HBK (Hottinger Brüel & Kjaer),

De forma simplificada, la cadena cinemática de un vehículo eléctrico está formada por una batería, un inversor, un motor eléctrico y una transmisión que entrega el par a las ruedas.

Las baterías de alta tensión de los coches eléctricos son típicamente de iones de litio y trabajan en un intervalo de 200-400 voltios en corriente continua, aunque pueden llegar hasta 600-800 voltios. Los motores eléctricos funcionan con corriente alterna y el inversor tiene la misión de transformar la corriente continua de la batería en una corriente alterna debidamente acondicionada para el motor. Pero, además, funciona a la inversa y transforma la energía que produce el freno regenerativo para recargar la batería, e incluso se ocupa de alimentar el compresor del aire acondicionado y la batería auxiliar. Para todo ello se requiere una estrategia de control.

¿Qué quieren los ingenieros?
Cuando se diseña un sistema de este tipo, los ingenieros no buscan otra cosa que maximizar la eficiencia en todo el ciclo de funcionamiento. O, si queremos ser más concretos, conseguir la máxima autonomía posible para el vehículo. Para ello hay dos vías complementarias: un diseño más inteligente del conjunto y la aplicación de una técnica de control —o electrónica de potencia— más adecuada. Si queremos optimizar las prestaciones y la autonomía, está claro que la batería, el inversor, el control y el motor deben trabajar con una buena sintonía. La misión de los técnicos e ingenieros responsables del conjunto consiste en maximizar el factor de potencia en la totalidad del sistema.

El inversor
El inversor es una parte muy importante del sistema, porque es donde se produce toda la conversión de potencia y el control. Un inversor típico tiene seis interruptores (para funcionamiento trifásico), que se abren y cierran según una secuencia específica, para generar corriente alterna. Esta secuencia se ejecuta con una frecuencia de conmutación normalmente comprendida entre 9 y 25 kHz. Las frecuencias más altas están sujetas a las propias limitaciones físicas de los interruptores; igualmente, se ven limitadas por el aumento de las pérdidas. En general, se utilizan interruptores consistentes en transistores IGBT o MOSFET. La elección de un tipo u otro viene determinada por el nivel de corriente. Los MOSFET se suelen emplear con potencias bajas, mientras que los IGBT están indicados para potencias más altas. Las frecuencias más altas permiten utilizar dispositivos pasivos más pequeños y aplicar un mayor grado de control. Por este motivo, últimamente se han destinado grandes inversiones a los equipos con amplio intervalo de banda, consistentes sobre todo en dispositivos de carburo de silicio (SiC) o nitruro de galio (GaN).

El sistema de control
El control es un software que lee el par y la velocidad del motor y, a partir de esas entradas, determina la frecuencia de conmutación del inversor, el método de modulación de duración de impulsos (MDI) y el modo en que se optimiza la eficiencia. Todos estos aspectos pueden cambiar con rapidez a lo largo de un ciclo. La mayoría de los métodos de control, con independencia del tipo de motor, son versiones del control vectorial o de campo orientado (FOC, field-oriented control). Una tendencia en alza es el control tipo Deadbeat, en el que todos los controles forman un bucle cerrado de control de corriente.

Los modelos por ordenador
Todo el mundo utiliza modelos por ordenador. La optimización de los motores y del control se lleva a cabo empleando modelos y análisis de elementos finitos (FEA). Los modelos son excelentes para predecir el comportamiento de los motores e inversores, y son una herramienta de una utilidad extraordinaria para predecir el comportamiento del motor y del control. No obstante, los modelos deben validarse para hacerlos más fiables, por cuestiones como las que explicamos a continuación.

Para empezar, las cadenas cinemáticas de los vehículos eléctricos están sujetas a importantes restricciones de tamaño y costes, que condicionan muchas de las variables antes incluso de que iniciar el diseño. La libertad está en la topología y en los pequeños detalles, de acuerdo con el método de control que se desee utilizar. También es posible una cierta diferenciación en aspectos como la refrigeración y el devanado del motor.

