Y esto... ¿cómo lo enchufo?

La experiencia previa con diversos dispositivos nos hace intuir que hay un problema de compatibilidad que sigue de cerca al coche eléctrico: ¿cómo se conecta a la red para su recarga?. Parece un tema simple, pero veremos que no lo es.
La zona geográfica condiciona las propias conexiones a la red eléctrica, tanto en su forma como en su frecuencia y voltaje. Esto produce serias dificultades cuando se viaja, como ya había quedado patente en los Simpsons con el testimonio del video de la luna de miel de Patty.

Pero, incluso con la conexión a red unificada, los distintos dispositivos de uso diario como portátiles o teléfonos móviles presentan una gran diversidad de cargadores y conexiones. Un temor que nos puede asaltar a la hora de contemplar la compra de un vehículo eléctrico es su compatibilidad con instalaciones de carga públicas o futuras tecnologías de carga. En este sentido se está trabajando para lograr sistemas estándar y unificados. Aunque este objetivo no se ha logrado por completo, sí que existen unas opciones entre las que, presumiblemente, surgirá el estándar más extendido.

Además, la carga de vehículos eléctricos implica un consumo de energía relativamente alto. Para que nos hagamos una idea, una carga lenta (la que necesita menos potencia) suele consumir unos 16 amperios de la toma monofásica de 220 V europea. Esto significa un consumo máximo de unos 3.5 kW de potencia. En el caso del sistema americano la potencia es aproximadamente la mitad para una toma de 110 V, pero la carga dura el doble. Si pensamos en los aparatos de mayor potencia que utilizamos a diario se nos puede ocurrir un secador de pelo, un calefactor, un calentador eléctrico de agua, un horno, una vitrocerámica... todos ellos se encuentran habitualmente por debajo de 3.5 kW de consumo máximo. Incluso la potencia básica que se puede contratar para una vivienda es inferior a este valor. Si se desea realizar la carga más rápidamente la potencia debe aumentar y ya se hace necesaria una conexión trifásica. Por lo tanto, ya no sólo se necesita una estandarización, también se requiere una seguridad en la operación debido a las altas potencias utilizadas.

Cuando se plantea la instalación de un punto de recarga para vehículos eléctricos hay que elegir entre una serie de opciones, que dependerán de condicionamientos como la infraestructura eléctrica disponible, la localización, el uso al que se encuentre destinado...
Existen 2 tipos de tecnologías principales: la carga conductiva y la inductiva.

• La carga inductiva tiene la principal ventaja de que no hay contactos eléctricos y las diversas propuestas permiten incluso la instalación del sistema bajo el suelo y la carga del vehículo estacionado encima. Como contrapartida, su rendimiento es menor y su uso se encuentra menos extendido.

• La carga conductiva se basa en contactos eléctricos, como sucede en un enchufe ordinario. Es la que cuenta con un mayor rendimiento y, hoy en día, su nivel de implantación es mayor. Sus principales características se describen a continuación.

El estándar más extendido que regula los detalles relacionados con el proceso de carga conductivo es el conocido como IEC 62196, que define características técnicas, incluyendo mecanismos de comunicación entre el vehículo y la estación, pero sin crear estándares para los conectores. Está definido por la Comisión Internacional Electrotécnica (International Electrotechnical Commission, IEC). Los diversos formatos de enchufes desarrollados acostumbran a tener un protocolo propio de comunicación y carga, pero se encuentran englobados dentro de las definiciones que realiza el estándar IEC 62196. En su desarrollo se definen 4 modos para caracterizar los tipos de procesos de carga:

-Modo 1, carga lenta desde una toma eléctrica doméstica:

Este primer modo define la carga desde la red de suministro de corriente alterna a través de enchufes domésticos que no excedan los 250 voltios en el caso de corriente alterna monofásica o los 480 voltios para corriente alterna trifásica. No se requieren contactos de control y se incide en la necesidad de respetar los reglamentos locales en caso de ser más restrictivos que esta norma. En algunos casos, como por ejemplo USA, este tipo de carga está prohibida debido a que no todas las instalaciones domésticas poseen la toma de tierra necesaria.

-Modo 2, carga lenta desde una toma eléctrica doméstica con un dispositivo de protección y control embebido en el cable de conexión:

En este caso también se utiliza la red de suministro de corriente alterna, hasta 250 voltios y 32 amperios en el caso de tensión monofásica y 480 voltios y 32 amperios para la red trifásica. Es necesario utilizar toma de tierra y el dispositivo de protección y control situado entre la toma doméstica y el vehículo dispone de un conector de gestión que regula la carga en función de distintos parámetros mediante comunicación con el coche.

-Modo 3, carga lenta o rápida mediante toma de corriente con equipamiento específico y funciones de protección y control embebidas:

Este modo utiliza un equipamiento dedicado y conectado de forma permanente al suministro de corriente alterna. Estos dispositivos necesitan diversos contactos de señal y control en ambos extremos del cable de conexión y permiten que no exista tensión en el conector que va al vehículo si éste no está enchufado. Además, los protocolos de comunicación entre vehículo y estación permiten que se integren en los modelos “smart grid” o redes de distribución inteligentes.

