Unidades de propulsión eléctrica integradas

Una unidad de propulsión eléctrica integrada reúne varias funciones de propulsión en un único conjunto. Como mínimo combina un motor de tracción y un reductor; un eje eléctrico altamente integrado también puede incluir el inversor, el diferencial, el bloqueo de estacionamiento, la lubricación, las bombas, los conductos de refrigeración, los sensores y la electrónica de control.

Qué significa la integración

Los términos eje eléctrico, unidad de propulsión eléctrica, módulo de propulsión eléctrica y unidad de propulsión integrada no definen límites de producto normalizados. Un proveedor puede llamar eje eléctrico a un conjunto de motor y reductor, mientras que otro emplea el mismo término solo cuando incluye el inversor y el diferencial.

La cadena funcional sigue siendo la misma:

la corriente continua de alta tensión llega al inversor;
la corriente de fase controlada genera par motor;
los engranajes reductores intercambian velocidad del motor por par de salida;
un diferencial o vías de engranajes separadas distribuyen el par a las ruedas;
los rodamientos, la lubricación, la refrigeración, los sensores y el software mantienen el conjunto dentro de sus límites.

La integración modifica la ubicación física de estos límites. No elimina las funciones subyacentes.

Ventajas eléctricas y de empaquetado

Montar el inversor cerca del motor acorta las conexiones de CA de alta intensidad. Las barras colectoras cortas o los conductores internos pueden reducir la masa de cable, la resistencia, la inductancia, las emisiones electromagnéticas, los conectores y los pasos de montaje. Las carcasas y paredes estructurales compartidas pueden disminuir el volumen ocupado y eliminar soportes duplicados.

La propulsión de quinta generación de BMW combina motor, electrónica de potencia y transmisión en una sola carcasa. Bosch describe un eAxle que reúne las mismas tres funciones principales, mientras que la plataforma modular de ZF también trata el software y, cuando es necesario, un convertidor como elementos del sistema.

Un empaquetado compacto puede liberar espacio para celdas de batería, geometría de la suspensión, estructura de choque, habitáculo o equipaje. Las disposiciones coaxiales alinean el eje del motor, los engranajes, el diferencial y los semiejes, mientras que las de ejes paralelos desplazan el motor para adaptarlo a la altura del eje y al espacio disponible. Ninguna es intrínsecamente más eficiente; el engrane, las cargas de los rodamientos, la relación, la refrigeración y las restricciones de espacio determinan el resultado.

Refrigeración y lubricación compartidas

La integración permite diseñar las rutas térmicas en torno al sistema completo. Un circuito de agua y glicol puede refrigerar el inversor y la carcasa del estator, mientras el aceite lubrica engranajes y rodamientos y refrigera directamente los bobinados o el rotor. El calor puede intercambiarse entre el aceite, el refrigerante, el fluido frigorígeno y el sistema térmico general del vehículo.

Un fluido compartido puede eliminar componentes, pero crea requisitos de compatibilidad. El lubricante debe favorecer el contacto de los engranajes, la vida útil de los rodamientos, el funcionamiento de la bomba, el aislamiento eléctrico, la compatibilidad con cobre y polímeros, el control de la aireación y una viscosidad predecible en todo el intervalo de temperatura. Las partículas metálicas de desgaste no deben alcanzar distancias de aislamiento eléctrico sensibles.

Los sistemas de cárter seco emplean una bomba para recuperar el aceite y llevarlo donde se necesita, en vez de dejar engranajes giratorios profundamente sumergidos. Esto puede reducir las pérdidas por agitación y mejorar el control de la refrigeración, pero la potencia de bombeo, la filtración, las válvulas y la gestión de fallos pasan a formar parte de la eficiencia y durabilidad de la unidad de propulsión.

Rodamientos, ejes y corrientes eléctricas

Los rodamientos del motor soportan la alta velocidad del rotor y mantienen un entrehierro estrecho, mientras que los del reductor y el diferencial soportan las fuerzas de separación de los engranajes y las cargas de las ruedas. La arquitectura determina qué cargas comparten un eje o una carcasa. La expansión térmica, la rigidez de la carcasa, la precarga, la lubricación y la alineación de fabricación afectan a la fricción, el ruido y la vida útil.

