Login to your account

Username *
Password *
Remember Me

Pruebas del tren motriz de un vehículo eléctrico

Diagrama de bloques de un automóvil eléctrico con emuladores para pruebas Diagrama de bloques de un automóvil eléctrico con emuladores para pruebas

La electrificación del automóvil trae consigo nuevos desafíos a las pruebas que los ingenieros deben hacer a este tipo de trenes motrices. Aquí exploraremos varios enfoques de banco de pruebas para suministrar controles de potencia eléctrica. También veremos el uso de emuladores de batería modernos para pruebas de nuevos subsistemas de propulsión de vehículos.

¿Qué es un tren motriz de un vehículo eléctrico?

La electrificación en la industria del transporte ha dado lugar a nuevos desarrollos en la arquitectura de propulsión de vehículos. Inicialmente, un tren motriz de un vehículo eléctrico era bastante similar a un sistema de propulsión tradicional: un motor, transmisión, fuente de combustible (electricidad) y estructura mecánica. En desarrollos más recientes se substituye el motor de combustión interna por uno o más motores eléctricos, nuevas formas de transmisión y control de torque, y mejoras en el almacenamiento de energía (baterías) que actúan como fuente de combustible. Todos los componentes nuevos del tren motriz, el motor, la transmisión y la plataforma se prueban rigurosamente en condiciones difíciles para garantizar una alta fiabilidad.

Desafíos en las pruebas de un tren motriz de un vehículo eléctrico

Las arquitecturas de los sistemas de propulsión modernos son fundamentalmente diferentes y presentan nuevos desafíos y distintos riesgos. Los trenes motrices tradicionales de combustión necesitan combustibles derivados del petróleo que emiten gases tóxicos, siendo necesario controlar cuidadosamente ambos. Por otro lado, un tren motriz de un vehículo eléctrico no tiene elementos tóxicos ni emisiones en condiciones normales de funcionamiento, pero requiere consideraciones de seguridad tales como entrenamiento, montaje y manipulación de alto voltaje. Además, utilizar la batería real para probar los motores y sistemas mecánicos implica el riesgo de que una falla libere gases tóxicos y fluidos cáusticos, o produzca humo, fuego o una explosión. Por razones de seguridad, tiene más sentido usar un emulador de batería para reemplazar el componente de almacenamiento de energía. Además, de esta manera se reduce el tiempo de pruebas, proporcionando resultados más repetibles.

Configuraciones de prueba comunes: dinamómetro, bus de DC y uso de la emulación de batería

Fig1 - Bus DC común

Al probar componentes (sensores, transmisiones u otros dispositivos mecánicos), es común tener un banco de pruebas con un motor para simular la potencia mecánica del motor y un segundo motor para simular la carga mecánica y/o inercial de las ruedas. Al probar una plataforma completa, el motor está incluido en la plataforma y solo requiere un motor secundario para simular las ruedas. Esta segunda configuración más conocida como dinamómetro, se ha utilizado durante muchos años para probar vehículos tradicionales de motor de combustión interna. Del mismo modo, los primeros trenes motrices de vehículos eléctricos tenían potencia unidireccional, lo que permitía utilizar una fuente de alimentación tradicional para actuar como la batería y utilizar un dinamómetro tradicional para absorber la potencia mecánica generada al cargar el motor secundario.

Sistema de Pruebas tradicional con Fuente de Potencia + Carga Electrónica

Estos primeros enfoques de prueba del tren motriz de vehículos eléctricos evolucionaron rápidamente a una topología de bus DC común como se muestra en la Figura 1. Esta topología intenta capturar y reutilizar la energía eléctrica en lugar de disiparla como calor (desperdicio). Al estar basado en uno o más dispositivos unidireccionales, cualquier falla o limitación del desempeño desarma toda la configuración de la prueba. Además, la fuerza contraelectromotriz durante la desaceleración o una simulación de frenado del motor puede provocar daños en el dispositivo. Finalmente, no hay aislamiento entre la entrada y la salida, permitiendo que el ruido, los armónicos u otras inestabilidades afecten al bus de DC, la salida o la entrada. Todos estos factores pueden distorsionar fácilmente los resultados de las pruebas y crear falsas condiciones del tren motriz.

A diferencia del método tradicional descrito anteriormente, el moderno enfoque de emulación de batería, proporciona una solución bidireccional única que simula mejor las condiciones reales para el almacenamiento de energía (batería) y potencia de la rueda. Como se muestra en la Figura 2, este enfoque bidireccional proporciona aislamiento entre la entrada y la salida, elimina puntos únicos de falla en la configuración de prueba y aceptará automáticamente cualquier fuerza contraelectromotriz generada por la DUT (Dispositivo bajo prueba).

