1.29.2. Sistemas de propulsión ecológicos

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ASÍ FUNCIONA EL AUTOMÓVIL (I) - 1.29.2 Sistemas de propulsión ecológicos

Baterías de propulsión

En este tema va a haber muchas novedades pues las investigaciones son exhaustivas.

De momento esto es lo que hay:

Baterías de plomo ácido

  • Son las tradicionales utilizadas para el arranque del vehículo
  • A pesar de que este material puede ser altamente contaminante, hoy en día estos acumuladores están bien controlados y se recicla un 95%
  • El inconveniente de emplear estas baterías también para mover coches eléctricos es que al intentar meter mucha más energía crecen demasiado, volviéndose excesivamente pesadas y voluminosas
  • Ofrecen 30 vatios por hora y kilogramo de peso (30 w.h.kg.)

Baterías de sodio – cloruro de níquel

  • Estas baterías también son conocidas como ZEBRA (del Zeolite Battery Research Africa Project) funcionan a temperaturas de 200 a 250 grados y suponen un gran avance en capacidad
  • Son muy interesantes
  • Aun así, su pega es también importante, un 10% de la energía de las baterías se emplea en mantener alta la temperatura incluso con el coche parado, lo que puede provocar que se descarguen sin circular ocasionando problemas
  • Llegan a obtener entre 90 y 150 w.h.kg

Baterías de níquel – cadmio y níquel – hidruro metálico

  • La tecnología que se ha utilizado para todo tipo de aplicaciones industriales ha sido la de níquel-cadmio (Ni – Cd)
  • Sin embargo, el cadmio es un metal pesado muy tóxico por lo que este tipo de acumuladores han sido desplazados por los de níquel – hidruro metálico (Ni – MH), que son los que llevan generalmente los automóviles híbridos
  • Estas baterías pueden acumular el doble de energía por cada kilo de peso que las de plomo ácido, pero sus prestaciones no son suficientes para una verdadera expansión del coche eléctrico
  • Además, no resuelven del todo el inconveniente del efecto memoria, si no se cargan de la forma correcta se va reduciendo su duración. Su rendimiento es 80 w.h.kg

Baterías de ion – litio

  • Son las que cuentan con más expectativas
  • El litio es el elemento sólido más ligero
  • Estas baterías pueden almacenar ya unos 150 Wh por kilo de peso
  • Esto significa que una batería de 30 KWh para un coche eléctrico pesará unos 200 kilos
  • Son las que mejor cumplen los requisitos del coche eléctrico con vista a su producción a gran escala
  • Uno de sus mayores inconvenientes es el precio
  • La industria espera que la producción a gran escala de estos acumuladores reduzca su precio
  • Este tipo de baterías tienen mucho que mejorar aún
  • Ofrecen entre 150 y 200 w.h.kg
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En los últimos años, se están abriendo numerosas líneas de investigación y se puede avanzar mucho con la nanotecnología y nuevos materiales.

La tecnología de las baterías está en ebullición y no se publican avances detallados para evitar competencias comerciales.

Particularidades del automóvil eléctrico

La valoración de la propulsión eléctrica en el automóvil se hace comparándola con el motor térmico conocido, y estos son los resultados:

  • Empezamos comparando las curvas de par y potencia
  • Motor atmosférico
    • Las curvas de par y potencia aumentan de valor progresivamente con las RPM desde ralentí
    • La respuesta del motor va mejorando según se acelera siendo la mejor a medio régimen donde está el par máximo
  • Distribución o admisión variables
    • La curva de par es más plana y se obtiene más potencia
    • Mejora la respuesta desde bajas RPM, pero sigue siendo progresiva
  • Motor sobrealimentado
    • El llenado a presión de los cilindros aumenta sensiblemente al par y potencia, también la respuesta, pero sigue siendo progresiva desde bajo régimen
    • Estos comportamientos se deben a que el par motor depende del llenado de los cilindros, que es escaso a ralentí para ir aumentado más o menos rápidamente al acelerar
    • Los objetivos de las tecnologías comentadas es agilizar el llenado de los cilindros al subir el motor de RPM
  • Motor eléctrico
    • La energía eléctrica está almacenada en las baterías de propulsión y puede salir a la velocidad y en la cantidad que el conductor decida acelerando más o menos
    • Se ve como la curva de par es prácticamente plana desde el mismo instante de iniciar la aceleración, la potencia también reproduce una curva más o menos plana
    • Por esta razón la respuesta del coche eléctrico al acelerar es excelente
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Comparación del automóvil eléctrico térmico con el eléctrico:

  • La velocidad máxima suele ser inferior en el coche eléctrico, se auto limita para proteger la autonomía
  • Aceleración excelente, todo el par está disponible desde el inicio, pero reduce sensiblemente la autonomía
  • Sin ruido ni vibraciones. Se producen sonidos para avisar de su proximidad a baja y media velocidad
  • Duración de las baterías en el entorno de 5.000 cargas lentas. Es un dato variable que depende del uso
  • Menor coste de utilización por consumo. Es en función del precio según las horas de recarga por el protocolo de cada país
  • Autonomía muy sensible a la velocidad y aceleración y tiempo de recarga elevado para viajes largos. Son los aspectos que más limitan la difusión del coche eléctrico
  • Infraestructura para recargas en fase de implantación
  • En implantación procesos de reciclaje y reutilización de baterías de propulsión al final de su vida útil en el automóvil

Otros aspectos a valorar del coche eléctrico son que no necesita embrague y caja de cambios, con una reducción es suficiente.