-Modo 4, carga rápida utilizando un cargador externo:

En los modos anteriores se acondicionaba la toma eléctrica con diversos grados de complejidad, pero la carga siempre se realiza mediante un sistema a bordo del vehículo, que acondiciona la potencia eléctrica y la rectifica para obtener la corriente continua que las baterías almacenan y suministran. En este modo es la propia estación de carga la que realiza también estos procesos y suministra al vehículo corriente continua, permitiendo conseguir las cargas más rápidas.

A medida que se avanza sobre los distintos modos mejoran la gestión, la protección y las posibilidades pero también se encarece notablemente la instalación.

Dentro de estos modos surgen diversos tipos de conectores, con elevados índices de protección que posibilitan usarlos en ambientes cotidianos. Los más habituales se listan a continuación:

•Tipo 1: SAE J1772 o Yazaki.

Es un conector propuesto por la Sociedad de Ingenieros Americanos (Society of American Engineers, SAE) y es el estándar en USA. Engloba no sólo el propio dispositivo físico sinó la comunicación y los protocolos utilizados. El aspecto del conector es el siguiente:

Tiene forma circular con 43 mm de diámetro y está compuesto por 5 pines: 2 correspondientes a la línea alterna monofásica (del mismo tamaño), uno de tierra, uno de control de proximidad (evita que el coche se mueva cuando está conectado) y uno de control. El conector de control utiliza una onda cuadrada (+-12 V.) de 1 kHz de frecuencia que controla la presencia del vehículo, regula la máxima intensidad de carga permisible y el proceso. La posición en el conector de estos pines se muestra en la siguiente imagen:

Está diseñado para varios niveles de potencia en corriente alterna:
•Nivel 1: Suministros monofásicos de 120 voltios y una intensidad de carga de hasta 16 amperios (hasta 2 kW)
•Nivel 2: Suministros de fase partida de 240 voltios y una intensidad de carga de hasta 80 amperios (hasta 19 kW).
Se puede utilizar con configuraciones en modo 2 ó modo 3.
Posteriormente se ha propuesto una variación con pines de corriente contínua y tierra adicionales para soportar cargas de 36 kW de potencia a 200-450 voltios en corriente continua en un primer nivel y hasta 90 kW con 200 amperios en corriente continua para el nivel 2.

-Tipo 2: VDE-AR-E 2623-2-2 o Mennekes.

Mennekes es una copañía alemana de componentes eléctricos y ha propuesto un estándar de protocolo y conector para carga de vehículos que es una de las opciones con más posibilidades en Europa.
El aspecto del conector se muestra en la siguiente imagen.

Está compuesto por 7 contactos arreglados en una forma circular de 55 mm. con una parte plana. El conjunto de cotactos incluye 3 fases de corriente alterna, un neutro, una toma de tierra y 2 contactos de señal. Uno de ellos es para gestionar la carga mediante la comunicación entre el vehículo y la estación de carga y el otro detecta la presencia del coche. Se muestran identificados a continuación:

Este sistema de carga se conecta a la red de suministro de corriente alterna, bien en modo 2 o modo 3, con las siguientes características:

• Tensión monofásica, 230 voltios hasta 16 amperios (hasta 3.7 kW).
• Tensión trifásica, 380 voltios hasta 63 amperios (hasta 43.8 kW).

-Tipo 3: Scame o EV Plug Alliance.

Es un conector creado por la EV Plug Alliance, unión entre Schneider, Legrand y Scame, también conocido como  conector Scame. Es otra de las apuestas fuertes para implantar la electromovilidad en el mercado europeo.

Es capaz de proporcionar carga monofásica a 220 voltios o trifásica a 380 voltios hasta 22.2 kW (hasta 32 amperios con corriente trifásica de 400 voltios).

Puede tener 5 o 7 contactos en el conector, formados por las 3 fases, neutro, tierra y 2 de comunicación con la estación de recarga. Este conector está concebido para ser utilizado en modo 3 principalmente.


-Tipo 4: TEPCO - JARI - CHAdeMO

CHAdeMO es una asociación formada por Tepco, Nissan, Mitsubishi, Fuji Heavy Industries (fabricante de Subaru) y Toyota. El estándar CHAdeMO permite la carga rápida mediante corriente contínua, es decir, traslada el la conversión y rectificación de corriente al exterior del vehículo y aporta corriente contínua de forma directa al pack de baterías.Es el formato que permite una carga más rápida y es un candidato internacional para este tipo de proceso. El conector utilizado se muestra a continuación y también se denomina Jari o TEPCO, ya que ha sido establecido por la Compañía Eléctrica de Tokio (Tokio Electric Power Company).

