Què és un sistema de vehicles híbrids?

Recentment, els vehicles elèctrics guanyen popularitat. No obstant això, els vehicles elèctrics de ple dret tenen un inconvenient important: una petita reserva de potència sense recarregar. Per aquest motiu, molts fabricants de cotxes líders estan equipant alguns dels seus models amb unitats híbrides.

Bàsicament, un cotxe híbrid és un vehicle el motor principal de la qual és un motor de combustió interna, però que funciona amb un sistema elèctric amb un o més motors elèctrics i una bateria addicional.

Avui en dia s’utilitzen diverses categories d’híbrids. Alguns només ajuden el motor de combustió interna a l’arrencada, d’altres permeten conduir amb tracció elèctrica. Penseu en les característiques d’aquestes centrals elèctriques: quina diferència tenen, com funcionen i els principals avantatges i desavantatges dels híbrids.

Història dels motors híbrids

La idea de crear un cotxe híbrid (o un encreuament entre un cotxe clàssic i un cotxe elèctric) ve impulsada per preus més elevats del combustible, normes d’emissions de vehicles més dures i un major confort de conducció.

El desenvolupament d’una central mixta va ser emprès per primera vegada per l’empresa francesa Parisienne de voitures electriques. No obstant això, el primer cotxe híbrid viable va ser la creació de Ferdinand Porsche. A la central Lohner Electric Chaise, un motor de combustió interna servia de generador d’electricitat, que alimentava els dos motors elèctrics anteriors (muntats directament a les rodes).

El vehicle es va presentar al públic el 1901. En total, es van vendre uns 300 exemplars d’aquest tipus de cotxes. El model va resultar ser molt pràctic, però costós de fabricar, de manera que un vehicle d’aquest tipus no podia ser assequible per a un automobilista normal. A més, en aquell moment va aparèixer un cotxe més barat i no menys pràctic, desenvolupat pel dissenyador Henry Ford.

Els clàssics motors de gasolina van obligar els desenvolupadors a abandonar la idea de crear híbrids durant moltes dècades. L’interès pel transport ecològic ha crescut amb l’aprovació de la llei de promoció de vehicles elèctrics dels Estats Units. Es va adoptar el 1960.

Per casualitat, el 1973 va esclatar la crisi mundial del petroli. Si les lleis nord-americanes no han animat els fabricants a pensar en el desenvolupament de cotxes ecològics assequibles, la crisi els va obligar a fer-ho.

El primer sistema híbrid complet, el principi bàsic del qual encara s’utilitza avui en dia, va ser desenvolupat per TRW el 1968. Segons el concepte, juntament amb el motor elèctric, era possible utilitzar un motor de combustió interna més petit, però al mateix temps no es perdia la potència de la màquina i el treball es feia molt més suau.

Un exemple de vehicle híbrid de ple dret és el GM 512 Hybrid. Va ser accionat per un motor elèctric, que va accelerar el vehicle fins a 17 km / h. A aquesta velocitat, es va activar el motor de combustió interna, que va millorar el rendiment del sistema, a causa del qual la velocitat del cotxe va augmentar fins als 21 km / h. Si calia anar més de pressa, el motor elèctric estava apagat i el cotxe ja estava accelerat al motor de gasolina. El límit de velocitat era de 65 km / h.

VW Taxi Hybrid, un altre cotxe híbrid d’èxit, es va presentar al públic el 1973.

Fins ara, els fabricants d’automòbils intenten portar els sistemes híbrids i totalment elèctrics a un nivell que els faria competitius en comparació amb els clàssics motors de combustió interna. Tot i que això encara no ha passat, moltes novetats han justificat els milers de milions de dòlars gastats en el seu desenvolupament.

Amb el començament del tercer mil·lenni, la humanitat va veure una novetat anomenada Toyota Prius. L’idea del fabricant japonès s’ha convertit en sinònim del concepte de “cotxe híbrid”. Molts desenvolupaments moderns són manllevats d’aquest desenvolupament. Fins ara, s’han creat un gran nombre de modificacions d’instal·lacions combinades, cosa que permet al comprador triar la millor opció per a ell mateix.

