Introducción al Sistema de Propulsión Eléctrico y sus Componentes

El tren motriz eléctrico es el sistema de propulsión eléctrica que impulsa los vehículos eléctricos. Consta de varios componentes clave, como la batería, el motor eléctrico y el sistema de gestión de energía.

Este artículo presenta los principales componentes del tren motriz e ilustra un esquema general de un tren motriz eléctrico.

El tren motriz de un vehículo comprende los principales componentes responsables de generar y transmitir energía para propulsar el vehículo. Sirve como el corazón mecánico del vehículo, convirtiendo energía en movimiento.

Un tren motriz convencional se basa en motores de combustión interna impulsados por gasolina o diésel. Por el contrario, un tren motriz eléctrico utiliza motores eléctricos alimentados por baterías recargables, dando como resultado cero emisiones del tubo de escape y un funcionamiento más silencioso.

A continuación, se muestra una descripción general de los principales componentes de los sistemas de propulsión de cero emisiones y cómo impulsan el vehículo. Hay tres tipos principales de fuentes de energía que se utilizan para alimentar un automóvil: baterías, pilas de combustible (hidrógeno) y combustión interna (diésel y gasolina). Es evidente que las baterías son la única fuente renovable de energía eléctrica. Por otro lado, para las otras dos fuentes, se destaca que existe un proceso para obtener la energía eléctrica o mecánica (electrólisis en el caso de la fuente de hidrógeno y síntesis en el caso de la fuente de combustión interna).

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Componentes principales de los tipos de tren motriz. PEM Motion (2022)

Un tren motriz eléctrico tiene un 60% menos de componentes en comparación con un vehículo con motor de combustión interna.

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Tren motriz eléctrico en el interior del coche. Reporter (2019)

A continuación, se muestra un diagrama esquemático de un tren motriz eléctrico, con los componentes en sus posiciones convencionales. Observe que el puerto de carga se encuentra cerca del borde del automóvil, desde donde se cargan las baterías de alto y bajo voltaje. Estas baterías, a su vez, alimentan el motor eléctrico (y, por supuesto, otros componentes del automóvil), y el torque generado por el motor se distribuye a las ruedas del automóvil a través del diferencial.

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Esquema general de un tren motriz eléctrico. PEM Motion (2022)

A continuación, se presentan los componentes del tren motriz eléctrico.

Paquete de batería (batería), (alto voltaje y bajo voltaje):

Compuesto por muchas celdas de iones de litio, la batería almacena la energía necesaria para alimentar el vehículo y proporciona una salida de “corriente continua” (CC).

Convertidor CC/CA:

Las baterías proporcionan corriente continua (CC), esta se convierte en corriente alterna (CA) y se envía al motor eléctrico.

Motor eléctrico:

El motor eléctrico convierte energía eléctrica en mecánica, la cual se transfiere a las ruedas a través de la transmisión.

Cargador:

Converts the alternating current received via the charging port into direct current and controls the amount of current flowing into the battery packs.

Diferencial:

El diferencial es un sistema de transmisión que permite que las ruedas motrices individuales (las ruedas que reciben potencia) en el mismo eje giren a diferentes velocidades, particularmente durante ciertas maniobras del vehículo, como girar.

Eficiencia:

La eficiencia de los sistemas de propulsión de cero emisiones puede evaluarse mediante un método denominado Well-to-wheel (Del pozo a la rueda).

Well-to-wheel (Del pozo a la rueda) es un método para evaluar la eficiencia y las emisiones de una fuente de energía teniendo en cuenta todo su ciclo de vida. Evalúa las emisiones de gases de efecto invernadero generadas a lo largo de todo el ciclo de vida del combustible. Este método es la forma más completa y precisa de medir el consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero.

Pérdidas de eficiencia, que incluyen tanto la eficiencia del pozo al tanque como la del tanque a la rueda también ocurren. A continuación encontrará un diagrama que ilustra las diferentes etapas de estos procesos, comenzando con la extracción de combustible. Dependiendo de la fuente de energía primaria, ya sea petróleo o electricidad, el combustible se transforma a través de cada una de estas etapas. Luego, el combustible se llena en el tanque de un vehículo con motor de combustión interna (ICE) y se usa para impulsar el vehículo. En cambio, una vez generada la electricidad, la energía se utiliza en un punto de recarga para recargar la batería de un vehículo eléctrico. A continuación, se utiliza para alimentar el vehículo.

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Proceso de Well-to-tank (Del pozo al tanque) y Tank-to-wheel (Del tanque a la rueda). PEM Motion (2023)

La siguiente tabla muestra la eficiencia de los combustibles en diferentes tipos de vehículos. Principalmente, desde su extracción hasta su uso en el vehículo para impulsar su movimiento. Cabe destacar que la electrificación directa tiene el mayor porcentaje de eficiencia en su producción y almacenamiento (94%, pozo al tanque) y el mayor porcentaje de eficiencia en su uso en el vehículo (82%, tanque a la rueda), dando un porcentaje total aproximado desde la extracción hasta el uso en el vehículo del 77% (pozo a la rueda). Esto lo convierte en la opción más eficiente en comparación con todas las demás fuentes de energía para alimentar un vehículo.

