Vehículos Eléctricos: Una Revolución Sostenible en el Transporte

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Antecedentes

A diferencia del automóvil de gasolina, el eléctrico no se desarrolló fácilmente como medio de transporte viable. A principios del siglo XX, investigadores lo persiguieron vigorosamente; sin embargo, el automóvil de gasolina, fácil de producir en masa, sofocó el interés. La investigación decayó de 1920 a 1960 hasta que problemas ambientales —contaminación y agotamiento de recursos— reavivaron la necesidad de un transporte más ecológico. Las tecnologías para baterías fiables y el peso de las necesarias elevaron el precio de fabricar un vehículo eléctrico. Por el lado positivo, la electrónica automotriz se ha vuelto tan sofisticada y compacta que es ideal para aplicaciones en vehículos eléctricos.

Historia

El desarrollo temprano del automóvil se centró en la energía eléctrica, no en la gasolina. En 1837, Robert Davidson de Escocia construyó aparentemente el primer coche eléctrico, pero no fue hasta la década de 1890 que se fabricaron y vendieron coches eléctricos en Europa y América. A finales de los 1890, las carreteras de EE. UU. tenían más automóviles eléctricos que de combustión interna.

Uno de los constructores más exitosos en EE. UU. fue William Morrison de Des Moines, Iowa, que comercializó su producto en 1890. Otros pioneros fueron S. R. y Edwin Bailey, padre e hijo fabricantes de carruajes en Amesbury, Massachusetts, que instalaron motor eléctrico y batería en uno de sus carruajes en 1898. La combinación era demasiado pesada, pero los Bailey persistieron hasta 1908, produciendo un modelo práctico que recorría unos 80 km antes de recargar.

Gran parte de la historia del coche eléctrico es la del desarrollo de la batería. La batería de plomo-ácido fue inventada por H. Tudor en 1890, y Thomas Edison desarrolló la de níquel-hierro en 1910. La versión de Edison aumentó la producción de coches y camiones eléctricos, y el propio inventor se interesó por su futuro. Colaboró con los Bailey al instalar una de sus nuevas baterías en uno de sus vehículos, y la promocionaron en demostraciones públicas. La Bailey Company produjo coches eléctricos hasta 1915, y fue una de más de 100 empresas de automóviles eléctricos que prosperaron temprano en el siglo solo en EE. UU. La Detroit Electric Vehicle Manufacturing Company fue la última en sobrevivir, cesando en 1941.

Los automóviles eléctricos fueron populares por ser limpios, silenciosos y fáciles de manejar; sin embargo, dos avances mejoraron tanto el vehículo de gasolina que la competencia desapareció. En 1912, Charles Kettering inventó el arranque eléctrico, eliminando la manivela. Al mismo tiempo, Henry Ford desarrolló una línea de montaje para su Modelo T. El montaje era eficiente y menos costoso que fabricar el vehículo eléctrico. Así, el precio del coche de gasolina bajó lo suficiente para que toda familia pudiera permitirse uno. Solo tranvías eléctricos, vehículos de reparto con paradas frecuentes y algunos otros vehículos eléctricos sobrevivieron pasado 1920.

En los años 60, el interés resurgió por el coste creciente y la disminución del petróleo y la preocupación por la contaminación de los motores de combustión. El resurgimiento del coche eléctrico en la última parte del siglo XX ha estado plagado de problemas técnicos, serias dudas sobre coste y rendimiento, e interés público fluctuante. Los defensores abogan por bajo consumo y coste de energía eléctrica, bajo mantenimiento, fiabilidad, emisiones mínimas (y beneficio ambiental), facilidad de manejo y bajo ruido.