Fig 2 - Simulador de baterías de un tren motriz

A diferencia del bus común DC de la Figura 1, los caminos independientes de la entrada y la salida remueven incertidumbre sobre la prueba y permiten que los ingenieros puedan analizar más fácilmente los parámetros de rendimiento. Este enfoque es especialmente importante para frenado regenerativo, captura de la energía de la inercia del motor, y otros casos que requieren cortas explosiones de flujo de potencia en alguna de las direcciones.

Cambio de niveles de potencia y voltaje en el tren motriz de vehículos eléctricos de batería (VEB) modernos

Los niveles de potencia y voltaje están pasando de un nivel tradicional de 300/400 VDC a 800/1.000 VDC. Los voltajes más altos permiten una carga más rápida y aumentan la transferencia de energía, al tiempo que reducen el peso del vehículo.

Por ejemplo, en 2019 la mayoría de los VEB disponibles eran similares al Modelo 3 de Tesla y al Chevy Bolt de GM con un voltaje nominal de ~ 350 VDC, mientras que Porsche anunció la arquitectura Taycan, utilizando un sistema de batería de 800VDC. Este voltaje más alto hace que casi se triplique la potencia a transferirse por el mismo cable. Porsche demostró esto con un sistema IONITY que se carga a 350 kW, que es casi el triple de los 120 kW disponibles a través de otras redes de súpercarga rápida.

Se espera que tanto los vehículos de 800 V como los de 350 V se carguen en una estación de servicio exclusivamente eléctrica de la misma manera como lo hacen los automóviles de gasolina y diésel en la actualidad. Los ingenieros deben tener en cuenta esta realidad de doble voltaje al especificar los requisitos de energía.

Es importante notar que muchos de los sistemas de prueba de alta potencia son diseñados para un solo rango. Seleccionar un sistema que pueda proporcionar niveles de voltaje tradicional y alto asegura, que el equipo adecuado esté disponible para satisfacer las necesidades actuales y futuras. Es igualmente importante que un sistema de emulación de batería reaccione con una respuesta de voltaje rápida a los cambios en el consumo de energía para simular con precisión el sistema de almacenamiento eléctrico (batería).

Los fabricantes de automóviles han aumentado drásticamente la capacidad relativa de las baterías en sus vehículos para ofrecer mayor rango. Por ejemplo, el Nissan Leaf 2019 tiene una batería un 50% más grande en comparación con modelos más antiguos de 40kW, y el Modelo S de Tesla ofrece una batería de 100kW que es un 66% más grande que la batería de tamaño estándar original. La capacidad y el rendimiento de la batería siempre mejoran, sugiriendo que un ingeniero debe considerar la flexibilidad y la capacidad de programación al seleccionar una solución para emulación de batería.


¿En qué se diferencia un emulador de batería de las Fuentes de alimentación + Cargas electrónicas?

Los emuladores de batería son bidireccionales, mientras que las fuentes de alimentación y las cargas son dispositivos unidireccionales. Una fuente de alimentación regula voltaje y espera que se extraiga cierta cantidad de corriente. Las cargas electrónicas regulan la corriente y esperar que se le proporcione voltaje. Siendo unidireccional, estos dispositivos no pueden aceptar ni suministrar energía en la dirección contraria.

Un enfoque que suelen adoptar los ingenieros, es crear una configuración de prueba utilizando fuentes y cargas. Esto es complicado y toma tiempo, y tiene muchas de las desventajas del bus DC, común mencionadas anteriormente. Normalmente, las fuentes de DC tienen un tiempo de respuesta programado de 10 a 100 ms, que es demasiado lento para los trenes motrices de vehículos eléctricos actuales. El uso de una carga DC para modular la potencia o proporcionar una ruta de retorno para la fuerza contraelectromotriz requiere un desarrollo complicado de software y un considerable tiempo de integración/prueba, y no proporciona una simulación precisa de la resistencia interna de la batería. Además, la carga debe consumir energía en todo momento y, como no es regenerativa, toda la energía se disipa como calor (desperdicio), aumentando los costos operativos y creando condiciones de trabajo incómodas.

Los emuladores de batería mantienen un voltaje DC positivo y pueden aceptar o entregar corriente de forma inmediata, permitiendo que la potencia fluya en cualquier dirección. Los emuladores de batería más avanzados, como el 9300 de NHR, permiten una simulación más cercana a las características reales de la batería ya que se utiliza el modelo RINT, además al ser regenerativos reducen los costos de operación.