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Visión general de la eficiencia Well-to-wheel (Del pozo a la rueda) de los respectivos sistemas de propulsión. PEM Motion (2022)

A continuación, se explican las características clave de cada método:

Eficiencia del Well-to-tank (Del pozo al tanque)

La eficiencia del Well-to-tank (Del pozo al tanque) tiene en cuenta las pérdidas y las conversiones de energía que se producen a lo largo de la cadena de suministro, incluida la extracción, la refinación, el transporte y la distribución.

Proporciona una evaluación de la eficacia con la que la fuente de energía primaria se convierte en una forma de energía utilizable específicamente para fines de transporte, lo que puede ayudar a evaluar la eficiencia general y el impacto ambiental de diferentes sistemas energéticos o combustibles.

Pérdidas:

• Distribución directa de electricidad a estaciones de carga.
  • Cuando la electricidad se transmite desde las centrales eléctricas a las estaciones de carga de vehículos eléctricos, pueden producirse pérdidas debido a la resistencia de las líneas de transmisión, los transformadores y otros componentes. Estas pérdidas reducen la cantidad de energía disponible para cargar vehículos eléctricos.
• Conversión de electricidad a hidrógeno y transporte/almacenamiento a estaciones de servicio.
  • En los casos en que la electricidad se convierte en hidrógeno para su uso como combustible en determinados vehículos, se producen pérdidas asociadas al proceso de electrólisis utilizado para producir hidrógeno y al posterior transporte y almacenamiento del hidrógeno. Estas pérdidas pueden ocurrir en cualquier etapa y afectar la eficiencia general de la vía energética.
• Síntesis de gasóleo/gasolina a partir de electricidad, CO2 y el proceso Fischer-Tropsch.
  • El proceso de síntesis de combustibles líquidos como el diésel o la gasolina utilizando electricidad y CO2 implica varios pasos, cada uno de los cuales conlleva pérdidas de energía. Adicionalmente, este proceso Fischer-Tropsch, un método de producción de hidrocarburos líquidos a partir de gas de síntesis tiene sus propias ineficiencias inherentes.

Eficiencia del Tank-to-Wheel (Del tanque a la rueda)

La eficiencia del tanque a la rueda considera varios factores que afectan la conversión de energía dentro del vehículo; eficiencia del motor, sistemas de transmisión, tren motriz y otros componentes involucrados en la conversión de la energía del combustible o energía almacenada en propulsión.

Representa la eficiencia energética real experimentada por el vehículo durante el funcionamiento y es una métrica importante para evaluar el rendimiento general y el impacto medioambiental de los diferentes vehículos o tecnologías de transporte.

Pérdidas:

• Extracción de energía directamente de la batería al motor eléctrico.
  • Cuando se toma energía eléctrica de la batería del vehículo y se envía al motor eléctrico para su propulsión, pueden producirse pérdidas debido a factores como la resistencia en el cableado, las ineficiencias del motor y generación de calor. Estas pérdidas reducen la cantidad de energía utilizable que llega al motor y contribuyen a una reducción general de eficiencia.
• Conversión de hidrógeno en electricidad para alimentar el motor eléctrico.
  • En escenarios en los que el hidrógeno se utiliza como combustible para un vehículo eléctrico, hay pérdidas asociadas a la conversión de hidrógeno en electricidad a través de pilas de combustible u otros métodos. Este proceso de conversión puede implicar pérdidas en eficiencia, generación de calor y otros factores que afectan la eficiencia general de conversión de energía.
• El combustible líquido (diésel/gasolina) se quema en un motor de combustión interna.
  • Cuando se queman combustibles líquidos como el diésel o la gasolina en un motor de combustión interna (ICE), se producen pérdidas debidas al propio proceso de combustión, así como ineficiencias a la hora de convertir la energía de combustión en trabajo mecánico para impulsar el vehículo. Estas pérdidas incluyen pérdidas por calor, por fricción y por otros factores que reducen la eficiencia del motor.

En resumen, la eficiencia del pozo al tanque abarca toda la cadena de suministro de energía, mientras que la eficiencia del tanque a la rueda se centra únicamente en la conversión y el uso de energía del vehículo. Ambos son importantes para evaluar la eficiencia global y el impacto ambiental de los sistemas de transporte.

Conclusión:

El tren motriz eléctrico se está convirtiendo rápidamente en la opción preferida para la propulsión de vehículos debido a sus muchos beneficios, incluida una mayor eficiencia energética, un menor impacto ambiental y menores costos de mantenimiento.

La integración de componentes clave como la batería, el motor eléctrico, el inversor y el sistema de gestión de energía es fundamental para lograr un rendimiento óptimo y una experiencia de conducción satisfactoria.

El futuro del transporte se centra en el tren motriz eléctrico y su continua evolución tecnológica.