Infodatnet: El reto de la batería de 290 kilos: cómo se plantea un ingeniero el diseño de un vehículo eléctrico

Brand Article - Contenido de nuestro espacio de marca

Un día un ingeniero de una conocida fábrica de coches recibió esta orden: “cree un coche tan barato que lo puedan comprar los mismos operarios que los fabrican”. En otra ocasión y con otros actores: “cree un coche de cuatro plazas que pueda llevar una cesta de huevos sin romperse, conducido sobre un sembrado por un granjero con sombrero”. Otra: “cree un coche que pueda chocar de frente con otro coche igual a 50 km hora y sus ocupantes no sufran daños graves”. “Cree un coche que consuma menos de 3 litros a los 100”. Fabricacion

Todas son órdenes ciertas, y todas se han cumplido con éxito. La historia del automóvil tiene numerosos casos resueltos. Otros tantos habrán fracasado aunque obviamente esos son más difíciles de conocer. El resto están aún encima de la mesa como el “hagan un coche que no necesite conductor” o “ hay que hacer un turismo eléctrico con más de 300 km de autonomía”.

En ocasiones las revoluciones tecnológicas nacen de peticiones dirigidas a los ingenieros. A menudo estas demandas buscan un fin preciso sin haber ponderado antes los medios y podrían parecer "iluminaciones" de un directivo obsesionado con las ventas. Pero lo cierto es que si caen en un equipo capacitado y no son demasiado rocambolescas, estas peticiones pueden llegar más allá y suponer hitos tecnológicos que cimentarán el futuro de un sector.

El punto de partida en la creación de un vehículo

Aunque el vehículo eléctrico en sí mismo presenta retos técnicos básicos que realmente no son tan complejos de superar como los casos comentados, sí presenta algunas particularidades que cambian el enfoque en su creación con respecto al vehículo térmico, como lo es la implementación de las baterías.

Algunas especificaciones básicas o puntos de partida para la creación de un nuevo modelo de coche pueden ser el tamaño o segmento al que va a pertenecer: desde miniutilitario a gran berlina de representación. El tipo de carrocería: berlina, monovolumen, todocamino; la máxima potencia prevista, etc. De estos y otros parámetros deriva uno que es la base de partida para el diseño de todas las piezas mecánicas y estructurales: la masa del vehículo y de su carga.

La masa lo es todo

Motor El diseño y cálculo de todos los componentes mecánicos y estructurales del coche, carrocería, suspensiones, frenos y demás, depende de las fuerzas que tengan que soportar y éstas son producidas directamente por las masas. A mayor masa, tanto de la carga como del propio vehículo, más resistentes deberán ser todos los componentes porque las fuerzas se transmiten en cadena a lo largo de todas las piezas. Hacer más resistente una pieza generalmente implica hacerla engordar, añadiendo a su vez más masa al conjunto. Esto hace necesario un proceso iterativo para dar con el diseño final.

Veamos un ejemplo para entender por qué una carga cualquiera puede afectar a todo el coche. Durante una frenada la maleta colocada en el maletero empujará al respaldo, el cual, gracias a esta fuerza, evita que la maleta invada el habitáculo de pasajeros. El respaldo a su vez empujará al chasis sobre sus puntos de anclaje, que a su vez empujará los brazos de suspensión, que a su vez empujan a las ruedas. Se llama fuerza de inercia y será directamente proporcional a la masa de dicha maleta, es decir, si la maleta pesa 20 kg las fuerzas serán el doble que si pesara 10 kg. También tienen lugar durante las aceleraciones, los baches, las curvas y… los impactos.

El peso de la autonomía en un vehículo eléctrico

En un vehículo eléctrico la autonomía tiene una influencia muy directa en la masa del coche. En un utilitario térmico necesitaremos 7 kg de gasolina para conseguir una autonomía de 150 Km. Por el contrario, contando con la tecnología actual de baterías, un utilitario eléctrico similar necesita cargar nada menos que con 300 Kg de baterías. Hay que añadir además el aumento de peso de buena parte de las piezas mecánicas y estructurales, para reforzarse y poder soportar esas mayores fuerzas de inercia, como hemos explicado en el párrafo anterior. Quizá por ello tengamos que sumar otros, aproximadamente, 100 kg extra.

Teniendo en cuenta que un utilitario térmico actual suele pesar alrededor de 1.000 Kg, debemos suponer que ese engorde eléctrico hasta los 1.400 Kg no es un asunto menor, visto que la batería y su instalación suponen un 30% del peso total del coche. Además, en un turismo utilitario al que se le exige ubicar a cinco personas y equipaje no le sobra precisamente mucho espacio para albergar ese volumen importante que ocuparían las baterías: otro problema.

Una cantidad de batería razonable

Bateria

Quizá el punto de partida para los ingenieros sea este: debe maximizarse la autonomía y para esto, tratarán de instalar en el coche el mayor volumen y peso de baterías que razonablemente el vehículo pueda aceptar.

