La masa en el circuito eléctrico del automóvil

  • Última modificación de la entrada:14/07/2021
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El funcionamiento del automóvil desde sus inicios necesitó de la electricidad, pues el primer motor consolidado fue de gasolina y necesita la chispa en las bujía para la explosión de la mezcla del aire y gasolina.

Y esto sin tener en cuenta que en aquellos tiempos hubo de superar el motor de gasolina al eléctrico con baterías de propulsión, otra opción para el automóvil, que no llegó a implantarse pues no permitía recorridos largos y necesitaba bastante tiempo para recargar las baterías de propulsión.

Como curiosidad, actualmente el motor térmico que al producir dióxido de carbono (CO2) está en sus últimos momentos, la opción del automóvil de propulsión eléctrica con baterías sigue sin ser adecuada para viajes largos por más o menos las mismas razones.

La opción lógica es la propulsión eléctrica con pila de combustible de hidrógeno, pero al afectar a los basamentos del entramado socioeconómico tendrá que haber bastantes análisis y soluciones para que todo vaya encajando.

La gran mayoría de las marcas ya están apostando por esta tecnología, a la espera de que el operativo de decisiones de quienes deben tomarlas dé la salida, y no es la disponibilidad tecnológica pues ya está resuelta y mejorará en cuanto sea viable su comercialización por estructuras de fabricación y distribución de hidrógeno verde, que también podría hacer funcionar a motores térmicos de hidrógeno con bujía de encendido.

Nos hemos extendido algo sobre el tema del hidrógeno pues está en todos los medios y es una información más que podemos ofrecer.

Masa en el circuito eléctrico

Ahora seguimos con el artículo; además de para la chispa, la electricidad en el automóvil tiene muchos más usos, desde el alumbrado al arranque del motor y para hacer funcionar muchos sistemas y órganos.

Con la evolución del automóvil, prácticamente casi todos sus sistemas son eléctricos y tienen control electrónico, incluso los de funcionamiento mecánico.

Con tanto equipo eléctrico la cantidad de cableado necesario es inmensa y aumenta, esto implica coste, espacio y complicaciones.

Una primera forma de reducir la cantidad de cableado es la “masa”, implantada casi desde los inicios, tema de este artículo, y otra, simplificando este complejo tema, el sistema de redes de multiplexado y canbus, de lo que hemos hablado en otras ocasiones.

Hoy nos quedamos con el concepto de masa en el circuito eléctrico de servicio del automóvil.

Corriente continua y alterna

Para que la electricidad haga su trabajo los electrones se han de mover por el circuito, de esta forma se produce circulación desde la fuente que aporta electricidad a los elementos que funcionan con su energía desarrollando sus trabajos, que pueden ser diversos; motores eléctricos, bombillas …

Por estos elementos pasa electricidad, consumen parte, y continúa hasta retornar de nuevo a la fuente que aporta la energía eléctrica.

En la imagen se representa como consumidor una bombilla.

Vemos tres imágenes de circuito eléctrico, una con corriente alterna y otra con corriente continua y dos tipos de generadores de electricidad.

En imagen de la izquierda se ve un circuito eléctrico de corriente alterna:

