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Probando, probando,.. en carretera.

60_testingLa conversión de un vehículo de gasolina o diésel a eléctrico es la manera más sostenible y económica de conducir un coche eléctrico. La idea principal es reutilizar todas las partes del vehículo que no tengan relación con el motor de combustión y sustituir este por un motor eléctrico. Motor, radiador, depósito de gasolin
a, tubo de escape, alternador, etc se eliminan, reduciendo así el peso del vehículo. Al disponer ya de un chasis con todo lo necesario para la conducción, como interior, frenos, neumáticos, amortiguación, etc todo el esfuerzo se reduce a la instalación y diseño de un sistema de motor eléctrico con sus correspondientes baterías.

61_testingEs muy importante elegir un buen diseño del sistema eléctrico, tanto el motor como el bloque de baterías y el controlador del mismo, para que tanto en potencia como en velocidad, el coche tenga similares prestaciones a las que tenía con el motor de gasolina. Excesiva potencia podría dañar los componentes de tracción o no responder a la frenada como fue diseñado originalmente, y demasiada poca haría que los cambios de marchas no adquiriesen la velocidad adecuada.

Elektrun es un proyecto que nació hace dos años para probar el concepto de conversión de un vehículo pequeño, eléctrico, utilitario y de corto recorrido ideal para trayectos en ciudad. Se escogió un Renault Twingo para construir un prototipo, un  automóvil de poco peso y tamaño reducido, que después de dos años de diseño, pruebas, y experimentación, hemos conseguido ponerlo en funcionamiento.

62_testingEl principal escollo en una conversión de este tipo es la autonomía que dan las baterías. Hoy en día ya existen vehículos con un nivel de autonomía de hasta 700 kms, cierto es que para esta autonomía se necesita un pack de entre 70 u 80 Kw. Nuestro prototipo lleva un pack de 7,4Kw.

 

 

63_testingEste prototipo dispone de un motor de corriente alterna de 15Kw y un par de 80Nm, un bloque de baterías de 72V y 100Ah, con un controlador de hasta 350 amperios y 80V. Esto nos puede dar una velocidad punta de hasta 90km/h en quinta marcha.

 

Los primeros ensayos demostraron que el peso total de la conversión no afectaba en las curvas pronunciadas, la amortiguación respondía tal y como se esperaba, y al eliminar el ruido, la conducción es más agradable.

 

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Una bomba de vacío se instaló adicionalmente para ayudar al sistema de frenos. Las frenadas también son similares a un Twingo, el coche responde a la frenada con fuerza y la mantiene todo el tiempo necesario en rampa.

 

 

 

65_testingUna pequeña pantalla se instaló en el interior para monitorizar en todo momento la batería, la corriente, temperatura del motor, el estado de la carga, etc.

La luces y los accesorios interiores como elevalunas electricos, radio, ventilación, limpia parabrisas, se mantuvieron igualmente.

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Este vehículo tarda unas 8 horas en cargar el pack, aunque existen cargadores más potentes que podrían reducir  este tiempo de 6 a 4 horas.

 

 

 

 

Podéis ver el resultado final en este vídeo:

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Acoplamiento, a la tercera va la vencida.

Esta es una de las manipulaciones mecánicas más importantes que tendrás que hacer al convertir tu vehículo a eléctrico, si no la más. Acoplar el motor eléctrico a la transmisión existente es un debate que siempre está activo, ya que puedes conectar los ambos ejes con algún tipo de acoplamiento o hacerlo con el embrague.

 

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Normalmente, ambos ejes tienen diámetros diferentes, distinto estriado o son cilíndricos planos con una mueca, por tanto necesitaras dos acoplamientos diferentes, uno para cada palier (motor y caja de cambios).

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Ahora bien, estos dos acoplamientos pueden conectarse directamente o usando el embrague original (ya hay un gran debate acerca de este tema). En nuestro caso, seguimos el diseño con el embrague. La principal razón es por eficiencia, ya que tener la posibilidad de cambiar marchas nos dará más eficiencia en todos los casos como salida, marchas cortas, medias y largas. Aunque esta manera de abordar el acoplamiento es un poco mas complicada a la hora de implementarlo, ya que el disco de inercia se tiene que adaptar al palier del motor eléctrico, la conducción del coche será similar al mismo con el motor de gasolina.

Lo primero en esta transformación es tener ya lista la placa adaptadora y montada en el motor, de tal manera que el volante de inercia mantenga la misma posición en relación a la caja de cambios.

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Después, necesitamos encajar el volante de inercia al motor con un adaptador. Se puede usar un acoplamiento de acero de la marca Lovejoy o Rotex, torneado exactamente para el palier del motor eléctrico. Es muy importante medir todos los componentes que van dentro de la caja de cambios, incluido el embrague, para que todo ajuste a la perfección.

Una vez tengas el volante de inercia modificado y montado en el motor, es hora de ensamblar el embrague al volante de inercia. A partir de este punto, la operación es la instalación básica de un embrague.

 

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En el 1er intento de instalación del embrague, todo fue bien, con la salvedad de que había un pequeño ruido periódico dentro de la caja de cambios. Así que tuvimos que desmontarlo de nuevo para ver qué había pasado. Nuestra sorpresa fue que el volante de inercia estaba rozando dentro de la caja de cambios. Este fue el primer problema resuelto fácilmente comiéndole un poco dentro de la caja de cambios en las zonas donde tocaba el volante.

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El Segundo problema fue el volante de inercia en si, incluso siendo correctamente insertado en el palier estriado del motor eléctrico, no estaba fijo, con lo que la fuerza centrífuga podía causar que el disco se moviera hacia delante tocando el palier de la caja de cambios. Por tanto, aparte de soldar un acoplamiento en el centro del volante, pedimos que nos hicieran un agujero para poder fijar con un tornillo el volante al palier.

Pero esta modificación provoco que el bloque volante de inercia-embrague se moviera 6 mm hacia delante, con lo que tuvimos que cortar 7 mm el palier de la caja de cambios.

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También descubrimos que el volante de inercia no giraba perfectamente plano respecto al eje, asi que lo mandamos al tornero a rectificar esta pequeña diferencia y ya de camino reducir el diámetro del volante de inercia; con esto solucionamos 2 temas. Quitando masa disminuimos la inercia del volante y evitamos que roce en el interior de la caja de cambios.

 

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El resultado final. A la tercera va la vencida. El volante de inercia gira plano con el disco de embrague, ajustado al palier del motor eléctrico, el diámetro del volante bastante menor, de tal manera que no tocase absolutamente nada y tuviese menos masa, y por tanto menos inercia y mejor rendimiento. Necesitábamos también balancearlo (para que no vibrase a altas revoluciones), pero al estar ya balanceado de fábrica confiamos en que siguiera así después de la rectificación. El palier de la caja de cambios se acorto en 7 mm para recibir el bloque motor y todo ajusto una vez modificado como un guante.
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El resultado final fue bastante bien. Se testeo a altas revoluciones sin notar vibración alguna.

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Bateries the big deal

Las baterías, el gran asunto.

El mundo de las baterías está en un cambio constante en esta época, con el coche eléctrico que empieza a despegar, nuevo almacenamiento de energía eléctrica, super condensadores y el nuevo personaje, el grafeno.

Las baterías de plomo, las AGM o las de gel son ya algo del pasado. Estamos ahora en el presente con las de Li-ion y yendo al futuro con las de Li-aire.

La necesidad de viajes más largos, tiempos de carga rápidos y mejor rendimiento son ya obligatorios en vehículos eléctricos, y cada vez más, estas necesidades son un tema importante en vehículos eléctricos.

Aire fresco, por venir.

Hasta ahora, la tecnología mas clara en baterías ha sido la litio-ion. Pero, desde hace tiempo, una nueva tecnología basada en aire esta siendo el principal interés para fabricantes e investigadores de vehículos eléctricos. Las nuevas baterías de Li-aire prometen tener una densidad de energía 10 veces mayor que la de sus primas de Li-ion. IBM lanzo el proyecto 500, cuyo objetivo era poder hacer 500 millas con una sola carga usando un coche familiar. Usando estas nuevas baterías. Aunque esto ya lo consiguió el Instituto Metron (Eslovenia) con tecnología LiFePo4.

Li-air cells

La manera en que funciona una celda de li-aire es que usan una cátodo de carbono barato (en vez de cobalto), y una molécula de oxigeno pivota por el cátodo, de ahí su nombre. Pero esto es todavía teoría debido a los grandes retos a superar, como el ánodo, en estas baterías es puro litio metálico, que provee gran cantidad de energía pero se inflama con la presencia de agua u otros contaminantes.

Tal era el reto, que tanto IBM como JCESR (Centro de investigación de almacenamiento de energía) han dado un paso atrás en el desarrollo de Li-aire, y IBM se ha inclinado a favor de la tecnología litio – sodio.

Li-Na cells

 

Pero con todos estos cambios, nuevos desarrollo continúan, y en la química del metal sigue habiendo novedades, en particular baterías de aluminio – aire. Una empresa israelí (Phinergy), anuncia haber resuelto los problemas de corrosión y recarga con un catalizador basado en plata. Dicen haber construido un prototipo de vehículo eléctrico con un rango de 1600kms usando baterías Aluminio-aire. No-obstante, estas baterías no pueden ser recargadas eléctricamente y se tienen que rellenar de agua.

