Fundamentos Técnicos del Vehículo Eléctrico: Motor, Batería e Inversor

Introducción y Clasificación del Vehículo Eléctrico (VE)

• El Vehículo Eléctrico (VE) transforma energía eléctrica en movimiento, eliminando la combustión.
• Ventajas clave: Alta eficiencia (>90%), bajo mantenimiento y cero emisiones locales.
• Flujo energético principal: Batería (DC) → Inversor (DC/AC) → Motor (AC).
• La Frenada regenerativa permite que el motor actúe como generador, devolviendo energía a la batería (excepto si la batería está completamente cargada).

Tipos de Vehículos Eléctricos

• BEV (Battery Electric Vehicle): Vehículo de batería pura.
• HEV (Hybrid Electric Vehicle): Híbrido no enchufable.
• PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle): Híbrido enchufable.
• EREV (Extended Range Electric Vehicle): Vehículo de autonomía extendida.
• FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle): Vehículo de pila de hidrógeno.

Movilidad Sostenible y Comparativa ICE vs. BEV

Comparación entre Motor de Combustión Interna (ICE) y Vehículo Eléctrico de Batería (BEV)

• Eficiencia: ICE (30%) vs. BEV (>85%).
• Emisiones (CO₂/100 km): ICE (9 kg) vs. BEV (3 kg).
• Mantenimiento: ICE (alto) vs. BEV (bajo).

Conceptos de Movilidad

• La Movilidad no sostenible genera contaminación, congestión, ruido y pérdida de eficiencia.
• La Movilidad sostenible se define por la eficiencia, las bajas emisiones y la accesibilidad.
• Buenas prácticas para la movilidad: Car sharing, Planes de Movilidad Urbana Sostenible (PMUS), fomento del transporte público, incentivos y carriles VAO (Vehículos de Alta Ocupación).

El Motor Eléctrico: Funcionamiento y Tipologías

• Función principal: Convertir energía eléctrica en energía mecánica.
• Fórmula de velocidad síncrona: nₛ = 60f/p (donde f es la frecuencia y p son los pares de polos).
• Partes esenciales: Estator, rotor, entrehierro y bobinados.
• El control se basa en mantener la relación V/f constante para asegurar un par estable.
• La frenada regenerativa implica un par negativo que devuelve energía a la batería.
• Requerimientos clave: Alta densidad de potencia, eficiencia, fiabilidad, bajo ruido (NVH) y excelente gestión térmica.

Tipos de Motores Eléctricos

• Síncrono (con imanes): Ofrece alta potencia y eficiencia.
• Asíncrono (por inducción): Robusto y económico.
• Flujo axial: Diseño compacto con alto par.
• Reluctancia conmutada: No utiliza imanes, pero tiende a ser ruidoso.

Baterías de Vehículos Eléctricos: Estructura y Química

• Estructura jerárquica: Celdas → Módulos → Pack.
• Componentes internos: Ánodo, cátodo, electrolito, separador y el Sistema de Gestión de Baterías (BMS).
• El BMS es crucial: controla la tensión, la temperatura y balancea las celdas.
• Conexión de celdas: La conexión en serie incrementa el voltaje (↑V), mientras que la conexión en paralelo incrementa la corriente (↑I).
• Gestión térmica: Es vital mantener la temperatura ideal (20–40 °C) mediante refrigeración líquida o por aire.

Parámetros Clave de la Batería

• V (Voltaje), I (Corriente), C (Capacidad en Ah).
• E (Energía almacenada) = V · Ah.
• SoC (State of Charge): Porcentaje de carga (análogo a la gasolina).
• DoD (Depth of Discharge): Porcentaje de descarga (análogo al gasto).
• SoH (State of Health): Estado de salud general de la batería.

Tipos de Química de Baterías

• Plomo-ácido: Barata, pero pesada.
• NiMH (Níquel-Hidruro Metálico): Fiable, con efecto memoria leve.
• Li-ion (Litio-ion): Ligera, eficiente, pero más cara.
• LiFePO₄ (Fosfato de Hierro y Litio): Segura y estable.
• Electrolito sólido: Tecnología experimental y prometedora.

El Inversor: Conversión de Energía y Control

• Función principal: Convertir la corriente continua (DC) de la batería en corriente alterna trifásica (AC) para el motor. También controla el par y la velocidad.
• Componentes clave: Transistores (IGBT/MOSFET), condensadores, sensores, termistores NTC y filtros LC.
• Utiliza la Modulación por Ancho de Pulso (PWM) para controlar la tensión y la frecuencia.
• La conmutación trifásica sigue la secuencia U–V–W (desfasada 120°).
• La refrigeración es crítica para mantener una alta eficiencia.
• Metáfora: El inversor traduce la energía de la batería al idioma del motor.

Funciones Adicionales del Inversor

• Actúa como rectificador durante la frenada regenerativa (AC a DC).
• Comunicación constante con la Unidad de Control Electrónico (ECU).
• Protección integrada frente a sobrecorriente.

Fórmulas y Relaciones Fundamentales en la Electromovilidad

• Velocidad síncrona: nₛ = 60f/p
• Potencia eléctrica: P = V · I
• Energía almacenada: E = V · Ah
• Parámetros de la batería: SoC (carga), SoH (salud), DoD (descarga).
• Configuración de celdas: Serie (aumenta Voltaje ↑V) / Paralelo (aumenta Corriente ↑I).
• Control del motor: Mantener V/f constante resulta en un par constante.

Eficiencia Energética Global del Vehículo Eléctrico

La eficiencia combinada de los componentes del vehículo eléctrico es significativamente superior a la de los motores de combustión interna (ICE).

• Eficiencia del Motor: ≈ 90 %
• Eficiencia del Inversor: ≈ 95 %
• Eficiencia de la Transmisión: ≈ 96 %

Eficiencia Total

La eficiencia global del VE se sitúa entre el 82 % y el 85 %, en contraste con el ~25 % de un motor ICE. Esto significa que aproximadamente tres cuartas partes de la energía eléctrica se aprovechan para el movimiento.