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Aerodinámica en la era de la electromovilidad

Documento basado en el artículo de: https://newsroom.porsche.com/es

La era de la movilidad eléctrica ha dado un nuevo impulso al desarrollo de la aerodinámica en el automóvil. Por una parte, la eficiencia energética ha cobrado más importancia que nunca y la resistencia al aire es uno de sus factores determinantes. Por otra, la refrigeración en un vehículo eléctrico, muy distinta a la que necesitan los equipados con motores de combustión, requiere un diseño específico.

Un dato que resulta muy ilustrativo del progreso en aerodinámica en la era de la electromovilidad: con un valor Cx a partir de 0,22, el Taycan tiene el mejor coeficiente de resistencia al avance de todos los modelos actuales de Porsche. Y, sin embargo, no se puede considerar que se ha llegado al límite de desarrollo. Los elementos aerodinámicos activos y los nuevos métodos de desarrollo podrán aportar mejoras en el futuro.

La resistencia que ofrece el aire

La resistencia aerodinámica desempeña un papel decisivo en el consumo de combustible, sobre todo a velocidades altas. "A partir de unos 80 km/h, la resistencia aerodinámica ya es mayor que la de rodadura en los neumáticos", explica Marcel Straub, Ingeniero Jefe de Aerodinámica y Gestión Térmica en Porsche Engineering. "Y como aumenta cuadráticamente con la velocidad, la aerodinámica es un factor principal para el consumo de energía, sobre todo al conducir por vías rápidas".

La resistencia aerodinámica de un vehículo viene determinada por el producto de su área frontal y su valor Cx. En el caso del Taycan, con ese Cx de 0,22 y una superficie frontal de 2,33 m², el factor de resistencia aerodinámica es 0,513 m².

Perspectiva histórica

Los intentos de reducir la resistencia al avance son casi tan antiguos como el automóvil, aunque al principio estaban dedicados a coches de competición y de récord. Muchos de estos últimos eran eléctricos, como los de Jeantaud, el Jamais Contente (primer coche que superó 100 km/h, en 1899) o los Baker Electric Torpedo.       

Al final de la década de 1920 y, sobre todo, durante la de 1930, la aerodinámica fue materia de estudio para ingenieros del automóvil. En muchos casos habían trabajado anteriormente para la industria aeronáutica, en el diseño de aviones y dirigibles. Sin embargo, no fue hasta la Crisis del Petróleo de 1973 cuando se empezó a prestar más atención a la resistencia aerodinámica en coches de serie, un trabajo que comenzó a dar fruto a gran escala en los 80.

En 1982, el Audi 100 se consideraba la berlina más aerodinámica del mundo, con un coeficiente Cx de 0,30. Era un valor extremadamente bajo para la época y, sin embargo, había margen de mejora. Casi veinte años después, el Audi A2 bajaba a 0,25, algo notable en un coche de sus proporciones. "Fueron verdaderos saltos adelante en aerodinámica", recuerda el profesor Andreas Wagner, catedrático de Ingeniería de Automoción de la Universidad de Stuttgart.

El impulso de la electromovilidad

Actualmente se está dando el siguiente salto, impulsado por la transición a la electromovilidad. "Las cadenas cinemáticas eléctricas tienen una eficiencia mucho mayor que los motores de combustión interna, por lo que otros factores de consumo de energía adquieren mucha más importancia", explica Thomas Wiegand, Director de Aerodinámica, Investigación y Desarrollo de Porsche AG. "En el ciclo de conducción WLTP, la resistencia aerodinámica causa entre el 30 y el 40 % del consumo en los coches eléctricos, frente a menos del 10 % en un vehículo con motor diésel o de gasolina. Y, como la velocidad media en circulación normal es aún mayor que en el ciclo WLTP, es probable que esta cifra sea incluso superior al 50 por ciento en esas condiciones".

En consecuencia, los fabricantes están poniendo mucho énfasis en optimizar la aerodinámica de sus vehículos eléctricos. La nueva tecnología de propulsión les está ayudando a conseguirlo. Los coches con motor de combustión tienen un sistema de escape con una superficie irregular que genera turbulencias y aumenta la resistencia al avance. En los modelos eléctricos, en cambio, la batería se encuentra entre los ejes delantero y trasero y su parte inferior es completamente lisa, lo que favorece una buena aerodinámica.

Otra ventaja del vehículo eléctrico es que sus motores generan menos calor, lo que significa que hay que disipar menos energía. Como resultado, se necesita menos o incluso ningún flujo de aire a través del compartimento del motor, lo que supone una reducción añadida de la resistencia.

Aerodinámica activa

En el Taycan, las entradas de aire inferiores laterales en la parte frontal tienen elementos móviles para dirigir el aire hacia dos radiadores. Al mismo tiempo, regulan el flujo de entrada a los frenos según las necesidades, a través de un canal específico. El control central que conecta todos los sistemas del chasis, registra la carga térmica de los discos de freno y, en caso necesario, (por ejemplo, en un circuito) les aplica una refrigeración intensiva.