Parte del interés renovado ha sido impulsado por regulaciones. La legislatura de California mandató que el 2 % de los coches nuevos vendidos en el estado fueran de cero emisiones para 1998, subiendo al 4 % para 2003. Los fabricantes invirtieron asumiendo que el interés público seguiría la regulación apoyando la calidad del aire y el medio ambiente. General Motors (GM) presentó el Impact en enero de 1990. Alcanzaba 176 km/h y recorría 193 km a 88 km/h antes de recargar. Era experimental, pero a finales de 1990 GM comenzó a transformarlo en modelo de producción. Las baterías eran su debilidad: necesitaban reemplazo cada dos años, duplicando el coste frente a un modelo de gasolina. Las estaciones de recarga no estaban ampliamente disponibles, y estos inconvenientes de coste y comodidad disuadieron a compradores. En 1999, Honda anunció que discontinuaría su coche eléctrico, lanzado en mayo de 1997, citando falta de apoyo público por los mismos factores.

Componentes

A diferencia de las pilas primarias con vida limitada de reacciones químicas que producen energía, las baterías de tipo secundario en vehículos eléctricos son celdas de almacenamiento recargables. Las baterías se sitúan en formación de T por el centro del coche, con la parte superior de la "T" en la parte trasera para mejor distribución de peso y seguridad. Se han usado baterías de níquel-hierro, níquel-zinc, cloruro de zinc y plomo-ácido.

El peso del coche eléctrico ha sido una dificultad recurrente de diseño. En estos, la batería y el sistema de propulsión eléctrico suelen ser el 40 % del peso del coche, mientras que en uno de combustión interna, el motor, sistema de refrigeración y otros dispositivos de propulsión suman solo el 25 %.

Otras tecnologías en desarrollo pueden ofrecer alternativas más aceptables al público y emisiones bajas (o nulas). El uso de pila de combustible en automóvil híbrido es el desarrollo más prometedor en el horizonte, a partir de 1999. El híbrido tiene dos plantas de potencia, una eléctrica y una de combustión interna. Operan solo bajo las condiciones más eficientes para cada una: energía eléctrica para conducción urbana con paradas y arranques a baja velocidad, y gasolina para velocidades y distancias de autopista. El motor eléctrico ahorra gasolina y reduce contaminación, y la parte de gasolina hace que las paradas de recarga sean menos frecuentes.

Las pilas de combustible tienen una fuente química de hidrógeno que proporciona electrones para generar electricidad. Etanol, metanol y gasolina son esas fuentes; si se usa gasolina, las pilas la consumen más eficientemente que el motor de combustión. Prototipos de pila de combustible han sido probados con éxito, y los japoneses comenzaron a fabricar un vehículo híbrido en 1998. Otra esperanza futura es la batería de iones de litio, con densidad energética tres veces mayor que la de plomo-ácido. Tres veces el almacenamiento debería dar tres veces la autonomía, pero el coste de producción sigue siendo demasiado alto. Las baterías de litio resultan ser las más prometedoras, pero la oferta limitada de materias primas para fabricar todas estas variedades obstaculiza la conversión de todos los vehículos a energía eléctrica.

Materias Primas

El esqueleto del coche eléctrico se llama bastidor espacial y es de aluminio para ser fuerte y ligero. Las ruedas también son de aluminio en lugar de acero, como método de ahorro de peso. Las piezas de aluminio se funden en fundición con moldes diseñados específicamente para cada fabricante. Los bastidores de los asientos y el núcleo del volante son de magnesio, un metal ligero. La carrocería es de un plástico compuesto resistente a impactos y reciclable.

Las baterías constan de carcasas plásticas que contienen ánodos y cátodos metálicos y fluido llamado electrolito. Actualmente, las de plomo-ácido son las más usadas, aunque otras combinaciones de fluidos y metales están disponibles, siendo las de níquel-hidruro metálico (NiMH) la siguiente fuente de energía más probable. Las baterías retienen su fluido en almohadillas absorbentes que no fugan si se rompen o perforan en un accidente. Las fabrican proveedores especializados. Un coche eléctrico como el GM EV1 contiene 26 baterías en una unidad en forma de T.