Una vez que se establece qué cantidad de batería hay que instalar, el ingeniero se pregunta primero en qué espacio ubicarlas y segundo, qué hacer para que el coche pueda cargar con ese peso extra con un correcto comportamiento dinámico.

En cuanto al espacio, no podemos ocupar el destinado a los 5 pasajeros, ni al maletero, ni del motor, claro. Además, no podemos colocarla demasiado expuesta a impactos.

En cuanto a pesos, las premisas serán mantener el centro de gravedad bajo, repartir los pesos lo mejor posible entre los dos ejes y minimizar los momentos de inercia del vehículo. Traducido al lenguaje de la calle, que el coche al conducirse tenga agilidad y seguridad y no dé sensación de sobrecarga, que podría manifestarse en inclinación de la carrocería en curva y en lentitud de reacciones. Para conseguir unas cualidades dinámicas ideales, toda la masa de las baterías debería estar aproximadamente bajo la palanca del freno de mano y tener el tamaño de una naranja, pero evidentemente esto no es posible

Para conseguir unas cualidades dinámicas ideales, toda la masa de las baterías debería estar aproximadamente bajo la palanca del freno de mano y tener el tamaño de una naranja, pero evidentemente esto no es posible.

La solución estaba bajo el asiento

La solución técnica que parece se está estandarizando es la de ubicar las baterías de tracción bajo el piso del coche en buena parte de la superficie del habitáculo. También se utiliza el espacio al que antes estaba destinado al depósito de combustible: bajo el asiento trasero. En cuanto a espacio, inevitablemente el coche deberá ser más alto de lo que necesitaría si fuera térmico dado el espacio ocupado por las baterías en el piso. Hay modelos a los que estéticamente les llega a afectar y exhiben unas proporciones quizá deliberadamente peculiares, vestidas de un aire futurista. Otros se deciden por un aspecto estilizado eligiendo en su lugar dar un aire de normalidad y armonía, como el Renault ZOE.

Gestión dinámica

Estabilidad

Esa masa extra, 290 Kg en el caso de un modelo de gran autonomía como el Renault ZOE, equivale al peso de 5 personas y es de suponer que el empeño de los ingenieros será el de mantener un comportamiento ágil en aceleración, frenada y curva o, si es posible, mejorarlo con respecto al de sus rivales térmicos. Esto va a repercutir en el diseño de muchos elementos, buscando optimizar carrocería, suspensiones, frenos, ruedas, transmisión y dirección.

La carrocería, en su función estructural, deberá reforzarse convenientemente para poder absorber el mayor peso, manteniendo así la rigidez necesaria para una correcta estabilidad dinámica. Los nuevos repartos de pesos y centro de gravedad hacen necesaria un rediseño de las geometrías de suspensión y dirección, unos resortes, amortiguadores y barras estabilizadoras con especificaciones para mayores cargas.

En cuanto a neumáticos, el mayor peso del vehículo puede hacer necesario un aumento de anchura de estos, lo que haría disminuir la autonomía por la menor eficiencia de los neumáticos anchos. Sin embargo, la limitada velocidad máxima y la necesaria filosofía de conducción tranquila, unido al desarrollo por parte de fabricantes como Michelin de neumáticos específicos supereficientes, hace posible contener la anchura de rueda de los utilitarios eléctricos de última generación, a unos lógicos 185 ó 195 mm.

En algunos aspectos el vehículo eléctrico sale beneficiado. En un vehículo térmico de tracción y motor delanteros, como casi todos los turismos actuales, el reparto de pesos está algo descompensado: cargan mucho más sobre el eje delantero, cuando lo ideal sería que estuvieran igualados. La potencia de frenada del eje trasero queda por esto limitada. También ocurre que en curvas pronunciadas la tendencia es de ser subviradores, giran menos de lo que les manda la dirección.

Sin embargo, en un vehículo eléctrico su motor pesa menos y además, cuenta con una masa importante de baterías sobre el centro del vehículo y sobre el eje trasero, cerca de la calzada. El comportamiento en curva y la potencia de frenada se ven, en consecuencia, favorecidos por el mejor reparto de masas entre los dos ejes, así como por la más baja ubicación del centro de masas o de gravedad y por unos momentos de inercia mejorados, al quedar buena parte de las masa en la zona central del coche.

Equilibrio confortable

¿Afecta al confort ese incremento de masa? La respuesta es sí, y positivamente. Todos hemos notado que cuando vamos en una carretera bacheada nuestro coche se vuelve más confortable cuanto más cargado esté. También hemos notado que cuanto más grande sea un coche —en general— mayor es la suavidad de las suspensiones sobre irregularidades del firme. Puede decirse que un vehículo podrá absorber con más suavidad estas irregularidades cuanto mayor sea su masa permanente, y hay que decir que en esto el vehículo eléctrico sale beneficiado.