Com funcionen els vehicles híbrids

No confongueu un motor híbrid amb un vehicle elèctric complet. La instal·lació elèctrica està implicada en alguns casos. Per exemple, en mode urbà, quan el cotxe es troba en un embús, l'ús d'un motor de combustió interna provoca un sobreescalfament del motor, així com un augment de la contaminació atmosfèrica. Per a aquestes situacions, la instal·lació elèctrica està activada.

Per disseny, un híbrid consta de:

• La unitat de potència principal. És un motor de gasolina o dièsel.
• Motor elèctric. Pot haver-ne diversos segons la modificació. Pel principi d’acció, també poden ser diferents. Per exemple, alguns es poden utilitzar com a accionament addicional per a les rodes, mentre que d'altres, com a ajudant del motor quan arrenca el cotxe desactivat.
• Bateria addicional. En alguns cotxes té una capacitat reduïda, la reserva energètica de la qual és suficient per activar la instal·lació elèctrica durant un curt període. En d'altres, aquesta bateria té una gran capacitat perquè els vehicles puguin circular lliurement de l'electricitat.
• Sistema de control electrònic. Sensors sofisticats controlen el funcionament del motor de combustió interna i analitzen el comportament de la màquina, sobre la base del qual s’activa / desactiva el motor elèctric.
• Inversor. Es tracta d’un convertidor de l’energia necessària procedent de la bateria a un motor elèctric trifàsic. Aquest element també distribueix la càrrega a diferents nodes, en funció de la modificació de la instal·lació.
• Generador. Sense aquest mecanisme, és impossible recarregar la bateria principal o addicional. Com en els cotxes convencionals, el generador s’alimenta del motor de combustió interna.
• Sistemes de recuperació de calor. La majoria dels híbrids moderns estan equipats amb aquest sistema. "Recapta" energia addicional de components del cotxe com el sistema de frenada i el xassís (quan el cotxe es desplaça, per exemple, des d'un turó, el convertidor recull l'energia alliberada a la bateria).

Els grups propulsors híbrids es poden operar individualment o per parelles.

Esquemes de treball

Hi ha diversos híbrids d’èxit. N’hi ha tres:

• coherent;
• paral·lel;
• paral·lel en sèrie.

Circuit en sèrie

En aquest cas, el motor de combustió interna s’utilitza com a generador d’electricitat per al funcionament de motors elèctrics. De fet, un motor de gasolina o dièsel no té cap connexió directa amb la transmissió del cotxe.

Aquest sistema permet instal·lar motors de baixa potència amb un volum reduït al compartiment del motor. La seva tasca principal és accionar el generador de tensió.

Aquests vehicles sovint estan equipats amb un sistema de recuperació, mitjançant el qual l'energia mecànica i cinètica es converteix en corrent elèctric per recarregar la bateria. Depenent de la mida de la bateria, un cotxe pot recórrer una certa distància exclusivament per tracció elèctrica sense utilitzar un motor de combustió interna.

L’exemple més famós d’aquesta categoria d’híbrids és el Chevrolet Volt. Es pot carregar com un cotxe elèctric normal, però gràcies al motor de gasolina el seu abast augmenta significativament.

Circuit paral·lel

En instal·lacions paral·leles, el motor de combustió interna i el motor elèctric funcionen en tàndem. La tasca del motor elèctric és reduir la càrrega de la unitat principal, cosa que comporta un important estalvi de combustible.

Si el motor de combustió interna està desconnectat de la transmissió, el cotxe pot cobrir una certa distància de la tracció elèctrica. Però la principal tasca de la peça elèctrica és garantir una acceleració fluida del vehicle. La principal unitat de potència d’aquestes modificacions és un motor de gasolina (o dièsel).

Quan el cotxe disminueix la velocitat o es mou del treball del motor de combustió interna, el motor elèctric actua com a generador per recarregar la bateria. Gràcies al motor de combustió, aquests vehicles no requereixen una bateria d’alta tensió.

A diferència dels híbrids seqüencials, aquestes unitats tenen un consum de combustible més elevat, ja que el motor elèctric no s’utilitza com a unitat de potència independent. En alguns models, com el BMW 350E iPerformance, el motor elèctric està integrat a la caixa de canvis.

Una característica d’aquest esquema de treball és un parell elevat a velocitats baixes del cigonyal.

