Electrificar un movimiento

La sociedad está exigiendo alternativas más limpias y silenciosas a los motores de gasolina y diésel, y la industria del transporte está respondiendo. Durante años, los científicos e ingenieros han estado desarrollando formas más limpias de hacer funcionar automóviles y camiones. Se han desarrollado y utilizado combustibles alternativos como etanol, biodiésel, gas natural, hidrógeno y propano para mover personas y bienes de un lugar a otro. Y aunque no será la única forma de combustible limpio, el futuro del transporte sin duda incluirá la propulsión eléctrica. Desde una curiosidad hasta una rareza y a una realidad, los vehículos eléctricos (EV) están ahora encamino de convertirse en una necesidad.

En la mayoría de los entornos urbanos, uno no puede hacer un simple recado sin ver un automóvil eléctrico conectado a una estación de carga pública.  Ya sea en el centro comercial, cerca de un hotel o en un estacionamiento público, es fácil ver que las estaciones de carga están proliferando. Pero lo que estamos viendo hoy es claramente solo el comienzo. Solo el 2 % de los automóviles de hoy en día son eléctricos y conectables; y eso es cierto para aún menos camiones y autobuses. Hace apenas unos 20 años, la nueva industria de los vehículos eléctricos tuvo un inicio rápido y una parada aparentemente más rápida. Pero mucho ha cambiado desde entonces, y es seguro decir que la propulsión eléctrica está aquí para quedarse.

Pero, ¿qué sucede con los vehículos destinados a aplicaciones de transporte industrial y comercial (TIC)? ¿Camiones? ¿Autobuses? ¿Equipos de construcción, granja y minería? Estas industrias están en una vía rápida para reducir el consumo de combustible y las emisiones a través de la electrificación al tiempo que mejoran la eficiencia y la productividad. Los expertos predicen que para 2040, la mayoría de las formas de transporte aprovecharán los motores eléctricos o fuentes de combustible más limpias para cumplir con los estándares más estrictos.

La razón de la pasarela de 20 años es complicada. El paisaje consiste en diversas aplicaciones y casos de uso que pueden o no ser propicios para la electrificación de vehículos dado el panorama actual. Salpicando ese paisaje están las regulaciones; legislación; y obstáculos sociales, económicos y técnicos que aparentemente socavan la viabilidad a cada paso. Las infraestructuras de la red eléctrica alineadas con las necesidades de transporte apenas están comenzando a surgir. A nivel mundial, los centros urbanos están proponiendo prohibiciones completas de los vehículos de combustibles fósiles, pero aún esperan que se entreguen y proporcionen bienes y servicios. La contaminación acústica, especialmente alrededor de escuelas y hospitales, se ha convertido en una preocupación cada vez mayor. Estos factores, junto con la disminución de los costos de la tecnología de baterías y la mejora de la tecnología de baterías, también están ayudando a que la electricidad surja como una opción más allá del centro de la ciudad para industrias fuera de carretera como la minería, la construcción y la agricultura.

Los casos de uso ampliamente variables significan diversas rutas de electrificación para el transporte industrial y comercial. El panorama de los ICT es bastante complejo. La transición de motores de combustión interna (ICE) “sucios” a métodos de propulsión más limpios no es tan sencilla como lo es para los automóviles de pasajeros, y la historia de los automóviles de pasajeros en sí misma está lejos de ser sencilla. Hay muchas aplicaciones y casos de uso diferentes, y cada uno de estos casos proporciona varias oportunidades con diferentes soluciones (optimizadas). La transición a los trenes motrices electrificados se verá diferente dependiendo del trabajo para el vehículo. Los camiones pueden ser de larga distancia, entregando mercancías en todo el país o de corta distancia, entregando bienes y servicios localmente y en distancias cortas. Pueden ser de alto rendimiento, moviendo cargas grandes y masivas, o medianos/ligeros, transportando mercancías más pequeñas. Los autobuses pueden ser autocares, moviendo personas largas distancias. También pueden ser autobuses urbanos o escolares, que mueven a las personas en rutas más cortas y bien prescritas durante horas definidas de operación. Otras aplicaciones incluyen equipos industriales utilizados para la construcción, la minería, la agricultura y la silvicultura. Esta amplia variedad de casos de uso contribuye a la complejidad de la transición de ICE a eléctrico.