  • Al moverse el generador de electricidad produce corriente alterna, se necesita este movimiento mecánico para producir la electricidad
  • En la corriente alterna el sentido de circulación de los electrones cambia según frecuencias determinadas, por ejemplo 50 veces por segundo
  • Es como si los electrones tuviesen un movimiento de vaivén del que se obtiene la energía eléctrica
  • Se considera que la corriente circula desde un borne positivo + a otro negativo – del generador pasando por los consumidores
  • En este caso al ser alterna va cambando de signo cada borne según la frecuencia
  • Se representa el generador como un elemento que va girando, lo que implica que los bornes + y – vayan variando de posición lo que produce el cambio de sentido de circulación de los electrones
  • Al circular la corriente alterna por el cableado que une el generador con la bombilla (consumidor) y retornar circulando en los dos sentidos de nuevo al generador, se produce la energía eléctrica que hace encenderse a la bombilla
  • Para poder conectar o desconectar el consumidor, en este caso la bombilla, se dispone de un interruptor que puede estar cerrado permitiendo el paso de la corriente, bombilla encendida, o cerrado cortando el paso de la corriente, bombilla apagada
  • Por si hubiese algún problema en el circuito eléctrico se intercalan los fusibles, por ejemplo al auto conectarse los bornes de entrada y salida de la corriente en la bombilla, sin pasar por esta, el consumo eléctrico sería como si se conectasen los dos cables de salida y entrada del generador, es decir nulo, es un cortocircuito que provoca el paso de toda la energía eléctrica de golpe provocando un brusco y muy elevado aumento de temperatura, es una gran chispa
  • El fusible es un tramo de cable más fino que el resto del cableado, en caso de que se produzca un cortocircuito se quema el cable fino del fusible cortando el circuito y evitando mayores daños
  • La corriente alterna no se puede almacenar, se produce y consume en el momento
  • Es la que se utiliza en las casas y suministra la red eléctrica

En las imágenes de la derecha se ven dos circuitos eléctricos en el automóvil con corriente continua, incluyendo interruptor y fusible.

Imagen superior:

  • El generador de electricidad es una dínamo movida por el motor cuando está en marcha y produce corriente continua, sale la electricidad de su borne + llega por el cableado a la bombilla que se enciende y retorna al borne – de la dínamo
  • Siempre circula la corriente en el mismo sentido del borne + al –, es la corriente continua
  • La corriente continua se puede acumular o almacenar en la batería, que es cargada por la dínamo con el motor en marcha
  • Pero la cantidad de electricidad generada es limitada, sobre todo a bajas RPM, de hecho a ralentí no produce carga, por eso se ha sustituido la dínamo por el alternador como vemos enseguida
  • Al tener siempre el mismo sentido de circulación los bornes + y – están identificados en la batería
  • Al tener electricidad almacenada en la batería se pueden utilizar consumidores eléctricos con el motor parado, y utilizar parte de la carga en la batería para el arranque del motor del automóvil mediante el motor eléctrico de arranque
  • Como la electricidad de la corriente continua es acumulable en la batería y necesaria para la puesta en marcha del motor, es el sistema utilizado en el automóvil

Imagen inferior:

  • En este circuito eléctrico de automóvil, y por tanto de corriente continua, se ha sustituido la dínamo por un alternador, que produce la electricidad necesaria desde ralentí, pero en formato de corriente alterna
  • Para que sea utilizable en el circuito eléctrico del automóvil se transforma en continua antes de salir del alternador

Para el funcionamiento del circuito eléctrico la corriente, continua o alterna, ha de tener dos cables a cada elemento; ida y vuelta.

Puede la electricidad cambiar de sentido como la corriente alterna o mantener un único sentido como la continua pero para que circule la electricidad hacen falta dos cables.

En la corriente continua al no cambiar de sentido se identifican como positivo + y negativo –.Corriente continua y alterna

Circuito eléctrico con dos cableados desde la batería; del borne + y de retorno al borne –

Se ve en la imagen un automóvil resaltando el circuito eléctrico.

De los elementos representados identificamos los siguientes:

  • Batería; almacén o acumulador de electricidad
  • Motor de arranque; es un motor eléctrico que utiliza la electricidad de la batería para la puesta en marcha del motor del automóvil
  • Alternador; con el motor en marcha es arrastrado por la correa exterior de accesorios y genera la electricidad que necesite el automóvil y recarga la batería
  • Cajas de fusibles; se ven dos, una en el vano motor delantero y otra en el habitáculo. Contienen fusibles que protegen de cortocircuitos a los sistemas eléctricos
  • Cableado del borne + de la batería a cada elemento eléctrico, en rojo
  • Cableado del borne – de la batería a cada elemento eléctrico, en negro
  • Se aprecia como al tener que completar las conexiones entre los bornes + y – de la batería se duplica el cableado necesario

Estos son algunos detalles sobre el circuito eléctrico del automóvil:

