Design of a 200kW electric powertrain for a high performance electric vehicle

Diseño de un tren de potencia eléctrico de 200kW para un vehículo eléctrico de alto desempeño

Para diseñar el tren de potencia de un vehículo eléctrico de alto desempeño capaz de correr un cuarto de milla en 10 segundos, primero es necesario calcular la potencia y energía necesarias para dimensionar y seleccionar los componentes de almacenamiento y los motores adecuados. Segundo, se requiere una evaluación de varios trenes de potencia para seleccionar la mejor configuración interna del vehículo con el propósito de garantizar la mayor eficiencia posible. Finalmente, se necesita un diseño del convertidor de potencia DC-DC que haga la interfaz entre la unidad de almacenamiento y los motores eléctricos con sus respectivos inversores. Este artículo presenta el procedimiento para el cálculo de la energía necesaria para correr el vehículo con base en un modelo dinámico longitudinal. Así mismo, se presenta el método de selección de los componentes de almacenamiento de energía necesarios. Finalmente, se presenta el diseño de dos convertidores intercalados con inductores acoplados de 100kW operando bajo una novedosa operación propuesta para incrementar la eficiencia del convertidor. Como resultado, el convertidor diseñado logró una densidad de potencia de 24,2kW/kg y una eficiencia de 98%, la cual es validada con pruebas experimentales de un prototipo de baja potencia.

Introducción

Los vehículos eléctricos (VE) son una tecnología emergente con un interés creciente porque pueden contribuir a la solución de algunos de los problemas de sostenibilidad del transporte. Esto es posible porque los VE han sido mejorados para reducir el consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero. Por lo tanto, los VE ofrecen ventajas destacadas de, entre otras cosas, alta eficiencia, capacidad de control digital y frenado regenerativo (Gu et al., 2013; Yilmaz et al., 2013). Sin embargo, los vehículos eléctricos autónomos actuales suelen presentar una autonomía limitada en comparación con los vehículos con motor de combustión interna (ICE). La razón principal de esta limitación es la reducida capacidad energética de los dispositivos modernos de tecnología de almacenamiento (Aharon et al., 2011; Martínez et al., 2012a).