SynRM podría introducir un punto de inflexión en vehículos eléctricos

Eliminar la necesidad de material magnético de tierras raras mejora la sostenibilidad de vehículos eléctricos

La adopción generalizada de vehículos eléctricos (EV) podría hacer que las emisiones de escape cargadas de carbono sean cosa del pasado. Pero producir estos vehículos ha significado cambiar un problema ambiental por otro. Si bien los vehículos eléctricos no producen gases de efecto invernadero por sí mismos, la extracción y refinación de las materias primas necesarias para fabricar sus baterías y motores eléctricos produce una cantidad significativa. Es más, la demanda de estas materias primas en todas las industrias continúa elevando el coste de fabricación de vehículos eléctricos, lo que resulta en precios de etiqueta que siguen fuera del alcance de muchos consumidores.

En el bien nombrado Proyecto VEHÍCULO, investigadores de INSA-Estrasburgo y ICube Laboratory en Francia están tratando de abordar estos problemas con una tecnología comúnmente utilizada fuera de la industria automotriz: un motor eléctrico llamado motor de reluctancia síncrona o SynRM. Utilizado tradicionalmente en aplicaciones que van desde la robótica hasta las trituradoras de madera, un SynRM optimizado para la transmisión de vehículos eléctricos podría significar vehículos eléctricos más sostenibles y asequibles en el futuro.

Actualmente, el motor elegido por la industria de los vehículos eléctricos es el motor síncrono de imán permanente (PMSM), que representa aproximadamente el 84% del mercado de vehículos eléctricos. Pero los imanes subyacentes a esta tecnología se basan en materiales material magnético extraído de tierras raras, lo que aborda un problema de sostenibilidad creando otro. Esos materiales también tienen una gran demanda para productos electrónicos y tienen un precio que no hace más que aumentar. Hay otros tipos de motores utilizados en las transmisiones de vehículos eléctricos, como los motores de inducción y los motores de rotor síncrono, pero su eficiencia y rendimiento general no alcanzan a los de los PMSM.

Ilustración de un automóvil que muestra el SynRM, la batería de 12 V, el convertidor CC/CA, el convertidor CC/CC y la batería. — Arquitectura simplificada de transmisión de vehículos eléctricos impulsada por SynRM. (Credito de imagen: Dr. Yakoub Saadi)

Financiado principalmente por la Unión Europea, el proyecto VEHICLE busca reducir el coste de propiedad de vehículos eléctricos mejorando el rendimiento de la batería y el almacenamiento de energía, además de desarrollar un SynRM adecuado para un vehículo eléctrico. El proyecto VEHICLE está cofinanciado por el programaINTERREG V Upper Rhine y por los socios regionales franco-alemanes de Science Offensive initiative (la región del Grand Est, Baden-Württemberg y Renania-Palatinado) que financian proyectos de investigación transfronterizos de excelencia.

Máquina vieja, solución nueva

Tedjani Mesbahi, profesor asociado de ingeniería eléctrica en INSA-Strasbourg, trabaja en este problema desde hace años. Mesbahi comenzó su investigación sobre movilidad eléctrica como parte de un equipo de investigación e innovación del proveedor de automóviles Valeo y L2EP Laboratory de la Universidad de Lille. Allí trabajó para desarrollar un vehículo híbrido gasolina-eléctrico de bajo consumo. Más tarde, pasó de los proyectos industriales a la academia en INSA-Strasbourg y el Laboratorio ICube, donde se incorporó al trabajo para optimizar la transmisión de vehículos eléctricos.

Sin imanes permanentes, un coste menor y un rendimiento decente, el SynRM logra un tradeoff entre los PMSM y los motores de inducción o síncronos de rotor.

"Cuando llegué a INSA-Strasbourg, encontré a mis colegas trabajando en un tipo diferente de motor de vehículo eléctrico, el motor de reluctancia síncrona", dijo Mesbahi.

Aunque los SynRM se utilizan ampliamente en otras industrias, sus desventajas los han hecho inadecuados para las transmisiones de vehículos eléctricos tradicionales. Yakoub Saadi, antiguo ingeniero de investigación del proyecto VEHICLE en INSA-Strasbourg, ahora en SATT Ouest Valorisation, recordó algunos de los problemas. “Las deficiencias incluían una baja densidad de potencia, un bajo factor de potencia y una fluctuación del par relativamente alta. Los SynRM también pueden generar un calor significativo, lo que exige estrategias para disminuir la temperatura”, dijo Saadi. “Pero también ofrecen ventajas. No tienen imanes, son muy robustos y eficientes”.