El modelo RINT: simulación precisa de las características de la batería

El modelo de resistencia interna (RINT) proporciona una simulación de la resistencia química interna de las baterías, junto con las resistencias adicionales creadas por conexiones internas, contactores y componentes de seguridad. Como se ve en la Figura 3, el modelo RINT se puede implementar con una fuente bidireccional verdadera (Vocv) y una resistencia en serie programable (Rs). Este modelo es suficiente para comprender las principales características de las resistencias basadas en baterías al probar sistemas de tren motriz. Es cierto que hay un número cada vez mayor de modelos matemáticos; sin embargo, estos se utilizan para comprender las características electroquímicas de las baterías, cuyas mínimas variaciones tienen un pequeño impacto en el sistema general en comparación con la resistencia total de la batería.

Fig 3 - Modelo RINT

El sistema de emulación de batería provee un modo programable electrónicamente, en donde solamente se requieren los valores de Vocv y Rs para que ajuste automáticamente el voltaje terminal (Vbatt) basado en la dirección y nivel de corriente (Icharge).
Vbatt = Vocv + Rs ∙ Icharge

Demostración del rendimiento del efecto de resistencia en serie (modelo RINT)

Al igual que una batería real, los emuladores de batería ajustan el voltaje de salida, según la dirección y amplitud del flujo de corriente. La corriente se muestra en rojo en la Figura 4, comenzando con la corriente que se extrae de la batería simulada (50A), aumentando a una corriente más alta (100A), y finalmente cayendo a cero. La salida se estableció para simular una resistencia de 5mΩ y el voltaje de salida (en azul) muestra la salida rastreando esos cambios de corriente y proporcionando la caída de voltaje terminal apropiado. Este ajuste automático de voltaje de salida simula mejor las características de las baterías reales, especialmente al comparar con sistemas de simulación con bus DC común y Fuente + Carga.

Fig 4 - Desempeño de Modelo RINT

Los sistemas de emulación modulares permiten además ajustar la potencia para las diferentes pruebas. En la Figura 5 se observa un ejemplo con diferentes opciones: tres canales de prueba de 100kW cada uno, 1 canal de 300kW, o dos canales (uno de 200kW y otro de 100kW). El software del emulador permite integrarlo con el dinamómetro y otros componentes del sistema de potencia

Fig5 - Sistema modular de emulación de baterías


Resumen

Los trenes motrices de los vehículos eléctricos están evolucionando y presentan nuevos desafíos para las pruebas. Los niveles de voltaje y potencia están cambiando debido a la carga rápida y al rendimiento de los vehículos. Los enfoques tradicionales de prueba del tren motriz se basan en dispositivos unidireccionales que tienen inconvenientes y limitaciones. La emulación de batería moderna es un enfoque bidireccional que al ser aislado, puede manejar la fuerza contraelectromotriz y tiene una topología más robusta, ya que provee: flexibilidad para manejar los cambios en los niveles de voltaje, escalabilidad para abordar futuros niveles de energía, un modelo de resistencia en serie para simular con mayor precisión una batería, tiempos de respuesta más rápidos que las fuentes de alimentación DC, integración y control de software más fáciles, y costos de energía reducidos.

Texto basado en EV Powertrain Testing Challenges and Solutions, escrito por Martin Weiss,
Director de Producto de NH Research.
Gráficos cortesía de NH Research.
Traducido y editado por Paola Mieres (Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.),
Gerente de Ventas y Mercadeo de E S Instrumentación, distribuido de NH Research en Colombia.

Valora este artículo
(0 votos)
Modificado por última vez en Miércoles, 28 Octubre 2020 18:46

Más leidas

Revolución solar en Colombia

Revolución solar en Colombia

Dic 07, 2018 Rate: 4.00

Al bagazo... mucho caso.

Al bagazo... mucho caso.

Feb 05, 2019 Rate: 4.00

Ultima Edición

Tweets

Te invitamos a consultar nuestro #Newsletter N° 162 con las noticias más importantes del #SectorElectrico ⚡️⚡️ 🗞… https://t.co/V6kKWMiBkh
Perú logra incrementar sus niveles de #generacion de #Energia https://t.co/3fz2xaMY2s #FelizJueves
#FelizMartes consulta nuestro #Newsletter N° 161 con las noticias más importantes del #SectroElectrico 👇 🗞… https://t.co/3RVXCxiQN5
Follow Mundo Eléctrico on Twitter

Nuestras Marcas: