Incidencia de la eficiencia del tipo de motor en la autonomía de un vehículo eléctrico
Veinte años atrás cuando despuntaba la electrificación masiva de la planta motriz de los vehículos, la tecnología de las baterías de litio era incipiente. Altos valores del costo del Kw-h y relativamente bajas densidades de potencia Kw/kg ó Kw/m3 de las baterías limitaba el alcance de conducción. Entonces la clave para obtener mayor autonomía para un diseño motor – batería dado era que el sistema de motorización (motor + inverter) fuera lo más eficiente posible, es decir que se aprovechara al máximo la energía disponible en baterías. Para ello, se probaron todo tipo de motores sin importar el costo del mismo.
En la actualidad la tecnología de las baterías se ha desarrollado de manera sólida y sostenida alcanzando costos en $/kw-h sensiblemente menores y densidades Kw-h/kg mucho mayores. Por otro lado, se puede decir sin lugar a error, que la motorización comercial quedó circunscripta a motores asincrónicos y sincronicos de imanes permanentes.
Este artículo pretende establecer cuanto se justifica la utilización de uno u otro tipo de motor para aumentar la autonomía ya que hoy disponemos de una tecnología de baterías de mayores prestaciones.
Recordamos algunas consideraciones
Los accionamientos de tracción necesitan operar de la manera más eficiente posible para maximizar la autonomía de conducción de los vehículos. El medio más frecuente para evaluar la eficiencia energética de los vehículos es examinar su rendimiento a través de ciclos de conducción y de los mapas de eficiencia motor-inverter.
Un ciclo de conducción es un perfil representativo de la velocidad del vehículo en función del tiempo bajo diferentes circunstancias, que representa una forma típica de conducir en una ciudad y/o autopista. Estos ciclos de manejo tienen una gran importancia, entre otros fines, para planear adecuadamente el desarrollo de alguna ciudad, en el desarrollo de tecnología para los nuevos automóviles, en la validación de modelos que predicen el comportamiento de los vehículos en la vía pública y rutas.
Un mapa de eficiencia de una máquina eléctrica/controlador describe las diferentes curvas o zonas de eficiencia. La misma se obtiene en función de los parámetros constructivos del motor, principalmente. La eficiencia de las máquinas eléctricas es normalmente inferior a la del inversor y muestra una mayor variabilidad con el punto de funcionamiento y el tipo de máquina.
La figura siguiente muestra las múltiples razones por las cuales la eficiencia no es constante en una máquina de tracción. La frecuencia de alimentación y la velocidad de rotación modifica de manera sustancial las pérdidas y con ello el rendimiento.
Con un programa de computación adecuado es posible aplicar el modelo matemático de la maquina eléctrica/controlador para realizar una simulación digital del comportamiento del sistema ante determinadas condiciones de operación. Entonces se realizan las simulaciones en Matlab, Scilab u otro programa para conocer la potencia P, el par T, la velocidad angular ω requeridas al motor eléctrico a partir de un rango de solicitaciones.
Del mapeo de los puntos de operación del motor en función del ciclo de conducción se obtienen datos que deben compararse cuidadosamente con el mapa de eficiencia del motor. De manera de cotejar en que región el motor opera con más frecuencia (dato que se obtiene del gráfico, puntos de operación de acuerdo al ciclo de conducción) y cuál es la eficiencia en esos puntos (datos que se obtienen de las curvas de eficiencia motor-controlador). En consecuencia, para mejorar la eficiencia de un vehículo para un determinado ciclo de conducción, la máxima eficiencia del motor debe diseñarse para cubrir su área de trabajo habitual.
Eficiencia y costo de motores
Motor trifásico de inducción. Características
Presenta pérdidas adicionales en el rotor debido a las corrientes inducidas. Su eficiencia disminuye más cuando trabaja con baja carga mecánica (baja velocidad). Eficiencia típica Máxima: 94–96 % - Promedio durante la conducción: 88–91 %
Motor síncrono de imanes permanentes. Características
Tiene mayor par por kilogramo de masa. Mantiene una eficiencia elevada en un amplio rango de velocidades y cargas. Eficiencia típica Máxima: 96–98 % - Promedio durante la conducción: 93–96 %
En términos generales, el motor síncrono de imanes permanentes ofrece una eficiencia promedio entre 3 y 5 puntos porcentuales superior a la de un motor de inducción equivalente, especialmente en condiciones de conducción urbana y cargas parciales.
Costo
Tomemos como ejemplo un motor de 100 kW (≈134 HP) de potencia:
¿Por qué el sincronico de imanes permanentes es más costoso?
Justamente por los imanes, ellos son de neodimio-hierro-boro (NdFeB). Algunos diseños también se utilizan disprosio o terbio para mejorar el desempeño a altas temperaturas. El estator de ambos motores (Sincro – Asincro) son similares.
Estos materiales son onerosos y su precio depende del mercado de las tierras raras.
