¿Cómo funciona mi Toyota Prius?

Después de media vida conduciendo coches con marchas, cuando se cambia a un vehículo híbrido como el Toyota Prius, es inevitable hacerse preguntas como: ¿por qué no se notan los cambios de velocidad?, ¿cómo es posible que la conducción sea tan suave?, ...

Tras indagar por la red buscando explicaciones, muestro en este artículo una descripción del funcionamiento del sistema de transmisión del híbrido Toyota Prius. Su sistema HSD (Hybrid Synergy Drive) bien merece una reflexión ya que supone una verdadera revolución en su sector.

Descripción de los componentes

Para comprender el funcionamiento del sistema primero es necesario identificar los componentes implicados, y éstos son:

1) Motor de combustión interna, en adelante ICE (Internal Combustion Engine) de 1800 cm3 en los vehículos de la 3ª generación.
2) Motor/Generador 1 (MG1). Ocupa una posición intermedia entre el ICE y el MG2. Su función principal es la generación de energía eléctrica para almacenarla en la batería, aunque también puede funcionar como motor.
3) Motor/Generador 2 (MG2). Es de mayor tamaño que el MG1, también es llamado motor de tracción dado que su función principal es mover las ruedas. De hecho es el único de los tres que lo hace directamente. Este motor es también el responsable, funcionando como generador, de la regeneración de energía en la frenada.

Todos los componentes anteriores interaccionan en el Dispositivo Repartidor de Potencia, en adelante PSD (Power Split Device), verdadero corazón del sistema, donde se suman las diferentes aportaciones de fuerza de los diferentes motores y se produce la sinergia.

Recreación simplificada del PSD

PSD despiezado (arriba) y montado (abajo)

En el esquema inferior puede verse la ubicación los elementos descritos. La disposición relativa real de los elementos en el vehículo es la representada si miramos el vehículo de frente.

Para poder ir haciéndonos una representación mental de cómo tiene lugar el baile de los elementos descritos conviene ir fijando algunos conceptos ya que, aunque la idea es simple, la interpretación intuitiva de los diferentes movimientos no lo es tanto. Por ejemplo, puede observarse que el MG2 mantiene una relación de transmisión fija con el eje de las ruedas delanteras, es decir, siempre que se mueve el MG2 se mueven las ruedas delanteras y viceversa, no existiendo posibilidad alguna de desacoplo entre ellos. Por tanto, el giro de la zona roja implica desplazamiento físico del vehículo.

Asimismo, el MG1 está acoplado a la rueda central o planeta y el ICE tiene su cigüeñal solidario con el anillo de los cuatro satélites centrales. Cuando el ICE se mueve, los cuatro satélites se moverán con un movimiento de traslación alrededor del engranaje central o planeta.

Una vez descritos los protagonistas del baile, veamos cómo actúan en las diversas situaciones de conducción.

Encendido

A diferencia de lo que entendemos por encendido en un vehículo convencional, en este artículo no nos referiremos al arranque del motor térmico. Por encendido en un coche híbrido, nos referiremos a la activación o alimentación del sistema que hace que el vehículo esté preparado para iniciar la marcha ante una hipotética presión en el acelerador, independientemente de que el motor térmico esté o no en funcionamiento.
Hemos de diferenciar dos situaciones en el encendido según la temperatura del motor.

Encendido en frío

Cuando el vehículo está apagado y pulsamos el botón de encendido, si la temperatura del MCI no es la mínima requerida, el sistema ordenará el arranque del MCI para que el catalizador de emisiones pueda adquirir la temperatura que le hace funcionar adecuadamente. Para ello, el MG1, tomando energía de la batería será impulsado a girar en el sentido horario. Como la corona (en rojo) está bloqueada por las ruedas que están aún inmóviles, los cuatro satélites se verán obligado a adquirir un movimiento de traslación alrededor del MG1 y dado que el anillo portasatélites es solidario con el cigüeñal del MCI, provocará el giro del mismo.

Mientras que en un vehículo normal se le pasa combustible y chispas al motor de gasolina en cuanto el motor de arranque empieza a girar, el Prius espera hasta que el MG1 lleve al ICE por encima de las 1.000 r.p.m. Ésto, que ocurre en menos de un segundo, pues el MG1 es mucho más potente que un motor de arranque normal y se hace para evitar que el ICE trabaje a velocidades de giro en las que no es eficiente (por debajo de 1.000 r.p.m). En este momento y, para impedir que el arranque sea brusco, el ordenador alimenta con chispas sólo a 2 de sus cilindros.

