Componentes del coche eléctrico: Desarrollo e implicaciones técnicas

La electrificación como eje de la movilidad sostenible

¿Por qué electrificar? Impacto ambiental, eficiencia y sostenibilidad

La electrificación es una de las principales estrategias para reducir las emisiones de carbono y mitigar el cambio climático. A diferencia de los motores de combustión interna, los vehículos eléctricos (VE) destacan por su eficiencia energética, ya que convierten entre el 70% y el 90% de la energía almacenada en movimiento, frente al 20%-30% frente a los motores tradicionales. Además de una notable mejora del rendimiento, esto también supone una reducción del desaprovechamiento energético.

Además, al eliminar las emisiones locales de gases contaminantes, los VE tienen un impacto positivo en la calidad del aire en entornos urbanos, donde los niveles de partículas finas, óxidos de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles (VOCs) suelen ser críticos.

Un factor crucial en la sostenibilidad es la transición hacia fuentes de energía renovables en el proceso de carga del VE. Mientras que los motores de combustión dependen exclusivamente de combustibles fósiles, los VE pueden funcionar íntegramente con electricidad generada a partir de fuentes limpias como solar, eólica o hidráulica. Esto permite reducir la huella de carbono de los vehículos y avanzar hacia una independencia energética en regiones con acceso limitado a recursos petroleros.

Por todo ello el Parlamento Europeo acordó en 2022 la prohibición de la venta de vehículos de gasolina y diésel para el 2035, lo que ha obligado a los fabricantes a electrificar su gama de vehículos.

Evolución de los vehículos eléctricos: de la teoría a la realidad

El desarrollo de los VE ha evolucionado a pasos agigantados en las últimas dos décadas. Si bien inicialmente eran vistos como soluciones conceptuales para nichos de mercado, los avances tecnológicos en baterías, electrónica de potencia y software han permitido su expansión.

En particular, las baterías de ion-litio han sido clave en este proceso de expansión debido a su mayor capacidad de densidad energética por celda respecto a las tecnologías antecesoras unido a la reducción de los costes de fabricación, dos barreras críticas en su adopción.

Además, la integración de tecnologías como sistemas de gestión térmica avanzados y controladores electrónicos ha incrementado la fiabilidad y la autonomía, al tiempo que también han reducido los tiempos de carga. En paralelo, los fabricantes han invertido en el desarrollo de plataformas modulares, lo que permite producir diferentes modelos de vehículos sobre una misma base técnica, optimizando los costes de desarrollo y fabricación.

Por otro lado, empresas como Tesla han desempeñado un papel fundamental al posicionar a los VE como vehículos de alta tecnología y deseables para el consumidor medio. Esto ha impulsado a otros fabricantes tradicionales a acelerar sus estrategias de electrificación y ampliar sus gamas de modelos eléctricos..

Por último, es necesario indicar que, durante estos últimos años, China se ha convertido en un gran motor de innovación tecnológica en el sector del VE y en un agente clave para su expansión. Los fabricantes del gigante asiático han desarrollado una gran variedad de modelos y controlan a nivel mundial gran parte de la cadena de valor para la fabricación de las baterías.

Retos actuales: infraestructura de carga, autonomía, coste inicial y percepción del usuario

Infraestructura de carga

A pesar de los avances, los VE se enfrentan varios retos que limitan su adopción masiva. Uno de los más destacados es la infraestructura de carga. Aunque se han realizado progresos, la distribución desigual de estaciones de carga rápida y la falta de interoperabilidad entre redes dificultan el acceso universal. Este desafío es particularmente relevante en áreas rurales o países en vías de desarrollo, donde la densidad de estaciones de carga es baja.

Coste inicial elevado

Otro obstáculo es el coste inicial, asociado, principalmente, a la fabricación de las baterías del vehículo eléctrico. Aunque los precios de las baterías han disminuido drásticamente en la última década, los VE todavía suelen ser más caros que sus equivalentes de combustión interna. Esto se compensa parcialmente con menores costes de mantenimiento y consumo energético, pero la percepción inicial sigue siendo una barrera para muchos consumidores.

En este sentido, es importante indicar que la puesta en marcha de gigafactorías para la fabricación de baterías, como la que recientemente se ha anunciado en Figueruelas (Zaragoza) tras el acuerdo entre Stellantis y CATL, supone un claro impulso para el vehículo eléctrico. Estas gigafactorías permiten producir baterías a gran escala y cubrir, de este modo, la demanda que existe en el mercado.

