Aerodinámica
en la era de la electromovilidad
Documento basado en
el artículo de: https://newsroom.porsche.com/es
La era de la movilidad
eléctrica ha dado un nuevo impulso al desarrollo de la aerodinámica en el
automóvil. Por una parte, la eficiencia energética ha cobrado más importancia
que nunca y la resistencia al aire es uno de sus factores determinantes. Por
otra, la refrigeración en un vehículo eléctrico, muy distinta a la que
necesitan los equipados con motores de combustión, requiere un diseño específico.
Un dato que resulta muy
ilustrativo del progreso en aerodinámica en la era de la electromovilidad: con
un valor Cx a partir de 0,22, el Taycan tiene el mejor coeficiente de
resistencia al avance de todos los modelos actuales de Porsche. Y, sin embargo,
no se puede considerar que se ha llegado al límite de desarrollo. Los elementos
aerodinámicos activos y los nuevos métodos de desarrollo podrán aportar mejoras
en el futuro.
La resistencia que ofrece el aire
La resistencia
aerodinámica desempeña un papel decisivo en el consumo de combustible, sobre
todo a velocidades altas. "A partir de unos 80 km/h, la resistencia
aerodinámica ya es mayor que la de rodadura en los neumáticos", explica
Marcel Straub, Ingeniero Jefe de Aerodinámica y Gestión Térmica en Porsche
Engineering. "Y como aumenta cuadráticamente con la velocidad, la
aerodinámica es un factor principal para el consumo de energía, sobre todo al
conducir por vías rápidas".
La resistencia
aerodinámica de un vehículo viene determinada por el producto de su área
frontal y su valor Cx. En el caso del Taycan, con ese Cx de 0,22 y una
superficie frontal de 2,33 m², el factor de resistencia aerodinámica es 0,513
m².
El coeficiente Cx indica
la resistencia de un cuerpo, influenciada por la forma que tenga: cuanto más
pequeño es ese valor, menos resistencia al avance. La llamada “forma de
lágrima”, redondeada por delante y como un cono alargado por detrás, tiene un
valor Cx de apenas 0,05. Sin embargo, esa forma sería ineficiente por su
relación entre volumen y espacio interior, pues resultaría imposible distribuir
adecuadamente el espacio para los pasajeros, el sistema de propulsión y la
carga útil.
Perspectiva histórica
Los intentos de reducir
la resistencia al avance son casi tan antiguos como el automóvil, aunque al
principio estaban dedicados a coches de competición y de récord. Muchos de
estos últimos eran eléctricos, como los de Jeantaud, el Jamais Contente (primer
coche que superó 100 km/h, en 1899) o los Baker Electric Torpedo.
Al final de la década de
1920 y, sobre todo, durante la de 1930, la aerodinámica fue materia de estudio
para ingenieros del automóvil. En muchos casos habían trabajado anteriormente
para la industria aeronáutica, en el diseño de aviones y dirigibles. Sin
embargo, no fue hasta la Crisis del Petróleo de 1973 cuando se empezó a prestar
más atención a la resistencia aerodinámica en coches de serie, un trabajo que
comenzó a dar fruto a gran escala en los 80.
En 1982, el Audi 100 se
consideraba la berlina más aerodinámica del mundo, con un coeficiente Cx de
0,30. Era un valor extremadamente bajo para la época y, sin embargo, había
margen de mejora. Casi veinte años después, el Audi A2 bajaba a 0,25, algo notable
en un coche de sus proporciones. "Fueron verdaderos saltos adelante en
aerodinámica", recuerda el profesor Andreas Wagner, catedrático de
Ingeniería de Automoción de la Universidad de Stuttgart.
El impulso de la electromovilidad
Actualmente se está dando
el siguiente salto, impulsado por la transición a la electromovilidad.
