Tensión común: enemigo secreto de los vehículos eléctricos

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

Vehículos eléctricos y huella de carbono

Es conocido el potencial de los vehículos eléctricos para reducir la contaminación en zonas urbanas de alta densidad de población. Sin embargo, en los últimos años ha habido un gran debate sobre la huella de carbono de los vehículos eléctricos. A pesar de que los vehículos eléctricos son mucho más eficientes que los que tienen motores de combustión interna, hay que tener en cuenta que parte de la energía eléctrica necesaria para la recarga de los vehículos eléctricos se produce a partir de combustibles fósiles. Además, la fabricación de baterías supone una gran penalización desde el punto de vista energético.

Estas dudas se van resolviendo con las últimas investigaciones. Por ejemplo, del metaanálisis publicado en 2020 por Ivanova y sus colaboradores en la revista Environmental Research Letters, se desprende que los vehículos eléctricos son esenciales para el cumplimiento de los objetivos del Acuerdo de París. Por su parte, Kawamoto y sus colaboradores realizaron una evaluación de todo el ciclo de vida de los vehículos eléctricos (LCA, Life-Cycle Assestment, en inglés) en 20191. En lo que respecta al contexto europeo, se determinó que los vehículos eléctricos mejoran los datos de emisiones de los vehículos de gasolina después de recorrer una distancia media de 76.545 Km y los diesel a 109.415 Km. Por tanto, desde el punto de vista ambiental, es necesario maximizar la fiabilidad de los vehículos eléctricos, identificando los posibles mecanismos de fallo en el sistema de propulsión y buscando soluciones para alargar al máximo su ciclo de vida.

Figura . El modo diferencial es el modo de funcionamiento deseado en cualquier circuito. Sin embargo, la realidad es que al aparecer componentes de tensión de forma común, una parte de la corriente escapa por vías no deseadas. Imagen realizada por autores.

Problema de tensión de modo común

Los sistemas eléctricos y electrónicos se diseñan para funcionar aplicando una diferencia de tensión entre dos o más terminales de entrada (Figura 1). Idealmente, cuando se establece una diferencia de tensión (Vdif) a la entrada, la corriente irá desde el terminal de mayor tensión (V1) hasta el terminal de menor tensión (V2). Este modo de funcionamiento se denomina modo diferencial y es el funcionamiento deseado en los circuitos eléctricos. Sin embargo, la realidad es diferente, ya que a menudo se establece una tensión de modo común (Vkom) que no tiene valor nulo, junto con la tensión de modo diferencial necesariamente (Figura 1). Así las cosas, una parte de la corriente que entra en el terminal de mayor tensión, por ejemplo, puede volver de la conexión terrestre, encuentra otra vía de retorno a la fuente de energía. Es lo que se conoce como corriente de fuga. Por lo tanto, esa corriente que debería ser inapreciable, en la práctica, no es tan pequeña.

Para acercar este fenómeno al contexto de los motores eléctricos, en primer lugar es necesario definir los componentes principales de los motores (Figura 2). El estator es la parte fija de la máquina, que tiene un bobinado que se conecta a los terminales que alimenta la máquina. El estator rodea al rotor. Esta última es la parte móvil del motor y está ligada al eje. El eje se apoya sobre los rodamientos para que el rotor tenga poca fricción. El movimiento del rotor se produce por la interacción entre los flujos y las corrientes generadas en el rotor y en el estator. Todos los componentes están recogidos por una carcasa metálica.

Figura . Cuando se acciona un motor eléctrico trifásico, toda la corriente debería circular por las fases del motor. Sin embargo, parte de la corriente se descarga desde los rodamientos de la máquina si al motor se le aplica una tensión común. Imagen realizada por autores.

Es habitual que las máquinas eléctricas industriales actúen conectándolas directamente a la red eléctrica (Figura 3). En esta configuración, la tensión en modo común (Vkom) es cero si las tensiones que se establecen a la entrada del motor están totalmente equilibradas, es decir, cuando la suma de las tensiones de entrada es cero. En este caso la corriente sólo circulará por los terminales de entrada.

Por el contrario, en los vehículos eléctricos se conecta un convertidor de potencia (inversor) entre la fuente de alimentación (baterías) y el motor eléctrico2. Dado que la tensión de la batería es continua, la función del convertidor de potencia consiste en ajustar la frecuencia y amplitud de las tensiones alternas que se establecen en el motor en función de la velocidad de rotación del rotor y de la potencia (momento) a implantar.

Figura . Los motores alimentados directamente con la red eléctrica tienen tensiones sinusoidales en los terminales, generalmente equilibradas. Por el contrario, las tensiones establecidas en los terminales tienen forma de pulso cuando se utilizan convertidores de potencia. Imagen realizada por autores.

Los convertidores de potencia están formados por dispositivos semiconductores que funcionan como interruptores (Figuras 3 y 4). La adaptación de la amplitud y frecuencia de las tensiones de salida se consigue conmutando dichos interruptores con una frecuencia elevada (normalmente entre 5 kHz y 20 kHz) y controlando la anchura de los pulsos generados. Se utilizan sistemas conmutados por su alta eficiencia. A cambio, las tensiones instantáneas se desequilibran y se establece una tensión común de alta frecuencia en los terminales del motor. Así, gran parte de la corriente generada por el modo común se descargará de los rodamientos (Figura 2).