Menor desgaste de frenos por el efecto de recarga al decelerar y frenar. Se pueden utilizar motores eléctricos integrados en las ruedas, lo que simplifica al máximo la transmisión.

Propulsión híbrida; térmica y eléctrica

Concepto

La combinación en el mismo automóvil de motor térmico y eléctrico es la propulsión híbrida, que tiene diferentes formas de aplicación:

  • El automóvil de la imagen superior tiene motor térmico, embrague (o convertidor de par), caja de cambios y transmisión para mover las ruedas motrices, es la propulsión térmica
  • Se incorpora un motor eléctrico con sus baterías de propulsión y transmisión que hace girar las ruedas motrices, es la propulsión eléctrica
  • Este sistema de propulsión híbrida puede mover las ruedas con el motor térmico, el eléctrico o ambos a la vez, es el híbrido paralelo
  • En el automóvil de la imagen inferior se ve el motor térmico, que no está conectado a las ruedas
  • Cuando funciona el motor térmico hace girar un generador de electricidad, que tampoco está conectado a las ruedas
  • Las ruedas motrices reciben movimiento de un motor eléctrico al que suministran electricidad las baterías de propulsión
  • Están las baterías de propulsión cargadas y al circular el automóvil se van descargando
  • Al llegar al límite de descarga predeterminado de las baterías se pone en marcha el motor térmico que acciona el generador
  • Este generador produce electricidad para alimentar al motor eléctrico y si sobra recarga las baterías
  • Propulsión eléctrica siempre, el motor térmico produce electricidad a través del generador pero no mueve las ruedas, es el híbrido serie
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En el híbrido serie al no mover el motor térmico directamente las ruedas y funcionar a RPM estáticas en varias fases, puede ser de menor tamaño y adaptado a las funciones específicas de generación de electricidad.

Este sistema cuenta con determinada autonomía en eléctrico (motor térmico parado), en el entorno de 40 km o más.

Algunas marcas de automóviles que utilizan esta tecnología en sus modelos los denominan eléctricos de autonomía extendida, pero en realidad son híbridos serie, y suelen ofrecer más autonomía eléctrica que la media de los híbrido serie.

Hay algún modelo que puede funcionar como híbrido paralelo y serie, dispone de motor térmico que puede estar conectado o no a las ruedas motrices por la caja de cambios.

También puede desconectarse de las ruedas y accionar un generador para suministrar electricidad al motor eléctrico de propulsión.

Híbrido paralelo

No se incluye en las imágenes el calculador electrónico o supervisor, es el encargado de gestionar el tránsito de la energía eléctrica.

Detalles de funcionamiento genérico de un automóvil híbrido paralelo:

  • Estos son los elementos implicados; motor térmico, engranaje de salida del motor térmico (es también un generador de electricidad), caja de cambios, diferencial, motor eléctrico, baterías de propulsión y acelerador
  • El inicio de la marcha es en eléctrico con la electricidad de las baterías de propulsión, y se mantiene hasta cierta velocidad y distancia en función de la aceleración, carga y subidas
  • A partir de cierta velocidad o al acelerar se pone en marcha el motor térmico relevando al eléctrico
  • En retenciones el generador recarga las baterías de propulsión
  • Al acelerar más o en subidas el motor eléctrico apoya al térmico
  • En las detenciones del tráfico se para el motor térmico, es el efecto “stop & start” ampliado
  • Si este automóvil híbrido paralelo tiene cierta autonomía eléctrica incorpora cargador, que se conecta la Red para contar con las baterías a plena carga al iniciar la marcha
  • La tecnología de recarga de baterías en la Red se conoce como “plug in”
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Hay diferentes aplicaciones de la tecnología híbrida paralelo, desde tener la función térmica los componentes tradicionales, embrague y caja de cambios, más habitualmente embragues pilotados o convertidor y caja pilotada o automática, hasta prescindir del embrague/convertidor y caja de cambios utilizando tecnologías específicas para variar las relaciones en fase térmica.

Otra posibilidad de propulsión híbrida paralelo se explica a continuación.

