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Autonomía en autopista: cuidado con la “velocidad de equilibrio”

febrero 23, 2022
dibujar velocidad
En carretera, a velocidades de código, el consumo de coches eléctricos puede resultar prohibitivo. ¿Qué hacer?

¿Qué es la “velocidad de equilibrio”? ¿Y de qué sirve saberlo? El profesor Massimo Ceraolo lo explica en este artículo que nace como respuesta a muchos lectores que nos preguntan por las estrategias de conducción de los coches eléctricos en coche-carretera.

Por Massimo Ceraolo ∗

entender los vehículos eléctricos
Massimo Ceraolo Pacinotti

Todos aquellos interesados ​​en los vehículos eléctricos saben que los coches de batería consumen mucho más circulando por autopista que en un entorno urbano, y mucho más de lo que afirma el fabricante.

Algunos se sienten un poco burlados por el fabricante, creyendo que el consumo indicado es “¡incorrecto! O, en el mejor de los casos, “poco realista”.

En realidad hay una seria lógica detrás de los consumos declarados por los fabricantes, y también hay una forma clara de “no dejarse engañar” por esos indicios.

¿La máxima autonomía? A una velocidad constante de 90 km/h

De hecho, la conducción por autopista se caracteriza por la necesidad de vencer la fuerte resistencia del aire, a velocidades muy superiores a las de la ciudad. Y cuanto más rápido vas, peor se pone la situación. Así que ir más lento reduce el consumo.

Así que es útil e interesante, creo, preguntar:

  • ¿Existe una velocidad de equilibrio? Es decir, una velocidad constante (en autopista se va bastante constante) que da el mismo consumo de combustible que la homologación?
  • ¿Cuánto puede valer esta velocidad?

Mi respuesta a estas preguntas es simple: Sí, existe una velocidad de este tipo, y su valor, en los ejemplos que he realizado, ha resultado siempre (en primavera y otoño) entre 85 y 95 km/h.

Esto nos da una idea muy clara de la situación, y también nos ayuda concretamente: si durante un viaje me encuentro un poco corto de autonomía, solo baja a 90 km/h y entramos en una conducción de bajo consumo que nos hará hacerlo mucho más camino.

Esta velocidad de dibujo es, en mi opinión, tan importante que casi se recomienda que los fabricantes la anuncien.

Para los más curiosos e interesados ​​explico a continuación el razonamiento y la metodología que seguí para llegar a estos resultados.

Aquí porque. Comencemos con el consumo WLTP

En realidad, para poder declarar consumos, los fabricantes deben cumplir unos procedimientos muy específicos, establecidos por normas técnicas y procedimientos de homologación, por lo que esos consumos son “de acuerdo con el procedimiento de aprobación“.

Como sabemos, desde hace algunos años, este procedimiento se llama en Europa Procedimiento de prueba de vehículos ligeros armonizado a nivel mundial (WLTP). En italiano significa “procedimiento de control armonizado para vehículos comerciales ligeros”. Este procedimiento se basa en gran medida (pero no exclusivamente) en una ciclo de prueba Ciclo de prueba de vehículos ligeros armonizados a nivel mundial (WLTC)

Este tipo de ciclos se denominan más precisamente ciclos cinemáticos y consisten en perfiles de viaje caracterizados por una velocidad en función del tiempo.

Las siguientes figuras muestran representaciones de dos ciclos de prueba: el NEDC, utilizado en Europa para las homologaciones hasta 2017, y el WLTC3 (válido para turismos normales y precisamente para vehículos de más de 34 kW/t), actualmente en uso. En el mundo se usan y se han usado muchos otros ciclos en los cuales no debemos extendernos.

Estos ciclos son adecuado para clases de vehículos grandes, ya que no especifican ni el par ni la potencia del vehículo, sino solo cómo debe moverse. Con un mismo ciclo las potencias serán muy diferentes de vehículo a vehículo dependiendo de sus características de construcción, como masa, Cx, dimensiones delanteras, características de rodadura de los neumáticos, etc.

