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El cambio de tecnología exigirá una adaptación drástica del diseño y fabricación del sistema de tracción

El coche eléctrico y el cambio en los procesos de fabricación

Charles Pinto, Asier Zubizarreta, Itziar Cabanes, Andoni Olozaga, Sara Mata y Javier Corral. Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao08/02/2013
El mundo de la automoción se encuentra actualmente en un punto de inflexión. La cada vez mas estricta regulación medioambiental y de eficiencia energética, encarecimiento de los combustibles fósiles y la necesidad de los países de disponer de una independencia energética están forzando a los fabricantes a mirar hacia un futuro en el que los sistemas eléctricos se vislumbran como la alternativa. No son pocos los que auguran, para un futuro no tan lejano (2030) un parque automovilístico donde la mayoría de vehículos son eléctricos (VE). Prueba de ello lo constituyen la variedad de vehículos híbridos (HEV) que se publicitan estos días en los medios de comunicación y que constituyen el paso intermedio a un futuro totalmente electrificado.

Se podría pensar que el salto de un sistema de tracción basado en un motor de combustión interna (IC) a un sistema de tracción eléctrico es relativamente simple. Desde el punto de vista externo, un vehículo eléctrico apenas se diferencia de uno de combustión (Figura 1). Internamente, el cambio implica la sustitución de este subsistema del vehículo, lo que constituye el 20% del total. La mayoría de subsistemas, por lo tanto, apenas sufren modificaciones y permiten reutilizar los componentes actuales.

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a) VE b) IC. Figura 1. Formula Student Bizkaia

Sin embargo, el considerar que el cambio de tecnología únicamente afecta a los fabricantes de motores es un error, dado que su extensión es mucho más amplia. La importancia del transporte privado en la sociedad hace que este cambio afecte a casi todos los aspectos relacionados con el mundo de la automoción, incluyendo a fabricantes, proveedores, garajes, estaciones de servicio, organismos reguladores y, evidentemente, a la propia sociedad.

La electronificación del vehículo privado

Desde el punto de vista del fabricante de vehículos, el cambio de tecnología exigirá una adaptación drástica del diseño y fabricación del sistema de tracción. El know-how de los fabricantes está concentrado en unos motores de combustión interna que nada tienen que ver con el masificado mundo de los motores eléctricos y el emergente mundo de los sistemas de almacenaje de energía mediante células de combustible o baterías. El salto tecnológico, al que los fabricantes se están asomando mediante las tecnologías de vehículos híbridos requiere el reaprendizaje de estas nuevas tecnologías, con el fin de lograr diseños que garanticen un rendimiento y calidad similar al ofrecido por los vehículos de combustión.

La adecuación de estos diseños, cuyos primeros pasos se están viendo con prototipos —Renault Twizy, Vito E-Cell y E-Cell Crewbus, Peugeot Partner y Citröen Berlingo eléctrica, furgoneta eNV200 de Nissan, Altea XL Electric Ecomotive 100% eléctrico y León TwinDrive Ecomotive híbrido enchufable de Seat, lo que convierten a España en un ejemplo industrial a nivel mundial en movilidad eléctrica—, implica un cambio de enfoque respecto al de combustión, la culminación de una tendencia que es patente en la automoción: la ‘electronificación’ del transporte privado. Los vehículos híbridos y eléctricos, por diseño incluyen un número elevado de componentes electrónicos que representan hasta el 30% del coste total del vehículo, esto es, el incremento del número de sistemas electrómecánicos respecto al número de sistemas puramente mecánicos en el vehículo. En un futuro, y debido a la fácil integración electrónica de los vehículos eléctricos, los sistemas X-by-wire, como la dirección electrónica (steer-by-wire) o la tecnología de motores-en-rueda (in-wheel) eliminarán elementos mecánicos como la transmisión o la columna de dirección, reduciendo notablemente el peso de los elementos mecánicos en el vehículo.

Esta reducción del número de elementos mecánicos en los futuros vehículos repercutirá directamente en los proveedores de piezas y recambios del sector, con una previsible reducción significativa de pedidos relacionados con el mecanizado de metales (culatas, válvulas, pistones) y un incremento en las necesidades de piezas relacionadas con los sistemas electromecánicos y electrónicos del vehículo. Por ello, las empresas de mecanizado del sector se verán forzadas a adaptarse a las nuevas necesidades mediante la diversificación de mercados, la especialización o la adaptación a la fabricación de los nuevos componentes que requiere esta tecnología.

Nuevos materiales: cuando el peso importa

A pesar de la reducción de subsistemas en algunos modelos de vehículo eléctrico, lo cierto es que, en la actualidad, los vehículos eléctricos presentan, en comparación con sus equivalentes de combustión interna, un peso total significativamente superior (IC = motor 100 kg, gasolina 50 kg, EV=motor 50 kg, baterías 150-250 kg).

El principal factor de incremento de peso en un vehículo eléctrico es el sistema de almacenaje de energía: las baterías. La tecnología de baterías, aunque en continuo avance, todavía presenta tasas de densidad energética muy por debajo del rendimiento de la gasolina o el gasoil (de oreen de 12 kWh/kg). Lo que implica que para lograr la misma energía que proporciona un kilogramo de gasolina, se requieren 25 kg de baterías. Esto implica que para lograr la misma autonomía sería necesario incrementar el peso de un vehículo eléctrico respecto al de combustión en una cantidad inviable o poco rentable.

