Medición de la distribución de potencia y energía de los vehículos: componentes, sistemas y certificación

Para desarrollar y certificar vehículos eléctricos es fundamental entender cómo utilizan y distribuyen la energía. Todos los elementos de una cadena cinemática eléctrica consumen energía, empezando por los motores e inversores, y continuando por la calefacción, el aire acondicionado, el sistema de infoentretenimiento y el resto de subsistemas del vehículo. Y toda esa energía la tiene que suministrar la batería. Cualquier extra de consumo o cualquier ineficiencia acortan autonomía del vehículo. Para empezar a tomar decisiones sobre el control del vehículo y para seleccionar componentes que maximicen su autonomía, los ingenieros de automoción necesitan conocer los consumos de todos los subcomponentes. Los fabricantes deben tomar decisiones importantes para dar con una combinación de peso, coste, autonomía y prestaciones que haga sus vehículos atractivos para los clientes y que, al mismo tiempo, cumpla requisitos “verdes”.

Hay tres colectivos particularmente interesados en el consumo energético de los vehículos: los organismos de certificación, los ingenieros de sistemas y los ingenieros de componentes. Los organismos certificadores necesitan mediciones precisas de la potencia para otorgar a los vehículos certificados de eficiencia expresados en millas por galón equivalente (MGPe). Esta cifra facilita la toma de decisiones a los consumidores y a las autoridades públicas. Por su parte, los ingenieros que trabajan a nivel de sistemas y de vehículos completos necesitan caracterizar el funcionamiento de los diferentes componentes y subsistemas, para optimizar la autonomía de sus vehículos. Eso no afecta solo a la cadena cinemática sino a todos los subsistemas que consumen energía. Por último, los ingenieros que trabajan a nivel de componentes necesitan saber dónde se producen las pérdidas y cómo minimizarlas.

Todos los ensayos de autonomía de los vehículos requieren un perfil de par y velocidad normalizado, que sirva para estandarizar verdaderamente los cálculos de autonomía. Estos perfiles, que se suelen llamar ciclos de conducción (ver Figura 1), vienen a ser un perfil de velocidad en función del tiempo. Los ciclos de conducción presentan diferentes velocidades, aceleraciones y deceleraciones, que simulan la conducción en ciudad y en carretera. 

A continuación, esos perfiles se reproducen en un dinamómetro de chasis adaptado a la dinámica de rodadura del vehículo. El conductor del vehículo se encarga de controlar la velocidad; mientras tanto, se mide el consumo de energía y los kilómetros “recorridos”. Es posible medir la energía en un vehículo completo, en secciones de un vehículo o en componentes individuales, según lo que deseen optimizar los ingenieros.

Certificación

Cuando un fabricante saca un vehículo al mercado, el vehículo debe tener una autonomía y una eficiencia de consumo certificadas por el organismo correspondiente del país en donde lo comercialice. En el caso de Estados Unidos, sería la EPA. Estos organismos hacen ensayos con ciclos de conducción que empiezan con el vehículo a carga completa y terminan cuando se agota la batería. Se anota entonces la energía consumida y la distancia recorrida por el vehículo. Para medir el consumo de energía se coloca una pinza amperimétrica en el cable de corriente continua principal y se mide la corriente y la tensión de CC con un analizador de potencia. El analizador de potencia calcula la potencia eléctrica y la energía que se transmite por el cable. Si un vehículo tiene varias baterías de CC, se mide la energía que suministra cada una de ellas y se suma el total.

Medir la tensión del bus de CC es difícil por diversas razones. Los puntos de medida de la tensión y la corriente suelen tener un acceso complicado y requieren hacer algunas modificaciones en el vehículo para colocar las sondas de tensión y los sensores de corriente. Algunos fabricantes de automóviles hacen pasar corrientes por el apantallamiento del cable de CC. En estos casos, puede ser necesario evitar que el apantallamiento entre en contacto con el sensor o buscar métodos de compensación inteligentes. Otra dificultad de los ensayos certificados es que los datos y las ecuaciones deben ser trazables con fines de auditoría. El hecho de disponer de datos grabados, periodos de medición conocidos y ecuaciones claramente definidas ayuda a entender y resolver cualquier discrepancia que se produzca en los ensayos causada, por ejemplo, por sensores que se desconectan, ruido eléctrico o una mala interpretación del comportamiento.

Los ensayos suelen desglosarse en diferentes tramos que deben mantenerse por separado, de modo que el organismo certificador pueda calcular no solo la eficiencia de consumo total, sino también la eficiencia en ciudad y en carretera. Para ello se segmentan los ciclos de conducción y se determina la energía en juego en cada segmento, que después se emplea para determinar la eficiencia de consumo en ciudad o en carretera.

