Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
Diseñar motores para semirremolques eléctricos es algo más que cambiar un motor diésel por uno eléctrico; es una forma completamente nueva de concebir el núcleo de estos potentes camiones. En este artículo, le guiaré a través de las importantes opciones de diseño, los problemas a los que nos enfrentamos y las nuevas soluciones que están conduciendo a un futuro más ecológico en el transporte marítimo. Lo veremos todo, desde las necesidades de par motor hasta la fabricación de bajo coste, ofreciéndole una visión completa de lo que se necesita para impulsar la próxima generación de vehículos comerciales.
Cuando hablamos de potencia en un camión diésel estándar, solemos centrarnos en los caballos y en la capacidad del motor para arrastrar cargas pesadas en largas distancias. Con un vehículo eléctrico, sin embargo, el tema cambia. No se trata sólo de potencia bruta, sino de una entrega de potencia inteligente. Un motor eléctrico proporciona potencia inmediata desde una parada completa, lo que supone una gran ventaja para un semirremolque completamente cargado que necesita ponerse en marcha. Esta aceleración instantánea cambia la sensación de conducción y lo hace más eficiente en el tráfico de parada y arranque. El diseño de las cadenas cinemáticas eléctricas modernas permite una potencia constante y uniforme en una amplia gama de velocidades. Esto significa que el vehículo puede alcanzar y mantenerse a velocidades de autopista incluso en cuestas empinadas, algo que puede ser difícil para un camión diesel normal.
La nueva forma de concebir la potencia incluye también el modo en que está construido todo el vehículo. Sin un gran motor diésel, hay más espacio libre y un mejor equilibrio del peso del vehículo. Esto puede mejorar la maniobrabilidad y la estabilidad. Además, la fuente de energía, la batería, puede integrarse en el chasis. Esto baja el centro de gravedad del vehículo y lo hace menos propenso a volcar. Cuando se habla de potencia en vehículos pesados, ya no se trata sólo de la potencia del motor en kW, sino de cómo funciona todo el sistema de propulsión eléctrica para ofrecer un rendimiento más inteligente, rápido y eficiente. Esta visión de sistema completo es lo que realmente diferencia al camión eléctrico moderno de los antiguos.
En mi experiencia, no existe una configuración única para el tren de potencia de cada camión eléctrico. La mejor configuración depende mucho del uso que se vaya a dar a la carretilla. Las principales configuraciones que vemos hoy en día son la transmisión directa central y los cada vez más comunes ejes de transmisión eléctrica, o e-axles. La configuración de tracción central se considera a menudo una forma más barata de hacer eléctricas las plataformas de camiones existentes. En esta configuración, el motor diésel se sustituye por un gran motor eléctrico que se conecta a una transmisión y un eje motriz, de forma muy similar a un vehículo normal. Aunque este método puede simplificar el cambio a la electricidad, es posible que no aproveche al máximo el ahorro de espacio y energía de una cadena cinemática eléctrica.
El e-axle, en cambio, es una solución más integral. En este caso, el motor eléctrico, la electrónica de potencia y, a veces, incluso la caja de cambios se encuentran directamente en el eje. Esta configuración elimina la necesidad de un largo eje de transmisión, lo que reduce el peso, acorta el sistema de transmisión y mejora su funcionamiento. El espacio ahorrado puede utilizarse para aumentar la capacidad de la batería, lo que podría incrementar la autonomía. También estamos viendo más configuraciones con dos motores, que ofrecen una mejor entrega de potencia y un mayor rendimiento con cargas pesadas. La elección entre estas configuraciones implica equilibrar el coste de desarrollo, la dificultad de fabricación y el nivel deseado de rendimiento y eficiencia para ese vehículo concreto.
