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Mecatrónica. El auto eléctrico

Introducción
La cuarta revolución industrial está en curso y la tecnología hará de este cuarto de siglo, acontecimientos irreversibles que conmocionarán al mundo, con tecnologías hoy confidenciales que llegarán a ser fantásticas, pero catastróficas para determinadas naciones y que paradójicamente podrán beneficiar a los menos favorecidos en el avance hacia el desarrollo, si se aplica de forma inteligente y creativa, con pragmatismo. Tecnologías que modificarán la forma de vida de los seres humanos, la forma de relacionarse con el medio, la Internet de las cosas, la inteligencia artificial, la robotización y los nuevos materiales tecnológicos, la biotecnología e impresión 3D. Estamos en la era 4.0 y alguien pisó el acelerador.

Mecatrónica
La mecatrónica es una nueva especialidad de ingeniería donde están profundamente embebidas la electrónica y la mecánica, el electromagnetismo, la teoría de los circuitos electrónicos, la electrónica de potencia, la cinemática, termodinámica, la ciencia de los materiales, el análisis y control electrónico con el uso de microcontroladores y microprocesadores, y para la generación de energía sustentable, con las que crear y revolucionar la tecnología global… es una nueva elección profesional para los jóvenes.

Una de esas tecnologías particular en transición, en el terreno de la mecatrónica es el auto eléctrico y aquellos circuitos electrónicos afines, visibles y compatibles como el rover, drones, los hoverboards, segway, el avión y barcos, los camiones y motos eléctricas, pues estamos en transición, en la búsqueda de potenciar la inteligencia y el pragmatismo para el sostenimiento ambiental, el desarrollo y la independencia a través de energías renovables.

Mecatronica - El auto electrico

Tecnología 4.0
Un cambio tangible a la tecnología 4.o lo fue la televisión, los antiguos receptores de televisión fueron desplazados por necesidad en la eficiencia y las prestaciones inteligentes, la calidad, dando paso a la televisión digital terrestre TDT y la TV–LCD.
El móvil celular es otro ejemplo: un teléfono con múltiples valores añadidos, prestaciones, los modelos de gama media en la actualidad, es una computadora de 4 núcleos de microprocesador con 1.5Gb de memoria RAM funcionando a una temperatura de 45 grados centígrados con una tecnología, que opera el núcleo a tensiones de solo 1.0V, son LCD a LED y paso a ser el "santo grial" de la sociedad en cualquier lugar del mundo. Sucederá lo mismo con los autos por las mismas razones.

El objetivo de este artículo en tal sentido es compartir en dos etapas, la razón que lo justifica, su aplicación, la mecánica como introducción, la tecnología y la conversión de los autos de motor térmico a eléctricos: el soporte electrónico.

Motor de combustible
Existen muy pocos fabricantes de motores de combustión interna capaces de construir por si solos un motor, se requiere de cientos de accesorios difíciles de construir sin el concurso de otras factorías.
El motor térmico es una máquina que trasforma la energía química en energía mecánica mediante un proceso térmico y a pesar que el automóvil diésel y gasolina han reducido el consumo y las expulsión a la atmósfera de dióxido de carbono causante del efecto invernadero: los autos del siglo pasado y los de hoy contaminan igual, el "procedimiento mundial armonizado de pruebas para vehículos ligeros (en inglés) "WLTP", es una norma para homologar los vehículos, obligando a las industrias a construir coches que solo emitan un máximo de 10 al 30% de CO2 al medio ambiente, el límite para el año 2020 es de 95 gramos en autos de gama media de cualquier marca: aplicando duras sanciones a las industrias que lo incumplan, igual el óxido de nitrógeno "NOx" en el diésel.

