MeM 012: BMW Tecnología Híbrida de Punta

El anfiteatro del Karlsruher Institute für Technologie, recibió al ingeniero Christian Billig – jefe de diseño de BMW Group, para presentar cómo se diseñó y transformó en realidad el concepto más moderno en cuanto a tecnología híbrida.

BMW i3 y i8 son una muestra del alto nivel tecnológico y de la coordinación de distintos sistemas, como un motor de combustión interna, motor eléctrico, generador eléctrico, o un sistema de navegación satelital.

Un buen diseño comienza con un buen estudio de mercado

Así lo entendió BMW, quién se esforzó en entender lo que buscaba el mercado de los autos híbridos. De esta manera se diseñaron la gama de vehículos “i”, como el i3 y el i8.

Engranaje_i_BLANCO

Economía: Los recursos fósiles se están extinguiendo y su demanda sigue aumentando. Ilógico. Este cambio repercutirá en la economía mundial.

Cultura: La movilidad en los centros urbanos y en la vida moderna tienen que ser sustentable – Un tranvía eléctrico tiene más aceptación que uno diesel.

Medio Ambiente: El cambio climático y sus efectos deben ser considerados a la hora de diseñar las generaciones futuras de autos.

Cliente: Las expectativas y los valores de los clientes cambian con el tiempo. La tendencia actual es que los clientes son más severos con autos que contaminan.

Política: Las regulaciones futuras se basarán en las emisiones de CO2 de toda la flota producida.

Urbanización: Para el 2050 más del 70% de la población vivirá en ciudades y grandes centros urbanos.

i: La respuesta de BMW al problema
· Visión de movilidad
· Diseño innovador
· Próximo premium

Integración de nuevos conceptos, la clave del éxito

Fueron muchos los saltos tecnológicos necesarios para lograr el producto que BMW buscaba. Su experiencia en el mercado híbrido no era grande, más bien estaba detrás de muchos otros constructores que llevaban en el mercado mucho tiempo, como por ejemplo Toyota, Honda y Renault.

Esto llevo a desarrollar el nuevo vehículo bajo las siguientes premisas:

· Nuevo concepto de vehículo: desarrollado para centros urbanos con cierta comodidad en carreteras y con una autonomía adecuada. Para ello se utiliza un motor de combustión interna bi-turbo y un E-machine.

· Nuevos materiales: es fundamental la reducción del peso. El aluminio y la fibra de carbono son los materiales más utilizados.

Por otro lado la familia “i” de BMW tiene el porcentaje de piezas reciclables más elevado.

· Procesos de producción futuristas: el diseño también comprende la fabricación de las distintas partes y el ensamblaje del vehículo en la planta. Minimizar los tiempos de ensamblaje, los recursos necesarios y la logística tomaron un rol fundamental.

· Nuevo grupo moto-propulsor E: cuando hablamos de una E-machine, no solo hablamos de su construcción y performance, sino también de cómo se la integra en el vehículo.

Es fundamental que haya armonía entre la propulsión convencional (motor de combustión interna) y la propulsión eléctrica, y por tanto que haya integración entre la recuperación de energía durante las fases de frenado y la estrategia o management de la energía almacenada en las baterías.

· Nuevo procesos: el diseño tuvo un proceso inverso a lo normal. Había que partir de materiales reciclables, que fuesen factibles de ser utilizados, y que además garanticen luego su reutilización.

Es muy difícil diseñar un auto con todos los requerimientos que lleva acarreado, pero más difícil aún es diseñar un auto que será fabricado y luego desmantelado. Esto fue sin duda un desafío sin precedente.

· Empleados: Un proceso nuevo lleva implícito personal altamente capacitado. Las formaciones y capacitaciones que debieron brindarse al personal fueron muy altas.

Hablamos de sistemas eléctricos de alto voltaje, de materiales especiales, y de maneras de ensamblar especiales que minimicen el uso de pegamentos u otros materiales. La capacitación fue, por tanto, una herramienta importantísima para lograr el objetivo planteado.

