viernes, 9 de mayo de 2014

Apuntes sobre el coche eléctrico. Motores eléctricos y transmisión.


Apuntes sobre el coche eléctrico. Motores eléctricos y transmisión.
Por Beamspot
 

Evidentemente, el elemento básico de un coche eléctrico, es el motor, o incluso, los motores, en plural, puesto que no es tan raro que tengan más de uno. Es el principal punto que determina el tipo de vehículo, más que la batería.
Como ya se ha comentado, la propulsión eléctrica no es nada nuevo. Ni nada que se redescubra después de un período de olvido. La propulsión eléctrica ha estado con nosotros desde finales del siglo XIX, y es algo de uso cotidiano. El metro y los trenes eléctricos son el gran exponente de este tipo de propulsión. En otros países, de siempre, se ha usado el trolebús. El tranvía también es de uso habitual.
Los motores utilizados para propulsar vehículos de diversa índole están más que estudiados, desarrollados, probados y afinados. Los hay de todo tipo,  tamaño, potencia, velocidad, prestaciones. Hasta existen aparatos voladores que utilizan sólo motores eléctricos, aunque sean de pequeño tamaño [1] [2].
Sin embargo, la realidad es que sólo hay dos tipos de motores, y ambos se basan en la interacción de campos magnéticos, en plural, pues aunque lo habitual suele ser de dos, no es raro que sea la suma de varios [3].
De los campos magnéticos involucrados, y que simplificaremos a dos, uno es invariablemente creado por electroimanes, siendo éstos los que consumen electricidad que se traduce en movimiento y energía mecánica. El segundo campo se puede crear bien a partir de imanes, con lo que el motor llevará la coletilla de ‘imanes permanentes’, o bien por electroimanes, cambiando la coletilla a ‘excitación externa’, o simplemente, ‘excitación’.
Es de cajón que el usar energía para crear un campo magnético que se puede crear con imanes, y por tanto, sin aporte de energía, reduce el rendimiento de los segundos en frente de los primeros.
Así pues, los dos tipos de motores eléctricos que podemos encontrar, o mejor dicho, dos categorías diferentes, dependen única y exclusivamente del tipo de electricidad que se les aplica: corriente continua (Direct Current, o DC de ahora en adelante [4]) y corriente alterna (Alternating Current o AC [5]).
Esta distinción es importante. Las baterías, pilas y los paneles fotovoltaicos son todos de DC, la electrónica funciona casi toda en base a DC, mientras que la red eléctrica es toda de AC. La gran ventaja de la AC es que se puede usar un aparato llamado transformador, que permite cambiar tensiones y corrientes con rendimientos muy elevados, y con tecnología relativamente sencilla. Hacer lo mismo con DC no es trivial.
Convertir la alterna en continua también es algo sencillo, y los aparatos que hacen esto se llaman como el grupo de rock, AC/DC (converters). Hacer AC a partir de DC es aún más complicado que convertir una DC de unas características a otra DC con otras características, y estos aparatos se llaman Inverters. No sólo están presentes en los coches eléctricos, sino que también se usan en instalaciones fotovoltaicas para convertir la continua que éstas generan en AC usable por los electrodomésticos.
Mientras en la continua hay dos parámetros importantes, la tensión y la corriente (y por ende, la potencia), en alterna aparecen un par de variables nuevas: la frecuencia de alternancia (la red europea va a 50Hz, la americana a 60Hz) y el desfase entre tensión y corriente, elemento que no veremos en absoluto en este estudio sobre el coche eléctrico.
En todos los motores hay una parte fija, que se llama estator, y otra que gira, que se llama rotor. Estas partes pueden tomar muchas formas, pero son fácilmente distinguibles y son las que son, así que el motor eléctrico es bastante más sencillo que otro de gasolina, gasoil, gas, cohete, o lo que sea. Otro punto a su favor: son sencillos de construir en comparación, lo cual ahorra costes.
Un motor de continua tiene un campo magnético fijo en el estator, que puede ser tanto por imanes como por bobina. El rotor sin embargo es siempre la bobina o electroimán de accionamiento. Esto implica que hay que llevar electricidad al rotor, y encima hacer que alguna de las bobinas esté siempre con corriente circulando, y que sea precisamente la o las que están en cierta posición respecto del campo magnético fijo. Esto se hace con un añadido que es el colector de escobillas.
El motor de alterna funciona justo al revés: el campo magnético responsable del movimiento está en el estator, mientras que el campo fijo está en el rotor. Este campo fijo puede ser de imanes permanentes, como ya se ha explicado y el resultado entonces es un motor síncrono de imanes permanentes, o bien puede ser un electroimán, que puede ser de dos tipos: bobina de accionamiento por escobillas, con lo que tendríamos un motor síncrono de excitación externa, o tipo ‘jaula de ardilla’, sin escobillas, dando lugar a un motor asíncrono. Éste ‘pasa’ la electricidad al rotor a través del efecto transformador, lo cual implica que el rotor siempre tiene que girar más lento que el campo eléctrico para poder inducir esta corriente en el rotor.
Es importante decir que los motores de alterna tienen más de una bobina, y que el giro se debe a la diferencia de fase entre las excitaciones de las diferentes bobinas, que en realidad, se comportan como un único campo magnético rotativo. Lo habitual son tres bobinados conectados a las tres fases de un sistema trifásico, que es lo que se usa en la industria.
Casi todos los motores eléctricos se basan en estos dos, con la excepción de los motores de reluctancias. Ya se llamen motores paso a paso o motores Brush Less DC (BLDC).
El motor de corriente continua es el más sencillo de controlar, y por eso es el que ha sido más utilizado en propulsión eléctrica durante muchos años. Tiene un rendimiento muy bueno, es sencillo, tiene buenas prestaciones, relativamente poco mantenimiento (rodamientos, escobillas), y con una gran relación potencia/peso/volumen. Un ordenador de escasa potencia de cálculo como el viejo PC original puede controlar un puñado sin despeinarse.
Un motor de alterna es más difícil de controlar para sistemas de transporte, no así para la industria y electrodomésticos, donde el motor asíncrono es de lejos el más usado con éxito, precisamente porque no necesita control.
En comparación, controlar el motor más habitual en la propulsión eléctrica moderna, especialmente en coches (y otros aparatos pequeños como los aviones RC y multicópteros [6]), que es el trifásico síncrono de imanes permanentes, resulta tan complejo que un viejo 486 DX a 100MHz de la época a duras penas podría controlar un par a base de matemáticas complejas y afinar en su programación. Aún así, es el motor con mejor rendimiento y relación potencia/peso/volumen que existe con la excepción de los motores de turbina de gas y cohete [7] [8].
Un motor asíncrono trifásico [9] como el que utiliza el Renault Twizy es a muchos efectos lo mismo que un trifásico síncrono de imanes permanentes en cuanto a sistema de control, sólo que con unas matemáticas diferentes por detrás. La clave está en que las instalaciones domésticas, que trabajan a una frecuencia fija, no valen para un vehículo, donde la velocidad de giro varía mucho, y precisamente dependen de esta frecuencia. En la industria, los inverters necesarios para controlar la velocidad de los motores, también se conocen por ‘variadores de frecuencia’.