Ruido
La contaminación acústica generada por los nuevos amplificadores de sonido 4D y el de los motores térmicos, producen un promedio de 80 decibelios de ruido contaminante en la ciudad, los autos antiguos alcanzan el pico de 110db: el pico máximo de 140db es el umbral de dolor en los seres humanos: un avión en despegue lo hace a 130db. Esto además de crear malestar general induce desequilibrio e irritación, el estrés psicológico en las personas y la alteración de la conducta en los lactantes y niños.

Polución
En algunos países el nivel toxico que expelen los motores de combustible es tal que crea efectos contra la salud, en las actividades económicas y al ecosistema en tal magnitud que por momentos es necesario, detener, restringir o limitar el tráfico en las ciudades altamente contaminadas, para controlar los niveles tóxicos, y no solo esto, sino que produce la acidificación del mar, así como acelera el calentamiento global que podría bloquear y ralentizar las corrientes oceánicas con efecto inmediato sobre la vida y la fauna marina, por solo citar un ejemplo.

Potencia y rendimiento
La potencia y el rendimiento de un motor térmico es mala y crítica, solo del 30%. La ineficiencia de energía contenida en el combustible y la energía mecánica ofrecida por la explosión, genera mucho calor que no es aprovechable, son necesarias, múltiples piezas móviles, que por el rozamiento crean grandes pérdidas de potencia. Un motor de combustible es incapaz de girar en ralentí a menos de 700RPM, por debajo de esta velocidad de giro, el motor se vuelve inestable o se detiene, aun estando en la posición libre. El giro del motor cuando es lento, se debe a que no llega suficiente combustible a los cilindros, entonces la potencia es muy baja, solo aumenta con el número de revoluciones por minuto, hasta alcanzar la velocidad régimen, por eso la eficiencia es solo del 25% para los motores de gasolina y del 30% para los motores diésel.

Potencia = Torque x RPM

El torque o par motor, es la fuerza con la que gira el eje del motor, se mide en Newton/metro (Nm), concretamente es la fuerza que se ejerce sobre un cuerpo para girarlo o torcerlo. El régimen de giro es el número de vuelas que da el eje del motor por unidad de tiempo y se mide en revoluciones por minuto (RPM). Entonces la potencia del motor o caballo de fuerza, también llamado caballo de potencia, se obtiene al multiplicar el torque por las revoluciones por minuto: se puede expresar en caballos de vapor (CV), en caballos de fuerza (HP) o en kilovatios (kW).

1 kW = 1,36 CV
1 CV = 0,9863 HP = 0,7355 kW
1 HP = 1,0138 CV = 0,7457 kW

En un motor térmico hipotético de 100 HP, la potencia efectiva puede variar de 25 a 55 HP hasta llegar a 100HP, que es el máximo valor que puede entregar el auto como resultado directo en el consumo de combustible.

Embrague
El embrague (clutch) su misión es acoplar o separar, la trasmisión para que gire libremente el motor. El motor si no adquiere la revolución ideal, no tiene la fuerza para mover el automóvil, como tampoco puede acoplarse a la trasmisión estando detenido el auto. La potencia del motor térmico aumenta con el número de revoluciones por minuto hasta alcanzar la velocidad régimen entre 3,500 y 4,000 RPM, pero: cuando el motor rebasada esa velocidad, vuelve a decrecer su potencia, porque al girar muy de prisa el llenado de los cilindros es pequeño y la fuerza del motor disminuye, es en la velocidad régimen que el motor produce la máxima potencia.

Caja de cambios
La caja de cambios es necesaria para cuando el motor posee bajas revoluciones no agote sus fuerzas, alterando la trasmisión puede lograrse que el motor vuelva a girar de prisa entregando toda su potencia a costa de menos velocidad en su avance.

Componentes y accesorios
Además del sistema de encendido, la caja de cambios, el generador, el diferencial, la bomba de agua, la bomba de dirección hidráulica, la batería de arranque, el tubo silenciador de escape y otros muchos accesorios del motor; podrá comprenderse, el nivel de ingeniería mecánica asociada a un motor de combustión interna.