La conmutación del inversor puede crear tensión de modo común entre el rotor y el estator. Si la tensión del eje se descarga a través de un rodamiento, los arcos eléctricos repetidos pueden dañar las pistas y el lubricante. Los ingenieros emplean escobillas de puesta a tierra, vías conductoras, rodamientos aislados o híbridos, filtrado de modo común, diseño de bobinados y control del inversor para gestionar este riesgo.

Los retenes deben mantener el lubricante dentro y la contaminación fuera sin generar un rozamiento excesivo. Un retén que funciona bien a baja velocidad puede generar calor a regímenes elevados del motor; los cambios de presión y el aceite aireado complican aún más la tarea.

El ruido y las vibraciones se diseñan a nivel de sistema

Las fuerzas electromagnéticas del motor, la conmutación del inversor, la excitación del engrane, las frecuencias de los rodamientos, las bombas de aceite y las resonancias de la carcasa ocupan partes diferentes pero interactivas del espectro audible. Un motor más silencioso puede dejar al descubierto un silbido de engranajes que antes quedaba enmascarado.

Los engranajes helicoidales pueden suavizar el acoplamiento brusco de los dientes, pero generan carga axial. La microgeometría de los dientes, el acabado superficial, el apoyo de los rodamientos, la segmentación del rotor, la estrategia de conmutación, los nervios de la carcasa, los soportes y el lubricante influyen en el sonido que llega al habitáculo.

La integración puede mejorar el ruido y las vibraciones al permitir que los ingenieros controlen la estructura completa. También puede acoplar con mayor intensidad las fuentes a través de una carcasa compartida. Por tanto, las simulaciones y los ensayos en dinamómetro necesitan modelos electromagnéticos, estructurales, acústicos y de control, en lugar de objetivos aislados para cada componente.

Eficiencia y peligro de la optimización por componentes

El motor más eficiente no forma automáticamente parte de la unidad de propulsión más eficiente. Una geometría de motor que necesita una relación mayor puede aumentar las pérdidas de engranajes o rodamientos. Una frecuencia de conmutación que reduce los armónicos del motor puede elevar las pérdidas del inversor. Un aceite más viscoso puede proteger los engranajes bajo carga y, al mismo tiempo, aumentar las pérdidas por agitación en frío.

La optimización del sistema evalúa las pérdidas de la batería a las ruedas durante el ciclo de uso previsto. Las pérdidas relevantes incluyen:

conducción y conmutación del inversor;
pérdidas electromagnéticas del estator y del rotor;
engranajes, rodamientos, retenes y agitación del aceite;
bombas de aceite y refrigerante;
electrónica de control y actuadores;
desacopladores de eje o bloqueos de estacionamiento cuando están engranados o girando.

Por eso, los proveedores presentan cada vez más el motor, el inversor, la transmisión, la refrigeración y el software como un único producto calibrado.

Durabilidad, seguridad y mantenimiento

Una unidad integrada debe soportar inversiones de par, impactos contra bordillos transmitidos por los ejes, contaminación de la carretera, exposición a refrigerante y aceite, vibraciones, ciclos térmicos, exceso de velocidad y fallos de alta tensión. Los bloqueos de estacionamiento y los embragues de desacoplamiento añaden sus propios casos de carga.

Un menor número de conexiones externas puede mejorar la fiabilidad. Una carcasa compartida también puede encarecer la reparación de un fallo local si la estrategia de servicio sustituye el conjunto completo. La construcción interna modular, la cobertura de diagnóstico, las disposiciones para el mantenimiento de los fluidos, la electrónica de potencia sustituible y los planes de remanufactura determinan si la integración física se convierte en integración del mantenimiento.

La seguridad en caso de choque debe impedir la rotura de la carcasa, la fuga de fluidos, la exposición de alta tensión y un par descontrolado. El estado seguro del inversor y la tensión generada a alta velocidad por un motor de imanes permanentes siguen siendo relevantes incluso después de desactivar el par.

Qué deberían declarar las especificaciones

Una especificación útil de la unidad de propulsión identifica los componentes incluidos y el límite de medición. Debe indicar el tipo de motor, la tecnología del inversor, la tensión de CC, la relación de reducción, el par del motor y el par de salida, la potencia máxima y continua, el régimen máximo del motor, el método de refrigeración, la estrategia de lubricación, la masa total y si la eficiencia incluye el inversor y el reductor.

Sin ese límite, las cifras de densidad de potencia y eficiencia de distintos proveedores no pueden compararse de forma justa.

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