Circuit sèrie-paral·lel

Aquest esquema va ser desenvolupat per enginyers japonesos. Es diu HSD (Hybrid Synergy Drive). De fet, combina les funcions dels dos primers tipus d’operació de la central elèctrica.

Quan el cotxe ha d’arrencar o circular lentament en un embús, el motor elèctric s’activa. Per estalviar energia a gran velocitat, es connecta un motor de gasolina o dièsel (segons el model del vehicle).

Si heu d’accelerar bruscament (per exemple, en avançar) o si el cotxe puja cap amunt, la central funciona en mode paral·lel: el motor elèctric ajuda el motor de combustió interna, cosa que redueix la càrrega i, com a resultat, estalvia el consum de combustible.

La connexió planetària d’un motor de combustió interna d’un automòbil transfereix part de l’energia a l’engranatge principal de la transmissió i, en part, al generador per recarregar la bateria o l’acció elèctrica. En aquest esquema, s’instal·len components electrònics complexos que distribueixen l’energia segons la situació.

L’exemple més destacat d’un híbrid amb un grup propulsor paral·lel en sèrie és el Toyota Prius. Tot i això, algunes modificacions de coneguts models de fabricació japonesa ja han rebut aquestes instal·lacions. Un exemple d'això és el Toyota Camry, el Toyota Highlander Hybrid i el Lexus LS 600h. Aquesta tecnologia també va ser comprada per algunes preocupacions nord-americanes. Per exemple, el desenvolupament ha arribat al Ford Escape Hybrid.

Tipus d’agregats híbrids

Tots els grups propulsors híbrids es classifiquen en tres tipus:

• híbrid suau;
• híbrid mitjà;
• híbrid complet.

Cadascun d'ells té la seva pròpia funció, a més de característiques úniques.

Tren motriu híbrid micro

Aquestes centrals elèctriques sovint estan equipades amb un sistema de recuperació de manera que l'energia cinètica es converteix en energia elèctrica i es torna a la bateria.

El mecanisme d'accionament que hi ha és un motor d'arrencada (també pot actuar com a generador). No hi ha tracció elèctrica en aquestes instal·lacions. L'esquema s'utilitza amb arrencades freqüents del motor de combustió interna.

Grup motriu híbrid mitjà

Aquests cotxes tampoc no es mouen a causa del motor elèctric. En aquest cas, el motor elèctric serveix d’ajudant de la unitat de potència principal quan augmenta la càrrega.

Aquests sistemes també estan equipats amb un sistema de recuperació, que recapta energia lliure a la bateria. Les unitats híbrides mitjanes proporcionen un motor tèrmic més eficient.

Tren motriu híbrid complet

En aquestes instal·lacions, hi ha un generador d'alta potència, que és accionat per un motor de combustió interna. El sistema s’activa a baixes velocitats del vehicle.

L'eficàcia del sistema es manifesta en presència de la funció "Start / Stop", quan el cotxe es mou lentament en un embús, però cal accelerar bruscament als semàfors. Una característica de la instal·lació híbrida completa és la possibilitat d’apagar el motor de combustió interna (l’embragatge està desconnectat) i accionar un motor elèctric.

Classificació per grau d’electrificació

A la documentació tècnica o al nom d’un model de cotxe, poden estar presents els termes següents:

• microhíbrid;
• híbrid suau;
• híbrid complet;
• híbrid endollable.

Microhíbrid

En aquests cotxes s’instal·la un motor convencional. No estan accionats elèctricament. Aquests sistemes estan equipats amb una funció d’arrencada / parada o bé estan equipats amb un sistema de frenada regenerativa (quan es frenen, la bateria es recarrega).

Alguns models estan equipats amb tots dos sistemes. Alguns experts creuen que aquests vehicles no es consideren vehicles híbrids, ja que només fan servir una unitat de potència de gasolina o dièsel sense integrar-se al sistema d’accionament elèctric.

Híbrid suau

Aquests cotxes tampoc no es mouen a causa de l’electricitat. També fan servir un motor tèrmic, com a la categoria anterior. Amb una excepció: el motor de combustió interna està recolzat per una instal·lació elèctrica.

Aquests models no tenen un volant d'inèrcia. La seva funció la realitza un arrencador-generador elèctric. El sistema elèctric augmenta el retrocés del motor de baixa potència durant l’acceleració dura.