Hay múltiples caminos en el camino hacia la electrificación. No solo los casos de uso para vehículos y equipos de alto rendimiento son complejos y variados, también lo son las posibles arquitecturas de vehículos que se están desarrollando para permitir un transporte más limpio para estas aplicaciones. Los camiones y la maquinaria de hoy en día suelen ser impulsados por motores de combustión interna que impulsan dos o más ruedas a través de una transmisión.

Utilizan principalmente gasolina, combustible diésel o, en algunos casos, gas natural comprimido (CNG). Si bien los fabricantes de la industria han tomado medidas para mejorar el consumo de combustible y reducir las emisiones, incluida la introducción de enfoques híbridos suaves de 48 V, se necesita hace más. La legislación y la ampliación de las prohibiciones de diésel están magnificando la necesidad de reducir las emisiones. Como resultado, los fabricantes de vehículos están acelerando el desarrollo lejos de los motores de combustión interna y centrándose más en arquitecturas que incorporan motores eléctricos. Los enfoques que están aplicando activamente pueden resumirse en cuatro categorías:

Entonces, ¿qué aplicaciones probablemente adoptarán a corto plazo una de las arquitecturas de vehículos eléctricos? Dependiendo de la aplicación y el caso de uso, el momento de la implementación variará. Los autobuses en Shenzhen, China, por ejemplo, son esencialmente 100 % BEV hoy. Estos vehículos fueron capaces de hacer el cambio muy rápidamente.

La dominación duradera de China. Pueden pasar 10 o incluso 20 años hasta que un gran porcentaje de camiones de transporte pesado que transportan mercancías a través de continentes y países puedan pasar a ser completamente eléctricos debido a la falta de una infraestructura de carga capaz. Hay numerosos fabricantes de equipos originales (OEM) que tienen camiones eléctricos de demostración y algunos también han anunciado fechas de producción para estos vehículos en los próximos años. Sin embargo, antes de que se pueda lograr una adopción generalizada, la infraestructura para la carga o el reabastecimiento de hidrógeno deberá estar más ampliamente disponible.

Los autobuses escolares, por otro lado, se utilizan un pequeño porcentaje del día y recorren rutas bien definidas. Este tipo de caso de uso facilita la implementación de la infraestructura de carga, ya sea enchufable, inalámbrica o pantógrafo, lo que los convierte en excelentes candidatos para pasar rápidamente de diésel a eléctrico. Del mismo modo, el equipo de construcción puede trasladarse al sitio de trabajo y luego dejarse allí durante días mientras se completa el trabajo. Se puede usar durante la mitad del día y luego recargarse por la noche si se dispone de un punto de carga adecuado. O en el caso de la minería con la operación durante todo el día, un enfoque totalmente eléctrico puede operar continuamente sin la necesidad de limpiar de manera habitual el aire.

Si bien es deseable permitir una operación más silenciosa y un entorno de trabajo más seguro, los operadores de minas están logrando ahorros sustanciales en costos de diésel, propano y electricidad. También están obteniendo ganancias de productividad, con el mayor tiempo de actividad de las soluciones eléctricas frente a las tradicionales de ICE, que tienen más componentes y mayores costos de mantenimiento. Ya sea un camión, autobús o equipo industrial, el caso de uso puede dictar el ritmo de adopción eléctrica. Pero siempre que ocurra la electrificación, y ya sea totalmente eléctrica o híbrida, la electrificación de vehículos para la industria de los ICT está aquí para quedarse.

La conectividad para la electrificación del tren motriz en el transporte industrial y comercial exige soluciones confiables, sólidas e innovadoras. Los vehículos y maquinaria de transporte industrial y comercial se inclinan hacia la construcción de vehículos totalmente eléctricos. Muchos factores están llevando a la sociedad por un camino que va desde motores de combustión interna independientes para propulsión, hasta soluciones híbridas suaves y completas, hasta arquitecturas inteligentes de tren motriz totalmente electrificadas. Y si bien existen y se están abordando desafíos sociales, también deben superarse los desafíos técnicos. Las aplicaciones de los ICT exigen una potencia extremadamente alta Y un funcionamiento impecable en entornos muy duros donde el fallo no es una opción. Garantizar soluciones de conectividad sólidas para esta industria de misión crítica para satisfacer la demanda mundial es una necesidad.