Un SynRM aprovecha la reluctancia, la propiedad de los materiales magnéticos para moverse de áreas de baja a alta permeabilidad magnética, análoga a la resistencia en los circuitos eléctricos. En un SynRM, la parte exterior estacionaria del motor, el estator, alberga bobinas de alambre que producen campos electromagnéticos. El componente interno, el rotor, no contiene imanes pero sí hierro y, debido a la baja reluctancia del material, los entrehierros del rotor se alinean con el campo magnético giratorio, lo que hace girar el rotor y genera par.

Esquema del SynRM que muestra un motor redondo, con el estator en el exterior, el componente interno del rotor, las ranuras dentro del estator y el eje en el centro. — Sección transversal del motor de reluctancia síncrona. (Credito de imagen: Dr. Yakoub Saadi)

La alta fluctuación del par del SynRM, o fluctuaciones en el par, produce un ruido fuerte y plantea un problema particularmente difícil de resolver. Controlar la fluctuación del par requiere estrategias de control más allá de los algoritmos de control clásicos.

Sin la alta fluctuación del par y el ruido resultante, y con una mayor densidad de potencia, los SynRM podrían ser un sustituto sólido. Sin imanes permanentes, un coste menor y un rendimiento decente, el SynRM logra un tradeoff entre los PMSM y los motores de inducción o síncronos de rotor. Los SynRM también son más sencillos de producir y más eficientes que otros motores eléctricos. Sin embargo, sus debilidades han obstaculizado su entrada al mercado de vehículos eléctricos.

Un comienzo difícil

En colaboración con las universidades Hochschule Karlsruhe y Hochschule Trier y dirigido por Mesbahi en INSA-Strasbourg y el laboratorio ICube, el proyecto VEHICLE comenzó en 2019. “Tuvimos que integrar el motor de reluctancia síncrono en el sistema de propulsión del vehículo eléctrico. Éste fue el primer desafío”, dijo Saadi, entonces ingeniero de investigación en INSA-Strasbourg y en el laboratorio ICube. "El segundo desafío fue descubrir cómo superar la fluctuación del par y el tercer desafío fue implementar estrategias de control avanzadas en este motor eléctrico".

"MATLAB y Simulink nos permitieron modelar este motor eléctrico rápidamente".

Poco después de su inicio, el proyecto VEHICLE se topó con un obstáculo: COVID-19. "Tuvimos que cambiar nuestros métodos cuando trabajábamos de forma remota", dijo Mesbahi. Originalmente, planearon abordar el proyecto desarrollando sus estrategias de control y probándolas en el banco de pruebas en conjunto. Pero una vez que el confinamiento los obligó a trabajar desde casa, el equipo se basó completamente en simulaciones para probar iteraciones de su algoritmo de control. MATLAB^® y Simulink^® fueron decisivos para garantizar que aún pudieran avanzar.

“Elegimos proponer un nuevo controlador basado en la teoría de control de modo deslizante o teoría H-infinito. Es un nuevo algoritmo de control en cascada para reducir la fluctuación del par”, dijo Saadi. “Normalmente, la industria de los vehículos eléctricos utiliza una estrategia de control clásica, el controlador proporcional-integral (PI). Pero los controladores clásicos no pueden reducir significativamente la fluctuación del par”.

Modelo de estrategia de control que muestra el control de par y corrientes para el SynRM. — Estrategia de control para reducir las ondulaciones del par motor. (Credito de imagen: Dr. Yakoub Saadi)

Utilizando Simulink y sus modelos prediseñados de transmisión SynRM y EV, el grupo de INSA-Strasbourg se puso a trabajar desarrollando y probando estrategias de control avanzadas. Utilizando Simscape Electrical™, modelaron la batería y el convertidor de un vehículo eléctrico. "MATLAB y Simulink nos permitieron modelar este motor eléctrico rápidamente", afirmó Saadi.

El equipo validó sus estrategias de control avanzadas desde casa, utilizando simulación para identificar una que redujera al máximo la fluctuación del par. El equipo también probó el algoritmo avanzado propuesto con métodos típicos, como el controlador (PI).

De vuelta al laboratorio

Una vez que disminuyeron las restricciones de COVID-19, Mesbahi, Saadi y su equipo regresaron al laboratorio para probar su controlador en el prototipo de SynRM. Usaron una plataforma Speedgoat^®, lo que les permitió ejecutar sus pruebas en tiempo real sin conversiones engorrosas a diferentes software o lenguajes. Pero no fue sólo la conveniencia lo que les hizo elegir Speedgoat como su equipo objetivo: También necesitaban un puerto de control potente.

