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Coche Eléctrico

 

Introducción

Un coche eléctrico es aquel que se impulsa con la fuerza que produce un motor alimentado por electricidad. Esta electricidad esta almacenada en una baterías.
En este caso no consideramos vehículos eléctricos aquellos que reciben la electricidad desde el exterior como podría ser un tren, tranvía, etc.
Hay motores eléctricos de todos los tamaños, que impulsan desde un coche de radiocontrol a una locomotora. Los motores eléctricos ofrecen muchas ventajas frente a los de combustión, empezando por un menor tamaño y peso, además de una mayor sencillez técnica.

Podemos hacer un clasificación de los vehículos eléctricos como:

 

Teniendo como única fuente de energía la electricidad, los vehículos 100% eléctricos funcionan con baterías recargables similares a las que ya conocemos por nuestros ordenadores portátiles, nuestros teléfonos inalámbricos, etc. Esta batería sirve para almacenar la electricidad y transmitirla hasta un motor eléctrico que mueve las ruedas, normalmente a través de una caja reductora con diferencial.

 

El funcionamiento general de un coche eléctrico es el siguiente (figura inferior): dependiendo de los valores de las señales de entrada provenientes de los pedales de freno y de aceleración, el controlador del vehículo (ECU) regula el flujo de potencia entre el motor eléctrico y las baterías, para conseguir una respuesta adecuada del motor eléctrico. Si se dispone de un sistema de frenado regenerativo, se requiere el retorno de la potencia generada durante la frenada o cuando se está bajando una pendiente para recargar las baterías. Se necesita además un convertidor a diferentes niveles de tensión para alimentar los sistemas auxiliares del vehículo como son la climatización, iluminación, navegación, etc.

 

La transmisión en el coche eléctrico
Debido a alto par que tienen los motores eléctricos, la transmisión se simplifica en el vehículo eléctrico de manera considerable. El motor eléctrico tiene un rango de velocidad de giro muy amplio (0 a 12.000 rpm), más que suficiente para cubrir el rango de velocidad de un vehículo normal sin cambiar de marcha. Si hacemos la misma cuenta que con el térmico, el motor eléctrico puede multiplicar más de doce mil veces su velocidad mínima útil, ya que esta va de 0 a 12.000 rpm, manteniendo el par durante todo el rango de revoluciones. Puede sonar extraño, acostumbrados al motor térmico, decir que un motor puede funcionar bien ya a velocidad cero. Estando el motor parado ya es capaz de entregar su máxima fuerza, por ello un eléctrico nunca nos va a “pedir reducir marchas” porque cuando más despacio vayamos, más fuerza tiene.

Como resultado de lo expuesto, un motor eléctrico podemos decir que sólo tiene una velocidad, que sería la equivalente a la quinta de los térmicos y que, además no necesita embrague ni mecanismo de marcha atrás (se consigue mediante un inversor de corriente).


Podemos clasificar estos sistemas de transmisión de la siguiente manera, aunque se podría incluir alguno mas:

 

 

Un ejemplo de sistema de transmisión por rueda motorizada, lo tenemos en la figura inferior. El propulsor eléctrico empleado es un diseño síncrono de imanes permanentes cuya principal característica será lo reducido de su tamaño y peso para poder ser instalado en el interior de las ruedas de cualquier vehículo. La potencia máxima de cada propulsor eléctrico integrado alcanza los 102 CV y un par motor de hasta 1.000 Nm.

 

En la figura inferior (conjunto motor eléctrico y transmisión Chevrolet Bolt VE) podemos ver el sistema de transmisión mas común utilizado en la actualidad. En la salida del eje del motor eléctrico, hay un piñón que mueve otros piñones formando un grupo reductor, que a su vez mueven el diferencial, de donde salen los palieres que mueven las ruedas. La relación de transmisión final es aproximadamente de 5:1.

 

 

 

En la figura inferior tenemos el esquema de funcionamiento del motor eléctrico y la transmisión. Como se puede apreciar la transmisón en estos vehículos se simplifica de manera extraordinaria si la comparamos con los vehiculos convencionales. La razón de esta simplificación, como ya se ha comentado antes, es debida al alto par que ofrecen los motores eléctricos desde muy bajas revoluciones, incluso con el motor parado (0 rpm).

 

 

Ejemplos de sistemas de transmisión en distintos modelos y marcas de vehículos eléctricos:

 

Renault Zoe
Como ejemplo de sistema de transmisión con grupo reductor y diferencial (el mas utilizado actualmente por todos los fabricantes) tenemos en la figura inferior un despiece del control, tracción y transmisión utilizado por Renault en su modelo ZOE. El motor eléctrico ofrece una potencia de 65 kW y un par máximo de 220Nm.

 

Mitsubishi i-MiEV
Otro ejemplo que podemos ver en la figura inferior, se trata del Mitsubishi i-MiEV. El motor eléctrico ofrece una potencia de 49 kW y un par máximo de 180Nm.

 

Tesla Model S
Otro ejemplo mas (figura inferior), se trata de un TESLA Model S. En este caso se trata de un tracción trasera.

