Diálogo con el Ingeniero Jefe de motores de Tesla Motors

Diálogo con el Ingeniero Jefe de motores  de Tesla Motors (entrevista completa)

Entrevista para la revista especializada Chargedevs

by Christian Ruoff . This article originally appeared in Charged Issue Nº21

La creación de un vehículo eléctrico de vanguardia requiere un conocimiento profundo de todos los componentes. Más importante aún, requiere un proceso continuo de análisis y optimización de los componentes para superar los límites de la autonomía de conducción, la eficiencia, el rendimiento y la reducción de costos. El motor de combustión interna se ha beneficiado de millones de horas-hombre en análisis y refinamiento de ingeniería durante el siglo pasado, mientras que el esfuerzo de ingeniería colectiva de la industria de los vehículos eléctricos acaba de comenzar.

No es de extrañar que Tesla, el pionero de los vehículos eléctricos, invierta una cantidad considerable de recursos en I + D interna para desarrollar mejores piezas para vehículos eléctricos, y que sus instalaciones de prueba y su talento en ingeniería estén a la vanguardia de la industria.

Como diseñador principal de motores de Tesla, Konstantinos Laskaris es responsable del diseño electromecánico y la optimización de los motores de tracción actuales y futuros de la empresa. Antes de unirse a Tesla, Laskaris obtuvo un doctorado de la Universidad Técnica Nacional de Atenas, Grecia. Allí combinó metodologías avanzadas y desarrolló algoritmos para la optimización de la geometría del motor.

Charged recientemente conversó con el gurú del motor de Tesla para aprender más sobre el proceso que la compañía utiliza para evaluar y optimizar continuamente las opciones de diseño de motores.

Charged: En general, ¿cómo son los motores eléctricos intrínsecamente mejores para las aplicaciones de tracción que los motores de combustión?

Laskaris: cuando simplemente compara cualquier otro automóvil convencional de alta gama con un Tesla, ve una enorme diferencia. Esto se debe a la tecnología.

En cuanto al motor, específicamente, hay una gran ventaja de eficiencia,  es extremadamente silencioso y sin vibraciones, con una densidad de potencia muy alta y una respuesta directa instantánea a las demandas. Todas estas características de los motores eléctricos dan una ventaja de rendimiento incomparable.

Por eso era tan importante para Tesla, como empresa, romper el estereotipo que ha existido durante años. La gente necesitaba ver que el rendimiento, la eficiencia y el alcance pueden coexistir en un vehículo eléctrico. El Model S de tren motriz de doble motor es el sedán más rápido que se haya producido en serie. La potencia total del motor supera los 700 CV y gira a una velocidad de 18.000 rpm, velocidades que anteriormente solo encontrábamos en los vehículos de carreras de Fórmula 1.

Charged: Cuando Tesla decide cambiar un parámetro de sus vehículos, como aumentar la corriente máxima de la batería o agregar capacidad de remolque, ¿qué significa eso para su equipo de diseño de motores? ¿Tiene un proceso de diseño iterativo?

Laskaris: En nuestra fábrica de Fremont, fabricamos prácticamente todos los aspectos del automóvil internamente. Tenemos una instalación de desarrollo y fabricación de motores, por lo que podemos optimizar todos los aspectos de la fabricación de nuestros motores y controlar la calidad del producto. Además, podemos implementar cambios en la producción muy rápido, somos una empresa muy ágil desde esa perspectiva.

Podemos generar geometrías de motores y analizarlas con análisis de elementos finitos muy rápidamente. Tenemos un gran grupo de computadoras con más de 500 procesadores centrales que ejecutan elementos finitos; una computadora personal típica tiene dos núcleos, tal vez cuatro. Eso significa que puede crear muchos modelos virtuales en paralelo y hacer una gran cantidad de cálculos. Básicamente, nos permite resolver los mapas de pérdidas y eficiencia muy rápido y ver, de acuerdo con las métricas que creamos, qué tan bueno es cualquier diseño de motor para una aplicación para la que estamos diseñando.

Charged: Parece haber una variedad infinita de topologías, arquitecturas y configuraciones de motores eléctricos. ¿Cómo empiezas a evaluar y comparar todas las opciones posibles?

Laskaris: Comprender exactamente lo que quiere que haga un motor es lo principal para optimizar. Necesita conocer las limitaciones exactas, precisamente para qué está optimizando. Una vez que sepa eso, puede utilizar modelos informáticos avanzados para evaluar todo con los mismos objetivos. Esto le brinda una vista panorámica de cómo funcionará cada tecnología de motor. Luego vas y escoges el mejor.

