Inversor trifásico de vehículo eléctrico: incógnito eterno

2024/03/14 Iker Aretxabaleta Astoreka - APERT ikerketa-taldea. Bilboko Ingeniaritza Eskola (EHU) | Endika Robles Perez - APERT ikerketa-taldea. Bilboko Ingeniaritza Eskola (EHU) | Jon Andreu Larrañaga - APERT ikerketa-taldea. Bilboko Ingeniaritza Eskola (EHU) | Markel Fernandez Zubizarreta - APERT ikerketa-taldea. Bilboko Ingeniaritza Eskola (EHU) | Asier Matallana Fernandez - APERT ikerketa-taldea. Bilboko Ingeniaritza Eskola (EHU) Iturria: Elhuyar aldizkaria

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El sistema de propulsión de un vehículo eléctrico consta principalmente de tres componentes: batería, inversor de potencia y motor eléctrico. Algunos vehículos pueden sustituir las baterías por pilas de hidrógeno o, en vehículos híbridos no enchufables, el cargador eléctrico puede quedar a un lado. Sin embargo, es fundamental destacar que todos los vehículos de tracción eléctrica disponen de un accionamiento (drive en inglés) compuesto por un motor eléctrico y un inversor de potencia.

La batería almacena la energía necesaria para el funcionamiento del vehículo, en la actualidad predominan las baterías de ion litio (Li-Ion) y ferrofosfato de litio (LFP). Por otra parte, el motor eléctrico funciona como elemento de tracción para transformar la energía eléctrica en energía mecánica. Las principales tecnologías de motor son las máquinas síncronas de imanes permanentes (PMSM) y las máquinas de inducción (IM) [1, 2].

En cuanto al inversor, desempeña un papel fundamental al transformar la corriente continua procedente de la batería (DC) en corriente alterna (AC), la forma de energía que utiliza el motor eléctrico. Aunque cada componente del sistema de propulsión desempeña una función esencial, existe una tendencia a despreciar la importancia del inversor, pero su aportación también es decisiva. Sin ella no sería posible transformar la energía almacenada en las baterías a una forma que pueda ser utilizada por el motor eléctrico.

Inversor de potencia

El inversor puede considerarse un elemento central del sistema de propulsión, ya que se encarga del control del flujo de energía bidireccional entre la batería y el motor eléctrico y actúa como medio. El inversor consta de varias partes:

1. Módulo de potencia. Se denomina "corazón eléctrico" del vehículo. Dentro de este módulo se encuentran los semiconductores de potencia como MOSFET e IGBTs. Estos cumplen el rol de interruptores electrónicos que controlan el flujo de corriente eléctrica. La conmutación rápida (en IE 10-20 kHz) permite optimizar el rendimiento del sistema. Robles et al. En el trabajo 2022 [3] realizamos un análisis exhaustivo de las alternativas y tecnologías de módulos de potencia y dispositivos semiconductores.

2. Condensador del bus DC. El inversor de potencia tiene una conexión en tensión continua, conocida como "DC bus", que puede contener uno o varios condensadores. De alguna manera, los condensadores consiguen desacoplar el inversor de la batería, suavizando las formas de onda (corriente y tensión) debidas a la conmutación de semiconductores de potencia. Entre las tecnologías, se prefieren los condensadores de película metalizada de polipropileno en vehículos eléctricos por seguridad y robustez. Analizamos en detalle la tecnología de estos elementos reactivos, Matallana et al. Trabajando en 2019 [4].

3. Refrigeración. La gestión térmica es fundamental para garantizar el rendimiento y la vida de los semiconductores de potencia de los vehículos eléctricos. En el caso de los inversores, la presencia simultánea de corrientes y tensiones produce calor al producirse pérdidas de potencia, lo que repercute en la vida útil de los semiconductores. Los sistemas de refrigeración por aire son fácilmente implementables, pero en ocasiones no satisfacen las demandas del sector de automoción. La mayoría de los fabricantes prefieren soluciones de refrigeración líquida, ya que ofrecen mayor disipación térmica. Hicimos una revisión exhaustiva de estos métodos de extracción de calor, Robles et al. Trabajando en 2022 [3].

4. Tarjeta Driver. Este elemento está compuesto mayoritariamente por circuitos digitales y actúa como si fuera el "cerebro" del sistema, controlando las conmutaciones de semiconductores de potencia. Es importante porque sincroniza el encendido y apagado de los semiconductores. Además, supervisa permanentemente la temperatura y la corriente de los módulos de potencia, garantizando así la seguridad del sistema.

 

Funcionamiento del inversor de potencia

Para comprender el funcionamiento del inversor, es útil describirlo como traductor. Imagina que la batería y el motor son dos personas que hablan diferentes idiomas. El inversor actúa como traductor entre ambos para que la batería y los motores se entiendan como si estuvieran en el mismo idioma. Pero técnicamente, ¿cómo funciona un inversor?

Para controlar la velocidad de un motor eléctrico se utiliza la técnica de modulación del ancho de impulso (PWM) [5] en los inversores. Esta técnica funciona cambiando la duración de los pulsos de tensión que se envían al motor. La alta velocidad de conmutación permite al motor filtrar esta señal, obteniendo corrientes sinusoidales y haciendo girar el motor sin producir "ruido eléctrico". Cuando se desea una velocidad menor, los pulsos de tensión son más cortos, mientras que para una velocidad mayor son más largos. Esto genera corrientes sinusoidales de menor amplitud.

