parte de la transmisión ni de ningún elemento de seguridad, ni siquiera es necesario que funcionen siempre (hay muchos propietarios de coches con este sistema que lo deshabilitan por razones varias, especialmente, porque ‘da mala imagen, de mal conductor que lo cala’). Lo cual reduce su costo a la vez que desempeña un factor importante en la curva de aprendizaje de los fabricantes y ayuda a recoger datos sobre fiabilidad y funcionalidad de los supercondensadores en esta su primera aplicación comercial de gran volumen en el sector del automóvil.
Los siguientes tipos de híbrido son aquellos que se llaman ‘mild hybrid’[3] o algo así como híbrido ‘flojainas’. En realidad son los primeros híbridos como tal que salieron al mercado, anteriores al mítico Prius. Son híbridos paralelos, donde el motor eléctrico no sólo arranca el motor térmico si no que empuja también al coche en los primeros metros, hasta velocidades muy bajas. Este tipo de motores suele ir asociado a coches pequeños, con esquemas de transmisión poco convencionales, como variadores o cambios automáticos. El ejemplo habitual es el Honda Insight [4], económico (alrededor de 20000€ todo, sin ayudas), con un motor eléctrico de sólo 10KW (13HP), y una batería de 100V. En este caso, el motor térmico está siempre funcionando cuando hay movimiento aunque se esté arrancando.
El siguiente paso en la evolución, es poner un motor eléctrico un poco más poderoso, y permitir que el motor térmico esté parado para velocidades muy bajas, movimientos en sitios como párquines, atascos, semáforos y conducción en zonas urbanas residenciales/peatonales. De esta manera el vehículo usa más la energía eléctrica y gasta menos gasolina, pero impone un mayor motor eléctrico, mayor batería, cambio automático, y da más a cambio. Siendo esto una ‘simple’ evolución lógica del primer tipo de híbridos, el paso estaba cantado. El resultado es lo que se llama un híbrido paralelo [5] (los dos motores pueden funcionar a la vez, empujando al coche, o sólo uno), y el máximo exponente es el Toyota Prius [6], quizás el modelo de coche más usado como taxi en las grandes urbes de España. Aunque en realidad, el Prius no es exactamente un híbrido paralelo, técnicamente hablando, pero de facto, se puede considerar así.
Los motores del Insight
El siguiente paso evolutivo, pasa por simplificar aún más la transmisión, compleja para el Prius, y de paso, simplificar la fabricación del vehículo. Ahí nace el concepto de hibrido paralelo ‘through the road’ (a través de la carretera), que se puede ejemplificar con el Peugeot 3008 Hybrid4 o el Volvo V60[7].
El concepto es sencillo: cojamos un coche de serie con cambio automático, y, ya diseñado desde el principio con esto en mente, le cambiamos el puente trasero (con el motor térmico habitualmente en el puente delantero) al coche de serie no híbrido por uno que incluya el motor eléctrico. Cambiamos la rueda de repuesto en el maletero por un pack de baterías con la electrónica, y añadimos en el salpicadero algunos ‘gadgets’ para hacer bonito y de paso permitir algo más de control por parte del usuario: tracción a las cuatro ruedas, control automático, eléctrico puro, térmico puro, etc.
La transmisión es la más sencilla: no existe a nivel mecánico, pues lo único en común que tienen ambos puentes es la carretera (de ahí de ‘a través de la carretera’). Y la construcción también: permite tener una línea de producción que puede fabricar coches híbridos y no híbridos a la vez, con poco gasto. Este concepto permite varios modelos diferentes con motorizaciones diferentes compartir la hibridación (o no). La flexibilidad en la fabricación y funcionamiento es evidente, con lo que cada vez hay más fabricantes que están optando por este tipo de sistema. Incluso los hay que en lugar de poner el motor eléctrico dentro del puente, lo ponen en las dos ruedas traseras, con el inverter doble en la antigua ubicación del motor eléctrico, y más espacio para baterías.
