Investidor 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

• Teknologia
• Ingeniaritza
• Garraioak

O sistema de propulsión dun vehículo eléctrico consta principalmente de tres compoñentes: batería, investidor de potencia e motor eléctrico. Algúns vehículos poden substituír as baterías por pilas de hidróxeno ou, en vehículos híbridos non enchufables, o cargador eléctrico pode quedar ao carón. Con todo, é fundamental destacar que todos os vehículos de tracción eléctrica dispoñen dun accionamiento (drive en inglés) composto por un motor eléctrico e un investidor de potencia.

A batería almacena a enerxía necesaria para o funcionamento do vehículo, na actualidade predominan as baterías de ion litio (Li-Ion) e ferrofosfato de litio (LFP). Por outra banda, o motor eléctrico funciona como elemento de tracción para transformar a enerxía eléctrica en enerxía mecánica. As principais tecnoloxías de motor son as máquinas síncronas de imáns permanentes (PMSM) e as máquinas de indución (IM) [1, 2].

En canto ao investidor, desempeña un papel fundamental ao transformar a corrente continua procedente da batería (DC) en corrente alterna (AC), a forma de enerxía que utiliza o motor eléctrico. Aínda que cada compoñente do sistema de propulsión desempeña unha función esencial, existe unha tendencia a desprezar a importancia do investidor, pero a súa achega tamén é decisiva. Sen ela non sería posible transformar a enerxía almacenada nas baterías a unha forma que poida ser utilizada polo motor eléctrico.

Investidor de potencia

O investidor pode considerarse un elemento central do sistema de propulsión, xa que se encarga do control do fluxo de enerxía bidireccional entre a batería e o motor eléctrico e actúa como medio. O investidor consta de varias partes:

1. Módulo de potencia. Denomínase "corazón eléctrico" do vehículo. Dentro deste módulo atopar os semiconductores de potencia como MOSFET e IGBTs. Estes cumpren o rol de interruptores electrónicos que controlan o fluxo de corrente eléctrica. A conmutación rápida (en IE 10-20 kHz) permite optimizar o rendemento do sistema. Carballos et ao. No traballo 2022 [3] realizamos unha análise exhaustiva das alternativas e tecnoloxías de módulos de potencia e dispositivos semiconductores.

2. Condensador do bus DC. O investidor de potencia ten unha conexión en tensión continua, coñecida como "DC bus", que pode conter un ou varios condensador. Dalgunha maneira, os condensador conseguen desacoplar o investidor da batería, suavizando as formas de onda (corrente e tensión) debidas á conmutación de semiconductores de potencia. Entre as tecnoloxías, prefírense os condensador de película metalizada de polipropileno en vehículos eléctricos por seguridade e robustez. Analizamos en detalle a tecnoloxía destes elementos reactivos, Matallana et ao. Traballando en 2019 [4].

3. Refrixeración. A xestión térmica é fundamental para garantir o rendemento e a vida dos semiconductores de potencia dos vehículos eléctricos. No caso dos investidores, a presenza simultánea de correntes e tensións produce calor ao producirse perdas de potencia, o que repercute na vida útil dos semiconductores. Os sistemas de refrixeración por aire son facilmente implementables, pero en ocasións non satisfán as demandas do sector de automoción. A maioría dos fabricantes prefiren solucións de refrixeración líquida, xa que ofrecen maior disipación térmica. Fixemos unha revisión exhaustiva destes métodos de extracción de calor, Carballos et ao. Traballando en 2022 [3].

4. Cartón Driver. Este elemento está composto maioritariamente por circuítos dixitais e actúa coma se fose o "cerebro" do sistema, controlando as conmutaciones de semiconductores de potencia. É importante porque sincroniza o aceso e apagado dos semiconductores. Ademais, supervisa permanentemente a temperatura e a corrente dos módulos de potencia, garantindo así a seguridade do sistema.

 

Funcionamento do investidor de potencia

Para comprender o funcionamento do investidor, é útil describilo como tradutor. Imaxina que a batería e o motor son dúas persoas que falan diferentes idiomas. O investidor actúa como tradutor entre ambos os para que a batería e os motores enténdanse coma se estivesen no mesmo idioma. Pero tecnicamente, como funciona un investidor?

Para controlar a velocidade dun motor eléctrico utilízase a técnica de modulación do ancho de impulso (PWM) [5] nos investidores. Esta técnica funciona cambiando a duración dos pulsos de tensión que se envían ao motor. A alta velocidade de conmutación permite ao motor filtrar este sinal, obtendo correntes sinusoidais e facendo virar o motor sen producir "ruído eléctrico". Cando se desexa unha velocidade menor, os pulsos de tensión son máis curtos, mentres que para unha velocidade maior son máis longos. Isto xera correntes sinusoidais de menor amplitude.

Retos de enxeñaría e avances

Ao longo do tempo, a enxeñaría de investidores impulsou avances significativos para facer fronte aos retos expostos. Nun principio, os transistores bipolares de unión (BJT) permitiron a conmutación da corrente, pero as prestacións non eran as mellores en velocidade e eficiencia. Máis adiante, a creación dos transistores MOSFET (1959) e IGBT (1979) superou estes retos, conseguindo unha maior eficacia, velocidade e capacidade de transformación da enerxía. A implementación da modulación do ancho de impulso (PWM) mellorou o control de saída do investidor e conseguiu reducir as perdas enerxéticas. Por outra banda, o control dixital, conseguindo mellorar os primeiros procesadores inventados nos anos 70, mellorou a resposta dinámica ao pasar aos chips DPS e FPGA de última xeración. Estes avances transformaron a xestión da enerxía eléctrica e todo tipo de aplicacións (eólica, máquina-ferramenta, tracción ferroviaria) permitiron o uso masivo do investidor en aplicacións modernas, mesmo en vehículos eléctricos.

Tendencias de futuro e innovacións en investidores de potencia

Unha das principais tendencias dos vehículos eléctricos é a optimización da densidade de potencia. Os enxeñeiros traballan duro para que os investidores sexan máis robustos e máis lixeiros de peso para conseguir vehículos eléctricos máis eficientes e dinámicos. Isto incide directamente na autonomía, conseguindo un maior nivel de autonomía, ofrecendo maior liberdade de condución aos usuarios e reducindo as preocupacións relacionadas con recárgaa da batería.

Para conseguir estas prestacións é fundamental a incorporación de novos semiconductores baseados en carburo de silicio (Sic) nos investidores, máis eficientes que os de silicio (Si). A introdución de semiconductores Sic favorece a durabilidad e fiabilidade dos investidores por ser máis fortes.

Ademais, a evolución cara a sistemas de carga máis rápidos e eficientes altera a percepción de recarga dos vehículos eléctricos. A capacidade de carga rápida e os novos avances dos investidores permitirán aos condutores cargar os seus vehículos de forma máis rápida, eliminando os obstáculos asociados ao tempo de carga e mellorando a práctica diaria dos vehículos eléctricos.

Neste sentido, a chegada de baterías de 800 V está a revolucionar a carga rápida e mellorando a eficiencia dos investidores. Estes niveis de tensión permiten unha carga máis rápida e permiten a obtención de motores máis eficientes e robustos, dotando aos condutores de maior autonomía e experiencia de condución.

Ademais, a tecnoloxía Vehicle-to-Everything (V2X), que permite a transmisión de enerxía almacenada na batería de vehículos eléctricos a todos os dispositivos, destaca como unha innovación transformadora nos investidores. Esta tecnoloxía permite aos condutores utilizar a enerxía dos seus vehículos de forma flexible, xa que poderán cargar ou alimentar dispositivos electrónicos fóra de casa.

Como conclusión, pódese afirmar que as tendencias futuras dos vehículos eléctricos e dos investidores de potencia están interrelacionadas e que no futuro a mobilidade eléctrica, ademais de ser sostible, será máis accesible para todos. Desde unha maior autonomía até tempos de carga máis rápidos, a integración de tecnoloxías innovadoras está a configurar unha situación prometedora que transformará a mobilidade eléctrica.

Contribución do sector industrial vasco

A industria vasca converteuse nun referente en innovación e tecnoloxía, especialmente no desenvolvemento de sistemas de propulsión para vehículos eléctricos. Os clústeres das empresas CIE Automotive, JEMA Energy, Irizar/Creatio, GKN Driveline, CAF e ACICAE, entre outros, foron de vital importancia pola súa estreita colaboración con fabricantes (OEM) e provedores globais para impulsar avances en sistemas de propulsión eléctrica.

A especialización de Ingeteam ou JEMA en tecnoloxías de semiconductores avanzados e estratexias de control intelixente consolidou á industria vasca como líder neste sector. Así mesmo, os centros tecnolóxicos Tecnalia, Tekniker e Ikerlan contribuíron de forma importante ao avance mediante a realización de investigacións innovadoras en sistemas de xestión de baterías. Estes son imprescindibles para optimizar o rendemento e a durabilidad dos sistemas de propulsión.

Pola nosa banda, os membros do grupo de investigación APERT da UPV/EHU seguimos comprometidos coa excelencia, traballando activamente en convertidores de enerxía e circuítos de control. Xunto ás empresas líderes na industria vasca, traballamos melloras en elementos tan importantes como o investidor de potencia do vehículo eléctrico e achegamos á sustentabilidade futura a nivel global.

Bibliografía

[1] LÓPEZ, I. ET AO (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 AO (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] CARBALLOS, E., ET AO (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 AO (2019). Power module electronics in HEV/EV applications: Tecnoloxías e design aspects. Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 113, pp. 1-33.

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

[6] CARBALLOS, E. (2022). Other potential, electric vehicles device tracking the other operation remains. Tese doutoral UPV/EHU.