Por otro lado, cuanto menor es la temperatura del motor, menores son las pérdidas y mayor es la eficiencia. Adicionalmente, si los imanes se calientan en exceso, algunas zonas pueden desmagnetizarse, lo cual tiene consecuencias desastrosas. Por tanto, es muy importante mantener refrigerados los devanados y los interruptores. Si los interruptores se calientan en exceso, tienen mayores pérdidas y pueden llegar a estallar. Como resultado, los investigadores dedican una parte importante del tiempo de diseño a explorar estrategias de refrigeración capaces de hacerlas cadenas cinemáticas más eficientes.

De hecho, la importancia de la refrigeración ha hecho que la monitorización de la temperatura mediante termopares sea una parte fundamental del funcionamiento y los ensayos.

Los mapas de eficiencia
Por muy útiles que resulten, los modelos por ordenador deben validarse mediante ensayos físicos. La mejor manera de medir muchos de los aspectos anteriores consiste en elaborar mapas de eficiencia. Para elaborar un mapa de eficiencia, se coloca la cadena cinemática en un dinamómetro, se definen una serie de puntos de consigna de par y velocidad en todo el rango de funcionamiento y, para cada punto, se mide la potencia de la batería, la del inversor y la del motor. A partir de esos datos, se calculan las eficiencias de cada componente. A continuación se traza un mapa en el que se representa la eficiencia para cada punto de par/velocidad. Los puntos con igual valor de eficiencia se pueden unir, conformando regiones. Lo que interesa entonces es averiguar cuáles son las regiones en donde esa eficiencia es máxima, para que el sistema de control mantenga el vehículo en ellas durante el mayor tiempo posible mientras circula.

Elaborar mapas de eficiencia de la cadena cinemática de un vehículo eléctrico supone un esfuerzo muy considerable. Se puede tardar semanas en generar los mapas necesarios. En primer lugar es preciso definir todos los puntos de par/velocidad en los que puede encontrarse el motor, que ya de por sí son bastantes porque los motores trabajan en un rango muy amplio. Además, si el vehículo es híbrido, este trabajo debe multiplicarse por el número de estados de marcha. También es preciso elaborar mapas diferenciados para los distintos estados de temperatura, ya que la eficiencia del motor y del inversor varían con la temperatura ambiental. Y, por último, también deben desdoblarse para distintos estados de carga de la batería, porque es posible que el funcionamiento del vehículo deba variar según la carga que tenga la batería. Es preciso caracterizar todos esos escenarios tan distintos y eso puede suponer decenas de miles de puntos de medición. Obtener una medida en cada punto requiere un tiempo de estabilización, así como tiempos de calentamiento y enfriamiento, para mantener el motor a la temperatura deseada. Adicionalmente, hay tiempos de transición de una medida a otra, tiempos de inactividad del dinamómetro y, en fin, jornadas laborales que no son ilimitadas. Todo ello hace que el proceso pueda consumir semanas.

En este tipo de ensayos, el sistema eDrive de HBK reduce a una décima parte el tiempo necesario para elaborar mapas de eficiencia, gracias a su algoritmo digital de detección de ciclos. Además, almacena los datos en bruto de cada punto de medida individual. Esos datos se pueden alimentar a programas de posprocesamiento como MATLAB para analizarlos en profundidad. Si algo va mal, no es preciso repetir una prueba que consume horas: es posible volver a los datos, repasarlos y entender qué ha fallado. eDrive también dispone de herramientas de integración, con las que es posible realimentar información al dinamómetro y desplazarse de un punto de medición a otro sumamente deprisa. Como resultado, los tiempos de ensayo se reducen de semanas a días.

Los mapas de eficiencia abren la puerta a tomar decisiones sobre cómo debe  funcionar un motor y un inversor con una determinada batería, en todas las posibles condiciones de trabajo de la cadena cinemática. Y, por supuesto, también tienen utilidad para refinar los modelos por ordenador. Son una ayuda inestimable para optimizar la autonomía y la eficiencia de los vehículos eléctricos, pero deben abordarse con las tecnologías más modernas para llevarlos a cabo en plazos prácticos, que encajen con los requisitos de los procesos de desarrollo.