Con el diseño de vehículos, en general, siempre hay una combinación de deseos y limitaciones. Estos parámetros están relacionados con el rendimiento, el consumo de energía, el diseño de la carrocería, la calidad y los costos. Todas estas métricas compiten entre sí de alguna manera. Idealmente, desea que coexistan, pero dadas las limitaciones de costos, es necesario que haya algunos compromisos. El automóvil eléctrico tiene desafíos adicionales en el sentido de que la utilización de la energía de la batería es una consideración muy importante.

Todos tendrán una percepción diferente de las compensaciones que se deben realizar. ¿Cuánta autonomía de conducción está dispuesto a cambiar por una aceleración más rápida, por ejemplo? Una vez que se establecen estos parámetros, puede comenzar a evaluar las opciones y optimizar.

Charged: Tiene experiencia en la creación de algoritmos que permiten a las computadoras simular cómo funcionará un motor en el mundo real. ¿Cómo se traducen estas simulaciones en mejores vehículos?

Laskaris: La tecnología o metodología de modelado matemático que utiliza es muy importante y tiene un impacto tremendo en el éxito de los vehículos eléctricos. Cuando digo "modelado", me refiero a comprender los principios matemáticos detrás de un sistema y luego crear herramientas de software que representen con precisión cómo actuará en la palabra real.

El modelado preciso del motor es muy importante porque a través de él podemos evaluar un motor hipotético antes de producirlo: las pérdidas, las capacidades de rendimiento, la ondulación del par, la gestión térmica y cualquier cosa que nos interese para clasificar qué tan bueno o malo es un motor. Y, de esta forma, evitamos prototipos innecesarios y sorpresas desagradables.

Más allá de eso, a través de un buen modelado de motores, podemos lograr la mejor optimización, lo que significa que podemos lograr un rendimiento importante sin el uso de materiales y métodos de fabricación exóticos.

La optimización es el arte de poder navegar a través de diferentes modelados de motores para ver qué es bueno y qué es malo. A medida que comienza a realizar la optimización, se da cuenta de que sin un buen modelado no tiene sentido. Esto se debe a que el proceso se basaría en una mala representación del motor y, al final, el motor no sería realmente óptimo.

Charged: ¿Podría darnos un ejemplo de algunas compensaciones para las que usaría el modelado para optimizar?

Laskaris: Sí. Una gran parte del tiempo que la gente pasa conduciendo es en situaciones de carretera con bajo torque. Sin embargo, hay muchos motores que ofrecen un excelente rendimiento de 0 a 60 MPH, pero son muy ineficientes en las regiones de velocidad de carretera de bajo par. Entonces, la pregunta es, ¿puedo tener todo, tanto de alta eficiencia como de alto rendimiento? Desafortunadamente, la respuesta es no. Pero puede tomar decisiones inteligentes entre cosas que compiten entre sí.

Ésta es la belleza de la optimización. Puede elegir entre todas las opciones para obtener el mejor motor para las limitaciones. Si modelamos todo correctamente, puede encontrar el motor con la restricción de alto rendimiento de 0-60 MPH y la mejor eficiencia en carretera posible.

Otro ejemplo es la eficiencia general del motor frente a su costo. Hay casos en los que fabricar un motor de formas más costosas podría aumentar la eficiencia y compensar varias veces la diferencia de costos al ahorrar dinero en la batería u otros aspectos del automóvil. Por lo tanto, si puede modelar la eficiencia y los costos del motor con precisión, puede compararlos con los ahorros de costos de la batería. Ahora puede ver que el motor óptimo para minimizar el costo total a menudo es diferente del motor más barato.

Todos estos se unen para formar las métricas características del automóvil que desea construir. Es un enfoque general de cómo partimos del diseño de parámetros y terminamos con la configuración definitiva.

Charged: ¿En qué momento realiza pruebas de prototipos físicos para verificar los resultados de sus modelos virtuales?

Laskaris: Hacemos muchas pruebas de verificación antes incluso de que haya un prototipo para una aplicación específica. Son lo que llamamos experimentos de caracterización. Y nos permiten obtener un punto de correlación conocido y ver si las herramientas de modelado aisladas están sincronizadas con la realidad. Por lo tanto, es una comparación consecutiva entre lo que predice el modelo y lo que realmente se mide. Puede que ni siquiera se parezca a un motor, podría ser simplemente una pieza de hierro girando, por ejemplo. Luego, por supuesto, también construimos y probamos prototipos completos.

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Ing. Ricardo Berizzo

Cátedra Movilidad Eléctrica

U.T.N. Regional Rosario                                                                                            2021.-