Vano motor con el motor térmico antes de vaciar.

Para muestra un botón. En USA, fruto de un sistema legislativo muy diferente del europeo, es habitual la reconversión de coches térmicos a coches eléctricos, especialmente los BMW. La diferencia de un BMW antes y después de su conversión, cambiando el motor térmico (gasolina, que allí no utilizan gasoil) por un eléctrico de similar potencia, antes de poner las baterías y la electrónica, es escandalosa.


Vano motor vacío

Vano motor con el motor eléctrico puesto.

Así pues, tenemos varios puntos a favor de la propulsión eléctrica:
  • Es una tecnología más madura que la térmica, con más años.
  • El rendimiento es muy superior, de lo más alto posible.
  • El peso es extremadamente reducido.
  • El tamaño es extremadamente reducido.
  • Es una tecnología muy sencilla, con pocas piezas.
  • El mantenimiento es prácticamente nulo, así como el desgaste.
  • Es una tecnología sin apenas vibraciones.
También es una tecnología que apenas hace ruido, muy silenciosa, sin embargo, ¿representa esto en realidad una ventaja? El Prius tiene el apodo de ‘matapalomas’ debido a que al ser tan silencioso, las palomas no lo oyen y por tanto no levantan el vuelo así que las atropellan.
Hay aún más ventajas. La primera es que el motor, debido a su rendimiento, tiene una curva de par y potencia que lo hacen extremadamente utilizable en cualquier punto, con apenas variación del rendimiento del motor, no así de la electrónica, aunque la diferencia sigue siendo extremadamente ventajosa.
 

Curvas de par y potencia del motores eléctrico y 1.6 gasolina de Nissan.
Este tipo de comportamiento evita algo engorroso: el cambio de marchas. Si juntamos que encima el motor, de parado no consume y que se pone en marcha igual que se acelera, resulta que también nos ahorramos el embrague, y el volante de inercia. De esta manera, la transmisión se reduce, habitualmente, a una reductora con diferencial.
 
