David Ras
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La “caja de cambios” automática e-CVT
En este post explicaremos lo que es y como funciona el “cambio de marchas” e-CVT de Toyota y otras marcas.
No confundir con el CVT normal porque los dos sistemas son bastante diferentes.
¿Que es el e-CVT?
La “caja de cambios” e-CVT de Toyota (Transmisión Variable Continua eléctrica) comparte el nombre con la CVT, pero mecánicamente es muy diferente, ya que la e-CVT es más robusta y no utiliza correa ni cadena que se puedan gastar y necesiten cambiarse.
La e-CVT de Toyota utiliza un engranaje planetario simple, parecido al engranaje planetario que tiene la caja automática de conversor de par, pero mientras la e-CVT tiene un solo engranaje, el conversor tiene varios, y mientras la e-CVT no tiene embragues ni frenos, el conversor tiene varios.
En la e-CVT, no hay fricción de discos, ni de embragues, ni desgastes de correas, ni convertidores de par, solo engranajes metálicos engranados permanentemente, por lo que es muy fiable y simple, y por eso es la preferida por muchos taxistas. Como tiene muy pocas piezas móviles, en comparación con los cambios de convertidor de par o de doble embrague, tiene menos elementos susceptibles de fallo, necesita menos mantenimiento, solo cambios periódicos de aceite lubricante, no necesita cambiar embragues y, sobretodo, pesa menos.
El engranaje planetario
Un engranaje planetario es un grupo o estructura de engranajes que recuerda un sistema solar, en el que hay cuatro componentes principales interconectados que giran unos alrededor de los otros.
Sobre la nomenclatura del engranaje planetario, hay cierta confusión. Hay quien al eje central le llama sol, a los elementos que giran a su alrededor planetas, y al portador porta planetas. Y hay quien al eje central le llama planeta, a los elementos que giran a su alrededor satélites y al portador porta satélites. Como se puede ver, el esquema es el mismo y solo cambia algún nombre. Lo importante es que se entienda la idea.
*Foto del engranaje planetario del e-CVT. El equivalente al sol es la rueda dentada central en color claro, aunque en este caso lo llama “planeta”. Está conectada al motor eléctrico pequeño (MG1), que actua sobre todo como generador. En azul, el portador o porta satélites, una pieza que sujeta los ejes de los satélites y los hace girar en bloque. Está conectado directamente al motor de gasolina (ICE). La corona es el anillo exterior rojo con dientes internos que cierra todo el conjunto. Está conectada a las ruedas y al motor eléctrico grande (MG2), que es el que impulsa el vehículo directamente. En este esquema habla de planetas y satélites, en otros de sol y planetas, pero el esquema es el mismo.
*Foto del eje planetario desmontado. A la izquierda se vé la corona, el anillo exterior que cierra todo el conjunto, y está conectada a las ruedas y al motor eléctrico MG2. En en centro se puede ver el portador y, aunque no se aprecia bien, en la parte superior se ven los dientes de dos planetas o satélites, y por el agujero central los dientes de los otros dos. Están metidos dentro, con una especie de carenado. El portador está conectado directamente al motor de gasolina (ICE). A la derecha, el equivalente al sol o eje central, que está conectado al motor eléctrico MG1.
Los 3 motores
El Hybrid Synergy Drive (HSD) es el sistema híbrido que agrupa el motor de combustión y los dos motores eléctricos. Y el Power Split Device (PSD) es la caja de cambios e-CVT y el cerebro que conecta los tres motores. Porque el vehículo utiliza un motor de combustión de gasolina (ICE), un motor eléctrico (MG2) principal o grande que puede mover el coche, y un motor eléctrico (MG1) secundario o pequeño que hace de generador. Y el sistema es capaz de decidir en cada momento cual es la combinación más eficiente de motores, controlando y sincronizando los tres motores sin que el conductor tenga que hacer nada ni notar ningún cambio.
Los dos motores eléctricos se llaman MG1 y MG2 porque pueden funcionar como motor, consumiendo electricidad y transformándola en fuerza para mover las ruedas, y como generador, transformando el movimiento de giro en electricidad para cargar las baterías.
Los tres motores (el de gasolina y los dos eléctricos) pueden girar a diferentes velocidades y son variables según las necesidades, pero si se varía la velocidad de uno de ellos los otros dis también cambiarán de velocidad.
El motor de combustión ICE es un motor de gasolina, generalmente de ciclo Atkinson por ser más eficiente que el tradicional ciclo Otto, y su función es mover el vehículo a velocidades superiores a los 70 km/h y, si es necesario, accionar el generador MG1 para cargar la batería.
El motor eléctrico pequeño MG1 es el generador principal, actúa como motor de arranque del motor de combustión (ICE), eliminando este componente del motor de gasolina tradicional, gestiona la velocidad de giro del motor de gasolina, y carga la batería híbrida.
El motor eléctrico MG2 es el motor eléctrico principal y el más grande de los dos, y también se le conoce como motor de tracción porque su velocidad de giro (revoluciones por minuto, rpm), tiene una relación fija con la velocidad de giro de las ruedas. Funcionando solo, puede mover el vehículo en modo eléctrico (EV), y funcionando conjuntamente con el motor de combustión utiliza la frenada regenerativa para cargar la batería.
Aunque podemos variar las revoluciones tanto del motor de combustión como las del motor eléctrico MG2, si aumentamos las revoluciones de motor de combustión el vehículo no acelerará, pero si lo hará si aumentamos las revoluciones del motor eléctrico MG2.
El motor de combustión ICE puede girar más o menos rápido, dependiendo del par motor que se necesite, incluso con apoyo o freno de los motores eléctricos, para que el vehículo pueda alcanzar la velocidad deseada mientras el motor de combustión sigue funcionando a la velocidad más eficiente posible.
El motor eléctrico pequeño MG1 tiene una velocidad máxima de giro de 10.000 rpm, aunque no subirá (por software) de 6.500 rpm si el motor de combustión está apagado. Por eso, cuando el MG1 supere las 6.500 rpm, unos 70 km/h (HSD Gen3), siempre encenderá el motor de combustión. El MG1 puede girar en los dos sentidos y, en funcionamiento normal, frecuentemente cambia la dirección de giro, incluso llegando a las 6.500 / 10.000 rpm.
Los limites superiores de velocidad con motor eléctrico para que se encienda el motor de combustión son:
El motor de combustión puede funcionar de 0 a 4.500 rpm, pero de 0 a 1.000 no es eficiente y, si en algún momento estuviera en este rango, se pararía totalmente o subiría hasta las 1.000 rpm. El motor ICE está limitado para que funcione siempre entre 1.000 y 4.500 rpm, porque es el rango más eficiente.
El sistema para el motor de combustión cuando no lo necesita, y lo arranca cuando necesita mayor par motor o mayor velocidad de la que proporciona el MG2 por si solo.
*Foto en la que se puede ver un esquema con el motor de combustión a la izquierda, el motor eléctrico MG1, el PSD, el motor eléctrico MG2 a la derecha y la bomba de aceite a la derecha del todo.
*Foto del conjunto motor y la transmisión de un Toyota Prius. Se trata del motor de segunda generación XW20 que se fabricó entre 2004 y 2009. A la izquierda se puede ver el motor de gasolina 1NZ-FXE de 1.4 litros y 4 cilindros en línea. A la derecha, el bloque que agrupa todo el sistema híbrido, incluyendo el PSD, con la caja e-CVT a la derecha de todo, y los dos motores eléctricos MG1 y MG2 en el centro hacia la derecha. Los cables de color naranja son para remarcar que son de alta tensión, de corriente continua y van de la batería de alta tensión al inversor.
*Foto del mismo conjunto motor pero en Ka que se puede ver el interior de la parte híbrida. El motor / generador MG1 está etiquetado como “Generator”, el motor / generador MG2 está etiquetado como “Motor”, y el cambio e-CVT está etiquetado como “Power Split Device” (PSD).
*Foto del conjunto motor y la transmisión de otro Toyota Prius. Se trata del motor de tercera generación XW30 que se fabricó entre 2009 y 2015 y supuso un cambio tecnológico importante respecto la generación anterior. A la izquierda se puede ver el nuevo motor de gasolina 2ZR-FXE de 1.8 litros y 4 cilindros en línea, diseñado para trabajar a menos revoluciones en autopista y ser más eficiente. No tiene correas de servicio, y la bomba de agua es eléctrica para eliminar pérdidas de energía mecánica y reducir el mantenimiento. La pieza plateada en la parte superior con el logo de Toyota es el inversor / conversor, que se hizo más compacto y se puso aquí. En la foto se puede ver el interior de la transmisión (P410), y los engranajes planetarios y los bobinados de cobre de los motores eléctricos MG1 y MG2. Todo el conjunto se vé más integrado y compacto que en la generación anterior, y es el diseño que se utilizó en miles de taxis de todo el mundo por ser uno de los más fiables de la historia de Toyota.
*Foto de detalle de los dos motores / generadores eléctricos MG1 y MG2.
Como funciona la hibridación de Toyota
En un vehículo sin cambio e-CVT, cuando el motor sube de revoluciones, la velocidad también aumenta, pero en un vehículo con cambio e-CVT los tres motores (ICE, MG1, MG2) tienen velocidades diferentes y el sistema juega con ellas.
Características de los 3 motores
Aunque siempre hablamos de la caja de cambios e-CVT, en realidad es un “transeje” que gestiona la potencia mediante un eje planetario.
Los dos motores eléctricos MG1 y MG2 son motores síncronos de imanes permanentes, pero tienen funciones diferentes. Además no tienen escobillas, son brushless, y al no tener embragues ni fricción, prácticamente no tienen desgaste mecánico, lo que los hace eternos si se hace correctamente el mantenimiento del aceite (ATF). Los únicos problemas pueden ser la degradacion del aislamiento del bobinado por un sobrecalentamiento extremo o un aceite en mal estado, cosa muy rara en condiciones normales de uso. Porque aparte del aceite ATF de la caja e-CVT (ATF significa Automatic Transmission Fluid), el sistema tiene su propio circuito de refrigeración (pero Independiente del motor de combustión) para mantener los inversores, y los motores eléctricos a una temperatura óptima.
Los dos motores funcionan en corriente alterna (AC) trifásica, a unos 600 - 650 V, para ser más eficientes y minimizar las pérdidas por calor (efecto Joule). Pero la batería de alta tensión funciona con corriente continua (CC) y por tanto se necesita un inversor, que se monta sobre la caja, que es el que transforma la continua de la batería en alterna para los motores, y viceversa.
En las 3 primeras generaciones, hasta 2015, los motores MG1 y MG2 estaban alineados en el mismo eje, eran coaxiales, lo que havia que la caja fuera muy larga y pesada. A partir de la 4a generación se rediseñó y se colocaron en ejes paralelos, eran multieje, lo que permitió reducir en 47 mm la longitud de la unidad y reducir las pérdidas por fricción en un 20%.
El motor / generador MG1
El motor / generador 1 es el gestor de todo. Su funcion principal es cargar la batería y actuar como motor de arranque del motor de combustión. Además, controlando su velocidad de giro regula la relación de transmisión, haciendo las funciones de variador continuo. No mueve las ruedas directamente, es más pequeño y ligero que el MG2, y está bañado en aceite para disipar el calor generado durante la generación de energía continua para la batería.
