Pensando en armonía con los tiempos

Los primeros vehículos de motor se diseñaron pensando en carretas a las que se les ponía un motor, los hubo con motor de: vapor, eléctrico, de combustión interna ciclo Otto y ciclo Diesel. El pensamiento estaba muy adelantado en cuanto a la idea de hacer que algo muy parecido a las carretas se moviera con los motores de la era industrial.

Obviamente, al no estar en armonía con los tiempos la tecnología de las carretas motorizadas, no prosperaron, aunque fueron buen intento. Los vehículos de motor prosperaron hasta que fueron diseñados aprovechando los avances de todas las ramas de la ciencia y tecnología de su tiempo, es decir, se armonizaron con los tiempos.

Hoy la humanidad se encuentra ante la encrucijada de que la popularización de ese gran invento de los vehículos con motor de combustión interna, fueron tan exitosos que con la contaminación ambiental que producen, enferman a la especie que los inventó, amenazan las demás especies vivas y, en suma, con destruir los sistemas que sostienen la vida en el planeta al ser los causantes del efecto invernadero y la alteración del clima global.

¿Hay alternativa? Sí, los vehículos impulsados por energía eléctrica. De eso hablaremos en este documento.

¿Qué retrasa el avance?

En el sistema social-económico-político en que vivimos, dominados desde hace 40 años por la clase social Omecafi (oligarquía mafiosa especuladora canalla financiera internacional), que aprovechó la 3ª revolución industrial con los avances en la informática, la automatización, la robótica, las comunicaciones, los instrumentos financieros y el dinero deuda, junto con otros inventos en electrónica, nanotecnología y bioquímica, para establecer su dominio del mundo.

Esta clase social que utiliza la especulación y la usura como instrumento de acumulación de riqueza y poder, la codicia y el miedo junto con la doctrina falsa neoliberal para mantener la hegemonía, no está interesada en cambiar nada que amenace su estructura de poder. Dejó de ser revolucionaria para convertirse en conservadora. Sólo que la 4ª revolución industrial está en gestación y "nada tiene más fuerza que una idea cuando le ha llegado su tiempo." (Víctor Hugo)

El vehículo eléctrico

Desde los primeros vehículos con motor los hubo eléctricos, pero los avances científico-tecnológicos de la 2ª revolución industrial no alcanzaron para que estuvieran en "armonía con los tiempos" y su utilización se pospuso más de un siglo. ¿Fracasó? Sí, pero no para siempre. En más de 100 años, los avances en ciencia y tecnología lo convirtieron en una idea que le ha llegado su tiempo. Hoy con la irrupción masiva del vehículo eléctrico la humanidad podrá ponerse en "armonía con los tiempos" y salvar a la especie de la extinción.

Ya vimos que los seres humanos, a pesar de todos los avances en ciencia y tecnología, solemos seguir pensando en términos del pasado, como sucedió con las carretas motorizadas. Lo mismo ocurre con los vehículos eléctricos hoy día, los seguimos pensando en términos de vehículos con motor de combustión interna. Lo cual es un error.

Elon Musk, que es un genio, dirigió el desarrollo del Tesla S y ahora el Tesla 3, pero sigue pensando en términos de vehículos de motor de combustión interna. Ambos autos tienen un poderoso motor alimentado por vigorosas y pesadas baterías de litio a modo de tanques de combustible. Los vehículos siguen siendo pensados en términos de movilidad personal y de lujo, para beneficiar a las clases sociales de élite que excluyen a la mayoría de la población. Las estaciones de recarga las piensa en términos de gasolineras, lo cual, junto a lo anterior pertenece a un sistema mundo que pronto entrará en decadencia, porque la 4ª revolución industrial ya está en gestación.

La mayoría de desarrollos del auto eléctrico giran en torno a los paradigmas que he mencionado para Elon Musk y la fábrica Tesla Motors. Aunque Renault, KIA, Nissan, VW y BMW han incorporado ideas brillantes e innovadoras. La revolución del vehículo eléctrico no despega.

En China, en "armonía con los tiempos" se apuesta por el desarrollo de los vehículos de movilidad colectiva, autobuses y taxis. ¿Por qué en armonía con los tiempos? Porque el mundo se viene moviendo hacia la propiedad colectiva desde finales de los años 60"s, mientras la propiedad privada declina hasta en los países desarrollados. (Por todo el mundo se construye propiedad colectiva en condominio y la propiedad individual declina).

