2008/05/09

Prius: dispositivo repartidor de potencia

Dado que espero poder conducir un Prius dentro de pocos días, estoy leyendo bastante al respecto. Hace poco traduje un texto sobre el Sistema de transmisión del Prius. Entre otras cosas habla del DRP (PSD, en inglés), como elemento innovador. Y remite a esta página, que me he permitido traducir, con el beneplácito de www.hybridcars.co.nz. Por otra parte, no puedo dejar de mencionar la página de eahart, que tiene un par de animaciones del DRP de lo más ilustrativo.

 

Transmisión del Toyota Prius

 

La "Transmisión variable continua" del Toyota Prius

Habrás leído en muchos sitios que el Prius tiene una CVT, siglas usadas habitualmente para referirse a una "Transmisión variable continua". Toyota denomina a la transmisión del Prius "ECVT", que puede ser "Transmisión variable controlada eléctricamente" o "Transmisión variable continua controlada eléctricamente", dependiendo de dónde. Entonces, ¿es "variable continua" o no? Veremos que la respuesta puede ser lo mismo sí que no. Las CVT ya llevan tiempo existiendo, y en principio no parece que Toyota haya avanzado mucho. Lo cual, sin embargo, es completamente falso, porque la ECVT en el Prius funciona de manera totalmente distinta a cualquier otra CVT que pueda haber en cualquier coche de serie. Es tan distinta que llamarla CVT lleva a error. Sin embargo, el uso de este término conocido explica, al menos, por qué el tono del sonido del motor no aumenta al acelerar.

Transmisión de "marchas" convencional

Una transmisión convencional, o de "marchas", elige de entre una serie de relaciones fijas entre el lado de entrada (el motor) y el de salida (el tren de tracción hacia las ruedas). En una marcha "baja", la velocidad de giro del motor se ve reducida hacia las ruedas, para poder empujar un coche que se mueve despacio a la vez que el motor gira lo suficientemente rápido como para desarrollar el par necesario. A medida que el coche gana velocidad, el motor gira más rápido, haciendo un ruido que todos conocemos. En algún punto, dependiendo de cuánto queramos acelerar, el conductor, o la propia transmisión, cambia a la marcha siguiente. La velocidad de giro del motor cae y vuelve a subir a medida que el coche sigue acelerando. De este modo podemos ir moviéndonos por las marchas, haciendo que el motor gire a una velocidad que proporcione la fuerza que necesitamos a la velocidad que llevemos, y evitando que tenga que girar demasiado rápido.

 

Además de reducir la relación de las velocidades de giro entre motor y ruedas, una marcha baja multiplica el par motor en la misma proporción. Por eso la aceleración es mayor en marchas bajas y menor a medida que pasamos (nosotros o la transmisión) a marchas más altas. Para conseguir la mejor aceleración, los pilotos de carreras evitan cambiar de marcha hasta que el motor llega a la "zona roja", la velocidad de giro por encima de la cual empezará a sufrir daños. El tiempo necesario para pasar de 0 a 100 tal y como se publicita se mide usando una estrategia similar, y será mayor si el conductor no quiere llevar el motor tan cerca de su límite.

Transmisión variable continua "verdadera"

Cuantas más marchas tenemos, más posibilidades hay para ajustar la velocidad de giro del motor dada una velocidad del coche determinada. Esto nos permite buscar potencia cuando hace falta subiendo las revoluciones, o desplazarnos con economía bajando las revoluciones del motor y reduciendo las pérdidas asociadas con el movimiento rápido de los componentes del motor. Una CVT convencional tiene un número infinito (o muy alto) de relaciones. Elegirá una que pueda entregar a las ruedas el par que esté demandando el conductor, pero mantendrá el motor girando lo más despacio posible para reducir el consumo y alargar la vida del motor. A medida que el coche adquiere velocidad, la transmisión cambia continuamente a una marcha ligeramente superior. El resultado es que el tono del motor es más o menos constante y la aceleración se reduce suavemente, en lugar de a saltos, dado que el efecto multiplicador sobre el par de las marchas superiores se reduce.

 

Las ventajas de una CVT (selección de la mejor relación en cualquier momento para maximizar rendimiento y economía) se ven considerablemente mermadas por los problemas de eficiencia y fiabilidad. No es posible utilizar los eficientes y fiables engranajes dentados, la base de las transmisiones de marchas. En su lugar es necesario un mecanismo de correas y poleas, con un mecanismo que varía el diámetro efectivo por el cual la correa pasa alrededor de la polea.

La transmisión del Prius

La transmisión del Prius da lugar a uno de los efectos de una CVT pero no al otro. Se puede seleccionar la velocidad de giro del motor necesaria para producir el par deseado, pero no más rápida, para mantener un consumo eficiente. El tono del motor del Prius, por tanto, suena como si el coche tuviera una CVT porque no sube a medida que el coche gana velocidad. En su lugar, sube y baja con la demanda de potencia o, lo que es lo mismo, con cuánto pisamos el acelerador. La transmisión del Prius, sin embargo, no multiplica el par del motor a velocidades bajas del vehículo. Esto es porque únicamente tiene una marcha. En efecto, el motor está acoplado a las ruedas, como si el coche estuviera siempre en "directa". Esto sería una limitación inaceptable, si no fuera por la presencia de un potente motor eléctrico adicional al de gasolina. Con el considerable par que añade este motor, hay quien ha dicho que el coche se comporta ¡como si estuviera siempre en primera!