  • El sistema eléctrico del automóvil funciona con corriente continua, circula siempre en el mismo sentido
  • La batería acumula electricidad para hacer funcionar a los consumidores eléctricos con el motor parado
  • Al poner el motor en marcha la electricidad de la batería es utilizada por el motor de arranque, lo que implica que aquella se descargue parcialmente
  • Con el motor en marcha, gira el alternador produciendo electricidad para cargar la batería y suministra la necesaria para el funcionamiento del automóvil y sus equipamientos eléctricos
  • Como la electricidad ha de circular para el funcionamiento se necesitan dos bornes, de salida positivo + y de retorno negativo – en la batería y los componentes eléctricos
  • Entre la salida de la electricidad por el borne + de la batería y su retorno al borne – ha de ser consumida por elementos eléctricos, que de forma didáctica, reducen la velocidad de circulación de la electricidad
  • Si no hubiese consumidores en el recorrido, toda la electricidad pasaría a inmensa velocidad del + al – lo que provocaría un cortocircuito, esto se evita con los fusibles
  • Se representan en la imagen los dos grupos de cableado, que ya hemos adelantado
  • El + en rojo desde este borne de la batería a cada elemento eléctrico
  • En negro otro cableado desde cada elemento al borne – de la batería
  • El cableado necesario para el sistema eléctrico es doble para todos los elementos del sistema eléctrico; desde el borne + y retorno al borne – lo que, además de coste supone espacio, complejidad y riesgo de más incidentes

Como vamos a ver, hay una solución teniendo en cuenta que la carrocería del automóvil es metálica y la tensión del circuito eléctrico de 12V (voltios) no implica riesgos para las personas.

Circuito eléctrico con dos cableados desde la batería; del borne + y de retorno al borne –

Circuito eléctrico con cableado desde el borne + de la batería y retorno al borne – por “masa”

Con la imagen de partida anterior se representan algunos cambios en el circuito eléctrico:

  • De los elementos representados identificamos los siguientes que ya conocemos y también sus funciones; batería, motor de arranque, alternador, dos cajas de fusibles y el cableado del borne + de la batería a cada elemento eléctrico, en rojo
  • El cableado del borne – de la batería a cada elemento eléctrico se sustituye por la “masa” M, en negro, esta es la explicación:
    • La estructura de la carrocería del automóvil es metálica, en su totalidad o la estructura interna al menos
    • El metal es excelente conductor de electricidad, lo que permite transmitir el paso de la corriente como si fuese un cable
    • La tensión de 12V de la batería no supone riesgos para las personas, pues no llega a valores que pudiesen implicar lesiones
  • Se puede utilizar la estructura metálica de la carrocería como uno de los cableados, generalmente el negativo –, de esta forma no sería necesario el cableado de retorno a la batería
  • El borne – de la batería se conecta a un punto próximo de la carrocería, mediante un trenzado, cable grueso o similar que asegure buena conexión
  • Y se hace lo mismo con cada elemento eléctrico, por grupo o independientemente
  • Al conectar la salida de corriente de los elementos eléctricos en puntos muy próximos de la carrocería se asegura el retorno de corriente al borne – de la batería
  • Ya se ha comentado que algunas marcas utilizan la conexión a masa a la inversa, es decir el +; el resultado es el mismo, prescindir de un tramo de cableado
  • Hay un solo grupo de cableado desde el borne + de la batería a cada elemento eléctrico, lo que permite menos material, más espacio y menos posibilidad de incidentes
  • El retorno al borne – se hace por la carrocería del automóvil es la “masa” M, es decir, por la estructura del coche circula electricidad a 12V
  • En la imagen didáctica se aprecia que solamente hay cableado a cada elemento eléctrico desde el borne + de la batería, rojo, el borne – de esta se conecta a masa M y también las salidas de corriente de cada elemento eléctrico, retornando la electricidad a la batería por la carrocería, es la masa M

Como complemento de información incluimos un enlace con las soluciones para evitar las consecuencias de que en accidentes el cable de + del motor de arranque, por el que circula mucha cantidad de electricidad (intensidad), entre en contacto con la carrocería –, pues haría falta un fusible de gran sección lo que implica que su protección sería bastante limitada.