Es una pregunta que me hacen a menudo, y la respuesta es un sí rotundo. De hecho, un motor eléctrico a menudo es mejor que un motor diésel a la hora de proporcionar par motor. La diferencia clave es cómo crean el par. Un motor diésel tiene que llegar a una determinada velocidad (RPM) para producir su par máximo. Un motor eléctrico, sin embargo, entrega su par máximo de inmediato, desde una parada completa. Este alto par instantáneo es una gran ventaja para el uso pesado. Imagínese un camión semirremolque completamente cargado en una cuesta empinada; la gran capacidad de arranque y control aplicando la máxima fuerza de giro a las ruedas desde una parada es asombrosa.
Para que se haga una idea de las cifras, algunos semirremolques eléctricos modernos tienen cifras de par muy altas que igualan o incluso superan a sus versiones diésel. Por ejemplo, las configuraciones de doble motor pueden ofrecer un par máximo de decenas de miles de libras-pie. Este elevado par permite a los camiones eléctricos acelerar con rapidez incluso cuando llevan una carga completa. El reto para los ingenieros no es sólo conseguir un par elevado, sino controlarlo bien para que los neumáticos y otras piezas duren mucho tiempo. El diseño del controlador y de todo el sistema de gestión de la cadena cinemática es clave para controlar bien y sin problemas esta enorme cantidad de potencia.
El frenado regenerativo es una de las mayores ventajas de una cadena cinemática eléctrica, especialmente para un vehículo pesado. En un camión normal, cuando el conductor pisa el freno, la energía en movimiento del vehículo es transformada en calor por los frenos y básicamente se pierde. El frenado regenerativo, sin embargo, permite que el motor eléctrico funcione a la inversa, como un generador. Este proceso ralentiza el vehículo y, al mismo tiempo, convierte la energía en movimiento de nuevo en energía eléctrica, que se guarda en la batería. Esta recuperación de energía puede aumentar mucho la distancia que puede recorrer un camión eléctrico. Algunos estudios sugieren que podría añadir 20% más de autonomía a un vehículo de 40 toneladas que realice entregas regionales.
Mejorar el frenado regenerativo en los vehículos pesados requiere una combinación inteligente del motor eléctrico, el controlador y el sistema de frenos de fricción normal. El sistema debe combinar suavemente los dos tipos de frenado para ofrecer al conductor una frenada constante y fiable. Los avanzados sistemas electrónicos de frenado comprueban aspectos como la velocidad del vehículo y el ángulo de giro para distribuir inteligentemente la fuerza de frenado entre los sistemas regenerativo y mecánico. El objetivo es recuperar la máxima energía sin poner en riesgo la seguridad o la conducción del vehículo. Además, el conductor puede ajustar a menudo la intensidad del freno regenerativo, lo que le permite adaptar la sensación de frenado a la situación de conducción específica y a sus preferencias. Utilizar bien el freno regenerativo no sólo ahorra energía, sino que también reduce el desgaste de las piezas normales del freno, lo que significa menores costes de reparación a lo largo de la vida del vehículo.
Es muy importante contar con una buena gestión térmica en el diseño de un motor eléctrico para un vehículo pesado. Estos motores están sometidos a mucha presión, trabajan durante muchas horas con cargas pesadas, lo que genera mucho calor. Si este calor no se elimina bien, puede dar lugar a muchos problemas, como una menor eficiencia, piezas que envejecen demasiado rápido e incluso el fallo del motor. Se necesita un buen sistema de refrigeración para que la cadena cinemática eléctrica sea duradera y fiable. El principal problema es diseñar un sistema de refrigeración que funcione bien y sea pequeño, sin añadir demasiado peso o dificultad al vehículo.
