¿Qué determina el valor de kWh/100 km? El rastro de las pérdidas de eficiencia

El valor de kWh/100 km indica la cantidad de energía que el vehículo extrae de su batería para recorrer 100 kilómetros. Este valor está determinado por cada eslabón perdido en la cadena de energía que va desde la batería hasta las ruedas: la eficiencia del motor y del inversor, la carga de calefacción y refrigeración, la resistencia aerodinámica y la resistencia a la rodadura. Incluso el mismo vehículo, con la misma batería y en la misma carretera, puede cambiar este valor de forma significativa en condiciones diferentes.

Al mirar la tabla de consumo de un vehículo eléctrico, en realidad estás leyendo la última línea de un flujo de energía. Cada kilovatio-hora que sale de la batería emprende un viaje a través del inversor hacia el motor, y del motor hacia las ruedas; en el camino se consume en forma de calor, como pérdidas magnéticas y como la resistencia que los neumáticos ejercen contra el pavimento. En este artículo seguiremos ese viaje de principio a fin y explicaremos, a través de la cadena de pérdidas, por qué el mismo vehículo puede mostrar 14 un día y 22 kWh/100 km al día siguiente.

De la batería a las ruedas: ¿dónde se pierde la energía?

El tren motriz eléctrico es estructuralmente más eficiente que el de gasolina; sin embargo, "eficiente" no significa "sin pérdidas". Cada eslabón de la cadena tiene su parte. La resistencia interna de la batería, las pérdidas de conmutación del inversor, las pérdidas eléctricas y magnéticas del motor y la fricción mecánica del tren motriz convierten una parte de la energía extraída de la batería en calor.

El eslabón con más pérdidas de la cadena es el motor. La eficiencia culombimétrica de las baterías de litio supera el 99%, es decir, la batería casi no pierde nada en forma de calor. El motor es diferente: las pérdidas óhmicas (de cobre) en los devanados, las pérdidas de hierro en el circuito magnético y, en los motores de imanes permanentes, las pérdidas que sufren los propios imanes, limitan la conversión de la energía eléctrica en energía mecánica. El motor convierte aproximadamente el 80% de la electricidad en energía mecánica; mientras que la eficiencia térmica máxima teórica de un motor de gasolina con cientos o incluso miles de piezas móviles se mantiene en el rango del 35-40%, y solo el 15-30% de la energía del combustible llega a las ruedas. Esta única comparación resume por qué el valor de consumo de un vehículo eléctrico es generalmente bajo.

El inversor, situado entre el motor y la batería, convierte la corriente continua en corriente alterna trifásica adecuada para el motor, y las pérdidas se reflejan directamente en la autonomía. Las pérdidas de conmutación significan que los semiconductores liberan una cierta cantidad de energía en forma de calor cada vez que se abren y cierran; cuanto mayor sea la eficiencia del inversor, mejores serán la autonomía y el rendimiento térmico. El mismo inversor también es crítico en la frenada regenerativa, porque durante la recuperación la energía fluye en sentido inverso, del motor a la batería, a través de la misma electrónica de potencia.

¿Cómo afecta el tipo de motor a la eficiencia?

En los vehículos eléctricos hay dos familias básicas de motores: los motores síncronos de imanes permanentes y los motores asíncronos (de inducción). El origen de la diferencia radica en un principio físico llamado deslizamiento ("slip"). En el motor síncrono, el rotor gira sincronizado paso a paso con el campo magnético rotatorio del estator; en el motor asíncrono, en cambio, el rotor se queda intencionadamente rezagado respecto al campo del estator para poder generar par, y esta diferencia aparece como pérdida en los circuitos del rotor. Por ello, los motores síncronos de imanes permanentes suelen ser unos pocos puntos más eficientes - se indica que la diferencia es del orden del 2-3%.

En contrapartida, el motor asíncrono tiene sus propias ventajas: es de arranque autónomo, ofrece un rendimiento sólido a altas revoluciones y no implica coste de imanes. Por esta razón, muchos fabricantes prefieren una configuración híbrida: motor síncrono para la tracción principal, donde la eficiencia es crítica, y motor asíncrono para el eje secundario. Al leer el valor de consumo, saber qué tipo de motor lleva el vehículo explica parte de la diferencia de uno o dos kWh que aparece en la tabla entre dos vehículos de la misma clase.