Híbrido paralelo con propulsión eléctrica de apoyo

  • Se identifican estos elementos; motor térmico, engranaje de salida (no es generador), caja de cambios, diferencial, motor eléctrico, baterías de propulsión y acelerador
  • El motor térmico con embrague (convertidor) y caja de cambios es el propulsor permanente
  • Al acelerar más o en subidas el motor eléctrico y las baterías de propulsión apoyan al motor térmico
  • Al decelerar se recargan las baterías
  • No hay fase exclusivamente eléctrica de propulsión
  • En detenciones por tráfico se para el motor, “stop & start”
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Una reciente variación de este sistema híbrido paralelo de apoyo es utilizar un potente alternador reversible a 48 voltios unido al motor por la correa de accesorios, en aceleraciones o subidas asiste al motor térmico con su aportación como motor eléctrico y en retenciones genera electricidad, que es su función natural.

Hace también la función de “stop & start”, pero no mueve directamente el automóvil.

Híbrido serie

En esta tecnología el motor térmico no mueve directamente las ruedas motrices:

  • Los elementos implicados son estos; motor térmico, que no está conectado a las ruedas motrices, generador eléctrico que tampoco conecta con las ruedas motrices accionado por el motor térmico cuando está este en marcha, diferencial, motor eléctrico, baterías de propulsión y acelerador
  • La propulsión es exclusivamente eléctrica circulando el automóvil
  • Las baterías se van descargando hasta un nivel predeterminado
  • Al llegar a esta descarga de las baterías se pone en marcha el motor térmico que mueve el generador eléctrico
  • El generador produce electricidad para alimentar al motor eléctrico que mueve al automóvil, y si sobra se recargan las baterías de propulsión
  • Este sistema híbrido serie tiene cierta autonomía eléctrica para recorridos de proximidad, por lo que las baterías son recargables en la Red, “plug in”, para disponer de toda la autonomía eléctrica al iniciar la jornada
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La tecnología híbrido serie de momento es la menos utilizada, se espera más difusión próximamente, aunque hay variables que pueden cambiar las cosas en esta situación de investigaciones continuas.

Resumen de este módulo

Las tecnologías que permiten el desplazamiento del automóvil

  • Automóvil térmico
  • Contaminación incluso con sistemas de limpieza. Es la evolución de las tecnologías tradicionales con múltiples soluciones para reducir los gases contaminantes
  • Tendencia a desaparecer progresivamente. Para reducir la contaminación se hace más complejo y sensible al tipo de utilización, lo que afecta a los costes de mantenimiento y fiabilidad
  • Evoluciones técnicas hasta ser sustituido. Se trabajan las evoluciones para poder seguir utilizando esta tecnología en coches pequeños
  • En este periodo se combina con propulsión eléctrica, híbrido, lo que permite en los automóviles de gamas más altas conjugar prestaciones, contaminación y consumo
  • Automóvil híbrido (térmico y eléctrico)
  • Tecnología de transición de duración variable, a la espera del sistema de propulsión que sustituya definitivamente al motor térmico, ¿será la pila de combustible de hidrógeno?
  • Paralelo; el motor térmico y eléctrico pueden mover las ruedas, a la vez o independientemente. Según la autonomía eléctrica puede contar con recarga en Red
  • Serie; la propulsión es siempre eléctrica, el motor térmico solamente funciona para accionar un generador y producir electricidad. Cuenta con autonomía eléctrica y recarga en Red
  • Se puede contaminar durante la recarga de las baterías según como la obtenga la Red
  • Automóvil eléctrico
  • No contamina por emisiones de propulsión al circular pero…
  • … la autonomía no permite viajes de media distancia, y además se reduce sensiblemente con la velocidad de circulación…
  • … el tiempo de recarga es demasiado largo para un viaje, y si se utiliza habitualmente la carga rápida se puede reducir la vida útil de las baterías
  • Contaminación de la red eléctrica de recarga en función de la generación de electricidad
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  • Automóvil con pila de combustible de hidrógeno, con hidrógeno del depósito de combustible y oxígeno del aire la pila de combustible genera electricidad para mover el motor eléctrico de propulsión, también carga unas baterías de apoyo
  • La reacción química produce vapor de agua
  • Sin contaminación al circular, emite vapor de agua por el escape
  • Autonomía similar al motor térmico
  • Repostaje rápido, con un proceso específico
  • Hay que implantar infraestructuras para fabricar y distribuir el hidrógeno
  • Se puede generar contaminación al fabricar el hidrógeno según las tecnologías utilizadas

Con pila de combustible el automóvil se mueve mediante la electricidad generada por esta, y en determinadas situaciones también por la que almacenan las baterías de propulsión.

Se puede considerar como híbrido al utilizar dos fuentes de energía, pila de combustible y baterías.

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Vídeos de interés

Hidrógeno para el automóvil ¿será la solución? / Review en español | coches.net