Sistemas de doble velocidad y bobinado variable mejoran eficiencia de vehículos eléctricos
La búsqueda continua de mayor rendimiento y eficiencia energética en los vehículos eléctricos de batería (BEV) impulsa la innovación en el diseño de trenes motrices. Un estudio reciente de investigadores de la Universidad Chang’an y del Instituto de Comunicaciones de Zhejiang ha realizado una comparación exhaustiva de tres sistemas de propulsión diferentes para BEV, revelando diferencias de rendimiento significativas que podrían influir en las futuras estrategias de desarrollo de vehículos. La investigación, publicada en el Chinese Journal of Automotive Engineering, evalúa sistemas de transmisión de una sola velocidad, de dos velocidades con transmisión mecánica automatizada (AMT) y de motor síncrono de imán permanente (PMSM) con bobinado variable bajo parámetros de vehículo idénticos, ofreciendo una referencia clara para las ventajas y limitaciones de cada configuración.
El estudio aborda un desafío crítico en la industria de los BEV: equilibrar las demandas a menudo competitivas de rendimiento dinámico y eficiencia económica. Aunque las transmisiones de una sola velocidad se han convertido en el estándar de facto debido a su simplicidad, bajo costo y alta eficiencia mecánica, obligan a un compromiso. Una relación de transmisión fija no puede optimizar simultáneamente el vehículo para una aceleración rápida desde el reposo y una conducción eficiente a alta velocidad. Esta limitación surge porque el motor eléctrico debe operar en un amplio rango de velocidades y pares, y una relación de transmisión fija significa que el motor opera frecuentemente fuera de su zona de eficiencia máxima, especialmente durante ciclos de conducción urbana con frecuentes paradas y arranques. Como resultado, a pesar de la eficiencia inherente de los motores eléctricos, una parte significativa de la energía de la batería puede perderse por una operación subóptima del motor, lo que afecta directamente el alcance del vehículo. Este compromiso fundamental ha impulsado a los fabricantes de automóviles a explorar soluciones de tren motriz más complejas para extraer cada posible punto porcentual de eficiencia y rendimiento.
El equipo de investigación, liderado por Liu Yongtao de la Universidad Chang’an, seleccionó un camión ligero puramente eléctrico de 4,5 toneladas como vehículo base para su análisis. Esta elección proporciona un caso de estudio relevante, ya que los vehículos comerciales tienen requisitos estrictos tanto para la capacidad de carga útil como para el alcance operativo, haciendo que la eficiencia sea primordial. El estudio se centró en tres sistemas de propulsión de un solo motor para garantizar una comparación justa, aislando el impacto de la tecnología de transmisión y motor. El primer sistema es la AMT convencional de una sola velocidad, que utiliza una única reducción de engranajes fija para conectar el motor a las ruedas. El segundo es una AMT de dos velocidades, que incorpora una transmisión de dos marchas que puede cambiar entre una relación más baja para un alto par a bajas velocidades y una relación más alta para una conducción eficiente a altas velocidades. El tercer sistema es un novedoso PMSM con bobinado variable, que mantiene una transmisión de una sola velocidad pero cuenta con un motor que tiene dos configuraciones distintas de bobinado de estator que pueden cambiarse electrónicamente.
El motor con bobinado variable representa un enfoque sofisticado del mismo problema. En lugar de cambiar la relación de transmisión, cambia las características eléctricas fundamentales del propio motor. En su modo de «bobinado completo», el motor está optimizado para una alta salida de par a bajas y medias velocidades, ideal para el arranque y la subida de pendientes. En su modo de «media bobina», el motor se reconfigura para operación a alta velocidad, permitiéndole alcanzar una velocidad máxima más alta y operar dentro de una región de potencia constante más eficiente. Esta tecnología efectivamente le da al motor dos perfiles de rendimiento distintos dentro de una sola unidad física, ampliando su rango de operación de alta eficiencia sin la complejidad mecánica de una transmisión de múltiples velocidades. El cambio entre bobinados está diseñado para ocurrir en milisegundos, minimizando cualquier interrupción en la entrega de potencia.