Motor eléctrico
El motor eléctrico es un mecanismo con una estructura simple que puede ser construido en manufacturas, con el que se obtiene un rendimiento y eficiencia del 95% con pérdidas del 5%. Cualquiera puede construirlo e incluso hacerlos a mano, no emiten gases tóxicos a la atmósfera y generan un ruido cercano a los 20db, algo similar al nivel que se establece por una conversación en una habitación.
El motor eléctrico es simple y mientras más simple es un dispositivo, más robusto y duradero será, y por tener menos partes y componentes, menos podrá fallar.

Máquinas eléctricas rotatorias

El motor eléctrico (fig.1), es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en energía mecánica por la acción de los campos magnéticos Principio del motor electricogenerados en sus bobinas. Son en realidad "máquinas eléctricas rotatorias" compuestas por un estator y un rotor.
Los motores eléctricos son reversibles: pueden convertir la energía mecánica en energía eléctrica, funcionando como generadores.
El motor usado en automóviles eléctricos realiza ambas tareas, generando el par de fuerza para mover el auto, y la energía para el reabastecimiento de la carga en las baterías, tanto en bajadas como en el frenado. Un motor eléctrico de corriente continua de aprox. 48 a 144V y 600A de 86KW puede lograr 62HP caballos de fuerza nominales, constantes, a velocidades de giro desde 1 a 6,000 RPM, suficiente para hacer la conversión de un auto de combustible a eléctrico, son fáciles de instalar y solo requieren de un "controlador" para ajustar las revoluciones del motor, utilizando un circuito electrónico en régimen conmutado del tipo PWM o PPM. De hecho, una buena parte de las conversiones realizadas para autos de combustibles a eléctricos se hacen con este tipo de motor monofásico de c.c. por su simplicidad.

Motor trifásico
El motor eléctrico trifásico (Fig.2), es movido por tres corrientes alternas de igual frecuencia y amplitud, pero con una diferencia de fase entre ellas sobre los 120°, puede instalarse en autos eléctricos por ser más pequeño que los motores de c.c. poseer más potencia y fuerza que los anteriores, así como es más ligero: el problema en ellos es el bloque electrónico, un inversor, un circuito más complejo y de diseño más elaborado.

El auto eléctrico

El auto con motor eléctrico (Fig.2), no requiere de embrague, tampoco de caja de cambios, porque es eficiente sobre el 95%, se inicia con una potencia máxima y nominal proporcionando al automóvil un torque instantáneo desde cero hasta la máxima revolución.

El automovil electrico
Los motores de C.A. trifásicos, pueden generar desde 1 a 20,000RPM con una aceleración potente, continua, rápida, lineal, siendo 3 veces más eficientes que el motor de combustión interna.
El auto eléctrico es silencioso y no emite contaminantes tóxicos al medio ambiente, con una autonomía mínima de 150km, y máxima de 500km, excepto algunos tipos de hasta 850km. Logrando independencia en el uso del petróleo, siempre que esté vinculado con energías renovables, pues el costo del combustible, es causa de preocupación por la volatilidad de los precios y su posible futuro, ante el colapso en el suministro y el daño tóxico al medio ambiente, además por el calentamiento global.

Baterías

El problema que algunos aducen como, el talón de Aquiles, para el auto eléctrico lo representan las baterías, y aunque la recarga de los autos de este tipo si dependiera de la red eléctrica: el núcleo de contaminación estaría fuera de la ciudad, además, las centrales termoeléctricas son eficientes sobre el 50%, mucho más que los motores térmicos con el 30%. Un problema real es el peso muerto de las baterías y el tiempo de recarga, calculado entre 8 a 14 horas en las residencias, y de 4 horas de carga rápida, en centros públicos de abastecimiento. Las baterías de plomo: no serían recomendables porque añaden más peso al auto; luego están las baterías de ácido plomo de celdas de gel, las que contienen electrolitos gelificados y no requiere de agua adicional en las celdas, es la más ligera de las dos.

