¿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.

¿Qué es el autoconsumo con balance neto?

Ante los precios en continuo aumento de la energía eléctrica, seguramente alguna vez nos hemos preguntado si nos interesaría instalar nuestro propio generador fotovoltaico en nuestra casa.

La respuesta a esta pregunta depende de muchos factores. Para empezar diremos que existen varias maneras de dar uso a una instalación fotovoltaica propia. Pero para un pequeño usuario la modalidad que se configura como más interesante es la denominada autoconsumo por balance neto.

El funcionamiento es el siguiente. El usuario costea una instalación fotovoltaica que no tiene que ser necesariamente de grandes dimensiones. Durante las horas del día, su generador fotovoltaico estaría produciendo energía eléctrica; si el usuario no está en casa, esta energía sería inyectada a la red pública y contabilizada por un contador de doble sentido. Por la noche el usuario podría hacer uso de la energía que su sistema ha producido tomándola de la red sin cargo alguno. De este modo, la red funcionaría como una enorme batería ficticia.

Ahora analicemos el funcionamiento desde otro punto de vista. Imaginemos que nuestra instalación fotovoltaica es de unos 400 Wp, es sábado y estamos en casa. Los paneles están recibiendo radiación solar (supongamos la máxima posible) y nuestro consumo instantáneo es de unos 600 W. Como nuestra instalación no es capaz de hacer frente a un consumo superior a 400 W, estaríamos tomando los 200 W que nos faltan de la red. Es decir, nuestro contador estaría registrando una entrada de energía eléctrica desde la red hacia nuestra casa, estaría "girando" en la dirección que nos ve como consumidores.

Supongamos que apagamos algunos electrodomésticos hasta que el consumo instantáneo de nuestra casa es de 400 W. En esta situación, toda la energía que estuviésemos produciendo se consumiría instantáneamente y ninguna energía exterior sería necesaria. Nuestro contador estaría parado como si no hubiese nadie en casa y todo nuestro consumo no supondría costo alguno para nosotros.

Por último, supongamos que apagamos algunas luces y nuestro consumo disminuye a 100 W. Como nuestra producción es de 400 W, los 300 W restantes estarán siendo inyectados en la red y el contador empezará a "girar" en sentido contrario, es decir, estaría descontando kWh del totalizador. En esta situación desde la red pública se nos ve como productores de energía.

Este hecho de que un mismo usuario pueda ser productor y consumidor de energía es lo que ha dado lugar al término prosumidor.

Esta interesante modalidad de autoconsumo está en forma de borrador y la normativa que la desarrolla se espera de forma inminente (verano de 2013).

El problema de los contadores

Si os habéis dado cuenta, en la descripción hecha más arriba he entrecomillado la palabra "girando" cuando he hecho alusión al funcionamiento de los contadores. En realidad los antiguos contadores analógicos son unidireccionales y en caso de tener que contabilizar energía positiva o producida se bloquearían, no dejando constancia de la energía saliente inyectada a la red, por lo que estaríamos regalando nuestra producción a la empresa comercializadora.

Por otro lado, los nuevos contadores digitales que se están colocando, a pesar de que sí son capaces de totalizar en ambos sentidos registrando el consumo neto, parece que previamente han de ser configurados para ello en fábrica. Esta configuración no se está llevando a cabo y los contadores digitales que se nos están instalando vienen con la configuración por defecto, es decir aquella que contabiliza la energía producida como energía consumida. Por tanto, de usar nuestro nuevo contador para una instalación de este tipo, nuestra energía inyectada en red aparecería como energía consumida por nosotros.

Calc 8: La función BUSCARV()

La función BUSCARV( ) es una función muy utilizada en Calc cuando trabajamos con listas de datos, pues nos permite buscar datos de un elemento en una tabla a partir de otros conocidos. Por ejemplo, imaginemos que tenemos una tabla en la que cada fila corresponde a un cliente y cada celda de esa fila contiene datos de ese cliente como pueden ser DNI, nombre, apellidos, fecha de nacimiento, dirección, etc. Pues bien, con la función BUSCARV(), podemos, conocido un dato, extraer otro cualquiera. Así, dado el DNI, podemos obtener todos los demás.

La función BUSCARV() tiene su hermana gemela BUSCARH(), mientras la primera rastrea verticalmente, la segunda lo hace horizontalmente.

Para utilizar la función BUSCARV( ) en Calc primero hemos de asegurarnos de que tenemos una tabla con datos, que puede estar en la misma hoja donde vamos a visualizarlos o en otra distinta. Esta tabla actuará a modo de pequeña base de datos. Después, seguiremos los siguientes pasos:

    1)  Nos situamos en la celda donde queremos que aparezca el dato buscado.

    2)  Introducimos en la barra de fórmulas la expresión:

=BUSCARV(

    2)  A continuación, introducimos el primero de los cuatro argumentos que tiene la función, el cual es: valor_buscado, es decir, es el valor conocido que vamos a emplear para extraer otro de la misma fila donde se halla éste. Habitualmente es una referencia a una celda, por tanto hemos de seleccionar la celda que va a contener el dato conocido que servirá para extraer los demás.

    3)  Colocamos punto y coma e introducimos el segundo argumento: matriz_buscar_en, el cual es el rango de celdas que engloba toda nuestra tabla de datos. El valor buscado debe estar en la primera columna del rango que forma la matriz.

    4)  Colocamos punto y coma e introducimos el tercer argumento: Índice, el cual indica el número de columna dentro de la matriz de donde debe extraerse el dato requerido.

    5)  Colocamos punto y coma e introducimos el cuarto argumento: ordenado. Este es un valor opcional y de tipo booleano, esto quiere decir que podemos colocar 0 o 1, o también, VERDADERO o FALSO. Si colocamos 0 o FALSO, estamos indicando que nuestros datos no están ordenados con lo que si no encuentra el dato buscado nos dará mensaje de error. Si por el contrario indicamos 1 o VERDADERO, si no encuentra el dato nos dará el más aproximado.

Ejemplo:

La siguiente hoja muestra el uso de la función BUSCARV() para buscar el nombre de un cliente por el número de su DNI.

Como puede verse la fórmula está insertada en la celda C3 porque ahí es donde queremos que se visualice el nombre del cliente:

=BUSCARV(B3;B7:C10;2;0)

El primer argumento es la celda B3, porque es la cela donde está previsto ingresar el valor del DNI que será el que se use para buscar en la tabla.
El segundo argumento es el rango B7:C10 el cual incluye la tabla que nos sirve de base de datos de nuestros clientes.
El tercer argumento es el 2 puesto que los datos que queremos extraer (nombre de clientes) se encuentran en la 2ª columna de nuestra tabla.
Por último, el cuarto argumento es 0 o FALSO para indicar que queremos usar el modo de búsqueda exacto: preferimos que cuando no encuentre un DNI que nos de un mensaje de error antes que un cliente con un número de DNI aproximado.


El siguiente ejercicio propone la realización de una factura con referencias, es decir, introduciendo la referencia del artículo, nos aparecerá automáticamente la descripción del mismo y su precio.

Ejercicio 8: La función BUSCARV( )