Puente trasero del 3004 Hybrid4

El siguiente tipo de híbrido sin embargo, ya representa una ruptura con la evolución vista hacia ahora. De hecho, es el paso inverso: la evolución de los eléctricos hacia los térmicos. Mucha gente cree que los eléctricos tienen problemas de autonomía, así que los fabricantes lo que proponen, es poner un sistema de generación de electricidad a partir de gasolina, para aumentar el rango o autonomía. A este concepto, el de poner una alternadora dentro del coche que ya vislumbró en 1900 Ferdinand Porsche, ahora le dan el feo nombre de ‘range extender’[8].
La transmisión del Ampera

El ejemplo por antonomasia es el Opel Ampera [9]. Una vez más, aunque en teoría se trataría de un híbrido serie (motor térmico que genera electricidad que a la vez es usada para la locomoción), los ingenieros de Opel lo han complicado de tal manera que en determinadas circunstancias (puntuales, muy ocasionales si es que se dan, en puertos de montaña muy abruptos y baterías muy vacías) pueda funcionar como térmico puro o híbrido paralelo.
Ojo porque es en realidad el mismo esquema que se aplica a buques y grandes camiones de minería como el ya comentado en la primera entrada de esta serie.
El Honda FCX a base de celda de combustible de hidrógeno en realidad es un auténtico híbrido serie. Otros fabricantes están trabajando en este tipo de soluciones, pero dado que no es un paso sencillo de dar al no ser una evolución directa y sencilla, este tipo de vehículos va para más largo, y probablemente serán adelantados por vehículos eléctricos puros en el mercado. El complejo porqué será objeto del análisis del próximo episodio. De momento, sin embargo, se va a analizar las ventajas y opciones de este tipo de vehículos respecto de los otros híbridos e incluso eléctricos puros, aunque básicamente desde un punto de vista más teórico que práctico, al haber pocos de éstos en el mercado, pero muchos en fase de concepto.
La celda de combustible del FCX

La idea base es tener un vehículo eléctrico ‘puro’, con la tracción meramente eléctrica, una batería de una cierta capacidad, y un sistema capaz de generar electricidad de la forma más eficiente posible, a partir de algún elemento químico. Vale tanto el hidrógeno y las celdas de combustible como una alternadora, la clásica ‘burra’. Obviamente, el método de la alternadora, por ser más conocido, es el más habitual. Ahora sí, hay que maximizar la eficiencia, es decir, obtener el máximo de electricidad del combustible almacenado en el depósito.
Los motores térmicos adolecen en realidad de problemas de elasticidad de funcionamiento. El rendimiento de los mismos varía mucho según el régimen o revoluciones en que trabaja. Éste rendimiento variable, especialmente malo a bajas revoluciones, es la razón por la cual hace falta un cambio de marchas, y merece ser estudiado con mayor detalle en una entrada propia donde el esfuerzo se haga en la dirección de rendimientos, en general, y donde se comparen todos para todos los casos. Para el punto en cuestión, es suficiente mencionar que el concepto de híbrido serie se basa en hacer funcionar el generador de electricidad en su punto óptimo, de mayor rendimiento y eficacia.
Por tanto, el alternador se dimensiona o diseña para que esté trabajando siempre a las mismas revoluciones, sin cambio de marcha, en el punto de mayor rendimiento, para maximizar la cantidad de energía eléctrica obtenida,  o lo que es lo mismo, reducir el consumo de combustible al máximo, y con esto reducir emisiones y costos. Esto se consigue fácilmente si la tracción es puramente eléctrica, y la electricidad generada se dedica tanto a la tracción como a recargar las baterías con el excedente de energía eléctrica producida, que debe ser mayor que la consumida, obviamente.
Quasiturbina

Pero los motores térmicos habituales son pesados, grandes, voluminosos, con ciertas complicaciones. No en vano el Opel Ampera, el más conocido de esta variante, pesa mucho.
No es de extrañar pues, que algunas de las propuestas conceptuales se aparten del clásico motor de Otto o Diesel. El rango de motores con que se está trabajando es mucho más variado, desde la turbina a gasoil de Pinifarina[10] a generadores de Quasiturbinas[11] o Shockwave[12], pasando por las ineludibles celdas de combustible. Estas soluciones ocupan menos espacio, tienen menor peso, tienen menos requerimientos de refrigeración, con lo que los radiadores son más pequeños, y por ende hay mejoras aerodinámicas, y tienen rendimientos igualmente buenos, si no superiores, a un régimen de giro diferente, fijo, aunque tengan menos elasticidad, es decir, un rango de funcionamiento muy estrecho.