El conector dispone de un total de 10 contactos, de los que los dos de mayor diámetro son los polos positivo y negativo que aportan la corriente continua y los otros 8 son una combinación de comunicaciones analógicas y digitales para la gestión y control de la carga. Las conexiones físicas más importantes en este sistema se muestran en la siguiente imagen:

 Este sistema es un modo 4 y aporta una intensidad máxima de 100 amperios a 500 voltios con corriente continua, lo que implica hasta 50 kW de potencia. Esta elevada potencia requiere una conexión de la estación de recarga a la red de alta tensión, generalmente con transformador propio.

Estos son los principales sistemas que se encuentran hoy en día en el mercado. Seguro que, en no mucho tiempo, algunos de ellos se convertirán en estándar y otros desaparecerán, pero en la actualidad están condenados a coexistir. Eso sí, los fabricantes tendrán que estar atentos a su evolución para evitar que su modelo se convierta en el próximo HD-DVD.

• Fuentes:

Información estándar IEC 62196
Wikipedia

Conectores IEC 62196
Forococheselectricos.com

Mennekes
Información Mennekes

Scame
ecomove.es
Schneider-electric
Scame

Información estándar TEPCO - CHAdeMO
Wikipedia
International Energy Agency
Chademo

• Imágenes:

Depiladora Patty:
http://eyeonspringfield.tumblr.com

Cargadores móvil:
http://www.celulais.com/

Graymito:
http://plusplusdance.tumblr.com/

Carga inductiva:
http://gajitz.com/look-mom-no-cord-induction-charger-for-electric-cars/

Modos de carga
Schneider-electric

SAE J1772
http://carstations.com/types/j09
http://www.sae.org/mags/aei/enrg/7479

Mennekes
Bluemobility
http://elbil.pbworks.com/f/MENNEKES%2Band%2BEV.pdf

Scame:
Scame.com
Evplugalliance

CHAdeMO:
Thetruthaboutcars
http://www.uppladdning.nu/OutletsInfo.aspx
Chademo.com

GM EV1

El EV1 fue la apuesta de General Motors por electrificar el automóvil a mediados de los 90, comercializado bajo la marca Saturn. Surgió como respuesta a la normativa de la CARB (California Air Resources Board o Junta de Recursos del Aire de California) que obligaba a los fabricantes con mayor cuota de mercado a ofrecer una alternativa de cero emisiones. Al EV1 le acompañaron modelos como el Ford Ranger EV, el Toyota Rav4 EV, el Chevrolet S10 EV, el Honda EV plus o el Nissan Altra EV (R’nessa), entre otros. Surgió en el salón de Los Ángeles de 1990 como un prototipo llamado Impact.

General Motors realizó un gran esfuerzo económico y técnico para desarrollar el EV1, que se convirtió en un símbolo que perduró durante más de una década. Incluso hoy en día, cuando se habla del nuevo Chevrolet Volt / Opel Ampera, se hacen continuas referencias al pionero de GM entre los coches eléctricos y la otrora página oficial del EV1 bajo General Motors (www.gmev.com) ya no deja ni rastro del original y nos invita a saber más sobre el nuevo modelo del gigante de Detroit.

Exterior
Para el EV1 se creó un chasis completamente nuevo diseñado en aluminio, al igual que las ruedas y el sistema de suspensión. Gracias al esfuerzo realizado, se consiguió reducir el peso hasta 865 kg (1910 libras) sin baterías.
Sus medidas eran 4'31 m (169 pulgadas) de largo, 1'76 m (70 pulgadas) de ancho y 1'28 m (50 pulgadas) de alto.

El exterior estaba formado por paneles plásticos ligeros resistentes a abolladuras que conformaban una línea redondeada y una morfología general en forma de gota de agua, con la trasera significativamente más estrecha que la parte frontal, lo que animaba a recordar al Citröen DS. Para ello fue necesario que eje trasero fuese más estrecho que el delantero, algo que contribuyó a un dinamismo mediocre, junto a los neumáticos especiales 175/65 R14 inflados a 3’45bar (50 psi) y con tecnología antipinchazos, para evitar rueda de repuesto. Esta carrocería reducía significativamente la resistencia aerodinámica, con un Cx de 0.19 (un Prius actual tiene un 0.25) y un área frontal de 0’36 m2. Esto se aliaba con la baja resistencia a la rodadura para conseguir un diseño óptimo para un vehículo de bajo consumo.

Interior
Se trataba de un vehículo biplaza con un maletero bastante generoso, dadas sus dimensiones. El interior del EV1 era más avanzado que el coche, si cabe. Su estética futurista incluía una consola central con equipo de audio y una zona horizontal con numerosos botones y la palanca de marchas. En la parte central del salpicadero estaba la pantalla digital con indicaciones de velocidad, batería, autonomía… La sensación de desplazarse con el sonido de un silbido eléctrico y el ruido de rodadura se amplificaba con el diseño interior para dar una experiencia de conducción totalmente única.