De la figura anterior se ve claramente cómo el ciclo NEDC, de menor duración y longitud del trayecto, estaba más estilizado que el segundo. Nos convencemos fácilmente de que el segundo es mucho más realista que en el uso diario normal.

También se ve como el ciclo NEDC tiene una primera parte compuesta por cuatro repeticiones de un ciclo elemental simple y una segunda parte, a partir de los 800 segundos, denominada EUDC (Extra-urban Driving Cycle o EUDC) a velocidades superiores, representativa del tránsito. en un corto tramo de autopista.

El WLTC también se divide en cuatro zonas, a velocidades medias denominadas respectivamente baja, media, alta y muy alta.

Rutas estándar, la autopista está infrarrepresentada

Es bastante evidente que ambos ciclos consideran la parte de autopista sólo para comprobar que el vehículo es capaz de afrontarla con las prestaciones adecuadas. Pero no son en absoluto representativos de un largo viaje por autopista.

Si hacemos un viaje largo mayoritariamente por carretera, estaremos por mucho tiempo en las condiciones de velocidad “muy alta” y sólo en periodos cortos de severas desaceleraciones, tramos de conexión urbanos y extraurbanos, las velocidades serán menores.

Por autopista circula largos tramos a velocidades bastante regulares, por lo que para ese tipo de trayectos sería más útil para conocer el consumo a velocidad constante en lugar de tan variable como wltc.

Por tanto, es interesante saber cómo se relacionan los consumos WLTC con los de velocidad constante.

Es más, existe y uno dibujar velocidad ¿Para qué consumo a velocidad constante es equivalente a WLTC? Si existiera, que valores tiene ¿generalmente?

Sería muy importante para los usuarios ya que sabrían a que velocidad en la carretera para poder tener consumos cercanos a los declarados por el fabricante, y por tanto planificar mejor los viajes y paradas para recargar.

Consumo de energía y velocidad

En el artículo Vehiculos-electricos-5 hemos mostrado un diagrama simple pero efectivo capaz de describir la estructura del tren de fuerza de un vehículo eléctrico de batería. Lo informamos por conveniencia a continuación, con algunas pequeñas adiciones.

Diagrama del tren de fuerza de un vehículo eléctrico de batería. Las flechas indican los flujos de energía.

Cuando conducimos a una velocidad constante y en llano, la potencia fluye en el sentido de la tracción: sale de la batería, atraviesa el inversor, el motor, la caja de cambios, llega a las ruedas ya la carretera. Esta potencia se disipa luego en calor en la fricción de rodadura y en el hecho de que mientras viaja el vehículo mueve el aire, que absorbe energía y luego la disipa en calor.

Cuando la velocidad varíasiempre al nivel de las diferentes situaciones.

  • Si el aumenta la velocidadparte de la fuerza de tracción no va a vencer la fricción y la resistencia del aire, sino las venas acumulado en energía cinética. Como tal, puede recuperarse posteriormente. En esto la energía cinética se asemeja a la energía potencial gravitatoriay: cuando levantamos un peso, por ejemplo del suelo a la superficie de una mesa, el trabajo que hemos realizado (y la energía que hemos gastado) solo se acumula y puede devolverse más tarde cuando el peso de la mesa vuelve a la piso.
  • Si el la velocidad disminuyela energía cinética previamente acumulada durante la aceleración puede ser recuperado en bateríaa excepción de las pérdidas inevitables a lo largo del “camino” dentro del tren de potencia (caja de cambios, motor, inversor y la propia batería)

De manera completamente análoga a velocidad constante:

  • Cuándo estamos cuesta arriba parte de la potencia de tracción se almacena en forma de energía potencial
  • Cuándo estamos cuesta abajo la energía almacenada como energía potencial puede devolverse a la batería (excepto las pérdidas a lo largo del “camino” dentro del tren de potencia).