“Speedgoat ofreció un puerto de control poderoso. Es compatible con MATLAB y Simulink, lo que nos permite probar nuestro modelo de Simulink en tiempo real”.

"Speedgoat ofrecía un puerto poderoso", dijo Saadi. "Es compatible con MATLAB y Simulink, lo que nos permite probar nuestro modelo de Simulink en tiempo real".

Con solo un clic, Saadi pudo implementar los algoritmos de MATLAB y Simulink en la plataforma Speedgoat objetivo y probarlos en el prototipo SynRM. Inicialmente, los resultados no fueron perfectos, como se esperaba de las primeras pruebas. Si bien habían probado su estrategia de control en simulaciones, el modelo teórico no podía imitar perfectamente las condiciones del mundo real. El equipo notó perturbaciones en sus resultados y tuvo que realizar ajustes mediante prueba y error.

Finalmente, Saadi y sus colegas encontraron una estrategia que funcionó. Después de probarlo, Saadi comenzó a sonreír mientras examinaba las mediciones y cálculos de la tasa de fluctuación del par. El algoritmo funcionó, reduciendo la fluctuación del par a un nivel manejable. “Hubo muchas pruebas que condujeron a este momento. Fue la mejor sensación”, dijo Saadi, recordando esa primera prueba exitosa. "Abarcó todo nuestro trabajo a lo largo de dos años en un momento".

Un SynRM conectado a una plataforma objetivo que ejecuta Speedgoat. Simulink se ejecuta en una computadora a la derecha del equipo objetivo — Banco de pruebas de motores de reluctancia síncronos. (Credito de imagen: Dr. Yakoub Saadi)

El futuro de los SynRM

Si bien otros grupos de investigación también están trabajando para mejorar los SynRM con estrategias de control avanzadas, Saadi dijo que lo que distingue al proyecto VEHICLE es modelar todas las partes del tren motriz del vehículo eléctrico (el motor, los componentes de la batería y el convertidor) para optimizar el controlador del motor, una hazaña. MATLAB, Simulink y Speedgoat lo hicieron posible. Los grupos de investigación en vehículos eléctricos generalmente se concentran en un aspecto del vehículo en lugar de en cada pieza del tren motriz y en cómo funcionan en conjunto. "El motor eléctrico es sólo una parte del proyecto VEHICLE, que también se centra en las baterías y la gestión de la energía", afirmó Saadi.

"Un motor sin imanes tendrá una ventaja en este nuevo mercado".

Pero el SynRM del proyecto VEHICLE aún no está listo para la industria automotriz. Si bien la alta fluctuación del par fue un obstáculo importante para el uso de SynRM en los vehículos eléctricos, los investigadores aún necesitan aumentar la densidad de potencia de las máquinas y mejorar la gestión del calor. "Nuestros investigadores están trabajando para abordar este desafío y hacer que los motores de reluctancia síncronas sean más viables para aplicaciones de vehículos eléctricos", dijo Mesbahi. El equipo de INSA-Strasbourg está desarrollando algoritmos de IA en MATLAB para crear una solución de gestión del calor.

Además de un mayor refinamiento de los algoritmos de control para SynRM, este motor puede volverse más atractivo para la industria automotriz como el Programa de Pasaportes Digitales de Productos de la Comisión Europea entrará en vigor en los próximos años. El programa tiene como objetivo promover la sostenibilidad y una economía circular al exigir transparencia sobre los materiales y las cadenas de suministro involucradas en la fabricación de productos para que los clientes puedan tener una mejor idea del impacto ambiental de un producto. "Un motor sin imanes tendrá una ventaja en este nuevo mercado", afirmó Mesbahi.

Sin embargo, el objetivo principal del proyecto es reducir el coste total de propiedad de vehículos eléctricos. "Todavía tenemos mucho más desarrollo por hacer", dijo Mesbahi. Pero al crear algoritmos que impulsen una conducción más suave y silenciosa, están un paso más cerca. "En consonancia con esto, nuestras actividades de investigación continúan para optimizar el coste total de propiedad de los vehículos eléctricos con un proyecto de investigación europeo a gran escala que cuenta con un presupuesto de 5 millones de euros y en el que participan más de 14 socios europeos en siete países". El Proyecto ENERGETIC tiene como objetivo optimizar el rendimiento del almacenamiento de energía utilizando tecnologías de baterías inteligentes y conectividad, integradas con una nueva generación de sistemas de gestión de baterías (BMS).

Más casos prácticos

TECNOLOGÍA VERDE