Cuanto más rápido pueda girar, más alta será la velocidad del vehículo en modo eléctrico sin tener que encender el motor de gasolina. En las primeras versiones giraba a unas 6.500 rpm. En las actuales (5a generación), supera las 17.000 rpm, lo que permite al vehículo circular en modo eléctrico hasta 130 km/h con el motor de combustión apagado (modo vela).
En el MG1 de 4a generación tenía entre 30 y 45 CV (22 y 33 kW), un par motor de entre 35 y 45 Nm, y un máximo de 13.000 rpm.
El MG1 de 5a generación tiene una potencia de entre 40 y 60 CV (30 y 44 kW), un par motor de entre 40 y 55 Nm, y una velocidad máxima de entre 17.000 y 18.500 rpm.
El par motor es bajo porque no necesita arrancar el vehículo desde cero, ni mover 1.500 kg de peso, y su principal dificultad es arrancar el motor de combustión, y además hacer de generador, pero no necesita mucho par motor para hacer las dos cosas.
Y la potencia (de 22 a 44 kW) se usa para generar electricidad que después consumirá el MG2, así que funciona como una dinamo de alto rendimiento y, por tanto, no se puede sumar a la potencia total del vehículo
El motor / generador MG2
El motor / generador 2 es el impulsor. Es mucho más grande y potente, y es el responsable de impulsar el vehículo en modo eléctrico, de ayudar al motor de combustión en las aceleraciones, y de recuperar energía mediante la frenada regenerativa. Está conectado mecánicamente a las ruedas, y es el responsable de la marcha atrás, invirtiendo el sentido de giro.
Aunque está conectado a las ruedas, no gira a la misma velocidad que ellas. Pasa por un engranaje reductor que multiplica el par motor, y a pesar de tener solo 200 Nm, a las ruedas en la salida desde parado llegan casi el doble, como en un motor diesel potente.
Utiliza imanes de neodimio de alta resistencia al calor, e hilos de cobre de sección cuadrada en lugar de sección redonda, a partir de la 4a generación, lo que elimina los espacios vacíos entre cables, poniendo más cobre en el mismo espacio y aumentando el par motor.
El MG2 es el responsable principal de recuperar energía. Así que, cuando el vehículo deja de acelerar, en MG2 cambia su polaridad y se convierte em un generador que frena el vehículo mientras carga la batería.
En la 4a generación (2016-2022) se introdujo el diseño multieje, que permitió a la MG2 girar a más revoluciones que en las generaciones anteriores, compensando la pérdida de par motor mediante el aumento de velocidad.
El motor de combustión
En las primeras versiones el motor era un 1.5 litros, pero más tarde aumentó a 1.8, y posteriormente a 2.5 litros. Actualmente oscila entre los 98 CV / 142 Nm del Prius y Corolla 1.8L, y los 177 CV / 221 Nm del RAV4 y Camry 2.5L, que no son grandes cifras para el cubicaje de estos motores.
Son motores limitados a entre 5.500 y 6.000 rpm ya que por encima de estas revoluciones el ciclo Atkinson pierde su eficacia. Pero son motores que alcanzan su temperatura óptima de trabajo muy rápido, lo que es muy importante en un híbrido que se apaga y enciende constantemente.
El motor de combustión está conectado al portador (porta satélites). Cuando se enciende, su potencia se divide entre la qye va a las ruedas, conjuntamente con la MG2, y la que va a la MG1 para generar la electricidad que necesita el sistema.
Toyota no utiliza turbos en sus híbridos no enchufables HEV por eficiencia termodinámica y fiabilidad. El turbo es ideal para dar potencia a motores pequeños, pero el sistema HSD de Toyota no lo necesita, ya tiene la MG2 para ello. Al no tener turbo, elimina el intercooler, las tuberías de presión, la válvula de descarga y el mismo turbocompresor. Y menos piezas significa menos averías a largo plazo.
Además, los motores turbo suelen generar altas temperaturas de combustión que son propensas a emitir óxidos de nitrógeno (NOx). Por eso, Toyota prefiere un motor atmosférico de mayor cilindrada que trabaje desahogado y limpio, que un pequeño motor 1.2 turbo que trabaje muy forzado y contamine mucho.
Por último, la potencia de un sistema híbrido de Toyota no es la suma directa de las potencias de sus 3 motores (ICE, MG1, MG2), ya que el tamaño de la batería limita la cantidad máxima de electricidad que de puede entregar en un momento dado.
El sonido característico del e-CVT
Cuando un vehículo con cambio e-CVT acelera a fondo, parece revolucionarse y mantener un sonido alto y constante mientras gana velocidad. Esto pasa porque el e-CVT pone el motor de gasolina en su punto de máximo par motor o de máxima eficiencia, normalmente a revoluciones altas, manteniéndose así mientras los motores eléctricos gestionan el aumento de velocidad hacia las ruedas.
Y esto es el principal punto débil de un cambio e-CVT, el ruido y la cierta lentitud del cambio y la aceleración. No hay tirones, no hay pérdidas de potencia, es un cambio progresivo, es eficiente, pero no es muy deportivo. Le llaman efecto “batidora”.
Pero si se busca un vehículo para hacer muchos kilómetros en ciudad, sin tener que estar cambiando constantemente las marchas, y sin problemas mecánicos, el e-CVT de Toyota es imbatible.
¿Que marcas utilizan el e-CVT?
Toyota fue la pionera y es la marca que más utiliza el e-CVT, ya que lo utiliza en prácticamente todos sus híbridos no enchufables, como en todas las versiones híbridas (5 puertas Hatchback, Sedan y familiar Touring Sports) de su Corolla, en los Yaris y Yaris Cross que utilizan el motor 1.5 de 116 y 130 CV, en el C-HR híbrido no enchufable de 140 CV y en el enchufable PHEV de 200 CV, en el RAV4 híbrido, en los Prius anteriores al 2025, en el Prius 2026 híbrido enchufable, y el Camry.
