El vehículo eléctrico japonés Nissan
Leaf se venderá en varios países de América latina en 2018, según se ha
anunciado, entre los que se encuentra Argentina. Nos concentraremos en aspectos
técnicos que no se tratan en la infinidad de artículos publicados en la prensa
y solo mencionaremos en forma muy resumida algunas de esas características que
han tenido amplia difusión.
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Fig.
1 – Vista exterior del VE Nissan Leaf
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Introducción
En
la Fig. 2 se
muestra el esquema genérico de propulsión y carga de batería principal de un
vehículo eléctrico, para introducirnos en el Nissan Leaf y poder entender mejor
sus características.
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Fig. 2 – Esquema genérico del vehículo eléctrico. (EVSE) EV supply equipment = equipo de suministro para el vehículo
eléctrico.
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El
motor eléctrico representado con la letra M, en la Fig.2, es un motor de
alterna trifásico para la mayoría de los vehículos eléctricos, aunque puede ser
sincrónico o asincrónico. En el caso del Nissan Leaf es un motor sincrónico.
Recordemos
que ambos motores funcionan con tensión alterna trifásica aplicada al estator,
que produce un campo magnético rotante. En el caso del asincrónico este campo
rotante induce un campo en el rotor. La interacción de ambos campos hace girar
el rotor. En el caso del motor sincrónico, el rotor produce su propio campo, generado
por corriente contínua, o un imán permanente, que al interactuar con el campo
rotante del estator, hace girar al rotor.
El Nissan Leaf
tiene un motor trifásico sincrónico de imanes permanentes, que es capaz de
entregar hasta 150 CV de potencia (110 kW). Esto le permite
acelerar de 0 a 100 km/h en 7,9 segundos
Como
se muestra en la Fig.2 ,
la tensión de la batería principal del vehículo eléctrico, o batería de
propulsión (Battery), se aplica a la entrada de un conversor dc/dc bidireccional,
para obtener el valor de la tensión contínua que necesita el inversor de
propulsión y esta operación se hace con alta eficiencia, convirtiendo la
tensión contínua en alterna pulsante de una frecuencia alta del órden de los
20KHz y luego rectificándola para obtener una tensión contínua estabilizada y
con el valor deseado.
El
inversor genera la tensión alterna sinusoidal que alimentará al motor
sincrónico que, mediante el mecanismo de transmisión mecánica, accionará al
vehículo eléctrico con tracción delantera. El control de la velocidad del vehículo
eléctrico se realiza variando la frecuencia de la onda de alterna generada en
el inversor, lo que hará variar las r.p.m del motor eléctrico y permitirá el
recorrido sobre las curvas características mostradas en la Fig.3 .
Esto es posible dado que en todo momento se cumple la ecuación [1].
Esto es posible dado que en todo momento se cumple la ecuación [1].
n (rpm) = f [Hz]
x 60 / p [1]
Donde n es la velocidad de rotación del
rotor, conocida como velocidad de
sincronismo, f es la frecuencia
de la tensión alterna sinusoidal que alimenta al motor y p es el número de pares de
polos.
Con
este concepto, podemos comprender por qué los vehículos eléctricos no necesitan
cambio de marcha.
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Fig.3
– Curvas características de motores eléctricos y a combustión interna.
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P = T ω = T n /
(60/2π) ~T n / 9,55
Donde:
P es la potencia en Vatios
T es el par motor en Newton metros
ω es la velocidad angular en radianes/segundos
n = (rpm)
En
el esquema genérico de la Fig.2
se muestran dos formas de cargar la batería de propulsión. En el primer caso se
hace desde una línea trifásica, por medio de un rectificador trifásico y
conversor dc/dc unidireccional y en el segundo caso desde una línea monofásica,
usando un rectificador monofásico y el conversor bidireccional en sentido
contrario al usado para accionar el motor. El primer caso es común en las
estaciones de carga rápida. La segunda forma es la usada en la llamada carga
normal y es la que se usa para la carga doméstica, desde un toma corriente de
las viviendas. Es más lenta y por consiguiente la que prolonga la vida de la
batería.