Velocidad y aerodinámica: el factor que más rápido eleva el consumo

La razón principal por la que un vehículo eléctrico consume más energía en la autopista que en la ciudad es una simple regla de la física: la resistencia aerodinámica aumenta con el cuadrado de la velocidad. Cuando duplicas la velocidad, la resistencia del aire se cuadruplica, y la potencia necesaria para vencerla crece aún más rápido. Por eso los vehículos eléctricos se vuelven exponencialmente menos eficientes a altas velocidades, y el valor de autopista en la tabla de autonomía siempre supera al valor urbano.

La escala es concreta: la resistencia aerodinámica puede llegar a contribuir hasta un 50% del consumo total a velocidades de autopista. Reducir la resistencia aerodinámica un 10% mejora la eficiencia en autopista aproximadamente un 5% - esto explica por qué se da importancia a las diferencias de diseño en el parachoques delantero o las tapas de las ruedas. Una extensión de esta regla es la siguiente: la velocidad teóricamente más eficiente de un vehículo eléctrico es muy baja. Porque los consumos fijos, como el aire acondicionado, la calefacción y los sistemas eléctricos, representan una proporción relativamente grande a bajas velocidades; a medida que aumenta la velocidad, la resistencia aerodinámica se vuelve dominante. En la práctica, la banda más eficiente es la zona intermedia, donde los consumos fijos se diluyen y la resistencia aerodinámica aún no se ha disparado.

Neumáticos, llantas y resistencia a la rodadura

A medida que la velocidad disminuye, la resistencia aerodinámica se reduce y la resistencia a la rodadura toma el protagonismo de la escena. Los neumáticos pueden afectar la autonomía de un vehículo eléctrico en un rango del 20 al 40%. En un vehículo de gasolina, aproximadamente el 5% de la energía se pierde en los neumáticos, mientras que en un vehículo eléctrico esta cifra sube hasta el 16%, porque la energía total de un vehículo eléctrico ya es pequeña y, por eso, la proporción de cada pérdida es mayor.

La presión de los neumáticos también influye: cada PSI por debajo de la presión recomendada aumenta la resistencia a la rodadura y extrae más energía de la batería. El tamaño de la llanta genera una diferencia que se refleja incluso en la documentación del fabricante. En el Hyundai Ioniq 6, que lleva la misma batería de 77.4 kWh, pasar de 18 a 20 pulgadas, es decir, un aumento de llanta de solo el 11%, supuso una caída de eficiencia del 14%. Las llantas grandes significan más superficie de contacto y un flanco más rígido en comparación con los neumáticos de perfil grueso; la combinación de llanta pequeña y perfil grueso sigue ofreciendo la mayor autonomía.

• Mantenga la presión de neumáticos recomendada; cada PSI que falte se refleja en la factura de la batería.
• La nieve, el barro y las condiciones de suelo frío aumentan la resistencia a la rodadura.
• En la elección de la llanta existe un intercambio directo entre diseño y autonomía.

Calefacción y refrigeración del habitáculo: el consumo invisible

En un vehículo de gasolina, la calefacción del habitáculo sale casi gratis gracias al calor residual del motor. En un vehículo eléctrico este lujo no existe: el aire acondicionado, la calefacción y todos los sistemas auxiliares se alimentan directamente de la batería de alto voltaje. Es decir, una parte del valor de kWh/100 km nunca llega a las ruedas; va a la resistencia del calefactor y al compresor. Un vehículo promedio necesita 4-8 kW de potencia de calefacción en clima frío, una cifra cercana a la potencia de propulsión de un motor, y puede duplicar fácilmente el consumo a bajas velocidades en ciudad.

El efecto del frío es de dimensiones medibles. En temperaturas cercanas al punto de congelación, la pérdida media de autonomía ronda el 20% y aumenta a medida que baja la temperatura. En un estudio, a -7°C la autonomía de un vehículo totalmente eléctrico cayó un 41%; en condiciones similares, la caída en un vehículo de gasolina fue del 10%. La pérdida de autonomía en frío no tiene una única causa: la calefacción del habitáculo, la alta resistencia interna de la batería fría y el aumento de la resistencia a la rodadura contribuyen a la misma factura. La bomba de calor es la tecnología principal que alivia esta factura; en comparación con la resistencia eléctrica, puede aumentar la autonomía entre un 8 y un 10% en condiciones de frío.

El calor extremo también aumenta el consumo: en el rango de 46 a 50°C, el consumo de energía puede subir hasta un 28% en comparación con 26-30°C. La carga del compresor y el esfuerzo de la gestión térmica por mantener la batería fría son las principales causas. En la banda de temperatura óptima, aproximadamente entre 10 y 30°C, los vehículos eléctricos utilizan toda su autonomía e incluso más; esta banda es el entorno más cercano a las condiciones de referencia en las que se miden los valores oficiales de consumo.