Autonomía del VE

La autonomía limitada, en comparación con los vehículos de combustión, también sigue siendo una preocupación. Aunque los modelos más recientes superan fácilmente los 400 km con una sola carga, el deseo de una mayor autonomía y de un menor tiempo de recarga aún afectan las decisiones de compra.

Escasez de materiales

Otro desafío importante radica en la dependencia de materiales escasos, como el litio, el cobalto y el níquel, esenciales en la fabricación de baterías. Esta limitación, no sólo afecta la disponibilidad, sino que también incrementa los costes de producción y genera preocupaciones sobre la sostenibilidad.

Por ello, la investigación está explorando métodos alternativos de almacenamiento energético, como las baterías de ión-sodio, que utilizan materiales más abundantes y económicos, y tecnologías de hidrógeno, que prometen complementar o sustituir a las baterías convencionales en ciertos casos de uso.

Percepción pública

Finalmente, la percepción pública juega un papel crucial. Los consumidores todavía tienen dudas sobre la fiabilidad, la disponibilidad de recarga y la durabilidad de las baterías. Superar estas barreras requiere no solo avances tecnológicos, sino también campañas de sensibilización y políticas gubernamentales que incentiven su adopción.

Componentes clave del coche eléctrico y diferencias respecto al de combustión

Tren de potencia: Motores eléctricos frente a motores de combustión interna

En los vehículos eléctricos, el tren de potencia eléctrico sustituye al motor de combustión interna. Este sistema elimina la necesidad de transmisiones complejas, ya que los motores eléctricos generan un par elevado y constante en un amplio rango de velocidades, mejorando tanto la eficiencia como el desgaste mecánico. 

Sin embargo, el diseño técnico de estos sistemas plantea retos significativos. Uno de ellos es la gestión térmica, que se aborda mediante sistemas avanzados de enfriamiento (por aire o líquido), para garantizar un funcionamiento óptimo bajo cualquier demanda de potencia. Además, la selección de materiales como los aceros eléctricos de alta calidad y las tierras raras es clave para maximizar la densidad de potencia y mejorar el rendimiento electromagnético del motor. 

Para el control preciso de los motores eléctricos, los convertidores electrónicos de potencia desempeñan un papel fundamental. Estos dispositivos transforman y regulan la energía suministrada desde las baterías, y permiten ajustar de forma precisa parámetros críticos como la velocidad, el par y la eficiencia del motor. Integran algoritmos de control vectorial que permiten ajustar dinámicamente el flujo magnético, adaptando el comportamiento del motor en tiempo real a las condiciones de conducción, lo que se traduce en una mayor eficiencia y precisión. 

La sensorización es otro elemento indispensable en estos sistemas. Sensores como los de posición, velocidad, tensión y corriente permiten monitorizar el estado del motor en todo momento, proporcionando toda la información necesaria al sistema de control. Esto, no sólo es esencial para un control preciso de la respuesta del motor, sino que también contribuye a la protección contra sobrecargas y a la mejora de la seguridad general del vehículo. 

Finalmente, la posibilidad de un diseño modular facilita la integración de múltiples motores eléctricos en arquitecturas de tracción total, cada uno con control totalmente independiente. Esta configuración, combinada con los convertidores electrónicos y la sensorización avanzada, mejora la tracción y la estabilidad, al tiempo que también permite una mayor flexibilidad en el diseño del vehículo, adaptándose a diferentes necesidades y aplicaciones. 

Almacenamiento de energía: Baterías frente a depósitos de combustible

El almacenamiento energético en los VE plantea retos técnicos significativos. Las baterías de ion-litio dominan el mercado, pero su diseño implica una gestión cuidadosa del equilibrio entre densidad energética y seguridad. Además, tal y como se ha mencionado antes, existe una fuerte dependencia de materiales estratégicos como el litio, el cobalto y el níquel, cuya escasez, no sólo incrementa los costes, sino que también genera riesgos en la cadena de suministro. Esto está motivando la investigación hacia nuevas químicas, como las baterías de ión-sodio o las basadas en azufre, que utilizan materiales más abundantes.

