Aspectos básicos para diseñar un coche híbrido

Si preguntásemos cómo hacer un coche híbrido a un experto de barra de bar, nos diría “le pones un motor eléctrico, una batería gorda y a correr”. Ojalá fuese tan sencillo. Lo cierto es que hay muchos aspectos ingenieriles que no deben dejarse de lado si se quiere vender un buen producto.

Lo primero que hay que preguntarse es ¿qué pretendemos con una versión híbrida? ¿Se priorizará el bajo consumo, las prestaciones, el confort, la economía, el precio o se intentará todo lo demás? Una vez que tengamos claro el objetivo de diseño, habrá que valorar cómo han de ser los distintos componentes.

Este post no pretende ser ningún manual para ingenieros, sino una aproximación a lo que es el diseño de coches, lo complicado que es, y la justificación de los elevados costes que supone meterse en una empresa semejante. Por ello, no me meteré en detalles demasiado complicados, pretendo que sea para todos los públicos.

¿Cómo colocamos los distintos elementos?

La mayoría de los coches híbridos que se han diseñado son adaptaciones de coches convencionales, pensados para alojar menos piezas. Eso ha restringido mucho las posibilidades de diseño, porque hay que buscar espacio para los nuevos componentes e intentar no sacrificar cotas, aunque a veces es inevitable.

Lo más normal es que al ubicar las baterías que exige el sistema híbrido, estas vayan bajo los asientos traseros o bajo el maletero. Una consecuencia directa es que se pierde maletero, véase el Lexus GS 450h, que termina con un espacio de carga bastante limitado y que exige el uso de maletas especiales.

No solo importa el dónde, también el peso. El reparto de peso se ve alterado al añadir las baterías (normalmente atrás) y el motor o motores eléctricos (generalmente delante). Eso implicará hacer ajustes específicos para que las características dinámicas del vehículo no se ven alteradas para mal.

Cómo elegir un buen motor térmico

En un coche híbrido el motor térmico hará menos esfuerzo que una versión convencional equivalente, de modo que se puede ceder en potencia un poco y compensarla de forma eléctrica. Reducir la potencia puede influir positivamente en el consumo de combustible, aunque no es una norma inamovible.

Si el motor térmico va muy sobrado de potencia nos hallaremos ante un híbrido más prestacional, véase todos los de gama alta. Cuanta más potencia sobre, más se recargarán las baterías, y más margen de actuación habrá para el motor eléctrico. No obstante, el consumo de combustible no será muy reducido.

Si en cambio nos quedamos cortos de potencia, el motor térmico se verá obligado a hacer mucho esfuerzo en relación a sus posibilidades, y en algunas condiciones su eficiencia será mínima. Por ejemplo, subir pendientes con el Honda Civic Hybrid se hace muy pesado para su motor 1.3 SOHC de 95 CV, y se revoluciona mucho.

Cómo elegir un buen motor eléctrico

En un coche semihíbrido la potencia del motor eléctrico es más bien baja en relación al de combustión, ya que hablamos fundamentalmente de una asistencia. Si el motor es más pequeño o de menor potencia, pedirá a las baterías un esfuerzo menor, lo cual será un ahorro de peso frente a un híbrido puro: no necesitamos tanta batería.

Lo más probable es que apenas haya espacio para ubicar un motor eléctrico de tamaño “grande”, por eso se suele recurrir a la solución de integrar el motor eléctrico, de tamaño compacto, en la misma transmisión, o en el volante de inercia. Diseñar un semihíbrido es mucho más sencillo.

Por contra, un motor eléctrico grande requerirá tirar más de las baterías, y eso a su vez, es un esfuerzo al motor térmico. Por eso no tiene sentido poner un motor térmico de potencia inferior al eléctrico, o pondríamos un cuello de botella en el sistema. Que yo sepa, en ningún híbrido el eléctrico es más potente que el térmico, como mínimo igual.

Es decir, si ponemos un motor eléctrico de 200 kW (272 CV) necesitaremos que las baterías sean capaces de darle esa potencia, o no rendirá tanto. Cuando la carga de las baterías no sea óptima, ¿de dónde sadrá la potencia? Premio, del motor térmico. Si es un híbrido en paralelo, no podemos robarle al térmico el 100% de su potencia.

¿Por qué? Porque en paralelo, los dos motores mueven las ruedas. Si le pido al térmico que entregue toda su potencia al generador/motor eléctrico no hará fuerza sobre las ruedas. En todo caso tendría sentido en un híbrido en serie, con un motor térmico dedicado exclusivamente a generar electricidad.

También hay que saber aplanar las curvas de par, no puede haber un desfase grande entre la entrega de par del motor térmico y el eléctrico, sino que debe buscarse una combinación lo más plana posible para que un motor complemente la deficiencia del otro, y viceversa.

