¿Por qué es necesaria una red de alta tensión en los automóviles eléctricos?

Introducción

Con el fin de que los vehículos eléctricos sean competitivos y representen una verdadera opción, que sea una alternativa realista a los automóviles dotados de motor de combustión, los vehículos eléctricos deben de ofrecer unas prestaciones de aceleración y velocidad al menos semejantes a las que ofrecen los automóviles de combustión. Dichas prestaciones se traducen en la potencia de entrega del grupo motopropulsor eléctrico.

Un motor eléctrico es un transductor de energía, es decir, recibe energía eléctrica y la transforma en energía mecánica, luego la transmisión y las ruedas volverán a transformar la energía mecánica en energía cinética que representará la velocidad del vehículo. Lógicamente, al imaginar un automóvil, se entiende que es una masa de alrededor de 1500 kg, que puede acelerar con soltura hasta alcanzar una velocidad de crucero de 120 km/h como mínimo. Para conseguir esto es necesario aplicar una potencia considerable.

En electricidad, la potencia es equivalente a la tensión eléctrica (medida en voltios) multiplicada por la intensidad del flujo de corriente (medida en amperios).

P = V X A

Si como se ha explicado, es necesaria una potencia similar a la de un automóvil de combustión para que el vehículo eléctrico sea competitivo, entonces para desarrollar una potencia de 204 CV, que equivalen a 150 kW (150.000 watios), es necesario que la batería pueda entregar una potencia eléctrica de 150 kW para que los transfiera al motor eléctrico de tracción. 

Opciones para formular la red eléctrica del automóvil

Planteada la necesidad explicada en este ejemplo, surgen tres maneras principales de conseguirlo cuando aplicamos la fórmula de la potencia:

• Mediante una tensión altísima y un amperaje bajo: 150.000 W = 40.000 V X 3,75 A
• Mediante una tensión alta y un amperaje alto: 150.000 W = 400 V X 375 A
• Mediante una tensión baja y un amperaje altísimo = 150.000 W = 3.750 A X 40 V

En cada una de estas maneras la potencia que se le entrega al motor es exactamente igual y las prestaciones que va a conseguir serán, por consiguiente, las mismas. Sin embargo, dependiendo de cuál de las tres maneras se consiga, los componentes eléctricos y electrónicos y la instalación de la red eléctrica variará enormemente, así como los riesgos inherentes de fugas de corriente y peligros de electrocución.

A continuación paso a describir los supuestos derivados de cada una de las tres maneras mencionadas con sus ventajas e inconvenientes característicos.

- Mediante una tensión altísima y un amperaje bajo: 150.000 W = 40.000 V X 3,75 A.

Esto requeriría elevar muchísimo la tensión de la batería o construir una batería que estaría dotada de al menos 10.000 elementos conectados en serie. De una u otra manera habría que aumentar enormemente el peso o bien de la batería o bien del convertidor de alta tensión con bobinas enormes para conseguir que la red eléctrica trabajase a 40.000 V. Además, los sistemas de aislamiento y prevención de fugas de corriente tendrían que sobredimensionarse en tamaño y peso, porque con una diferencia de potencial tan sumamente alta, enseguida habría tendencia a aparecer arcos voltaicos o chispazos, a pesar de que el aire y las superficies circundantes fuesen dieléctricas. Al final, todo esto sería un problema desde el punto de vista de ingeniería y un alto riesgo para los pasajeros y para los técnicos que tengan que intervenir a fin de reparar o dar servicio en semejante instalación eléctrica.

Materiales de frenado en vehículos híbridos y eléctricos

Los sistemas de frenado de los vehículos híbridos y eléctricos plantean nuevos requerimientos materiales y de diseño. Los fabricantes de estos sistemas deben adaptar los componentes de fricción y otros elementos a los estándares sobre emisiones contaminantes impuestos por la legislación. A continuación, echaremos un vistazo a cómo afronta Ferodo este reto.

Aparte del frenado del tipo regenerativo, específico de los vehículos electrificados, existen otros factores inherentes a estos modelos que exigen diferentes requisitos de frenado; estos son el ruido no generado por la máquina eléctrica, el peso total del vehículo o la potencia de aceleración. El frenado regenerativo basa su funcionamiento en la inversión del trabajo del motor eléctrico para que actúe como generador y convertir así el impulso de las frenadas en electricidad para la recarga de la batería.

Esquema de vehículo eléctrico con sistema de frenado regenerativo

Los frenos de fricción actúan como refuerzo cuando el sistema de frenado regenerativo no puede suministrar la suficiente energía para la frenada solicitada; sin embargo, sí trabajan principalmente durante frenadas de carga elevada o en seco. En definitiva, esto dista del sistema de frenado tradicional, donde las pastillas crean fricción con los discos para reducir la velocidad o detener por completo el vehículo. En el caso de los vehículos híbridos o eléctricos, la fricción se produce entre las ruedas y la superficie de la carretera, creándose calor a partir de la energía cinética del coche, pero tampoco aprovechado de ningún modo. Es aquí donde interviene la innovación en los materiales de los elementos de fricción.

Alternador reversible de 48 V iSBG

Uno de los sistemas de semihibridación que montan los fabricantes de vehículos es el sistema de 48 V. Este sistema equipa una red eléctrica de 44 V independiente y aislada de la red convencional de 12 V. Esta red independiente está compuesta por una batería de 48 V de iones de litio, convertidor de corriente DC/DC y un Alternador reversible.

El alternador modificado se utiliza como motor eléctrico, asistiendo al motor térmico en los momentos de aceleración para reducir el consumo y las emisiones de gases contaminantes. También para poner en marcha el motor térmico. La batería de 48 V es la encargada de suministrar energía para alimentar al alternador como motor eléctrico. El convertidor de corriente continua tiene la unidad de control que gestiona el sistema y permite el paso de corriente hacia el alternador reversible y la carga de la batería de 48 V cuando el alternador genera corriente. El convertidor también disminuye la tensión y dispone de una salida de 12 V que se conecta a la batería de 12 V para cargarla y suministrar la tensión de 12 V para los consumidores del vehículo cuando el alternador está cargando.

