Vehículo con ampliador de autonomía MAHLE

Usando un motor de combustión interna como un ampliador de autonomía, trenes de fuerza movidos a batería en vehículos de paseo pueden conquistar una autonomía que sea comparable a aquella de los trenes de fuerza convencionales. El ampliador de autonomía puede, así, volverse un camino para aplicaciones de serie más amplias en vehículos con sistemas de accionamiento eléctrico. Actualmente, MAHLE está investigando esta tecnología de tren de fuerza usando un motor de combustión interna como ampliador de autonomía y un vehículo de demostración, ambos desarrollados internamente.

Como base para el vehículo de demostración con propulsión eléctrica y ampliador de autonomía (Range Extended Electric Vehicle – REEV o, en traducción libre, vehículo eléctrico con ampliador de autonomía), MAHLE seleccionó un vehículo con propulsión convencional del segmento B. Las principales razones para esta decisión fueron que los estimados del mercado para trenes de fuerza con ampliador de autonomía y un perfil de usuario típico que incluye trayectos diarios en ciudades y calles en la franja de 50 a 80 km, además de los desafíos relacionados al empaquetamiento. Aquí, se vuelve particularmente útil la compacta y flexible posición de instalación del motor ampliador de autonomía de MAHLE.

El proyecto de dos cilindros en línea con generador integrado hace al ampliador de autonomía significativamente menor que el motor de 4 cilindros en línea, de 1.2 litros, instalado en el vehículo base. Gracias al paquete extremadamente compacto del motor de tracción eléctrica de 55 kW (100 kW de pico) y de la transmisión reductora de dos velocidades, todos los principales componentes de accionamiento (incluyendo el inversor y las unidades de control), excepto la batería de alto voltaje, fueron fácilmente dispuestas en el front-end del vehículo.

La proximidad directa del motor de combustión interna con los componentes de accionamiento eléctrico en el ya apretado espacio de instalación del front-end requiere la integración de circuitos separados de refrigeración. La típica temperatura del refrigerante de 90oC del motor de combustión interna no debe afectar el nivel de temperatura significativamente más baja del circuito de refrigeración del motor eléctrico (cerca de 40oC), lo que se consigue por medio de la aislación. La estrategia de refrigeración del radiador principal en el vehículo de demostración está basada en los requisitos de cada uno de los circuitos individuales. Cuando es necesaria refrigeración adicional en un circuito, este recibe prioridad total en la interacción entre los dos circuitos.

Fundamentalmente, el tren de fuerza eléctrico fue proyectado para permitir que el vehículo de demostración cumpla o exceda en el desempeño de conducción del vehículo base, excepto por la velocidad máxima. También fue importante demostrar que la configuración de accionamiento no requiere que se sacrifique el volumen de carga. La batería de alto voltaje, con 14 kWh de capacidad de almacenamiento – está instalada abajo del piso, en el receso de la rueda de auxilio, sin afectar el espacio de carga o el compartimiento de los pasajeros. Por otra parte, el tanque de combustible de aproximadamente 45 litros del vehículo base fue reducido casi a la mitad, llegando a 25 litros.

MAHLE optimizó la estrategia de operación del ampliador de autonomía para el consumo mínimo de combustible en la operación de conducción, al mismo tiempo que cumple con los límites para emisiones de escape, ruido y vibraciones. Para eso, las variaciones en la velocidad de rotación dentro de un ciclo de combustión fueron reducidas tanto como sea posible en las primeras etapas de desarrollo, minimizando así el esfuerzo de aplicación requerido para el motor. El control dinámico de carga del generador y una selección apropiada de los puntos de operación proporcionan una base muy buena. Como se demostrara en numerosas pruebas de arranque en frío, en el NEDC los puntos de operación con carga parcial a bajas velocidades son el mejor compromiso entre las bajas emisiones de gases de escape (aproximadamente 30 % de los límites de la Euro 6) y el consumo de combustible.

Con base en la actual legislación europea aplicable las emisiones de gases, para obtener los menores valores de emisión de CO2 en motores eléctricos con ampliadores de autonomía (y con los así llamados vehículos híbridos en general), la autonomía puramente eléctrica debe ser maximizada al mismo tiempo que el ampliador de autonomía no debe sobrecargar la batería. Asumiendo que la potencia eléctrica deriva de fuentes «renovables» de energía (viento, agua o solar), cualquier energía remanente en la batería al final de un trayecto sería contra productiva desde el punto de vista del CO2. Una estrategia operativa para el REEV que optimiza el consumo del combustible solamente acciona el ampliador de autonomía cuando se alcance el nivel de carga baja de la batería (para maximizar la autonomía de crucero puramente eléctrica), y entonces permanece solo marginalmente por encima de la potencia de accionamiento requerida (o sea, + 1 kW). Para reducir las emisiones de ruido en la operación real de conducción a prácticamente abajo del nivel de ruido de fondo, una estrategia operativa potencial es accionar el ampliador de autonomía solamente en casos excepcionales (tales como en niveles muy bajos de carga de la batería) si la demanda de potencia estuviera por debajo de 5 kW o si la velocidad del vehículo estuviera en menos de 45 km/h. En la condición estándar de operación, la potencia de salida está ajustada proporcionalmente a la velocidad del vehículo.

La estrategia de operación permite al vehículo de demostración ir más allá de la autonomía crucero puramente eléctrica de 70 km, agregando más de 400 km, con un total de menos de 45 g CO2/km. Esto corresponde a una reducción de CO2 de cerca de dos tercios cuando se compara con el buen número inicial del vehículo básico. La clave aquí es la alta eficiencia general conseguida por el tren de fuerza MAHLE. Más de 31 % en el mejor punto en el tren de fuerza como un todo es un valor impresionante, especialmente si consideramos las desventajas físicas de eficiencia de los conceptos de propulsión híbridos seriales, con dos conversiones adicionales de energía (de la mecánica a la eléctrica y, de vuelta, de la eléctrica a la mecánica). Aunque la eficiencia de un tren de fuerza convencional, de cerca de 35 % (gasolina) y encima de 40 % (diésel) no pueda ser superada por un REEV debido a la naturaleza del sistema, con el tren de fuerza de MAHLE la diferencia es sorprendentemente pequeña.

Gracias a esfuerzos globales en la dirección de reducciones aún más significativas en el consumo de combustible y en las emisiones, en el futuro será usada una amplia gama de diferentes trenes de fuerza, dependiendo del área de aplicación. Esto será particularmente debido a la optimización continua del ya establecido motor de combustión interna. En la próxima década, trenes de fuerza puramente eléctricos pueden alcanzar una franja global de mercado de cerca de 5 % en el ambiente urbano, con vehículos pequeños y compactos. Gracias al ampliador de autonomía, estos vehículos aumentarán mucho su anteriormente limitada autonomía y, como un todo, reducirán los costos como resultado del uso de baterías con menor capacidad de almacenamiento. El ampliador de autonomía puede, por lo tanto, hacer que el tren de fuerza eléctrico sea mucho más atractivo. Así, con base en escenarios internos para el tren de fuerza, MAHLE prevé que el ampliador de autonomía tiene una oportunidad realista frente a los vehículos puramente eléctricos en los próximos diez años y, con este producto, está activamente definiendo el desarrollo continuo futuro de la movilidad.