El resultado general es que al viajar en un coche eléctrico se tiene la sensación, por su comportamiento y confort de suspensiones, de estar viajando en un coche más pesado y equilibrado. Con más aplomo, como suele decirse.

¿Un eléctrico con seguridad “best in class”?

Hay un aspecto que va a quedar especialmente influenciado por esa importante masa de las baterías: los refuerzos de la estructura de la carrocería para mantener la máxima calificación en seguridad en caso de impactos. Los 300 kg extra ubicados en el habitáculo de los pasajeros, más el incremento de masa para su correcta sustentación, generan un incremento proporcional de fuerzas de inercia en caso de impacto. La carrocería, pues, deberá reforzarse para mantener su seguridad pasiva inalterada. Ese incremento de masa del 40% va a hacer necesario reforzar proporcionalmente las zonas de deformación controlada, morro y maletero, que al deformarse actúan de colchones salvavidas. Así como el habitáculo deberá reforzarse para, al contrario, mantenerse indeformable. Crashtest

El resultado es que, si el fabricante hace los deberes, el coche eléctrico mantiene la misma seguridad en caso de choque que los térmicos. Renault, por ejemplo, sitúa a su urbano eléctrico ZOE en el podio de más seguros ante impacto, según las calificaciones de Euro NCAP y a la altura de los mejores térmicos. Este organismo independiente publicó la clasificación 2013 de los modelos “best in class” en términos de seguridad, nombrando a Renault ZOE como el mejor en la categoría “supermini”. Este reconocimiento, que se suma a la clasificación máxima de cinco estrellas conseguida en marzo de 2013, es una garantía para los clientes de ZOE y reconoce la labor de los ingenieros de Renault en materia de seguridad.

También hay que decir que hay una ventaja, involuntaria en este caso, en un hipotético choque con otro vehículo: cuanto más pesado seas respecto al contrario, menos daños te causarán, siempre que el fabricante de tu vehículo haya hecho un correcto trabajo en materia de seguridad, claro.

Otro aspecto de seguridad importante en caso de choque, es que la batería es un elemento igual de sensible que un depósito de carburante. Por eso, ha estado en el punto de mira de los de los ingenieros en materia de seguridad. Su cárter debe ser reforzado para mantener la integridad de sus módulos en caso de accidente, así como el recorrido e instalación de los cables. Las baterías así mismo deben ser sometidas a todo tipo de tests de para demostrar su conformidad a los requisitos de seguridad. Tests de fuego, inmersión, combustión, sobrecarga eléctrica, cortocircuitos,compresión, impactos, penetración de aguja. Este último pone a prueba la reacción ante cortocircuito interno mediante la penetración de un objeto metálico. En general, todos demuestran que la energía almacenada en la batería no va a liberarse en forma de fuego o explosión en ningún caso.

Después de los crash test en un vehículo eléctrico seguro, la batería resulta intacta y, como medida de precaución, se lleva a cabo una orden inmediata de corte de corriente desde un disyuntor automático.

Cuando una innovación se normaliza

Se han introducido infinidad de innovaciones importantes a lo largo de la historia del automóvil, muchas de ellas acompañadas de grandes interrogantes y la sombra del “no funcionará”. Sin embargo, muchas de ellas también han supuesto hitos tecnológicos y grandes éxitos comerciales que han compensado con creces los esfuerzos técnicos. Nadie apostaba en su momento por el motor diésel que, tras su invención, tardó muchos años en popularizarse en los automóviles, superando problemas de bastante complejidad técnica. Otro caso fue la tracción delantera, por los problemas que planteaba. Excepto André Citroën, nadie veía suficientes ventajas como para lanzarse a esa aventura que finalmente quedó plasmada en un exitoso modelo, el Citroën Traction Avant de 1934 (en España Citroen 11), que además fue también el primer vehículo con carrocería autoportante (chasis y carrocería unidos en el mismo conjunto soldado).

Finalmente en 1959, el Mini nació y es considerado el primer coche moderno gracias a la idea de la tracción delantera, carrocería autoportante y motor transversal, un “todo delante" optimizado, en el que ni siquiera creían los directivos de la BMC. Ahora el 95% de los turismos siguen la misma arquitectura que el Mini por sus grandes ventajas.

Estos casos presentaban retos técnicos superiores a los retos que plantea el vehículo eléctrico y se podrían nombrar muchos otros.

Es un hecho objetivo que un coche eléctrico de última generación, como el Renault ZOE, se encuentra en un estado de desarrollo tecnológico que ya puede considerarse como maduro y listo para su popularización. Prueba de ello es la satisfacción de muchos usuarios del vehículo eléctrico en el uso diario lo que demuestra la superación del reto tecnológico.

Encontrarás más información sobre el coche eléctrico en la publicación especializada de Renault, Corriente eléctrica.