En cambio, el motor de inducción no utiliza imanes, su rotor es una "jaula de ardilla" de aluminio o cobre, mucho más económica de fabricar pero requiere una mayor corriente para producir el mismo par.
Análisis entre la eficiencia de la motorización y la autonomía
Para calcular la autonomía estimada del vehículo, primero debemos proyectar cuánta de la energía almacenada en la batería llega finalmente a las ruedas a través de cada tipo de motor. A continuación, realizaremos el cálculo utilizando, por ejemplo, una batería de 60 Kw-h bajo un ciclo de conducción promedio (combinación de ciudad y autopista).
Previamente fijamos los valores de las siguientes variables:
Datos de diseño y prueba
Capacidad de la batería: 60 kWh (Capacidad neta útil)
Demanda de potencia promedio en las ruedas: 15 kW (Consumo típico para mantener un auto mediano a velocidad constante en ciclo mixto).
Velocidad promedio del ciclo: 60 km/h.
Eficiencia combinada de los otros componentes:
Batería ηbat: 95%
Inversor ηinv: 97%
Transmisión/Reductor ηtrans: 97%
Eficiencia combinada: 0.95 * 0.97 * 0.97 = 89.38
A: Motor Asincrónico de Inducción (ASM)
Eficiencia promedio del motor (ciclo mixto): 88 % (Debido a mayores pérdidas por disipación de calor en entornos urbanos de paradas y arranques).
.- Calculo de la eficiencia global del tren motriz
ηglobal asm =0.8938 * 0.88=0.7865 es decir 78.65%
.- Calculo de la energía real disponible en las ruedas
Energía ruedas = 60 kWh * 0.7865= 47.19 kWh
.- Calculo del tiempo de conducción y la autonomía
Tiempo de viaje = 47.19 kWh / 15 kW = 3.146 hs
Autonomía ASM = 3.146 h * 60 km/h = 188.8 km
B: Motor Sincrónico de Imanes Permanentes (PMSM)
Eficiencia promedio del motor (ciclo mixto): 94 % (Mantiene un rendimiento óptimo principalmente a bajas velocidades).
.- Calculo de la eficiencia global del tren motriz
ηPMSM = 0.8938 * 0.94 = 0.8402 es decir 84.02%
.- Calculo de la energía real disponible en las ruedas
Energía ruedas = 60 kWh * 0.8402 = 50.41 kWh
.- Calculo del tiempo de conducción y la autonomía
Tiempo de viaje = 50.41 kWh / 15 kW = 3.361 horas
Autonomía PMSM = 3.361 h * 60 km/h = 201.7 km
Con exactamente la misma batería de 60 kWh, el motor de imanes permanentes (PMSM) alcanza casi 13 kilómetros extra de autonomía en este ciclo mixto. Esto explica por qué la mayoría de los vehículos eléctricos modernos enfocados en la eficiencia urbana eligen la tecnología PMSM, mientras que los motores asincrónicos a menudo se reservan como un segundo motor para altas velocidades o tracción integral temporal.
Comparación económica aproximada
El precio estimado en el mercado mayorista y de conversión para motores de vehículos eléctricos con una potencia de 60 kW nominales, por ejemplo, varía según la tecnología:
• Motor Síncrono de Imanes Permanentes (PMSM): Su rango aproximado oscila entre u$s 1,500 y u$s 3,500 solo por el motor, o entre u$s 2,500 y u$s 4,500 si se adquiere en un kit que incluye su respectivo inversor/controlador.
• Motor Asincrónico (ASM): Su rango estimado es inferior, situándose entre u$s 900 y u$s 2,200 por el motor solo, y aproximadamente de u$s 1,800 a u$s 3,200 con el kit de control.
De todo este análisis teórico tenemos que existe una diferencia de autonomía de 12,9 Km entre motores y una diferencia de costo entre los mismos, promedio, de 1000 u$s.
Con 1000 u$s se pueden adquirir aproximadamente entre 6.5 kWh y 9 kWh de baterías de litio a precios actuales de mercado internacional. El costo promedio global de las celdas y paquetes de litio ronda los $108 a $151 dólares por kWh, aunque los equipos armados y con BMS integrado varían según el formato. Y con una batería de 6.5 kWh se puede recorrer aproximadamente 50 - 60 Km, mientras que con 9 kWh se obtienen entre 90 - 100 km, dependiendo de cómo se conduzca.
Conclusión
Hoy en día, por los valores y las ofertas tecnológicas del mercado que se maneja, la transformación de vehículo de combustión a eléctrico necesita de una evaluación no solo técnica sino también económica, afinada. Por otro lado, y esta es una opinión propia que no necesariamente debe ser compartida, el motor asincrónico es de una sencillez insuperable que puede ayudar a bajar su costo por sobre otro tipo de motores.
Compensando su menor eficiencia con apenas un poco más de batería (Kwh), para la misma autonomía.
Ricardo Berizzo
Ingeniero Electricista 2026.-
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