Batería de litio
La tercera alternativa más costosa, son las baterías de iones de litio, mucho más ligeras, pero más caras, las que poseen en una variedad de voltaje y amperaje que permite conectar una serie de baterías más pequeñas. Lo ideal es poseer 144 voltios y alrededor de 600 amperios para tener 86KW, lo ideal para el completo desempeño de un auto eléctrico y una potencia de 62Hp, recordando que es una potencia nominal, muy superior a la de un auto ligero de combustión.

Baterías de grafeno
Las limitaciones de los vehículos eléctricos es su autonomía, y gracias a los nuevos modelos de batería de grafeno esa limitación es irrelevante. El grafeno es una lámina de un solo átomo de espesor, dispuesto en un patrón regular hexagonal, es cien veces más fuerte que el acero, con una densidad parecida a la fibra de carbono con un peso cinco veces más ligero que el aluminio, puede ser sintetizado en diversas formas, consiguiendo una estructura y propiedades distintas. Es un material de dos dimensiones, el cual, cada átomo de carbono se une a otros tres mediante enlaces cuadrados, para formar una lámina con estructura plana similar a un panal de abejas. Antes se creía que los materiales de dos dimensiones no podían existir sin ser parte de estructuras tridimensionales y no es así. Es el cristal más delgado descubierto en la naturaleza, con un espesor de solo un átomo de carbono, posee extraordinaria conductividad eléctrica, se comporta como un metal y como un semiconductor, y los electrones se mueven a muy alta velocidad, la conductividad de este material nunca será cero ya que los electrones pueden moverse libremente por la lámina de grafeno sin quedar aislados en zonas que no puedan salir, tampoco ofrece el efecto Joule, ni posee pérdida de energía cinética de los electrones en forma de calor por ofrecer una muy buena movilidad electrónica con un bajo nivel de ruido, permite que sea utilizado como canal para transistores de efecto de campo FET. Por tanto, el grafeno bautizado como el material de Dios, sustituirá al silicio en los semiconductores, se utilizará en pantallas táctiles, sensores, paneles solares, transistores, en la electrónica de potencia, las comunicaciones satelitales, acelerará la Internet y mucho más.

Las primeras baterías de grafeno ya se venden en el mercado: tienen una densidad energética mucho mayor, 1KWh/kg provocando una reducción de tamaño en las mismas, mientras que las de litio no superan los 200Wh/kg. Estas nuevas baterías no explotan, comparadas con las de litio, pueden ser cortocircuitadas y seguir funcionando, aunque pierden el 50% de su rendimiento. Las nuevas baterías de grafeno no sufren del efecto memoria, y su velocidad de carga es de 100C, lo que permite recargar la batería al 100% en menos de 10 minutos, mientras que la velocidad de carga de las baterías de litio es inferior a 5C, por lo que, en vehículos eléctricos con baterías de grafeno ofrecen una autonomía de hasta 800 kilómetros. Estas baterías triplican la potencia comparadas con las de ion-litio y reducen su precio en un 77%. Hoy las baterías de polímero de grafeno poseen 1.000 kilómetros de autonomía, con una recarga que no supera los ocho minutos.

Energía renovable
Si bien es cierto que con las baterías de grafeno se consolida el auto eléctrico, para el proceso tecnológico 4.0 en despegue, es imprescindible, así como importante, incorporar la recarga de las baterías a los sistemas de energía renovable por celdas solares y turbinas aerogeneradoras en las residencias, y completar el ciclo en desarrollo, de esta forma concluye la dependencia al combustible fósil. En cuanto a la electrónica: véase el artículo. Mecatrónica: conversión del auto de combustible a eléctrico (próximamente).

Autor: José Enrique Chávez Rodríguez 
Modelo autorizado: Alber Antony Oliva. EE.UU.


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