El sistema Porsche Active Aerodynamics (PAA) ofrece varias ventajas en la parte frontal del Taycan: con las tomas de aire cerradas, desciende la resistencia aerodinámica. Abiertas aumenta la refrigeración y el rendimiento de los frenos. Estos elementos móviles actúan siempre según las necesidades, teniendo en cuenta las condiciones de circulación, la velocidad y la refrigeración que hace falta.

En la parte posterior del Taycan, el alerón se despliega en tres posiciones distintas para influir en la aerodinámica del vehículo con un doble fin: bien reducir la resistencia para aumentar la eficiencia y la autonomía, o bien generar carga para conseguir los mejores tiempos por vuelta en circuito.

Los elementos de aerodinámica activa podrían desempeñar un papel aún más importante en el futuro y cambiar significativamente el aspecto de los vehículos durante la marcha. El experto Straub también imagina que los coches cambiarán de forma mientras circulan: "La parte trasera podría, por ejemplo, volverse más angulosa a velocidades altas para formar bordes de separación más afilados. Los nuevos materiales con memoria de forma podrían servir de base para ello. Cambian su geometría según la temperatura o el voltaje aplicado".

En la Universidad de Stuttgart, los investigadores siguen un planteamiento totalmente novedoso: "Estamos examinando si es posible reducir el valor Cx en determinados puntos de la carrocería provocando vibraciones sistemáticamente", explica Wagner. "Si se introduce un pulso definido en el flujo alrededor del coche mediante altavoces, se puede influir en la separación de ese flujo". En el caso de un todoterreno, añade, fue posible reducir el valor Cx en un siete por ciento utilizando este método. "Pero aún queda camino por recorrer antes de la producción en serie", afirma Wagner. "Tenemos que asegurarnos, por ejemplo, de que los pasajeros no oigan ningún zumbido o murmullo".

Simulaciones cada vez mejores

Los ingenieros y diseñadores evalúan en qué medida sus ideas afectan a la aerodinámica de los nuevos vehículos en el túnel de viento y mediante simulaciones CFD (mecánica de fluidos computacional). "Las simulaciones CFD han cobrado una enorme importancia en los últimos 20 años", afirma Wagner. "Se han comprendido mejor los métodos matemáticos, se han desarrollado herramientas más precisas y también ha aumentado la potencia de procesamiento de los ordenadores".

Hoy en día, sin embargo, las simulaciones por ordenador siguen encontrando limitaciones. Por ejemplo, actualmente solo es posible calcular de forma limitada el efecto de la rotación de los neumáticos. Tampoco es posible simular con suficiente precisión su deformación bajo el peso del vehículo. En el futuro, esto será posible, al igual que la optimización asistida por ordenador de la geometría del vehículo. "Hay numerosos parámetros interrelacionados, como la forma del perfil, la inclinación del pilar A, la altura del capó trasero o el ángulo del difusor", explica Wagner. "Esto da lugar a tantas combinaciones posibles que un ser humano ya no puede tener todas en cuenta". En cambio, los algoritmos inteligentes podrían moverse por esa cantidad de variables y encontrar específicamente las combinaciones que prometen un valor de Cx bajo. También sería factible mantener constante un parámetro por razones de diseño (por ejemplo, la altura del maletero) y combinarlo con el resto de variantes geométricas.

En el futuro se espera que la inteligencia artificial (IA) contribuya a procesos más eficientes. "Al final del desarrollo, estamos obligados a especificar valores individuales de consumo o autonomía para cada variante de vehículo, en los que, además de la aerodinámica, intervienen el peso y la resistencia a la rodadura", afirma Wiegand. "Por tanto, tenemos que generar grandes volúmenes de datos para el componente aerodinámico". Al mismo tiempo, ya se dispone de un gran número de mediciones del túnel de viento y resultados de simulación de las fases de desarrollo anteriores. Estos datos se estructurarán mejor en el futuro y se analizarán con métodos modernos. "Los algoritmos de IA podrían generar nuevos datos a partir de una reserva existente mediante interpolación y extrapolación. Esto nos permitiría planificar experimentos específicos y reducir su número. Y ya no necesitaríamos medir todas las variables".

Optimización en tiempo real con IA

Porsche Engineering también está trabajando en el uso de métodos de IA. El objetivo de los desarrolladores es predecir los efectos de los cambios en la geometría del vehículo en tiempo real. Aunque hoy en día sigue siendo necesaria una simulación CFD para cada variante, que lleva mucho tiempo, en el futuro una red neuronal calculará la influencia en el valor Cx mucho más rápidamente. "Cambias una forma con el ratón e inmediatamente ves lo que eso significa para la aerodinámica", comenta Straub. "Ya hemos utilizado este método basado en IA para el perfil del alerón de un Porsche GT3". El desarrollo del nuevo método continúa en colaboración con los expertos en IA de Porsche Engineering y el equipo de desarrollo de métodos de Porsche AG en Weissach.