Huele a azufre.

Las celdas de litio – azufre son otra vía de investigación en densidad de energía que podría solucionar los problemas de los vehículos eléctricos en un futuro próximo. Esta nueva tecnología tiende a resolver los problemas de ciclos de vida y estabilidad de las baterías. Basadas en electrodos de carbón, se dice que podrían adelantar al tecnología de litio-aire.

 

Li-S cells

Muchos estudios y laboratorios, desde el Imperial College a la empresa alemana Bosch, se están volcando en el desarrollo de Li-S (azufre), afirman que será la 4º generación de baterías, con expectativas de hasta 400kms de rango en la próxima década. Científicos del Laboratorio Lawrence Berkeley (California) han introducido el óxido de grafeno en las celdas de Li-S con ningún deterioro en 1500 ciclos de carga.

Otros investigadores del ETH de Zúrich están trabajando en celdas de sodio-ion, afirmando que serán más baratas que las de Li-ion, con dos grandes inconvenientes y es que pesan tres veces más y tienden a perder capacidad cuando no se usan.

Litio – ion están aquí para quedarse.

A pesar de todo el desarrollo en el campo del almacenamiento de energía, una cosa esta clara, la mayoría de los vehículos eléctricos actualmente usan li-ion, y el hecho de que fabricantes están ofreciendo precios más baratos E INCLUSO Tesla está montando una planta de baterías de litio, hace pensar que a largo plazo esta tecnología esta aquí para quedarse.

Li-ion cells

 

Desarrolladores de Li-ion como Bosch, GS Yuasa y Mitsubishi afirman que todavía se pueden reducir los precios a la mitad y doblar su capacidad, lo que haría los vehículos eléctricos más cercanos a todos los consumidores.

Hay también muchos avances que prometen con el carbono, pero la distancia entre los laboratorios y las fábricas es demasiado grande para dejar de producir celdas de Li-ion para vehículos eléctricos.

graphene cells

Tal y como publica la revista “Electric & Hybrid Vehicle Technology International” en su edición de Julio del 2014 sobre el carbono:

“¿El verdadero asunto?.  Un nuevo tipo de batería basada en carbono, que podría ser el que cambiara el juego de los vehículos eléctricos, ha sido lanzada por una empresa japonesa llamada Ryden. Afirman que tiene la misma densidad eléctrica que las de Li-ion, pero con un ciclo de vida infinitamente mayor, y mucho más seguras. Las baterías de Ryden están hechas de una química más compleja donde el ánodo y el cátodo están hechos de carbono. 

dual carbon cells

En cuanto a rendimiento, no solo estas celdas aguantan más de 4 voltios, sino que los tiempos de carga son 20 veces más rápidos que los diseños actuales de Li-ion. En términos de producción, los procesos de fabricación pueden ser fácilmente modificados para las demandas futuras, y la provisión de materiales esta también asegurada ya que el único material activo es el carbono. Los ciclos de carca pueden ser mayores de 3000 y los peligros de fuego desaparecen ya que tiene una diferencia térmica muy pequeña en lo sestados de carga. Finalmente, Ryden, afirma que las baterías se pueden cargar y descargar al 100%, y serian igualmente 100% reciclables. En el futuro, piensan reemplazar el carbono de origen mineral, por origen natural, como por ejemplo de algodón, queriendo controlar el tamaño de los cristales de carbón en la producción del mismo.

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Que coches son mejores para convertir a eléctricos.

Existen cientos de miles de coches ahí fuera listos para ser convertidos. Los mejores coches para convertir a eléctricos son los coches pequeños y antiguos. Cuanto más antiguo sea el coche, menos componentes electrónicos tendrá y más fácil será la conversión.

Como las baterías siguen siendo el punto más importante en un proyecto de conversión, en cuanto al peso y al coste, la única manera de minimizar esto es instalando las menos baterías posibles, y esto se consigue hoy día convirtiendo un coche que necesite poca potencia para rodar, por tanto necesitara menos baterías.

Otra ventaja de esta filosofía es el coste financiero del proyecto. Un coche antiguo siempre costara menos, que el mismo equivalente con dos años de antigüedad. El Mini es la excepción que confirma la regla, pero oye, es un Mini.

Aquí hay algunos ejemplos o coches antiguos perfectos para convertir, con los precios aproximados en el mercado de coches usados.

o    Renault twingo

 

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o    Fiat Punto

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o    Citroën AX

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o    Ford Ka

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o    Mini

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o    Nissan Micra

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o    Open Corsa

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o    Peugeot 205

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o    Seat Ibiza

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o    Volkswagen Polo

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Cómo Convertir Tu Coche a Eléctrico

Cuando surgió la idea de convertir mi propio coche a eléctrico, tenía dos objetivos en mente, poder conducir un coche novedoso, que no hiciera ruido y que costara muy poco o nada el combustible. El otro era de una vez por todas dejar de contribuir a empobrecer y contaminar el entorno en el que vivía, y poder hacer saber al resto que si se puede hoy día tener un coche eléctrico tal y como fue a principios del siglo XX en New York (Ver el documental “¿Quién mato al coche eléctrico? ).

quien mato el coche electrico

 

Poco a poco la idea fue haciéndose más tangible, preguntando, investigando en internet y en otros países donde esto ya era una realidad, empecé el proyecto de construir un coche eléctrico.

 

Elegir un coche.

El primer paso una vez estaba todo más claro, era elegir un coche que fuese barato e idóneo para ello. Los mejores coches son los coches antiguos o clásicos, la razón es que son menos sofisticados y la electrónica no es imprescindible para que otras funciones del coche sigan operativas. Aquí no hay que asustarse, nada que no se pueda superar leyendo un poco sobre el coche elegido.

 

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Otra característica importante es que el coche sea pequeño y que no pese mucho, menos de 1000 Kg es más que adecuado, y 800 Kg es ideal. La razón es que cuanto más pesa, más resistencia opone el coche por el rozamiento con la carretera, y más energía eléctrica necesitará para circular.

 

Luego hay elementos que a altas velocidades también influyen bastante como el coeficiente aerodinámico, pero eso son ya temas para el segundo curso.

 

El Renault Twingo antiguo es un coche que pesa poco, que no depende mucho de la electrónica (no lleva dirección asistida, caja de cambios automática, etc). Así que decidí comprar un Twingo de segunda mano y barato. Me gaste mis primeros 500 € en este proyecto.

 

Y ahora, un motor.

Motor electrico

Motor electrico

El motor es algo en lo que también hay que invertir un poco de tiempo investigando para tomar la decisión adecuada. Al escoger un coche pequeño, el motor no tiene por qué ser extremadamente potente, por tanto uno de 7 a 15 KW puede ser perfecto.

Hay dos tipos de motores, de corriente continua (CC) y de corriente alterna (CA). Los primeros son más baratos, más accesibles de segunda mano en algún desguace y menos eficientes, los segundos son más caros, menos pesados y más eficientes. Luego están los que son síncronos o asíncronos, y los de imanes permanentes que al parecer son los tope de gama. Como ejemplos hay motores chinos de 7500 W que pueden costar menos de 1000 €, y en Europa o América se pueden conseguir motores de 15 a 25 KW entre 2000 a 4000 €. Yo me decidí por un motor esloveno de corriente alterna de marca Letrika de 14 KW. Conocí este proveedor en la feria EVS27 del vehículo eléctrico en 2013.

 

 

 

Pasamos al controlador o variador.

03_curtis_controllerEste es de los componentes principales también, es de los más caros y va en pareja con el motor, por dos razones: Una porque es el que convierte la electricidad de las baterías del coche al voltaje necesario para el motor, por tanto tiene que ser capaz de desempeñar esa función, y otra es que es el que regula la velocidad del mismo, por tanto ha de estar diseñado para ese motor. Al igual que los motores, hay controladores para corriente continua y otros para corriente alterna. La buena noticia es que la mayoría de los fabricantes de motores ya fabrican también el controlador, y los que no lo hacen es porque se pueden usar controladores más genéricos. Los controladores también se miden por la corriente máxima que son capaces de inducir al motor, cuanta más corriente y más voltaje puedan aplicarle, más potentes y más caros serán. Hay muchas marcas como en todo, Brusa, Curtis, SAGEM,..

 

Yo compre un Curtis de gama media que funciona con motores de corriente alterna, Curtis 1236. La mayoría de los controladores son programables, con lo que lo puedes adaptar a tu motor. Igual que todo, aquí hay que estudiar un poco la variedad y las características.

 

Y llegamos a las baterías, las reinas del mambo.

 

Las baterías son hoy día el elemento más importante, ya que van a decidir cuanta potencia y cuanto alcance podrá tener el coche eléctrico. Esperemos que llegue el día en que este sea el componente menos importante, pero por ahora la tecnología es muy variada y más compleja de lo que nos creemos. La elección de baterías no solo viene condicionada por la distancia máxima que queremos que nuestro coche recorra en una sola carga, sino que en función de las baterías deberemos de escoger un cargador específico para esas baterías, y en casos un sistema de gestión de baterías (BMS), ya que no todas las baterías se pueden cargar o descargar de la misma manera, y si no se siguen las pautas del fabricante, pasamos de que nos duren de 10 años a 3..por ejemplo.