Un desafío adicional radica en los riesgos inherentes a las baterías, como los defectos estructurales causados por impactos o condiciones adversas. Estos defectos pueden provocar sobrecalentamientos, incendios o incluso explosiones, lo que ha llevado a los fabricantes a desarrollar sistemas avanzados de protección. Las celdas de las baterías están encapsuladas en estructuras que maximizan la seguridad y minimizan los riesgos, complicando su fabricación y mantenimiento.

Por último, los sistemas de gestión de baterías (BMS) monitorizan parámetros clave como la temperatura, el voltaje y el estado de carga de cada celda, evitando sobrecalentamientos y prolongando la vida útil del sistema. Tecnologías emergentes como las celdas de estado sólido prometen eliminar el electrolito líquido, reduciendo riesgos y aumentando la capacidad de almacenamiento. Estas innovaciones, junto con sistemas de gestión térmica avanzada, permitirán abordar los desafíos actuales del almacenamiento energético en los vehículos eléctricos.

Sistemas de frenado: De frenos tradicionales a servofrenos eléctricos para las 4 ruedas

Los sistemas de frenado en vehículos eléctricos combinan frenado regenerativo y frenos convencionales. El frenado regenerativo convierte la energía cinética en eléctrica, almacenándola en las baterías. Aunque los sistemas avanzados, como el brake-by-wire, también se encuentran en vehículos convencionales, en los eléctricos destacan por su integración con el frenado regenerativo, lo que permite un control más preciso y adaptativo. Esta combinación mejora, tanto la recuperación energética como la eficiencia global del sistema de frenado.

La integración con sistemas de asistencia como ABS y ESC requiere una coordinación precisa entre sensores de velocidad, fuerza de frenado y el estado de carga de la batería. Además, la adopción de nuevos diseños de frenos ventilados, el desarrollo de nuevos materiales compuestos de base cerámica, la incorporación de revestimientos y otras técnicas permiten mejorar la disipación térmica y reduce el peso, incrementando la eficiencia global del sistema.

Por último, los algoritmos avanzados de control deben gestionar de forma dinámica la distribución del frenado entre regeneración y frenos hidráulicos, maximizando tanto la seguridad como la recuperación energética.

Arquitecturas electrónicas: Redes de comunicación y control más complejas en eléctricos

Las arquitecturas electrónicas de los VE son fundamentales para coordinar los sistemas avanzados de potencia, seguridad y conectividad. Las redes CAN ofrecen una base confiable para la transmisión de datos críticos, como el control del motor y los frenos, mientras que las redes Ethernet proporcionan el ancho de banda necesario para funciones de alta demanda, como la navegación en tiempo real y las actualizaciones OTA.

Los desarrolladores deben equilibrar la latencia, la seguridad y la capacidad de transferencia al diseñar estas redes. Tecnologías emergentes, como el protocolo TSN (Time-Sensitive Networking), permiten garantizar una sincronización precisa en aplicaciones críticas.

Además, los sistemas de ciberseguridad incluyen encriptación avanzada y firewalls integrados para proteger contra ataques externos. La redundancia en el diseño garantiza que los sistemas críticos funcionen incluso en caso de fallos en la red principal.

Tecnologías que están impulsando la expansión del coche eléctrico

Gemelos digitales

Los gemelos digitales son herramientas avanzadas que permiten simular virtualmente cada sistema y componente del vehículo eléctrico en diferentes escenarios operativos. En el caso de los VE, estas simulaciones resultan especialmente valiosas para optimizar aspectos clave como la gestión térmica de las baterías, el diseño aerodinámico y la calibración de los sistemas de tracción eléctrica.

Al modelar estos escenarios, los ingenieros pueden anticipar el rendimiento, identificar posibles fallos y reducir significativamente los tiempos de desarrollo y pruebas físicas. Por ejemplo, un gemelo digital permite simular condiciones extremas en las que el sistema eléctrico del vehículo podría enfrentarse a sobrecalentamientos o picos de demanda energética.

Además, los gemelos digitales están integrando datos en tiempo real recopilados por sensores del vehículo, lo que permite realizar ajustes proactivos en su diseño y funcionamiento durante su ciclo de vida operativo. Esto, no sólo permite optimizar la eficiencia, también aumenta la fiabilidad y seguridad de los VE.