Queda un ‘tipo de híbrido’ que en realidad no es tal, se trata más bien de una zona gris entre híbrido paralelo e híbrido serie, en el cual el sistema de transmisión es muy complicado, y se puede trabajar en ambos modos según sea la situación. Éste es en realidad el caso tanto del Prius como del Ampera. La realidad es que se trata más de modelos con algo se sobreingeinería para cubrir las espaldas de los fabricantes y los casos puntuales que se pueden dar aunque sean raros.
Motores y transmisión del Prius

Hay aún otro ‘tipo’ de híbrido, que en este caso no es para nada un sistema nuevo o diferente. Pero se diferencia mucho a la hora de hablar de  él en el mercado, así como en ciertos ambientes. Se trata del híbrido enchufable [13]. El concepto es sencillo: la batería eléctrica se puede cargar en casa desde cualquier enchufe, y con ello, se pueden hacer varios Km a partir de electricidad del enchufe doméstico, lo cual supone que baja el precio por Km al consumidor. Lógico, de cajón.
Entonces… ¿De dónde narices sacan la electricidad los híbridos no enchufables? La respuesta es relativamente sencilla, y está explicada hace ya algo de tiempo. Dado que las baterías de un Prius no aceptan más de 3KW de recarga, la energía eléctrica sale precisamente en parte de la frenada, aunque la mayoría de la energía cinética es disipada por los frenos. De hecho, la electricidad se genera nada más levantar el pie del acelerador, no de la frenada. También se aprovechan momentos en que el motor tiene que funcionar sí o sí, como es al arrancar, con el motor frío, que hay que calentarlo, y precisamente el hacerlo aprovechando para cargar la batería mejora el resultado así como el rendimiento.
Es decir, los no enchufables obtienen la energía a base de reciclar la parte sobrante de la que se genera a partir de la gasolina o el diesel.  Los enchufables también pueden obtenerla de esta misma manera, como de hecho hacen, incluso con mayor eficiencia, puesto que al tener una batería más grande, permiten reciclar más (de hecho, sólo algo) energía de la frenada. Así pues, sólo hay dos diferencias entre los enchufables y los no enchufables: el tamaño de la batería, y el cargador a partir del enchufe. Lo cual implica un mayor precio. Unos 6000€ de diferencia entre los Prius enchufables y no enchufables.
Sin embargo, hay que tener en cuenta algo muy significativo, precisamente translucido y medido a partir de un estudio de Toyota para estimar el ‘punto óptimo’ o la capacidad óptima de las baterías (en cuanto a Km de autonomía en sólo eléctrico). Se trata de la media de Km por viaje, según el número de viajes. El estudio determina que más de la mitad de viajes son de menos de 25Km. Y alrededor del 80% menor de 160Km (100 millas), aunque depende bastante del país, especialmente en las fracciones pequeñas, por ejemplo, los viajes por encima de 300Km no representan la misma pequeña fracción en Malta que en Estados Unidos.
Este dato resulta crucial.
Para entender la importancia de estos datos, pero, es necesario un cambio de mentalidad.
Comúnmente, la gente tiende a ver el vaso medio lleno los optimistas, y medio vacío los pesimistas.
Luego estamos los ingenieros, que vemos el vaso sobredimensionado.
Aplicado a las baterías, vemos que unos las ven como escasas, cortas de autonomía (la mayoría: efectos de la publicidad), otros las ven como caras (pocos, básicamente los directivos de empresas de automoción, y los propietarios que tienen que reemplazarlas), y luego los ingenieros tenemos que optimizar, dimensionar las mismas.
Por eso es importante saber hasta qué punto es más rentable una cosa o la otra. Es decir, si para hacer una vez en la vida 1000 Km del tirón, compramos un coche que cuesta 10 veces más, puede ser más rentable comprarse un coche con 300 Km de autonomía con sólo una décima parte del precio, y gastar otro poco en realizar ese viaje en avión, tren, barco, coche de alquiler… Este punto de vista es poco común, pero es el lugar de trabajo de los ingenieros. Y por ahí es por donde van los tiros.