 

Hay muchas tecnologías hoy día, pero en términos prácticos podemos reducirlas a 3 o 4. Empezamos por las más baratas:

 

–       04_lead_batteryBaterías de plomo. Son las más baratas, las menos adecuadas por su diseño, ya que no están fabricadas para que provean una corriente paulatina, sino que están diseñadas para dar mucha corriente de golpe, que no es como la usaría un controlador de un coche eléctrico. Ventaja, incluso gastadas, las puedes hacer revivir y que vuelvan a durar otros 3 años. Es un proceso un pelín delicado, ya que hay de por medio ácido sulfúrico,

 

por tanto recomiendo que si no estás seguro de lo que haces, no lo ententes. Yo lo hice, con mucho cuidado, siguiendo muchas pautas, usando medidas de protección como guantes, gafas y mascarilla (ya que los gases son tóxicos), por supuesto al final no verter el ácido sobrante al sumidero, hay que neutralizarlo antes para que no sea nocivo para el medio ambiente. También las puedes comprar y evitar este lio. Son muy pesadas pero no hace falta un cargador muy especial.

 

– Baterías de gel o AGM.05_72V_agm_batteries Son baterías de ciclo profundo, son de plomo pero llevan un electrolito un poco más eficiente tipo gel. Son un poco más caras y su diseño si está hecho para el uso de un coche eléctrico. Son también muy pesadas, pero duran más, hay fabricantes que te aseguran hasta 1000 cargas antes de que empiece a perder capacidad. El cargador tendrá que ser un poco especial, ya que debería de cargar con unos parámetros especiales para Gel o AGM. No son muy caras. Yo compre 6 baterías de 12V y 100Ah por unos 900€.

 

 

–  Baterías de Litio. Estas ya son un pelín mas caras, pero pesan la mitad y tienen el doble de capacidad. Con lo que suelen ser la opción estándar en los coches eléctricos. Suelen venir en celdas de 3,7V, así que hay que comprar muchas hasta conseguir el voltaje deseado. Otro tema MUY IMPORTANTE es que estas baterías tienen ser gestionadas (cargadas y descargadas) por un sistema de gestión de baterías especial para baterías de Litio. La razón es porque no se deben ni descargar más de un límite ni cargar más del voltaje aconsejado por el fabricante. Por ejemplo para las celdas de litio 18650, el máximo voltaje suele ser 4.1V y el mínimo 2.5V. Aunque esto depende de la batería y del fabricante.

 

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–       Baterías de ferrofosfato de litio (LiFePO4) son las baterías comerciales de más capacidad, pero también son las más caras.

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Ya esta bien de baterías…

 

Otro componente importante, un conversor de corriente de alta tensión a 12V.

 

07_dc_dc_converter_72vCuando eliminamos el motor de gasolina, una de las cosas que eliminamos también es el alternador, que es el que se encarga de ir recargando constantemente la batería del coche (en este caso ya si se puede llamar la batería auxiliar) para proporcionar electricidad para las luces, ventanillas, radio, etc. Al no tener alternador, la batería se iría gastando poco a poco, hasta quedarse totalmente vacía. Es por eso que necesitamos un sistema que cargue la batería, y esto es un conversor de corriente continua, por ejemplo de 72V a 12V. De esta manera el bloque de baterías de alta tensión irán cargando la batería auxiliar constantemente.

 

 

 

Bueno, pues ya esta, ¿no?. No, todavía falta algo muy importante. Los frenos.

 

Para los frenos, es necesario suplir el vacío que el motor de combustión producía en el servo freno. Para ello se acopla una bomba de vacío, que hace justamente lo que indica, vacío.

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Luego hacen falta otros componentes eléctricos como un potenciómetro para el acelerador, un contactor, que es un relé pero para alta tensión, mucho cable..relés, fusibles, etc.

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Los componentes accesorios tienen igual o más importancia que los principales, ya que por ejemplo, con el motor ya listo y el controlador, sin cable para conectarlo es igualmente importante. Por ejemplo, hay que mirar que requisitos de cable de alta tensión que pide el fabricante del motor o el controlador para el cable. Los cables finos de señales también tienen unas características, no solo de sección sino de aislamiento.

 

La aventura empieza ahora, cuando ya tenemos todo y hay que instalarlo en el coche.

 

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