Híbridos y Eléctricos

HYBRID SYNERGY DRIVE

¿Por qué ha tardado tanto Toyota en pasar del Prius a los coches eléctricos?

Un ingeniero explica las razones técnicas por las que Toyota ha tardado tanto en dar el salto desde la tecnología híbrida del Prius a los vehículos eléctricos de batería con la que ya está trabajando hoy en día.

toyota prius hibrido coches electricos-portada
El Toyota Prius revolucionó la tecnología de propulsión con el desarrollo de sus motores híbridos.

Toyota es uno de los fabricantes más importantes del mundo. En su día revolucionó la tecnología de propulsión con el desarrollo de sus motores híbridos, que hicieron su debut en el Prius, un coche que es y será un icono de la historia del automovilismo. Pero es precisamente esta historia que la le ha hecho sufrir las críticas de muchos cuando ha llegado el momento de electrificar el automóvil y prescindir de los motores de combustión. Brian, un ingeniero que participó en su desarrollo, explica técnica y económicamente, las claves de una tecnología y el porqué de este “retraso”.

Toyota ha preferido “saltarse” la primera generación de coches eléctricos para seguir insistiendo en los híbridos hasta que ahora, 10 años después, sí se ha decidido por lanzarlos al mercado. Precisamente, en ese salto, Toyota puso en marcha un programa de electrificación que culminaba con 30 modelos que estarían en el mercado a finales de esta década, la conversión de Lexus en una marca totalmente eléctrica en 2035 y una inversión de 35.000 millones de dólares en diez años. Un programa que ahora sufre un proceso de replanteamiento provocado por el error en las previsiones de Toyota respecto a las ventas de vehículos eléctricos, demasiado conservadoras.

Volvamos por lo tanto al Prius y a cómo se gestó su desarrollo. Brian explica que fue un proceso fascinante, particularmente por la eficaz interacción entre la ingeniería y el modelo comercial. Toyota entregó el diseño a un miembro de la junta, un brillante ingeniero al que dio carta blanca: el dinero para el desarrollo no importaba. Se señalaron tres áreas principales que debían desarrollarse individualmente para luego trabajar juntas y optimizar el resultado.

La batería y el sistema de gestión (BMS

Las baterías no formaban parte del conjunto de habilidades de fabricación de Toyota, por lo que la marca japonesa firmó un acuerdo con Panasonic, el principal fabricante de baterías de hidruro metálico de níquel (NiMH). Esta química era la mejor en ese momento, y además era poco probable que la logística de obtención y transporte de las materias primas que las componían fueran un problema.

toyota prius hibrido coches electricos-interior2
Arquitectura eléctrica del Toyota Prius: un proceso que se basó en desarrollo de la batería, de la transmisión y del motor de combustión con ciclo Atkinson.

Sin embargo, la vida útil anticipada de las baterías de 200 a 300 ciclos fue insuficiente, por lo que se tuvo que desarrollar un BMS (Battery Management System o sistema de gestión de la batería) para extenderla. La técnica utilizada para lograr este propósito fue dividir la batería en una gran cantidad de módulos más pequeños y usar el control por software para garantizar que el estado normal de funcionamiento de la carga se mantuviera dentro del rango del 30 % al 80 %. Es decir, no se permitió que ningún módulo de batería se sobrecargara o se descargara por completo.

La transmisión

Para desarrollar la transmisión del sistema, se hizo necesario combinar los atributos del motor de combustión interna (ICE) y las máquinas eléctricas que lo acompañaban. El motor ICE ofrece alta potencia y par, pero en un rango de velocidad estrecho. El motor eléctrico proporciona el par máximo a velocidad cero (lo que lo hace ideal para arrancar) y permite recuperar energía y devolverla a la batería durante las fases de frenado, reduciendo así el consumo total de energía. 

La solución de Toyota fue desarrollar la transmisión variable continua electrónica (eCVT). Se trata de un CVT sin partes deslizantes, por lo que su expectativa de vida es comparable a la de una caja de cambios de relación fija. En lenguaje sencillo, es una caja de cambios de relación fija con una entrada del motor ICE, una entrada/salida del motor/generador eléctrico y una salida/entrada conectada a las ruedas. La dirección y la gestión del flujo energético se controlan por ordenador, en tiempo real y de manera continua para optimizar el rendimiento.