El alternador reversible de 48 V se denomina iBSG (Integrated Belt Starter Generator / Generador de Arranque de Correa Integrado) y lo fabrica Valeo. Su constitución externa no difiere demasiado de un alternador convencional, siendo sus principales funciones:

• Recarga: recarga la batería asociada de 48 V.
• Arranque: realiza el arranque del motor de combustión mediante la correa de accesorios.
• Coasting: aporta inercia al motor para mantener las revoluciones y reducir el consumo de combustible.
• Conducción eléctrica: en situaciones muy concretas, puede transmitir su giro a la cadena cinemática mediante la correa de accesorios.

Reparación de baterías de alta tensión – Fallos de aislamiento y unidades BMS

En este post vamos a aprender a buscar fallos de aislamiento en baterías de alta tensión y las unidades BMS. Un fallo de aislamiento, normalmente, es una derivación a masa de la corriente de batería. Recordad que no debe existir voltaje entre el polo positivo y el negativo contra el chasis de la batería, es decir todos los elementos y conexiones deben estar aislados de la carrocería. Generalmente, las fugas de aislamiento son entre 20-60 V pudiendo superar los 100 V, todo depende de los elementos en serie conectados que afectan al aislamiento.

Algunos fallos de aislamiento, pueden darse por tema de condensación de agua en el interior de batería por la humedad de ambiente o entrada de agua por inundación o pasar por charcos profundos en días de lluvia. En este caso comprobar también el aislamiento del chasis de batería.

En muchos casos, las BMS tienen software interno para detectar fugas mediante variación de voltaje y puede salir error de fallo de aislamiento en la alta tensión si se hace una lectura con el útil de diagnosis.

La búsqueda de esta avería es una de las más laboriosas de realizar. Abarca desde la rotura de una celda hasta por ejemplo una mala conexión a masa por un tornillo/tuerca oxidado. El fallo de aislamiento también puede estar provocado por una mala conexión en otro componente de alta tensión y no sea culpa de la batería. La mejor opción es ir revisando por partes.

Antes de descolgar la batería del vehículo, se debe observar las trenzas de masa que tiene la batería o cualquier componente de alta tensión al chasis del vehículo, prestando atención a posibles oxidaciones o conexiones flojas de los tornillos donde van instaladas. Esto provoca fallos de resistencia alta en aislamiento. Es preferible desmontar, lijar la zona y volver a montar las masas para evitar falsos contactos. Estas masas funcionan como un toma tierra para proteger al mecánico de posibles descargas eléctricas en caso de fallo de aislamiento.

Seguidamente, observar conectores eléctricos. Deben estar bien conectados y fijados. Lo mejor es desmontar y ver los pines de conexión si están sucios o oxidados. En ese caso limpiar con limpia contactos y volver a conectarlos.

Por último realizar una prueba de aislamiento con el mega óhmetro. Como estos post son exclusivos de baterías HV, os voy a enseñar como realizar esta prueba en la misma. La prueba de aislamiento también se puede realizar en otros componentes de alta tensión como por ejemplo, el motor eléctrico. 

El mega óhmetro es un comprobador que aplica corriente a alta tensión con poca intensidad para detectar fugas de aislamiento. En el mega óhmetro siempre se debe elegir una escala de tensión superior a la del voltaje nominal de la batería HV. Como las baterías HV suelen se de 360 V nominales, en el mega óhmetro elegiremos la escala de 500 V. Este comprobador dispone de una punta positiva y una negativa, al igual que un multímetro convencional. Para realizar la prueba, primero realizar la consignación y acto seguido, se debe poner la punta positiva en uno de los pines de donde estaba el enchufe de seguridad o en un pin del borne de salida de los cables positivo y negativo de batería hacia inversor. La punta negativa se debe poner a masa, como la batería está atornillada a la carrocería del vehículo, cualquier punto de chasis con buena masa cercano a la batería HV sirve. Pulsar el botón de test para realizar la comprobación. El resultado de resistencia debe ser idéntico al especificado por el fabricante, que por ejemplo en el Nissan Leaf es de 1000 MΩ. Realizar la misma comprobación con la punta positiva en el otro pin del conector a comprobar. Si se detecta valores inferiores de resistencia, se debe desmontar batería para realizar otras comprobaciones.

Reparación de baterías de alta tensión – Averías en los sensores, fusibles y relés contactores

Hoy os traigo un nuevo post de reparación de las baterías de alta tensión. Nos centraremos en averías relacionadas con sensores, fusibles y la placa con los relés contactores.

Comenzaremos por lo más fácil de comprobar, los fusibles. Estos pueden ser de tipo estándar, de cartucho o maxi fusibles.

Sea cual sea el fusible que monte la batería, en él se puede ver grabado el amperaje máximo que admite y se comprueba con multímetro en escala de ohmios o continuidad. La resistencia se debe medir siempre en vacío, es decir, sin corriente en el circuito. Es necesario desmontar los fusibles para no medir también la resistencia de los cables a los que está conectado.

Los fusibles nunca deben dar un valor infinito, seria síntoma de que está fundido, ni un valor óhmico muy alto, síntoma que tienen resistencia interna y están creando una caída de tensión.

En algunas baterías, el propio enchufe de seguridad de color naranja dispone internamente un fusible de seguridad. Se puede comprobar si está fundido poniendo las puntas del multímetro en ambos contactos del enchufe. También dispone de terminales de información que indican a la BMS que el enchufe está bien conectado. Estos contactos si se rompen, pueden mostrarse como avería en una lectura con útil de diagnosis. Algunos terminales de cables de alta tensión también tienen estos terminales y se deben comprobar con el multímetro en continuidad.

