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Electricidad a bordo (I)

Un viaje por el sistema nervioso del automóvil

Electricidad a bordo (I)

Hoy vamos a abordar un tema particularmente interesante, y que está muy de moda actualmente: el sistema eléctrico del automóvil. Vamos a realizar un repaso desde los sistemas más convencionales, hasta el de un coche 100% eléctrico, de una manera resumida y simplificada para que sea comprensible. Vamos allá.

Intentaremos realizar una descripción con cierta profundidad del sistema eléctrico de un coche convencional, de los micro-híbridos, híbridos y eléctricos. Pero antes de meternos en harina vamos a explicar de manera resumida algunos conceptos que son necesarios para la comprensión del sistema eléctrico. Omitiremos los sensores, relés, fusibles, y resto de accesorios para no hacerlo confuso. Los que ya conozcáis estos conceptos, podéis pasar al siguiente punto. Y los que no, voy a intentar ser lo más didáctico posible.

Conceptos previos

Como decíamos, vamos a ver algunas cosas con las que todos estamos familiarizados, pero que tal vez no conozcamos en profundidad. Para ello, haremos una analogía con un sistema hidráulico, más intuitivo y fácil de comprender.

Corriente: Conocida en electricidad con el símbolo “A”, de amperio. Básicamente mide el flujo (cantidad por unidad de tiempo) de electrones que pasan por un cable. Análogamente a una tubería, lo que sería el caudal en litros por segundo. A mayor corriente, más grueso debe ser el cable. Al igual que en una tubería, a mayor caudal, mayor diámetro es necesario.

Tensión: Su símbolo es “V”, de voltio. Es una medida de potencial eléctrica, y la analogía en hidráulica sería la presión que hay en una tubería. A mayor presión, puede haber (por eso es potencial) mayor corriente. Es como en un grifo cerrado (interruptor): está aguantando la presión(tensión) de la tubería (cable), pero no hay caudal (corriente). Pero si se abre, tenemos caudal (corriente).

Resistencia: La resistencia se conoce con el símbolo “R”, y se mide en ohmios, en honor al señor Georg Simon Ohm, quién enumeró una ley muy importante para electricidad, que veremos más adelante. Continuando con la analogía eléctrica, sería un estrechamiento en nuestra tubería. Esto ayuda a modificar el caudal (corriente) que tenemos en el circuito. Aunque a costa de perder presión (tensión) que se disipa en forma de calor.

Condensador: El condensador tiene el símbolo “C” y se mide en faradios, en honor a Michael Faraday. En electricidad sirve para dos cosas: puesto en serie, bloquea la corriente continua, y deja pasar la alterna. Y en paralelo sería como un pequeño almacén de corriente: la almacena y la deja salir cuando es necesario. En analogía hidráulica podría asemejarse a un depósito intermedio, para mantener el caudal en la tubería.

Ley de Ohm: La ley de Ohm relaciona la tensión, la corriente y la resistencia. Simplemente dice que: V = I * R. De esta manera, podemos calcular la resistencia, si conocemos tensión y corriente: R = V / I, o la corriente si conocemos tensión y resistencia: I = V / R

Potencia eléctrica: La potencia eléctrica se mide en watios y tiene el símbolo “w”. Se calcula como: P = V * I. Utilizando la ley de Ohm, también se puede expresar como: P = V² / R o bien P = I² * R

Tensión/corriente continua: La tensión o corriente continua, es la que proviene de las baterías. Siempre es constante, no varía entre positivo y negativo. En ingles se conoce como DC (direct current)

Tensión/corriente alterna: Es la tensión o corriente que tenemos en los enchufes de casa. Esta tensión/corriente oscila de positivo a negativo 50 veces por segundo (50 Hz). Es decir, varía de +220 V a -220 V a 50 Hz. En inglés se conoce como AC (alternate current)