Toyota vinculó esta caja de cambio a varias patentes para obligar a que otros fabricantes se vieran obligados a encontrar otras soluciones (menos efectivas) al problema de la transmisión, lo que le dio a Toyota una gran ventaja competitiva

toyota prius hibrido coches electricos-interior1
Toyota argumentó que el primer modelo de Prius se vendió con pérdidas. La segunda generación le permitió alcanzar el punto de equilibrio y trasladar la tecnología a otros modelos.

El motor de combustión

Los motores de combustión utilizan el ciclo termodinámico Otto, con el que el rango de velocidad de funcionamiento (potencia-par) utilizable es más amplio. Los híbridos generalmente usan el ciclo Atkinson, mucho más eficiente pero con un rango de velocidad de operación mucho más estrecho. En el Prius original, Toyota optimizó los tamaños y las relaciones potencia-peso de los tres componentes principales, de modo que el Prius se convirtió en el sistema de transporte de personas más eficiente. La batería era lo suficientemente grande como para proporcionar un frenado regenerativo y un par de arranque, pero brindaba una autonomía mínima en modo solo eléctrico. 

Tampoco podía funcionar en modo solo combustión, lo que se convirtió en el talón de Aquiles del Prius. Inicialmente no podía convertirse en un vehículo eléctrico puro cuando la tecnología lo permitiese, o incluso evolucionar a un vehículo eléctrico híbrido enchufable (PHEV). Toyota argumentó que el primer modelo de Prius se vendió con pérdidas. La segunda generación le permitió alcanzar el punto de equilibrio. El "Hybrid Synergy Drive", que era la combinación de eCVT, la electrónica de potencia y los sistemas informáticos, se transfirieron fácilmente a otros modelos de Toyota (Corolla, Camry, RAV4, etc.), lo que permitió obtener beneficios con un desarrollo adicional mínimo.

El cambio de paradigma: el vehículo 100% eléctrico

Toyota había puesto todos sus huevos en la canasta híbrida. Cuando la tecnología de las baterías de litio convirtió a los coches 100 % eléctricos en una solución técnica viable, perdió toda su ventaja competitiva.

produccion baterías de Mercedes-Benz
La viabilidad técnica de los vehículos 100 % eléctricos, propiciada por las baterías de litio, hizo que Toyota perdiera toda su ventaja competitiva.

Hoy Brian conduce un Hyundai Ioniq eléctrico y explica algunas de las muchas ventajas que aporta sobre su antiguo Prius. Los vehículos eléctricos puros ofrecen un par de arranque que se adapta mucho mejor a los requisitos de la conducción y cuentan con sistemas de recuperación de energía regenerativa mucho más eficientes y utilizables. La pequeña batería del Prius alcanzaba el 100 % de capacidad muy rápidamente, por lo que en muchas de las frenadas no podía aprovechar el sistema. Pero hay otras características que les dan ventajas respecto a los híbridos.

  • Cero emisiones. Los vehículos 100 % eléctricos no producen emisiones locales. Las emisiones que provoca la electricidad con la que se recargan sus baterías depende del mix energético que se utilice para ello. En cualquier caso, las emisiones de un vehículo eléctrico ideal, que se recarga siempre con energía renovable son nulas durante su etapa de funcionamiento. Muchos estudios han comparado sus emisiones totales, incluida la fabricación y la reutilización y el reciclaje de las baterías, con las de los vehículos de combustión, dando como resultado que son significativamente más bajas.
  • Simplicidad y elegancia en el diseño, gracias a que los componentes mecánicos son más pequeños y hay más libertad para ubicarlos en lugares diferentes a los de combustión. El resultado son habitáculos más grandes con tamaños de vehículos similares y suelos planos que permiten redistribuir el interior.
  • Los motores eléctricos y la ausencia de una transmisión reducen el número de piezas móviles lo que se traduce en costes de mantenimiento comparativamente mucho más bajos.
  • La posibilidad de establecer una conducción con un solo pedal permite un control mayor sobre la potencia y la aceleración del vehículo, además de evitar que sea necesario reemplazar las pastillas de frenos durante toda la vida útil del automóvil.
  • Eficiencia energética. Los sistemas de tracción eléctrica ofrecen una eficiencia energética por encima del 90 %, mientras que en los híbridos en las mejores circunstancias es posible alcanzar un 40 %.
  • El par máximo del motor se logra a velocidad cero y se mantiene cuando se acelera sin necesidad de caja de cambios, todo ello manteniéndose en rangos de alta eficiencia energética.
Conversaciones: