Transporte eléctrico: Aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos con el mismo tamaño de batería

Aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos con el mismo tamaño de batería

Los vehículos eléctricos (EV) son el futuro de la movilidad, pero los mayores obstáculos para la adopción masiva entre los consumidores son la ansiedad por la autonomía y el precio. Si bien el uso de baterías más grandes sería una solución obvia para aumentar el alcance, aumentaría drásticamente el costo del vehículo. Como comentamos en este blog, es posible aumentar la autonomía de un vehículo eléctrico con el mismo tamaño de batería.

Al igual que un automóvil de gasolina tiene un consumo de gasolina medido en MPG o l/100 km, un EV tiene una tasa de consumo de energía medida en kWh/km o millas por KWh. Cuanto más eficiente sea el tren motriz eléctrico, menos energía consumirá un EV para funcionar y más lejos llegará hasta que se agote la batería. Aumentar la autonomía de un vehículo eléctrico manteniendo el mismo tamaño de batería se trata de mejorar su eficiencia.

Un tren motriz eléctrico (Figura 1) generalmente incluye cuatro componentes principales: una batería, un inversor que convierte la corriente continua (CC) en corrientes multifásicas (CA) para controlar el motor eléctrico, el motor eléctrico que usa la energía eléctrica para generar campos magnéticos para hacerlo girar y, en la mayoría de los casos, un convertidor DC-DC que adapta el voltaje de la batería al voltaje del motor eléctrico y la demanda de potencia.

La eficiencia del tren motriz eléctrico es la relación entre la producción de energía de la batería y la producción de energía del motor. Un ratio del 100% supondría una conversión perfecta de la energía eléctrica en energía mecánica… pero nunca es así. Muchas pérdidas ocurren en diferentes etapas del proceso de conversión de energía. La eficiencia ni siquiera es un valor constante. Por ejemplo, la eficiencia combinada de eMotor e Inverter oscila entre el 60 % y el 96 %, según el perfil de transmisión, la velocidad y el par del motor y su posición en la transmisión.

La eficiencia generalmente se representa en un gráfico (mapa de eficiencia) en el que el eje y y el eje x son, respectivamente, el par y la velocidad, lo que proporciona una eficiencia dada para cualquier combinación de velocidad/par. Como se muestra en la Figura 2, los puntos óptimos de operación donde la eficiencia está en su punto máximo están ubicados en un área restringida en el espacio de Velocidad/Torque. El uso del motor eléctrico en esta zona garantiza un sistema energéticamente eficiente. Pero en condiciones reales de manejo (como discutimos en nuestra nota de blog anterior), el Inverter/eMotor se usa en puntos operativos más amplios y no es posible mantener el sistema en su rango óptimo. Es necesario emplear nuevas técnicas para expandir el rango operativo óptimo, sin comprometer el rendimiento general y manteniendo los costos bajos.

Posibles soluciones para aumentar la eficiencia: un compromiso difícil

Hay 2 soluciones que se están utilizando actualmente, solas o combinadas, para aumentar la eficiencia. Algunos fabricantes de automóviles han decidido ampliar el rango de funcionamiento óptimo del motor eléctrico aumentando el tamaño del motor o agregando un segundo motor. Un ejemplo reciente es el uso de motores duales de Tesla, uno en la parte delantera y otro en la parte trasera: un motor está optimizado para potencia y otro motor optimizado para rango. Otro enfoque es el uso de una caja de cambios de múltiples velocidades en el tren de transmisión, que tiene el efecto de reducir y centrar la velocidad y el par en el área óptima del mapa de eficiencia. Recientemente, ZF introdujo una transmisión de 2 velocidades para los autos eléctricos de sus clientes.

Pero en ambos casos, la ganancia de eficiencia que proporcionan estos enfoques genera un ineludible y significativo aumento de coste y peso. Más costo no está ayudando a reducir el precio de EV y más peso no está ayudando a aumentar el rango. . Además, estas soluciones son subóptimas: no solucionan las causas fundamentales de las caídas de eficiencia, sino que reparan las consecuencias de la baja eficiencia al agregar mecánica y material.

Es posible una 3ª vía, que no requerirá un eMotor más grande ni el agregado de una caja de cambios, que no costará nada ni agregará peso, y que superará en rango de mejoras mecánicas y materiales: ¡Un mejor software!

Un mejor software es un software donde el motor eléctrico, el inversor y el convertidor DC-DC se controlan de tal manera que aumenta la cantidad de puntos de operación óptimos, reduce las pérdidas en cada componente y mejora la eficiencia general.

Un enfoque algorítmico para lograr una alta eficiencia

Este es el camino seguido por Silicon Mobility con tecnología OLEA. Un enfoque novedoso para lograr una alta eficiencia sin añadir complejidad ni aumentar los costes. Una plataforma de hardware única y un software avanzado donde el control usa la posición del ángulo eléctrico del motor para alternar entre varias estrategias de control para que pueda adaptar la potencia solicitada (Torque x Velocidad) a la mejor eficiencia posible. En los componentes del motor eléctrico y del inversor, la eficiencia aumenta en un 20% en comparación con el control convencional cuando se mide en un ciclo de conducción real.

La siguiente tabla muestra una comparación de los diversos enfoques discutidos anteriormente.