La precisión y la complejidad se pueden ver afectadas por la instrumentación utilizada para medir la energía y la potencia durante un ensayo de autonomía. En general, los ingenieros buscan sistemas que simplifiquen sus ensayos; para ello, eligen sistemas de medición capaces de registrar datos eléctricos y de volcarlos fácilmente en las ecuaciones. Si, además, existe la posibilidad de auditar y editar los ensayos, el resultado es que se pueden simplificar enormemente los ensayos de sistemas complejos con múltiples buses o apantallamientos de CC. Algunos ensayos deben ejecutarse durante muchas horas. En estos casos, a los ingenieros les interesa un sistema capaz de almacenar y reducir un volumen significativo de datos, dando a la vez transparencia a los resultados. Otras opciones, como las de activar/desactivar la adquisición de datos, segmentarlos y realimentarlos a una sala de control, contribuyen a mejorar la fiabilidad y la calidad de los ensayos de autonomía con fines de certificación. El sistema eDrive de HBM se utiliza ampliamente en ensayos de autonomía con fines de certificación. Por su diseño, permite almacenar datos, activar/desactivar la adquisición de datos, editar ecuaciones, sincronizar datos y realimentar sistemas de control.

Ensayos de autonomía en ingeniería

Los ensayos de autonomía que se llevan a cabo con fines de ingeniería son similares a los de certificación, solo que con más mediciones y configuraciones potenciales. Sirven para optimizar el uso de la energía por parte de los vehículos y, así, maximizar la autonomía de cara a la certificación. Estos ensayos también consisten en un vehículo completo que se somete a distintos ciclos de conducción en un banco de potencia, de nuevo con acceso limitado a las tensiones y las corrientes. En este caso, la adquisición de  datos tiene una importancia aún mayor, porque los ingenieros quieren entender el comportamiento a fondo para hacer cambios en los diseños. Por tanto, en este tipo de ensayos hay más medidas en juego. Aparte de las medidas en el bus de CC, se obtiene información de todos los subcomponentes y subsistemas. Puede ser preciso hacer hasta 15 mediciones simultáneas de potencia/energía, lo que constituye todo un desafío ya que muchos analizadores de potencia solo ofrecen 3, 6 o 7 canales. Por otro lado, un ensayo en el que se miden múltiples sistemas plantea dificultades de sincronización y lleva aparejado un mayor coste de capital. Lo ideal para un ingeniero es medir y registrar todas las energías, para caracterizar con un alto grado de detalle cómo se distribuye la energía en el vehículo. Una vez que los ingenieros tienen los datos de cada una de las unidades que consumen energía, pueden empezar a tomar decisiones sobre cómo se debe controlar el vehículo y sobre cómo deben funcionar los subcomponentes. Para entender a fondo el funcionamiento de un sistema, a menudo es preciso alinearlo con datos del bus CAN y con otra información del vehículo, para poder hacer cambios en la sincronización y el funcionamiento. También puede ser interesante conocer otras señales de nivel o de temperatura del vehículo, para tener un grado de conocimiento más completo. Una vez que entendemos el flujo de potencia del vehículo y sus señales, se pueden introducir cambios a nivel de control, o cambios en los subcomponentes para ampliar la autonomía.

Típicamente se intentan medir señales de corriente alterna durante los ensayos de autonomía, en busca de pérdidas en el motor y el inversor. Sin embargo, esta operación puede resultar difícil porque para medir corriente alterna es necesario conocer con gran exactitud la frecuencia fundamental. A su vez, para llevar un control de la frecuencia fundamental se necesitan algoritmos avanzados, que deben ejecutarse en tiempo real para obtener medidas realmente precisas de potencia y energía. La Figura 3 muestra un ejemplo de algoritmo de detección de ciclos. A la hora de seleccionar la instrumentación, hay que tener en cuenta el método de sincronización de la frecuencia para garantizar medidas precisas.

En otro orden de cosas, también se hacen ensayos de autonomía... de vehículos de la competencia, con fines de comparación o para entender cómo gestionan la distribución de la energía otros fabricantes. Estas medidas pueden acarrear retos adicionales porque no siempre se tiene acceso a los puntos de medición. En estos casos, la solución pasa por obtener medidas de tensión o corriente del bus del vehículo. Aunque no es una solución perfecta, es mejor que no tener ningún dato y puede aportar información adicional sobre el funcionamiento de un vehículo. Y, para que esa información sea más valiosa, los ingenieros necesitan que los datos del bus del vehículo y los datos de medida estén perfectamente sincronizados.

