Hoy día somos testigos de cómo la mayoría de los fabricantes de automóviles están electrificando con técnicas cada vez más sofisticadas los sistemas de propulsión de los vehículos. En consecuencia, nuevas terminologías han aparecido para denominar estos vehículos en función de su grado de electrificación: micro-híbridos, semi-híbridos, híbridos puros e híbridos enchufables.
En este artículo voy a tratar de explicar de manera directa y detallada por qué los fabricantes de automóviles han elegido el camino de la electrificación y no otros caminos como el hidrógeno, el gas natural, el aire comprimido o seguir puliendo las técnicas para quemar combustibles fósiles. Doy por sentado que estamos en un contexto mundial de alerta climática donde el objetivo primordial es evitar el calentamiento global a base de reducir las emisiones de dióxido de carbono que provocan el efecto invernadero. Esto supone un futuro abocado a afrontar el desafío que supone el cambio del modelo energético en la movilidad del mañana: la movilidad sostenible, que viene de la mano de la eficiencia energética.
Previamente explicaré las razones tecnológicas por las que los fabricantes deben de mejorar la eficiencia de los vehículos y después expondré la estrategia de eficiencia de energía que hoy día, en mayor o menor medida, han adoptado todos los fabricantes que pretenden comercializar sus vehículos en Europa.
Razones tecnológicas por las que se mejora la eficiencia de los automóviles.
Durante la última década los fabricantes de vehículos no han dejado de mejorar los equipos y sistemas de sus vehículos con el fin de satisfacer la demanda del mercado y resultar más competitivos en los aspectos tecnológicos que enumero a continuación:
- Sistemas de confort (Instrumentación, iluminación, accesibilidad, arranque, ergonomía, etc.)
- Sistemas de conectividad e infotenimiento, navegación (GPS).
- Sistemas de asistencia avanzada a la conducción, conocidos como sistemas ADAS*
El gran aumento de estos equipos y de los sistemas eléctricos y electrónicos embarcados en el automóvil sin duda tiene un fuerte impacto en el consumo de energía del sistema eléctrico. Un consumo de energía mucho mayor si lo comparamos con el consumo de energía de los automóviles de hace dos y tres décadas, ya que la gran mayoría de estas tecnologías no existían.
*ADAS: Advanced Driver Assist System
Impacto derivado del consumo eléctrico del sistema de infotenimiento y conectividad
Hace más de dos décadas los vehículos únicamente equipaban sistemas de audio, no había pantallas, ni teléfonos móviles que formasen parte del equipamiento del vehículo. Normalmente tampoco había navegadores, ni GPS integrados en el sistema eléctrico de los automóviles. Hoy día todos estos avances tecnológicos están integrados en el equipo eléctrico del vehículo y las pantallas ofrecen múltiples funciones de conectividad e infotenimiento. Cada vez más automóviles equipan equipos de audio y video de alta definición. Todos estos sistemas y equipos integrados representan un consumo de energía mucho mayor que repercutirá en el sistema de generación de energía eléctrica del vehículo provocando que el alternador trabaje más y, a su vez, ejerza un lastre mayor para el motor de combustión. Esto se traducirá en un mayor consumo de combustible y emisiones de CO2.
Impacto derivado del consumo eléctrico de los sistemas de asistencia a la conducción
Hace más de dos décadas los vehículos únicamente equipaban sistemas de control de velocidad de crucero que utilizaban la unidad de control del motor para sencillamente mantener la velocidad constante. No eran ni siquiera controles adaptativos (para eso se necesita un radar o una cámara de vídeo inteligente). Los coches no tenían ni radares, ni cámaras, ni procesadores de imágenes, ni sistemas de inteligencia artificial (IA) que necesitan procesadores de un alto nivel evolutivo. Hoy día la tendencia empujada por la mejora de la seguridad y la competitividad del mercado anima a los fabricantes a equipar sus vehículos con radares frontales y radares de ángulo muerto. Además, se incorporan múltiples cámaras inteligentes ubicadas en distintos lugares del vehículo para divisar todos los ángulos y proporcionar una imagen compuesta de plano cenital, no solamente para los sistemas ADAS, si no también para los sistemas de ayuda al aparcamiento como la visión de 360 grados. Y toda esta información que generan los radares y las cámaras tiene que ser gestionada en tiempos muy cortos para reaccionar y dar respuesta a sistemas de conducción autónoma ADAS de nivel 2 y 3. Para ello se necesita una generación de software muy sofisticada que solamente pueden ser movidos por procesadores de IA de alto nivel evolutivo. Todas estas cámaras, radares y procesadores electrónicos también generan un consumo de energía importante que debe asumir el sistema eléctrico del automóvil, el alternador, el motor de combustión y, por lo tanto, significará un aumento considerable de combustible y emisiones de CO2.