Para realizar una comparación rigurosa y realista, los investigadores emplearon técnicas de optimización avanzadas. Utilizaron el algoritmo genético de preservación de élite y la teoría de programación dinámica para determinar las relaciones de transmisión óptimas para los sistemas AMT de una y dos velocidades. Este proceso implicó simular el rendimiento del vehículo en el Ciclo de Prueba de Vehículos Comerciales Pesados de China (CHTC-LT), un ciclo de conducción estandarizado que incluye segmentos urbanos, suburbanos y de autopista. El objetivo principal de optimización fue minimizar el consumo de energía del vehículo por cada 100 kilómetros. Para el sistema de dos velocidades, esta optimización fue particularmente compleja, ya que requería no solo encontrar las mejores relaciones de transmisión, sino también determinar el programa de cambios óptimo: los puntos precisos en los que la transmisión debería cambiar de marcha para mantener la eficiencia más alta posible. De manera similar, para el motor con bobinado variable, el equipo tuvo que diseñar el programa de «cambio» óptimo para cuándo cambiar entre los modos de bobinado completo y media bobina.
Los resultados de la simulación proporcionaron información clara y accionable. En términos de rendimiento dinámico, medido por el tiempo de aceleración de 0 a 50 km/h, el sistema AMT de dos velocidades emergió como el claro ganador. Superó al sistema de una sola velocidad en un 2,63%, una mejora significativa para un vehículo comercial. Esta ventaja proviene de su capacidad para utilizar una relación de primera marcha muy corta, que maximiza la multiplicación del par en las ruedas para una aceleración rápida. Los sistemas de una sola velocidad y de bobinado variable, limitados por una relación de transmisión única que también debe acomodar la velocidad máxima del vehículo, no pueden alcanzar el mismo nivel de rendimiento de arranque. El sistema de bobinado variable, aunque aún utiliza una transmisión de una sola velocidad, mostró una mejora modesta del 1,38% en la aceleración sobre el sistema base de una sola velocidad. Esta ganancia se atribuye a la capacidad del motor para entregar un par más alto en su modo de bobinado completo, proporcionando una ligera ventaja en la respuesta a bajas velocidades.
Los resultados para la eficiencia económica, sin embargo, pintan un cuadro diferente. Al evaluar el consumo de energía durante el ciclo CHTC-LT, el sistema PMSM con bobinado variable demostró ser el más eficiente, reduciendo el consumo de energía en un 2,0% en comparación con el sistema de una sola velocidad. El sistema AMT de dos velocidades también mostró una mejora, con una reducción del 0,6% en el consumo. Estos hallazgos destacan una distinción crucial: el sistema de dos velocidades sobresale al maximizar el rendimiento, mientras que el sistema de bobinado variable es superior al maximizar la eficiencia. La capacidad del motor con bobinado variable para mantener al motor operando en sus zonas de alta eficiencia a lo largo de un rango más amplio de velocidades le da una ventaja decisiva para minimizar las pérdidas de energía. El sistema de dos velocidades mejora la eficiencia al permitir que el motor opere a velocidades más bajas para una velocidad de vehículo dada en segunda marcha, pero este beneficio es menos pronunciado que la expansión fundamental de la eficiencia lograda por la tecnología de bobinado variable.
El estudio también proporciona una comparación directa entre los dos sistemas avanzados. Mientras que el AMT de dos velocidades ofrece la mejor aceleración, lo hace a un mayor costo energético. Por el contrario, el sistema de bobinado variable logra el consumo de energía más bajo pero no iguala el rendimiento dinámico del sistema de dos velocidades. El sistema de una sola velocidad, que sirve como referencia, tuvo el peor desempeño en ambas categorías, confirmando las limitaciones de un tren motriz de relación fija. Esta clara jerarquía de rendimiento proporciona una guía valiosa para los fabricantes de vehículos. Para aplicaciones donde la aceleración rápida y un alto rendimiento son primordiales, como automóviles de gama alta o vehículos comerciales orientados al rendimiento, el AMT de dos velocidades es la opción óptima. Su complejidad mecánica y costo se justifican por la mejora significativa en el rendimiento. Para aplicaciones donde maximizar el alcance y minimizar los costos operativos son las principales prioridades, como camiones de entrega de larga distancia o flotas de vehículos, el sistema de motor con bobinado variable ofrece el mayor beneficio.
