Transición de la gestión térmica reactiva a la proactiva

Inversor Helix de carburo de silicio. (Imagen:hélice)

En un circuito eléctrico, los electrones que fluyen chocan con los átomos del material conductor y hacen que esos átomos vibren. La energía térmica es la energía cinética y potencial total de las partículas dentro de una región del espacio, por lo que esta transferencia de energía de los electrones a las partículas como energía cinética se manifiesta como calor.

Cuanto mayor es la resistencia, más frecuentes son los golpes y esto supone una mayor generación de calor. Una mayor resistencia no solo genera más calor, sino que, en el caso de los metales, este aumento de calor genera más resistencia.

El trabajo de la gestión térmica es encontrar formas de desviar este calor y evitar que este circuito de retroalimentación reduzca significativamente la eficiencia eléctrica y el rendimiento de un sistema. También es clave para la longevidad de los imanes permanentes, ya que las partículas que componen el material magnético perderán su alineación magnética si captan demasiada energía cinética, es decir, se desmagnetizarán.

Todo esto hace que la gestión térmica sea fundamental para el motor de un vehículo eléctrico. Pero además del problema básico de la resistencia y el calentamiento, los motores de vehículos eléctricos también deben lidiar con otras fuentes de calor, como las corrientes parásitas dentro del hierro del estator del motor, las pérdidas viscosas en los cojinetes y las pérdidas de alta frecuencia resultantes de los inversores de conmutación rápida.

Inteligencia en tiempo real

Junto con el circuito de retroalimentación de temperatura y resistencia (la resistencia del cobre aumenta en un 40 por ciento con cada 100 grados de temperatura), también está el hecho de que el aislamiento eléctrico alrededor de los devanados del estator se degrada rápidamente si hace demasiado calor. Una regla general es que por cada 10 grados de aumento de temperatura, la resistencia del aislamiento se reduce a la mitad y, a cierta temperatura, el aislamiento se rompe por completo.

Esto hace que la gestión térmica del motor en los vehículos eléctricos sea una tarea muy compleja y que debe abordarse con antelación. Un solo punto caliente que no se detecta puede provocar que el motor de un vehículo eléctrico se deteriore increíblemente rápido, con resultados permanentes.

Esto significa que la gestión térmica de los vehículos eléctricos es una intervención que requiere inteligencia en tiempo real sobre las condiciones del motor, incluso cuando se implementa refrigeración líquida activa, como es común. Además de mejorar el rendimiento real del motor y, más significativamente, el rendimiento de la batería, este tipo de inteligencia en tiempo real puede permitir innovaciones en la gestión térmica, calefacción y refrigeración de todos los vehículos, emblemáticas en tecnologías como la Octoválvula Tesla, que integra múltiples sistemas de refrigeración y calefacción para centralizar y racionalizar la gestión térmica de todo el vehículo.

Trazado del contorno de presión del fluido del canal de refrigerante. (Imagen:hélice)

Pero, ¿de dónde procede exactamente esta inteligencia en tiempo real? Recopilar lecturas de calor precisas de un motor EV completo no es una tarea fácil, especialmente con la resolución necesaria para identificar los puntos calientes con la rapidez y precisión necesarias para que sean útiles. Se necesitan numerosas lecturas de temperatura viva dentro del motor y del refrigerante del motor, que cubren los devanados del rotor y del estator.

Métodos directos e indirectos

Hay dos formas de adquirir esta información de temperatura. El primero es el método directo, que consiste en colocar sensores directamente in situ para proporcionar una medición de temperatura en tiempo real, es decir, utilizando un sensor de termistor o termopar en contacto directo, o mediciones del rotor mediante sensores de infrarrojos. Esta es la forma más intuitiva de realizar la tarea, pero conlleva algunas complicaciones importantes:un aumento en la complejidad, puntos de falla y el costo de la calidad de los propios sensores.

Motores con tecnología de núcleo escalable Helix. (Imagen:hélice)

La instalación y el cableado de numerosos sensores dentro de un motor presenta un desafío de cableado, empaquetado y mantenimiento que requiere una ingeniería adicional significativa para abordarlo y puede requerir compensaciones en eficiencia y rendimiento para adaptarse. Y la falla de un solo sensor puede resultar en lecturas falsas que desorganizan las estrategias de gestión térmica, lo que resulta en pérdidas de rendimiento, eficiencia e insatisfacción del cliente.

Esto trae a colación el método indirecto:el uso de modelado electromagnético y térmico acoplado. Al desarrollar un modelo sofisticado de cómo se comporta un motor en una variedad de condiciones eléctricas y térmicas, podemos combinarlo con sensores que ya están desplegados dentro y alrededor de un motor. Por ejemplo, podemos utilizar información de sensores de corriente y posición que de otro modo serían necesarios y que también deben cumplir estrictos estándares de seguridad funcional, junto con una única medición de la temperatura del refrigerante. A partir de estos, podemos inferir a partir de modelos en tiempo real cómo se ve la distribución del calor en todo el sistema en cualquier momento.

Modelado electrotérmico

El desafío de confiar en modelos electrotérmicos en lugar de sensores es que es un método indirecto. Esto significa que ahora depende de la aplicabilidad y precisión de su modelo, lo que a su vez requiere suficientes pruebas para desarrollarlo y perfeccionarlo, junto con suficiente potencia computacional para ejecutar el modelo y hacer las inferencias de temperatura necesarias.

Gráfico de contorno de temperatura del estator. (Imagen:hélice)

Como resultado, es un enfoque que depende particularmente de la sofisticación de los equipos de ingeniería detrás de un motor y un vehículo. Además, como ocurre con cualquier medio de medición, requiere comprender su precisión y establecer límites adecuados.

Pero los beneficios de este enfoque, si se aplica correctamente, son considerables. No es necesario hacer concesiones para acomodar los sensores y su cableado dentro y alrededor de un motor, lo que significa que los datos de gestión térmica no necesitan comprometer la eficiencia o el rendimiento.

Este enfoque también reduce los puntos de falla en un motor y un vehículo eléctrico. Fundamentalmente, si un modelo es lo suficientemente sofisticado, también puede disfrutar de una capacidad predictiva significativa y estar en una buena posición para ordenar al sistema de gestión térmica que evite por completo la formación de puntos calientes y mantenga un motor en un estado estable y continuo de rendimiento óptimo.

Este cambio de una gestión térmica reactiva a una preventiva es particularmente importante para mejorar el rendimiento, la eficiencia y la vida útil. Al mantener una temperatura uniforme y estable y minimizar incluso las pequeñas interrupciones momentáneas en ese estado estable, los sistemas de gestión térmica respaldados por modelos electrotérmicos acoplados serán clave para ampliar los límites de la calidad de los motores de vehículos eléctricos. De hecho, en lugar de ser un sustituto indirecto de un sensor de temperatura, puede ser mejor pensar en los sensores de temperatura como un sustituto subóptimo de un buen modelado electrotérmico.

Este artículo fue escrito por Andrew Cross, director de innovación de Helix (Milton Keynes, Reino Unido). Para obtener más información, visite aquí.