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¿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.

¿Cuál es la función de los sensores de guiñada y de aceleración?

Los sensores de guiñada y aceleración tienen por función detectar y evaluar las fuerzas y los movimientos del vehículo relacionados con la pérdida de la trayectoria o la estabilidad.

Pueden ser de tipo micromecánicos, piezorresistivos o Hall, siendo conocidos como elementos independientes como sensores de guiñada, aceleración transversal y aceleración longitudinal, o formando un único componente que recibe el nombre de sensor combinado. En los vehículos más recientes suelen integrarse en la unidad electrónica de control de estabilidad.

                Ejemplo de una unidad electrónica de control de estabilidad (imagen izquierda) y de un sensor combinado (imagen derecha) de la marca Bosch

El sensor de guiñada o viraje, tiene la misión de medir la velocidad de rotación del vehículo sobre su eje vertical. Esta señal es utilizada por la unidad de control para calcular el par de guiñada, fuerza que debe contrarrestarse para recuperar la estabilidad del vehículo. Su principio de medición requiere el montaje del mismo lo más próximo posible al centro de gravedad del vehículo, ubicándose normalmente junto a la palanca del freno de estacionamiento, bajo los asientos delanteros o en el salpicadero, aunque también puede ir integrado en la propia unidad de control.

El sensor de aceleración transversal, tiene la función de detectar y medir las fuerzas laterales que provocan el desplazamiento lateral del vehículo, es decir, deslizamiento transversal al avance. Junto con las señales del sensor de guiñada y de velocidad del vehículo, permite a la unidad de control reconocer si el automóvil sigue la trazada marcada por el conductor o se ha desviado de la misma y se encuentra en situación inestable.

Puede ir ubicado junto al sensor de guiñada, en el interior de la unidad de control o bajo el salpicadero.

El sensor de aceleración longitudinal, tiene una estructura y funcionamiento similar al sensor de aceleración transversal, siendo la principal diferencia el sentido de detección de fuerzas del mismo (longitudinal en vez de transversal). Su finalidad difiere según el tipo de vehículo sobre el que va montado. La principal aplicación de esta señal se da en vehículos de tracción a las cuatro ruedas, donde se utiliza para calcular la velocidad real del vehículo en situaciones de baja adherencia. No obstante, también se puede encontrar este sensor en vehículos propulsados únicamente por dos ruedas, para la gestión diferencial del cambio automático en retención y aceleración, por ejemplo.

Como son sensores muy sensibles, pueden dañarse en caso de accidente o impactos bruscos. Estos, con el vehículo inmóvil, deben dar un valor cero. En caso contrario, se deben intentar calibrar con máquina de diagnosis. De ser imposible su ajuste deberán ser sustituidos.

Es imperativo que al sustituirlos se monten en la misma posición original (dirección de detección) y en muchos casos debe realizarse la calibración inicial mediante dicho equipo de diagnosis.

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.

Sistema de doble embrague seco de accionamiento contrario

En el artículo de hoy presentamos el peculiar sistema de accionamiento de doble embrague seco fabricado por Luk, utilizado en algunos modelos Fiat y Alfa Romeo. La caja de cambios que lo equipa es la automática de 6 velocidades con denominación C635 DDCT.

Como bien es sabido, una transmisión de doble embrague está formada por dos subtransmisiones independientes, insertadas en una misma caja, que se unen en la salida de fuerza. En términos de funcionamiento, cada subtransmisión trabaja como una transmisión manual, por lo que cada una de estas también tiene su propio embrague. Esta arquitectura posibilita un cambio de marchas más rápido, sin interrupción del par de transmisión.

El sistema de doble embrague seco de la caja de cambios C635 DDCT está formado por los siguientes mecanismos:

• Embrague doble (K1 y K2)
• Sistemas de accionamiento de los embragues
• Volante bimasa
• Grupo electrohidráulico

El grupo electrohidráulico es quien ejecuta todas las acciones de cambio de marcha. Se monta en el exterior de la caja de cambios y consta de una bomba, un acumulador de presión y varias válvulas electromagnéticas. La unidad de control de la transmisión utiliza la información que recibe de los diferentes sensores para calcular el punto de cambio exacto y gestionar el trabajo de los diferentes actuadores del sistema.