Otra ventaja, es que se puede eliminar el diferencial mecánico [10], incontrolable, aunque sea el sencillo diferencial habitual o el más eficiente pero complejo (y caro) Torsen [11], si se engrana un motor a cada una de las dos ruedas motrices. Con eso no sólo se mejora el rendimiento al eliminar piezas de la transmisión, sino que además se gana en control al tener un diferencial electrónico. El inconveniente es que ahora hay dos motores (de menos potencia, es cierto), y más electrónica. Éste es un camino que cada vez apetece más y se está trabajando mucho en esta dirección.
Es tanto así, que se está trabajando en poner el motor dentro de la rueda [12]. Si es pequeño, ligero, potente, y sólo requiere de un mínimo de mecanismos, o, incluso, de accionamiento directo, es técnicamente factible. Tanto que Ferdinand Porsche ya lo hizo antes de 1900.
Tiene sus inconvenientes, claro. Al haber más cosas colgando del coche, la suspensión debe endurecerse, haciendo el viaje más incómodo. También pone más estrés mecánico en los motores y engranajes, y además estresa mecánicamente más los gruesos cables que van a los motores. Y no elimina el disco o tambor de freno. También hay más problemas de ventilación de los motores, al no poder utilizar refrigeración líquida.
 

De ahí a tener tracción independiente en todas las ruedas, va un paso, y para algunos proyectos particulares, se ha dado sin problemas y con claras ventajas, aunque de momento es algo que se vislumbra a lo lejos.
También este tipo de ventajas sirve para hacer híbridos del tipo ‘through the road’ [13], como el Peugeot 3004 Hybrid4 o el Volvo V60, aunque en este caso la mayor ventaja es de fabricación, como veremos en la entrada correspondiente.
El hecho de poder poner el motor eléctrico prácticamente donde nos venga en gana, significa que no sólo tenemos más rendimiento, control y funcionalidad, sino que además nos libera del espacio necesario para el motor voluminoso que condiciona el diseño de los coches convencionales, dejando toda la carrocería prácticamente libre para poner la electrónica de control y las baterías, y además, con la forma que se quiera.
Un último punto a favor de la tracción eléctrica, es que debido al gran rendimiento de ésta, el radiador prácticamente desaparece. Ciertamente hace falta uno para refrigerar, pero no para disipar más del 60% de la energía como es el caso de los coches térmicos. Eso lo reduce a tamaños realmente pequeños, e incluso bajo determinadas circunstancias (inviernos muy fríos) lo hace prácticamente inútil. Y el mayor problema o inconveniente del radiador, es el rozamiento aerodinámico necesario para su funcionamiento.
Sin embargo, el mejor detalle de todos por lo que hace al motor, especialmente los de imanes permanentes, es que a la vez son generadores. No hay diferencia virtual entre un motor y un generador. Por tanto, se pueden utilizar para cargar las baterías a partir de utilizarlos como generadores en lugar de motores, en lo que se llama ‘frenado regenerativo’. Ésa es la gran baza, la que permite el juego con las energías cinética y potencial que no puede utilizarse con los motores térmicos habituales. De ahí que haya tanto interés en la tracción eléctrica.
Sin embargo, si los motores de imanes permanentes son tan interesantes, ¿porqué hay algunos que utilizan la excitación externa como hace el Renault Fluence? ¿Hay algo de malo con los imanes?
Pues resulta que principalmente, el tamaño y la potencia del motor dependen del imán o la bobina que se utilice en su lugar. Hoy por hoy, los imanes más potentes (y por consiguiente, más pequeños) que existen, son los que se hacen a base de neodimio [14], una tierra rara, abundante en cantidad sobre la Tierra, pero muy repartida, que difícilmente se encuentra en las concentraciones lo suficientemente altas como para justificar una explotación directa. Otro tipo de imán algo menos potente, pero ventajoso bajo otras premisas, es el imán de Samario-Cobalto. El Samario es otra tierra rara.
Imanes basados en otros elementos que no sean tierras raras los hay, siendo el más potente el AlNiCo, una aleación de hierro con aluminio, níquel y cobalto. Éste último elemento aparecerá varias veces en diferentes usos de los vehículos eléctricos.
La producción de materiales para usos tecnológicos es algo que se acentúa todavía más en el caso del coche eléctrico, y un elemento de peso muchas veces poco estudiado en la cadena de distribución y producción de muchos elementos que luego se utilizarán en varias tecnologías asociadas. Lo suficiente como para dedicar una entrada a estudiar esta parte.
Referencias:
[14] http://es.wikipedia.org/wiki/Im%C3%A1n_de_neodimio

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