Una vez que el ICE ha comenzado a funcionar por sus propio medios, el sistema desconecta el MG1 de la batería dejándolo funcionar en vacío, tal como en un coche normal. Sin embargo, si fuese necesario porque la batería estuviese demasiado baja, se configuraría para empezar a funcionar como generador y por tanto ofreciendo un par resistente que el ordenador del Prius tendría que compensar abriendo un poco el gas para requerir más potencia del ICE.

Encendido en caliente

En el supuesto de que el ICE estuviera caliente porque hubiese sido utilizado recientemente, al pulsar el botón de encendido, el sistema no arrancará el ICE y todos los elementos permanecerán en reposo a la espera de solicitación de movimiento.

Inicio de la marcha

Una vez el vehículo está encendido, para el estudio de cómo tiene lugar el inicio de la marcha hemos de distinguir de nuevo dos situaciones:

Inicio de la marcha con el ICE apagado: modo eléctrico o sigiloso

Esta es la situación que ocurre la mayoría de las veces cuando empezamos a mover el vehículo partiendo del reposo. Cuando la aceleración de salida no es muy brusca y el nivel de la batería no requiere carga, el vehículo usa exclusivamente el motor eléctrico de tracción MG2 para iniciar la marcha.

La electricidad es enviada al MG2 desde la batería de alta tensión, causando el giro de la corona exterior, la que por estar acoplada directamente a las ruedas provoca el movimiento de vehículo. Como el ICE está parado sus satélites no adquieren movimiento de traslación, pero como la corona está girando estos satélites adquieren movimiento de rotación sobre sí mismos haciendo girar al planeta central. Es decir, el MG1 se ve obligado a girar en sentido inverso sin producir corriente y por tanto, sin ofrecer resistencia.

Inicio de la marcha con el ICE arrancado o aceleración brusca

El Prius no tiene un sistema de marchas convencionales, puede decirse que va siempre con la directa. Por esta razón el ICE no es capaz de dar por sí mismo el par necesario para iniciar el movimiento del vehículo, del mismo modo que un coche convencional no sería capaz de iniciar su marcha con la sexta velocidad acoplada.

Sin embargo, al contrario que los motores térmicos, los motores eléctricos sí que muestran su par más alto a bajas velocidades, por tanto el inicio de la marcha se hace fundamentalmente mediante el MG2. Ahora bien, el MG2 no se alimenta sólo a costa de la batería, recordemos que, como se explicó en el apartado del encendido, una vez que ha arrancado el ICE, el MG1 puede ser utilizado para generar energía eléctrica que, en este caso alimenta al MG2.

Al principio, la mayoría del impulso corresponde al MG2, pero a medida que aumenta la velocidad del vehículo, el MG2 empieza a funcionar en una zona donde no puede proporcionar su par máximo, exactamente lo contrario que le pasa al ICE, el cual pasa asumir el protagonismo de la tracción y de paso hace girar el MG1, el cual genera energía eléctrica que alimenta al MG2. Con ello se consigue alargar significativamente la vida de la batería de alta tensión. El hecho de que el MG2 tome o no electricidad la batería de alta tensión, depende de factores más complejos.

Modo crucero

Una vez que hemos alcanzado la velocidad deseada, si ésta es moderada y conducimos por una carretera llana, la potencia que debe suministrar el sistema se reduce a la necesaria para vencer la resistencia aerodinámica y de rodadura, la cual es mucho menor que la que el sistema tuvo que entregar para conseguir esta velocidad.

En esta situación, el sistema ajustará las revoluciones del ICE bajándolas a su zona de máximo rendimiento y de paso disminuyendo su ruido. Pero para reducir la velocidad del ICE y por ende, del anillo portasatélites sin bajar la velocidad del vehículo es necesario que el MG1 gire al revés.

Pero ello debe hacerlo ofreciendo un par reactivo; pues de lo contrario el ICE haría girar locamente al MG1 en lugar de impulsar al coche. Del mismo modo que cuando el MG1 gira hacia delante el par reactivo es proporcionado por el hecho de funcionar como generador, cuando lo hace hacia atrás el par reactivo sólo puede ser proporcionado haciendo que el el MG1 funcione como motor.

