Análisis en profundidad de vehículos eléctricos: Principios completos de funcionamiento desde componentes centrales hasta sistemas inteligentes
Como la dirección central de la transformación y actualización de la industria automotriz, los vehículos eléctricos están remodelando el panorama del transporte con sus ventajas de respeto al medio ambiente, eficiencia e inteligencia. Desde un pequeño tornillo con junta hasta un complejo sistema de conducción inteligente, el trabajo colaborativo de cada componente constituye la experiencia de operación fluida de un vehículo eléctrico. Partiendo de los principios subyacentes, este artículo descompone sistemáticamente los componentes centrales, los mecanismos de trabajo y las tecnologías inteligentes de los vehículos eléctricos, guiándote hacia una comprensión integral de la "lógica interna" de los vehículos eléctricos.
I. Núcleo de potencia: Principio de funcionamiento de los motores de vehículos eléctricos
El motor es el "corazón" de un vehículo eléctrico y su eficiencia en convertir energía eléctrica en energía mecánica determina directamente el rendimiento dinámico del vehículo. Desde el fenómeno más básico de inducción electromagnética hasta los motores industriales trifásicos de inducción, el desarrollo de los motores para vehículos eléctricos siempre se ha centrado en los tres objetivos principales de "alta eficiencia, alto torque y alta estabilidad".
(I) Inducción electromagnética: La base física subyacente de los motores
La esencia del funcionamiento de un motor proviene de la interacción entre la inducción electromagnética y la fuerza electromagnética. Podemos entender su lógica central a través de un conjunto de experimentos simples.
Interacción electromagnética básica: Cuando una varilla metálica giratoria se acerca a un imán, la varilla metálica girará hacia el imán. Si la varilla metálica se reemplaza por un disco de hierro y se mueve con un imán en forma de U, el disco girará con el imán e incluso producirá auto-rotación. A primera vista, este fenómeno es causado por la fuerza de atracción del imán, pero cuando reemplazamos el disco de hierro por un disco de aluminio (un material no ferromagnético), mover el imán aún puede hacer girar el disco, lo que revela el papel central de la inducción electromagnética.
Sinergia entre la inducción electromagnética y la fuerza electromagnética: El campo magnético de un imán en forma de U fluye del polo N al polo S. Cuando el imán se mueve, su campo magnético corta el disco (conductor). Según el principio de inducción electromagnética, se genera una corriente inducida en el disco. La dirección de la corriente inducida puede determinarse mediante la regla de la mano derecha apuntando hacia el centro del disco. La regla de la mano izquierda puede determinar la dirección de la fuerza sobre el disco: apunta el dedo índice en la dirección del campo magnético, el dedo medio en la dirección de la corriente y el pulgar apunta a la fuerza electromagnética que impulsa el disco a rotar. El punto clave es que debe haber una diferencia en la velocidad de rotación entre el imán y el disco. Si las velocidades de rotación son iguales, no puede ocurrir inducción electromagnética y el disco perderá su poder de auto-rotación.
(II) Iteración de la Estructura del Motor: De Dispositivos Simples a Diseño de Grado Industrial
Para lograr una salida de potencia continua y estable, la estructura del motor ha pasado por múltiples rondas de optimización y actualización.
Mejora de la estructura básica: Reemplazar el disco de aluminio por un cilindro de hierro y el imán en forma de U por dos imanes de barra. Cuando el imán gira, el cilindro girará en consecuencia. Desde el análisis de fuerzas, el campo magnético fluye del polo N al polo S. Cuando el imán se mueve hacia abajo respecto al cilindro, el cilindro equivale a moverse hacia arriba. Se genera una corriente inducida según la regla de la mano derecha y luego las direcciones de fuerza en ambos lados del cilindro (una hacia abajo y otra hacia arriba) se determinan por la regla de la mano izquierda, impulsando finalmente al cilindro a girar.