Reparación de baterías de alta tensión – averías en celdas o elementos

 En el post de hoy nos vamos a centrar en posibles averías que pueden surgir en las celdas o elementos de las baterías y qué comprobaciones realizar para encontrar los fallos. Las celdas pueden deteriorarse por alcanzar sus ciclos de carga completa o por problemas internos de los componentes químicos derivados de alcanzar temperaturas críticas tanto superiores como inferiores.

Si recordamos en post anteriores, dijimos que para la reparación de baterías es necesario disponer de útil de diagnosis, multímetro y pinza amperimétrica. En realidad la herramienta que mas vamos a utilizar es el multímetro o, en su defecto, también podemos utilizar un osciloscopio, pero hay que tener en cuenta las especificaciones de entrada y disponer de los atenuadores eléctricos adecuados para no dañarlo.

En el multímetro, lo que más vamos a usar en la batería es el voltímetro en corriente continua y escala de baja y alta tensión. Comprobar cual es el voltaje nominal de la batería HV ya que, generalmente, suelen tener 360 V pero algunos vehículos modernos pueden rondar los 800 V por lo que hay que mirar el voltaje máximo de nuestro multímetro.

Normalmente todos los elementos de batería están monitorizados por una o varias unidades BMS. Otras baterías disponen de interruptores RAD los cuales son de tipo normalmente cerrado y sus contactos se abren si los módulos o celdas se hinchan, por lo que en caso de fallo puede salir reflejado en memoria de averías de la unidad.

Una lectura con útil de diagnosis puede ayudar, pero puede que muestre que un módulo o elemento esté fallando y en realidad sea el cable de monitorización o fallo en la propia BMS, por lo que debemos comprobar siempre con voltímetro los elementos.

Reparación de baterías de alta tensión – Configuración interna

Antes de comenzar con desmontajes y comprobaciones, debemos tener claro la estructura interna de una batería de AT. Cada fabricante diseña la batería conforme al espacio que se dispone en los bajos del vehículo, pero todos disponen de los mismos componentes en cuanto a acumulación de energía se refiere: celdas – elementos – módulos. Hay que tener en cuenta que estos nombres no están estandarizados y algunos fabricantes ponen otros nombres.

• Celdas: es el componente más pequeño que dispone la batería. Son las encargadas de almacenar la energía. En caso de ser de tipo LiPo tienen un voltaje nominal de 3,6 V aproximadamente y su conexión es en paralelo, de esta forma se consigue sumar la intensidad para la autonomía total del vehículo.

• Elementos: se componen de 2 o más celdas en paralelo. Los elementos se conectan todos en serie para conseguir los 360 V nominales. Son los componentes de la batería mas simples que podemos medir con el voltímetro.

• Módulos: se componen por varios elementos conectados en serie. Los módulos se conectan en serie unos con otros. Muchas baterías disponen de módulos para agrupar los elementos en función del espacio. Algunas baterías no disponen de módulos y disponen todos los elementos en un solo conjunto.

Veamos un par de ejemplos de arquitectura de batería de alta tensión y un esquema eléctrico para entender su configuración.

El Nissan Leaf de 40 kWh monta una batería HV con una configuración de 24 módulos con 2 elementos cada uno. Cada elemento dispone de 4 celdas con una configuración de 2 conexiones en serie de 2 celdas en paralelo. Cada celda tiene un voltaje nominal de 3,75 V y una capacidad de 56,3 Ah.

Batería de Nissan Leaf con celdas rectangulares

Avería en el electroventilador de refrigeración del motor

Hoy trataremos una avería que indirectamente puede provocar que el vehículo ocasionalmente pueda llegar a quedarse sin batería.

La avería en cuestión se manifiesta del siguiente modo:

• El electro ventilador de refrigeración del motor se queda permanentemente en marcha.
• El electro ventilador de refrigeración esporádicamente se queda en marcha incluso cuando hemos desconectado el contacto del vehículo.
• Solo es posible su desconexión desconectando la batería.
• Fluctuaciones en la indicación de la temperatura del motor.

Causa de la avería:

Sensor de temperatura de motor zona culata está cortocircuitado por entrada de refrigerante en el conector eléctrico.

¿Por qué los automóviles evolucionan por el camino de la electrificación? ¿Por qué el futuro de la movilidad es eléctrico?

Hoy día somos testigos de cómo la mayoría de los fabricantes de automóviles están electrificando con técnicas cada vez más sofisticadas los sistemas de propulsión de los vehículos. En consecuencia, nuevas terminologías han aparecido para denominar estos vehículos en función de su grado de electrificación: micro-híbridos, semi-híbridos, híbridos puros e híbridos enchufables.

En este artículo voy a tratar de explicar de manera directa y detallada por qué los fabricantes de automóviles han elegido el camino de la electrificación y no otros caminos como el hidrógeno, el gas natural, el aire comprimido o seguir puliendo las técnicas para quemar combustibles fósiles. Doy por sentado que estamos en un contexto mundial de alerta climática donde el objetivo primordial es evitar el calentamiento global a base de reducir las emisiones de dióxido de carbono que provocan el efecto invernadero. Esto supone un futuro abocado a afrontar el desafío que supone el cambio del modelo energético en la movilidad del mañana: la movilidad sostenible, que viene de la mano de la eficiencia energética.

Previamente explicaré las razones tecnológicas por las que los fabricantes deben de mejorar la eficiencia de los vehículos y después expondré la estrategia de eficiencia de energía que hoy día, en mayor o menor medida, han adoptado todos los fabricantes que pretenden comercializar sus vehículos en Europa.

Razones tecnológicas por las que se mejora la eficiencia de los automóviles.