BMW i8 i3

BMW i8 y i3 durante su presentación

2009, el año que marcó un rumbo

Ese fue el momento donde BMW decidió entrar en el mercado de vehículos híbridos. Era sabido que esta tecnología sería el futuro y, si bien BMW ya trabajaba en conceptos importantes, su pasos anteriores habían sido fundamentalmente en sistemas a base de hidrógeno.

· Mini E (2009-2012): 16 millones de km recorridos. Las baterías se cargaban en promedio de 2 a 3 veces por semana. La mayoría de los clientes cambiaba su vehículo por otro similar. Alrededor de 600 vehículos en concepto de leasing.

· BMW Active E (2011-2014): 16 millones de km recorridos. Los clientes, en su gran mayoría, querían comprar el vehículo una vez vencido el contrato de leasing (alrededor de 1000 vehículos). Este fue el momento donde BMW había logrado seducir a sus clientes con un producto de alto valor agregado.

· BMW i3 i8 (2014): con su nueva incorporación al mercado, la gente está decidida a comprarlo en lugar de hacer primero un leasing. Esto es el resultado de una mejora en el diseño de vehículos híbridos.

Serie i – Lo que no puedes dejar de saber

  • Habitáculo en fibra de carbono reforzado con piezas plásticas y de alta resistencia.
  • Baterías de ión de Litio de alto voltaje ubicadas bien abajo. Esto resulta en un centro de gravedad bajo que permite explotar las bondades de todos los sistemas y una mejor sensación de manejo.
  • Tanque de combustible pequeño (el consumo del i8 es menor a 3 l/100km) que permite una buena autonomía y que resulta factible para ser emplazado convenientemente.
  • Motor de combustión interna ubicado en la parte trasera. Permite un buen equilibrio del vehículo y evita un sistema de escape que recorre toda la longitud del vehículo. Esto da una gran ventaja a nivel de packaging.
  • E-machine ubicada en la parte delantera del vehículo, logrando una distribución de peso ideal y permitiendo un suministro de potencia a las ruedas delanteras muy eficiente.
  • Estructura del chasis y suspensión delantera y trasera de aluminio.
  • Peso de 1490 kg / 0-100 km/h en 4,4 segundos / autonomía eléctrica de 37km / consumo de combustible de 2,1 l/100km / potencia 96+170 kW (Eléctrica + motor de combustión interna) / par motor 250+320 Nm (Eléctrica + motor de combustión interna).
  • La E-machine es capaz de brindar un par motor instantáneo adicional que es altamente apreciado por los conductores deportivos.

El objetivo… ¡Emisiones cero!

Para lograr un consumo menor a 3 l/100km, fue fundamental trabajar en maximizar el rendimiento y la eficiencia.

  • Bajo peso
  • Bajo centro de gravedad 
  • Distribución del peso sobre el eje delantero y trasero perfecto – 50:50 
  • Packaging de los diferentes sistemas optimizados – motor de combustión interna atrás y propulsión eléctrica delante 
  • Reducida resistencia aerodinámica – canalizaciones internas de aire para el enfriamiento localizado 
  • Performance – motores de combustión interna y eléctrico se complementan perfectamente de acuerdo al requerimiento de potencia

Un grupo motopropulsor híbrido de alta performance

a) El motor de combustión interna es relativamente pequeño de acuerdo con la tendencia actual de downsizing.

BMW decidió incorporar un motor de 3 cilindros y 1500cm3, bi-turbo de 170kW y 320Nm. Equipado con una transmisión automática de 6 velocidades (6AT), de 85,4kg de peso y reducciones que llegan hasta una relación de 6,6 (sin contar una reducción final de 3,683).

