Configuración de los vehículos eléctricos y su propulsión eléctrica

Configuración de los vehículos eléctricos

     Comparando los VE con los vehículos de motor de combustión interna (VMCI), se podría decir que los VE son más flexibles. Esto se debe a una serie de factores. El flujo de energía de los VE discurre por una serie de cables, en cambio en los VMCI el flujo de energía está sujeto a una seria de conexiones mecánicas muy rígidas. También es diferente el sistema de propulsión y la fuente de energía con la cual se alimentan.

     En la Figura 7 se puede observar la configuración de los VE, consiste en tres sub-sistemas: propulsión eléctrica, fuente de energía y auxiliar. El sistema de propulsión eléctrica está compuesto por el control electrónico, convertidor de potencia, motor eléctrico, transmisión mecánica y volante. El sub-sistema de fuente de energía consiste en la fuente de energía, unidad de control de la alimentación y la unidad de re-abastecimiento. El sub-sistema auxiliar consiste en la unidad de control de la energía, unidad de control de la temperatura y fuente de alimentación auxiliar.

Figura 7 – Composición de VE (“Electric Vehicles change fordward”, C. Chang and Y.S. Wong. 2005)

     En la Figura 7, la conexión mecánica está representada por una doble línea, la conexión eléctrica por una línea gruesa y la conexión del control con una línea fina. La flecha indica la dirección donde se transmite el flujo de potencia eléctrica o el control de la información.

     Su funcionamiento consiste en el control de entradas desde el pedal de freno y acelerador, el control electrónico da la señal para que el convertidor de potencia cambie el flujo de energía a entregar al motor eléctrico desde la fuente de energía. El retorno del flujo de energía es debido al freno re-generativo que es almacenado y luego será aprovechado por el motor eléctrico, siempre y cuando la fuente de energía sea receptiva. Hay que tener en cuenta que la mayoría de las baterías, así como condensadores, son receptivos de energía. La unidad de gestión de la energía, colabora con el control electrónico para el control de la regeneración del frenado y por tanto hacer un sistema más óptimo. También trabaja con la unidad de re-abastecimiento de energía para controlar dicho re-abastecimiento y la fuente de energía. La fuente de alimentación auxiliar proporciona la potencia necesaria para los diferentes de voltaje para todos los dispositivos auxiliares, especialmente el control de temperatura y las unidades de manejo de la energía.

Configuración de vehículos híbridos

 

     Los principales desafíos VEH son la administración de varias fuentes de energía, el tamaño de las baterías y la gestión de las mismas. Las ventajas más importantes de los VEH con respecto a los MCI son la mayor eficiencia y la reducción de emisiones contaminantes. Los VEH cumplen con todas las expectativas para los clientes, pero su principal inconveniente es el precio.

     Tradicionalmente, los VEH se clasificaron en dos categorías: serie y paralelo. Recientemente, con la introducción de algunos VEH ofreciendo las características del vehículo en serie y en paralelo, la clasificación se ha ampliado a tres categorías: serie, paralelo y serie-paralelo. Sin embargo, algunos VEH recientes no pueden ser clasificados en ninguna de las categorías existentes, que requiere la adición de un cuarto. Como resultado, HEV se clasificarán como:

  • Serie
  • Paralelo
  • Seria-Paralelo
  • Complejo

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Figura 8 – Clasificación de los VEH (“Electric Vehicles change fordward”, C. Chang and Y.S. Wong. 2005)

     En la Figura 8 se pueden apreciar las distintas configuraciones expuestas anteriormente. La conexión eléctrica bi-direccional, la hidráulica es uni-direccional y la conexión mecánica (incluyendo embrague y engranajes) es también bi-direccional. La característica principal de los híbridos en serie es la mayor potencia eléctrica adquirida desde el MCI/generador. La característica principal del híbrido paralelo es la mayor potencia mecánica adquirida desde el MCI y desde el motor eléctrico. El híbrido serie-paralelo combina las características de las dos clasificaciones anteriores, mientras que el híbrido complejo ofrece características adicionales y más versatilidad para las distintas situaciones de la conducción.

     Debido a las distintas configuraciones que hay de los VEH, es necesario una diferente estrategia de control de la potencia. Esta estrategia sirve para satisfacer una serie de objetivos que el VEH debe tener para su eficiente y económica puesta en funcionamiento. Las cuatro claves principales son:

  • Máximo ahorro de combustible
  • Mínimas emisiones
  • Mínimos costes
  • Buenas prestaciones de conducción

     En los VEH, es esencial disponer de un sistema de control para la propulsión con unos efectivos algoritmos. El sistema de control es implementado a través de un controlador de bus de redes para reducir cables y aumentar la fiabilidad. El controlador debe tener en cuenta las condiciones reales de conducción teniendo en cuenta las distintas situaciones de la misma.

Propulsión eléctrica

     El sistema de propulsión eléctrica es el corazón de los VE. Consiste  en la unidad de motor, la transmisión y las ruedas. La unidad del motor eléctrico incluye, convertidor de potencia y control electrónico que es el núcleo del sistema de propulsión para los VE. Las características principales que un motor eléctrico debe tener son:

  • Alta potencia instantánea y alta densidad de potencia.
  • Un gran par a baja velocidad para subidas, así como una gran potencia de para altas velocidades.
  • Par y potencia constantes en un amplio rango de velocidades.
  • Alta velocidad de respuesta de par.
  • Alta eficiencia de frenado re-generativo.
  • Alta fiabilidad y robustez en las distintas condiciones de funcionamiento.
  • Coste competitivo en el mercado.

     La elección de sistema de propulsión eléctrica para VE depende de tres factores: expectativas del conductor, restricciones del vehículo y la fuente de energía. Las expectativas del conductor vienen definidas por un perfil de conducción que incluye aceleración, velocidad máxima, capacidad de subida y frenada. Las restricciones del vehículo dependen del tipo de vehículo, peso y carga del mismo. La fuente de energía proviene de las baterías, células de combustible, condensadores y fuentes híbridas.

     El desarrollo del sistema de propulsión eléctrica se basa en el crecimiento tecnológico, especialmente los motores eléctricos, electrónica de potencia, microelectrónica y el control. En la Figura 9 se muestra el conjunto del sistema de propulsión incluye de un VE: los posibles tipos de motores eléctricos, convertidores de potencia, hardware y estrategia de control.

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Figura 9 – Dispositivos del sistema de propulsión eléctrica (“Electric Vehicles change fordward”, C. Chang and Y.S. Wong. 2005)

     Tradicionalmente, los motores de corriente continua han sido destacados en la propulsión eléctrica debido a sus simples controles de velocidad.