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La historia de los vehículos eléctricos e híbridos comenzó mucho antes de lo que habitualmente imaginamos. Ya durante el siglo XIX existían experiencias destinadas a utilizar la electricidad para impulsar vehículos, en una época en la que todavía no estaba definido cuál sería la tecnología que terminaría dominando el automóvil.
Una de las fotografías históricas que podemos observar corresponde a un automóvil eléctrico de Thomas Parker, de 1895. La imagen permite apreciar que, varios años antes de comenzar el siglo XX, ya existían vehículos eléctricos capaces de transportar personas y construidos con una configuración derivada de los carruajes de aquella época.
Otra fotografía, tomada algunos años después, muestra a Thomas Alva Edison junto a un automóvil eléctrico en 1913. Estas imágenes resultan particularmente interesantes porque recuerdan que los vehículos eléctricos no son una creación reciente. A comienzos del siglo XX coexistían diferentes alternativas de propulsión y la electricidad era una de ellas.
También la idea del automóvil híbrido apareció muy temprano. A finales del siglo XIX comenzaron a desarrollarse vehículos que intentaban combinar diferentes formas de propulsión.
En 1899, Henry Pieper desarrolló uno de los primeros vehículos híbridos petroeléctricos. Poco tiempo después, en 1901, Ferdinand Porsche presentó el Lohner-Porsche Mixte Hybrid, un automóvil que combinaba la propulsión eléctrica con un motor de gasolina.
      
De esta manera, en las primeras décadas de la historia del automóvil convivieron distintas posibilidades: vehículos impulsados mediante motores de combustión, automóviles eléctricos alimentados por baterías y los primeros intentos de combinar ambas tecnologías mediante sistemas híbridos.
Sin embargo, estos primeros desarrollos eléctricos e híbridos no consiguieron imponerse. Alrededor de 1905 comenzó a expandirse la producción masiva de automóviles de bajo costo equipados con motores de gasolina. La reducción de los precios, junto con las ventajas prácticas que ofrecían los combustibles líquidos para conseguir una mayor autonomía, contribuyó progresivamente al predominio del motor de combustión interna.
Hacia la década de 1920, esta tecnología ya se había convertido en la opción dominante de la industria automotriz, situación que se mantendría durante muchas décadas.
El interés por la propulsión eléctrica comenzó a recuperarse posteriormente. Hacia mediados de la década de 1960, la creciente preocupación por la contaminación atmosférica impulsó nuevamente la investigación de vehículos eléctricos como una alternativa para reducir las emisiones producidas por el transporte.
Con el paso del tiempo, también volvió a adquirir importancia la posibilidad de combinar el motor eléctrico con el motor de combustión. De esta evolución surgirían diferentes configuraciones de vehículos híbridos.
Entre ellas encontramos actualmente los vehículos eléctricos híbridos enchufables, conocidos por las siglas PHEV.
Estos automóviles disponen de una batería, uno o más motores eléctricos de propulsión y un motor de combustión interna. Dependiendo de las condiciones de funcionamiento, pueden desplazarse utilizando solamente electricidad, mediante el motor de combustión o combinando ambos sistemas.
Una diferencia fundamental respecto de un híbrido convencional es que la batería de un PHEV puede recargarse conectando el automóvil a una fuente externa de energía eléctrica.
De esta manera, los recorridos relativamente cortos pueden realizarse principalmente mediante propulsión eléctrica. El material considerado señala autonomías eléctricas típicas de entre 20 y 50 millas, aproximadamente entre 32 y 80 kilómetros.
Pero cuando disminuye la energía almacenada en la batería, el automóvil no necesariamente debe detenerse para realizar una recarga. Puede continuar funcionando en modo híbrido y utilizar el motor de combustión interna. De esta forma se combina la posibilidad de realizar determinados recorridos utilizando electricidad con la mayor autonomía proporcionada por el combustible.
Dentro de estas tecnologías encontramos también los denominados vehículos eléctricos de autonomía extendida, identificados mediante las siglas E-REV.
En ellos, la propulsión está orientada principalmente al sistema eléctrico, pero el vehículo incorpora además un motor de combustión interna y un generador. Cuando disminuye la energía disponible en la batería, este conjunto permite generar electricidad para prolongar el funcionamiento del vehículo.