Esto habla sencillamente de suficientes velocidades, con una gran desmultiplicación que permite tener un par de tracción en las ruedas muy elevado. Lo cual resulta esencial para aquellos conductores que quieren disfrutar de un comportamiento deportivo ágil.

b) En cuanto a la propulsión eléctrica, el motor de 96kW y 250Nm presenta un elevado par motor a bajas revoluciones. Con un peso de 49,5kg y 11400rpm máximas ofrece una relación peso/potencia extremadamente favorable.

Esta E-machine permite tener un comportamiento lineal en el momento en el que el vehículo comienza a desplazarse. Esta potencia y par máximos se alcanzan con 330VDC. La planta motora eléctrica esta también equipada con un sistema “Power Electronic” que permite utilizar 2 relaciones de transmisión (de 11,4 y 5,9). Este paquete electrónico pesa solo 27kg.

Las baterías son indiscutiblemente un salto tecnológico. 6 módulos separados (e intercambiables en caso de rotura o defecto) con 16 celdas cada uno (lo que hace un total de 96 celdas) permiten a estas baterías un alto almacenamiento de energía. Cada celda es capaz de almacenar 20Ah.

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Gestión Motor – Coordinación simultánea de 2 motores

Sistema de control de tracción independiente para la propulsión convencional y para la eléctrica.

Una estrategia de control que se adapta en tiempo real a la adherencia disponible.

Es así que se puede pasar de tracción trasera (RWD) a tracción delantera (FWD) instantáneamente y sin hacer uso de ningún selector por parte del conductor.

De la misma manera que el vehículo puede funcionar en modo de tracción integral (AWD) si las circunstancias lo requieren – baja adherencia o necesidad de transmitir toda la potencia al piso para acelerar.

Un setup muy práctico para controlar la dinámica del vehículo que permite una distribución de potencia en el eje delantero y trasero variable. Esto da lugar a un comportamiento sub-virante o sobre-virante de acuerdo al gusto del conductor. Este es el feature con el que todo conductor experimentado soñó alguna vez.

VEHICULO:

  • Aire acondicionado,
  • Consumo de accesorios eléctricos,
  • Sistema de Navegación satelital,
  • Control de tracción y estabilidad,
  • Sistema de recuperación de energía, etc

GRUPO MOTOPROPULSOR:

  • Coordinación entre motor de combustión interna y motor eléctrico

CONDUCTOR / MANIOBRABILIDAD:

  • Potencia y par motor requerido por el conductor

Es posible seleccionar distintos tipos de gestión motor de acuerdo si se desea una conducción confortable, deportiva, económica o totalmente eléctrica.

Es así, que la gestión motor identifica los siguientes escenarios:

·Comfort: conducción normal con intervenciones del sistema híbrido.

·Sport: basado en el sistema Comfort. Permite hacer un boost del motor de combustión interna con intervenciones bruscas del sistema híbrido.

·Eco-pro: es el modo más eficiente que combina propulsión convencional y eléctrica. El sistema de navegación es un componente clave, ya que de acuerdo al recorrido que se realizará, permite no solo calcular el camino más eficiente, sino también hacer la gestión motor (convencional/eléctrico) de acuerdo al lugar por el que se circula.

·e-Drive: es una conducción 100% eléctrica, con una velocidad máxima de 120 km/h hasta agotar la batería.

Las baterías del BMW i3 y del i8 pueden cargarse con el motor de combustión interna mientras se conduce y con la energía que se recupera durante las fases de frenado.

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En caso de ser necesario, cuenta con un sistema plug-in que se enchufa a 220V y requiere solo 3h de carga.

Durante la conducción en modo eléctrico es necesario enfriar las baterías ya que la temperatura aumenta rápidamente. Esto se lleva a cabo mediante un sistema de enfriamiento a base de freón del aire acondicionado.

Las baterías tienen una vida útil de 8 a 10 años y cada una de sus celdas esta diagnosticada individualmente. De ser necesaria una reparación, bastará con reemplazar solo la celda defectuosa y no todo el conjunto.

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