Aplicación de electroimanes: Una bobina genera un campo magnético cuando se energiza. Este tipo de electroimán que es "magnético cuando está energizado y no magnético cuando no lo está" tiene una mayor controlabilidad que los imanes permanentes tradicionales: aumentar el voltaje puede mejorar la intensidad del campo magnético y cambiar la dirección de la corriente puede invertir los polos magnéticos. Basándose en esta característica, se disponen múltiples bobinas alrededor del cilindro. Al cambiar continuamente la dirección de la corriente se puede formar un campo magnético giratorio y el cilindro puede ser impulsado a girar continuamente sin rotar mecánicamente el imán, que es la lógica de diseño central del motor.
(III) Corriente Alterna Trifásica: El Método de Implementación del Campo Magnético Giratorio
Los vehículos eléctricos generalmente adoptan motores de inducción trifásicos y su núcleo radica en generar un campo magnético giratorio estable mediante corriente alterna trifásica.
Generación de corriente alterna trifásica: Cuando un imán gira alrededor de una bobina, los cambios en el campo magnético hacen que la bobina genere corriente alterna (la forma de onda de la corriente alterna monofásica es una curva senoidal). Si tres bobinas se disponen con intervalos de 120 grados, al girar el imán se generarán tres grupos de corriente alterna con una diferencia de fase de 120 grados, es decir, corriente alterna trifásica. Un extremo de las tres bobinas se conecta para formar una línea neutra y el otro extremo se extiende como tres líneas de fase. El voltaje entre las líneas de fase es de 380 voltios y el voltaje entre la línea de fase y la línea neutra es de 220 voltios. Diferentes métodos de conexión pueden satisfacer distintas necesidades de consumo de energía.
Enrollado de la bobina y formación del campo magnético: El motor consta de un estator y un rotor y la bobina se enrolla en los orificios del estator. El método específico de enrollado es: la bobina entra por el puerto A y sale en dirección opuesta por el puerto A opuesto; entra por el puerto B con un intervalo de 120 grados y sale en dirección opuesta por el puerto B; de manera similar se completa el enrollado de la bobina en el puerto C y finalmente se conectan juntos los cables que regresan en dirección opuesta y se conectan las tres líneas de fase a la corriente alterna trifásica.
Generación del campo magnético giratorio: La forma de onda de la corriente alterna trifásica cambia periódicamente con el tiempo. En diferentes momentos, la polaridad y magnitud de la corriente en las tres fases son diferentes. Por ejemplo, en un momento dado la fase R es positiva y las fases S y T son negativas; en el siguiente momento las fases R y S son positivas y la fase T es negativa. Este cambio provoca que la dirección del campo magnético generado por la bobina del estator se desplace continuamente. Según la regla de Ampère, la dirección del campo magnético generado por cada bobina (en sentido horario o antihorario) cambia con la corriente. Después de la superposición de los campos magnéticos de múltiples bobinas, se forma un campo magnético que gira continuamente y la velocidad de rotación del campo magnético está positivamente correlacionada con la frecuencia de la corriente alterna.
(IV) Estructura y clasificación de motores reales
Los motores eléctricos para vehículos de grado industrial han sido optimizados con precisión basándose en principios básicos y se dividen principalmente en dos categorías: motores de inducción (motores asíncronos) y motores síncronos de imán permanente.
Motores de inducción (motores asíncronos):
Estructura del núcleo: Compuesto por un estator y un rotor. El estator tiene ranuras internas para instalar bobinas de devanado. El rotor es una estructura de jaula de ardilla con láminas de hierro aisladas con ranuras internas y barras conductoras incrustadas en las ranuras.
Características de funcionamiento: Cuando una corriente alterna pasa a través de la bobina del estator, se genera un campo magnético giratorio. Las barras conductoras del rotor cortan las líneas del campo magnético para generar corriente inducida y luego son impulsadas a girar por la fuerza electromagnética. Dado que la velocidad del rotor es siempre menor que la velocidad del campo magnético (existe una tasa de deslizamiento), se llama motor asíncrono.