¿Por qué la ciudad le gana a la autopista? El papel de la frenada regenerativa

En un vehículo de gasolina, el semáforo es un puro desperdicio; en un vehículo eléctrico, la frenada es un proceso de recuperación de energía. La frenada regenerativa convierte la energía cinética del vehículo en electricidad haciendo que el motor funcione como un generador y la devuelve a la batería. Entre el 60 y el 70% de la energía cinética capturada puede volver a la batería; entre el 25 y el 40% de los eventos de frenado pueden recuperarse de forma regenerativa. Se estima que en un uso mixto de ciudad/autopista, la recuperación es de aproximadamente el 22% en los vehículos totalmente eléctricos. En el tráfico con paradas y arranques, esta cifra es aún más significativa, y en las bajadas la batería realmente añade energía de vuelta.

El resultado es la inversa del hábito clásico: muchos modelos obtienen entre un 15 y un 25% más de eficiencia energética en la conducción urbana, mientras que en autopista la eficiencia cae entre un 10 y un 30%. Gran parte de la diferencia ciudad-autopista en el valor de kWh/100 km del mismo vehículo proviene de aquí: en la ciudad las frenadas devuelven energía, mientras que en la autopista nuestra única tarea es vencer la resistencia al avance.

Diferencia entre el Valor Oficial y el Valor Real

El valor de kWh/100 km del catálogo se produce en un protocolo de prueba definido, a una temperatura medida y con una combinación específica de llantas y neumáticos. La carretera real cuenta otra historia: la velocidad de conducción, la temperatura exterior, la calefacción de la cabina, la presión de los neumáticos, la carga y el estilo de conducción asignan valores diferentes al mismo vehículo. Los fabricantes lo indican abiertamente: la autonomía puede variar considerablemente según la temperatura, el terreno, la edad de la batería y la carga. Una desviación de hasta el 41% a -7°C muestra la magnitud de esta advertencia.

Al leer el valor de consumo, conviene tener presente el siguiente cuadro:

Formas Prácticas de Reducir el Valor

Si conoce la cadena de pérdidas, también sabe por dónde empezar para mejorar el valor. Tres puntos destacan por delante: controlar la velocidad, gestionar la carga de la cabina y mantener los neumáticos bajo control. Reducir los consumos fijos con una bomba de calor, disminuir la resistencia a la rodadura con la presión correcta y, si es posible, con llantas más pequeñas, y reducir la carga de resistencia con disciplina de velocidad en autopista: las tres cosas juntas producen una diferencia medible en el mismo vehículo. También debe tenerse en cuenta que entre el 12 y el 15% de la energía añadida a una batería se pierde durante el proceso de carga; el consumo no se produce solo durante la conducción, sino también en el camino de la corriente del enchufe a la batería.

En resumen, los kWh/100 km no son una característica del vehículo, sino el resultado de un sistema. La batería, el motor, el inversor, los neumáticos y el aire: los cinco firman esa cifra. Cuando comprenda por qué varía el valor, estimar la autonomía deja de ser un juego de azar; se convierte en un problema de ingeniería medible.

Fuentes

• La eficiencia importa: todo sobre la eficiencia de los vehículos eléctricos
• Beneficios y consideraciones de los vehículos eléctricos
• Uso de energía para el transporte: vehículos eléctricos
• Impacto de las temperaturas ambientales frías en el rendimiento de los BEV
• Estudio: cuánto aumentan las bombas de calor la autonomía de los vehículos eléctricos
• Cómo afectan la temperatura y la velocidad a la autonomía de los vehículos eléctricos
• Cómo afecta la temperatura a la autonomía de los vehículos eléctricos
• Vehículos eléctricos explicados: pérdidas en la carga
• Cómo afectan los neumáticos a la autonomía de tu vehículo eléctrico
• Cómo optimizar la autonomía de tu coche eléctrico
• Pérdidas en los mapas de eficiencia de los vehículos eléctricos: una visión general
• Un análisis más detallado de las pérdidas en los motores de los vehículos eléctricos
• Inversores en los vehículos eléctricos: función, tipos y eficiencia
• Efectos del calor extremo en el consumo de energía de los vehículos eléctricos
• Desarrollo del sistema de frenado regenerativo
• Entendiendo el frenado regenerativo en los vehículos eléctricos