En el mundo de la automatización, la robótica, la informática, nanotecnología, genética, los instrumentos financieros y las comunicaciones, que ha construido trenes eléctricos de levitación y microprocesadores del tamaño de un botón de camisa, ¿no es viable el vehículo eléctrico? Claro que lo es, sólo que avanza lentamente o está detenido porque seguimos pensando en términos del pasado. Las mayorías somos de naturaleza conservadora.

Retos que hay que superar

• 1. El paquete de baterías tiene que ser estándar y fácilmente removible para una marca de vehículo y no pertenecer al propietario. Es decir, ser arrendado e intercambiable rápido por un robot en las estaciones de servicio. ¡Cómo los tanques de gas LP o pomponas! ¡El precio de los vehículos se reduciría considerablemente! ¡Vivimos en una era financiera dónde la propiedad colectiva avanza, hay que pensar en esos términos!

• 2. Seguir a China en el desarrollo de los vehículos de uso colectivo antes que los de uso privado, que ya no están en armonía con los tiempos. A las ciudades se deben incorporar flotillas completas y bajar la contaminación ya.

• 3. Desarrollar esquemas financieros para que el transporte colectivo, también sea colectivo en su propiedad, incorporando a los chóferes, la sociedad y los gobiernos.

• 4. Las fábricas de vehículos eléctricos y baterías deben seguir a Elon Musk en lo referente a la producción con el mayor porcentaje con energías renovables (él usa la solar). Disminuir la huella ecológica en la fabricación de vehículos eléctricos y baterías debe ser prioridad.

• 5. El quinto punto es la propuesta de este documento y lo desarrollaremos enseguida:

Los motores de tracción en la 4ª revolución industrial

Se ha incorporado la revolución de la electrónica de potencia a la evolución de los motores de tracción. Quedarse en eso solamente es seguir pensando en términos del pasado.

Los motores de vehículos eléctricos deben revolucionar, ser pensados en términos de la tecnología de punta actual. Existen avances artesanales de experimentadores, que con muy pocos recursos, han iniciado esta revolución. Ya existen prototipos de motores axiales de imanes de neodimio y bobinas axiales, en vez de los antiguos motores de flujo radial. Pero falta pensar en términos sistémicos. Hacer que cada componente armonice con los demás, usted no le pondría las llantas de un Chevy Monza a un auto Mercedes Benz, no están en armonía.

El Dr. Charles Perry de MTSU (Universidad de Tennessee) en su prototipo para un híbrido hizo un de motor de 40 imanes de neodimio y 27 bobinas montado en el tambor de frenos de la rueda trasera de un Honda Wagon. Conservando todas las características del vehículo. Ver figura:

En Alemania, con mayores recursos, también se ha experimentado con los motores montados directamente en las llantas del vehículo e incluso ya tienen un paquete para el mercado. El disminuir las partes móviles de un vehículo tiene muchas ventajas, estamos frente a una desmaterialización de la tracción en los vehículos accionados por electricidad. Menos partes en movimiento menor desgaste, costos de mantenimiento pequeños. Ver figura:

La propuesta

La propuesta del presente documento es la siguiente:

Partiendo del motor del Dr. Perry con 40 imanes y aumentando las 27 bobinas a 30, instalados en el eje trasero de un vehículo. Es decir, un motor en cada rueda, en total la tracción se la encargamos a 60 bobinas. Podríamos desarrollar la potencia de 18.65 kilowatts (kW) para un auto 100% eléctrico de alrededor de 1000 kg de peso, consumiendo 310 Watts (W) por bobina. (18.65 kW era la potencia eléctrica real de tracción desarrollada por el motor VW 1600 cc)

Pensando en términos del pasado la solución de un solo motor de 18.65 kW y 72 voltios corriente directa serían 259 amperios. Una corriente muy peligrosa para inexpertos, que pone en peligro su vida. Taylor Dunn usa 12 baterías plomo ácido de ciclo profundo de 6 voltios ciclo profundo (casi al final presentamos una foto). En nuestra propuesta hablamos de 24 ó 48 voltios y 13 ó 26 amperios para cada bobina y potencia de 310 W. En otro tiempo esta solución daría risa, no había manera de hacer funcionar un motor alimentando bobinas así.