Optimización de bobinas: En la producción industrial, un conjunto de bobinas de enrollado suele tener cientos o miles de vueltas. Después de ser enrolladas por una máquina, se cubren con pintura aislante que no solo mejora el rendimiento del aislamiento sino que también aumenta la conductividad térmica. Para resolver el problema de campos magnéticos desiguales, se aumentará el número de ranuras del estator (como 12, 24) y las bobinas se conectarán en serie y se plegarán para formar diferentes estructuras de campo magnético, como dos polos y cuatro polos. Los motores con campo magnético de dos polos tienen alta velocidad, los motores con campo magnético de cuatro polos tienen gran par, y el diseño de múltiples ranuras puede mejorar aún más la estabilidad del campo magnético y la eficiencia del motor.
Motores síncronos de imán permanente:
Mejora estructural: Se instalan imanes permanentes en forma de arco fuera del rotor (reemplazando el rotor de jaula de ardilla). Los imanes permanentes generan un campo magnético fijo que interactúa con el campo magnético giratorio generado por la bobina del estator.
Ventajas principales: La velocidad del rotor está sincronizada con la velocidad del campo magnético del estator sin pérdidas de energía causadas por corriente inducida (la pérdida de energía de los motores de inducción es aproximadamente del 3%-4%) y tiene un gran par de arranque y un excelente rendimiento a baja velocidad.
Problemas existentes: Durante la conducción a alta velocidad, la fuerza electromotriz de retroceso generada por el imán permanente es opuesta a la dirección de la fuerza electromotriz del motor, lo que afecta la eficiencia del motor; al mismo tiempo, el imán permanente causará corrientes parásitas que resultan en pérdidas adicionales de energía.
Motores síncronos de reluctancia con imán permanente:
Diseño híbrido: Combinando las ventajas de baja velocidad y alto par de los motores de imán permanente y la estabilidad a alta velocidad de los motores de reluctancia síncrona, se incrustan imanes permanentes en las ranuras de los motores de reluctancia síncrona para formar una estructura compuesta.
Optimización del rendimiento: Ajustando el ángulo entre el campo magnético giratorio y el campo magnético del imán permanente, la fuerza electromotriz de retroceso puede debilitarse o incluso compensarse, permitiendo que el motor funcione eficientemente tanto en escenarios de baja velocidad como de alta velocidad. Durante el arranque, mantener el ángulo del campo magnético giratorio alrededor de 50 grados puede obtener el par máximo.
II. Fuente de energía: Principio de funcionamiento de las baterías de litio y diseño del paquete de baterías
La potencia del motor proviene de la energía eléctrica y el componente central de almacenamiento de energía de los vehículos eléctricos son las baterías de litio. Las baterías de litio se han convertido en el dispositivo de almacenamiento de energía preferido para vehículos eléctricos debido a sus ventajas de alta densidad energética, larga vida útil y capacidad de carga rápida.
(I) Estructura central y principio de funcionamiento de las baterías de litio
La conversión de energía de las baterías de litio se basa en la intercalación y desintercalación de iones de litio y la estructura central incluye un electrodo positivo, una capa de electrolito y un electrodo negativo.
Materiales del electrodo:
Electrodo negativo: Compuesto principalmente por capas de grafito. El grafito tiene una estructura cristalina en capas que proporciona espacio para la intercalación de iones de litio.
Electrodo positivo: Óxidos metálicos que contienen litio (como óxidos de níquel-cobalto-manganeso para baterías de litio ternarias y fosfato de hierro y litio para baterías de fosfato de hierro y litio).
Electrolito: Solución de sal de litio orgánica recubierta sobre el separador que permite el paso de iones de litio pero bloquea los electrones.
Proceso de carga y descarga:
Carga: Cuando se conecta una fuente de alimentación externa, el electrodo positivo de la fuente atrae los electrones de los átomos de litio en el material del electrodo positivo. Los electrones fluyen por el cable y los átomos de litio pierden electrones para convertirse en iones de litio que fluyen hacia el electrodo negativo a través de la capa de electrolito e intercalan en la estructura cristalina en capas del grafito hasta que todos los iones de litio están intercalados y la batería está completamente cargada.