Lexus, la marca premium de Toyota también lo utiliza en todos sus híbridos, como el LBX pequeño basado en el Yaris, El UX pequeño, el NX mediano, el RX grande, el berlina ES 2026,
Ford también utiliza el e-CVT bajo el nombre de PowerSplit en su modelo Kuga, tanto en los híbridos no enchufables (FHEV) como en los enchufables (PHEV). También en las versiones híbridas del S-Max y Galaxy de 2026, aún siendo modelos bastante veteranos.
Honda llama i-MMD a la tecnología que utiliza en sus modelos e:HEV, pero no es una caja CVT, ni e-CVT, ni utiliza engranajes planetarios. La diferencia es que el motor de gasolina actua como generador de electricidad, que alimenta un motor eléctrico que es quien realmente mueve las ruedas el 90% del tiempo. No hay caja de cambios, el motor de gasolina solo se conecta directamente a las ruedas a velocidades de crucero en autopista mediante un embrague de relación fija, como si solo tuviera una 6a marcha. Este sistema lo utiliza en el Civic e:HEV, el Jazz, el HR-V, y el CR-V, tanto en su versión híbrida no enchufable (HEV) como en la enchufable (PHEV). A diferencia de Toyota, Honda emite un sonido simulado para recrear los saltos de revoluciones simulando los cambios de marcha. No cambia nada mecánicamente, pero evita el efecto de batidora.
Hyundai / Kia no utilizan el e-CVT. Los modelos de Hyundai y Kia más compactos, como el Kona Hybrid, el Niro y el Ioniq utilizan cajas de doble embrague (6-DCT). Los modelos más grandes, como el Tucson, el Sportage, el Sorento o el Santa Fe utilizan cajas de convertidor de par (6-AT). El motor eléctrico está acoplado a la entrada de la caja de cambios, y por tanto, la experiencia es totalmente diferente a la de los Toyota.
Y Renault, en sus modelos E-Tech como el Clio, el Captur y el Austral, utilizan una caja multimodo sin embragues ni sincronizadores. No es una e-CVT lineal de planetarios, y tiene marchas reales, 4 para el motor de gasolina y 2 para el eléctrico, por lo que el usuario nota los cambios de marcha, aunque son muy suaves y no tiene tan evidente el efecto batidora de Toyota. En modelos más nuevos y potentes, como el Rafale y el Espace de 200 CV, la caja ha pasado de 6 a 15 combinaciones, lo que permite un sistema todavía más silencioso y eficiente. La caja, inspirada en la F1, utiliza un sistema de dientes o garras, los crabots, que permite cambios muy rápidos y aguanta mucho par motor. El motor eléctrico iguala las velocidades para inserir las marchas, pero no es un engranaje planetario. El vehículo siempre arranca en motor eléctrico, y es el motor eléctrico pequeño (HSG, High-voltage Starter Generator) el que revoluciona el motor de gasolina para sincronizarlo con la velocidad de la transmisión antes de inserir la marcha.
Por último, BMW, Mercedes y General Motors se asociaron a mediados de la década del 2000 en el proyecto secreto “2-Mode Hybrid”. Era una especie de e-CVT que llamaron ECVT de 2 modos. Era un sistema extremadamente complejo (justo lo contrario que Toyota) que combinaba 3 engranajes planetarios, con 4 embragues multidisco dentro de la missa vaja, con marchas fijas para intentar tener lo mejor de los dos mundos: suavidad y fuerza para remolcar cargas, funcionamiento como una e-CVT a baja velocidad, y como una caja automática de 4 velocidades en autopista. Era tan grande que solo cabía en SUVs enormes, como el Chevrolet Tahoe, el BMW X6 ActiveHybrid (2009) y el Mercedes ML450 Hybrid, pero fue un fracaso comercial. El sistema era tan caro (costaba una fortuna), pesado y difícil de fabricar que ambas marcas lo abandonaron rápidamente, al año aproximadamente. Desde entonces no han vuelto a probar nada que se parezca a un e-CVT.
El éxito del e-CVT es la sencillez y fiabilidad, el fracaso del ECVT de 2 modos de BMW, Mercedes y GM fue la complejidad y la poca practicidad.
En el siguiente post se explica como funciona una "caja de cambios" CVT:
www.bmwfaq.org
Saludos.
PDF: La caja de cambios automática e-CVT.pdf 324,8 KB
En este post explicaremos lo que es y como funciona el “cambio de marchas” e-CVT de Toyota y otras marcas.
No confundir con el CVT normal porque los dos sistemas son bastante diferentes.
¿Que es el e-CVT?
La “caja de cambios” e-CVT de Toyota (Transmisión Variable Continua eléctrica) comparte el nombre con la CVT, pero mecánicamente es muy diferente, ya que la e-CVT es más robusta y no utiliza correa ni cadena que se puedan gastar y necesiten cambiarse.
La e-CVT de Toyota utiliza un engranaje planetario simple, parecido al engranaje planetario que tiene la caja automática de conversor de par, pero mientras la e-CVT tiene un solo engranaje, el conversor tiene varios, y mientras la e-CVT no tiene embragues ni frenos, el conversor tiene varios.
En la e-CVT, no hay fricción de discos, ni de embragues, ni desgastes de correas, ni convertidores de par, solo engranajes metálicos engranados permanentemente, por lo que es muy fiable y simple, y por eso es la preferida por muchos taxistas. Como tiene muy pocas piezas móviles, en comparación con los cambios de convertidor de par o de doble embrague, tiene menos elementos susceptibles de fallo, necesita menos mantenimiento, solo cambios periódicos de aceite lubricante, no necesita cambiar embragues y, sobretodo, pesa menos.