Circuito eléctrico con cableado desde el borne + de la batería y retorno al borne – por “masa”

Circuitos eléctricos en el automóvil de propulsión eléctrica (también híbridos); de servicio y propulsión

Si la propulsión de un automóvil es eléctrica, total o parcialmente (híbridos) hay dos circuitos eléctricos diferenciados, el de servicio a 12V, que hemos explicado, y el de propulsión.

En la imagen se ve un automóvil eléctrico con baterías de propulsión y esto es lo que se representa:

  • Baterías de propulsión:
    • Son la que aportan energía eléctrica a un motor (o más) que desplaza el automóvil
    • Estas baterías tienen ± 400V, pudiéndose llegar a 800V
    • En los híbridos según su tecnología puede ir de 48V a ± 240V
  • Motor eléctrico de propulsión:
    • Con tensión (voltaje) según las baterías que le suministran electricidad, en la imagen se indica ± 400V
    • Desde el motor eléctrico de propulsión el movimiento pasa a las ruedas motrices por la transmisión sin necesitar caja de cambios, hay habitualmente una sola relación de transmisión
  • Circuito eléctrico de servicio de 12V
  • Masa del circuito de servicio de 12V en la carrocería del automóvil
  • Cableado eléctrico de propulsión por el que pasa la tensión que mueve total o parcialmente el automóvil, como se ha comentado; 48V, 240V, 400V …
  • Control electrónico de propulsión; gobierna el tránsito de la energía de propulsión a las ruedas motrices según el sistema del automóvil, eléctrico o híbrido … gestionando la alta tensión de propulsión representada por ± 400V
  • Cargador
    • En la propulsión eléctrica con baterías y también híbridos enchufables (“plug in”), las baterías de propulsión se recargan, además de en retenciones, en la red eléctrica, para lo que el automóvil dispone de un cargador que puede trabajar con 230V de corriente alterna de la red, que transforma en continua para cargar las baterías de propulsión
    • También hay sistemas que permiten cargarlas más rápidamente con corriente alterna o continúa de más capacidad de carga
    • Las cargas rápidas implican más fatiga para las baterías de propulsión

Detalles de los dos circuitos representados en este automóvil eléctrico con baterías de propulsión:

  • Tiene un circuito de servicio de 12V similar al tradicional con su batería y masa en la carrocería
  • Es para las funciones eléctricas habituales del automóvil no relacionadas con la propulsión eléctrica
  • El sistema de propulsión eléctrica es de ± 400V lo que supone riesgos para las personas y no puede aplicarse el concepto de masa en la carrocería, pues implica daños físicos que pueden ser importantes
  • Por lo tanto hay dos grupos de cables; salida + y retorno –
  • Los cables y el circuito de propulsión (± 400V) se identifican por fundas en color naranja que no se han de tocar sin la adecuada acreditación, que se obtiene mediante formación
  • Este formato se utiliza también en los automóviles híbridos, con un circuito convencional con masa de servicio a 12V y el circuito de propulsión de alta tensión con sus cables en fundas de color naranja
  • No se han de tocar ni manipular los circuitos de color naranja en ningún caso si hay incidentes en el automóvil, excepto por especialistas

Circuitos eléctricos en el automóvil de propulsión eléctrica (también híbridos); de servicio y propulsión

La tendencia a prescindir del motor que emite CO2 al circular hace que la propulsión eléctrica en el automóvil sea la solución de movilidad; con baterías para uso urbano y recorridos medios predeterminados y la pila de combustible de hidrógeno para todo uso incluido viajes.

Hasta que se consoliden estas dos soluciones el automóvil convivirá con transiciones que emiten menos CO2, híbridos de diferentes sistemas (asistencia, enchufable) combustible sintético, biocombustibles y otras opciones.

En este enlace se puede ver como se inicia la marcha el automóvil con distintos sistemas de propulsión.

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