Sistema propulsor y frenos
Contaba con un motor eléctrico de corriente alterna trifásico asíncrono que producía 102 kW (137 caballos) a 7000 rpm. Proporcionaba un par constante de 149 Nm (107 libras·pie) durante todo el rango de revoluciones, evitando la necesidad de caja de cambios. La potencia se transmitía a las ruedas delanteras a través de un mecanismo reductor.

La gestión del motor se realizaba mediante un inversor con electrónica de potencia basada en transistores bipolares de puerta aislada (IGBT).
Conseguía una aceleración de 0 a 100 km/h en 9 segundos y una velocidad máxima limitada electrónicamente a 129 km/h (80 mph).
Su consumo estimado en kW·h/100 millas era de 26 ciudad/26 autopista para el sistema de plomo ácido y 34 ciudad/30 autopista para el sistema de niquel e hidruro metálico.
Los frenos eran hidráulicos con servoasistencia y con sistema de frenada regenerativa embebido. El freno de estacionamiento era de accionamiento eléctrico. La frenada de 100 km/h hasta parado la realiza en 49 metros (160 pies).

Baterías
Estuvo disponible con baterías de plomo ácido o de Niquel e Hidruro Metálico. El sistema de baterías de plomo tenía un coste de unos 4800 dólares y un peso que rondaba los 530 kg (1175 libras). Estaba compuesto por un conjunto de 26 baterías conectadas en serie y colocadas en forma de T entre los asientos delanteros y detrás de los mismos. El primer equipo de baterías de plomo-ácido estaba fabricado por Delphi, con unidades de 12V y 53 amperios hora, una capacidad total de 16’5 kW·h a 312 voltios y una autonomía estimada de 96 km (60 millas). La generación 2, lanzada en 1999, montaba un equipo de plomo-ácido de Panasonic, reguladas por válvulas, 12 voltios y 60 amperios hora por unidad, una capacidad total de 18’7 kW·h a 312 voltios y una autonomía de 161 km (100 millas). Era una tecnología reciclable en un 99%, aunque con un mayor efecto memoria que el Nimh.
El conjunto de Niquel e Hidruro Metálico también era de Panasonic, tenía un peso de 450 kg (1000 libras). Al igual que el conjunto de plomo, tenía forma de T y estaba compuesto por 26 unidades conectadas en serie. Cada unidad tenía 13.2 voltios y 77 amperios hora de capacidad, formando un conjunto de 343 voltios con 26’4 kW·h que proporcionaba una autonomía de 257 km (160 millas). Es difícil saber el coste de las baterías con esta tecnología, pero se estima que el pack completo está en un rango entre 20000 y 35000 dólares. Es decir, por el precio de un coche de calidad bien equipado nos podríamos hacer con un pack de baterías. Eso sí, tenían una energía específica (kW·h/kg) que doblaba la de las baterías de plomo-ácido, menor degradación bajo solicitaciones intensas, menor sensibilidad al ciclado (duración comparable a la vida útil del coche) y un mejor desempeño a bajas temperaturas pero peor con calor. Su reciclaje permite regenerar el material y construir nuevas unidades. Como todo, era una tecnología muy cara que, se suponía, iba a reducir su coste con una mayor penetración en el mercado. Más de 10 años después, las baterías de un Toyota Prius tienen 1.3 kW·h de almacenamiento bajo tecnología Nimh a un precio de venta al público de 1500 dólares aproximadamente. Si trasladamos ese precio a los 26.4 kW·h del EV1, tenemos un coste de 30500 dólares por un pack completo. Esto indica que, o bien un volumen de fabricación mucho mayor no ha disminuido el precio o bien las baterías Nimh del EV1 eran significativamente más caras de lo que se estimaba.
Además de los packs anteriores de alto voltaje, el vehículo disponía de una batería de 12 voltios para alimentar accesorios.

Sistema de carga
El EV1 se podía cargar con un cargador convencional de 110 V 60Hz (sistema americano) situado en el maletero. También estaba disponible un cargador inductivo que permitía una carga sin contactos directos ni riesgo eléctrico, a la vez que actuaba como transformador pero con una baja eficiencia en relación al cargador convencional. La conexión del cargador inductivo se encontraba en la zona frontal, entre los faros delanteros.

Equipamiento
El equipamiento más destacable es: ABS, control de tracción, control de presión de neumáticos, doble airbag, cinturones de 3 puntos, luces de día, control de entrada y de arranque electrónico con código, luneta y parabrisas térmicos, elevalunas eléctricos, cierre centralizado, control de velocidad de crucero, radio AM/FM con CD y sistema de climatización con bomba de calor.

