Tensió comuna: enemic secret dels vehicles elèctrics

2021/09/01 Robles, Endika - APERT ikerketa-taldea Bilboko Ingeniaritza Eskola (EHU) | Fernandez, Markel - APERT ikerketa-taldea Bilboko Ingeniaritza Eskola (EHU) | Aretxabaleta, Iker - APERT ikerketa-taldea Bilboko Ingeniaritza Eskola (EHU) | Ibarra, Edorta - APERT ikerketa-taldea Bilboko Ingeniaritza Eskola (EHU) | Andreu, Jon - EHUko Elektronika Aplikatua saileko ikerkuntza-taldeko (APERT) ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Teknologia
• Energia

Vehicles elèctrics i petjada de carboni

És conegut el potencial dels vehicles elèctrics per a reduir la contaminació en zones urbanes d'alta densitat de població. No obstant això, en els últims anys hi ha hagut un gran debat sobre la petjada de carboni dels vehicles elèctrics. A pesar que els vehicles elèctrics són molt més eficients que els que tenen motors de combustió interna, cal tenir en compte que part de l'energia elèctrica necessària per a la recàrrega dels vehicles elèctrics es produeix a partir de combustibles fòssils. A més, la fabricació de bateries suposa una gran penalització des del punt de vista energètic.

Aquests dubtes es van resolent amb les últimes recerques. Per exemple, del metaanálisis publicat en 2020 per Ivanova i els seus col·laboradors en la revista Environmental Research Letters, es desprèn que els vehicles elèctrics són essencials per al compliment dels objectius de l'Acord de París. Per part seva, Kawamoto i els seus col·laboradors van realitzar una avaluació de tot el cicle de vida dels vehicles elèctrics (LCA, Life-Cycle Assestment, en anglès) en 20191. Pel que fa al context europeu, es va determinar que els vehicles elèctrics milloren les dades d'emissions dels vehicles de gasolina després de recórrer una distància mitjana de 76.545 Km i els dièsel a 109.415 Km. Per tant, des del punt de vista ambiental, és necessari maximitzar la fiabilitat dels vehicles elèctrics, identificant els possibles mecanismes de fallada en el sistema de propulsió i buscant solucions per a allargar al màxim el seu cicle de vida.

Figura . La manera diferencial és la manera de funcionament desitjat en qualsevol circuit. No obstant això, la realitat és que en aparèixer components de tensió de manera comuna, una part del corrent escapa per vies no desitjades. Imatge realitzada per autors.

Problema de tensió de manera comuna

Els sistemes elèctrics i electrònics es dissenyen per a funcionar aplicant una diferència de tensió entre dues o més terminals d'entrada (Figura 1). Idealment, quan s'estableix una diferència de tensió (Vdif) a l'entrada, el corrent anirà des del terminal de major tensió (V1) fins al terminal de menor tensió (V2). Aquesta manera de funcionament es denomina manera diferencial i és el funcionament desitjat en els circuits elèctrics. No obstant això, la realitat és diferent, ja que sovint s'estableix una tensió de manera comuna (Vkom) que no té valor nul, juntament amb la tensió de manera diferencial necessàriament (Figura 1). Així les coses, una part del corrent que entra en el terminal de major tensió, per exemple, pot tornar de la connexió terrestre, troba una altra via de retorn a la font d'energia. És el que es coneix com a corrent de fugida. Per tant, aquest corrent que hauria de ser inapreciable, en la pràctica, no és tan petita.

Per a acostar aquest fenomen al context dels motors elèctrics, en primer lloc és necessari definir els components principals dels motors (Figura 2). L'estator és la part fixa de la màquina, que té un bobinatge que es connecta als terminals que alimenta la màquina. L'estator envolta al rotor. Aquesta última és la part mòbil del motor i està lligada a l'eix. L'eix es recolza sobre els rodaments perquè el rotor tingui poca fricció. El moviment del rotor es produeix per la interacció entre els fluxos i els corrents generats en el rotor i en l'estator. Tots els components estan recollits per una carcassa metàl·lica.

Figura . Quan s'acciona un motor elèctric trifàsic, tot el corrent hauria de circular per les fases del motor. No obstant això, part del corrent es descarrega des dels rodaments de la màquina si al motor se li aplica una tensió comuna. Imatge realitzada per autors.

És habitual que les màquines elèctriques industrials actuïn connectant-les directament a la xarxa elèctrica (Figura 3). En aquesta configuració, la tensió en manera comuna (Vkom) és zero si les tensions que s'estableixen a l'entrada del motor estan totalment equilibrades, és a dir, quan la suma de les tensions d'entrada és zero. En aquest cas el corrent només circularà pels terminals d'entrada.

Per contra, en els vehicles elèctrics es connecta un convertidor de potència (inversor) entre la font d'alimentació (bateries) i el motor eléctrico2. Atès que la tensió de la bateria és contínua, la funció del convertidor de potència consisteix a ajustar la freqüència i amplitud de les tensions alternes que s'estableixen en el motor en funció de la velocitat de rotació del rotor i de la potència (moment) a implantar.

Figura . Els motors alimentats directament amb la xarxa elèctrica tenen tensions sinusoidals en els terminals, generalment equilibrades. Per contra, les tensions establertes en els terminals tenen forma de pols quan s'utilitzen convertidors de potència. Imatge realitzada per autors.

Els convertidors de potència estan formats per dispositius semiconductors que funcionen com a interruptors (Figures 3 i 4). L'adaptació de l'amplitud i freqüència de les tensions de sortida s'aconsegueix commutant aquests interruptors amb una freqüència elevada (normalment entre 5 kHz i 20 kHz) i controlant l'amplària dels polsos generats. S'utilitzen sistemes commutats per la seva alta eficiència. A canvi, les tensions instantànies es desequilibren i s'estableix una tensió comuna d'alta freqüència en els terminals del motor. Així, gran part del corrent generat per la manera comuna es descarregarà dels rodaments (Figura 2).