Las implicaciones de esta investigación van más allá de la comparación inmediata de estos tres sistemas. Valida la efectividad del uso de algoritmos de optimización avanzados como la programación dinámica para diseñar estrategias de control para trenes motrices complejos. El estudio demuestra que el rendimiento de un sistema no es solo una función de su hardware, sino también de la inteligencia de su software de control. Los programas óptimos de cambios y cambios son críticos para desbloquear todo el potencial tanto de la transmisión de dos velocidades como del motor con bobinado variable. Esto subraya una tendencia creciente en la industria automotriz, donde el software y los sistemas de control se están volviendo tan importantes como la ingeniería mecánica para definir las capacidades de un vehículo.
Además, la investigación contribuye al debate en curso sobre el futuro de las transmisiones para BEV. Mientras que algunos expertos de la industria han argumentado que el amplio rango de velocidad de los motores eléctricos hace innecesarias las transmisiones de múltiples velocidades, este estudio proporciona evidencia empírica de que pueden ofrecer beneficios tangibles. La mejora del 2,63% en la aceleración es un argumento convincente para su uso en vehículos de alto rendimiento. Al mismo tiempo, el éxito del motor con bobinado variable sugiere una alternativa al camino hacia una mayor eficiencia que evita el peso adicional, el costo y las preocupaciones potenciales de confiabilidad de una transmisión mecánica. Esta tecnología podría ser particularmente atractiva para los fabricantes que buscan mejorar la eficiencia sin aumentar la complejidad mecánica de sus trenes motrices.
Los hallazgos también tienen importantes implicaciones para el análisis de costo-beneficio en el desarrollo de vehículos. Un sistema AMT de dos velocidades agrega costo y complejidad a través de engranajes adicionales, sincronizadores y una unidad de control más sofisticada. Un motor con bobinado variable puede tener un costo de fabricación inicial más alto debido a su diseño de estator más complejo y su circuito de conmutación. Los resultados del estudio permiten a los fabricantes cuantificar las ganancias de rendimiento y eficiencia de cada sistema, permitiéndoles tomar decisiones informadas basadas en su mercado objetivo y aplicación del vehículo. Por ejemplo, el ahorro de energía del 2,0% del sistema de bobinado variable podría traducirse en un aumento significativo del alcance o una reducción en el tamaño de la batería, potencialmente compensando su mayor costo de componente.
En conclusión, la investigación de Liu Yongtao y sus colegas proporciona un análisis robusto y detallado de los trenes motrices de próxima generación para BEV. Al comparar sistemáticamente un sistema de una sola velocidad, de dos velocidades y de bobinado variable bajo condiciones idénticas, han establecido una referencia de rendimiento clara. Su trabajo demuestra que no existe una solución única para los trenes motrices de BEV. La elección entre un AMT de dos velocidades y un motor con bobinado variable depende del objetivo de diseño primario: maximizar el rendimiento dinámico o maximizar la eficiencia energética. Esta comprensión matizada es esencial para ingenieros y diseñadores mientras navegan por los complejos compromisos involucrados en la creación de la próxima generación de vehículos eléctricos, que deben ser tanto potentes como eficientes para satisfacer las demandas de un mercado en rápida evolución.
Liu Yongtao, Liu Yongjie, Gao Longxin, Zhou Zijia, Wang Zheng, Chen Yisong, Wang Taiqi, Escuela de Automoción, Universidad Chang’an, Instituto de Comunicaciones de Zhejiang, Chinese Journal of Automotive Engineering, DOI: 10.3969/j.issn.2095-1469.2024.02.10