¿Y esto cuánto cuesta?
 El EV1 sólo se podía adquirir bajo un contrato de leasing, que incluía mantenimiento completo, desde baterías hasta neumáticos, y garantía durante 3 años o 36000 millas, así como asistencia en carretera 24 horas. El precio de tarifa estimado se situaba entre 34000 y 44000 dólares, en función del año y el tipo de baterías. El coste mensual del leasing se encontraba entre los 350 y los 575 dólares. El coste aproximado de la electricidad era de unos 2’5 a 3 $ cada 100 millas, frente a unos 6,8 dólares de un vehículo de gasolina equivalente.
Eso sí, si quieres comprar uno ahora vas a tener algunos problemas. Los EV1 fueron retirados en su práctica totalidad en 2002. Los leasing fueron finalizados cuando alcanzaron el final del periodo y GM se negó a cualquier fórmula de compra propuesta por los usuarios, incluyendo la negación de éstos a garantías o servicio. Los vehículos fueron recogidos por GM y achatarrados, con escasas excepciones cedidas a universidades o museos. Esta acción de GM generó una gran controversia en EEUU, que se vió alimentada por demandas y adquisición de patentes en tecnología de baterías por compañías petroleras y una presión desde el gobierno federal que hizo que las condiciones legales con las que se fomentaban estos vehículos en California se viesen suavizadas. GM dio numerosas justificaciones ante este hecho, algunas poco creíbles y otras un poco más sensatas. En cualquier caso, GM puso fin a su proyecto más novedoso de una forma poco dialogante mientras otros fabricantes como Toyota o Ford supieron buscar fórmulas para vender sus vehículos tras los leasing.

Una visión muy interesante sobre toda la historia de este gran paso adelante y su muerte prematura se puede ver en un documental muy recomendable: “¿Quién mató al coche eléctrico?” (“Who killed the electric car?”, http://www.whokilledtheelectriccar.com/), dirigido por Chris Paine y rodado en 2006. Os dejo los enlaces a la versión en español y la versión en inglés. Hoy en día se acaba de estrenar su sucesora: “La venganza del coche eléctrico” (“Revenge of the electric car”, http://www.revengeoftheelectriccar.com/), que narra cómo ha resurgido de sus cenizas en los últimos años a través del empeño de 4 hombres en construir un vehículo eléctrico exitoso.

Hasta el próximo post, os dejo estos vídeos que permiten conocer mejor qué supuso, y sigue suponiendo, este coche icónico para el mundo del automóvil:
-Vídeo promocional de la época
-Anuncio
-Anuncio en los Simpson. Homer accedía a la petición de Lisa para probarlo y terminaba concluyendo que no servía, después de haber sumergido el coche en agua.
-Una unidad recuperada de a saber donde y restaurada
-Alguna información sobre el vehículo y su uso, incluyendo algunas pegas con la autonomía declarada y la real.

Fuentes:

• Evchargernews
• Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Ev1
• Thehenryford.org
• Ev1.org
• Howstuffworks
• EVnut
• Popular Science, April 1997

Fotos:

• Cargador 110v, salpicadero, vano motor, logotipo, trasera y frontal: RightBrainPhotography
• Coches compactados: Plug In America
• Cargador inductivo: http://www.altfuels.org/

Soluciones con chispa

En el contexto actual parece claro que el avance hacia la electrificación de los vehículos ya es imparable. Esto conlleva ventajas como la reducción total o parcial de las emisiones en el punto de utilización, la capacidad para cubrir con energías renovables parte del consumo originado por el transporte, un uso más eficiente de la energía gracias a avances como el frenado regenerativo o el descenso del nivel de ruido generado por el tráfico. Sin embargo, también surgen problemas asociados como un incremento de la demanda eléctrica a largo plazo, la necesidad de generar esa energía y las emisiones que ese proceso conlleva, una autonomía reducida para los vehículos completamente eléctricos y un cambio drástico para el conjunto de servicios postventa en la tecnología que se ha aplicado en el último siglo.
Estos son sólo algunos de los pros y contras que surgen ante este reto. Pero, ¿cómo introducir de pronto electrónica de potencia, baterías y motores que no han estado ampliamente presentes hasta ahora?. Es un propósito complicado y, como tal, sólo existe una forma de afrontarlo: paso a paso. Aunque han existido intentos previos de hacer vehículos completamente eléctricos, como los surgidos de la normativa de la CARB a mediados de los 90, no se han implementado de forma masiva entre los consumidores. Sin embargo, durante esta última década se han mezclado componentes de vehículos eléctricos con motores de combustión interna, dando lugar a los híbridos, que han recibido una buena acogida en diversos mercados. Las últimas propuestas completamente eléctricas, surgidas durante el último año, dan un paso más y sustituyen completamente a los motores alternativos de combustión interna. A continuación se presentan las configuraciones posibles entre las distintas alternativas eléctricas.

Vehículos eléctricos: La potencia silenciosa
Son aquellos que utilizan motores eléctricos para generar movimiento. Pueden ser de tres tipos [1]:

• Los que se mueven siempre con energía externa. Contienen la electrónica de potencia necesaria para la gestión y los motores eléctricos, pero la energía la toman de fuentes externas en todo momento. Es necesaria una infraestructura compleja para aportar la energía eléctrica.