Híbrid complet

Aquests vehicles s’entenen com vehicles capaços de cobrir una certa distància en tracció elèctrica. En aquests models, es pot utilitzar qualsevol esquema de connexió esmentat anteriorment.

Aquests híbrids no es carreguen de la xarxa elèctrica. La bateria es recarrega amb energia del sistema de frenada regenerativa i del generador. La distància que es pot recórrer amb una sola càrrega depèn de la capacitat de la bateria.

Connectors híbrids

Aquests cotxes poden funcionar com a vehicles elèctrics o funcionar des d’un motor de combustió interna. Gràcies a la combinació de les dues centrals elèctriques, es proporciona un bon consum de combustible.

Com que és físicament impossible instal·lar una bateria voluminosa (en vehicles elèctrics substitueix un dipòsit de gasolina), aquest híbrid pot recórrer fins a 50 km amb una sola càrrega sense recarregar-se.

Avantatges i desavantatges dels cotxes híbrids

De moment, l’híbrid es pot considerar un enllaç de transició d’un motor tèrmic a un analògic elèctric respectuós amb el medi ambient. Tot i que l’objectiu final encara no s’ha assolit, gràcies a la introducció de desenvolupaments innovadors moderns, hi ha una tendència positiva en el desenvolupament del transport elèctric.

Com que els híbrids són una opció de transició, tenen punts tant positius com negatius. Els avantatges inclouen:

• Economia de combustible. Depenent del funcionament del parell de potència, aquest indicador pot augmentar fins a un 30% o més.
• Carregant sense utilitzar la xarxa elèctrica. Això es va fer possible gràcies al sistema de recuperació d’energia cinètica. Tot i que no es produeix cap càrrega completa, si els enginyers poden millorar la conversió, els vehicles elèctrics no necessitaran cap presa de corrent.
• La capacitat d’instal·lar un motor de menor volum i potència.
• L’electrònica és molt més econòmica que la mecànica, distribueix combustible.
• El motor s’escalfa menys i es consumeix combustible quan es circula en embussos.
• La combinació de motors de gasolina / dièsel i elèctrics us permet continuar conduint si la bateria d’alta potència està esgotada.
• Gràcies al funcionament del motor elèctric, el motor de combustió interna pot funcionar de manera més estable i menys soroll.

Les instal·lacions híbrides també tenen una llista decent d’inconvenients:

• La bateria es fa inutilitzable més ràpidament a causa del gran nombre de cicles de càrrega / descàrrega (fins i tot en sistemes híbrids suaus);
• La bateria sovint es descarrega completament;
• Les peces per a aquests cotxes són bastant cares;
• L’autoreparació és gairebé impossible, ja que requereix un equip electrònic sofisticat;
• En comparació amb els models de gasolina o dièsel, els híbrids costen diversos milers de dòlars més;
• El manteniment regular és més costós;
• L’electrònica complexa requereix una manipulació acurada i els errors que es produeixen de vegades poden interrompre un llarg viatge;
• És difícil trobar un especialista que pugui ajustar correctament el funcionament de les centrals elèctriques. Per això, heu de recórrer als serveis de tallers professionals cars;
• Les bateries no toleren fluctuacions de temperatura significatives i es descarreguen elles mateixes.
• Tot i la compatibilitat amb el medi ambient durant el funcionament d'un motor elèctric, la producció i l'eliminació de bateries és altament contaminant.

Perquè els vehicles híbrids i elèctrics es converteixin en un autèntic competidor dels motors de combustió interna, és necessari millorar les fonts d’alimentació (perquè emmagatzemen més energia, però alhora no siguin molt voluminoses), així com sistemes de recàrrega ràpida sense danyar la bateria.

Preguntes i respostes:

Què és un vehicle híbrid? Aquest és un vehicle en el qual hi intervenen més d'una unitat de potència en el seu moviment. Bàsicament és una barreja d'un cotxe elèctric i un cotxe amb un motor de combustió interna clàssic.

Quina diferència hi ha entre un cotxe híbrid i un convencional? Un cotxe híbrid té els avantatges d'un cotxe elèctric (funcionament silenciós del motor i conducció sense utilitzar combustible), però quan baixa la càrrega de la bateria, s'activa la unitat de potència principal (gasolina).