Pero estamos en la era de la electrónica de potencia y cada bobina puede ser operada por un circuito PWM. Tendríamos 30 circuitos PWM en cada rueda motriz y dos tarjetas electrónicas funcionando controladas, por un microprocesador que los enciende y los apaga de acuerdo con una inteligencia programada y señal de retroalimentación de encoders (tacómetro digital) instalados en cada rueda motriz, en el eje de dirección y el acelerador.

¿Son las únicas señales de retroalimentación que se pueden incorporar? No, vivimos en la era de la robótica, se pueden incorporar cientos de señales. A los estadounidenses y los japoneses (según vídeos de Youtube) les llama mucho la atención que los autos eléctricos aceleran de 0 a 100 kilómetros/hora (km/h) en 6 segundos y pueden alcanzar más de 350 km/h, a mi me parece que eso es pensar en vehículos de combustión interna. Requerimos un vehículo inteligente, funcional, seguro, ecológico y de bajos costos de operación. Cuyo uso colectivo pueda masificarse.

Es posible que la tecnología eléctrica se desarrolle más rápido en vehículos como autobuses y taxis, por el factor de escala y porque circulan en ciudades, es decir, espacios limitados en distancia y tráfico intenso. Allí se requieren flotillas completas, se cuenta con mayores recursos y las infraestructuras pueden ser fácilmente construidas.

La figura muestra el modo de operación de los inversores PWM, en ellos se tiene control del encendido y apagado a diferentes frecuencias. Es el tipo más moderno de control de velocidad de motores síncronos (jaula de ardilla) y los motores sin escobillas, por medio de variar la frecuencia. Ver figura:

Pueden ser considerados como transformadores de corriente directa a corriente alterna. ¿Por qué una módulo (o tarjeta) para cada bobina? Para manejar voltajes y potencias menores. No es lo mismo manejar 312 W, que 624 W en caso de usar un módulo cada 2 bobinas, que también se puede, pero o duplicamos la tensión de 24 a 48 voltios con la misma corriente o duplicamos la corriente de 13 a 26 amperios con la misma tensión.

Manejar tensiones de 24 voltios es más seguro. Simplifican el arreglo de las baterías, que en este caso serían una tierra común y 30 baterías en arreglos de 24 voltios, con salidas independientes para cada módulo de control de una rueda y 30 baterías con salidas independientes para la otra rueda, 60 en total. El manejo de corrientes de 13 amperios a 24 voltios con 312 W por circuito, proporciona mayor seguridad. Pero el arreglo de 48 voltios también es viable.

En la actualidad la electrónica de potencia está muy desarrollada, con señales de control del orden de 3 a 5 voltios y corrientes de micro o miliamperios, se puede controlar el encendido y apagado de transistores y diodos controlados de silicio tanto para el accionamiento de bobinas, como para recoger la energía regenerada por ellas. Las señales de posición del pedal acelerador y los encoders de las ruedas, pueden ser comparadas para apagar los transistores de alimentación a las bobinas y encender los diodos controlados de silicio que recogen la energía regenerada por las bobinas.

En otras palabras, cuando se disminuye la presión sobre el acelerador lo suficiente, el microprocesador manda el comando de encendido de los diodos controlados y éstos a través de un circuito regulador eléctrico, comienzan a cargar las baterías, actuando como freno eléctrico suave. Cuando el acelerador se deja de pisar de súbito, el freno eléctrico actuará con mayor energía y cargará las baterías a mayor régimen. Hablamos de un sistema de regeneración inteligente que podría recuperar hasta 90% de la energía de frenado.

Cuando los operadores se familiaricen con los autos eléctricos, la eficiencia de operación mejorará sustancialmente. Todavía habrá muchos años de manejo similar al auto de gasolina. Es aquí donde el auxilio de funciones limitadoras desarrolladas en la robótica serán de gran ayuda.

La aceleración y el par de arranque operados electrónicamente aseguran que el encendido y apagado de bobinas sea a través de rampas que venzan la inercia y la resistencia ofrecida por una pendiente, consumiendo el mínimo de corriente de la fuente de alimentación, conservando las baterías y cuidando su vida útil. Los variadores de velocidad comerciales tienen esas funciones, no es algo que se tiene que inventar, ya está inventado y probado.