El engranaje planetario
Un engranaje planetario es un grupo o estructura de engranajes que recuerda un sistema solar, en el que hay cuatro componentes principales interconectados que giran unos alrededor de los otros.
- El equivalente al sol es una rueda dentada central. Está conectada al motor eléctrico pequeño (MG1), puede girar libremente, frenar o girar en sentido contrario para controlar la relación de marcha. Actua sobretodo como generador.
- Los planetas o satélites son varias ruedas dentadas pequeñas que giran alrededor del sol central.
- El portador o porta planetas es una pieza que sujeta los ejes de los planetas y los hace girar en bloque. Está conectado directamente al motor de gasolina (ICE). Cuando el motor de combustión gira, empuja el portador y los planetas.
- La corona es el anillo exterior con dientes internos que cierra todo el conjunto. Está conectada a las ruedas y al motor eléctrico grande (MG2), que es el que impulsa el vehículo directamente.
Sobre la nomenclatura del engranaje planetario, hay cierta confusión. Hay quien al eje central le llama sol, a los elementos que giran a su alrededor planetas, y al portador porta planetas. Y hay quien al eje central le llama planeta, a los elementos que giran a su alrededor satélites y al portador porta satélites. Como se puede ver, el esquema es el mismo y solo cambia algún nombre. Lo importante es que se entienda la idea.
*Foto del engranaje planetario del e-CVT. El equivalente al sol es la rueda dentada central en color claro, aunque en este caso lo llama “planeta”. Está conectada al motor eléctrico pequeño (MG1), que actua sobre todo como generador. En azul, el portador o porta satélites, una pieza que sujeta los ejes de los satélites y los hace girar en bloque. Está conectado directamente al motor de gasolina (ICE). La corona es el anillo exterior rojo con dientes internos que cierra todo el conjunto. Está conectada a las ruedas y al motor eléctrico grande (MG2), que es el que impulsa el vehículo directamente. En este esquema habla de planetas y satélites, en otros de sol y planetas, pero el esquema es el mismo.
*Foto del eje planetario desmontado. A la izquierda se vé la corona, el anillo exterior que cierra todo el conjunto, y está conectada a las ruedas y al motor eléctrico MG2. En en centro se puede ver el portador y, aunque no se aprecia bien, en la parte superior se ven los dientes de dos planetas o satélites, y por el agujero central los dientes de los otros dos. Están metidos dentro, con una especie de carenado. El portador está conectado directamente al motor de gasolina (ICE). A la derecha, el equivalente al sol o eje central, que está conectado al motor eléctrico MG1.
Los 3 motores
El Hybrid Synergy Drive (HSD) es el sistema híbrido que agrupa el motor de combustión y los dos motores eléctricos. Y el Power Split Device (PSD) es la caja de cambios e-CVT y el cerebro que conecta los tres motores. Porque el vehículo utiliza un motor de combustión de gasolina (ICE), un motor eléctrico (MG2) principal o grande que puede mover el coche, y un motor eléctrico (MG1) secundario o pequeño que hace de generador. Y el sistema es capaz de decidir en cada momento cual es la combinación más eficiente de motores, controlando y sincronizando los tres motores sin que el conductor tenga que hacer nada ni notar ningún cambio.
Los dos motores eléctricos se llaman MG1 y MG2 porque pueden funcionar como motor, consumiendo electricidad y transformándola en fuerza para mover las ruedas, y como generador, transformando el movimiento de giro en electricidad para cargar las baterías.
Los tres motores (el de gasolina y los dos eléctricos) pueden girar a diferentes velocidades y son variables según las necesidades, pero si se varía la velocidad de uno de ellos los otros dis también cambiarán de velocidad.
El motor de combustión ICE es un motor de gasolina, generalmente de ciclo Atkinson por ser más eficiente que el tradicional ciclo Otto, y su función es mover el vehículo a velocidades superiores a los 70 km/h y, si es necesario, accionar el generador MG1 para cargar la batería.
El motor eléctrico pequeño MG1 es el generador principal, actúa como motor de arranque del motor de combustión (ICE), eliminando este componente del motor de gasolina tradicional, gestiona la velocidad de giro del motor de gasolina, y carga la batería híbrida.
El motor eléctrico MG2 es el motor eléctrico principal y el más grande de los dos, y también se le conoce como motor de tracción porque su velocidad de giro (revoluciones por minuto, rpm), tiene una relación fija con la velocidad de giro de las ruedas. Funcionando solo, puede mover el vehículo en modo eléctrico (EV), y funcionando conjuntamente con el motor de combustión utiliza la frenada regenerativa para cargar la batería.
Aunque podemos variar las revoluciones tanto del motor de combustión como las del motor eléctrico MG2, si aumentamos las revoluciones de motor de combustión el vehículo no acelerará, pero si lo hará si aumentamos las revoluciones del motor eléctrico MG2.
El motor de combustión ICE puede girar más o menos rápido, dependiendo del par motor que se necesite, incluso con apoyo o freno de los motores eléctricos, para que el vehículo pueda alcanzar la velocidad deseada mientras el motor de combustión sigue funcionando a la velocidad más eficiente posible.
El motor eléctrico pequeño MG1 tiene una velocidad máxima de giro de 10.000 rpm, aunque no subirá (por software) de 6.500 rpm si el motor de combustión está apagado. Por eso, cuando el MG1 supere las 6.500 rpm, unos 70 km/h (HSD Gen3), siempre encenderá el motor de combustión. El MG1 puede girar en los dos sentidos y, en funcionamiento normal, frecuentemente cambia la dirección de giro, incluso llegando a las 6.500 / 10.000 rpm.