Impacto derivado del consumo eléctrico de las redes multiplexadas
Consecuentemente, al aumentar el equipamiento del vehículo para ofrecer sistemas de confort, conectividad, infotenimiento, navegación y los sistemas ADAS de asistencia avanzada a la conducción, es necesario sofisticar la red eléctrica del vehículo y prepararla para sostener todos estos sistemas. Por lo tanto, el número de centralitas, módulos y unidades de control electrónicas ha tenido que crecer exponencialmente en el vehículo para poder gestionar y controlar todos estos avances. Y no solo ha aumentado la cantidad de unidades de control sino también la red multiplexada, que ha evolucionado hasta alcanzar un nivel de complejidad muy elevado. En definitiva, teniendo en cuenta todos estos puntos, si comparamos un vehículo de hace más de dos décadas con un vehículo actual que equipe todos estos sistemas, nos encontramos con que antes los automóviles tenían entre 4 y 10 unidades de control abonadas a 2 ó 3 redes multiplexadas diferentes. Sin embargo, hoy día un vehículo puede equipar entre 40 y 60 unidades de control abonadas a 7 ó 10 redes multiplexadas diferentes. Sin olvidar que cada una de estas centralitas consumen energía eléctrica para funcionar y para comunicarse entre ellas, utilizando una red CAN-Bus que debe funcionar a una tasa de transmisión de datos muy alta para satisfacer la demanda de información de los sistemas ADAS, conectividad e infotenimiento. Por consiguiente, esto también tiene una alta influencia negativa sobre el consumo de energía eléctrica, combustible y emisiones de CO2.
Red multiplexada del año 2001
Red multiplexada del año 2021
Estrategia de eficiencia energética del automóvil.
Habiendo estudiado la comparativa de los tres puntos descritos anteriormente podemos sacar la conclusión de que los vehículos actuales consumen mucha más energía eléctrica que los antiguos y, pese a que la eficiencia de los motores de combustión ha mejorado un poquito en las dos últimas décadas, la incidencia del cunsumo de energía eléctrica sobre el consumo de combustible es tan fuerte que supondría un claro aumento en el consumo de carburante y en las emisiones de los vehiculos actuales con respecto a los vehículos de hace más de 20 años.
Sorprendentemente, ¡esto no es así! Si comparamos los consumos de combustible de un vehículo actual de similar tamaño y peso con el consumo de un vehículo de un vehículo antiguo, vemos que el consumo de combustible del vehículo actual es incluso un poquito más reducido. ¿Y esto a qué se debe?
Esto se debe a que los vehículos actuales cuentan con un software “inteligente” de eficiencia energética que les permite reciclar y optimizar el fuerte consumo de energía eléctrica provocado por el aumento de los equipos y sistemas descritos en los puntos anteriores.
El software de eficiencia energética consiste en una estrategia que controla el funcionamiento de los siguientes componentes:
- El control del funcionamiento del alternador (generador).
- El control de la carga, descarga y nivel de salud de la batería.
- El control de la conexión y desconexión de diferentes sistemas eléctricos del vehículo.
El objetivo de la estrategia de eficiencia energética es reciclar y optimizar el gasto de energía eléctrica de modo que produzca un impacto reducido sobre el generador (alternador) y por lo tanto reducir el consumo de carburante y emisiones de CO2.
Para lograr este objetivo es imprescindible poder reciclar la energía del vehículo utilizando la frenada regenerativa. Dado que hasta ahora no existe ni se ha inventado ningún motor de combustión reversible que transforme la energía mecánica de nuevo en carburante y rellene el depósito con un chorro de gasolina o diésel durante las deceleraciones y frenadas, los motores de combustión son inservibles para reciclar energía. Lo único que pueden hacer cuando se les utiliza como freno motor es transformar la energía cinética del vehículo en rozamiento de sus componentes internos y en calor, calor que se disipa y no se aprovecha en la cadena cinemática.
Sin embargo, una máquina eléctrica, un generador o alternador sí puede ser utilizado inteligentemente para reciclar la energía cinética del vehículo. A través de la transmisión, la energía cinética se transformada en mecánica y la máquina eléctrica puede transformarla en un chorro de electrones que recargue una batería durante las deceleraciones y frenadas. Cuanto más sencilla sea la cadena cinemática de la transmisión menos pérdidas habrá y más cantidad de energía se podrá aprovechar. Por eso es importante sacar el motor fuera de la cadena cinemática a la hora de reciclar energía mediante la frenada regenerativa, de modo que los rozamientos internos del mismo no reduzcan la capacidad de reciclaje del sistema.