La elección de las baterías

Cuando elegimos baterías, debemos considerar los parámetros de coste, tamaño, peso, potencia máxima y durabilidad (entre otros). El cliente no quiere cambiar las baterías en muchísimos kilómetros, la fiabilidad es fundamental, ya que hablamos de un componente muy caro, es más, es lo más caro que hay en un híbrido.

Si elegimos un electrolito más barato (como níquel-sodio o plomo-ácido, prohibidas ya) tendremos más peso, más tamaño, menos potencia, y no más durabilidad. Por eso se suele utilizar en híbridos el níquel, y en menor medida, el litio. El níquel tiene a día de hoy un balance de esos parámetros muy adecuado.

Podemos utilizar litio en vez de níquel para tener una batería más compacta y de más potencia… pero si es mucho más cara, el beneficio puede no verse compensado. Hay que fijarse en todo. Todos los híbridos económicos tienen baterías de níquel, el litio es para coches de gama alta, como el Mercedes-Benz S 400 BlueHYBRID (semihíbrido).

Visto queda que no podemos usar litio en un híbrido generalista ya que el beneficio sobre el níquel no está muy claro. Y si el precio no es un problema, está la fiabilidad. Toyota de momento no ha utilizado litio en coches de serie por no poder garantizar Panasonic, su proveedor de baterías, la misma fiabilidad que en las de níquel.

El peso es un aspecto muy importante también. Si metemos demasiada batería, el coche pesará más, luego hará falta más energía para moverlo, solo sería ventajoso cuesta abajo y no bajamos al núcleo terrestre todos los días. En llano y cuesta arriba será contraproducente, es mejor minimizar peso.

Por eso un coche híbrido enchufable en modo Charge Sustaining, es decir, circulando en modo híbrido y no eléctrico, no es más ventajoso por lo general que un híbrido convencional equivalente. Lo probé con el Prius Plug-in, cuando se acabó la “carga gorda” no mejoré resultados obtenidos con un Prius híbrido normal.

Una queja frecuente de los conductores novatos de híbridos es que tienen poca autonomía eléctrica. Obviamente, si tuviesen más autonomía tendrían que llevar mucha más batería, más peso, beneficio muy dudoso. La respuesta para esa gente es el híbrido enchufable, pero ni con 100 km de autonomía es suficiente…

Si queremos un híbrido con más de 200 km de autonomía eléctrica o tiene unas baterías muy sofisticadas y caras, o ha de llevarlas en un remolque. Y si queremos que llegue a 1.000 km… no hace falta que siga, ¿no? La autonomía eléctrica en un coche híbrido es una consecuencia de su diseño, no un reemplazo del coche eléctrico.

Supongamos que tenemos todos estos problemas resueltos, fruto de gastar millones de euros en I+D, construir prototipos, tirar muchos papeles a la basura y consumir muchos litros de café. Todo esto será inútil si no gestionamos adecuadamente todo el sistema, y eso implica automatismos y electrónica.

Sistema de gestión y otros aspectos

En los primeros coches híbridos del Siglo XX, alternar de modo eléctrico a térmico podía llevar minutos y con el coche parado. Un híbrido moderno lo hace en milisegundos y sin nuestra intervención. En un semihíbrido podemos permitirnos el “lujo” de la transmisión manual, pero en un híbrido puro no es viable.

De ahí que los híbridos puros usen transmisiones automáticas, fundamentalmente CVT. Querer que los dos motores puedan empujar cada uno “a su bola” implica el uso de engranajes planetarios, embragues… ingenios muy difíciles de manipular por un conductor humano en condiciones de confort aceptables.

Luego está el tema de la electrónica. Debe ser capaz de lograr siempre la combinación más eficiente. Más asistencia eléctrica o menos, priorizar la recarga o el empuje, cuándo pedir al motor eléctrico que haga todo el trabajo de impulsión y tener el de gasolina en retención o parado… es algo difícil de diseñar.

No olvidemos que cuando se trata de vender coches híbridos, debe ser un producto vendible. De poco nos serviría tener el mejor producto si a cambio nadie nos lo compra o si nuestro comprador objetivo no se lo puede permitir. No hay que precipitarse… ni retrasarse demasiado, o perderemos market share o cuota de mercado.

En los últimos años, muchos se quieren apuntar a la carrera de los híbridos. Lo que pasa es que hay estudiantes que empollaron antes de los exámenes y otros que lo están dejando para septiembre. Si alguna vez fue una moda… ahora es una tendencia industrial totalmente clara.

Quien va con ventaja, véase Toyota, Honda, General Motors y Ford, tienen más facilidad para sacar productos asequibles porque ya tienen tecnología amortizada, y todas estas preguntas que os he hecho durante el artículo ya tienen respuesta o están muy cerca de conseguirlas. Aquí el que no corre, vuela.

En Motorpasión | El coche híbrido