El motor o sistema de tracción tiene piezas metálicas y plásticas que no necesitan lubricantes. También incluye electrónica sofisticada que regula el flujo de energía desde las baterías y controla su conversión en potencia de tracción. La electrónica también es clave para el panel de control en la consola; el sistema informático a bordo opera puertas, ventanillas, monitor de presión de neumáticos, aire acondicionado, arranque, reproductor de CD y otras comodidades comunes.

Plásticos, espuma, vinilo y telas forman la cubierta del salpicadero, paneles de puertas y asientos. Los neumáticos son de goma, pero, a diferencia de los estándar, están diseñados para inflarse a presiones más altas para que el coche ruede con menos resistencia y ahorre energía. También contienen sellante que cierra fugas automáticamente, también para conservación de energía. Los neumáticos autollenantes eliminan la rueda de repuesto, otra característica de ahorro de peso y material.

El parabrisas es de vidrio solar que evita sobrecalentamiento interior en verano y escarcha en invierno. Materiales que proveen conservación térmica reducen el drenaje de energía que calefacción y aire acondicionado imponen a las baterías.

Diseño

Los coches eléctricos actuales se describen como "vehículos eléctricos de producción de la era moderna" para distinguirlos de la serie de falsos inicios intentando diseñar un coche eléctrico basado en modelos de producción de gasolina existentes y de coches "kit" o de ingeniería privada que pueden ser divertidos y funcionales pero no dignos de producción. De los años 60 a los 80, el interés fue profundo, pero el desarrollo lento. El obstáculo de diseño de la alta demanda energética de las baterías no se resolvió adaptando diseños. Finalmente, a finales de los 80, los ingenieros automotrices replantearon el problema desde cero y comenzaron a diseñar un coche eléctrico desde la base con gran consideración a aerodinámica, peso y otras eficiencias energéticas.

El bastidor espacial, bastidores de asientos, ruedas y carrocería se diseñaron para alta resistencia para seguridad y el peso más ligero posible. Esto significó nuevas configuraciones que dan soporte a componentes y ocupantes con masa mínima y uso de materiales de alta tecnología: aluminio, magnesio y plásticos compuestos avanzados. Al no haber sistema de escape, la parte inferior se hace aerodinámica con un panel ventral completo. Todos los detalles extra tuvieron que eliminarse manteniendo las comodidades que los conductores desean y añadiendo consideraciones nuevas únicas a los automóviles eléctricos. Un detalle eliminado fue la rueda de repuesto. El detalle de la antena de radio tipo varilla se eliminó; causa resistencia al viento que roba energía y usa energía para subir y bajar. Una consideración añadida fue el sistema de aviso a peatones; pruebas de prototipos mostraron que los coches eléctricos corren tan silenciosamente que los peatones no los oyen llegar. Luces intermitentes y pitidos activados por el conductor avisan a peatones de la aproximación y funcionan automáticamente en marcha atrás. Los parabrisas de vidrio solar también fueron una adición importante para regular la temperatura interior y minimizar la necesidad de aire acondicionado y calefacción.

Entre las muchas otras características de diseño e ingeniería que deben considerarse en la producción de coches eléctricos están las siguientes:

• Baterías que almacenan energía y alimentan el motor eléctrico son una ciencia propia en el diseño de coches eléctricos, y se estudian muchas opciones para encontrar las más eficientes que sean también seguras y rentables. Un motor eléctrico que convierte energía eléctrica de la batería y la transmite al tren de tracción. Se usan tanto motores de corriente continua (CC) como de corriente alterna (CA) en estos sistemas de tracción o propulsión, pero los de CA no usan escobillas y requieren menos mantenimiento.
• Un controlador que regula el flujo de energía de la batería al motor permite velocidad ajustable. Las resistencias usadas para este propósito en otros dispositivos eléctricos no son prácticas para coches porque absorben demasiada energía. En su lugar, se usan rectificadores controlados de silicio (SCR). Permiten que la potencia total vaya de la batería al motor pero en pulsos, así la batería no se sobrecarga y el motor no se queda sin potencia.
• Cualquier tipo de frenos puede usarse en automóviles eléctricos, pero los sistemas de frenado regenerativo son preferidos porque recapturan parte de la energía perdida durante el frenado y la canalizan de vuelta al sistema de baterías.
• Se necesitan dos variedades de cargadores. Un cargador de tamaño completo para instalación en garaje recarga el coche durante la noche, pero un recargador portátil (llamado recargador de conveniencia) es equipo estándar en el maletero para recargar en emergencia o lejos de casa o estación de carga. Por seguridad, se creó un cargador inductivo para coches eléctricos con una paleta que se inserta en el frontal. Usa energía magnética para recargar las baterías y limita el potencial de electrocución.

El Proceso de Fabricación

El proceso de fabricación requirió casi tanta consideración de diseño como el vehículo mismo; e incluye artesanía y simplificación así como enfoques de alta tecnología. Los ensambladores trabajan en equipos de estación de construcción para fomentar el espíritu de equipo y apoyo mutuo, y las piezas se almacenan en unidades modulares llamadas bastidores creform de tubos y juntas plásticas flexibles, fáciles de llenar y reformar para distintas piezas. En el lado de alta tecnología, cada estación tiene una llave dinamométrica con múltiples cabezales; cuando el ensamblador acopla el cabezal apropiado, los controles informáticos de la máquina seleccionan el ajuste de torque correcto para los sujetadores que encajan en ese cabezal.

Taller de Carrocería

La carrocería del coche eléctrico se elabora artesanalmente en seis estaciones de trabajo.

• 1 Las partes del bastidor espacial de aluminio se ensamblan en secciones llamadas subconjuntos construidos con piezas prefabricadas que se sueldan o pegan. El pegamento es un adhesivo que proporciona una unión más duradera y rígida que la soldadura. A medida que se completan los subconjuntos del chasis, se unen entre sí hasta terminar todo el subsuelo.
• 2 Los subconjuntos de la parte superior de la carrocería también se unen para hacer secciones mayores. Las secciones completadas se sueldan o pegan de forma similar hasta terminar el bastidor de la carrocería. La carrocería se une al subsuelo. El adhesivo usado en todo el montaje escalonado del bastidor se cura pasando la carrocería por un horno de dos etapas.
• 3 Se coloca el techo. Como otras partes del exterior, ya ha sido pintado. El subsuelo y el resto del bastidor se recubren con selladores protectores, y la carrocería terminada se mueve al área de montaje general.

Montaje General

El montaje general de los componentes operativos e interior del coche eléctrico se completa en otras ocho estaciones de trabajo.