Aun así, no hay razón para esperar que todos los vehículos optimizados aerodinámicamente sean iguales en el futuro. "Se puede conseguir un buen valor Cx de diferentes maneras", dice Wagner. "Si quieres optimizar la parte trasera, por ejemplo, puedes cambiar la altura del capó posterior y el difusor de los bajos. Entonces hay que trabajar con el equipo de diseño para llegar a una solución ideal que se adapte a la marca. Así se consigue una aerodinámica comparable con diferentes formas". Straub resta importancia a la idea de que en el futuro habrá un diseño uniforme en todas las marcas: "No habrá riesgo de confundir un coche con otro, ni siquiera en el caso de los mejores vehículos en términos aerodinámicos".

Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                                                                                            2025.-

Locomotora eléctrica austriaca de la serie 1082 construida en 1932. Solo se fabricó una.

La 1082.01 fue una locomotora eléctrica para funcionar con una tensión de catenaria de 15 kV a 16 2 ⁄ 3 Hertz, que estaba equipada con un convertidor de fase rotativo (un convertidor de fase rotativo (RPC) es una máquina eléctrica que transforma energía de un sistema polifásico a otro) y motores de tracción de corriente continua.

Las primeras fuentes de alimentación ferroviaria de larga distancia con corriente alterna monofásica funcionaban a la frecuencia inusual de 16 2 ⁄ 3 Hertz, porque a 50 Hz la conmutación, es decir, la transmisión de potencia a los devanados del rotor del motor de corriente alterna monofásica, habría sido muy problemática. Por el contrario, los motores de corriente continua eran más fáciles de controlar y los motores asíncronos trifásicos más fáciles de mantener, por lo que se intentó convertir la electricidad en la unidad de tracción.

Historia

Las locomotoras BBÖ 1180 y BBÖ 1470 de la empresa  *Ganz & Co. fueron intentos fallidos con convertidores síncronos y motores de tracción asíncronos. En 1931, la empresa austriaca Siemens-Schuckert-Werke quiso probar un nuevo concepto con un generador de convertidor de fase para el funcionamiento en corriente continua con alimentación de corriente alterna. En un principio, se había previsto equipar la última máquina de la serie 1080.1 con este convertidor de fase, pero resultó que no había suficiente espacio para ello, por lo que finalmente se construyó una nueva locomotora con un generador de convertidor de fase rotativo.

* Las industrias Ganz fue un grupo de empresas que operaron entre 1845 y 1949 en Budapest, Hungría. Es conocido por la fabricación de tranvías, pero también fue pionero en la aplicación de corriente alterna trifásica a los ferrocarriles eléctricos.

Mientras que el equipo eléctrico lo suministró la empresa austriaca Siemens-Schuckert-Werke, la parte mecánica procedía de la fábrica de locomotoras de Floridsdorf. La 1082 estuvo estacionada  primero en Salzburgo y más tarde en Bludenz, desde donde se utilizó de forma muy satisfactoria en operaciones programadas. Sin embargo, la complicada estructura del sistema de convertidor y su control requerían un apoyo constante por parte del fabricante, por lo que no fue asumida por la BBÖ. Los FFCC alemanes las clasificaron como E 88.3 en 1938, pero luego se perdieron sus rastros. En 1945 ya no se la pudo encontrar.

Tecnología

Desde los pantógrafos, la corriente llegaba al transformador principal a través del interruptor principal de aceite. Este estaba provisto de dos devanados secundarios, que reducían la tensión a unos 600 V. Con la ayuda del convertidor de fase, la corriente alterna monofásica se convertía en corriente trifásica, a partir de la cual dos convertidores de frecuencia generaban corriente continua.

La planta de convertidores constaba de cuatro máquinas rotativas dispuestas de adelante hacia atrás de la siguiente manera:

Excitador que también servía como motor de arranque para el convertidor

Convertidor de frecuencia 2

Convertidor de fase

Convertidor de frecuencia 1

La corriente fluye en el siguiente orden: pantógrafo → transformador → convertidor de fase rotativo (convierte la CA monofásica en CA trifásica) → generador de CC → motor de CC.

El convertidor de fase estaba construido como una máquina síncrona de cuatro polos con polos externos y un devanado amortiguador. La tensión de los dos devanados secundarios se alimentaba desde el transformador a través de anillos colectores.

Los rotores de los convertidores de frecuencia estaban  acoplados a generadores de corriente continua y la corriente continua se extraía a través de escobillas móviles, lo que permitía regular de forma continua la tensión del motor de tracción. Para compensar la corriente magnetizante del convertidor de fase, los convertidores de frecuencia se conectaron en serie.

El conjunto convertidor tenía siete metros de largo y estaba alojado en una carcasa cilíndrica. Detrás de él se encontraba el transformador y la única cabina del conductor. Esto hacía que el vehículo pareciera una locomotora de vapor con pantógrafos acoplados. El vehículo tenía un motor similar a la serie 1080.1, pero con dos ejes de rodadura adicionales. Los tres ejes centrales estaban provistos de motores de corriente continua de excitación independiente y los ejes de los extremos estaban conectados a los ejes motrices con barras de acoplamiento.

El diseño del vehículo se adelantó 50 años a su tiempo. La idea básica de la conversión de potencia en el vehículo de tracción se realiza ahora con la ayuda de componentes semiconductores y también con motores asíncronos trifásicos, que son mucho más fáciles de construir y operar.

Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                  2025.-