El despliegue exacto y la evolución precisa de varios enfoques de arquitectura de tren motriz para vehículos pesados no están claros. Las diferentes aplicaciones, regulaciones y desafíos de la industria (sociales, económicos y técnicos) contribuyen a la falta de claridad de la industria. Y aunque el momento es incierto, lo que sí sabemos con un alto grado de certeza es si los vehículos utilizan arquitecturas híbridas o trenes motrices totalmente eléctricos.

Debemos ser capaces de gestionar inteligentemente la transferencia de energía, lidiando con el calor, el arco y los problemas de seguridad. Uno de los desafíos más apremiantes de la industria es la mejor manera de abordar adecuadamente los requisitos de compatibilidad electromagnética (EMC) del cliente. Estos incluyen inmunidad a la radiofrecuencia (RFI) y la interferencia electromagnética (EMI) y minimizar las emisiones radiadas. Esto es especialmente importante para los sistemas de alta potencia de CA debido a las características de potencia sinusoidal. Pero también es cierto para los sistemas de CC donde el blindaje de un cable eléctrico puede ver corrientes inducidas de hasta el 35 % del nivel de corriente de la línea de alimentación principal. Para un sistema de propulsión electrificado, por ejemplo, esto puede aumentar a varios cientos de amperios dependiendo de la demanda de potencia del sistema. Los fabricantes de vehículos y sistemas necesitarán tecnologías de terminación innovadoras rentables y eficientes en paquetes para garantizar una baja resistencia con una corrosión minimizada entre la red de protección y la línea de alimentación.

Soluciones de conectividad para almacenar energía. Se trata del alcance de un camión o autobús, y el tiempo de operación y los requisitos de carga para una pieza de equipo pesado. Todas estas son funciones de la cantidad de energía que puede almacenarse en las baterías o generarse mediante celdas de combustible. Las baterías de los vehículos eléctricos son bastante complejas dados sus voltajes de funcionamiento y corriente. Para complicar las cosas, los paquetes de baterías deben ajustarse a las dimensiones del vehículo y funcionar de manera segura en un entorno extremadamente duro. Gracias a la demanda de más y más dispositivos alimentados por baterías y tecnología de energía verde, se está realizando una enorme cantidad de inversión para mejorar drásticamente la tecnología de baterías con el fin de almacenar de manera eficiente la energía que se necesita para operar vehículos y equipos de manera rentable. Los desafíos son hacerlo de manera segura, confiable y en paquetes pequeños. Los sistemas de desconexión y desconexión de la batería son una gran parte de la ecuación de seguridad. Todos estos factores impulsan la necesidad de sistemas de terminal y conexión altamente confiables y flexibles en las soluciones de conectividad de celda a celda y de módulo a módulo que permiten la escalabilidad del paquete de baterías. Para limitar el tamaño, se están desarrollando subconjuntos con capacidades de detección integradas para permitir un control inteligente para la gestión de la batería (estado de carga y estado general). Los fabricantes de vehículos y equipos ICT y los proveedores de sistemas requieren soluciones tecnológicas de interconexión miniaturizadas y compatibles. Esto permitirá la producción de envases pequeños y robustos para paquetes de baterías de alta capacidad.

Soluciones de conectividad para motores eléctricos de propulsión/conducción electrificados y controlados. Maximizar el rango de conducción con una sola carga es fundamental. Ya hemos analizado la mitad del desafío: la capacidad de la batería. La segunda e igualmente crítica parte de la historia es el funcionamiento eficiente del vehículo o maquinaria. El control inteligente del motor eléctrico (sin sobreconducir ni subconducir el motor eléctrico) y el frenado regenerativo (recuperar y almacenar energía durante un evento de desaceleración del vehículo) son enfoques clave para una operación energéticamente eficiente.