Baterías avanzadas

La evolución de las baterías de ion-litio ha sido fundamental para el desarrollo de los VE, pero las químicas emergentes como el litio-azufre y las baterías de estado sólido prometen revolucionar el sector. Estas tecnologías podrían llegar a ofrecer prestaciones tan importantes como mayores densidades energéticas, tiempos de carga más rápidos y una vida útil más larga.

Los sistemas de gestión térmica avanzados incluyen refrigeración líquida activa y técnicas de aislamiento térmico que aseguran un funcionamiento eficiente incluso en condiciones extremas.

A nivel de fabricación, la integración de materiales reciclables en las celdas y los módulos está alineada con los objetivos de sostenibilidad del sector. Ése es otro de los retos tecnológicos existentes en torno al desarrollo de baterías avanzadas.

Electrónica de potencia

La electrónica de potencia es la columna vertebral de los sistemas eléctricos. Convertidores de alto rendimiento e inversores de última generación son esenciales para la conversión de energía desde la batería al motor.

Las nuevas tecnologías incluyen inversores de carburo de silicio (SiC), que son más compactos y eficientes que los basados en silicio tradicional. Estos dispositivos, no sólo mejoran la transferencia de energía, sino que también reducen las pérdidas térmicas, facilitando diseños más ligeros y compactos.

En esta línea, nuevos inversores, como pudieran ser los inversores con transistores de potencia de Nitruro de Galio (GaN) aportan ventajas en convertidores CC-CC en VE al mejorar la eficiencia y la densidad de potencia respecto a los de SiC.

Además, las capacidades bidireccionales en los sistemas V2G (Vehicle-to-Grid) están permitiendo que los vehículos eléctricos actúen como fuentes de energía móviles para redes eléctricas.

Software de control (ECUs)

Los controladores electrónicos (ECUs) son responsables de gestionar funciones críticas del vehículo eléctrico, como la monitorización de la batería, el control del motor y la gestión térmica. Las arquitecturas modernas de los ECUs están migrando hacia plataformas centralizadas basadas en zonificación, lo que permite reducir la complejidad del cableado y aumentar la eficiencia del sistema.

Estas plataformas integran algoritmos de inteligencia artificial que optimizan en tiempo real la distribución de energía y las condiciones de operación del vehículo, garantizando una experiencia de conducción segura y eficiente. Las ECUs constituyen una parte fundamental de los denominados Software Defined Vechicles (SDV).

Materiales avanzados y aligeramiento

El desarrollo de materiales avanzados, como aleaciones ligeras y polímeros reforzados con fibra de carbono, está transformando el diseño estructural de los VE. La reducción del peso total del vehículo mejora la eficiencia energética y aumenta la autonomía.

Además, los materiales reciclados y reciclables están siendo priorizados para reducir el impacto ambiental del ciclo de vida del vehículo. En el diseño de baterías, la integración de materiales conductores más eficientes (grafeno, cobre avanzado, aluminio dopado, etc.) está optimizando la distribución de carga y reduciendo las pérdidas internas.

Es necesario indicar que el desarrollo de nuevos materiales no es el único campo de investigación que permite aligerar el peso del vehículo. También se están generando nuevos métodos de fabricación, como es el conformado en caliente. Esta técnica permite moldear piezas complejas de alta resistencia, reduciendo el número de componentes necesarios y mejorando la rigidez estructural del vehículo.

Hidrógeno como complemento

Las tecnologías de pila de combustible, aunque todavía emergentes, están comenzando a complementar los sistemas eléctricos en aplicaciones específicas. Los vehículos de hidrógeno son especialmente relevantes para flotas pesadas y transporte de larga distancia, donde la capacidad de almacenamiento de energía del hidrógeno supera las limitaciones de las baterías actuales.

La integración de sistemas híbridos, que combinan baterías y pilas de combustible, ofrece una solución eficiente y sostenible en términos de alcance y tiempo de recarga. Pero ello requiere de un diseño inicial previo que permita dicha integración sin fricciones ni problemas de rendimiento.

Sistemas de sensorización y conectividad

Los sensores avanzados, como LiDAR y cámaras de alta resolución, recopilan datos en tiempo real para optimizar el rendimiento y la seguridad del vehículo. Estos datos son procesados por sistemas de conectividad que permiten diagnósticos remotos, actualizaciones OTA y comunicación con infraestructuras inteligentes, como estaciones de carga y semáforos adaptativos.