A diferència dels motors industrials, en els vehicles elèctrics no és possible instal·lar una connexió de terra que permeti descarregar el corrent generat per la manera comuna. Per tant, la manera comuna pot causar problemes en els elements elèctrics i electrònics que componen el vehicle. De fet, les interferències electromagnètiques (EMI, ElectroMagnetic Interference, per les seves sigles en anglès) són moltes a causa de la manera comuna. Aquests poden afectar altres subsistemes del vehicle elèctric, com les unitats de control (ECU, Electronic Control Unit en anglès) i les comunicacions entre ells.

Quant a la fiabilitat del vehicle també es poden presentar problemes, tal com mostra la figura 5. D'una banda, les grans variacions de tensió generades fan possible que es deteriori l'aïllament dels bobinatges de l'estator. A mesura que es perd l'aïllament, existeixen majors possibilitats de produir curtcircuits en els bobinatges, augmentant així les probabilitats de trencament del motor. A més, els corrents de fugida esmentades anteriorment afecten els rodaments del motor. Aquests últims són els principals responsables de la generació d'avaries en motors elèctrics.

Figura . Els interruptors de l'inversor trifàsic poden tenir vuit combinacions possibles. A cada combinació o estat de commutació li correspon una tensió de manera comuna. La imatge mostra un exemple d'una seqüència de commutació. L'estat dels interruptors de la mateixa fase ha de ser complementari per a evitar un curtcircuit en la font d'alimentació. És a dir, si l'interruptor de dalt està encès, el de baix estarà apagat i viceversa. En cada estat de commutació es genera un determinat nivell de tensió per fase (, i ). L'exemple mostra clarament que la tensió en manera comuna no és nul·la, sinó que té forma piramidal. Imatge realitzada per autors.

Com reduir els problemes de tensió comuna?

En les últimes dècades la comunitat científica i la indústria han treballat conjuntament en la cerca de solucions a aquest problema dels motors elèctrics. En aquest sentit, les solucions comunament utilitzades per a reduir els efectes de la manera comuna poden classificar-se en dues famílies principals (Figura 6): solucions que aïllen els rodaments dels corrents de fugida i que dirigeixen els corrents de fugida al xassís del vehicle.

Figura . Els corrents que escapen per la tensió de manera comuna poden cremar l'aïllament de la bobina de l'estator i provocar cràters i estries en els rodaments. Imatge realitzada per autors.

En l'actualitat algunes d'aquestes solucions han estat descartades per la seva inviabilitat (blindatge de Faraday, entre altres). No obstant això, altres solucions han obtingut gran acceptació. Per exemple, l'empresa multinacional sueca SKF és líder en el sector industrial de rodaments de màquines elèctriques i proposa la utilització de rodaments híbrids per a minimitzar els problemes en vehicles elèctrics. Per contra, l'empresa EST, líder mundial en solucions per a pal·liar els danys produïts per descàrregues elèctriques paràsites en superfícies rotatives i mòbils, ha patentat l'anell de posada a terra de l'eix AEGIS com a solució per a descarregar corrents al sòl o al xassís de vehicles.

Encara que s'ha demostrat que algunes d'aquestes solucions són efectives, el seu objectiu és reduir els efectes produïts per la tensió de manera comuna. Una altra opció possible és evitar aquests efectes des de l'origen. Com? Correcció radical del problema. D'una banda, s'han proposat filtres específics que bloquegen la tensió de manera comuna i impedeixen la seva extensió a altres components del sistema de propulsió. D'altra banda, s'han proposat noves seqüències de commutació per al control de topologies de convertidors de potència que redueixen o eliminen completament la tensió de manera comuna (Figura 7) i dispositius. En el cas d'un vehicle elèctric, les dues últimes opcions són les més atractives, ja que no hi ha posada a terra en els vehicles. Conscients de la seva potencialitat, la comunitat científica està investigant en els últims anys aquest tipus d'alternatives.

Després d'una anàlisi exhaustiva de la problemàtica, es pot concloure que els usuaris dels vehicles elèctrics poden seguir centrats en les característiques de velocitat, eficiència, autonomia, etc., a causa de la diversitat de solucions que existeixen per a un problema comú. No obstant això, la labor dels científics passa per continuar buscant solucions més barates i eficaces per a afrontar problemes relacionats amb la manera comuna. A més, els estàndards i regulacions que han de complir els fabricants de vehicles són molt estrictes, per la qual cosa es garanteixen els requisits de qualitat quant a robustesa i seguretat dels vehicles.

Figura . Exemples de solucions industrials contra corrents de fugida. A l'esquerra apareixen les solucions que impedeixen el pas del corrent (aïllants) i a la dreta les solucions que condueixen els corrents de fugida cap al sòl o xassís (conductors). Imatge realitzada per autors.

Observacions:

1. A més de l'operació del vehicle, per a determinar les emissions generades al llarg del seu cicle de vida es van tenir en compte variables com l'explotació de materials, fabricació del vehicle, mix elèctric, distàncies de conducció, manteniment, reciclatge, etc.

Figura . Exemple d'una de les solucions estudiades en el grup de recerca APERT de la UPV. Aquest inversor està especialment dissenyat per a eliminar la tensió de manera comuna gràcies als seus elements auxiliars (es connecten les bateries del vehicle a l'entrada i el motor a la sortida). Imatge realitzada per autors.

2. Altres aplicacions en les quals s'utilitzen motors o generadors elèctrics requereixen l'ús de convertidors de potència com a agents industrials de velocitat variable i molins de vent.

Bibliografia