Desarrollan un sistema que reduce pérdidas energéticas en motores de vehículos eléctricos

Un equipo de investigación de la Universidad de Málaga, en colaboración con la Universidad Politécnica de Madrid, ha desarrollado un sistema que mejora la calidad de la corriente eléctrica y reduce las pérdidas energéticas en motores utilizados en movilidad eléctrica y aeronáutica. Esta metodología optimiza el consumo energético y extiende el rango de funcionamiento, es decir, permite recorrer más distancia con la misma batería. 

En concreto, los motores eléctricos multifásicos pueden tener 5, 6, 9 o incluso más fases eléctricas, a diferencia de la mayoría de los motores industriales, que son trifásicos. Se utilizan en vehículos eléctricos o híbridos, aeronaves y aplicaciones industriales avanzadas como generadores o ascensores ultra-rápidos, proporcionando una mayor eficiencia, distribución de potencia y tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, su control es más complejo debido al mayor número de variables implicadas.

El sistema diseñado por el equipo de investigación de la UMA optimiza el consumo energético y recorre más distancia con la misma batería.

Precisamente la novedad de este estudio, titulado ‘Multivector model predictive control for multiphase induction machines with dead-time knowledge’ y publicado en la revista Scientific Reports (Nature Portfolio), se centra en una de ellas: el efecto del tiempo muerto, conocido como ‘dead time’. Se trata de una pequeña interrupción necesaria en los convertidores electrónicos para evitar cortocircuitos, que a su vez puede generar distorsiones eléctricas y reducir el rendimiento del sistema.

Para ello, los investigadores han perfeccionado una técnica denominada control predictivo basado en modelo, que permite anticipar el comportamiento futuro del motor y seleccionar en cada instante la acción de control más adecuada en caso de pérdida de señal o de energía. “El algoritmo diseñado aporta claves importantes para mejorar la calidad de la corriente, garantizando ultra eficiencia en su rendimiento y mitigando estas corrientes parásitas que existen pero que no producen energía útil”, explica a la Fundación Descubre Mario Durán, investigador de la Universidad de Málaga y coautor de este trabajo.

Este algoritmo, llamado Dead-Time Influence Estimation Model Predictive Control (DIE-MPC), estima y compensa en tiempo real el impacto del tiempo muerto sobre el comportamiento del motor. “Gracias a esta información adicional, el sistema toma decisiones más precisas y reduce las corrientes responsables de pérdidas energéticas, calentamientos y vibraciones”, concreta Durán.

Calidad de corriente y velocidad de respuesta 

Para demostrar estos resultados, el equipo de investigación identificó los tiempos muertos y una vez detectados, plantearon posibles soluciones que validaron con una serie de ensayos experimentales en un banco de pruebas del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Escuela de Ingenierías Industriales de la Universidad de Málaga, que emula el sistema de propulsión de un vehículo. Esta bancada de ensayos está formada por un motor de propulsión de seis fases y otro que emula la resistencia de las ruedas, ambos acoplados y controlados por un microcontrolador programado previamente con un ordenador vía software.  

Bancada utilizada durante el estudio que emula un motor multifásico.

Según las pruebas realizadas, a una frecuencia de control de 20 kHz, es decir, a una velocidad de funcionamiento de 20.000 veces por segundo, el nuevo método reduce hasta un 31,7% las componentes armónicas de corrientes no productivas que circulan sin producir energía aprovechable, únicamente generando pérdidas en forma de calor. Asimismo, minimizan cerca de un 50% la distorsión total de la calidad de la corriente en comparación con las estrategias convencionales. 

Además, se observaron reducciones superiores al 50% en algunas componentes armónicas de la corriente eléctrica que deforman la señal ideal, responsables de gran parte de las pérdidas eléctricas en este tipo de sistemas. “Esto significa que el nuevo método de control eléctrico facilita una corriente más limpia y que genera menos pérdidas en comparación con los sistemas convencionales, que toman decisiones con más imprecisiones”, garantiza Durán.

Los resultados de este estudio han corroborado también que las mejoras se mantienen en diferentes condiciones de funcionamiento, incluyendo un amplio rango de velocidades, cambios dinámicos de carga e incluso situaciones con errores en los parámetros del modelo del motor. “Todas estas variables evidencian la robustez de este algoritmo, que se traduce en menos distorsiones en la corriente eléctrica, menos pérdidas y por lo tanto, mayor autonomía del vehículo”, asegura Ignacio González, investigador de la UMA y coautor del estudio.

Borna utilizada en el estudio, un dispositivo que permite la unión de cables eléctricos de forma segura, ordenada y desmontable.

Según los expertos, esta investigación abre la puerta a un uso más eficiente de los motores multifásicos en aplicaciones de próxima generación, permitiendo un control más preciso del motor, una respuesta más rápida ante cambios de carga o velocidad y un funcionamiento más suave con menos ruido y vibraciones, sin detrimento de la calidad de la corriente ni la eficiencia energética.

Este estudio está cofinanciado por la Consejería de Universidad, Investigación e Innovación de la Junta de Andalucía y el Plan Nacional de Investigación del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades.

Reportaje iDescubre: Controles avanzados que reducen corrientes ‘parásitas’ en vehículos eléctricos