Durante la última década los fabricantes de vehículos no han dejado de mejorar los equipos y sistemas de sus vehículos con el fin de satisfacer la demanda del mercado y resultar más competitivos en los aspectos tecnológicos que enumero a continuación:

• Sistemas de confort (Instrumentación, iluminación, accesibilidad, arranque, ergonomía, etc.)
• Sistemas de conectividad e infotenimiento, navegación (GPS).
• Sistemas de asistencia avanzada a la conducción, conocidos como sistemas ADAS*

El gran aumento de estos equipos y de los sistemas eléctricos y electrónicos embarcados en el automóvil sin duda tiene un fuerte impacto en el consumo de energía del sistema eléctrico. Un consumo de energía mucho mayor si lo comparamos con el consumo de energía de los automóviles de hace dos y tres décadas, ya que la gran mayoría de estas tecnologías no existían.

*ADAS: Advanced Driver Assist System

Impacto derivado del consumo eléctrico del sistema de infotenimiento y conectividad

Hace más de dos décadas los vehículos únicamente equipaban sistemas de audio, no había pantallas, ni teléfonos móviles que formasen parte del equipamiento del vehículo. Normalmente tampoco había navegadores, ni GPS integrados en el sistema eléctrico de los automóviles. Hoy día todos estos avances tecnológicos están integrados en el equipo eléctrico del vehículo y las pantallas ofrecen múltiples funciones de conectividad e infotenimiento. Cada vez más automóviles equipan equipos de audio y video de alta definición. Todos estos sistemas y equipos integrados representan un consumo de energía mucho mayor que repercutirá en el sistema de generación de energía eléctrica del vehículo provocando que el alternador trabaje más y, a su vez, ejerza un lastre mayor para el motor de combustión. Esto se traducirá en un mayor consumo de combustible y emisiones de CO2.

Impacto derivado del consumo eléctrico de los sistemas de asistencia a la conducción

Hace más de dos décadas los vehículos únicamente equipaban sistemas de control de velocidad de crucero que utilizaban la unidad de control del motor para sencillamente mantener la velocidad constante. No eran ni siquiera controles adaptativos (para eso se necesita un radar o una cámara de vídeo inteligente). Los coches no tenían ni radares, ni cámaras, ni procesadores de imágenes, ni sistemas de inteligencia artificial (IA) que necesitan procesadores de un alto nivel evolutivo. Hoy día la tendencia empujada por la mejora de la seguridad y la competitividad del mercado anima a los fabricantes a equipar sus vehículos con radares frontales y radares de ángulo muerto. Además, se incorporan múltiples cámaras inteligentes ubicadas en distintos lugares del vehículo para divisar todos los ángulos y proporcionar una imagen compuesta de plano cenital, no solamente para los sistemas ADAS, si no también para los sistemas de ayuda al aparcamiento como la visión de 360 grados. Y toda esta información que generan los radares y las cámaras tiene que ser gestionada en tiempos muy cortos para reaccionar y dar respuesta a sistemas de conducción autónoma ADAS de nivel 2 y 3. Para ello se necesita una generación de software muy sofisticada que solamente pueden ser movidos por procesadores de IA de alto nivel evolutivo. Todas estas cámaras, radares y procesadores electrónicos también generan un consumo de energía importante que debe asumir el sistema eléctrico del automóvil, el alternador, el motor de combustión y, por lo tanto, significará un aumento considerable de combustible y emisiones de CO2.

Impacto derivado del consumo eléctrico de las redes multiplexadas

Consecuentemente, al aumentar el equipamiento del vehículo para ofrecer sistemas de confort, conectividad, infotenimiento, navegación y los sistemas ADAS de asistencia avanzada a la conducción, es necesario sofisticar la red eléctrica del vehículo y prepararla para sostener todos estos sistemas. Por lo tanto, el número de centralitas, módulos y unidades de control electrónicas ha tenido que crecer exponencialmente en el vehículo para poder gestionar y controlar todos estos avances. Y no solo ha aumentado la cantidad de unidades de control sino también la red multiplexada, que ha evolucionado hasta alcanzar un nivel de complejidad muy elevado. En definitiva, teniendo en cuenta todos estos puntos, si comparamos un vehículo de hace más de dos décadas con un vehículo actual que equipe todos estos sistemas, nos encontramos con que antes los automóviles tenían entre 4 y 10 unidades de control abonadas a 2 ó 3 redes multiplexadas diferentes. Sin embargo, hoy día un vehículo puede equipar entre 40 y 60 unidades de control abonadas a 7 ó 10 redes multiplexadas diferentes. Sin olvidar que cada una de estas centralitas consumen energía eléctrica para funcionar y para comunicarse entre ellas, utilizando una red CAN-Bus que debe funcionar a una tasa de transmisión de datos muy alta para satisfacer la demanda de información de los sistemas ADAS, conectividad e infotenimiento. Por consiguiente, esto también tiene una alta influencia negativa sobre el consumo de energía eléctrica, combustible y emisiones de CO2.

Red multiplexada del año 2001

Red multiplexada del año 2021

Estrategia de eficiencia energética del automóvil.

Habiendo estudiado la comparativa de los tres puntos descritos anteriormente podemos sacar la conclusión de que los vehículos actuales consumen mucha más energía eléctrica que los antiguos y, pese a que la eficiencia de los motores de combustión ha mejorado un poquito en las dos últimas décadas, la incidencia del cunsumo de energía eléctrica sobre el consumo de combustible es tan fuerte que supondría un claro aumento en el consumo de carburante y en las emisiones de los vehiculos actuales con respecto a los vehículos de hace más de 20 años.

Sorprendentemente, ¡esto no es así! Si comparamos los consumos de combustible de un vehículo actual de similar tamaño y peso con el consumo de un vehículo de un vehículo antiguo, vemos que el consumo de combustible del vehículo actual es incluso un poquito más reducido. ¿Y esto a qué se debe?