Si la mitad de los viajes en coche son de menos de 25Km en total, esto quiere decir varias cosas. La primera no pienso discutirla hoy, no sea cosa que se me acuse de (des)calificar a la audiencia. La segunda es que es un límite interesante para determinar el tamaño de la batería por lo bajo.
Una batería que pueda mover el coche 25Km será más barata, sí o sí, que una que lo haga 50Km. Además, será más ligera, con lo que el coche pesará menos, y por tanto, más eficiente. También será más pequeña, con lo que habrá más espacio en el maletero. Lo cual puede implicar que con un coche que pueda funcionar como eléctrico puro con esta autonomía, y luego como híbrido a partir de esta distancia, igual tengo más ahorro total, contando el precio del coche, que si dimensiono el mismo coche para que tenga la autonomía de 50Km. Esta es precisamente la filosofía del Prius enchufable, la última versión que ha salido del mismo, más cara que el Prius no enchufable. 32000€ frente a 25000€, precios del 2011, donde unos 1000€ se ‘deben’ al cargador. La batería del no enchufable, de NiMH es bastante barata, unos 2000€, puesto que es mucho más sencilla, y pequeña (1.8KWh) frente a la batería de litio del enchufable, de 4.4KWh, mucho más sofisticada, se estima que estaría en unos caros 6000€. El resto es prácticamente igual (motores, inverter, transmisión).
Hay que mencionar dos cosas importantes más: la mayoría de estos desplazamientos son urbanos, muchos en tráfico congestionado (ir y volver al trabajo, llevar los niños al cole, en hora punta, en ciudades relativamente grandes), donde precisamente luce el coche híbrido y eléctrico. La segunda cosa es que se hace necesario fomentar unos hábitos de conducción propicios para aprovechar al máximo las ventajas de los eléctricos e híbridos. Frenadas y acelerones suaves, velocidades bajas. Justo más o menos lo que pasa en los atascos o aglomeraciones de hora punta, o como dicen los anglosajones, ‘conducir como la abuela’[15].
Otra manera de dimensionar las baterías, es comprobar hasta qué punto es más barato una alternadora que una batería más grande. Es decir, que tamaño de batería es óptimo para que el precio de meter un motor que genere la electricidad sea lo suficientemente interesante como para compensar a una batería más grande. Este punto es más controvertido, pues ya empieza a ser importante otro factor de peso. Literalmente, de peso. De ahí que se desarrollen alternativas para generar electricidad más ligeras, a ser posible, más pequeñas. Si encima son baratas, mejor que mejor, aunque no todo es el precio del producto acabado, hace falta valorar la inversión en líneas de producción, punto muy candente e importante, subvalorado, motivo de la siguiente entrada, pero que podemos citar así: hacer una generador con una turbina a gasoil seguramente será más barato, pequeño y eficiente que una alternadora con motor diesel clásico, pero la inversión y los posibles problemas desconocidos de una tecnología nueva es algo que generalmente asusta (y mucho) a los fabricantes de la automoción.
Por supuesto, todo esto aplica a los híbridos serie, no a los paralelo. Estamos hablando de otra gama de vehículos, otro tipo, otra aproximación. El siguiente paso, el que queda, antes de los vehículos eléctricos puros. Evidentemente, todos estos vehículos son enchufables. Este terreno ya no es exclusivo del primero y más comentado de los Range Extenders, el Opel Ampera. BMW, por ejemplo, con el i3 también está en este segmento, y se esperan más (el i8, sin ir más lejos), a medida que la cosa vaya avanzando, pero es algo que va a tardar y será más lento en su implantación.
Ya que se ha comentado el BMW i3, éste se ofrece como eléctrico puro o como híbrido serie con el ‘extra’ del alternador por unos 3000€ más (sobre unos 36000€ del eléctrico puro) [16].
El porqué es precisamente un asunto de fabricación, como ya se ha comentado, con su propio intríngulis interno del sector de la automoción. Es el momento de pasar a la siguiente entrada.

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