 

 

BMW i3
Dispone de una transmisón fija con diferencial que acelera de forma ininterrumpida desde parado hasta su velocidad máxima. La propulsión es trasera.

 

 

Nissan Leaf
Otro referente en los coches eléctricos. La transmisión a las ruedas delanteras es similar a la de un automóvil convencional, y podemos ver a la vista los palieres. Utiliza un grupo reductor conectado directamente al motor eléctrico.

 

 

 

 

Sistema de frenado regenerativo
El sistema de frenado convencional de un vehículo con motor de combustión interna se basa en la generación de una presión (hidráulica o neumática) por medio de un pedal de freno accionado por el conductor. Este sistema, denominado freno mecánico, está formado, entre otros componentes, por dispositivos de frenado como el freno de disco o el freno de tambor que reducen la velocidad de rotación de las ruedas y, por tanto, la del vehículo. Ambos dispositivos de frenado transforman parte de la energía cinética del vehículo en energía térmica (calor). Esto es debido a que durante el proceso de frenado el disco o tambor (según sea el sistema empleado) gira solidario con la rueda del vehículo y parte de la energía cinética del vehículo se transforma en calor. Por tanto, hay una cierta cantidad de energía que no se está utilizando.

Los vehículos eléctricos utilizan como medio de tracción motores eléctricos, que también pueden funcionar como generador de energía eléctrica. Al actuar el motor eléctrico como generador, parte de la energía mecánica se transforma en energía eléctrica, la cual es introducida en la batería. Por todo ello, a este sistema se le denomina sistema de "frenado regenerativo" pues reduce la velocidad del vehículo y recupera parte de la energía cinética del mismo almacenándola en las baterías. Sin embargo, además del frenado regenerativo, el vehículo eléctrico dispone de un sistema de frenado mecánico similar al de un vehículo de motor de combustión interna ya que el frenado regenerativo no es capaz de proporcionar toda la fuerza de frenado requerida. Debido a que es necesario gestionar ambos sistemas de frenado, el conjunto del sistema de frenado presenta una cierta complejidad. Cabe destacar que el sistema de frenado regenerativo también está íntimamente ligado a la gestión del control de las baterías, ya que cuando la batería está completamente cargada no puede recibir energía del frenado regenerativo y es el sistema de frenos mecánico el que actúa. Además, el frenado regenerativo tiene lugar únicamente en el eje motriz, es decir, en el eje del vehículo que dispone del motor eléctrico.

Ambos sistemas de frenado, el mecánico y el regenerativo, deben ser gestionados para determinar qué proporción de la fuerza de frenado es aplicada por el sistema regenerativo y qué proporción de dicha fuerza es aplicada por el freno mecánico, de modo que se maximice la recuperación de energía y que se cumplan los requisitos de seguridad de un sistema de frenos. Las exigencias de un sistema de frenos son:

Analizados los principios de funcionamiento de ambos sistemas de frenado, a continuación se describen las diferentes estrategias de control de ambos sistemas de frenado. Principalmente, se pueden distinguir dos tipos de estrategias de la gestión de la fuerza de frenado entre el frenado regenerativo y el mecánico:

 

Frenado paralelo
Se caracteriza por ser el sistema más simple y más parecido al sistema de frenos convencional. El sistema de frenado paralelo está formado por un servofreno y un cilindro maestro, pudiendo incluir o no un sistema ABS. Además, dispone de freno de disco o de tambor y de un controlador que regula el motor eléctrico para que proporcione una fuerza de frenado en el eje delantero, determinada en función de la posición del pedal del freno y de la velocidad del vehículo. El sistema de frenado paralelo toma su nombre del hecho de que la fuerza de frenado proporcionada por el motor eléctrico se regula mediante el controlador del vehículo mientras que la fuerza de frenado mecánica (hidráulica o neumática) es regulada por el pedal del freno. Instantes antes de que se produzca el bloqueo, el sistema ABS actúa sobre el freno mecánico. En la Figura 29 se muestra la disposición de los elementos en un sistema de frenado paralelo.

 

Dentro del sistema de frenado paralelo se pueden seguir dos estrategias diferentes:

 

Frenado serie
Este tipo de frenado permite controlar la fuerza de frenado en cada rueda de forma independiente. El sistema está formado por un pedal de freno, cilindro maestro, unidad de control, sensor de velocidad de rueda, freno eléctrico por rueda y freno de disco, tal y como se observa en la Figura inferior.
La mayor dificultad de este sistema es controlar y gestionar la fuerza de frenado mecánica y la proporcionada por el freno eléctrico y maximizar la recuperación de la energía de frenado.

 

Ejemplo del sistema regenerativo de frenado en el Renault ZOE (figura inferior)
A diferencia de un coche convencional, el pedal de freno no actúa sobre el circuito hidráulico, sino sobre una centralita (2) y otra (3) que decide cuánto y cómo frenar. Ante solicitudes moderadas, pone al motor "a contracorriente" a regenerar energía y la encamina a la batería (con lo que únicamente frenan las ruedas delanteras). Para las frenadas intensas, aplica presión hidráulica a cada freno, de forma convencional (sigue teniendo los habituales ESP, ABS, etc)

 


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