Alta tensión: Para nuestro caso en el coche, será cuando tenemos del orden de cientos de voltios (100 a 600 V normalmente). La conoceremos por AT. En el caso del diseño de redes de distribución o generación eléctrica, la tensión es bastante mayor, del orden de miles de voltios

Baja tensión: Dentro del coche será la red de 12 V o 48 V, en los modelos más viejos era de 6 V. La conoceremos por BT

Los conceptos son bastantes pesados, pero necesarios para comprender como se comporta una batería. Es algo parecido a las piezas de un puzzle, ahora se verá desordenado, pero al final del artículo las piezas se irán ordenando y tomando sentido. Vamos a ver los parámetros más importantes de los dos componentes fundamentales: la batería y el motor/generador eléctrico.

La batería

Ahora vamos a hablar sobre las baterías, fundamentales en todo sistema eléctrico de cualquier vehículo, y de mayor relevancia ahora que está llegando la electrificación de los coches. Conociendo cómo funcionan, entenderemos mucho mejor los conceptos aplicados a los vehículos híbridos y eléctricos.

Celda y batería

Espera, ¿qué es una celda? Fijaos en la foto que encabeza esta parte: es la de un Tesla Model S al desnudo. Si os fijáis, podréis ver que dentro hay cientos de celdas cilíndricas. Para los expertos en la materia es la unidad mínima que realiza la función de generar electricidad a partir de una reacción química. Básicamente es un estándar de producción. Una batería estará compuesta por dos o más celdas en serie (normalmente) para conseguir el voltaje deseado. En el caso de una batería de automoción, cada celda de ácido-plomo produce del orden de 2 V nominales. Por lo tanto, una batería de coche posee 6 celdas en serie. O lo que es lo mismo, 6S. ¿Qué significa 6S? Veámoslo.

Tipos de baterías

Ahora que conocemos la diferencia entre celda y batería, vamos a ver qué tipos de baterías hay, según la configuración de las celdas. A los que les guste el aeromodelismo, lo conocerán muy bien. Puesto que una batería es una agrupación de celdas, dependiendo de cómo se coloquen, obtendremos una batería diferente, según lo que queramos conseguir. Si las colocamos en serie, se indica con “S”. Y si es en paralelo, con “P”.

Vamos con un ejemplo. Imaginemos que disponemos de 4 celdas LiFePo4 de 3,2 V y 1 Ah. Las cuatro configuraciones que podemos obtener son:

  • 4S: Las 4 celdas en serie. Tendremos la suma de los voltajes, pero la misma corriente. Por tanto la batería 4S será de 12,8 V y 1 Ah
  • 4P: Las 4 celdas en paralelo. Tendremos el mismo voltaje, pero la suma de las corrientes. La batería resultante 4P será de 3,2 V y 4 Ah
  • 2S2P: Primero colocamos dos celdas en serie (6,4 V y 1 Ah) y luego las ponemos en paralelo con otras dos. La batería resultante sería de 6,4 V y 2 Ah
  • 2P2S: Si colocamos dos celdas en paralelo (3,2 V y 2 Ah) y las conectamos en serie con otro bloque igual, obtenemos una batería de 6,4 V y 2 Ah. Mismo resultado que 2S2P, pero con una sutil diferencia. En este caso todas las celdas están conectadas, equilibrando mejor las corrientes

En resumen: si necesitamos más tensión, sumamos celdas en serie. Si lo que necesitamos es más corriente, sumamos celdas en paralelo.

La química de la electricidad

Dependiendo de qué tipo de compuestos químicos se empleen dentro de la celda, se obtendrán unas características concretas en densidad de energía, ciclos de carga/descarga, voltaje, corriente, etc. Os adjunto una tabla resumen para que veáis las diferencias de un vistazo.