En el caso de los vehículos eléctricos, la conectividad desempeña un papel clave en la planificación de trayectos. Los sistemas avanzados integran información en tiempo real sobre disponibilidad de estaciones de recarga, tiempos estimados de espera y optimización de rutas para minimizar el consumo energético. Por ejemplo, la conectividad con servicios de repostaje permite a los conductores planificar y controlar su itinerario, asegurando la llegada a puntos de recarga estratégicos sin interrupciones.

Además, la integración de algoritmos de inteligencia artificial en estos sistemas facilita la personalización de la experiencia de conducción y mejora la capacidad de los vehículos para adaptarse a entornos dinámicos. Esto incluye la detección anticipada de problemas en componentes críticos, lo que garantiza un mantenimiento proactivo y reduce el tiempo de inactividad del vehículo.

Tecnologías emergentes en torno al coche eléctrico

Además de las tecnologías anteriormente mencionadas, están emergiendo otras tecnologías disruptivas en torno al desarrollo del vehículo eléctrico que prometen superar las limitaciones actuales y abrir nuevas posibilidades en términos de eficiencia, sostenibilidad y rendimiento.

Durante los próximos años se esperan importantes avances en áreas de investigación aplicada, como son la robótica avanzada, la nanotecnología o la computación cuántica, por ejemplo.

Perspectivas de mercado y otros factores clave

Crecimiento del mercado

El mercado global de vehículos eléctricos está experimentando un crecimiento acelerado, con una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) estimada en un 25% durante la próxima década. Este auge está siendo impulsado por iniciativas gubernamentales, pero también por una mayor concienciación de los consumidores, que demandan la adquisición de vehículos cada vez más sostenibles, menos contaminantes y producidos de manera responsable.

En regiones como Asia-Pacífico, China lidera el mercado con una infraestructura de carga altamente desarrollada y políticas agresivas de subsidios. En Europa, la adopción está respaldada por regulaciones estrictas sobre emisiones de CO2. Por su parte, en Estados Unidos ha habido un apoyo gubernamental que ha permitido la expansión de redes de carga, marcando un cambio en la dinámica del mercado.

Según la Agencia Internacional de Energía (AIE), Europa alcanzará un porcentaje del 30% de vehículos eléctricos sobre el total de ventas de coches nuevos en 2030. Este crecimiento será aún más acelerado en países como Noruega, donde ya más del 80% de los coches vendidos son eléctricos. España, aunque en una posición más modesta, está alineando sus esfuerzos para alcanzar el 10%-15% de cuota en los próximos años, siempre que la infraestructura y la accesibilidad mejoren.

Para los fabricantes de componentes y sistemas eléctricos, esto representa una oportunidad única para innovar en áreas como baterías, electrónica de potencia y conectividad avanzada.

Cambios legislativos y normativas

Las normativas europeas están acelerando la transición hacia los vehículos eléctricos. La Comisión Europea ha establecido objetivos como la eliminación gradual de los vehículos con motor de combustión para 2035, con el objetivo de alcanzar la neutralidad climática en 2050.

Estas regulaciones están impulsadas por el estándar Euro 7, que introduce límites aún más estrictos sobre las emisiones contaminantes y exige mayores inversiones en tecnologías limpias por parte de los fabricantes.

En España, programas como el Plan MOVES están incentivando la compra de vehículos eléctricos y la instalación de puntos de carga, apoyando la infraestructura necesaria para una transición fluida. Estas medidas están alineadas con el compromiso europeo de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en al menos un 55% para 2030.

La presión regulatoria, no sólo impulsa la demanda de vehículos eléctricos, sino que también fomenta la innovación en áreas clave como las baterías, los materiales reciclables y los sistemas de eficiencia energética.

Colaboración tecnológica

El ITA desempeña un papel estratégico para las empresas del sector de la automoción que buscan liderar la transición hacia la electrificación. Su experiencia en investigación aplicada, desarrollo e innovación permite abordar los retos tecnológicos más complejos mediante el desarrollo de componentes y sistemas diferenciales y de mayor valor; así como la mejora de la productividad y la eficiencia de sus procesos y operaciones. Todo ello, en un marco de sostenibilidad y neutralidad climática.

Nuestro trabajo continuo en proyectos de vanguardia nos permite dar soporte a las empresas en las diferentes tecnologías clave en el vehículo eléctrico. Así nuestras soluciones de I+D+i incluyen:

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