1. En la primera estación, se coloca el primer conjunto de la compleja electrónica del coche. Incluye el cableado de la carrocería y la instalación de la Bahía de Electrónica de Potencia que alberga el Módulo de Control de Propulsión, unidad de tracción integrada y un pequeño radiador. La unidad de tracción integrada consiste en el motor de inducción de corriente alterna y una reducción de engranajes de dos etapas y diferencial. Estas unidades vienen preensambladas en sus El proceso de fabricación usado para hacer un vehículo eléctrico es tan intrincado como el diseño del vehículo. Se necesitan seis estaciones de trabajo para crear la carrocería de un vehículo eléctrico. Cada estación está equipada con una llave dinamométrica con múltiples cabezales; cuando el ensamblador acopla el cabezal apropiado, los controles informáticos de la máquina seleccionan el ajuste de torque correcto para los sujetadores que encajan en ese cabezal. propias carcasas. Los componentes de la consola de control también se instalan.
2. Se equipa el interior. Suelo, asientos, alfombras, consola y salpicadero se colocan en el coche. El proceso es simple porque el panel de instrumentos y la cubierta de la consola son de uretano reforzado con fibra de vidrio moldeado, recubierto con más uretano de calidad de acabado y con superficie no reflectante. Estas dos piezas son fuertes y no necesitan otros soportes, soportes o placas de montaje. El montaje es directo, y el rendimiento superior porque menos piezas reducen posibilidades de ruidos y chirridos.
3. En la tercera estación, se inserta el sistema de aire acondicionado, calefacción y circulación, y se llena el sistema.
4. Se añade el paquete de baterías. La unidad en forma de T se coloca elevando el pesado paquete con un polipasto especial hasta el coche. El paquete se fija al chasis, al igual que los ejes completos con ruedas y neumáticos. Con ambas baterías y la unidad de propulsión en su lugar, el coche ya no tiene que moverse de estación en estación en carretillas diseñadas especialmente. En su lugar, se conduce a las estaciones restantes. El sistema se enciende y verifica antes de conducir al siguiente equipo.
5. Se instala el parabrisas y se añaden y verifican otros fluidos. Los sistemas de puertas (completos con interiores de vinilo, reposabrazos, electrónica y ventanillas) también se acoplan, y todas las conexiones se completan y verifican. Los paneles exteriores se añaden. Similar al techo y puertas, han sido preparados y pintados antes de llevarlos a la estación. El remate final se acopla para completar el exterior superior.
6. En la estación final, se verifica y ajusta la alineación, y el panel inferior se atornilla en su lugar. El proceso concluye con la última y completa verificación de control de calidad. Agua a presión se rocía sobre el vehículo durante ocho minutos, y todos los sellos se revisan por fugas. En una pista de pruebas especializada, el coche se verifica por ruidos, chirridos y traqueteos en una prueba de manejo basada en calidad. Una larga y exhaustiva inspección visual concluye la auditoría de calidad.

Único del vehículo eléctrico es el paquete de baterías. Está compuesto por baterías recargables de tipo secundario que actúan como celdas de almacenamiento. Las baterías se sitúan en formación de T por el centro del coche con la parte superior de la "T" en la parte trasera para mejor distribución de peso y seguridad.

Control de Calidad

La industria ha demostrado que las estaciones de trabajo son un método altamente efectivo de proporcionar control de calidad a lo largo de un proceso de montaje. Cada estación tiene dos miembros de equipo para apoyarse y proporcionar controles internos en su parte del proceso. En una línea de montaje relativamente pequeña como esta para el coche eléctrico (75 ensambladores en una planta de General Motors), los trabajadores se conocen todos, así que hay también un espíritu de equipo mayor que impulsa el orgullo y la cooperación. Consecuentemente, la única operación mayor de control de calidad concluye el proceso de montaje y consiste en un conjunto completo de pruebas e inspecciones.

Único en la fabricación del coche eléctrico, el funcionamiento del coche se ha probado durante los pasos finales de montaje. El coche no tiene sistema de escape y no emite gases ni contaminantes, así que, tras instalar el paquete de baterías y la unidad de propulsión, el coche puede conducirse dentro de la planta. La prueba de que el producto funciona varios pasos antes de terminar es una verificación de calidad tranquilizadora.

Subproductos/Residuos

No hay subproductos de la fabricación de coches eléctricos. Los residuos dentro de la fábrica de montaje también son mínimos o inexistentes porque piezas, componentes y subconjuntos se fabricaron todos en otro lugar. Recortes y otros residuos son recuperados por estos proveedores, y la mayoría son reciclables.

El Futuro

Los coches eléctricos son críticamente importantes para el futuro de la industria automotriz y el medio ambiente; sin embargo, la forma que tomará finalmente el coche eléctrico y su aceptación por el público siguen siendo inciertas. El consumo de reservas de petróleo decrecientes, preocupaciones por contaminación aérea y acústica, y contaminación causada (y energía consumida) por coches abandonados y las complicaciones de reciclar coches de gasolina son fuerzas impulsoras que parecen empujar hacia el éxito del coche eléctrico.