El accionamiento del doble embrague en esta transmisión se realiza a través de dos sistemas 100% independientes: un cilindro esclavo concéntrico y un cojinete de accionamiento hidráulico para lograr el trabajo alternativo durante la conducción.

Cuando uno de los embragues (K1) está cerrado y se encuentra conectada una marcha de la subtransmisión 1, se transmite la fuerza a través de esta hacia el grupo final. Si dicho embrague se abre, se cierra al mismo tiempo el otro embrague K2 con la marcha siguiente o anterior previamente seleccionada. El flujo de la fuerza pasa entonces a través de esta marcha de la subtransmisión 2 hacia el grupo final, permitiendo una conducción sin interrupciones de par.

Los embragues K1 y K2 se sitúan en dos árboles primarios concéntricos. La selección de las marchas impares y la marcha atrás requieren el accionamiento del embrague K1 que transmite el par a través del eje primario interno. Por otro lado, las marchas pares requieren el accionamiento del embrague K2, que transmite el par mediante el eje primario externo.

Como se puede ver en la imagen, los discos de embrague K1 y K2 encaran con el plato central, uno por cada lado. Las dos superficies de fricción del plato central son la base fija del doble embrague.

En la zona del volante motor tenemos el embrague K1, cuya carcasa conecta mediante un engranaje dentado con la brida del volante bimasa. La transferencia del par motor al conjunto de embrague se realiza a través de esta conexión. Este embargue es de tipo autoajustable, compensando el desgaste de su forro con la ayuda de muelles sensores y un anillo de ajuste.

Sistemas de escape homologados

Debido a las normas de anticontaminación, cada vez más estrictas, desde hace años, el sistema de escape es un elemento cada vez más complejo y sofisticado. Atrás quedan los vehículos que únicamente necesitaban un catalizador y uno o varios silenciosos para cumplir con la normativa de gases. A día de hoy, es necesario incluir diferentes componentes con el fin de tener controlados en todo momento las sustancias contaminantes que salen por el escape. Podemos encontrar desde sensores de temperatura, sensores NOx, sensores de presión, sondas lambda, diferentes tipos de catalizadores, sistemas de egr, o los sistemas de reducción de NOx como el AdBlue. De este modo se consigue que las emisiones de escape cumplan con la normativa. Por ello, sufrir una avería en el sistema de escape suele venir acompañado de una factura elevada.

Entre los diferentes componentes de la línea de escape, el catalizador es el componente encargado de realizar la conversión de sustancias contaminantes, además de ser componente más caro. Por ello no es difícil encontrar noticias sobre olas de robo de catalizadores. Esto se debe a los elementos que lo forman. Para que se produzca la reacción catalítica, los catalizadores incluyen metales preciosos entre sus elementos, rodio (Rh), paladio (Pd) y platino (Pt), son algunos de los materiales que lo forman, estos son extremadamente caros. El paladio ha llegado a superar en precio al oro en el mercado de materias primas y el rodio está en un precio superior. Además, estos materiales cada vez cobran más importancia en el sector de la automoción, ya que para los vehículos de pila de hidrógeno el platino se precisa en mayor medida.

Cabe destacar, que el alto precio de estos materiales es debido a su escasez, difícil extracción y al aumento de la demanda en los últimos años.

Platino

El platino es un elemento químico de número atómico 78. Su símbolo es Pt. Es un metal noble, sólido, muy duro, dúctil, maleable y resistente a ácidos. La complejidad de la obtención de platino es por el cual tiene un precio tan elevado. Se deben ejecutar más de cincuenta procesos para conseguirlo en estado puro, es necesario extraer 14 toneladas de material bruto para obtener una onza (28,3 gramos) de platino puro.

Cabe destacar que el 70% de la producción mundial va destinada a la industria del automóvil, para la fabricación de catalizadores. Del 30% restante, la mayor parte se emplea para joyería y relojería. En un porcentaje menor se utiliza para fertilizantes, marcapasos y medicamentos, entre otros.