Autos eléctricos: ¿cómo funciona el motor y la batería?
Así es como trabajan los dos elementos claves de un vehículo eléctrico.
En un tiempo comparativamente corto, la electromovilidad ha dado un salto técnico significativo, y muchos fabricantes ahora se han puesto al día para competir contra Tesla en esta área.
Bastaron menos de 10 años para lograr rangos realistas de más de 400 kilómetros y una buena tecnología de carga rápida, incluso las largas distancias son posibles hoy en día.
Ahora bien, debido a que los automóviles con motores de combustión funcionan de una manera diferente a los eléctricos, se requiere una nueva comprensión técnica.
Su funcionalidad básica se puede explicar bastante bien usando los componentes específicos. Al hacerlo, se descubren muchas fortalezas, como la alta eficiencia energética, pero también debilidades que aún deben resolverse en el futuro desarrollo de la movilidad eléctrica.
¿Cuál es la diferencia con un auto a gasolina?
A diferencia de un auto de combustión donde el núcleo es el motor, en un auto eléctrico el corazón es la batería, que va acompañada de otros componentes como el motor o motores eléctricos, la electrónica de potencia y los sistemas de refrigeración y gestión de la temperatura. De igual manera, la dirección, los frenos y el aire acondicionado funcionan eléctricamente.
Específicamente, la batería equipa un “cerebro” denominado como sistema de gestión, mismo que se encarga de conocer el estado de la batería, así como de regular los procesos de carga y el rendimiento durante el funcionamiento.
Por lo regular, la batería se sitúa en la parte baja de la carrocería entre los ejes, mientras que el motor eléctrico y la electrónica de potencia en el eje delantero y/o trasero. Esta arquitectura bajo el piso garantiza un centro de gravedad bajo y permite un mejor uso del espacio que los vehículos con motores de combustión. Además, el espacio entre los ejes es el lugar más seguro en caso de accidente.
¿Cómo trabaja el motor eléctrico?
Aunque no lo parezca, el motor eléctrico ya estaba patentado en 1837/38. Desde entonces, se ha utilizado en innumerables áreas de la industria, el comercio y la movilidad (ferrocarriles eléctricos). Y demostró ser la máquina de accionamiento ideal, ya que es extremadamente eficiente en el manejo de la energía: confiable, de bajo desgaste, casi silenciosa y sin vibraciones.
Con un motor eléctrico, todo el torque está disponible en un amplio rango de velocidades desde el principio. Por esta razón, una caja de cambios con una relación fija (generalmente solo una marcha) es suficiente para la mayoría de las aplicaciones.
En particular, la comodidad de conducción es silenciosa, sin cambios de marcha, sin vibraciones y con una capacidad de aceleración eficaz en todo momento. Desde un punto de vista físico, un motor eléctrico funciona con una eficiencia de más del 90% y tiene pocas pérdidas en forma de calor o fricción.
Debido a que los motores eléctricos son silenciosos, los peatones experimentan “momentos aterradores”, por ejemplo, en estacionamientos o en áreas de tráfico calmado. Por lo tanto, desde mediados de 2019, los nuevos automóviles eléctricos deben estar equipados con un generador de sonido de serie, que produce un ruido artificial (de advertencia) a velocidades de hasta 20 km/h.
Desde luego que el gran reto y, al mismo tiempo, la razón por la que el motor eléctrico no podía prevalecer sobre el motor de combustión interna para su uso como motor de tracción en los vehículos a motor a principios del siglo XIX era el almacenamiento de energía en un rango aceptable; esto se logró décadas después con las baterías de iones de litio.
¿De qué manera trabaja la batería?
En un auto eléctrico, los requisitos más importantes para la batería son alta densidad de energía y potencia (importante para el rendimiento de conducción), así como seguridad y funcionalidad a un costo aceptable.
Casi todos los fabricantes y proveedores de vehículos se están concentrando actualmente en la batería de iones de litio, ya que es la que mejor cumple con los requisitos y también tiene potencial de desarrollo. Las primeras baterías de estado sólido en automóviles se pueden esperar a partir de 2025.
Las baterías de iones de litio se caracterizan por una alta estabilidad de ciclo (carga/descarga) y una vida útil comparativamente larga. Por lo tanto, han sido equipo estándar en pequeños dispositivos eléctricos como teléfonos celulares, computadoras portátiles y herramientas inalámbricas durante décadas.
A diferencia de las baterías de iones de litio instaladas allí, las baterías que se utilizan en los autos eléctricos tienen una gestión térmica sofisticada para alargar la vida útil de las celdas. Por un lado, se asegura que las celdas no se sobrecalienten y, por otro lado, controla la temperatura y la potencia de salida cuando hace frío para que las celdas no se dañen.
Si la batería no se mantiene dentro de un cierto rango de temperatura (alrededor de 10 a 40 °C), no se sentirá bien, no podrá funcionar bien o incluso se dañará. Cada celda es monitoreada por el sistema de gestión de batería y sensores con respecto a su voltaje, corrientes y temperaturas.
Estas celdas de batería están disponibles en tres diseños comunes: redondas, prismáticas (rectangulares) o como una celda de bolsa, comparable a un paquete de café aspirado. También hay diferentes características químicas de celda, que también tienen diferentes fortalezas y debilidades en términos de densidad de energía, capacidad de carga rápida y densidad de potencia, estabilidad del ciclo (vida útil), seguridad, comportamiento de temperatura, materias primas o costos.
Es importante saber que el tamaño de la batería y su contenido de energía se especifican de dos maneras: el contenido de energía total (bruto) o el contenido de energía realmente utilizable (neto).
Otro aspecto importante es la posible velocidad de carga, especialmente en distancias más largas. Con capacidades de carga de 150 kW se asegura que las etapas de viaje sean significativamente menos prolongadas. Existen autos que se pueden recargar con una autonomía de más de 300 kilómetros durante 20 minutos.