Estudio de la regulación de la tensión en la etapa de corriente continua en el tren de potencia de un vehículo eléctrico

Abstract

El vehículo eléctrico es una tecnología cuyo origen la sociedad sitúa en el siglo XXI, pero dio sus primeros pasos en el siglo XIX. Sin embargo, en el campo de la automoción, la tracción eléctrica se frenó debido a la escasa autonomía y altos tiempo de carga que presentaban las baterías, además de la robustez y bajo precio que ofrecían los coches de combustión interna a partir de combustibles fósiles. En la actualidad la alternativa del vehículo eléctrico es real. Éstos presentan rendimientos muy altos y no expulsan gases de efecto invernadero (GEI). Sin embargo, siguen teniendo, en su mayoría, el problema de la autonomía y los altos tiempo de carga, aunque Tesla Motors ha sido el primer fabricante capaz de lanzar al mercado un vehículo eléctrico con más de 300 km de autonomía, cifra que actualmente supera ya a varios vehículos en el mercado. Hoy en día es habitual encontrar diversos tipos de vehículos que incorporan una máquina eléctrica en su tren de potencia, como son los siguientes: vehículo híbrido convencional, vehículo híbrido enchufable, vehículo eléctrico puro o vehículo eléctrico con autonomía extendida. Cabe destacar que la solución para los problemas medioambientales no son los vehículos eléctricos únicamente, sino que son necesarias diversas medidas, como remodelar el sistema eléctrico de cada país priorizando la generación a partir de fuentes renovables para contribuir a la sostenibilidad ambiental.
Atendiendo a estos antecedentes, el objetivo de este proyecto se basa en el estudio de la regulación del nivel de tensión en el bus de continua del tren de potencia de un vehículo eléctrico, con el fin de observar si en situaciones de baja carga (ciclo de conducción urbano) es posible aumentar la autonomía del vehículo eléctrico a base de reducir sus pérdidas globales mediante la disminución de la tensión en la etapa de corriente continua. Para ello se implementará un convertidor DC/DC elevador a la salida de baterías, dispositivo que permite la regulación de tensión en el bus de continua desde una tensión en baterías de menor valor. Este trabajo se está implementando en la bancada docente de vehículos eléctricos de la U.D de Máquinas Eléctricas de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. Esta bancada está formada por una máquina asíncrona (MI) y una máquina síncrona de imanes permanentes superficiales (MSIP), las cuales están acopladas en el mismo eje permitiendo una interacción entre ambas. Además, cabe destacar que para este proyecto se ha utilizado la MSIP como motor de tracción, mientras que la MI ha tenido la función de crear un par resistente. Las diferentes máquinas eléctricas que se utilizan en la tracción eléctrica se describen en el capítulo 3 de este proyecto. Por otro lado, en el capítulo 3 también se desarrolla el funcionamiento de la electrónica de potencia utilizada en este trabajo. Estos dispositivos han posibilitado la regulación de velocidad de accionamientos eléctricos, por lo que son vitales para los vehículos eléctricos. De esta manera, en la actualidad es posible alcanzar los valores de tensión necesarios para el funcionamiento de estos vehículos y además, los convertidores son los encargados de convertir la corriente continua (DC) de las baterías en corriente alterna (AC) para la alimentación de las máquinas eléctricas trifásicas. En este proyecto, se trabaja con un circuito de potencia que es alimentado a través de la red o a través de un Variac. Esto hace necesario la incorporación de un rectificador (AC/DC) para asemejarlo al circuito real de un vehículo eléctrico, donde la alimentación proviene de baterías con corriente continua. Tras el rectificador se incorpora un regulador de continua (DC/DC), el cual será el encargado de la regulación de la tensión DC desde una tensión reducida, objeto de consecución de este estudio. Para poder alimentar las máquinas eléctricas trifásicas de la bancada desde el bus de continua se instalan dos inversores (DC/AC). Estos dispositivos, junto a los elementos pasivos (condensadores) y activos (circuito resistivo), se utilizan también para proteger la instalación y con ello dotar al sistema de robustez ante perturbaciones. Las máquinas y convertidores electrónicos que se utilizan en la bancada docente se especifican en el capítulo 5 de este documento. Además, en el capítulo 3, el lector tiene la posibilidad de observar las ecuaciones que gobiernan el control del sistema, el cual se basa en un control mediante la herramienta de vectores espaciales. Esta herramienta permite la regulación de velocidad en el eje, tanto en régimen permanente como en régimen transitorio a partir de la modificación de la corriente de alimentación de la máquina. Cabe destacar que el control realizado para cada máquina es distinto, con el fin de obtener el máximo rendimiento de cada una de las máquinas. Para el control del convertidor DC/DC, se ha recurrido a un control PWM en lazo cerrado (Pulse With Modulation) a partir de la comparación de un valor de consigna de tensión DC y la tensión real a la salida del convertidor. Por tanto, una vez es controlada la corriente de salida de baterías a través del lazo externo, se aplica la anterior comparación resultando una señal de salida que se vuelve a comprar con una señal triangular de frecuencia igual a la de conmutación y amplitud unidad. El resultado de ésta genera los pulsos alimentan a las dos etapas del DC/DC, es decir, se encarga de hacer que los