Aumento de la eficiencia del sistema de propulsión eléctrico sin materiales de tierras raras

Lo que vas a aprender:

• Otras opciones de motores de imanes permanentes disponibles que utilizan materiales de tierras raras.
• ¿Qué es una EESM?
• La alternativa DMD de Tula para lograr eficiencia del tren motriz eléctrico.

El alcance de la electrificación del automóvil sigue aumentando a un ritmo sorprendente. Tanto los fabricantes de automóviles como los países se han comprometido a eliminar gradualmente el desarrollo de motores de combustión interna (ICE) y cambiar a soluciones totalmente eléctricas ya en la década de 2030.

Sin embargo, los vehículos eléctricos (EV) todavía enfrentan varios desafíos técnicos. Mejorar la eficiencia y reducir el coste de los sistemas de propulsión eléctricos están casi en lo más alto de la lista, si no en lo más alto. Aumentar la eficiencia del tren motriz eléctrico juega un papel importante a la hora de reducir la carga en la red, reducir la contaminación derivada de la generación de electricidad y aumentar la distancia recorrida por carga. Sin embargo, los avances en eficiencia en la última década se han centrado en tecnologías que también aumentan el uso de metales de tierras raras.

Rareza de los materiales de tierras raras.

Se estima que el 90% de los vehículos eléctricos actuales tienen motores de imanes permanentes (PM). Los motores PM son problemáticos debido a la falta de suministro de elementos de tierras raras (por ejemplo, neodimio y niobio). Los elementos de tierras raras también son componentes esenciales de productos como teléfonos móviles, discos duros de ordenadores, vehículos híbridos y monitores y televisores de pantalla plana.

Además, las fuentes de metales de tierras raras económicamente recuperables se concentran en unos pocos lugares del mundo. Alrededor del 94% de las tierras raras del mundo provienen de minas en Mountain Pass, California, EE.UU.; Bayan Obo, Mongolia Interior, China; Provincia de Shandong, China; y provincia de Sichuan, China (Fuente: Enciclopedia Británica). Por este motivo, la mayoría de las empresas buscan alternativas más rentables a los motores PM sin sacrificar la eficiencia.

Para que la adopción de vehículos eléctricos alcance los niveles previstos se requieren mejoras tecnológicas. Las posibles alternativas de PM incluyen motores de reluctancia conmutada y motores síncronos de rotor bobinado.

La alternativa EESM

Un motor síncrono de excitación externa (EESM) consta de un rotor con cables de cobre enrollados a su alrededor. Debido a que estos requieren rotores bobinados (a diferencia de una pila de aletas metálicas con imanes), un EESM a menudo se denomina diseño de rotor bobinado.

En lugar de presionar imanes en las láminas, se enrollan bobinas de alambre alrededor de polos que se encuentran en la construcción de la pila del rotor. A riesgo de simplificar demasiado la solución, se puede decir que las máquinas de rotor bobinado esencialmente reemplazan los imanes permanentes con alambre de cobre.

Aunque los motores que contienen grandes cantidades de metales de tierras raras tienen una eficiencia máxima del sistema extremadamente alta (por encima del 90% o incluso el 95%), su eficiencia suele estar por debajo del 70% con cargas más bajas que se encuentran comúnmente cuando se operan vehículos eléctricos. Por supuesto, esto afecta el rendimiento general del sistema.

Mayor eficiencia sin tierras raras

Para que los EESM y otros motores libres de tierras raras sean tan eficientes a bajas velocidades como a altas velocidades, Tula Technology ha desarrollado lo que se conoce como Dynamic Motor Drive (DMD). Similar al concepto Dynamic Skip Fire (DSF) para motores diésel (una tecnología de la marca Tula que representa una evolución de la desactivación de cilindros), DMD opera el motor de forma intermitente con alta eficiencia para entregar torque y minimizar las pérdidas con cargas bajas. Mejor aún: esto se hace mediante una solución de software pura.

El concepto de DMD es el siguiente. Con el control convencional, la máxima eficiencia energética se logra entre el 25 % y el 30 % de funcionamiento a plena carga. Sin embargo, la eficiencia del control convencional cae drásticamente con cargas bajas. En el funcionamiento del DMD, el par debe entregarse de forma intermitente a la carga que logre la mayor eficiencia.

La compañía dijo que DMD, con su estrategia de pulsación optimizada, reduce el consumo de energía sin tener un impacto notable en el ruido y la vibración del vehículo. También en este caso, según Tula y dependiendo de la aplicación, DMD con EESM puede reducir el consumo de energía hasta en un 3%. Este aumento de la eficiencia puede dar lugar a una reducción del tamaño y el coste de la batería o, alternativamente, a un aumento de la autonomía.

El papel de DMD en el sistema de propulsión del mañana

En 2022, la primera aplicación DMD de Tula utilizó un Chevrolet Bolt con una unidad de accionamiento de motor síncrono de imán permanente (PMSM) sin modificar. Las pruebas demostraron que DMD mejoró significativamente el consumo de energía del Bolt mientras mantenía la calidad de la unidad, lo que demuestra el valor de DMD en aplicaciones PMSM.

Tula ha demostrado ahora la viabilidad del DMD en dos vehículos con sistemas de propulsión eléctrica fundamentalmente diferentes. Actualmente se está construyendo un demostrador Tesla Model 3 equipado con EESM para demostrar todas las capacidades de DMD.