A diferencia de los motores industriales, en los vehículos eléctricos no es posible instalar una conexión de tierra que permita descargar la corriente generada por el modo común. Por tanto, el modo común puede causar problemas en los elementos eléctricos y electrónicos que componen el vehículo. De hecho, las interferencias electromagnéticas (EMI, ElectroMagnetic Interference, por sus siglas en inglés) son muchas debido al modo común. Estos pueden afectar a otros subsistemas del vehículo eléctrico, como las unidades de control (ECU, Electronic Control Unit en inglés) y las comunicaciones entre ellos.

En cuanto a la fiabilidad del vehículo también se pueden presentar problemas, tal y como muestra la figura 5. Por un lado, las grandes variaciones de tensión generadas hacen posible que se deteriore el aislamiento de los bobinados del estator. A medida que se pierde el aislamiento, existen mayores posibilidades de producir cortocircuitos en los bobinados, aumentando así las probabilidades de rotura del motor. Además, las corrientes de fuga mencionadas anteriormente afectan a los rodamientos del motor. Estos últimos son los principales responsables de la generación de averías en motores eléctricos.

Figura . Los interruptores del inversor trifásico pueden tener ocho combinaciones posibles. A cada combinación o estado de conmutación le corresponde una tensión de modo común. La imagen muestra un ejemplo de una secuencia de conmutación. El estado de los interruptores de la misma fase debe ser complementario para evitar un cortocircuito en la fuente de alimentación. Es decir, si el interruptor de arriba está encendido, el de abajo estará apagado y viceversa. En cada estado de conmutación se genera un determinado nivel de tensión por fase (, y ). El ejemplo muestra claramente que la tensión en modo común no es nula, sino que tiene forma piramidal. Imagen realizada por autores.

¿Cómo reducir los problemas de tensión común?

En las últimas décadas la comunidad científica y la industria han trabajado conjuntamente en la búsqueda de soluciones a este problema de los motores eléctricos. En este sentido, las soluciones comúnmente utilizadas para reducir los efectos del modo común pueden clasificarse en dos familias principales (Figura 6): soluciones que aíslan los rodamientos de las corrientes de fuga y que dirigen las corrientes de fuga al chasis del vehículo.

Figura . Las corrientes que escapan por la tensión de modo común pueden quemar el aislamiento de la bobina del estator y provocar cráteres y estrías en los rodamientos. Imagen realizada por autores.

En la actualidad algunas de estas soluciones han sido descartadas por su inviabilidad (blindaje de Faraday, entre otras). Sin embargo, otras soluciones han obtenido gran aceptación. Por ejemplo, la empresa multinacional sueca SKF es líder en el sector industrial de rodamientos de máquinas eléctricas y propone la utilización de rodamientos híbridos para minimizar los problemas en vehículos eléctricos. Por el contrario, la empresa EST, líder mundial en soluciones para paliar los daños producidos por descargas eléctricas parásitas en superficies rotativas y móviles, ha patentado el anillo de puesta a tierra del eje AEGIS como solución para descargar corrientes al suelo o al chasis de vehículos.

Aunque se ha demostrado que algunas de estas soluciones son efectivas, su objetivo es reducir los efectos producidos por la tensión de forma común. Otra opción posible es evitar estos efectos desde el origen. ¿Cómo? Corrección radical del problema. Por un lado, se han propuesto filtros específicos que bloquean la tensión de modo común e impiden su extensión a otros componentes del sistema de propulsión. Por otro lado, se han propuesto nuevas secuencias de conmutación para el control de topologías de convertidores de potencia que reducen o eliminan completamente la tensión de modo común (Figura 7) y dispositivos. En el caso de un vehículo eléctrico, las dos últimas opciones son las más atractivas, ya que no hay puesta a tierra en los vehículos. Conscientes de su potencialidad, la comunidad científica está investigando en los últimos años este tipo de alternativas.

Tras un análisis exhaustivo de la problemática, se puede concluir que los usuarios de los vehículos eléctricos pueden seguir centrados en las características de velocidad, eficiencia, autonomía, etc., debido a la diversidad de soluciones que existen para un problema común. Sin embargo, la labor de los científicos pasa por seguir buscando soluciones más baratas y eficaces para afrontar problemas relacionados con el modo común. Además, los estándares y regulaciones que deben cumplir los fabricantes de vehículos son muy estrictos, por lo que se garantizan los requisitos de calidad en cuanto a robustez y seguridad de los vehículos.

Figura . Ejemplos de soluciones industriales contra corrientes de fuga. A la izquierda aparecen las soluciones que impiden el paso de la corriente (aislantes) y a la derecha las soluciones que conducen las corrientes de fuga hacia el suelo o chasis (conductores). Imagen realizada por autores.

Observaciones:

1. Además de la operación del vehículo, para determinar las emisiones generadas a lo largo de su ciclo de vida se tuvieron en cuenta variables como la explotación de materiales, fabricación del vehículo, mix eléctrico, distancias de conducción, mantenimiento, reciclado, etc.

Figura . Ejemplo de una de las soluciones estudiadas en el grupo de investigación APERT de la UPV. Este inversor está especialmente diseñado para eliminar la tensión de modo común gracias a sus elementos auxiliares (se conectan las baterías del vehículo a la entrada y el motor a la salida). Imagen realizada por autores.

2. Otras aplicaciones en las que se utilizan motores o generadores eléctricos requieren el uso de convertidores de potencia como agentes industriales de velocidad variable y molinos de viento.

Bibliografía