Como funciona un controlador de vehículo eléctrico

Estimados Amigos de la Movilidad Eléctrica

Aquí les acerco un breve artículo sobre el controlador del motor de  los vehículos.

Saludos cordiales

Ricardo

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Como funciona un controlador (Inverter) para motor trifásico de vehículo eléctrico

Un inversor es un dispositivo que convierte la corriente continua (CC), que se suministra desde una batería, en corriente alterna (CA). Un motor en un vehículo eléctrico funciona con esta corriente alterna, que impulsa las ruedas. Para mejorar la eficiencia energética general del vehículo eléctrico, la pérdida de energía del inversor debe reducirse al mínimo.

En este artículo, se analizarán las funciones y la configuración del sistema del inversor, y también se presentarán los componentes electrónicos que lo componen.

Un inversor en un vehículo eléctrico convierte la corriente continua (CC), que se suministra desde la batería, en corriente alterna (CA). El inversor es indispensable porque la mayoría de los motores de tracción incorporados en los vehículos eléctricos funcionan con corriente alterna. La potencia de salida del inversor se ajusta en función de la potencia de salida del motor (que varía de 30 kW a 400 kW).

Los controladores de motores de corriente alterna  proporcionan un control preciso, confiable y altamente eficiente de la velocidad y el par de los motores de inducción  (ACIM) y los motores síncronos de imanes permanentes de superficie (SPM).                       

Estos controladores  pueden contener dos microprocesadores para proporcionar una capacidad excepcional y seguridad funcional.

 

Configuración del circuito de un inversor

■ Configuración general

Filtro de ruido

Circuito de medición de voltaje

Circuito de conversión de voltaje (circuito de potencia)

Circuito de medición de corriente

Circuito de control

Convertidor CC/CC

Interfaz de comunicación

 

 

Filtro de ruido

El filtro de ruido suprime el ruido generado internamente o el ruido de equipos externos para evitar el mal funcionamiento del inversor.

 

Circuito de medición de voltaje

El circuito mide un voltaje de entrada para llevar a cabo el control del circuito de conversión de voltaje.

 

Convertidor CC/CC

En un convertidor CC/CC, en general, se utiliza un condensador electrolítico para eliminar el ruido en el extremo de entrada y para suavizar la salida de voltaje del extremo de salida, y se utiliza un inductor de potencia para aplicaciones automotrices para la conversión de voltaje.

 

Circuito de conversión de voltaje (circuito de potencia)

El circuito convierte el voltaje mediante elementos de conmutación. Los elementos de conmutación se encienden y se apagan para realizar la conversión de voltaje, pero estas acciones de conmutación crean ruido. Las operaciones de alta potencia ponen los elementos de conmutación, etc., en un estado de alta temperatura. Para evitar un fallo de dichos elementos cuya temperatura pueda superar el límite superior, generalmente se mide la temperatura de los elementos con un termistor NTC.

 

Interfaz de comunicación

La interfaz de comunicación se comunica con equipos externos (CAN, Ethernet, etc.) a través de dos líneas de comunicación.

 

 Circuito de control. Ejemplo: Controlador Curtis linea 123X

 El microprocesador principal ejecuta un control de campo orientado mientras ejecuta simultáneamente el software VCL (Vehicle Control Language) en un controlador lógico integrado. VCL (Vehicle Control Language) es un lenguaje de programación de software  desarrollado por Curtis. El segundo microprocesador monitorea continuamente el funcionamiento del sistema, midiendo entradas de manera redundante, verificando los resultados y verificando tiempos y operaciones críticas.

 

Muchas funciones de vehículos eléctricos están integradas de forma única en el código VCL, y los fabricantes de equipos originales pueden crear funciones adicionales según sea necesario. VCL abre nuevas vías de personalización, lo que permite la creación rápida y sencilla de funciones de aplicaciones específicas del vehículo dentro del propio controlador del motor, lo que a menudo elimina la necesidad de utilizar módulos de administrador de vehículos separados.

 

Las comunicaciones CANbus incluidas en estos controladores permiten que estos controladores de motor de CA funcionen como maestros CAN del sistema (servidor) o esclavos CAN (cliente) como parte de un sistema distribuido eficiente. Las entradas y salidas se pueden compartir de manera óptima en todo el sistema, minimizando el cableado y creando funciones integradas que a menudo reducen el costo del sistema.

Las características incluyen:

• Control de par y velocidad de bucle cerrado para motores de inducción y de imán permanente de superficie.

• Algoritmos de control de motor orientados al campo de alta eficiencia que permiten la máxima generación de par del motor posible para todas las condiciones de operación.

• Avanzado Tecnología de modulación de ancho de pulso para un uso eficiente del voltaje de la batería, bajos armónicos del motor, baja ondulación de par y pérdidas de conmutación minimizadas.

• Rango de par / velocidad extremadamente amplio que incluye capacidad de regeneración completa.

• Capacidad de debilitamiento de campo completo con motores ACIM; control total hasta la velocidad base sin carga con motores SPM.