Esto se debe a que los vehículos actuales cuentan con un software “inteligente” de eficiencia energética que les permite reciclar y optimizar el fuerte consumo de energía eléctrica provocado por el aumento de los equipos y sistemas descritos en los puntos anteriores.

El software de eficiencia energética consiste en una estrategia que controla el funcionamiento de los siguientes componentes:

• El control del funcionamiento del alternador (generador).
• El control de la carga, descarga y nivel de salud de la batería.
• El control de la conexión y desconexión de diferentes sistemas eléctricos del vehículo.

El objetivo de la estrategia de eficiencia energética es reciclar y optimizar el gasto de energía eléctrica de modo que produzca un impacto reducido sobre el generador (alternador) y por lo tanto reducir el consumo de carburante y emisiones de CO2.

Para lograr este objetivo es imprescindible poder reciclar la energía del vehículo utilizando la frenada regenerativa. Dado que hasta ahora no existe ni se ha inventado ningún motor de combustión reversible que transforme la energía mecánica de nuevo en carburante y rellene el depósito con un chorro de gasolina o diésel durante las deceleraciones y frenadas, los motores de combustión son inservibles para reciclar energía. Lo único que pueden hacer cuando se les utiliza como freno motor es transformar la energía cinética del vehículo en rozamiento de sus componentes internos y en calor, calor que se disipa y no se aprovecha en la cadena cinemática.

Sin embargo, una máquina eléctrica, un generador o alternador sí puede ser utilizado inteligentemente para reciclar la energía cinética del vehículo. A través de la transmisión, la energía cinética se transformada en mecánica y la máquina eléctrica puede transformarla en un chorro de electrones que recargue una batería durante las deceleraciones y frenadas. Cuanto más sencilla sea la cadena cinemática de la transmisión menos pérdidas habrá y más cantidad de energía se podrá aprovechar. Por eso es importante sacar el motor fuera de la cadena cinemática a la hora de reciclar energía mediante la frenada regenerativa, de modo que los rozamientos internos del mismo no reduzcan la capacidad de reciclaje del sistema.

He aquí entonces el kit de la cuestión con la que empezábamos este artículo: ¿Por qué los automóviles evolucionan por el camino de la electrificación? Porque para realizar un sistema eficiente que pueda reciclar energía es necesario al menos una máquina eléctrica y una batería. Un motor de combustión por sí mismo no puede reciclar energía y de por sí genera grandes pérdidas por calor.

Si ahora estudiamos cómo funcionan los sistemas de arranque, carga y parada de los automóviles antiguos vemos que estas funciones no responden a ninguna estrategia de eficiencia. El alternador estaba siempre generando energía eléctrica a demanda del consumo que se originase en cada momento, sin tener en cuenta los escenarios del ciclo de conducción (aceleración, taxi y deceleración o frenada).

Si ahora estudiamos cómo funcionan los sistemas de arranque, carga y parada de los automóviles actuales, nos damos cuenta de que los ingenieros han introducido un software de control muy elaborado para gestionar la eficiencia de energía eléctrica siguiendo una estrategia de reciclaje de energía basada en la frenada regenerativa. Básicamente, los primeros vehículos que empezaron a utilizar esta estrategia fueron los híbridos (híbridos puros) y posteriormente se ha ido implantando en los vehículos menos electrificados (semi-híbridos y micro-híbridos) así como también en los más electrificados, los híbridos enchufables. 

Lógicamente, un automóvil de 1500 kg, lanzado a 120 km/h, que debe de frenar en 300 metros hasta casi quedarse parado cuando sale por el carril de deceleración de una autovía, puede entregar mucha energía cinética, mucha más de la que un vehículo micro-híbrido o semi-híbrido podría aprovechar. Dado que el almacén de energía eléctrica y el generador de estos vehículos son demasiado pequeños, la cantidad de energía cinética del vehículo en este escenario sobrepasa ampliamente su capacidad de captura y almacenamiento. Por ello, el micro-híbrido sólo podrá aprovechar aproximadamente un 5% de la frenada regenerativa y el semi-híbrido hasta un 15%. De modo que cuanto más grande sea el almacén de energía, más potente podrá ser la máquina eléctrica (generador) para capturar más energía. Y cuanto más potentes sean estas, más funciones y capacidades eléctricas podrán ofrecer al vehículo, principalmente para ahorrar energía reciclándola.

No obstante, en el caso de los vehículos micro-híbridos, aunque la tasa de recuperación de energía sea de apenas un 5%, ya es una porción de energía tal que ayuda considerablemente a reducir el consumo de carburante provocado por el aumento del equipo eléctrico y sistemas de seguridad. Reduciendo el consumo y las emisiones incluso a niveles inferiores a los de un vehículo comparable de hace más de dos décadas con un equipo eléctrico muy inferior.

Los vehículos híbridos puros, híbridos enchufables y cien por cien eléctricos pueden capturar un gran porcentaje de la energía cinética en fase de deceleración (frenada regenerativa), porque están dotados de un sistema de almacenamiento eléctrico y un conjunto de generadores capaces de capturar al menos un 70% de la energía cinética del vehículo. Cuanto más eficiente sea el sistema de generación y almacenaje de energía, mayor tasa de recuperación y reciclaje de energía que tendrá el vehículo.

Conclusión

La electrificación de los automóviles ha sido la vía más importante para mejorar la poca eficiencia energética que tiene el motor de combustión. Gracias a los alternadores y generadores de energía eléctrica se puede reciclar, mediante la frenada regenerativa, parte de la energía que el vehículo consumió durante la aceleración anterior y almacenarla en una batería. Este aspecto llevado a su grado de desarrollo más elevado desemboca en la reducción del motor de combustión hasta eliminarlo completamente, siempre y cuando el sistema de almacenamiento de energía cuente con un sistema de carga eléctrica externa, como ocurre con los vehículos híbridos enchufables y los eléctricos puros.