Los limites superiores de velocidad con motor eléctrico para que se encienda el motor de combustión son:
Generación | Modelos | ICE en marcha |
HSD Gen3 | Prius 3G, Auris | >72 km/h |
HSD Gen4 | Prius 4G, Corolla 1.8 | >110 km/h |
HSD Gen5 | Prius y Corolla 2023 | >130 km/h |
El motor de combustión puede funcionar de 0 a 4.500 rpm, pero de 0 a 1.000 no es eficiente y, si en algún momento estuviera en este rango, se pararía totalmente o subiría hasta las 1.000 rpm. El motor ICE está limitado para que funcione siempre entre 1.000 y 4.500 rpm, porque es el rango más eficiente.
El sistema para el motor de combustión cuando no lo necesita, y lo arranca cuando necesita mayor par motor o mayor velocidad de la que proporciona el MG2 por si solo.
*Foto en la que se puede ver un esquema con el motor de combustión a la izquierda, el motor eléctrico MG1, el PSD, el motor eléctrico MG2 a la derecha y la bomba de aceite a la derecha del todo.
*Foto del conjunto motor y la transmisión de un Toyota Prius. Se trata del motor de segunda generación XW20 que se fabricó entre 2004 y 2009. A la izquierda se puede ver el motor de gasolina 1NZ-FXE de 1.4 litros y 4 cilindros en línea. A la derecha, el bloque que agrupa todo el sistema híbrido, incluyendo el PSD, con la caja e-CVT a la derecha de todo, y los dos motores eléctricos MG1 y MG2 en el centro hacia la derecha. Los cables de color naranja son para remarcar que son de alta tensión, de corriente continua y van de la batería de alta tensión al inversor.
*Foto del mismo conjunto motor pero en Ka que se puede ver el interior de la parte híbrida. El motor / generador MG1 está etiquetado como “Generator”, el motor / generador MG2 está etiquetado como “Motor”, y el cambio e-CVT está etiquetado como “Power Split Device” (PSD).
*Foto del conjunto motor y la transmisión de otro Toyota Prius. Se trata del motor de tercera generación XW30 que se fabricó entre 2009 y 2015 y supuso un cambio tecnológico importante respecto la generación anterior. A la izquierda se puede ver el nuevo motor de gasolina 2ZR-FXE de 1.8 litros y 4 cilindros en línea, diseñado para trabajar a menos revoluciones en autopista y ser más eficiente. No tiene correas de servicio, y la bomba de agua es eléctrica para eliminar pérdidas de energía mecánica y reducir el mantenimiento. La pieza plateada en la parte superior con el logo de Toyota es el inversor / conversor, que se hizo más compacto y se puso aquí. En la foto se puede ver el interior de la transmisión (P410), y los engranajes planetarios y los bobinados de cobre de los motores eléctricos MG1 y MG2. Todo el conjunto se vé más integrado y compacto que en la generación anterior, y es el diseño que se utilizó en miles de taxis de todo el mundo por ser uno de los más fiables de la historia de Toyota.
*Foto de detalle de los dos motores / generadores eléctricos MG1 y MG2.
Como funciona la hibridación de Toyota
En un vehículo sin cambio e-CVT, cuando el motor sube de revoluciones, la velocidad también aumenta, pero en un vehículo con cambio e-CVT los tres motores (ICE, MG1, MG2) tienen velocidades diferentes y el sistema juega con ellas.
- Al arrancar, siempre en modo eléctrico, el motor de gasolina está parado, y el motor eléctrico MG2 hace girar la corona exterior para que las ruedas del vehículo se muevan con suavidad en silencio.
- Al acelerar, la MG2 sigue funcionando, pero el motor de gasolina se enciende y hace girar el portador (porta satélites o porta planetas). Parte de esta energía va a la corona y de ahí a las ruedas, y el resto al eje central (sol) y de ahí al motor / generador MG1 para generar electricidad o para ajustar la relación de transmisión.
- El sistema de control electrónico ajusta la velocidad de rotación del motor eléctrico MG1, que actua como freno o acelerador del eje central (sol) para hacer que el motor de gasolina funcione a las revoluciones más eficientes posibles, independientemente de la velocidad del vehículo.
- Cuando se alcanza la velocidad de crucero (120 km/h), el motor de combustión funciona a bajas revoluciones, y el MG1 sigue generando la corriente necesaria para que el MG2 mantenga la velocidad sin gastar batería.
Características de los 3 motores
Aunque siempre hablamos de la caja de cambios e-CVT, en realidad es un “transeje” que gestiona la potencia mediante un eje planetario.
Los dos motores eléctricos MG1 y MG2 son motores síncronos de imanes permanentes, pero tienen funciones diferentes. Además no tienen escobillas, son brushless, y al no tener embragues ni fricción, prácticamente no tienen desgaste mecánico, lo que los hace eternos si se hace correctamente el mantenimiento del aceite (ATF). Los únicos problemas pueden ser la degradacion del aislamiento del bobinado por un sobrecalentamiento extremo o un aceite en mal estado, cosa muy rara en condiciones normales de uso. Porque aparte del aceite ATF de la caja e-CVT (ATF significa Automatic Transmission Fluid), el sistema tiene su propio circuito de refrigeración (pero Independiente del motor de combustión) para mantener los inversores, y los motores eléctricos a una temperatura óptima.
Los dos motores funcionan en corriente alterna (AC) trifásica, a unos 600 - 650 V, para ser más eficientes y minimizar las pérdidas por calor (efecto Joule). Pero la batería de alta tensión funciona con corriente continua (CC) y por tanto se necesita un inversor, que se monta sobre la caja, que es el que transforma la continua de la batería en alterna para los motores, y viceversa.