Retos de ingeniería y avances

A lo largo del tiempo, la ingeniería de inversores ha impulsado avances significativos para hacer frente a los retos planteados. En un principio, los transistores bipolares de unión (BJT) permitieron la conmutación de la corriente, pero las prestaciones no eran las mejores en velocidad y eficiencia. Más adelante, la creación de los transistores MOSFET (1959) e IGBT (1979) superó estos retos, consiguiendo una mayor eficacia, velocidad y capacidad de transformación de la energía. La implementación de la modulación del ancho de impulso (PWM) mejoró el control de salida del inversor y consiguió reducir las pérdidas energéticas. Por otra parte, el control digital, consiguiendo mejorar los primeros procesadores inventados en los años 70, mejoró la respuesta dinámica al pasar a los chips DPS y FPGA de última generación. Estos avances han transformado la gestión de la energía eléctrica y todo tipo de aplicaciones (eólica, máquina-herramienta, tracción ferroviaria) han permitido el uso masivo del inversor en aplicaciones modernas, incluso en vehículos eléctricos.

Tendencias de futuro e innovaciones en inversores de potencia

Una de las principales tendencias de los vehículos eléctricos es la optimización de la densidad de potencia. Los ingenieros trabajan duro para que los inversores sean más robustos y más ligeros de peso para conseguir vehículos eléctricos más eficientes y dinámicos. Esto incide directamente en la autonomía, consiguiendo un mayor nivel de autonomía, ofreciendo mayor libertad de conducción a los usuarios y reduciendo las preocupaciones relacionadas con la recarga de la batería.

Para conseguir estas prestaciones es fundamental la incorporación de nuevos semiconductores basados en carburo de silicio (SiC) en los inversores, más eficientes que los de silicio (Si). La introducción de semiconductores SiC favorece la durabilidad y fiabilidad de los inversores por ser más fuertes.

Además, la evolución hacia sistemas de carga más rápidos y eficientes altera la percepción de recarga de los vehículos eléctricos. La capacidad de carga rápida y los nuevos avances de los inversores permitirán a los conductores cargar sus vehículos de forma más rápida, eliminando los obstáculos asociados al tiempo de carga y mejorando la práctica diaria de los vehículos eléctricos.

En este sentido, la llegada de baterías de 800 V está revolucionando la carga rápida y mejorando la eficiencia de los inversores. Estos niveles de tensión permiten una carga más rápida y permiten la obtención de motores más eficientes y robustos, dotando a los conductores de mayor autonomía y experiencia de conducción.

Además, la tecnología Vehicle-to-Everything (V2X), que permite la transmisión de energía almacenada en la batería de vehículos eléctricos a todos los dispositivos, destaca como una innovación transformadora en los inversores. Esta tecnología permite a los conductores utilizar la energía de sus vehículos de forma flexible, ya que podrán cargar o alimentar dispositivos electrónicos fuera de casa.

Como conclusión, se puede afirmar que las tendencias futuras de los vehículos eléctricos y de los inversores de potencia están interrelacionadas y que en el futuro la movilidad eléctrica, además de ser sostenible, será más accesible para todos. Desde una mayor autonomía hasta tiempos de carga más rápidos, la integración de tecnologías innovadoras está configurando una situación prometedora que transformará la movilidad eléctrica.

Contribución del sector industrial vasco

La industria vasca se ha convertido en un referente en innovación y tecnología, especialmente en el desarrollo de sistemas de propulsión para vehículos eléctricos. Los clústeres de las empresas CIE Automotive, JEMA Energy, Irizar/Creatio, GKN Driveline, CAF y ACICAE, entre otros, han sido de vital importancia por su estrecha colaboración con fabricantes (OEM) y proveedores globales para impulsar avances en sistemas de propulsión eléctrica.

La especialización de Ingeteam o JEMA en tecnologías de semiconductores avanzados y estrategias de control inteligente ha consolidado a la industria vasca como líder en este sector. Asimismo, los centros tecnológicos Tecnalia, Tekniker e Ikerlan han contribuido de forma importante al avance mediante la realización de investigaciones innovadoras en sistemas de gestión de baterías. Estos son imprescindibles para optimizar el rendimiento y la durabilidad de los sistemas de propulsión.

Por nuestra parte, los miembros del grupo de investigación APERT de la UPV/EHU seguimos comprometidos con la excelencia, trabajando activamente en convertidores de energía y circuitos de control. Junto a las empresas líderes en la industria vasca, trabajamos mejoras en elementos tan importantes como el inversor de potencia del vehículo eléctrico y aportamos a la sostenibilidad futura a nivel global.

Bibliografía

[1] LÓPEZ, I. ET AL (2019). Next generation electric drives for HEV/EV propulsion systems: Technology, trends and challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 114, pp. 1-23.

[2] ARETXABALETA. I. ET AL (2021). High-voltage stations for electric vehicle fast-charging: trends, standards, charging modes and comparison of unity power-factor rectifiers. IEEE Access, vol. 9 pp. 102177-102194.

[3] ROBLES, E., ET AL (2022). The role of power device technology in the electric vehicle powertrain. International Journal of Energy Research, vol. 46, ez. 15, pp. 22222–22265.

[4] MATALLANA, A., ET AL (2019). Power module electronics in HEV/EV applications: Tecnologías y design aspects. Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 113, pp. 1-33.

[5] FERNÁNDEZ, M., ET AL (2023). Proposal of discontinuous technique for five-phase inverters under open-phase fault operation, Machines, vol. 11, ez. 3, pp. 1-13.

[6] ROBLES, E. (2022). Other potential, electric vehicles device tracking the other operation remains. Tesis doctoral UPV/EHU.