Depuramos el cálculo de cargas auxiliares

A estos consumos se suman los de los denominados cargas auxiliares. Todas las cargas que no son necesarias para la propulsión son auxiliares: luces, movimiento de elevalunas y espejos eléctricos, infoentretenimiento, etc. La consideración de las cargas auxiliares complica mucho el análisis, pero queremos mantenerlo simple.

La cosa se puede importar así: con mucho, la mayor cantidad de energía conectada a las cargas auxiliares es esa necesario para el acondicionamiento térmico refrigeración en verano, calefacción en invierno Este acondicionamiento se refiere tanto al habitáculo como a la batería externa, que debe permanecer en un rango de temperatura adecuado.

Para simplificar las cosas imaginemos de evaluar el consumo de energía en la mitad de la temporada: en primavera u otoño. En estos casos la carga por acondicionamiento ambiental es muy modesta, y el resto de cargas auxiliares tienen poca incidencia en el consumo. Señalo que no se trata sólo de una elección de este artículo, sino mucho más amplia: las tesis de homologación con el WLTC se ejecutan precisamente con el sistema de acondicionado ambiental apagado precisamente para evitar insertar una variable adicional en la medida del consumo que restaría aún más importancia a los datos medidos. Nosotros haremos lo mismo, por lo que nuestro razonamiento también será válido para las temporadas medias.

Resistencia, acumulación y pérdidas: hacia dónde va la energía

Por lo tanto, podemos dividir el consumo de energía en tres tipos:

  1. consumo para vencer la resistencia al movimiento. Son disipativos e inevitables. Debido precisamente a que nos movemos y nos movemos a cierta velocidad
  2. consumo relativo con acumulaciones de energía. Hemos visto que están relacionados con la energía cinética, que se acumula acelerando y se recupera frenando al recuperarse, y la energía potencial, que se acumula en la subida y se recupera en la bajada.
  3. consumo relativo a las ineficiencias de los componentes del tren de potencia. Se deben a que cada vez que la potencia pasa por el tren de fuerza, atraviesa la batería, el inversor, el motor, la caja de cambios y “pierde algo en el camino” al pasar.

El consumo del segundo tipo permite el frenado regenerativo aprovechando el hecho de que el tren de potencia de los BEV es reversible pero…

implican un pasaje de “ida y vuelta” en los componentes que implican pérdidas vinculadas al consumo del tercer tipo.

Si por ej. la caja de cambios logra una eficiencia del 97%, el 3% de la potencia que le llega se transforma en calor y el 97” llega a las ruedas. Si consideramos el ida y vuelta, en ambos pasos perdemos un 3% y al final hemos perdido (aproximadamente) un 6%. Por ejemplo, cuando acelero y luego freno tengo este viaje de ida y vuelta y esta doble pérdida de energía.

Qué significa y cómo llegar a la “velocidad de equilibrio”

evaluarlo con un simulador adecuado es simple. El verdadero problema es que para calcularlo necesitas datos del vehiculo muy completo Además de los datos generales que nos permitieron en el artículo Simulemos el plaid Tesla Model-S Para evaluar algunas actuaciones de la tela escocesa S de Tesla y compararlas con los datos publicados, necesitamos datos de eficiencia del tren de fuerza y estos son imposible de encontrar.

A veces se encuentran mapas útiles en artículos científicos, pero no sabemos cómo son realmente los mapas de consumo en los vehículos del mercado. A continuación se muestra un ejemplo del conjunto inversor y motor. Lo ves como el las eficiencias son muy altas a altas potencias (alrededor del 90%) mientras soltar muchohasta que caiga por debajo del 55% cerca de los ejes, luego con bajas velocidades o pares bajospor lo tanto potencias bajas.