Para lo que nos interesa, NiMH son las de Niquel Metal Hidruro (como las que usa Toyota en el Prius). Las de este nombre impronunciable, LiMnxNiyCozO2, son las de Ión Litio, como las que tenemos en nuestros móviles. Se suele usar alguna variación en el compuesto, como Tesla, que utiliza LiNiCoAlO2. Pero de manera genérica se llaman de Ión Litio. Y por último, las de ácido plomo, las que llevamos en el coche. Una apreciación: las baterías AGM o las de gel, poseen voltajes ligeramente diferentes a las de ácido-plomo.

¿Y para qué he escrito este “tocho”? Pues precisamente para entender bien el siguiente punto, el cual es clave en el sistema eléctrico. Cómo se almacena la energía en la batería.

Tensión de carga y descarga

Dependiendo de la tensión que vemos en la tabla celdas según su química, y dentro de unos márgenes, una celda estará cargada o descargada. Tomemos el ejemplo de la celda de ácido-plomo. Si su tensión (o voltaje) llega a 2,4 V, es que está cargada. Y si tiene 1,9 V, es que está descargada. Si este voltaje lo multiplicamos por las células en serie que tenemos (recordemos 6S), nos da unos límites de 14,4V para carga y 11,4 V para descarga completa aproximadamente. Más allá de estos valores, estaremos destruyendo la batería.

Cada tipo de celda, tendrá unos valores recomendados por el fabricante, de carga y descarga. Por lo general, no se deben cargar más del 100% (superar la tensión de carga máxima), y descargar por debajo del 20%. Para el caso de ácido-plomo, el 20% de descarga quedaría justo en los 12 V. Manteniendo esos márgenes de seguridad, garantizamos que no destruiremos la batería, a lo largo de sus ciclos de carga y descarga. Es por este motivo, que aunque un fabricante anuncie una cierta capacidad en su batería, el margen utilizable es menor. La batería nunca estará por debajo del 20%. Y por lo general, tampoco llegará al 100%, para dejar margen a la recarga regenerativa de frenado. Por tanto, cuando veáis una cierta capacidad de batería, quedaos con el 70% que será lo realmente utilizable.

¿Cómo de rápido puedo cargar y descargar una batería? Pues depende de su química. El fabricante de la celda nos ofrece el valor recomendado en carga y descarga en factor “C”. Por ejemplo, tenemos una celda LiFePo4, con 3,2 V nominales, 20 Ah (amperios por hora), 2 V como punto de descarga máxima, y 3,7 V como carga máxima, y nos dice que en carga utilicemos 1 C y en descarga 5 C. ¿Cómo lo interpretamos? Pues simplemente multiplicando por la cantidad de Ah que tiene la batería. En este caso, podremos cargar la celda con 20 A, y descargar 20 x 5 = 100 A.

Potencia

¿Qué potencia tiene esta celda? Pues si multiplicamos tensión por corriente, tenemos en carga 64 W, y en descarga 320 W.

Veamos ahora una batería de coche, y como interpretar los datos. Por ejemplo, una de 12 V, 60 Ah y 680 CCA (Cold Cranking Amps). Los CCA serían la máxima capacidad de descarga de la batería, y si dividimos 680 entre 60, vemos que es aproximadamente 11 C. La potencia nominal de la batería sería de 12 x 60 = 720 W. La potencia máxima sería de 12 x 680 = 8.160 W.

Vamos a explicar qué significa Ah. Los amperios por hora nos dan una idea de la capacidad de la batería. Quiere decir que si utilizamos 60 amperios de descarga, la batería se agotará en una hora. Si utilizamos 30 amperios, durará dos horas. Y así sucesivamente.

Carga de la celda

¿Y cómo la cargamos? Aquí es donde entra en juego la curva de carga. Por lo general, hay tres fases en la carga: carga a tensión constante, carga a corriente constante y mantenimiento. En la primera fase, se deja la corriente constante, y la batería va subiendo de tensión. Cuando alcanza su máximo de tensión, se deja la tensión constante, y la batería absorberá menos corriente con el paso del tiempo. Cuando la corriente se aproxime a cero, diremos que la batería está completamente cargada. A partir de entonces, bajaremos un poco la tensión, y dejaremos una pequeña corriente de mantenimiento.