IGBTs se encuentren en modo conducción (ON) o modo abierto (OFF). Este control se explica detalladamente en el capítulo 4 de este documento. En el capítulo 4 se presenta el control elegido para los inversores. Éste se ha realizado a través de un control por banda de histéresis, que se basa en la comparación entre las corrientes trifásicas reales y las de consigna, de forma que cuando la variable real supera el valor de consigna se produce un cambio de estado en la rama del inversor correspondiente. Este tipo de control permite compensar los armónicos de la carga, pero si la banda es estrecha se debe buscar una solución que permita reducir el rizado de la corriente sin aumentar demasiado las conmutaciones. Para el diseño del modelo de simulación se ha utilizado la herramienta Matlab-Simulink, donde se ha partido del sistema realizado por [18] que se puede visualizar al comienzo del capítulo 4. En este modelo se puede observar la interacción que existe entre los circuitos de potencia del motor de inducción y máquina síncrona de imanes permanentes, donde la máquina de tracción (MSIP) se controla con la velocidad requerida en el eje y el par resistente (MI) con el par y a su vez, el par en el eje es una entrada del bloque de la MSIP mientras que la velocidad en el eje es una entrada del bloque de la MI. Además, es posible comprobar el control basado en vectores espaciales que se utiliza para la conmutación de los IGBTs de los inversores. A través de este modelo previo, se ha obtenido, a base de simulaciones, la tensión mínima necesaria en baterías para que el vehículo eléctrico consiga alcanzar el punto de funcionamiento de baja carga requerido para este estudio, el cual es de 750 rpm de velocidad en el eje y 14 Nm de par resistente, es decir, una potencia de 1100 W en el eje (1/5 aproximadamente de la potencia nominal). En el capítulo 4, a través de la Tabla 4.1, el lector puede comprobar las tensiones estudiadas y el motivo de la elección de 300 V como tensión en baterías.Una vez elegido el punto de funcionamiento y la tensión en baterías, se ha procedido al modelado del convertidor DC/DC necesario para la regulación de la tensión continua. Este convertidor es el encargado de elevar la tensión en baterías hasta el nivel de consigna requerido por el usuario. El convertidor está constituido por 3 bobinas en paralelo de valor equivalente 5·10-3 H que se encarga de almacenar energía, las dos ramas de IGBTs con diodo en antiparalelo y un condensador cuya capacitancia es de 3 mF que se carga a una tensión mayor o igual que la tensión en baterías. Cabe destacar, que en este modelo el IGBT de la rama superior se encuentra en todo momento en el estado OFF, de esta manera la corriente y por tanto, el flujo de potencia tiene solo la dirección baterías-inversores. El aumento de tensión se alcanza a través del control explicado anteriormente, ya que éste genera el ciclo de trabajo que gobierna la conmutación del IGBT y permite obtener la tensión de consigna a la salida del DC/DC. Por tanto, el modelo de simulación se encuentra completado y el lector puede visualizarlo detalladamente en el Anexo 1. Para la obtención de resultados de las simulaciones, se ha procedido a evaluar el efecto de la regulación de tensión en el bus de continua en las pérdidas que se producen en el modelo de vehículo eléctrico. En particular, se han observado los valores de potencia en baterías, a la salida del convertidor DC/DC y a la entrada de los inversores de las dos máquinas, así como las pérdidas en el cobre que se producen en cada uno de estos motores. Los niveles de tensión a la salida del DC/DC utilizados para el estudio han sido 300 V, 400 V y 500 V. Teniendo en cuenta los valores obtenidos en las simulaciones, que se encuentran a lo largo del capítulo 4, se ha comprobado que al disminuir la tensión en el bus de continua, para una situación de baja carga, las pérdidas que se producen en los puntos de medición mencionados anteriormente disminuyen. Esta disminución de pérdidas se debe principalmente a que los convertidores trabajan con frecuencias de conmutación menores y por tanto, se reducen las pérdidas por conmutación. Además, en el apartado de conclusiones del apartado 4, es posible observar que el rendimiento del circuito de potencia de la MSIP aumenta para valores de tensión DC menores. Por otro lado, para garantizar que los resultados obtenidos en las simulaciones se corresponden con lo que sucede en la realidad, se han realizado ensayos experimentales en la Unidad Docente de Máquinas Eléctricas de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid donde se encuentra la bancada mencionada. El proceso que se ha llevado cabo en los ensayos experimentales se ha basado en la medición de la potencia consumida por el vehículo eléctrico en el bus de continua al regular la tensión del bus DC a los niveles anteriormente mencionados, resultando ser menor cuanto menor es la tensión de continua. Por tanto, los ensayos validan las conclusiones obtenidas en las simulaciones. En el capítulo 6 se detallan los aspectos más importantes de los ensayos experimentales realizados, así como las herramientas y los equipos utilizados para su consecución. En el capítulo 7 de este documento, se incluyen las conclusiones sobre el estudio desarrollado en este Trabajo de Fin de Grado, donde se detallan los aspectos más importantes de éste y además, se incluyen ideas sobre líneas futuras en el campo de la tracción eléctrica. Por último en el capítulo 8, se cierra el trabajo con una planificación temporal y análisis económico del proyecto.