Por Steven Shackell
Con la creciente popularidad de los vehículos eléctricos (VE), la tecnología de trenes motrices eléctricos está avanzando rápidamente y convirtiéndose en algo común en otras aplicaciones de movilidad eléctrica. Los trenes motrices eléctricos están habitualmente presentes en sillas de ruedas, scooters y juguetes infantiles para montar. Sin embargo, la creciente diversidad de soluciones de trenes motrices eléctricos permite la expansión de las aplicaciones y la sustitución de los motores de combustión interna (internal combustion engines, ICE) convencionales en muchos productos de movilidad industriales y de consumo, como scooters, bicicletas eléctricas, vehículos autónomos guiados (autonomous guided vehicles, AGV) y maquinaria industrial ligera como montacargas.
Este cambio hacia aplicaciones de trenes motrices eléctricos se considera la revolución de la movilidad eléctrica. Con la expansión surgen desafíos que exigen una consideración meticulosa por parte de los ingenieros para garantizar la seguridad y operatividad de estas soluciones. Este artículo analiza los beneficios y las desventajas de la movilidad eléctrica y los trenes motrices eléctricos en estas aplicaciones.
¿Qué es la movilidad eléctrica?
La movilidad eléctrica, también conocida como "eMobility", es un cambio transformador hacia la electrificación en el transporte y las aplicaciones industriales. La movilidad eléctrica está ganando popularidad debido a su sostenibilidad, eficiencia, seguridad y beneficios tecnológicos por sobre las soluciones de movilidad tradicionales. Los dispositivos de movilidad eléctrica pueden ser tan pequeños como una patineta o hoverboard eléctrica y tan grandes como embarcaciones marinas y equipos industriales.
El concepto de movilidad se extiende más allá de los vehículos individuales y abarca desarrollos de infraestructura más amplios, como redes de carga, integración de energías renovables, tecnología de redes inteligentes e infraestructura de reciclaje. Los consumidores, las industrias y los gobiernos de todo el mundo adoptan e incentivan cada vez más la movilidad eléctrica como una estrategia clave para abordar el cambio climático, reducir la contaminación del aire y revolucionar el sector energético.
Los beneficios y ventajas de la movilidad eléctrica
Par instantáneo y rendimiento con alta capacidad de respuesta
Las transmisiones eléctricas, un componente clave de las soluciones de movilidad eléctrica, pueden ofrecer un par potente con una aceleración y capacidad de respuesta superiores. Si bien este par instantáneo se asocia comúnmente con una mayor aceleración, también es en extremo ventajoso para lograr un control de tracción superior. Estos beneficios se traducen en un mayor rendimiento y seguridad en aplicaciones como montacargas, bicicletas y AGV.
Reducción de la contaminación acústica
Los vehículos de combustión interna convencionales generan un ruido considerablemente mayor que las soluciones de movilidad eléctrica de rendimiento similar. Por ejemplo, los automóviles de Fórmula 1 generan alrededor de 134 dB durante una carrera, lo que puede provocar daños auditivos, mientras que automóviles similares de Fórmula E generan solo 80 dB, por lo que generan aproximadamente el mismo nivel de ruido que un despertador o una aspiradora. Las aplicaciones de movilidad eléctrica pueden resultar muy ventajosas en entornos delicados o regulados, como obras de construcción, zonas urbanas y entornos marinos.
Eficiencia energética
Los trenes motrices eléctricos cuentan con una eficiencia energética significativamente mayor que sus homólogos con motor de combustión interna. Los motores eléctricos pueden convertir más del 85 % de su energía eléctrica en energía mecánica, mientras que los motores de combustión interna convierten menos del 40 % de su energía química en energía mecánica. Esta eficiencia energética es especialmente ventajosa en sectores como la manufactura y el transporte, donde los gastos de energía representan una gran parte de los costos operativos. En otras aplicaciones, como el alquiler compartido de scooters, la eficiencia energética es fundamental para satisfacer las necesidades de los clientes y proporcionar un día completo de transporte con una sola carga.
Sostenibilidad medioambiental
Las soluciones de movilidad eléctrica ofrecen una alternativa sostenible a los motores de combustión interna. Por ejemplo, los motores tradicionales de dos tiempos producen niveles muy altos de emisiones de hidrocarburos a casi 5.500 ppm, en comparación con las emisiones de 850 ppm de los motores de 4 tiempos que se encuentran en los automóviles. Debido a esta disparidad, hace casi 20 años, la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (Environmental Protection Agency, EPA) promulgó estrictas restricciones a las emisiones de los motores de dos tiempos.