He aquí entonces el kit de la cuestión con la que empezábamos este artículo: ¿Por qué los automóviles evolucionan por el camino de la electrificación? Porque para realizar un sistema eficiente que pueda reciclar energía es necesario al menos una máquina eléctrica y una batería. Un motor de combustión por sí mismo no puede reciclar energía y de por sí genera grandes pérdidas por calor.
Si ahora estudiamos cómo funcionan los sistemas de arranque, carga y parada de los automóviles antiguos vemos que estas funciones no responden a ninguna estrategia de eficiencia. El alternador estaba siempre generando energía eléctrica a demanda del consumo que se originase en cada momento, sin tener en cuenta los escenarios del ciclo de conducción (aceleración, taxi y deceleración o frenada).
Si ahora estudiamos cómo funcionan los sistemas de arranque, carga y parada de los automóviles actuales, nos damos cuenta de que los ingenieros han introducido un software de control muy elaborado para gestionar la eficiencia de energía eléctrica siguiendo una estrategia de reciclaje de energía basada en la frenada regenerativa. Básicamente, los primeros vehículos que empezaron a utilizar esta estrategia fueron los híbridos (híbridos puros) y posteriormente se ha ido implantando en los vehículos menos electrificados (semi-híbridos y micro-híbridos) así como también en los más electrificados, los híbridos enchufables.
Lógicamente, un automóvil de 1500 kg, lanzado a 120 km/h, que debe de frenar en 300 metros hasta casi quedarse parado cuando sale por el carril de deceleración de una autovía, puede entregar mucha energía cinética, mucha más de la que un vehículo micro-híbrido o semi-híbrido podría aprovechar. Dado que el almacén de energía eléctrica y el generador de estos vehículos son demasiado pequeños, la cantidad de energía cinética del vehículo en este escenario sobrepasa ampliamente su capacidad de captura y almacenamiento. Por ello, el micro-híbrido sólo podrá aprovechar aproximadamente un 5% de la frenada regenerativa y el semi-híbrido hasta un 15%. De modo que cuanto más grande sea el almacén de energía, más potente podrá ser la máquina eléctrica (generador) para capturar más energía. Y cuanto más potentes sean estas, más funciones y capacidades eléctricas podrán ofrecer al vehículo, principalmente para ahorrar energía reciclándola.
No obstante, en el caso de los vehículos micro-híbridos, aunque la tasa de recuperación de energía sea de apenas un 5%, ya es una porción de energía tal que ayuda considerablemente a reducir el consumo de carburante provocado por el aumento del equipo eléctrico y sistemas de seguridad. Reduciendo el consumo y las emisiones incluso a niveles inferiores a los de un vehículo comparable de hace más de dos décadas con un equipo eléctrico muy inferior.
Los vehículos híbridos puros, híbridos enchufables y cien por cien eléctricos pueden capturar un gran porcentaje de la energía cinética en fase de deceleración (frenada regenerativa), porque están dotados de un sistema de almacenamiento eléctrico y un conjunto de generadores capaces de capturar al menos un 70% de la energía cinética del vehículo. Cuanto más eficiente sea el sistema de generación y almacenaje de energía, mayor tasa de recuperación y reciclaje de energía que tendrá el vehículo.
Conclusión
La electrificación de los automóviles ha sido la vía más importante para mejorar la poca eficiencia energética que tiene el motor de combustión. Gracias a los alternadores y generadores de energía eléctrica se puede reciclar, mediante la frenada regenerativa, parte de la energía que el vehículo consumió durante la aceleración anterior y almacenarla en una batería. Este aspecto llevado a su grado de desarrollo más elevado desemboca en la reducción del motor de combustión hasta eliminarlo completamente, siempre y cuando el sistema de almacenamiento de energía cuente con un sistema de carga eléctrica externa, como ocurre con los vehículos híbridos enchufables y los eléctricos puros.
No obstante, para que el vehículo puramente eléctrico a baterías tenga éxito también necesita contar con una red de carga rápida externa a pie de carretera y de carga lenta o media en la mayoría de las zonas de aparcamiento. Esto le daría la posibilidad de recarga en todas las oportunidades de parada y aparcamiento con tiempos de espera superfluos.