No obstante, para que el vehículo puramente eléctrico a baterías tenga éxito también necesita contar con una red de carga rápida externa a pie de carretera y de carga lenta o media en la mayoría de las zonas de aparcamiento. Esto le daría la posibilidad de recarga en todas las oportunidades de parada y aparcamiento con tiempos de espera superfluos.

Reparación de baterías de alta tensión – Factores que afectan a la batería

Las baterías de alta tensión son el corazón de los coches eléctricos, como lo es el motor de combustión interna en un vehículo convencional. Este elemento es el componente más caro de todo el vehículo (sobre un 25 % del precio total).

Estas baterías tienen celdas que utilizan diferentes elementos químicos para poder acumular la energía. Hace años, las celdas de baterías de vehículos híbridos eran de níquel-metalhidruro (Ni-MH) pero, actualmente las celdas de estas baterías suelen ser de  ion litio / polímero de iones de litio (LiPo), ya que permiten mayor profundidad de descarga y mayor autonomía de vehículo. También se está introduciendo nuevas celdas de litio-ferrofosfato o batería (LFP), las cuales presentan una durabilidad mayor que las anteriores.

Las celdas de las batería LiPo, independientemente de su forma estructural (rectangular, 18650, 21700…), tienen una tensión nominal de 3,6 V aproximadamente pero puede variar la capacidad de carga, determinada por mAh o Ah.

Reparación de baterías de alta tensión – Introducción y seguridad

Hola a todos, este va a ser el primero de una serie de post relacionados con la reparación de las baterías de alta tensión. Estos posts tienen la misión de enseñar a los mecánicos el funcionamiento de los componentes internos, los fallos posibles y que pierdan el miedo a desmontar la batería del vehículo para posteriormente abrirla con el fin de localizar posibles fallos, siempre y cuando el vehículo o la batería no esté en garantía porque hay riesgo de perderla.

Últimamente se escucha mucho que, en caso de avería en las baterías de alta tensión, esta se sustituye por una nueva. Este procedimiento es correcto, pero al dueño del vehículo le supone un alto coste económico el tener que sustituir la batería HV por completo, en cambio, si el mecánico diagnostica y encuentra el fallo en un componente de la batería y lo puede sustituir, el coste de la reparación puede ser bajo y asumible para el cliente.

Todos hemos escuchado alguna vez, que los vehículos eléctricos no se averían, ESTO ES FALSO. Los vehículos eléctricos disponen de menos componentes mecánicos, son más simples y por lo tanto disponen de un mantenimiento menor, pero también sufren averías y todas las baterías se pueden reparar. Otro tema es si dicha reparación es viable realizarla o no.

Hay que tener en cuenta, que los fabricantes de vehículos eléctricos muchas veces no tienen disponible la información técnica con voltajes, resistencias, intensidades o otras especificaciones para realizar las reparaciones, por lo tanto, tenemos que tener muy claro los conocimientos básicos de electricidad para poder aplicarlos al diagnóstico.

Para poder realizar reparaciones en baterías de alta tensión es necesario disponer de un útil de diagnosis adecuado, un multímetro categoría 3 que pueda medir voltajes de alta tensión en corriente continua (1000 V), una pinza amperimétrica para medir intensidades y un megaóhmetro para comprobar el aislamiento.

El relé

Hoy tenemos el placer de presentaros un nuevo post que fue redactado desde Portugal por tres alumnos del segundo año de automoción que participaron en el proyecto online Erasmus + entre el instituto Fundação Escola Profissional de Setúbal y nuestra empresa de formación Grup Eina Digital. Después de superar el curso de Electricidad y electrónica entre otras actividades con el tutor, los jóvenes decidieron centrar su tema en el relé. 

¡Esperamos que os guste!

El relé es un componente eléctrico que funciona como un interruptor. Consiste en una bobina electromagnética que, al ser excitada, crea un campo magnético que provoca el cierre de los contactos del interruptor.

El relé consta de dos circuitos: uno para el control o la excitación, entre los terminales con una corriente de miliamperios, y el otro para la potencia entre los terminales, dimensionado para una etapa de corriente entre 20 y 40 amperios.

Los relés se utilizan en circuitos de alto consumo, de manera que los interruptores funcionan solo con la corriente de control o de excitación, conectando el circuito de potencia o de consumo directamente a la batería mediante un fusible de protección. De este modo, se impide que la alta intensidad de la sección de potencia atraviese el interruptor, evitando su deterioro prematuro, producido como consecuencia de los arcos eléctricos que se generan durante el funcionamiento. Como el consumo del circuito de control o excitación es muy bajo, el interruptor apenas sufre desgaste. En el coche, estos elementos se utilizan en la mayoría de los sistemas eléctricos del vehículo, como el motor de arranque, las luces, el ABS, las bujías de incandescencia, la inyección, etc.

La centralita BCM del Opel Corsa D

¿Problemas de arranque? ¿Problemas con el inmovilizador? ¿Aparecen los códigos de avería: B3902, B3925, B3929, B3977, P1632, P1678, P1679, U1512?

La centralita BCM (Body Control Module) es la unidad de control electrónica que gestiona la alarma, los seguros de las puertas, las luces del vehículo, y hasta puede llegar a controlar el inmovilizador del vehículo.

 
Un vehículo puede tener una sola BCM o más de una, ya que se encargan de monitorear todos los interruptores de los controladores del automóvil, y gestionan la energía que se envía a todas las cargas.