El sistema de baterías se presenta, por tanto, como la mayor tara del vehículo eléctrico en la actualidad. Existe un gran campo de investigación abierto en este aspecto, con continuos avances y la introducción de nuevos materiales como el grafeno, en el que los fabricantes especializados de baterías están trabajando. Sin embargo, incluso con el incremento de la densidad energética de las baterías y su reducción de peso, los fabricantes se encuentran con la necesidad de reducir el peso global del vehículo eléctrico con el fin de mantener unas buenas prestaciones dinámicas e incrementar la autonomía del vehículo.

Con el fin de lograr este objetivo se requiere de la utilización de nuevos materiales más ligeros que el acero, y que, además, cumplan con las características aislantes que se exigen a los vehículos eléctricos. El plástico es uno de los materiales que más se ha utilizado en la última década en elementos no estructurales de los vehículos, con vehículos (SMART) con un elevado porcentaje de uso de este material. Sus características aislantes lo hacen muy interesante en el caso de los vehículos eléctricos, junto con el uso de otros materiales como los composites o las fibras de carbono, basalto o vidrio.

Redefiniendo los elementos de seguridad

Otro reto al que se enfrenta el sector en este cambio tecnológico es el de la seguridad de los nuevos sistemas de tracción. Aunque la electricidad forma parte de nuestro día a día, las tensiones e intensidades que se requieren para obtener unas buenas prestaciones dinámicas en un vehículo eléctrico son elevadas y entrañan riesgos si no se incluyen elementos de seguridad adecuados.

Por ello, la normativa de seguridad en vehículos eléctricos es mucho más estricta que la de los vehículos de combustión, existiendo decenas de elementos de seguridad que permiten desconectar el sistema de tracción ante cualquier percance: sensores de choque, detectores de fugas, sensores de temperatura, … Desde el punto de vista del sistema de control, el vehículo eléctrico requiere de un incremento notable en la sensorización, con unidades duplicadas, o triplicadas, en ocasiones, para garantizar una lectura redundante que proporcione mayor seguridad (acelerador drive-by-wire o columna de dirección steer-by-wire?).

De igual modo, en la propia fabricación y ensamblaje del vehículo eléctrico hay que considerar nuevos aspectos de seguridad que incluyen los riesgos eléctricos del proceso. Especialmente crítico es el montaje y ensamblado del sistema de baterías, dado que no es posible realizarlo sin tener el sistema desenergizado. Este proceso requiere de personal especializado y la utilización de herramientas aislantes que garanticen un montaje seguro.

La electrolinera, el taller electromecánico y la EV-escuela

El cambio que supone la masificación de los vehículos eléctricos en las infraestructuras derivadas del sector es importante: las gasolineras, con su sistema logístico de transporte de gasolina verán su demanda notablemente reducida, mientras que se requerirá de otro tipo de infraestructuras para facilitar la carga de los nuevos vehículos.

Este aspecto es uno de los temas más debatidos e investigados en la actualidad, con propuestas de numerosas empresas. Independientemente de la forma en la que las nuevas necesidades de energía eléctrica afectarán a la red eléctrica, lo cierto es que el sector del suministro de combustible/energía sufrirá una total reconversión en los años venideros, con necesidades de personal formado en aspectos eléctricos, nueva maquinaria de suministro con componentes principalmente electrónicos y la eliminación del sistema logístico actual.

Es más, las necesidades de formación y utillaje especializado se trasladarán también a nuestro taller de confianza. Las particularidades de los vehículos eléctricos en cuanto a seguridad y la reducción de los sistemas mecánicos reducirá las revisiones debidas al desgaste de elementos, e incrementará las de los propios sistemas de control, seguridad y tracción eléctrica. El propio vehículo gestionará, en muchos casos, la necesidad de revisiones y la detección de fallos en el vehículo, indicando el elemento a sustituir. De este modo, los tradicionales talleres mecánicos se convertirán en talleres electromecánicos, en los que aquellas revisiones o reparaciones asociadas al sistema de tracción requerirán de personal con perfil eléctrico y electrónico acreditadas por el propio fabricante. Cabe destacar la falta de adaptación a los vehículos eléctricos del proceso de verificación obligatorio como es la Inspección Técnica de Vehículos (ITV).

Por último, los propios usuarios de los nuevos vehículos, los conductores, necesitarán adaptarse al nuevo tipo de conducción que requieren estos. Los sistemas electrónicos de ayuda a la conducción, la ausencia de cambio de marchas y embrague y el par continuo que proveen los motores eléctricos ofrecen una experiencia de conducción diferente a la que ofrecen los vehículos de combustión, con lo que las autoescuelas tendrán un papel fundamental en la reeducación.

El vehículo eléctrico: nuevos retos, nuevas oportunidades

Es evidente que la adopción de la tecnología eléctrica en los vehículos constituye un cambio que va más allá de la mera sustitución del sistema de tracción. Los nuevos retos a los que se enfrentan los fabricantes y proveedores requerirá la definición de nuevos procesos de fabricación y ensamblado, la adopción de nuevos materiales no conductores, la introducción de nuevas medidas de seguridad que no podrán ser extrapolados desde las tecnologías basadas en motores de combustión.

En este proceso de transición, el sector de la automoción sufrirá una ‘electronificación’, donde elementos tradicionalmente mecánicos desaparecerán, siendo sustituidos por otros dispositivos que plantearán nuevos retos de diseño y fabricación, nuevas herramientas, utillajes y necesidades de formación. Nuevas oportunidades emergerán en los ámbitos del suministro energético, del desarrollo de baterías y de dispositivos de ayuda a la conducción.

Y la consecuencia final de esta transición será un futuro donde los vehículos eléctricos no sólo habrán cambiado la forma de actuar las ruedas del coche, sino que habrán cambiado por completo la forma de entender el vehículo privado en sí.

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