Hay dos formas principales de refrigerar los motores eléctricos: refrigeración por aire y refrigeración por líquido. La refrigeración por aire es más sencilla y barata, pero puede no ser suficiente para las necesidades de alta potencia de un camión pesado. La refrigeración líquida, que mueve un refrigerante a través de la carcasa del motor, suele eliminar mejor el calor. Muchos motores de camiones eléctricos modernos utilizan sistemas avanzados de refrigeración líquida, a veces incluso rociando aceite directamente sobre las partes más calientes para mantenerlas a la mejor temperatura. El sistema de gestión térmica a menudo va más allá del motor, conectándose con los sistemas de refrigeración de la batería y la electrónica de potencia para crear una solución de refrigeración completa para todo el vehículo. Este enfoque conectado permite una gestión inteligente del calor, en la que el calor residual de una pieza puede utilizarse para calentar otra, haciendo que todo el sistema funcione mejor.
La necesidad de una transmisión en un camión eléctrico moderno es un tema que la gente sigue debatiendo y mejorando. A diferencia de un motor diésel, que tiene un pequeño rango en el que funciona mejor, un motor eléctrico funciona bien a muchas velocidades diferentes. Esto ha llevado a algunas empresas a optar por una caja de cambios de una sola velocidad, que puede hacer que la cadena cinemática sea más sencilla y con menos piezas mecánicas. Un diseño de una sola velocidad puede funcionar bien para muchos usos, especialmente para conducir en ciudades con muchas paradas y arranques.
Sin embargo, para los camiones pesados que trabajan en condiciones muy diferentes, desde giros a baja velocidad hasta conducción en autopista a alta velocidad, una transmisión de varias velocidades puede ofrecer grandes ventajas. Una caja de cambios de 2 velocidades o incluso de varias velocidades puede ayudar a mantener el motor eléctrico funcionando en su rango más eficiente. Esto puede reducir el consumo total de energía y aumentar la autonomía. También puede mejorar el rendimiento, proporcionando más par para arrancar en cuestas empinadas y una mayor eficiencia a velocidades de crucero. La decisión de añadir una transmisión de varias velocidades se reduce a una cuidadosa planificación para obtener el mejor rendimiento de todo el tren motriz para el trabajo específico, equilibrando las partes buenas de una mayor eficiencia y rendimiento con la dificultad y el coste adicionales de una caja de cambios más compleja.
El eje, una pieza básica de cualquier vehículo, está cambiando a lo grande con las nuevas cadenas cinemáticas eléctricas. En un camión normal, el eje es una pieza sencilla que se limita a enviar potencia del árbol de transmisión a las ruedas. En un camión eléctrico, sin embargo, el eje se está convirtiendo en una parte inteligente y activa del sistema de tracción. El mayor cambio en este sentido es el eje eléctrico, que, como ya he dicho, reúne el motor eléctrico, la electrónica de potencia y el engranaje en la unidad de eje. Esta configuración "todo en uno" tiene muchas ventajas, como un menor peso, una mayor eficiencia y un diseño más pequeño que abre espacio útil en el chasis del vehículo.
El e-axle también puede configurarse de muchas maneras. Por ejemplo, se pueden utilizar varios e-axle juntos para proporcionar tracción a las cuatro ruedas y un mejor agarre. Esto es especialmente útil para camiones pesados que trabajan en condiciones difíciles. Además, el control electrónico del eje electrónico permite funciones avanzadas como la vectorización del par, en la que la potencia enviada a cada rueda puede controlarse por separado para mejorar la estabilidad y la maniobrabilidad. También estamos viendo nuevos sistemas de propulsión en los que cada lado del eje tiene su propia unidad de potencia, lo que permite un control aún más exacto y la capacidad de recuperar 100% de la energía durante el frenado regenerativo. Esta nueva forma de concebir el eje hace posible la próxima generación de vehículos pesados de alto rendimiento, eficientes y ecológicos.
Aunque el coste inicial de un camión eléctrico puede ser superior al de un camión diésel similar, el coste total a lo largo del tiempo suele ser mucho mejor. Este es un punto muy importante que siempre menciono cuando hablo de vehículos comerciales eléctricos. Hay varios factores que contribuyen a que un motor eléctrico y el conjunto de la cadena cinemática eléctrica sean rentables. El mayor de ellos es el menor coste de la electricidad en comparación con el gasóleo por cada kilómetro recorrido. Esto puede suponer un gran ahorro de combustible a lo largo de la vida útil del vehículo.