Un ejemplo posterior relacionado con este concepto fue el Chevrolet Volt, cuya batería podía recargarse desde una fuente externa y que incorporaba un motor de gasolina para permitir continuar el viaje cuando disminuía la energía eléctrica disponible.
Resulta interesante comparar estos vehículos modernos con aquellas fotografías de finales del siglo XIX y comienzos del XX. Aunque existe una enorme diferencia tecnológica, la idea fundamental continúa siendo reconocible: utilizar la electricidad como fuente de energía para la propulsión del automóvil y buscar una forma eficiente de almacenarla y administrarla.
Lo que cambió profundamente fueron los medios disponibles para hacerlo. Las antiguas baterías dieron paso a tecnologías de almacenamiento mucho más avanzadas; aparecieron motores eléctricos de mayor eficiencia, semiconductores de potencia, inversores, convertidores electrónicos, sistemas de frenado regenerativo y unidades digitales capaces de controlar permanentemente el flujo de energía.
Así, aquellas fotografías del automóvil eléctrico de Thomas Parker de 1895 y de Thomas Edison junto a un automóvil eléctrico en 1913 no representan solamente curiosidades históricas. Son testimonios de una etapa temprana de una tecnología que, después de permanecer durante décadas en segundo plano frente al motor de combustión interna, volvería a ocupar un lugar fundamental en la evolución del automóvil.
Después de conocer los principales tipos de vehículos eléctricos, podemos comparar de manera sencilla cómo cambia el sistema de propulsión a medida que pasamos desde un automóvil convencional hasta uno completamente eléctrico.
En primer lugar tenemos el vehículo tradicional equipado con un motor de combustión interna. En este caso, la energía procede exclusivamente del combustible almacenado en el tanque. El combustible es conducido hacia el motor mediante el sistema de alimentación e inyección y, después de mezclarse con el aire y producirse la combustión, la energía obtenida se transforma en potencia mecánica para impulsar el automóvil.
Entre las ventajas señaladas para este tipo de vehículo se encuentran la facilidad y rapidez para repostar combustible, una buena autonomía y la posibilidad de alcanzar elevadas velocidades. Como contrapartida, presenta un mayor consumo de combustibles derivados del petróleo y mayores emisiones contaminantes.
El siguiente paso corresponde al vehículo eléctrico híbrido, o HEV. Aquí encontramos dos sistemas de propulsión: un motor de combustión interna y un motor eléctrico. Aparecen además componentes que no estaban presentes en el automóvil convencional, como el paquete de baterías de tracción y el inversor encargado de controlar la energía destinada al motor eléctrico.
Una característica importante del híbrido convencional es que no necesita conectarse a la red eléctrica para recargar su batería. La energía se administra internamente mediante el propio sistema híbrido. De esta manera, el motor eléctrico puede colaborar con el motor de combustión y contribuir a reducir el consumo de combustible y las emisiones.
Avanzando un paso más encontramos el vehículo eléctrico híbrido enchufable, conocido como PHEV. Su arquitectura mantiene el motor de combustión, el motor eléctrico y la batería de tracción, pero incorpora una diferencia fundamental: un puerto de carga que permite obtener electricidad directamente de la red.
Esto hace posible utilizar durante determinados recorridos principalmente la energía almacenada en la batería. Cuando esa energía disminuye, el motor de combustión permite continuar el viaje. El PHEV combina así dos posibilidades de abastecimiento: combustible y electricidad.
Finalmente llegamos al vehículo completamente eléctrico. En esta configuración desaparecen el tanque de combustible y el motor de combustión interna. La energía necesaria para desplazarse se almacena en una batería de tracción de mayor capacidad y la propulsión queda exclusivamente a cargo de uno o más motores eléctricos.
Por lo tanto, mientras el automóvil convencional depende del combustible, el híbrido combina combustión y electricidad; el híbrido enchufable agrega la posibilidad de obtener energía directamente de la red; y el vehículo eléctrico elimina completamente el motor térmico y depende de la energía almacenada en sus baterías.
La comparación permite observar también una transformación progresiva de la arquitectura del automóvil. A medida que aumenta la participación de la electricidad aparecen baterías de mayor capacidad, motores eléctricos, inversores, electrónica de potencia y sistemas de control cada vez más importantes.
Naturalmente, cada solución presenta ventajas y limitaciones. El vehículo convencional ofrece facilidad de abastecimiento y gran autonomía, mientras que los híbridos buscan disminuir el consumo y las emisiones sin renunciar a la autonomía proporcionada por el combustible. El híbrido enchufable permite además realizar parte de los recorridos utilizando energía procedente de la red eléctrica.