• Los que almacenan energía externa y la utilizan posteriormente. Los sistemas son muy similares a los anteriores, pero se guarda la energía en baterías.

• Los que utilizan otra fuente de energía para generar toda o parte de la electricidad (vehículos híbridos eléctricos). En algunos casos pueden almacenar electricidad desde fuentes externas, pero tienen un generador que permite aportar energía a las baterías. Este generador puede ser un alternador convencional movido por un motor térmico o una pila de combustible utilizando hidrógeno.

Este último grupo tiene muchas alternativas que se explican a continuación.

Vehículos híbridos: Mezclando voltios con octanos
Un vehículo híbrido es, por definición, aquel que utiliza dos o más fuentes de energía importantes para generar potencia de tracción [2]. Esto da lugar a varios tipos de vehículos, según se mezclen energías como gasolina, gas licuado, hidrógeno, electricidad… Los más comunes son los híbridos electricidad-gasolina, que pueden incorporar la posibilidad de recargarse desde la red eléctrica (híbrido enchufable o plug-in hybrid). Además, un automóvil con pila de combustible que utiliza hidrógeno también responde a la definición de híbrido.
Si nos centramos en los vehículos híbridos eléctricos, existen varios tipos de configuraciones para los motores [3]:

• Híbrido serie: Se trata de una disposición donde el motor eléctrico es el único encargado de mover el vehículo. El motor de combustión interna se utiliza como generador y carga las baterías o proporciona energía eléctrica al sistema.

• Híbrido paralelo: El motor eléctrico  y el térmico se encuentran conectados a una transmisión convencional. Ambos son encargados de mover el vehículo, pero habitualmente no permite el modo completamente eléctrico. La relación entre potencia eléctrica y térmica suele ser inferior que en otras configuraciones.

• Híbrido serie-paralelo: Combina las opciones anteriores mediante una transmisión que permite ambos modos de funcionamiento. Es, en esencia, un híbrido paralelo, pero permite desvincular el motor térmico de la potencia demandada por el conductor en cada momento gracias a un sistema divisor de potencia (Power Split Device). Es habitual que tengan dos motores eléctricos de distintas potencias en lugar de uno. De este modo, cuando la batería tiene suficiente carga, se puede reducir o anular el aporte del motor térmico tanto al movimiento como a la recarga. Análogamente, este aporte se aumenta con niveles bajos de batería para impulsar el vehículo además de generar electricidad.

Según la capacidad del sistema eléctrico para mover el vehículo, los híbridos eléctricos se pueden clasificar en [4]:

• Híbrido suave (Mild hybrid): Sistemas donde el aporte eléctrico es de una potencia significativamente menor y sólo proporciona una asistencia y cierta capacidad de regeneración. Por lo general son sistemas híbridos paralelo que no admiten funcionamiento en modo completamente eléctrico.
• Híbrido completo (Full hybrid): Son vehículos con un sistema eléctrico de una potencia comparable al motor de combustión interna, que permiten un funcionamiento únicamente eléctrico.

Esto es todo por hoy. A medida que se vayan presentando en futuros posts los distintos automóviles presentes en el mercado, se identificarán según esta clasificación.

Fuentes:
[1] Vehículo Eléctrico, Wikipedia (inglés)
[2] Vehículo Híbrido, Whatiswhat.com (inglés)
[3] Vehículo Híbrido Eléctrico, Wikipedia (inglés)
[4] Transmisión de Vehículo Híbrido, Wikipedia (inglés)

Imágenes:
Imagen Trolebús: Galería de Flickr de Troistoques
Imagen Toyota Rav4 EV: Galería de Flickr de Rainforest Action Network
Esquema de Volt: Galería de Flickr de Argonne National Laboratory
Imagen motor de combustión interna: Galería de flickr de RambergMediaImages
Imagen Motor Eléctrico: Galería de flickr de MissionMotors

Fuerza y par

En este post dentro de la sección pupitre vamos a repasar los conceptos básicos de fuerza y par. Puede que, como lector, te surjan dudas respecto a esta sección, del tipo:

• ¿Para qué sirve esto?: El objetivo es ir entendiendo pequeñas cosas simples con las que se puedan responder preguntas más complejas en el futuro.
• ¿Pero esto no es un blog sobre coches eléctricos, híbridos, de combustibles alternativos y tecnología aplicada al automóvil?: Sí, pero para resolver muchas de las dudas que pueden surgir es muy interesante comprender algunos conceptos básicos.
• ¿Me voy a aburrir?: Espero que no pero, si en algún momento pasa, mi consejo es que lo dejes y lo intentes en otro momento o cuando se haga referencia a este post en algún otro que se base en él.
• ¿Hay prerrequisitos?, es decir, ¿tengo que saber integrar, haber estado en Sacedón o haber conocido a Pocholo en Ibiza?: No, en ningún caso, aunque si cumples todas o alguna de ellas tampoco pasa nada.
• ¿Falta mucho para el post de verdad o vas a seguir con chorradas?: Ahora mismo empezamos.