Además, una cadena cinemática eléctrica tiene muchas menos piezas móviles que un motor diésel y sus sistemas asociados. Esto significa unos costes de reparación mucho menores. No hay cambios de aceite, ni complejos sistemas de escape, y hay menos desgaste en piezas como el sistema de frenos, gracias al frenado regenerativo. A medida que mejore la tecnología de baterías y motores eléctricos y se fabriquen más, se espera que el coste inicial de las carretillas eléctricas disminuya, lo que las convertirá en una opción financiera aún mejor. Los incentivos gubernamentales y las exenciones fiscales por la compra de vehículos eléctricos y estaciones de recarga también pueden ayudar a sufragar el coste inicial. Si tenemos en cuenta todos estos puntos, está claro que para muchos usos comerciales, un vehículo eléctrico propulsado por un motor eléctrico rentable puede ser una buena decisión económica a largo plazo.
Para cualquier vehículo comercial, la durabilidad y la fiabilidad son imprescindibles. Cuando un camión no funciona, no está ganando dinero, por lo que estos camiones pesados están construidos para durar millones de kilómetros de duro trabajo. A la hora de diseñar sistemas para vehículos eléctricos pesados, es muy importante asegurarse de que sean resistentes. Esto empieza por el propio motor eléctrico. Los motores para vehículos pesados deben diseñarse para una larga vida útil, capaces de soportar las necesidades de par elevado y las sacudidas constantes de la conducción en el mundo real. Para garantizar una larga vida útil del motor, es necesario utilizar materiales de alta calidad y someterlo a duras pruebas.
Además del motor, todos los componentes de la cadena cinemática eléctrica, desde la batería hasta el controlador y el eje eléctrico, deben ser resistentes. Esto incluye diseñar piezas que puedan soportar temperaturas extremas, humedad y polvo. El sistema de gestión de la batería es fundamental para proteger el paquete de baterías, la parte más cara del VE, evitando la sobrecarga, el drenaje excesivo y el sobrecalentamiento. El funcionamiento conjunto de los distintos sistemas también es clave para la fiabilidad. Un sistema de gestión bien diseñado garantiza que todas las piezas funcionen juntas sin problemas, lo que puede ayudar a evitar que se averíen antes de tiempo. A medida que mejora la tecnología, nos centramos más en diseñar sistemas para vehículos eléctricos pesados con la misma resistencia y durabilidad que la industria espera de sus camiones diésel.
Si el motor eléctrico es el corazón del camión eléctrico, el controlador es el cerebro. Esta avanzada unidad electrónica controla cómo se mueve la energía a través de toda la cadena cinemática. Recibe señales del conductor, como la presión que se ejerce sobre el pedal del acelerador, y las transforma en instrucciones exactas para el motor eléctrico. El controlador decide cuánto par debe generar el motor, cómo debe entregarlo y cuándo utilizar el frenado regenerativo. Es la clave para conseguir el mejor equilibrio entre prestaciones, eficiencia y facilidad de conducción.
El controlador hace mucho más que gestionar el motor. También se comunica con el sistema de gestión de la batería para comprobar el nivel de carga y el estado de la batería. Desempeña un papel clave en la gestión térmica, asegurándose de que tanto el motor como la batería se mantienen en sus mejores rangos de temperatura. Además, en los vehículos con más de un motor o un eje eléctrico, el controlador se encarga de enviar el par entre las ruedas para mejorar el agarre y la estabilidad. El software que se ejecuta en el controlador siempre se está mejorando para aumentar la eficiencia y añadir nuevas funciones. En resumen, el controlador es lo que permite al tren motriz hacer todo lo que puede, lo que lo convierte en una pieza muy importante en el diseño de cualquier vehículo eléctrico moderno.
Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
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