En las 3 primeras generaciones, hasta 2015, los motores MG1 y MG2 estaban alineados en el mismo eje, eran coaxiales, lo que havia que la caja fuera muy larga y pesada. A partir de la 4a generación se rediseñó y se colocaron en ejes paralelos, eran multieje, lo que permitió reducir en 47 mm la longitud de la unidad y reducir las pérdidas por fricción en un 20%.
El motor / generador MG1
El motor / generador 1 es el gestor de todo. Su funcion principal es cargar la batería y actuar como motor de arranque del motor de combustión. Además, controlando su velocidad de giro regula la relación de transmisión, haciendo las funciones de variador continuo. No mueve las ruedas directamente, es más pequeño y ligero que el MG2, y está bañado en aceite para disipar el calor generado durante la generación de energía continua para la batería.
Cuanto más rápido pueda girar, más alta será la velocidad del vehículo en modo eléctrico sin tener que encender el motor de gasolina. En las primeras versiones giraba a unas 6.500 rpm. En las actuales (5a generación), supera las 17.000 rpm, lo que permite al vehículo circular en modo eléctrico hasta 130 km/h con el motor de combustión apagado (modo vela).
En el MG1 de 4a generación tenía entre 30 y 45 CV (22 y 33 kW), un par motor de entre 35 y 45 Nm, y un máximo de 13.000 rpm.
El MG1 de 5a generación tiene una potencia de entre 40 y 60 CV (30 y 44 kW), un par motor de entre 40 y 55 Nm, y una velocidad máxima de entre 17.000 y 18.500 rpm.
El par motor es bajo porque no necesita arrancar el vehículo desde cero, ni mover 1.500 kg de peso, y su principal dificultad es arrancar el motor de combustión, y además hacer de generador, pero no necesita mucho par motor para hacer las dos cosas.
Y la potencia (de 22 a 44 kW) se usa para generar electricidad que después consumirá el MG2, así que funciona como una dinamo de alto rendimiento y, por tanto, no se puede sumar a la potencia total del vehículo
El motor / generador MG2
El motor / generador 2 es el impulsor. Es mucho más grande y potente, y es el responsable de impulsar el vehículo en modo eléctrico, de ayudar al motor de combustión en las aceleraciones, y de recuperar energía mediante la frenada regenerativa. Está conectado mecánicamente a las ruedas, y es el responsable de la marcha atrás, invirtiendo el sentido de giro.
Aunque está conectado a las ruedas, no gira a la misma velocidad que ellas. Pasa por un engranaje reductor que multiplica el par motor, y a pesar de tener solo 200 Nm, a las ruedas en la salida desde parado llegan casi el doble, como en un motor diesel potente.
Utiliza imanes de neodimio de alta resistencia al calor, e hilos de cobre de sección cuadrada en lugar de sección redonda, a partir de la 4a generación, lo que elimina los espacios vacíos entre cables, poniendo más cobre en el mismo espacio y aumentando el par motor.
El MG2 es el responsable principal de recuperar energía. Así que, cuando el vehículo deja de acelerar, en MG2 cambia su polaridad y se convierte em un generador que frena el vehículo mientras carga la batería.
En la 4a generación (2016-2022) se introdujo el diseño multieje, que permitió a la MG2 girar a más revoluciones que en las generaciones anteriores, compensando la pérdida de par motor mediante el aumento de velocidad.
El motor de combustión
En las primeras versiones el motor era un 1.5 litros, pero más tarde aumentó a 1.8, y posteriormente a 2.5 litros. Actualmente oscila entre los 98 CV / 142 Nm del Prius y Corolla 1.8L, y los 177 CV / 221 Nm del RAV4 y Camry 2.5L, que no son grandes cifras para el cubicaje de estos motores.
Son motores limitados a entre 5.500 y 6.000 rpm ya que por encima de estas revoluciones el ciclo Atkinson pierde su eficacia. Pero son motores que alcanzan su temperatura óptima de trabajo muy rápido, lo que es muy importante en un híbrido que se apaga y enciende constantemente.
El motor de combustión está conectado al portador (porta satélites). Cuando se enciende, su potencia se divide entre la qye va a las ruedas, conjuntamente con la MG2, y la que va a la MG1 para generar la electricidad que necesita el sistema.
Toyota no utiliza turbos en sus híbridos no enchufables HEV por eficiencia termodinámica y fiabilidad. El turbo es ideal para dar potencia a motores pequeños, pero el sistema HSD de Toyota no lo necesita, ya tiene la MG2 para ello. Al no tener turbo, elimina el intercooler, las tuberías de presión, la válvula de descarga y el mismo turbocompresor. Y menos piezas significa menos averías a largo plazo.
Además, los motores turbo suelen generar altas temperaturas de combustión que son propensas a emitir óxidos de nitrógeno (NOx). Por eso, Toyota prefiere un motor atmosférico de mayor cilindrada que trabaje desahogado y limpio, que un pequeño motor 1.2 turbo que trabaje muy forzado y contamine mucho.
Por último, la potencia de un sistema híbrido de Toyota no es la suma directa de las potencias de sus 3 motores (ICE, MG1, MG2), ya que el tamaño de la batería limita la cantidad máxima de electricidad que de puede entregar en un momento dado.
El sonido característico del e-CVT
Cuando un vehículo con cambio e-CVT acelera a fondo, parece revolucionarse y mantener un sonido alto y constante mientras gana velocidad. Esto pasa porque el e-CVT pone el motor de gasolina en su punto de máximo par motor o de máxima eficiencia, normalmente a revoluciones altas, manteniéndose así mientras los motores eléctricos gestionan el aumento de velocidad hacia las ruedas.