Con este alto grado de control viene un alto grado de soluciones electrónicas integradas. Además, los fabricantes de vehículos están buscando formas de traer más y más datos externos al vehículo para ayudar con la eficiencia. Esto impulsa la necesidad de un nuevo conjunto de sensores para permitir el control de los vehículos eléctricos para garantizar una gestión y control de energía optimizados. Con este alto grado de control viene un alto grado de soluciones electrónicas integradas, minimizando el tamaño (y el peso) y maximizando la flexibilidad de diseño para nuestros clientes. Las nuevas arquitecturas de los vehículos eléctricos necesitan un solo componente que combine detección, procesamiento y comunicación inteligente de datos, y una conexión sólida, todo en un solo paquete. Estas arquitecturas necesitan actuadores sólidos y módulos de distribución de energía que se puedan utilizar para conmutar varias cargas, controlando y minimizando el desperdicio de energía. También necesitan conectividad de datos de alta velocidad, tanto cableada como inalámbrica, que permita comunicaciones de vehículo a vehículo y de vehículo a infraestructura y control inteligente del vehículo.

Soluciones de conectividad de alto voltaje para entornos hostiles donde la falla no es una opción. Un camión, autobús o excavadora eléctrica experimentará condiciones de operación mucho más severas que las que encontrarán los automóviles eléctricos. La lluvia, la nieve, el polvo, el sol del desierto, el frío ártico, los caminos en mal estado y otras condiciones adversas no deben detener la misión en cuestión. La conmutación de alto voltaje puede causar interferencia electromagnética (EMI), interrumpiendo las comunicaciones y las señales en los circuitos de bajo voltaje. Para un teléfono o computadora portátil, la falla es un inconveniente terrible. La falla de un vehículo o una pieza de equipo de alto rendimiento puede significar una pérdida de productividad, lo que genera un impacto en el negocio de uno, o en el peor de los casos, puede causar lesiones graves o la muerte. La operación segura es crítica. La carga, el mantenimiento y la mitigación de choques deben realizarse de manera segura. La complejidad de las arquitecturas de vehículos eléctricos y los principios operativos básicos está más cerca de los aviones, las redes de energía y los dispositivos electrónicos de consumo que de los enfoques de vehículos ICE. Es fundamental que las industrias de los ICT trabajen con empresas de otras verticales para ofrecer nuevas soluciones específicas para sus clientes. Los científicos de materiales y los físicos de contacto deben colaborar para innovar soluciones viables y sólidas para el mercado de vehículos eléctricos de rápido crecimiento, donde una conexión de carga enchufable experimentará miles de ciclos de acoplamiento a lo largo de su vida útil. Las técnicas de prueba y validación se llevarán a límites físicos y críticos para la seguridad, generalmente reservados para aplicaciones aeroespaciales e industriales. Las complejidades añadidas tanto para la fabricación como para el servicio de campo impulsan la necesidad de desarrollar herramientas y metodologías innovadoras.

Nuestro equipo de ingenieros y científicos se compromete estrechamente con nuestros clientes para asegurar su éxito al proporcionar soluciones sólidas adaptadas a sus necesidades específicas y arquitectura del vehículo. Aprovechamos nuestra profundidad y amplitud de experiencia en toda la empresa. Tenemos una sólida gama de conectores, contactores, sensores, relés, unidades de distribución de energía (PDU) y soluciones inalámbricas que sirven a múltiples industrias. Nuestros productos de movilidad híbrida y eléctrica se han utilizado en vehículos eléctricos desde sus inicios. Aprovechamos nuestra presencia global para asegurarnos de tener capacidad de diseño y prototipo donde nuestros clientes diseñan sus productos. Invertimos ampliamente en investigación y desarrollo, buscando resolver los desafíos de la industria antes de que se conviertan en problemas. Nuestros ingenieros y científicos participan activamente en varios comités de estándares y consorcios de la industria. Contamos con una extensa red de laboratorios de prueba y validación en todo el mundo para garantizar que podemos respaldar las especificaciones de nuestros clientes.