"Las cadenas cinemáticas eléctricas tienen una eficiencia mucho mayor que
los motores de combustión interna, por lo que otros factores de consumo de
energía adquieren mucha más importancia", explica Thomas Wiegand, Director
de Aerodinámica, Investigación y Desarrollo de Porsche AG. "En el ciclo de
conducción WLTP, la resistencia aerodinámica causa entre el 30 y el 40 % del
consumo en los coches eléctricos, frente a menos del 10 % en un vehículo con
motor diésel o de gasolina. Y, como la velocidad media en circulación normal es
aún mayor que en el ciclo WLTP, es probable que esta cifra sea incluso superior
al 50 por ciento en esas condiciones".
En consecuencia, los
fabricantes están poniendo mucho énfasis en optimizar la aerodinámica de sus
vehículos eléctricos. La nueva tecnología de propulsión les está ayudando a
conseguirlo. Los coches con motor de combustión tienen un sistema de escape con
una superficie irregular que genera turbulencias y aumenta la resistencia al
avance. En los modelos eléctricos, en cambio, la batería se encuentra entre los
ejes delantero y trasero y su parte inferior es completamente lisa, lo que
favorece una buena aerodinámica.
Otra ventaja del vehículo
eléctrico es que sus motores generan menos calor, lo que significa que hay que
disipar menos energía. Como resultado, se necesita menos o incluso ningún flujo
de aire a través del compartimento del motor, lo que supone una reducción
añadida de la resistencia.
Aerodinámica activa
En el Taycan, las
entradas de aire inferiores laterales en la parte frontal tienen elementos
móviles para dirigir el aire hacia dos radiadores. Al mismo tiempo, regulan el
flujo de entrada a los frenos según las necesidades, a través de un canal
específico. El control central que conecta todos los sistemas del chasis,
registra la carga térmica de los discos de freno y, en caso necesario, (por
ejemplo, en un circuito) les aplica una refrigeración intensiva.
El sistema Porsche Active
Aerodynamics (PAA) ofrece varias ventajas en la parte frontal del Taycan: con
las tomas de aire cerradas, desciende la resistencia aerodinámica. Abiertas
aumenta la refrigeración y el rendimiento de los frenos. Estos elementos
móviles actúan siempre según las necesidades, teniendo en cuenta las
condiciones de circulación, la velocidad y la refrigeración que hace falta.
En la parte posterior del
Taycan, el alerón se despliega en tres posiciones distintas para influir en la
aerodinámica del vehículo con un doble fin: bien reducir la resistencia para
aumentar la eficiencia y la autonomía, o bien generar carga para conseguir los
mejores tiempos por vuelta en circuito.
Los elementos de
aerodinámica activa podrían desempeñar un papel aún más importante en el futuro
y cambiar significativamente el aspecto de los vehículos durante la marcha. El
experto Straub también imagina que los coches cambiarán de forma mientras
circulan: "La parte trasera podría, por ejemplo, volverse más angulosa a
velocidades altas para formar bordes de separación más afilados. Los nuevos
materiales con memoria de forma podrían servir de base para ello. Cambian su
geometría según la temperatura o el voltaje aplicado".
En la Universidad de
Stuttgart, los investigadores siguen un planteamiento totalmente novedoso:
"Estamos examinando si es posible reducir el valor Cx en determinados
puntos de la carrocería provocando vibraciones sistemáticamente", explica
Wagner. "Si se introduce un pulso definido en el flujo alrededor del coche
mediante altavoces, se puede influir en la separación de ese flujo". En el
caso de un todoterreno, añade, fue posible reducir el valor Cx en un siete por
ciento utilizando este método. "Pero aún queda camino por recorrer antes
de la producción en serie", afirma Wagner. "Tenemos que asegurarnos,
por ejemplo, de que los pasajeros no oigan ningún zumbido o murmullo".