El Dispositivo Repartidor de Potencia

El componente central de la transmisión del Prius es un engranaje epicicloidal que Toyota denomina Dispositivo Repartidor de Potencia (en inglés, Power Split Device, o PSD). Este tipo de engranaje es también conocido como "planetario" porque consiste en una serie de engranajes satélite que rodean a un engranaje planeta central. Los engranajes satélite están en unos ejes fijados a un "portasatélites", que gira alrededor del mismo eje que el planeta. A diferencia de los planetas reales, son todos del mismo tamaño y están a la misma distancia del centro común de rotación. Los engranajes satélite están rodeados y se enganchan en un engranaje llamado corona. Éste también gira alrededor del mismo eje que todo lo demás. El motor de combustión interna (MCI) del Prius está conectado al portasatélites. Al girar, los satélites se enganchan y tienden a empujar tanto al engranaje planeta (centro) como a la corona (por fuera) en la misma dirección que el portasatélites. Con una cuidada elección del tamaño (y, por tanto, del número de dientes) de los engranajes planeta y corona, Toyota consigue que el 72% (exactamente 2,6 entre 3,6) del par vaya a la corona y un 28% (exactamente 1 entre 3,6) vaya al planeta. Esto es difícil de visualizar, así que puedes pensar en una barra de 3,6 metros de largo utilizada como palanca. Cada extremo descansa sobre una báscula de baño y tú estás a 2,6 metros de un extremo. El 72% de la presión que ejerce tu peso caerá sobre la báscula más cercana y el 28% restante sobre la otra. El engranaje epicicloidal consigue el mismo efecto con la presión rotatoria, o par.

 

Ahora entendemos cómo el par del MCI se reparte en dos. La corona, que recibe la mayor parte, está conectada a través del eje reductor habitual al diferencial, y de ahí a las ruedas. Así es como el MCI mueve el coche. El engranaje planeta, que recibe la parte menor de ese par, está conectado a un motor/generador llamado MG1.

 

Por ahora, olvidemos que el MG1 puede actuar como motor y supongamos que actúa como generador. El MCI que mueve el portasatélites hace girar el planeta y el MG1 gira. Un ordenador ajusta la energía eléctrica que se saca del MG1 de modo que la resistencia que opone el generador equilibre el par que se recibe del MCI. O sea, el MCI empuja el coche con un 72% de su par y a un generador con el 28% restante. Luego encontraremos uso a la electricidad generada.

 

Por último, hay que entender que la corona y el planeta, ambos empujados por el MCI con una fracción fija de su par, pueden girar libremente a distintas velocidades. Aunque hay una relación matemática fija entre sus velocidades de giro y la velocidad de giro del MCI, uno puede girar más rápido y el otro más despacio sin modificar la velocidad de giro del MCE. Volvamos a nuestra palanca de 3,6 metros. La quitamos de las básculas y hacemos que dos amigos la sostengan, cada uno de un extremo. Empuja la palanca a 2,6 metros de un extremo. Un amigo notará un 72% de tu empuje y el otro el 28%. Ahora, si empujas tan fuerte que no puedan aguantar, uno o los dos pueden moverse hacia atrás y permitir que tú avances. Pueden elegir la velocidad a la que retroceden independientemente uno del otro. Por ejemplo, uno podría quedarse quieto y el otro hacer todo el retroceso. Con una palanca corta, esta imagen no te llevará muy lejos, pero nuestro engranaje epicicloidal funciona del mismo modo, sin límite. Si la corona no se mueve, el planeta puede absorber toda la rotación del portasatélites girando más rápido.

 

Esta pista ayuda a ver cómo el engranaje epicicloidal permite ajustar la velocidad de giro del MCI como con una CVT. Para cualquier velocidad de marcha determinada, el ordenador calcula a qué velocidad está girando la corona. Con la demanda de potencia decide a qué velocidad debería girar el MCI. Entonces resuelve una ecuación para determinar a qué velocidad debe girar el MG1. Y ajusta la potencia que saca el MG1 para acelerar o frenar el MCI hasta alcanzar la condición deseada. Nada de esto modifica el 72% de par del MCI que se envía a las ruedas. Las ruedas pueden estar incluso paradas y este par aún se aplica. Permitiendo que el MCI impulse el coche desde parado, hacemos innecesario un embrague o convertidor de par, eliminando de la transmisión un componente voluminoso y propenso al desgaste.

 

El último paso es encontrar una utilidad a la electricidad de MG1. Un segundo motor/generador llamado MG2 está conectado a la corona del DRP y añade su par al que viene del DRP desde el MCI (que mueve el portasatélites). Así, la energía que parecía que se iba a desperdiciar es en realidad sacada del DRP y devuelta al mismo por un medio eléctrico y también termina empujando las ruedas. En efecto, la potencia del MCI se reparte (en el Dispositivo Repartidor de Potencia, por supuesto), parte sigue un camino mecánico a través de la corona y parte un camino eléctrico hasta el planeta, MG1, electrónica de control y MG2. La corona y MG2 empujan juntos las ruedas a través del eje reductor y el diferencial.