En esta extraña situación podríamos preguntarnos: si el MG1 funciona como motor, ¿quién le suministra la corriente eléctrica?, ¿la batería?, y si ésta llega a su nivel mínimo de carga ¿quién carga la batería y sigue suministrando electricidad al MG1? Hemos de recordar que el modo crucero debe ser un sistema autosuficiente, pues es el modo en el que más tiempo pasa el coche cuando viajamos por carretera.

La respuesta es el MG2. En efecto, sorprendentemente, cuando viajamos a velocidad de crucero el MG2 trabaja como generador alimentando al MG1 que ayuda a la impulsión del vehículo.   Este modo de conducción resulta tan extraño respecto de lo que hemos estado viendo que en algunos sitios ha sido bautizado como "modo herético", pues al igual que una herejía, contraviene las ideas preconcebidas sobre el sistema.

Modo freno-motor o Coasting

Cuando en un vehículo convencional levantamos el pie del acelerador, el motor deja de impulsarlo. El motor, que sigue acoplado a las ruedas mediante la transmisión gira sin aporte de combustible y esto, unido a la resistencia aerodinámica y de rodadura hace que el vehículo vaya perdiendo velocidad. A esto es a lo que se llama freno-motor y a esta forma de conducción se la denomina en inglés "coasting".

Aunque no hay razón para que esto suceda en un Prius, Toyota decidió dar al vehículo la misma sensación que en un coche convencional mediante la simulación de un freno-motor. Cuando levantamos el pie del acelerador en un Prius, el vehículo va más lento de lo que se esperaría si sólo tuviese que vencer la resistencia aerodinámica y de rodadura; y es que para producir esa fuerza reductora adicional se ha configurado al MG2 para funcionar como generador y cargar la batería. Por tanto, es el par resistente de este motor eléctrico el que produce el equivalente al freno-motor en un vehículo convencional.

La situación en el PSD es la mostrada. La corona gira cada vez más lentamente, el anillo portasatélites está inmóvil porque el ICE está apagado y el MG1 gira al revés libremente.

Este modo de conducción a altas velocidades llevaría al MG1 a girar por encima de su límite máximo; para ello, a partir de los 70 km/h se configura al MG1 como generador y su par resistente pone en marcha al ICE, de un modo parecido a lo explicado en el encendido en frío.

Vehículo parado y cargando la batería

Si el vehículo está parado y la batería se descarga por debajo del límite mínimo, el ICE arrancará en el modo descrito en Encendido en frío y una vez girando éste, el MG1 pasará a modo generador ofreciendo por tanto par resistente e inyectando energía eléctrica en la batería.

Marcha atrás

La marcha atrás sólo puede ser gestionada eléctricamente por el MG2. No existe modo alguno de que el ICE contribuya con su impulso a la marcha atrás. Al contrario, la mayor parte de las veces se parará cuando metemos la "R". Tal como puede verse en la imagen, el MG1 gira libremente hacia delante, es la misma situación que en el modo eléctrico pero al revés. El ordenador del sistema impedirá que la velocidad del MG1 sobrepase su límite.

Marcha atrás con el ICE arrancado

Esta situación es la más comprometida para el MG1 puesto que su velocidad debe ser ahora mayor que para una misma velocidad marcha atrás con el ICE  parado. Para ello la computadora, limitará a un valor más bajo la velocidad a la que podemos desplazarnos marcha atrás.

Frenado

Cuando queremos reducir la velocidad del vehículo de un modo más rápido de lo que el freno-motor del mismo y la resistencia aerodinámica y de rodadura nos permite, pisamos el pedal del freno. En un vehículo convencional transmitimos presión a un fluido y éste a su vez a unas pastillas que actuarán sobre un disco solidario con las ruedas haciéndolas parar.

En el Prius, cuando pisamos el pedal del freno, el ordenador hace que se extraiga más electricidad del MG2 de la que ya estaba extrayéndose como simulación del freno-motor, esto hace que el par resistente aumente, produciendo una mayor deceleración del vehículo. A este sistema se le conoce como "frenos regenerativos". Cuando la presión en el pedal supera la capacidad de frenada del generador por estar entregando éste la máxima corriente posible, el ordenador calcula la presión que ha de dar al circuito hidráulico convencional para completar el resto de la frenada.