Simulaciones cada vez mejores
Los ingenieros y
diseñadores evalúan en qué medida sus ideas afectan a la aerodinámica de los
nuevos vehículos en el túnel de viento y mediante simulaciones CFD (mecánica de
fluidos computacional). "Las simulaciones CFD han cobrado una enorme
importancia en los últimos 20 años", afirma Wagner. "Se han
comprendido mejor los métodos matemáticos, se han desarrollado herramientas más
precisas y también ha aumentado la potencia de procesamiento de los
ordenadores".
Hoy en día, sin embargo,
las simulaciones por ordenador siguen encontrando limitaciones. Por ejemplo,
actualmente solo es posible calcular de forma limitada el efecto de la rotación
de los neumáticos. Tampoco es posible simular con suficiente precisión su deformación
bajo el peso del vehículo. En el futuro, esto será posible, al igual que la
optimización asistida por ordenador de la geometría del vehículo. "Hay
numerosos parámetros interrelacionados, como la forma del perfil, la
inclinación del pilar A, la altura del capó trasero o el ángulo del
difusor", explica Wagner. "Esto da lugar a tantas combinaciones
posibles que un ser humano ya no puede tener todas en cuenta". En cambio,
los algoritmos inteligentes podrían moverse por esa cantidad de variables y encontrar
específicamente las combinaciones que prometen un valor de Cx bajo. También
sería factible mantener constante un parámetro por razones de diseño (por
ejemplo, la altura del maletero) y combinarlo con el resto de variantes
geométricas.
En el futuro se espera
que la inteligencia artificial (IA) contribuya a procesos más eficientes.
"Al final del desarrollo, estamos obligados a especificar valores
individuales de consumo o autonomía para cada variante de vehículo, en los que,
además de la aerodinámica, intervienen el peso y la resistencia a la
rodadura", afirma Wiegand. "Por tanto, tenemos que generar grandes
volúmenes de datos para el componente aerodinámico". Al mismo tiempo, ya
se dispone de un gran número de mediciones del túnel de viento y resultados de
simulación de las fases de desarrollo anteriores. Estos datos se estructurarán
mejor en el futuro y se analizarán con métodos modernos. "Los algoritmos
de IA podrían generar nuevos datos a partir de una reserva existente mediante
interpolación y extrapolación. Esto nos permitiría planificar experimentos
específicos y reducir su número. Y ya no necesitaríamos medir todas las
variables".
Optimización en tiempo real con IA
Porsche Engineering
también está trabajando en el uso de métodos de IA. El objetivo de los
desarrolladores es predecir los efectos de los cambios en la geometría del
vehículo en tiempo real. Aunque hoy en día sigue siendo necesaria una
simulación CFD para cada variante, que lleva mucho tiempo, en el futuro una red
neuronal calculará la influencia en el valor Cx mucho más rápidamente.
"Cambias una forma con el ratón e inmediatamente ves lo que eso significa
para la aerodinámica", comenta Straub. "Ya hemos utilizado este
método basado en IA para el perfil del alerón de un Porsche GT3". El
desarrollo del nuevo método continúa en colaboración con los expertos en IA de
Porsche Engineering y el equipo de desarrollo de métodos de Porsche AG en
Weissach.
Aun así, no hay razón
para esperar que todos los vehículos optimizados aerodinámicamente sean iguales
en el futuro. "Se puede conseguir un buen valor Cx de diferentes
maneras", dice Wagner. "Si quieres optimizar la parte trasera, por
ejemplo, puedes cambiar la altura del capó posterior y el difusor de los bajos.
Entonces hay que trabajar con el equipo de diseño para llegar a una solución
ideal que se adapte a la marca. Así se consigue una aerodinámica comparable con
diferentes formas". Straub resta importancia a la idea de que en el futuro
habrá un diseño uniforme en todas las marcas: "No habrá riesgo de
confundir un coche con otro, ni siquiera en el caso de los mejores vehículos en
términos aerodinámicos".
Ricardo Berizzo
Ingeniero
Electricista
2025.-
