Transición de Gestión Térmica Reactiva a Proactiva en Motores EV

Inversor de Carburo de Silicio Helix. (Imagen: Helix)

El Desafío Térmico en Circuitos Eléctricos

En un circuito eléctrico, los electrones en movimiento chocan contra los átomos en el 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 la partícula como energía cinética se manifiesta como calor.

Cuanta mayor sea la resistencia, más frecuentes serán los choques y esto significa mayor generación de calor. No solo una mayor resistencia genera más calor, sino que para los metales, este aumento de calor genera más resistencia.

Es trabajo de la gestión térmica encontrar formas de desviar este calor y evitar que este bucle de retroalimentación reduzca significativamente la eficiencia y el rendimiento eléctrico 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 adquieren demasiada energía cinética —es decir, se desmagnetizarán.

Todo esto hace que la gestión térmica sea crítica para el motor de un VE. Pero junto con el problema básico de resistencia y calentamiento, los motores de VE también deben lidiar con otras fuentes de calor como las corrientes de Foucault en el hierro del estator, pérdidas viscosas en rodamientos y pérdidas de alta frecuencia resultantes de inversores de conmutación rápida.

Inteligencia en Tiempo Real

Junto con el bucle de retroalimentación de temperatura y resistencia (la resistencia del cobre aumenta 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 se calienta demasiado. Una regla práctica 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 VE sea una tarea muy compleja, y que debe contrarrestarse temprano. Un solo punto caliente que quede sin detectar puede causar que el motor de un VE se deteriore increíblemente rápido, con resultados permanentes.

Esto significa que la gestión térmica en VE es una intervención que requiere inteligencia en tiempo real sobre las condiciones del motor, incluso donde se implementa refrigeración líquida activa, como es común. Junto con mejorar el rendimiento real del motor, y más significativamente el de la batería, este tipo de inteligencia en tiempo real puede permitir innovaciones en la gestión térmica de todo el vehículo, calefacción y refrigeración —simbolizado en tecnologías como la Tesla Octovalve, que integra múltiples sistemas de refrigerante y calefacción para centralizar y racionalizar la gestión de calor de todo un vehículo.

Gráfico de contorno de presión de fluido en canal de refrigerante. (Imagen: Helix)

Pero, ¿de dónde viene exactamente esta inteligencia en tiempo real? Obtener lecturas precisas de calor de todo un motor de VE no es una tarea fácil, especialmente a la resolución necesaria para identificar puntos calientes tan rápida y precisamente como se requiere para que sean útiles. Se necesitan numerosas lecturas de temperatura en vivo dentro del motor y del refrigerante del motor, cubriendo el rotor y los devanados del estator.

Métodos Directos e Indirectos

Hay dos formas de adquirir esta información de temperatura. La primera es el método directo, colocando sensores directamente in-situ para proporcionar una medición de temperatura en tiempo real, es decir, usando sensor termistor o termopar en contacto directo, o mediciones del rotor mediante sensores infrarrojos. Esta es la forma más intuitiva de abordar la tarea, pero viene con complicaciones importantes: aumento de complejidad, puntos de fallo y costo de calidad de los propios sensores.

Motores con Tecnología de Núcleo Escalable Helix. (Imagen: Helix)

Instalar y cablear numerosos sensores dentro de un motor presenta un desafío de cableado, empaquetado y mantenimiento que requiere ingeniería adicional significativa y puede requerir compromisos en eficiencia y rendimiento para acomodar. Y el fallo de un solo sensor puede resultar en lecturas falsas que desbaratan las estrategias de gestión térmica, resultando en pérdidas de rendimiento, eficiencia e insatisfacción del cliente.

Esto plantea 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 emparejar esto con sensores que ya están desplegados en y alrededor de un motor. Por ejemplo, podemos usar información de sensores de corriente y posición que de otro modo son requeridos y también deben cumplir estrictos estándares de seguridad funcional, acoplados con una sola medición de temperatura de refrigerante. A partir de estos, podemos inferir a partir de modelos en tiempo real cómo se ve la distribución de calor a través del sistema en cualquier momento.

Modelado Electro-Térmico

El desafío de confiar en el modelado electro-térmico en lugar de sensores es que es un método indirecto. Esto significa que ahora dependes de la aplicabilidad y precisión de tu modelo, lo que a su vez requiere suficientes pruebas para desarrollarlo y refinarlo, junto con suficiente potencia computacional para ejecutar el modelo y hacer las inferencias de temperatura necesarias.

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

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 con cualquier medio de medición, requiere una comprensión de su precisión y establecimiento de límites apropiados.

Pero los beneficios de este enfoque, si se hace bien, son considerables. No se requieren compromisos para acomodar 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 puntos de fallo en un motor y un VE. Críticamente, si un modelo es lo suficientemente sofisticado, también puede disfrutar de una capacidad predictiva significativa y estar bien ubicado para instruir al sistema de gestión térmica a prevenir completamente la formación de puntos calientes y mantener un motor en un estado continuo de rendimiento óptimo.

Este cambio de gestión térmica reactiva a preventiva es particularmente importante para mejorar el rendimiento, la eficiencia y la vida útil. Al mantener una temperatura uniforme y estable y minimizar incluso pequeñas interrupciones momentáneas de tal estado estable, los sistemas de gestión térmica respaldados por modelado electro-térmico acoplado serán clave para superar los límites de la calidad del motor de VE. 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 para un buen modelado electro-térmico.

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