Las motos de cross, los vehículos todo terreno, los vehículos de trabajo utilitarios, las motos acuáticas, los ciclomotores, los equipos de jardinería y otros pequeños dispositivos de movilidad personal han utilizado tradicionalmente motores de dos tiempos debido a su alta relación entre potencia y peso y su bajo costo. Como resultado, grandes problemas de contaminación se han vuelto comunes en los países en desarrollo donde estos dispositivos se utilizan con más frecuencia.
Imagen: Contaminación del aire visible en la Ciudad Azul de Jodhpur relacionada con la abundancia de vehículos de motor de dos tiempos.
Los motores eléctricos ofrecen cero emisiones, lo que proporciona una solución inmediata. Las soluciones de movilidad eléctrica pueden reducir directamente el número de muertes relacionadas con contaminantes y reducir drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero en estas aplicaciones, lo que las convierte en una medida de sostenibilidad ambiental viable en todo el mundo.
Los desafíos de las soluciones de movilidad eléctrica
Limitaciones de infraestructura
Las soluciones de movilidad eléctrica dependen en gran medida de una vasta infraestructura eléctrica que pueda soportar la demanda de energía de una aplicación específica. Para los dispositivos pequeños de movilidad eléctrica de consumo, esta demanda se satisface en gran medida a través de una infraestructura eléctrica doméstica estándar. Pero en aplicaciones con grandes demandas de energía, como la fabricación y la minería, la infraestructura de carga de movilidad eléctrica debe ser amplia y potente para satisfacer las necesidades de la industria.
Limitaciones en el alcance y la duración de carga de la batería
A pesar de los avances en la tecnología de administración de potencia y de baterías, las soluciones de movilidad eléctrica tienen un alcance limitado en comparación con las fuentes de combustible tradicionales. Dispositivos como embarcaciones y maquinaria marina pueden necesitar recargas frecuentes o baterías de mayor capacidad a fin de satisfacer las demandas operativas. En aplicaciones de motores más pequeños, como scooters, sillas de ruedas y bicicletas eléctricas, las baterías de repuesto son algo habitual.
Afortunadamente, la selección de la tensión y la composición química adecuadas para la batería puede ayudar a optimizar el rendimiento y la eficiencia de las soluciones de movilidad eléctrica. Las diferentes composiciones químicas de las baterías ofrecen una variedad de parámetros, como densidad de energía, potencia de salida, ciclos de vida, estabilidad térmica, energía específica y peso, que pueden usarse para configurar un diseño de sistema orientado a la aplicación. La siguiente figura muestra varios tipos de composiciones químicas de baterías de iones de litio.
Convertidor de CC a CC aislado
| Vida útil (cuanto más larga, mejor) | Energía específica (cuanto más alta, mejor) | Potencia específica (cuanto más alta, mejor) | Estabilidad térmica | Costo | |
| LFP | Muy larga | Moderada | Alta | Excepcional | Baja |
| LCO | Moderada | Alta | Baja | Muy deficiente | Baja |
| LMO | Muy corta | Baja | Moderada | Muy buena | Baja |
| NMC | Larga | Alta | Moderada | Buena | Baja |
| LTO | Muy larga | Muy baja | Moderada | Moderada | Alta |
| NCA | Corta | Muy alta | Moderada | Muy deficiente | Moderada |
Fuente de la tabla: Eco Tree Lithium
Por ejemplo, las baterías de litio NCA (abreviatura en inglés de óxido de aluminio, níquel, cobalto y litio) se pueden utilizar para ciertos tipos de vehículos eléctricos que requieren cargas de alta potencia a lo largo del tiempo. Otros vehículos eléctricos pueden utilizar fosfato de hierro y litio (LiFePO4 o LFP) dada su excepcional estabilidad térmica y su larga vida útil. Mientras tanto, las baterías de titanato de litio (Li2TiO3) o LTO son térmicamente estables y tienen una vida útil incluso más larga, lo que las hace más comunes en trenes motrices eléctricos más pequeños.
Además, la selección adecuada de la tensión de la batería y del hardware de control puede ayudar a optimizar el rendimiento de la movilidad eléctrica para aplicaciones específicas.
Convertidor de CC a CC aislado
| Aplicación/tensión de la batería | 12 V | 24 V | 36 V | 48 V | 60 V | 80 V |
| Vehículo de 2/3 ruedas | 80/100 V | 100 V | 120/150 V | |||
| Bicicleta eléctrica | 40 V | 60 V | 80/100 V | |||
| Montacargas | 40 V | 60 V | 80/100 V | 100 V | 120/150 V | |
| AGV/AMR | 40 V | 60 V | 80/100 V | 100 V | 120/150 V | |
| Robot doméstico | 30 V | 40 V |
El valor en las celdas representa la tensión MOSFET típica (VDS) | Fuente de la tabla: Arrow Electronics
La utilización de MOSFET de alta eficiencia y potencia como el NTMFS5C404N de onsemi o el IPT012N08NF2SATMA1 de Infineon pueden ampliar aún más la gama de dispositivos de movilidad eléctrica, ya que tienen una mayor eficiencia y densidad de potencia que los dispositivos tradicionales basados en silicio. Los MOSFET de SiC habilitan sistemas de energía de mayor tensión, lo que permite un mayor rendimiento y eficiencia total del sistema, ampliando el alcance del dispositivo y la vida útil de la carga.
Costo inicial
La inversión inicial necesaria para una revisión completa de la movilidad eléctrica, incluidos los dispositivos individuales y la infraestructura de carga, es sustancial en comparación con los sistemas ICE. Los ahorros operativos a largo plazo pueden justificar el gasto, pero el mayor costo anticipado puede disuadir la adopción en entornos con presupuestos limitados, como industrias de bajo margen y países en desarrollo.
En dispositivos individuales, la utilización de componentes de mayor eficiencia, como los últimos MOSFET de bajo RDSon y baterías de iones de litio LTO, puede aumentar aún más los costos anticipados, pero este gasto puede compensarse con una mejor estabilidad de costos a largo plazo y una vida útil más larga.
Seguridad y administración térmica.
En diciembre de 2015, la Comisión de Seguridad de Productos de Consumo (Consumer Product Safety Commission, CPSC) de EE. UU. identificó inquietudes sobre 12 incidentes de incendios relacionados con dispositivos de movilidad eléctrica que causaron daños significativos. Los 12 incidentes estaban relacionados con los entonces populares dispositivos "hoverboard", un juguete de movilidad eléctrica de consumo que tiene dos ruedas y es autoequilibrado.
Las hoverboards rápidamente se asociaron con la combustión espontánea. Para julio de 2016, se documentaron más de 60 incidentes de incendio de hoverboards, que causaron más de US$2 millones en daños a la propiedad. Sorprendentemente, los incendios de hoverboards no se asociaron con ningún caso de uso inadecuado específico. Se incendiaron espontáneamente cuando no estaban en uso, se prendieron fuego cuando se estaban cargando o se sobrecalentaron e incendiaron mientras estaban en uso.
Como resultado, se creó la norma UL 2272 para la seguridad de dispositivos personales de movilidad eléctrica para garantizar que los dispositivos de movilidad eléctrica cumplan con estrictos estándares de seguridad. Las baterías de iones de litio contienen líquidos electrolíticos altamente combustibles y los dispositivos de movilidad eléctrica deben garantizar que cuentan con una administración térmica y prevención de cortocircuitos adecuadas para evitar que el dispositivo se incendie. El monitoreo térmico, los sistemas de enfriamiento y los circuitos de protección son imprescindibles para mantener temperaturas de operación seguras y prevenir fallas catastróficas como las observadas en los incendios de las hoverboards.
Nuevamente, la selección de la composición química y los componentes adecuados de la batería es imperativa para garantizar la seguridad del dispositivo. Ciertas composiciones químicas de baterías son más estables térmicamente que otras, a menudo a costa del rendimiento o la longevidad. Además, los dispositivos de alta eficiencia, como los MOSFET de SiC, pueden proporcionar temperaturas de operación del convertidor más bajas, lo que reduce aún más el riesgo de sobrecalentamiento del dispositivo.
El cambio global hacia la movilidad eléctrica
El panorama cambiante de los trenes motrices eléctricos en una variedad de sectores está iniciando la revolución de la movilidad eléctrica. Si bien tradicionalmente se limitan a dispositivos más pequeños, los trenes motrices eléctricos ofrecen una solución moderna a las necesidades ambientales y de los consumidores en una amplia gama de mercados de movilidad eléctrica, incluida la movilidad del consumidor, la maquinaria industrial y el transporte.
Si bien las soluciones de movilidad eléctrica ofrecen mejoras de rendimiento, eficiencia energética y sostenibilidad ambiental, los desafíos continúan limitando su adopción. La cuidadosa consideración del diseño y la colaboración entre ingenieros, consumidores y gobiernos pueden estimular la adopción de la movilidad eléctrica y limitar los impactos ambientales de dispositivos históricamente tóxicos. Al aprovechar los avances en la composición química de las baterías, la tecnología de semiconductores y la integración de sistemas, los consumidores y la industria pueden impulsar la transición hacia un futuro de movilidad más limpio y sostenible a escala global.
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