• Control suave de baja velocidad, incluida la velocidad cero.  

• Adaptación del algoritmo de control a la variación de temperatura del motor para un rendimiento óptimo y un calentamiento reducido del motor.

• Los mapas de limitación de potencia permiten la personalización del rendimiento para motores de reducidos calentamiento y rendimiento constante en diferentes estados de carga de la batería.

• El corte térmico, la advertencia y el apagado automático brindan protección al motor y al controlador.

 • La base de alimentación de sustrato metálico aislado proporciona una transferencia de calor superior para una mayor confiabilidad.

• Caracterización automática incorporada rutinas para la optimización efectiva en el vehículo del rendimiento y la eficiencia del motor.

• El potente sistema operativo permite el procesamiento paralelo de las tareas de control del vehículo, las tareas de control del motor y la lógica programable configurable por el usuario (VCL).

 • Temporizadores internos de estado de carga, horómetro (dispositivo que registra el tiempo de funcionamiento de un equipo o motor, desde la última vez que se inicializó) y mantenimiento de la batería

 • Conexión CANbus compatible con CANopen; otros protocolos CANbus se pueden configurar a través de VCL

• La carcasa y los conectores sellados resistentes cumplen con los estándares de sellado ambiental IP65 para su uso en entornos hostiles.

Restricciones de velocidad del motor

La velocidad máxima del motor es un parámetro programable en cada modo de control. Independientemente del modo de control que se utilice, la velocidad máxima del motor que permitirá el controlador está limitada por el número de polos del motor, los pulsos del codificador por revolución del motor y la limitación de velocidad máxima impuesta por el firmware. La velocidad máxima total permitida del motor es la menor de las siguientes tres restricciones:

1. Restricción de frecuencia eléctrica El controlador está diseñado para generar frecuencias eléctricas fundamentales de hasta 450 Hz. Esto se logra fijando la velocidad máxima permitida, utilizando la ecuación: Límite de frecuencia de velocidad máxima = 54000 / Número de polos del motor Así, por ejemplo, un motor de 8 polos funcionando sincrónicamente a 450 Hz rotaría a 54000/8 = 6730 rpm (máx.).

Por lo tanto, el software de control interno limitará la velocidad máxima a 6750 rpm para un motor de 8 polos. Se permite una sobre velocidad limitada, por ejemplo, si el motor pasara por encima de esta velocidad bajando una pendiente, el controlador aún intentará producir la frecuencia correcta para un par máximo y un control adecuado; no se limitará simplemente a 450 Hz.

2. Pulsos del codificador / Restricción de revoluciones. La frecuencia máxima del codificador que aceptará el controlador es de 10 kHz. Para determinar qué tan rápido esta restricción permitirá que su motor gire, se usa la ecuación límite del codificador de velocidad máxima = 600000 / Tamaño del codificador (por ejemplo, un motor con un codificador de 128 pulsos puede funcionar hasta 4687 rpm).

3. Restricción de velocidad máxima del firmware La velocidad máxima del motor que permitirá el controlador es de 8000 rpm.

 

 

 

Límites de voltaje

El controlador establece límites de voltaje basados en hardware y límites definidos por el usuario basado en parámetros. La protección contra sobretensión reduce el frenado de regeneración para evitar daños a las baterías y otros componentes del sistema eléctrico debido a la sobretensión. La protección contra subtensión evita que los sistemas funcionen a tensiones por debajo de sus umbrales de diseño.

Los cuatro puntos de umbral se calculan a partir de la configuración de los parámetros Voltaje nominal, Subtensión Kp y Ki, Sobretensión del usuario y Subtensión del usuario, y la tensión mínima y la tensión máxima del controlador. Hay que tener en cuenta que tanto el terminal KSI (pin 1) como el terminal B + (cuando el principal está cerrado) están al voltaje de la batería, y el banco de condensadores está precargado a través del KSI antes del cierre principal.

 

Los controladores tienen una serie de parámetros que pueden ser programados usando un programador portátil. Los parámetros programables permiten personalizar el rendimiento del vehículo para adaptarse a las necesidades de aplicaciones específicas.

 

Menús de programación

Los parámetros programables se agrupan en menús jerárquicos. Las características de respuesta del motor se pueden ajustar mediante el control de velocidad o mediante el control de par, según la aplicación. Se utiliza el parámetro Control Mode Select para seleccionar qué modo de ajuste utilizará: • Speed Mode Express • Speed Mode • Torque Mode.  Speed Mode Express es una versión simplificada del Speed Mode con un conjunto reducido de parámetros que es adecuado para la mayoría de las aplicaciones con control de velocidad.

 

Resumen

La función principal del inversor es convertir la corriente continua suministrada por la batería en corriente alterna. Actualmente, se demandan inversores con una alta potencia de salida y, al mismo tiempo, también se exige una reducción del tamaño del inversor. Mientras tanto, los componentes electrónicos que componen el inversor deben cumplir estos requisitos funcionales: "alta potencia", "alta resistencia al calor" y "pequeño tamaño/peso liviano".

 

Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                                                                                  2025.-