Que la fuerza te acompañe

Tenemos que remontarnos 200 años antes de que el señor Karl Benz crease el primer automóvil, concretamente a 1687. En esa fecha, Sir Isaac Newton sentó las bases de la mecánica clásica y, en particular, enunció una trilogía de leyes que todavía resultan perfectamente aplicables al automóvil, y así lo serán hasta que se muevan en velocidades cercanas a la de la luz. En ese caso tendríamos que buscar respuestas en la mecánica relativista, pero debemos tener en cuenta que los vehículos más rápidos de producción en serie rondan los 430 [km/h] y, por tanto, se encuentran suficientemente lejos de los 300.000 [km/s]. Por si las moscas.

Una fuerza se define como la “Causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo o de deformarlo”[1].

Las 3 leyes de Newton son tan simples como ciertas:

1. Ley de la inercia: Afirma que todo cuerpo en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme tiende a seguir en ese estado excepto si una fuerza actúa sobre él. Un vehículo a una velocidad constante o en reposo, seguirá en ese estado mientras no se le aplique una fuerza [2]. En un caso real, hay fuerzas que actúan continuamente sobre el vehículo en movimiento, como se verá en el punto siguiente.                      
2. Ley de la fuerza: Cuando se aplica una fuerza se cambia la magnitud del movimiento de forma proporcional a ella y en la misma línea en la que es aplicada. La velocidad v0 aumentará en el caso de experimentar una fuerza en el mismo sentido y disminuirá si la fuerza es en sentido contrario. En ambos casos la fuerza genera una aceleración sobre el vehículo según F=m·a y es dicha aceleración la que provoca el cambio en la velocidad. En un vehículo real sobre una superficie plana, la fuerza que aumenta la velocidad viene dada por el motor y la que la disminuye la aportan de forma combinada el sistema de frenado, la resistencia aerodinámica, la de rodadura y el freno motor (causado por el trabajo de bombeo de aire a los cilindros, las pérdidas mecánicas, el consumo de elementos accesorios como alternador, bomba de agua…). Estas acciones en contra del movimiento se comportan de distinto modo en función de parámetros como velocidad, régimen de giro del motor, tipo de pavimento, presión de los neumáticos…
3. Ley de acción-reacción: Con cada acción se produce siempre otra igual y en sentido contrario. En el caso de un choque perfectamente elástico se hace patente el efecto de acción-reacción. Las magnitudes que actúan sobre cada coche se representan en su color. El coche amarillo, con velocidad v0, alcanza al verde que se encuentra en reposo. En el choque el vehículo amarillo le cede su energía cinética al verde como una fuerza F y éste produce una reacción sobre el amarillo de la misma magnitud. El resultado final del alcance es que el vehículo amarillo termina en reposo y el verde avanza con velocidad v0. En una situación real el comportamiento no sería perfectamente elástico pero es una forma de ilustrar la tercera ley.

Dame un momento

Un caso particular de las fuerzas sobre el automóvil es la aplicación de dos de ellas paralelas y de sentido opuesto separadas una determinada distancia. En ese caso se produce un momento o par sobre un punto equidistante de ambas fuerzas.

En la figura anterior se produce un momento M=F·d, siendo sus unidades las correspondientes a una fuerza por una distancia, habitualmente [N·m], [kg·m] o [lbf·ft] (sistema Imperial). En el caso de [kg·m], la primera de las unidades son realmente kilopondios, es decir, el peso de un kilogramo bajo la aceleración de la gravedad, lo que equivale a 9’8 [N] aproximadamente. Análogamente, la libra fuerza [lbf] es el peso de una libra. En cualquiera de sus unidades resulta un dato muy útil para motores o elementos de transmisión, ya que permite evaluar la fuerza transmitida mediante giro.

En un sistema real el giro viene determinado por una fuerza respecto al centro de giro.

En la imagen anterior [3] se puede observar una rueda en aceleración. En ese caso la rueda está transmitiendo una fuerza de rozamiento al suelo F. Por acción-reacción el suelo ejerce una fuerza igual y de sentido contrario que se traslada al centro de giro de la rueda, y es la que impulsa el vehículo.

El motor ejerce un par dependiente del régimen de giro y del grado de carga (relacionado con la posición del acelerador). Para un determinado par generado a unas rpm concretas en el motor, la transmisión permite variar el par en las ruedas a costa de variar la velocidad de giro. Si se reduce a una marcha menor se consigue un par mayor en las ruedas con una velocidad menor y, del mismo modo, si se cambia a una marcha superior se consigue mayor velocidad con menor par en las ruedas. En ambos casos el par ofrecido por el motor sería el mismo.

