La inmensa mayoría de los coches eléctricos hoy en día no utilizan caja de cambios. Hay tres razones principales por las que esto sucede, pero antes de profundizar en los detalles, debemos explicar qué es una caja de cambios y qué hace en un automóvil ICE. De esta forma será más fácil entender por qué la caja de cambios no tiene una importancia fundamental en los coches eléctricos. También intentaremos explicar los casos en los que puede ser un complemento útil y qué beneficios aporta.
¿Qué es una caja de cambios y qué hace en un coche ICE?
Los motores ICE, a diferencia de los motores eléctricos, no producen suficiente par en ralentí para poder mover el vehículo, necesitamos mayores revoluciones para producir más par. Pero el rango de revoluciones del motor es limitado y, como resultado, la velocidad del coche sería limitada y por eso utilizamos cajas de cambios. En pocas palabras, una caja de cambios combinada con la relación de transmisión final es un multiplicador de par. Es posible que haya oído hablar antes de las relaciones de transmisión y transmisión final, pero quizás no sabía lo que significan estas cifras.
Comencemos con la relación de transmisión. Supongamos que ha seleccionado la primera marcha en su automóvil ICE. Supongamos también que la 1.ª marcha tiene una relación de 3:1. Esto significa que el par producido por el motor se multiplica por 3. Para determinar cuántas veces se multiplica el par en las ruedas del coche, también tenemos que considerar la relación de transmisión final. Si, nuevamente, la relación de transmisión final es 3:1, el par de las ruedas del automóvil es nueve veces el par del motor. Si el motor de su automóvil produce 200 Nm de par en 1.ª marcha con las relaciones anteriores, el par de las ruedas es 200 Nm x 9 = 1800 Nm.
Sin la caja de cambios esta multiplicación no sería posible, y el coche se quedaría quieto incluso si apretáramos el acelerador. La caja de cambios de un coche ICE debe diseñarse de tal manera que combine perfectamente las características de potencia y par del motor, su eficiencia con diferentes cargas y, por supuesto, la velocidad máxima que los ingenieros hayan especificado para el vehículo elegido.
Esas soluciones, a pesar de los importantes avances ocurridos en las últimas décadas, siguen siendo un compromiso. Las cajas de cambios introducen sus propias ineficiencias en todo el tren motriz, aumentando el consumo de combustible y las pérdidas de energía.
¿Cuál es el caso de los coches eléctricos?
Los motores eléctricos tienen tres propiedades nativas que resuelven problemas de ingeniería en el desarrollo de cajas de cambios y, en la mayoría de los casos, hacen que las cajas de cambios sean innecesarias. Estas propiedades son un alto par desde cero rpm, la capacidad de los motores eléctricos a altas rpm y velocidades máximas limitadas electrónicamente. Cubramos esas propiedades una por una.
El alto par desde cero rpm es bastante obvio. Recuerde que las cajas de cambios son principalmente dispositivos multiplicadores de par. Si tiene un par elevado desde cero rpm, no es necesario multiplicarlo aún más mediante el uso de múltiples relaciones de transmisión.
Sin embargo, lo que es de importancia crítica es la capacidad de altas revoluciones. Dado que el motor eléctrico puede girar hasta 20.000 rpm, con un par elevado disponible en toda la gama, la velocidad máxima se puede alcanzar fácilmente con una sola relación. La velocidad máxima limitada electrónicamente de un coche eléctrico es la última razón. Esto no ocurre únicamente por la falta de una caja de cambios, sino por el contenido energético relativamente bajo de las baterías de alto voltaje actuales, en comparación con los combustibles líquidos.
Echemos un vistazo al BMW i4 eDrive 40 para comprender mejor esto: tiene un par motor máximo de 430 Nm de 0 a 5000 rpm y una relación combinada de transmisión y transmisión final de 11,115:1. ¡Esto significa que el par de las ruedas es de 4780 Nm! Ahora resulta evidente por qué los coches eléctricos, en general, son los reyes de los semáforos.
Supongamos que la velocidad máxima del coche es de 190 km/h. A la velocidad máxima, el motor gira a 16.500 rpm. A una velocidad típica en carretera de 130 km/h, el motor gira a aproximadamente 11.300 rpm. Como puedes ver en este ejemplo, el motor eléctrico tiene suficiente rango de revoluciones para satisfacer todos los requisitos sin necesidad de caja de cambios.
El paradigma Porsche y Audi
El Porsche Taycan y el Audi E-Tron GT utilizan una caja de cambios de dos velocidades en el motor trasero. Ahora, antes de decir: "Oye, nos acabas de decir que las cajas de cambios no son necesarias en los coches eléctricos". Idealmente, nos gustaría tener una relación de transmisión corta a velocidades bajas a medias para una aceleración más rápida y una relación de transmisión más larga a velocidades más altas para reducir las rpm del motor eléctrico.
¿Por qué necesitamos reducir las rpm del motor a velocidades más altas? Bueno, por dos razones. En primer lugar, al reducir las rpm del motor, mejoramos su eficiencia (a través de menos contrafem y corrientes parásitas) y, por lo tanto, la autonomía del automóvil también mejora. Y la segunda razón es la posibilidad de alcanzar velocidades máximas más altas sin una rotación excesiva del motor.
El problema con la adopción de cajas de cambios de dos velocidades es la dificultad técnica que tienen para manejar el inmenso e instantáneo par que producen los motores eléctricos. Sin embargo, algunos fabricantes están desarrollando actualmente cajas de cambios de dos velocidades para coches eléctricos.
Si logran fabricarlos a escala con una confiabilidad sólida y precios razonables, es posible que veamos que más autos convencionales los empleen en lugar de solo superdeportivos como Porsche Taycan y Audi e-Tron GT. Sin embargo, la complejidad adicional y el alto precio superan con creces los beneficios potenciales.