En cuanto a la instrumentación, los requisitos de los ensayos de ingeniería y de certificación son muy parecidos. Se requiere un buen registro de datos y ecuaciones transparentes. Los ingenieros necesitan rastrear el uso de la energía en diferentes tramos del ensayo, visualizar los valores medidos y transmitirlos a una sala de control. La diferencia radica en que en los ensayos de ingeniería se hacen muchas más medidas y se tienen en cuenta más variables. Incluso existe la posibilidad de hacer mediciones de corriente alterna. El sistema eDrive de HBM se presta muy bien a este tipo ensayos. Un solo sistema de medición puede acomodar más de 51 medidas de potencia de CC o CA e incluir en el fichero de datos valores de temperatura y datos procedentes del bus CAN. Además, el sistema eDrive dispone de una función digital de detección de ciclos que le permite medir fácilmente la potencia de CA durante los cambios de frecuencia.

Ensayos de autonomía de componentes

Los ensayos de autonomía de componentes pueden realizarse en un dinamómetro de chasis, como en los dos casos anteriores. Sin embargo, se suelen llevar a cabo en un dinamómetro directo, para obtener medidas de la máxima calidad. En estos casos se acopla un motor y un inversor a un dinamómetro de precisión (Figura 4), y se ejecuta el perfil de par y velocidad del ciclo de conducción. A continuación, se hacen mediciones del bus de CC, la fase de CA, el par y la velocidad para el perfil de interés, utilizando instrumentos de alta precisión.

Armados con estas medidas de alta precisión, los ingenieros pueden empezar a entender en detalle las pérdidas de potencia de los componentes. Si, además, se incorporan lecturas de temperatura en el rotor y el estator, se pueden estudiar las pérdidas en el hierro, las pérdidas en el cobre y otras pérdidas, para entender cómo se distribuyen las pérdidas de energía a lo largo de un ciclo de conducción. Caracterizar las pérdidas del componente es el primer paso para controlarlas y minimizarlas.

Otro enfoque de estos ensayos a nivel de componentes consiste en calibrar el motor y el inversor para que se adapten a unos objetivos de rendimiento dados con la máxima eficiencia posible.

Para ello, los ingenieros deben comprender el control del inversor mediante lecturas del bus CAN, deben medir temperaturas con termopares y deben crear mapas de eficiencia asociados a los ciclos de conducción.

 

Los ensayos de componentes comparten muchos retos con los otros dos tipos de ensayos de los que hemos hablado más arriba. Su peculiaridad es que incluyen medidas de par y velocidad, que ayudan a caracterizar en detalle el motor y sus pérdidas. En este caso no se busca optimizar el control a nivel de sistema, sino analizar pequeños detalles con vistas a introducir cambios de control o de diseño de cara al futuro. El sistema eDrive resulta de gran utilidad para este tipo de ingenieros porque permite realizar y registrar una amplia variedad con alta precisión. Estos ensayos proporcionan un conocimiento más profundo de las máquinas y abren la puerta a introducir cambios.

Conclusiones

La gestión de la energía de un vehículo es un proceso detallado con muchos pasos y con consideraciones muy variadas. El desafío reside en el número de canales —que, potencialmente, puede ser alto— y en la naturaleza dinámica de las señales. La gestión de la energía de un vehículo se puede abordar desde distintos ángulos, siempre con el fin último de minimizar la pérdidas y maximizar la autonomía en las situaciones de conducción del mundo real. Es importante conocer con precisión cómo se distribuye la energía en todo el vehículo y eso da una gran importancia a los ensayos de este tipo. El sistema eDrive ayuda a simplificar los ensayos de gestión de la energía del vehículo y los ciclos de conducción. Ofrece un alto número de canales de alta precisión para señales mecánicas y de potencia; incluso potencia durante los cambios de frecuencia. Además, eDrive aumenta el grado de transparencia de los ensayos, ya que muestra al usuario todas las ecuaciones y le ofrece la posibilidad de modificarlas si es necesario. También permite a los ingenieros segmentar sus ensayos en diferentes ciclos de conducción y visualizar los datos en una sala de control. El sistema eDrive puede utilizarse en los tres tipos de ensayos que hemos repasado. En todos los casos aporta datos coherentes a las organizaciones, simplifica los ensayos y ahorra dinero.

 

Descargar el artículo en pdf

Autor

Mitch Marks
Director de desarrollo de negocio - Electrificación

Videos on Vehicle Energy Management and Range Testing

Introduction to Electric Vehicle Energy Management & Range Testing

 

Webinar: Vehicle Energy Management and Range Testing for Electric Vehicles