La relación de giro del volante captada por un encoder en fracciones de grado, será la señal que ordene al control compensar la velocidad de giro de la llanta interior respecto a la llanta exterior en las curvas, es decir, será un diferencial electrónico con tracción en ambas ruedas. A diferencia de los diferenciales mecánicos dónde una de las dos ruedas es la que tiene tracción. Los vehículos eléctricos pueden conservar la tracción en las dos ruedas motrices todo el tiempo.

Para el software de la robótica actual la mayoría de las funciones que requiere un vehículo eléctrico ya están desarrolladas y probadas ampliamente. En la industria metalmecánica se habla actualmente de sensores capaces de detectar tolerancias de diezmilésimas de pulgada y de micrómetros. Esa tecnología debe ser incorporada a los vehículos eléctricos, está disponible.

Para efectos de estimación del costo podemos comparar con los inversores de 624 W muy comunes para sistemas de energía no interrumpible (no breack) que contienen una batería y un transformador, ambos no requeridos y cuyo costo ronda los $ 30 USD, hacen que la propuesta ronde los $1,800 USD (60x$30=$1800), tomando en cuenta que se requiere un microprocesador y electrónica adicional. También, tomar en cuenta que partimos de precios minoristas al público.

La computadora y el microprocesador de inter-fase también tienen un costo, pero como es electrónica de baja potencia no tiene altos costos, alrededor de mil dólares. Cada día se usan más computadoras de oficina, mediante interfaces, conectadas a procesos industriales para monitoreo, administración y control. Esta tecnología ha reducido su tamaño, es económica y se encuentra en plena madurez.

Faltarían las baterías, que hasta el momento las más indicadas son de Litio, alrededor de 2,520 celdas de 7.4 W, alrededor de $3 mil dólares. El costo de la celda de litio se ha reducido los últimos años el mostrado en la figura puede ser más alto. Las baterías de ciclo profundo plomo ácido se siguen usando en vehículos eléctricos, carros de golf, montacargas, camionetas repartidoras y almacenamiento de energía eléctrica solar. Ver figuras:

Conclusión

Parece que en China con la fabricación de autobuses y taxis se encuentra a la vanguardia en los vehículos eléctricos para uso colectivo. Técnicamente todavía se sabe muy poco de las soluciones que han propuesto, pero los kilómetros alcanzados por cada carga de baterías en ciudades los ha colocado como una opción viable. Mientras que Alemania con sus ruedas motrices pensadas en función de auto eléctrico, son tecnológicamente superiores al resto de las propuestas, es la que más se acerca a la opción ofrecida por el presente documento.

La electrónica de potencia reduciendo su escala de potencia a cada bobina es una opción viable y al alcance de los que hoy están convirtiendo sus autos de combustión interna en eléctricos. En mi caso iniciaré la experimentación de prototipos para la escala que propongo a fin de desarrollar un motor eléctrico-electrónico-imanes permanentes en un tambor de frenos traseros de Chevy.

Bibliografía

http://bydit.com/doce/products/Li-EnergyProducts/

http://www.ebay.com/gds/What-s-the-Lifespan-of-an-Electric-Car-Battery-/10000000177633616/g.html

http://www.autolibreelectrico.com/archives/1625

Baterías de litio para vehículos eléctricos

http://autolibre.blogspot.com/2015/07/multiplica-por-tres-la-eficiencia-de.html

http://autolibre.blogspot.com/2015/06/revolucion-para-masificacion-de.html

http://www.hibridosyelectricos.com/articulo/tecnologia/protean-y-skf-desarrollaran-motores-hibridos-y-electricos-en-las-ruedas/20130204193027004551.html

Capacidad Nominal de una Bateria de Plomo Acido

http://www.primepower.mx/productos.html

http://www.greencarreports.com/news/1078189_convert-your-car-to-a-plug-in-hybrid-all-you-need-is-3000

http://www.quiminet.com/articulos/que-es-un-variador-de-frecuencia-y-como-es-que-funciona-60877.htm

Autor:

Iván Jaime Uranga Favela