El vehículo totalmente eléctrico lleva este proceso a su máxima expresión: elimina el consumo directo de combustible y las emisiones por el tubo de escape, pero necesita disponer de infraestructura de recarga y su autonomía depende fundamentalmente de la capacidad de la batería.
De esta manera, estas cuatro configuraciones permiten visualizar claramente la transición tecnológica: desde un automóvil cuya energía procede exclusivamente del combustible hasta otro en el que toda la energía utilizada para la propulsión es eléctrica.
Hasta aquí vimos cómo los vehículos eléctricos almacenan la energía necesaria para desplazarse en un conjunto de baterías. Pero almacenar energía es solamente una parte del proceso. Para que esa energía llegue finalmente a las ruedas es necesario controlarla, transformarla y convertirla en movimiento mecánico. En este proceso aparecen dos componentes fundamentales: el inversor y el motor eléctrico.
La batería de tracción almacena energía eléctrica en forma de corriente continua, o DC. Sin embargo, muchos de los motores empleados para la propulsión de vehículos eléctricos funcionan mediante corriente alterna, o AC. Por esta razón es necesario incorporar un dispositivo electrónico capaz de realizar la conversión entre ambas formas de energía eléctrica.
Ese dispositivo es el inversor.
El inversor recibe la corriente continua procedente de la batería y, mediante dispositivos electrónicos de potencia que actúan como interruptores de muy alta velocidad, genera las tensiones y corrientes necesarias para alimentar el motor.
Pero su función no consiste simplemente en transformar corriente continua en alterna. El inversor también permite controlar la potencia entregada al motor.
Cuando el conductor presiona el acelerador, los sistemas electrónicos del vehículo interpretan esa acción como una demanda de par y potencia. El controlador determina entonces cómo debe actuar el inversor para modificar la alimentación del motor eléctrico.
De esta manera pueden regularse tanto la velocidad como el par desarrollado por la máquina.
En los sistemas trifásicos, el inversor genera las señales eléctricas correspondientes a las distintas fases del motor. Estas corrientes producen campos magnéticos en los devanados del estator y crean un campo magnético giratorio.
Es precisamente la interacción entre estos campos magnéticos y el rotor la que produce el par necesario para hacerlo girar.
Aquí aparece una de las grandes ventajas del motor eléctrico aplicado al automóvil: puede desarrollar un importante par desde velocidades muy bajas. Por esta razón, el vehículo eléctrico puede iniciar la marcha de forma progresiva y con una respuesta prácticamente inmediata a la acción del acelerador.
Además, el motor eléctrico presenta una elevada eficiencia y posee menos elementos mecánicos sometidos a desgaste que un motor de combustión interna.
Pero existe otra característica todavía más interesante.
El flujo de energía puede cambiar de dirección.
Durante la aceleración, la energía circula desde la batería hacia el inversor, luego hacia el motor eléctrico y finalmente hacia las ruedas.
Durante determinadas desaceleraciones ocurre lo contrario.
Las ruedas mantienen en movimiento al motor eléctrico y este puede pasar a funcionar como generador. Parte de la energía cinética del vehículo se transforma entonces en energía eléctrica.
El sistema electrónico controla nuevamente este proceso para que la energía recuperada pueda regresar hacia la batería. Es el principio del frenado regenerativo que mencionamos anteriormente.
Por lo tanto, el inversor constituye una especie de intermediario electrónico entre la batería y la máquina eléctrica, controlando el intercambio de energía de acuerdo con las necesidades de cada momento.
Podemos imaginar el conjunto mediante una secuencia sencilla:
batería, inversor, motor eléctrico, transmisión y ruedas.
Al acelerar, la energía avanza en esa dirección. Durante el frenado regenerativo, parte de ella puede realizar el recorrido inverso y regresar a la batería.
Esto marca una diferencia fundamental respecto del automóvil tradicional. El motor eléctrico no solamente transforma electricidad en movimiento: en determinadas condiciones también puede transformar el movimiento nuevamente en electricidad.
El conjunto formado por batería, electrónica de potencia, inversor y motor eléctrico constituye así el núcleo del sistema de propulsión de un vehículo eléctrico y también una parte fundamental del tren de potencia de numerosos vehículos híbridos. |
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