Por tanto, cuanta más corriente ofrezca una celda, más rápido se puede cargar y más potencia de salida tendrá. Esto lo hace nuestro móvil todos los días, cuando lo conectamos al cargador.

Vida de una celda

Vamos ahora con la vida de las celdas. Aparte de respetar la tensión máxima y mínima, es importante que se mantengan dentro de su temperatura de trabajo. Las baterías también poseen resistencia, por lo que al cargarse y descargarse, se calientan. No les gusta el frío excesivo ni el calor excesivo. ¿Su temperatura ideal? Como la nuestra: unos 25 ºC, con 5 ºC de margen arriba o abajo. A esa temperatura funcionan bien y durarán toda su vida útil sin problemas. Más temperatura, ofrecerá algo más de rendimiento, a costa del desgaste de la batería. A menor temperatura, el rendimiento decae rápidamente. Por tanto, es necesario controlar su temperatura para un buen rendimiento.

¿Por qué se desgastan? Explicado de manera rápida: con las cargas y descargas, los electrodos se expanden y contraen, produciendo con el paso del tiempo microrroturas que hacen que el rendimiento de la celda decaiga. El número de ciclos que veíamos en la tabla anterior, garantiza que, tras ese número, la celda mantiene el 80% de su capacidad. Por tanto, con el tiempo, la celda almacenará menos energía. Por eso la batería de nuestro móvil dura menos, cuanto más tiempo tiene. Recordemos que esos ciclos son para carga completa, es decir, cuando llegas al 0% y lo cargas al 100%. Por tanto, si lo recargas dos veces desde el 50% al 100%, contará como un solo ciclo.

El motor/generador eléctrico

Un generador eléctrico es un dispositivo que transforma el movimiento en electricidad. Un motor eléctrico transforma la electricidad en movimiento. Así de simple. Hay diferentes tipos, según su diseño. Pero tienen en común que siempre hay una parte móvil (rotor) y una fija (estátor).

Por lo general, existe reciprocidad en los motores eléctricos: si los mueves, generan electricidad. Y también en los generadores: si les aplicas electricidad, se mueven. Por tanto, se conocen en general como máquinas eléctricas, porque fundamentalmente un motor y un generador son lo mismo, solo que utilizado de manera diferente. Que puedan ser recíprocos dependen de su diseño, fundamentalmente de la electrónica asociada.

Como ejemplo, utilicemos el alternador del coche. Su función es generar electricidad, y de inicio, no funciona como motor. Con unas pequeñas modificaciones en su electrónica, es posible usarlo como motor eléctrico. Para simplificar, vamos a clasificar los motores/generadores en dos tipos: los que funcionan/generan corriente continua (DC) -¿Alguien se acuerda de los coches de Scalextric?- y los que funcionan/generan corriente alterna (AC). Siguiendo con el ejemplo del alternador del coche, éste genera corriente alterna. Pero la convierte en continua mediante la electrónica.

Bien, ya terminamos con la parte aburrida de la teoría, y hemos sentado las bases para entender cómo están diseñados los sistemas eléctricos de cualquier coche. En la segunda parte veremos las diferencias entre ellos.

Este obra, cuyo autor soy yo mismo, se publicó el 1 de septiembre de 2016 bajo una licencia de Reconocimiento 4.0 Internacional de Creative Commons.

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Sobre mí

Pablo Mayo

Ingeniero de profesión, la mayor pasión de mi vida son los coches desde que era un chaval. El olor a aceite, gasolina, neumático...hace que todos mis sentidos despierten. Ahora embarcado en esta nueva aventura, espero que llegue a buen puerto con vuestra ayuda. Gracias por estar ahí.

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