Medición y distribución de energía en el vehículo eléctrico

 

Medición y distribución de energía en el vehículo eléctrico

Comprender cómo los vehículos utilizan y distribuyen la energía es fundamental para el desarrollo y la certificación de vehículos eléctricos. El sistema de propulsión eléctrico, incluidos los motores y los inversores, la calefacción, el aire acondicionado, el infoentretenimiento y otros subsistemas, consumen la energía que suministra la batería. Cualquier uso de energía de forma  ineficiente puede resultar en una autonomía  reducida del vehículo. Al mapear el uso de energía de todos los subcomponentes, los ingenieros automotrices pueden comenzar a tomar decisiones sobre el control del vehículo y la selección de componentes para maximizar la autonomía. 

 

Los fabricantes de vehículos deben tomar decisiones importantes entre peso, costo, autonomía  y rendimiento para fabricar vehículos que tengan una  autonomía deseable para los clientes y que cumplan con los requisitos de energía verde.

 Hay tres grupos principales interesados en el consumo de energía de los vehículos: organismos certificadores, ingenieros de sistemas e ingenieros de componentes.

Los organismos de certificación necesitan mediciones de potencia precisas para otorgar la certificación de eficiencia de kilómetros eléctricos por litro *(MPGe)  de un vehículo. Este número permite que los consumidores y los órganos de gobierno tomen decisiones.    

*(El equivalente de millas por galón de gasolina (MPGe) es una medida de la distancia promedio recorrida por unidad de energía consumida. El MPGe es utilizado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) para comparar el consumo de energía de vehículos de combustible alternativo, vehículos eléctricos y otros vehículos de tecnología avanzada con el consumo de energía​ de los vehículos de combustión interna convencionales y clasificados en millas por galón estadounidense )     

Los ingenieros de vehículos y sistemas deben comprender cómo funcionan los diferentes componentes y subsistemas para poder optimizar la autonomía de un vehículo. Esto no es solo para el tren motriz, sino para todos los subsistemas que también consumen energía.  

Por último, los ingenieros de nivel de componentes deben poder ver dónde se producen las pérdidas y cómo minimizarlas.

Estos tipos de pruebas de autonomía de vehículos requieren un perfil de par y velocidad normalizado para que pueda ser una verdadera comparación entre las autonomías de diferentes vehículos.

Los perfiles, a menudo denominados ciclos de conducción (figura 1), son un perfil de velocidad frente al tiempo.  Los ciclos de conducción tienen diferentes velocidades, aceleraciones y desaceleraciones para simular kilómetros en "ciudad" y "ruta". Los perfiles se reproducirán en un dinamómetro de chasis que se ha ajustado para la dinámica de rodadura del vehículo. El conductor del vehículo controlará la velocidad mientras se miden el consumo de energía y la distancia.

La energía se puede medir para el vehículo completo, secciones del vehículo o componentes individuales dependiendo de   lo que los ingenieros quieren analizar u optimizar.

Certificación

Cuando un fabricante pone en el  mercado un vehículo, necesita tener una autonomía y eficiencia de combustible certificadas por los órganos rectores de ese país, en EE.UU., por ejemplo, esta sería la EPA. En Europa, en  ciclo NEDC. En Japón ciclo JC08.

 Estos grupos ejecutan los ciclos de conducción desde la carga completa hasta que el vehículo se queda sin carga de la batería y registran la energía utilizada y la distancia recorrida. La medición del uso de energía se logra colocando una pinza de corriente alrededor del cable principal de corriente continua (CC) y midiendo el voltaje de CC.

O midiendo voltaje y corriente en un analizador de potencia. A continuación, el analizador de redes calculará la potencia eléctrica y la energía que pasa a través del cable. En el caso de que un vehículo tenga varias baterías de CC, la energía también se medirá a partir de ellas y se sumará.

 La instrumentación para medir la energía y la potencia durante una prueba de autonomía puede afectar directamente la precisión y complejidad de la prueba. Los ingenieros  a menudo buscarán sistemas que simplifiquen sus pruebas al seleccionar un sistema de medición que registre datos eléctricos y brinde un fácil acceso a las ecuaciones.

Tener la capacidad de auditar y editar una prueba puede hacer que probar sistemas complejos con múltiples buses de CC  sea una tarea mucho más sencilla.

 

 Prueba de autonomía a nivel de ingeniería

Una prueba a nivel de ingeniería es similar a una prueba de certificación pero con más mediciones y configuraciones potenciales.

Los ingenieros ejecutan las pruebas para optimizar el uso de energía de su vehículo para que puedan maximizar su alcance para la certificación. La prueba sigue siendo un vehículo completo que se ejecuta a través de ciclos de manejo en un banco de pruebas de chasis, todavía hay acceso limitado a voltajes y corrientes, y la recopilación de datos es aún más importante porque ahora los ingenieros querrán comprender los detalles para realizar cambios.

 Las pruebas requieren más medidas porque además de las medidas del bus de CC, también incluirán todos los subcomponentes y subsistemas. Esto puede incluir hasta 15 mediciones de potencia / energía, lo que puede crear desafíos de medición ya que muchos analizadores de potencia solo ofrecen 3, 6 o 7 canales.

Una vez que se estudia todo el flujo de potencia del vehículo y las señales, se pueden realizar cambios en el control de nivel del vehículo o en los subcomponentes para aumentar la autonomía.

 

Prueba a nivel de componentes

Las pruebas a nivel  de componentes se pueden realizar en un dinamómetro de chasis, como las otras dos pruebas, pero a menudo se realizan en un dinamómetro de transmisión directa para obtener la  mejor calidad en las  mediciones de  los componentes.

La prueba implica montar un motor y un inversor en un dinamómetro de precisión (figura 4) y luego ejecutar el perfil de par y velocidad del ciclo de conducción.  El bus de CC, las mediciones de fase de CA, el par y la velocidad se medirán de manera normal para estos perfiles con instrumentación de alta precisión.

 

 Conclusiones

La gestión de energía del vehículo es un proceso detallado que incluye muchos pasos y consideraciones. Presenta desafíos debido al número de canales potencialmente alto y la naturaleza dinámica de las señales. La gestión de energía del vehículo es potencialmente manejada por una variedad de grupos, todos con el objetivo de minimizar sus pérdidas y maximizar su autonomía para escenarios de conducción del mundo real.La necesidad de comprender con precisión la distribución de energía en todo el vehículo ha hecho que la medición un tema importante cuando se habla de este tipo de pruebas.

 Fuente: https://www.hbkworld.com/en

 

 Ing. Ricardo Berizzo

Cátedra: Movilidad Eléctrica

U.T.N. Regional Rosario                                                                         2022.-