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Ejemplo de un mapa de eficiencia (B. Badin, et al: Evaluación de eficiencia energética de un vehículo híbrido enchufable según el procedimiento europeo, procedimiento armonizado mundial y uso real, “DOI 10.3390 / WEVJ7030475)

Con tablas que me parecen “razonables”, pero que no puedo publicar porque son demasiado sofisticadas, para varios vehículos modernos, por lo tanto con bajos coeficientes de fricción de rodadura y Cx, y buenas eficiencias del tren de potencia que tengo. encontró velocidades de equilibrio entre 85 y 95 km/h (siempre calculado sin tener en cuenta ninguna absorción de acondicionamiento térmico).

Ciertamente estos son números que dejan el tiempo que encuentran, si no están asociados a vehículos muy específicos.

Modelo Tesla s-Plaid, por ejemplo…

Para tratar de ser un poco más concreto, puedo pensar que el plaid de Tesla tiene un mapa de eficiencia no muy diferente al que se muestra en la figura de arriba, y que el valor de consumo de WLTC presente en ev-database.org es correcto. Para el cuadros S ese sitio informa el consumo en el WLTC de 151Wh/km (no me queda claro si incluye absorción de acondicionamiento).

A velocidades de autopista, un Tesla Plaid pone en juego una potencia mucho más modesta que la máxima; por lo tanto, la eficiencia del tren de fuerza no puede ser muy alta. Suponiendo que Tesla hizo un buen trabajo y pudo lograr una marcada disminución en el consumo a bajas potencias, planteo la hipótesis de que el tren motriz tendrá una eficiencia a velocidades de autopista del 85% que, combinada con las pérdidas en el reductor, conduciría a una83% de eficiencia total.

Repito, estas son hipótesis no sustentadas en elementos concretos que yo sepa.

Sin embargo, si efectivamente el tren motriz (desde la batería hasta el cubo de la rueda), tuvo una eficiencia del 83%, con el velocidad de 91 km/h tendríamos un consumo de 151 Wh/kmtal como lo informó EV-Database en el WLTC.

Si en el WLTC (por lo tanto, sin aire acondicionado), el consumo fuera en realidad 151 g / kWh, 91 km/h sería la velocidad de equilibrio.

La curva de consumo con velocidad creciente

¿Cuánto aumenta el consumo al aumentar la velocidad? A esto es fácil responder: en el rango de 80-140 km / h, sin cometer grandes errores, considere la eficiencia de la unidad como constante; en consecuencia, la tendencia de la curva es la misma resistencia al movimiento que introduje en el artículo Comprender los vehículos eléctricos / 4 Energía, consumo y velocidad crítica – Vaielettrico (leyes).

Lo informo aquí, como un porcentaje del consumo que se produce a 100 km/h, para un vehículo con una velocidad crítica de 80 km/h.

Tendencia de consumo con velocidad variable (en porcentaje del consumo a 100 km/h)

Constructores, dennos la velocidad de equilibrio

Para que un constructor encuentre la velocidad de equilibrio, la que supone el mismo consumo del ciclo WLTC a velocidad constante, es cuestión de un momento; Yo mismo, si estuviera en posesión de los datos de eficiencia, no tardaría más de unas pocas horas. Ahora me pregunto: ¿por qué no publicarlo?

La publicación de estos datos sería, como se dice hoy, un ganar-ganar: sí reduciría la desconfianza que muchos tienen sobre las estimaciones de rango de vehículos (hasta el punto de que algunos llaman al estimador de rango con cierto desprecio “adivinador”) y el fabricante no tendría ningún inconveniente: no tendría que publicar datos sensibles, y no tendría ningún daño a su imagen en comparación con otros fabricantes.

Sólo beneficios para todos.

De acuerdo con el WLTC, esta distancia debe calcularse con el aire acondicionado apagado. El empeoramiento del consumo en invierno es otro problema que aqueja a muchos usuarios de BEV, pero esa es otra historia.

Catedrático de Vehículos Eléctricos e Híbridos en Ingeniería de Vehículos en la Universidad de Pisa.

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