Y esto es el principal punto débil de un cambio e-CVT, el ruido y la cierta lentitud del cambio y la aceleración. No hay tirones, no hay pérdidas de potencia, es un cambio progresivo, es eficiente, pero no es muy deportivo. Le llaman efecto “batidora”.
Pero si se busca un vehículo para hacer muchos kilómetros en ciudad, sin tener que estar cambiando constantemente las marchas, y sin problemas mecánicos, el e-CVT de Toyota es imbatible.
¿Que marcas utilizan el e-CVT?
Toyota fue la pionera y es la marca que más utiliza el e-CVT, ya que lo utiliza en prácticamente todos sus híbridos no enchufables, como en todas las versiones híbridas (5 puertas Hatchback, Sedan y familiar Touring Sports) de su Corolla, en los Yaris y Yaris Cross que utilizan el motor 1.5 de 116 y 130 CV, en el C-HR híbrido no enchufable de 140 CV y en el enchufable PHEV de 200 CV, en el RAV4 híbrido, en los Prius anteriores al 2025, en el Prius 2026 híbrido enchufable, y el Camry.
Lexus, la marca premium de Toyota también lo utiliza en todos sus híbridos, como el LBX pequeño basado en el Yaris, El UX pequeño, el NX mediano, el RX grande, el berlina ES 2026,
Ford también utiliza el e-CVT bajo el nombre de PowerSplit en su modelo Kuga, tanto en los híbridos no enchufables (FHEV) como en los enchufables (PHEV). También en las versiones híbridas del S-Max y Galaxy de 2026, aún siendo modelos bastante veteranos.
Honda llama i-MMD a la tecnología que utiliza en sus modelos e:HEV, pero no es una caja CVT, ni e-CVT, ni utiliza engranajes planetarios. La diferencia es que el motor de gasolina actua como generador de electricidad, que alimenta un motor eléctrico que es quien realmente mueve las ruedas el 90% del tiempo. No hay caja de cambios, el motor de gasolina solo se conecta directamente a las ruedas a velocidades de crucero en autopista mediante un embrague de relación fija, como si solo tuviera una 6a marcha. Este sistema lo utiliza en el Civic e:HEV, el Jazz, el HR-V, y el CR-V, tanto en su versión híbrida no enchufable (HEV) como en la enchufable (PHEV). A diferencia de Toyota, Honda emite un sonido simulado para recrear los saltos de revoluciones simulando los cambios de marcha. No cambia nada mecánicamente, pero evita el efecto de batidora.
Hyundai / Kia no utilizan el e-CVT. Los modelos de Hyundai y Kia más compactos, como el Kona Hybrid, el Niro y el Ioniq utilizan cajas de doble embrague (6-DCT). Los modelos más grandes, como el Tucson, el Sportage, el Sorento o el Santa Fe utilizan cajas de convertidor de par (6-AT). El motor eléctrico está acoplado a la entrada de la caja de cambios, y por tanto, la experiencia es totalmente diferente a la de los Toyota.
Y Renault, en sus modelos E-Tech como el Clio, el Captur y el Austral, utilizan una caja multimodo sin embragues ni sincronizadores. No es una e-CVT lineal de planetarios, y tiene marchas reales, 4 para el motor de gasolina y 2 para el eléctrico, por lo que el usuario nota los cambios de marcha, aunque son muy suaves y no tiene tan evidente el efecto batidora de Toyota. En modelos más nuevos y potentes, como el Rafale y el Espace de 200 CV, la caja ha pasado de 6 a 15 combinaciones, lo que permite un sistema todavía más silencioso y eficiente. La caja, inspirada en la F1, utiliza un sistema de dientes o garras, los crabots, que permite cambios muy rápidos y aguanta mucho par motor. El motor eléctrico iguala las velocidades para inserir las marchas, pero no es un engranaje planetario. El vehículo siempre arranca en motor eléctrico, y es el motor eléctrico pequeño (HSG, High-voltage Starter Generator) el que revoluciona el motor de gasolina para sincronizarlo con la velocidad de la transmisión antes de inserir la marcha.
Por último, BMW, Mercedes y General Motors se asociaron a mediados de la década del 2000 en el proyecto secreto “2-Mode Hybrid”. Era una especie de e-CVT que llamaron ECVT de 2 modos. Era un sistema extremadamente complejo (justo lo contrario que Toyota) que combinaba 3 engranajes planetarios, con 4 embragues multidisco dentro de la missa vaja, con marchas fijas para intentar tener lo mejor de los dos mundos: suavidad y fuerza para remolcar cargas, funcionamiento como una e-CVT a baja velocidad, y como una caja automática de 4 velocidades en autopista. Era tan grande que solo cabía en SUVs enormes, como el Chevrolet Tahoe, el BMW X6 ActiveHybrid (2009) y el Mercedes ML450 Hybrid, pero fue un fracaso comercial. El sistema era tan caro (costaba una fortuna), pesado y difícil de fabricar que ambas marcas lo abandonaron rápidamente, al año aproximadamente. Desde entonces no han vuelto a probar nada que se parezca a un e-CVT.
El éxito del e-CVT es la sencillez y fiabilidad, el fracaso del ECVT de 2 modos de BMW, Mercedes y GM fue la complejidad y la poca practicidad.
En el siguiente post se explica como funciona una "caja de cambios" CVT:
Noticia - La “caja de cambios” automática CVT
La “caja de cambios” automática CVT En este post explicaremos lo que es y como funciona el “cambio de marchas” CVT de variador continuo. En otro post explicaremos el e-CVT de Toyota. No confundir los dos sistemas porque son bastante diferentes. ¿Que es la CVT? La transmisión variable...
www.bmwfaq.org
Saludos.
PDF: La caja de cambios automática e-CVT.pdf 324,8 KB
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