Descarga: Cuando el circuito está conectado a una carga (como un motor), los iones de litio regresan al electrodo positivo a través de la capa de electrolito para restaurar un estado estable. Los electrones fluyen por el cable hacia el electrodo positivo y se recombinan con los iones de litio formando una corriente para suministrar energía a la carga.
Mecanismos clave de protección:
Protección de seguridad: Se proporciona una capa aislante en el medio del electrolito para evitar cortocircuitos entre los electrodos positivo y negativo (los cortocircuitos causan que el electrolito se seque y provoque incendios).
Formación de la película SEI: Durante la primera carga de una batería de litio, los iones de litio fluyen hacia el electrodo negativo a través de la capa de electrolito. Algunos electrones reaccionan con moléculas del solvente y grafito para formar una película de interfase sólida de electrolito (película SEI). La película SEI puede bloquear el contacto entre las moléculas del solvente del electrolito y el electrodo negativo, evitando la degradación del electrolito. Aunque consume aproximadamente el 5% de los iones de litio activos, los beneficios generales superan las desventajas. Los científicos continúan mejorando el rendimiento de la batería optimizando el grosor y las propiedades químicas de la película SEI.
(II) Tipos de baterías de litio y diseño del paquete de baterías
Tipos comunes de baterías de litio:
Baterías de litio ternarias: El electrodo positivo adopta una mezcla proporcional de níquel, cobalto y manganeso. Tienen alta densidad energética y buen rendimiento a baja temperatura, y son adecuadas para modelos que se centran en la autonomía y la potencia.
Baterías de fosfato de hierro y litio: El material del electrodo positivo es fosfato de hierro y litio. Tienen alta seguridad, larga vida útil y bajo costo, y son adecuadas para modelos que se centran en la estabilidad y la economía.
Composición y sistema de enfriamiento de los paquetes de baterías:
Diseño modular: Una sola batería de litio tiene voltaje y capacidad limitados. El paquete de baterías de un vehículo eléctrico combina miles de baterías de litio en serie y paralelo (por ejemplo, algunos modelos contienen más de 7 000 baterías de litio) para formar un paquete de baterías de alto voltaje.
Sistema de gestión térmica: Las baterías generan calor durante la operación. Temperaturas excesivamente altas o bajas afectan el rendimiento y la seguridad. El paquete de baterías está equipado con un sistema de enfriamiento. El refrigerante circula a través de tuberías metálicas para reducir la temperatura de la batería; al mismo tiempo, el sistema de gestión térmica puede monitorear la temperatura de la batería y calentarla a bajas temperaturas. El diseño de múltiples baterías pequeñas puede lograr una distribución uniforme de la temperatura, reducir puntos calientes y extender la vida útil de la batería.
Disposición estructural: El paquete de baterías generalmente se instala bajo el chasis adoptando un diseño modular integrado que no solo ahorra espacio interior sino que también baja el centro de gravedad del vehículo, mejorando la estabilidad de conducción.
III. Conversión de energía: Funciones centrales y mecanismos de trabajo del sistema de control electrónico
El sistema de control electrónico de un vehículo eléctrico es el "cerebro" responsable de coordinar el trabajo de componentes clave como baterías y motores. Sus funciones principales incluyen la conversión de corriente continua y alterna, el control de salida de potencia y la gestión térmica, que son clave para asegurar el funcionamiento eficiente del vehículo.
(I) Arquitectura de composición del sistema de control electrónico
El sistema de control electrónico es una colección compleja de múltiples subsistemas que incluye principalmente:
Sistema de gestión térmica: Monitorea la temperatura de baterías, motores, controles electrónicos y otros componentes, y mantiene cada componente dentro del rango óptimo de temperatura de operación mediante sistemas de enfriamiento o calefacción.