 

Aunque podemos pasarlo por alto de momento, para comprender del todo la transmisión del Prius es precido observar que la división de potencia entre los caminos mecánico y eléctrico no es fija, como lo es la división de par. La potencia es producto del par y de la velocidad de giro, así que la potencia que pasa en cada dirección depende de la relación entre las velocidades de giro de MG1 y la corona. Se puede leer en algunos sitios que un 72% de la potencia del MCI va directo a las ruedas y un 28% se convierte en electricidad. Esto no es correcto. El par se reparte en esta proporción, pero la división de potencia es variable, un hecho del que saca ventaja el ordenador de control del motor.

Cómo los Motores/Generadores eléctricos y el MCI están conectados al dispositivo repartidor de Potencia en el Toyota Prius

Siempre en directa

Hemos descubierto hasta ahora cómo la transmisión del Prius utiliza un engranaje epicicloidal, un generador y electrónica de control para ajustar la velocidad de giro del motor sin utilizar ni una caja de cambios ni una CVT convencional. También hemos descubierto que una proporción fija (un 72%) del par del MCI se envía mecánicamente a las ruedas. Sin la posibilidad de cambiar la relación entre el MCI y las ruedas, no podemos multiplicar el par del MCI para conseguir una aceleración alta a baja velocidad. Aunque hemos resuelto el problema de dejar que el MCI gire a una velocidad adecuada cuando el coche se mueve despacio, ¡tener el par fijo es equivalente a ir siempre en directa!

 

Este problema está parcialmente resuelto pasando la electricidad generada del MG1 al MG2, que añade su par al del MCI. Los motores eléctricos no comparten con el MCI el problema de no generar par a baja velocidad. De hecho, es ahí donde generan un par mayor. Si hacemos funcionar el MCI a, pongamos, 2000 RPM, con el coche prácticamente parado, la energía que pasa del MCI a MG1 es la mayoría. De hecho, hasta que el coche empieza a moverse, toda la energía va al MG1. Incluso aunque MG1 sólo recibe un 28% del par, ¡se lleva todo el movimiento! Como MG2, conectado a las ruedas, no gira muy rápido, no necesita mucha energía para generar su par máximo. El Prius puede salir desde parado con una aceleración respetable hasta aproximadamente 22 km/h utilizando casi toda la energía del MCI a través de MG1 y MG2. Sólo la quinta parte del par viene directamente del camino mecánico durante esta aceleración inicial.

Reduciendo el motor

A los 22 km/h, el Prius ya no puede mantener la aceleración esperada utilizando sólo energía de su pequeño MCI, diseñado para ser eficiente y poco consumidor y no para dar mucha potencia. A medida que la velocidad aumenta, MG2 necesita más y más potencia para mantener su par, y pronto alcanzará su límite, en el cual el par caerá. Toyota ha dimensionado MG2 para que tenga potencia suficiente para seguir acelerando el coche a un nivel aceptable, pero ¿de dónde sacar la energía eléctrica adicional? La respuesta es, por supuesto, la batería. MG1 no pasa energía eléctrica directamente a MG2 como hemos supuesto antes. La electrónica de control incluye un dispositivo llamado "inversor" que convierte la energía generada en corriente directa a varios cientos de voltios. Esta está conectada a las bornas de la batería. Un segundo inversor para MG2 toma la energía que necesita de las bornas de la batería para mover MG2 y acelerar el coche. Si MG1 no produce la energía que MG2 necesita, la diferencia saldrá de la batería. En otros momentos, cuando el coche ha alcanzado la velocidad deseada, la energía sobrante de MG1 entra a la batería para recargarla. Este "turbo de batería" es lo que permite a un coche de 1300 kg, que de otro modo necesitaría un motor de más de 100 caballos y una caja de cambios, dar una buena aceleración con un motor de 70 caballos y sin caja de cambios.

 

La Clean Green Car Company desea agradecer a Graham Davies su contribución al material de esta página.

Y yo, por supuesto, agradezco a la Clean Green Car Company su permiso para traducir esta estupenda explicación.

Puedes echar un vistazo a mis otras entradas sobre el Prius.

2 comentarios:

Anónimo dijo...

Es imposible que el motor del Prius este directamente conectado a las ruedas, porque de ser asi, en una aceleracion de 0 a 100 la velocidad aumentaría de forma proporcional a las revoluciones del motor de gasolina, y no es asi, el motor se mantiene en un rango alto de revoluciones de forma contínua mientras la velocidad va ascendiendo, como ocurre en cualquier transmision CVT.

Tras la persiana dijo...

Anónimo, el motor que está conectado a las ruedas no es el MCI, sino el MG2 (correspondiente a la corona del DRP). Jugando con las revoluciones del MCI y el MG1 se consigue ajustar la velocidad del MG2 a lo que corresponda.