La fuerza ejercida por la rueda también se varía al modificar el desarrollo (resultado de “desarrollar” la circunferencia exterior de la rueda: desarrollo=2·pi·r, donde “r” es el radio exterior de la rueda), de forma que si éste aumenta, el radio es mayor y se produce menor fuerza para el mismo par, con una mayor velocidad para el mismo régimen de giro del motor en la misma marcha. Del mismo modo, al reducir el radio se aumenta la fuerza sobre el suelo y se reduce la velocidad. Todo ello varía de forma proporcional al desarrollo, que en España sólo se puede modificar un 3% por encima o por debajo de un valor homologado.

Por último, es interesante destacar que, para un mismo par motor, a un régimen de giro fijado y en una marcha concreta, la fuerza que impulsa el vehículo es constante, como también lo es el consumo instantáneo de combustible. Por la segunda ley de Newton (F=m·a), la aceleración se puede expresar como a=F/m, con lo cual será mayor con una masa menor. Esa es una de las ventajas de la reducción de peso en los vehículos, pero también ayuda significativamente al comportamiento dinámico, como se verá a continuación.

Nunca dejes de jugar

Ahora veamos cómo aplicar lo que sabemos sobre fuerzas al comportamiento del coche. Hay 3 puntos importantes relacionados con la dinámica del vehículo, especialmente en conducción deportiva: cuándo y cómo frenar, la elipse de adherencia del neumático y cómo jugar con el peso del coche. Si eres aficionado a los simuladores de conducción o has tenido la oportunidad de entrar con un coche en circuito sabrás que la forma en la que se gestiona el peso es importante (no sólo para la conducción deportiva), y que un mayor peso exige mayores fuerzas para conseguir las mismas aceleraciones.

El peso del coche se puede considerar concentrado en un único punto denominado “centro de gravedad” o “centro de masas”. Según la primera ley de Newton, este punto tiende a seguir en reposo o movimiento rectilíneo uniforme  oponiéndose a las aceleraciones que se generan en los neumáticos, tanto longitudinales (aceleración o frenada) como transversales (giros). Esto provoca que el centro de masas se desplace hacia la zona delantera en frenadas, hacia la trasera en aceleraciones y hacia el exterior de la curva en giros (esta última tendencia genera una fuerza imaginaria conocida como fuerza centrífuga, a la que se opone la fuerza centrípeta ejercida por los neumáticos). Ante tales situaciones, los neumáticos sobre los que se desplaza el centro de masas soportan un mayor peso que el resto. En realidad el desplazamiento real del centro de masas es mínimo, y se debe únicamente a la contracción o extensión de los elementos de suspensión. Pero, unido a él, existe un desplazamiento ficticio, como se explica a continuación:

Con el vehículo en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme, el peso se reparte entre las ruedas según la distribución de pesos del vehículo, que condiciona la posición del centro de masas. En el caso del vehículo de la figura, con motor trasero, supongamos que se sitúa en el punto indicado con “m”. En azul se encuentran representadas las normales en las ruedas (reacciones al peso sobre la rueda).

En este caso veremos el ejemplo de una frenada. Cada rueda ejerce una fuerza de frenado representada en rojo.

 

Esas fuerzas se ejercen en la misma línea (que representa el suelo), y se pueden sumar para ver la acción total sobre el vehículo. Se comprueba que esa acción genera un par sobre el centro de masas que tiende a hundir la parte delantera y a levantar la trasera.

Es necesario, por último, que las normales sobre las ruedas equilibren esta situación y, para ello, la normal delantera aumenta considerablemente y la trasera se reduce.

Por otra parte, un neumático puede generar una fuerza máxima en su área de contacto que es el producto del coeficiente de rozamiento caucho-superficie y la fuerza normal sobre el mismo: Frmax=coef_roz·N. Esto implica que, a igualdad de coeficiente de rozamiento, un neumático tendrá más capacidad de transmitir esfuerzos cuanto más peso tenga sobre él.

Este “jueguecito” con las fuerzas implica que el eje trasero ganará adherencia al acelerar mientras que el delantero la pierde, y al frenar sucede lo contrario. En un giro, las ruedas exteriores tienen más adherencia y las interiores menos.

Quizás te preguntes por qué se dice que un vehículo más pesado es peor dinámicamente, si la adherencia mejora con el peso. Sin entrar en muchos detalles, digamos que la mejora de adherencia es menos beneficiosa que el aumento de las fuerzas con las que el centro de masas se “opone” a lo que queremos que el coche haga.

Bueno, si se me ha olvidado algo ya lo iré comentado sobre la marcha, pero con esto creo que es suficiente para entender lo básico de las fuerzas reales sobre los vehículos.

Un saludo.

[1] Definición de fuerza: Diccionario de la Real Academia Española

[2] Imagen beetle original de CARLOS62, perfil en flickr

[3] Imagen burnout de ilmselgelt.com, perfil en flickr

Para saber más:

-Leyes de Newton (Wikipedia)

-Choque elástico (Wikipedia)

-Par de fuerzas (Wikipedia)

-Fuerza centrífuga (Wikipedia)

-Rigs of Rods, para practicar jugando