El
Nissan Leaf incluye el cargador monofásico
a bordo del vehículo, un plug para conectar a un toma corriente estandar
de una vivienda y la caja de control EVSE que debe ser instalado en la casa. El
rectificador trifásico para carga rápida no está incorporado al vehículo, pero el Nissan Leaf admite la conexión de la salida de dc (cc) del cargador de un puesto de carga rápida para alimentar directamente la batería de propulsión.
La
posibilidad de carga rápida solo está disponible como opcional, mediante la
provisión de un conector para tal fin. Un vehículo equipado con un conector de
carga rápida es compatible con la mayoría de los conectores CHAdeMO* (estándar de la industria
japonesa) en las estaciones de carga.
* CHAdeMO es el nombre registrado de un protocolo de recarga de
baterías para vehículos eléctricos que suministra hasta 62,5 kW, 500 V, 125 A de corriente continua
DC a través de un conector eléctrico. Se presenta como un estándar global por
la asociación del mismo nombre. CHAdeMO es el acrónimo de "CHArge de
MOve", que se traduce como “carga para moverse”.
Los
tiempos de recarga para el Nissan Leaf serían 16hs con 3KW; 6hs con 8KW para
carga completa y 40 minutos para una carga parcial del 80% con carga rápida. En
Córdoba, Argentina, la gran mayoría de las viviendas tienen una potencia
contratada de 5KW. O esperan 16 hs, o cambian su contrato.
Por
otro lado, para potencias instaladas menores a 40KW, no es posible tener en Córdoba,
tarifa diferenciada por horario, de modo que no será posible para los particulares
aprovechar el menor precio de la energía de valle nocturno para cargar la batería
de su auto eléctrico.
El
Nissan Leaf tiene una segunda batería de 12V, de menor tamaño, de plomo-ácido, similar
a la de los autos a gasolina, para alimentar instrumentos de tablero y otros
accesorios, que se carga a expensas de la batería de propulsión y no se carga
con cargador desde la red de alterna como la principal.
Ubicación de los principales componentes
en el Nissan Leaf
En
la Fig.4 , se
muestra esquemáticamente la ubicación de los principales componentes del Nissan
Leaf.
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Fig.4 – Principales componentes del Nissan Leaf
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La
ubicación de las baterías (el componente más pesado de un vehículo eléctrico),
cercana al suelo (debajo de los asientos), hacen que el centro de gravedad del vehículo se
encuentre muy bajo, lo que le da una gran estabilidad en las curvas. El centro
de gravedad muy bajo fue siempre una característica histórica de CITROËN, lo
que hacía que los vehículos de esa marca fuera casi imposible que volcaran.
En la Fig.5
se muestra una fotografía de los componentes ubicados en la parte
delantera del vehículo.
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| Fig.5 – Detalle de los componentes ubicados en la parte delantera del vehículo. |
En la Fig.6
se puede apreciar una vista lateral del vehículo mostrando partes del exterior
y del interior.
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| Fig.6 – Vista lateral del Nissan Leaf parcial interior y exterior |
La batería de
propulsión
La
batería de propulsión del Nissan Leaf 2018 tiene una capacidad de 40 kWh y
cuenta en su interior con 192 celdas, agrupadas en 24 módulos de 8 celdas cada
uno, con una configuración interna 4s2p, como se muestra en la Fig.7 .
Cada
celda tiene una tensión nominal de 3,65V, por lo que la tensión de cada módulo
será 3,65 x 4 = 14,6V.
Los
24 módulos están conectados en serie, por lo que la tensión de la batería será:
14,6x24 = 350,4V.
Tendremos
un total de 192 celdas en la batería (24x8), con una configuración global
96s2p.
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Fig.7
– Constitución de un módulo formado por 8 celdas en conexión 4s2p.
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Autonomía del Nissan Leaf
La autonomía, o sea la cantidad de kilómetros que puede recorrer el vehículo con una carga completa de su batería de propulsión, depende de varios factores, como la temperatura externa, el uso del aire acondicionado (que es alimentado por la batería de propulsión), la edad de la batería y la manera de conducir. En general, cuanto más amigable sea el medio ambiente, mayor será la autonomía. Una pantalla de a bordo, fácil de usar, muestra los datos clave de la batería, incluido el saldo de máxima autonomía disponible, la potencia de salida y la electricidad regenerada. Un indicador ecológico en el medidor muestra el estado del consumo de electricidad, brindando información en tiempo real sobre la eficiencia de manejo del conductor.
El sistema de frenado regenerativo del Nissan LEAF también aumenta el alcance del vehículo.Al aplicar el freno o al levantar el pié del acelerador, el motor eléctrico actúa como un generador eléctrico, convirtiendo la energía, que de otro modo se desperdiciaría, en energía de la batería, según la ecuación
La autonomía, o sea la cantidad de kilómetros que puede recorrer el vehículo con una carga completa de su batería de propulsión, depende de varios factores, como la temperatura externa, el uso del aire acondicionado (que es alimentado por la batería de propulsión), la edad de la batería y la manera de conducir. En general, cuanto más amigable sea el medio ambiente, mayor será la autonomía. Una pantalla de a bordo, fácil de usar, muestra los datos clave de la batería, incluido el saldo de máxima autonomía disponible, la potencia de salida y la electricidad regenerada. Un indicador ecológico en el medidor muestra el estado del consumo de electricidad, brindando información en tiempo real sobre la eficiencia de manejo del conductor.
El sistema de frenado regenerativo del Nissan LEAF también aumenta el alcance del vehículo.Al aplicar el freno o al levantar el pié del acelerador, el motor eléctrico actúa como un generador eléctrico, convirtiendo la energía, que de otro modo se desperdiciaría, en energía de la batería, según la ecuación
f [Hz] = n [rpm] x p / 60
El
freno regenerativo permite aprovechar la energía que, durante el accionamiento
de un freno convencional, se transformaría en calor por rozamiento y se
perdería. Al frenar, el motor sincrónico deja de funcionar como motor y se hace
funcionar como generador sincrónico, de modo que la energía cinética de la
inercia del vehículo se usa para mover el rotor del generador, generando energía
eléctrica que es enviada a la batería de propulsión y frenando el vehículo
debido a la acción de tener que hacer girar el eje del rotor. Desde el punto de
vista conceptual, la energía del frenado solo ha cambiado de destino: en el
frenado convencional se transforma en calor y en el regenerativo se almacena
como carga de la batería.
Si
bien el Nissan Leaf utiliza una bomba de calor como aire acondicionado, con
todas sus características de alta eficiencia, en invierno el desarrollo de las
reacciones químicas de oxidación y reducción que tienen lugar dentro de la
batería entre el cátodo y el ánodo, con el consiguiente movimiento de
electrones, se ve afectado por la temperatura. Con temperaturas muy bajas disminuye
la difusión iónica en el electrolito y se ralentizan las reacciones químicas
(suele decirse que aumenta la resistencia interna de la batería). Como la
actividad química es menor, también es menor la capacidad "real" de
la batería en esas circunstancias.
Existen
distintas normas, correspondientes a distintos países, para especificar la
autonomía de los vehículos. Todas ellas consisten en homologar los vehículos en
pruebas estándar, llevadas a cabo en laboratorios, siendo útiles para comparar
la autonomía de un vehículo con respecto a los otros homologados bajo la misma
norma, pero no es posible esperar que los valores de autonomía especificados
por ellas coincidan durante la marcha en condiciones reales.
En
Europa, el Nissan Leaf se anuncia con una autonomía oficial de
hasta 378 kilómetros (ciclo europeo NEDC).
En Japón, país natal de Nissan, se ha presentado con una autonomía
certificada de hasta 400
kilómetros (JC08).
Y en Estados Unidos, la certificación de la autonomía de este coche ronda los 240 kilómetros (EPA).
Referencias
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