Para gestionar estos sistemas y sus distintos elementos, la BCM contiene toda una serie de componentes electrónicos y circuitos, que le permiten gestionar las comunicaciones entre las distintas unidades electrónicas tales como la unidad de motor ECU (Engine Control Unit), el cuadro de instrumentos... Todos estos componentes electrónicos y circuitos están controlados por una CPU (Central Processing Unit) que contiene una determinada programación o software específico para cada vehículo.

Avería en el sistema de distribución motor B37D15A.

Los fabricantes marcan un periodo para la sustitución de la correa dentada, determinado por un intervalo de tiempo o kilometraje, habitualmente comprendido entre 100 000 y 150.000 km. Es importante cumplir con los periodos marcados por el fabricante para evitar una avería en el sistema de distribución y prevenir daños mayores en el motor.

Para el correcto funcionamiento del sistema de distribución se debe verificar:

• El buen estado de la correa dentada.
• El estado de las ruedas dentadas y su perfecta alineación, sin que éstas presenten ningún tipo de golpe o rotura entre sus dientes. Si el dentado se encuentra sucio es recomendable limpiarlo con un cepillo metálico suave.
• El estado del tensor y su correcta regulación. Un tensado incorrecto genera ruidos en la correa acortando así su vida útil.
• Que no haya fugas de aceite por los retenes del cigüeñal ni del árbol de levas.
• La correcta sincronización de todo el mecanismo, según las marcas de alineado de las ruedas dentadas y la correa.

Una correa en mal estado presenta anomalías como grietas, desgaste excesivo entre sus dientes, desgaste lateral, desprendimiento de fibras en su superficie o rotura de la misma entre otros. Su calentamiento excesivo provoca su endurecimiento y brillo superficial.

En los modelos de la serie 1, carrocería F20 y F21 de la marca BMW, sobre la motorización B37D15A puede aparecer un problema con la correa de distribución. Nos podemos encontrar con los siguientes mensajes de error en el cuadro de instrumentos:

• No se carga la batería.
• Motor demasiado caliente.

Estos mensajes de error van acompañados de ruido en la zona de la correa de distribución. Cuando se realiza una revisión visual en el taller, se encuentra el siguiente síntoma:

• La correa no apoya correctamente por lo que se desplaza torcida.

>Si la correa no se desplaza correctamente podemos encontrarnos estos desgastes.

Powerpaste: La nueva forma de almacenar hidrógeno

Hace poco os explicamos el funcionamiento de un vehículo de pila de hidrógeno, donde se ubicaban 1 o 2 depósitos reforzados que se rellenaban de hidrógeno a una presión de 700 bar aproximadamente.

Estos depósitos pueden ser perfectamente funcionales para un vehículo a 4 ruedas por el gran espacio que hay para instalarlos, pero en las motos, este tipo de tecnología no es viable por la instalación de dichos depósitos.

Recientemente, el Instituto Fraunhofer for Manufacturing Technology and Advanced Materials (IFAM) en Dresde, ha desarrollado una pasta denominada Powerpaste cuya composición está basada en hidruro de magnesio sólido que proporcionaría una manera segura de almacenar y transportar hidrógeno. Esta pasta se puede almacenar a temperatura ambiente y presión atmosférica y es capaz de aguantar sin descomponerse hasta los 250 grados, por lo que no debería ser un problema incluso con motos paradas durante mucho tiempo al sol.

A diferencia de un vehículo alimentado con hidrógeno, los vehículos que funcionen con esta pasta necesitan 2 depósitos, uno para la pasta y otro para agua. El depósito de agua se utiliza para mezclar la pasta con agua, ya que dicha pasta reacciona con agua, finalizando en una doble liberación de hidrógeno, ya que el agua también tiene hidrógeno en su composición.

Conjunto de relés en baterías de alta tensión

Hola a todos, con el aumento de las medidas anticontaminación y las restricciones de entrar con vehículos contaminantes en las grandes ciudades, es normal ver cada vez más vehículos electrificados en circulación.

Este tipo de vehículos, ya sean híbridos, híbridos enchufables o eléctricos puros, está viviendo un aumento exponencial de ventas gracias a las medidas anteriormente mencionadas.

Dichos vehículos incorporan una batería de alta tensión que, en función de cada fabricante, disponen de una tensión nominal mayor o menor, pero que todas montan un conjunto de relés para abrir o cerrar el paso de la batería hacia otros componentes eléctricos de alta tensión.

Este conjunto de relés siempre dispone de 2 relés a la salida del positivo de la batería conectados en paralelo. Esto se realiza para que la tensión pase por uno o por el otro relé. Uno de los relés dispone en serie una resistencia denominada de precarga de unos aproximadamente 30-40 Ω, mientras el otro tiene salida directa hacia otros componentes eléctricos.

¿Por qué montan los fabricantes una resistencia en serie entre la batería de alta tensión y los otros componentes eléctricos?

Para evitar daños a los componentes electrónicos, como por ejemplo los transistores internos del inversor.

Funcionamiento de vehículo a hidrógeno

Hola a todos en este post os vamos a explicar cómo funciona un vehículo a pila de hidrógeno. Este tipo de vehículos también son una alternativa ecológica para la movilidad.

Estos vehículos tienen un motor eléctrico para mover las ruedas, pero a diferencia de un vehículo eléctrico convencional, estos no tienen una gran batería donde se almacena energía, sino un elemento llamado pila de combustible donde se genera electricidad a partir del hidrógeno.

Un vehículo que utiliza esta tecnología tiene los siguientes componentes:

• Depósitos de hidrógeno (H2): es donde se almacena el combustible.
• Pila de combustible: aquí se genera corriente a partir del hidrógeno.
• Convertidor de voltaje: se adecua la corriente para hacer funcionar el motor eléctrico.
• Motor eléctrico: es el encargado de dar movimiento a las ruedas.
• Unidad de control del sistema: gestiona y supervisa el funcionamiento.
• Batería: en esta batería se almacena la corriente generada en las frenadas regenerativas cuando desacelera el vehículo.

Comprobación de averías de carga en un vehículo

Bienvenidos a un nuevo post donde os vamos a enseñar como diagnosticar un fallo de carga de la batería cuando el motor térmico está en funcionamiento. Para ello solo vamos a necesitar un multímetro en escala 20 V en corriente continua y el esquema eléctrico del vehículo.

Estos fallos de carga normalmente se suelen percibir por encenderse en el cuadro el testigo de batería con el motor encendido, avisando de que el alternador no está generando corriente.

Lo primero que se debe hacer es poner el voltímetro entre los bornes de la batería. El voltaje obtenido debe estar cerca a los 14-14,5 V, si da unos 12 V el alternador no genera corriente. Esta es la forma más fácil de averiguar si el alternador está generando corriente.

Una vez determinamos con el voltímetro que el alternador no genera corriente, hay que comprobar el alternador. Para ello pincharemos con la punta positiva del voltímetro el borne positivo del alternador. Este borne se caracteriza por tener atornillado un cable muy grueso. La punta negativa se tiene que poner en la propia carcasa del alternador.

• Si el alternador falla en la medición debe observarse la misma tensión que la tomada en la batería.

Sistema Park4U de Valeo

El sistema Park4U de Valeo aparca el vehículo de manera autónoma, en batería o en línea y tiene tres versiones. El sistema viene instalado de serie, es decir no se puede comprar como accesorio e instalarlo como puede ser el caso de los sensores de aparcamiento. 

En 2007, Valeo instaló el sistema Park4U en un Volkswagen Touran. Este sistema, únicamente efectúa las maniobras de dirección mientras que el conductor acelera y frena siguiendo las indicaciones del sistema. Si en un momento determinado el conductor quiere cancelar el proceso, tiene que tocar el volante y este se para automáticamente.

La segunda versión del sistema se presentó a mediados del año 2011 denominándose Park4U Remote, donde para sorpresa de los asistentes el vehículo se aparcaba de modo autónomo mediante una aplicación móvil y sin necesidad de ocupantes en el interior.

Para efectuar este nuevo concepto de aparcamiento autónomo, es necesario tener la aplicación instalada en un teléfono móvil conectado por bluetooth desde la cual el usuario efectúa las maniobras de estacionamiento siguiendo los pasos indicados por el sistema.  

> Demostración del sistema Park4U de Valeo.

En 2017 se presentó la tercera versión llamada Park4U Home, donde el sistema memoriza un recorrido de un máximo de 50 metros, para después poder realizarlo de forma autónoma y guiado desde la aplicación, en caso de que haya algún obstáculo en el trayecto, el vehículo es capaz de esquivarlo (si es posible) y seguir el recorrido.

Coche eléctrico a batería VS coche eléctrico a hidrógeno. (Parte 2)

En esta segunda parte completamos la comparativa haciendo referencia a costes, compatibilidad entre conectores de recarga, densidad energética y una pequeña conclusión.

Recarga y costes

En el apartado de la recarga, el vehículo a pila de combustible cuenta con ventajas e inconvenientes en comparación al vehículo a batería. A continuación resumo los puntos más determinantes:

• Velocidad de recarga

- El vehículo a pila de combustible tarda poco, aproximadamente 5 minutos en recargar los tanques de hidrógeno comprimido partiendo desde vacío hasta completar la recarga.

- El vehículo a batería dependerá de la potencia eléctrica que ofrezca del punto de carga. Véase a continuación algunos tiempos aproximativos para recargar la batería de 75kWh del Model 3 desde 5% hasta el 90%:

· Carga lenta: 20 horas.
· Carga semi-rápida: 7 horas.
· Carga rápida: 1,5 horas.
· Carga super-rápida: 35 minutos.

•Puntos de recarga

- En este apartado el vehículo a hidrógeno lo tiene muy complicado porque a día de hoy hay sólo 8 puntos de repostaje de hidrógeno en toda España. Por comunidades autónomas, la mayor concentración de hidrogeneras en España se localizan en Aragón, con 3 estaciones de servicio en las localidades de Huesca, Barbastro y Zaragoza. Después está Andalucía, con una en Sanlúcar La Mayor y otra en Sevilla. Y en Castilla-La Mancha hay dos: ubicadas en Puertollano y Albacete. Cerrando el listado, hay una única estación de hidrógeno en Cataluña que se localiza en la ciudad de Barcelona.

>Estación de suministro de hidrógeno, hidrogenera

- En el caso del vehículo a batería hay mucha más oferta de puntos de carga. La mayor parte de ellos son de carga semi-rápida (ciertamente no son útiles a la hora de viajar), aunque empiezan ya a haber más puntos de carga rápida. La carga super rápida sólo está disponible en las estaciones de IÓNITY, donde pueden recargar un conjunto amplio de fabricantes europeos, aunque a día de hoy IÓNITY sólo tiene una estación de carga  operativa en toda España localizada en Pallejá (Barcelona), que ofrece una potencia media de 150kW (30 minutos de carga para completar una batería de 75kWh). Por otro lado, está la extensa red de carga super-rápida de TESLA. En España TESLA tiene una red de carga presente en la mayoría de las comunidades autónomas. Esta red facilita poder viajar por todo el territorio nacional a un ritmo similar al de un vehículo de combustión, a condición de planificar bien el viaje de modo que coincidan las paradas por necesidades fisiológicas con las necesidades de recarga de energía del automóvil. Los “Superchargers” de TESLA  ofrecen potencias de carga de entre 120 y 135kW (entre 35 y 40 minutos para realizar una carga completa).

>Estación de carga super-rápida para vehículos eléctricos

Nota: todos estos datos son susceptibles de variación porque tanto la red de carga como las potencias de carga están en continuo proceso de desarrollo y mejora.