Módulo de control del motor: El núcleo es un inversor que se encarga de convertir la corriente continua suministrada por la batería en corriente alterna requerida por el motor y controlar la frecuencia de la corriente alterna para ajustar la velocidad del motor, logrando la aceleración y desaceleración del vehículo.
Módulo de distribución de energía de alto voltaje: Distribuye energía eléctrica a componentes de alto voltaje como compresores de aire acondicionado, unidades de calentamiento de batería y convertidores de CC.
Convertidor de CC: Convierte la corriente continua de alto voltaje del paquete de baterías en corriente continua de bajo voltaje (como 12 voltios) para cargar la batería de plomo-ácido que luego suministra energía a componentes de bajo voltaje como luces del vehículo, limpiaparabrisas y sensores.
(II) Inversor: El núcleo de la conversión CC-CA
El inversor es el núcleo del módulo de control del motor. Su principio de funcionamiento es convertir corriente continua en corriente alterna de onda sinusoidal suave mediante el rápido conmutado de interruptores del circuito.
Conmutación básica del circuito: Un circuito inversor simple incluye cuatro grupos de interruptores. Al controlar el encendido y apagado de los interruptores se cambia la dirección del flujo de corriente. Por ejemplo, cuando S1 y S4 están encendidos, la corriente fluye en una dirección; cuando S2 y S3 están encendidos, la corriente fluye en la dirección opuesta. La conmutación continua de los interruptores puede generar corriente alterna de onda cuadrada.
Conmutación de alta velocidad y optimización de la forma de onda: Se utilizan transistores como elementos de conmutación que pueden conmutar miles de veces por segundo, cumpliendo con los requisitos de frecuencia de corriente alterna del motor (usualmente 50 hertz, requiriendo 100 conmutaciones por segundo). Sin embargo, el voltaje de la corriente alterna de onda cuadrada cambia abruptamente y necesita convertirse en una onda senoidal suave. Al tomar el valor promedio de los pulsos de onda cuadrada se forma una curva cercana a una onda senoidal y luego se añade un filtro pasivo para ajustar la frecuencia de la señal, obteniendo finalmente la corriente alterna senoidal requerida por el motor.
Diseño de protección del circuito: Para prevenir cortocircuitos, se establece un circuito de puerta NOT en el circuito para asegurar que solo uno de cada grupo de interruptores pueda estar abierto; al mismo tiempo, se utiliza un comparador para comparar la onda senoidal con la onda triangular para generar una curva específica de onda cuadrada, optimizando aún más la suavidad de la forma de onda.
IV. Transmisión de potencia: Simplificación y diseño eficiente del sistema de transmisión
En comparación con las complejas cajas de cambios de múltiples velocidades de los vehículos de combustible, el sistema de transmisión de los vehículos eléctricos es más simple. Principalmente adopta una caja de engranajes de relación de una sola velocidad y logra una transmisión de potencia eficiente mediante un diseño optimizado.
(I) Estructura central del sistema de transmisión
Ruta de transmisión de potencia: Cuando se presiona el acelerador, la batería transmite energía eléctrica al módulo de control del motor. El inversor convierte corriente continua en corriente alterna y la transmite al motor. La rotación del rotor del motor impulsa el eje de transmisión. El engranaje de accionamiento en el eje de transmisión engrana con el engranaje de salida de potencia a través del engranaje reductor y finalmente transmite potencia a las ruedas.
Mecanismo de desaceleración y aumento de torque: El engranaje reductor consta de dos engranajes, uno grande y uno pequeño. El engranaje grande engrana con el engranaje de accionamiento y el engranaje pequeño engrana con el engranaje de salida. A través del diseño de la relación de engranajes, la velocidad se reduce y el torque se incrementa para cumplir con los requisitos de potencia del vehículo durante la conducción.
Implementación de la marcha atrás: No se requiere una marcha atrás adicional. El controlador invierte la dirección de rotación del motor según el comando de marcha atrás para realizar la reversa del vehículo.
(II) Diferencial: Un componente clave para resolver las diferencias de velocidad entre ruedas
Cuando el vehículo gira, la rueda exterior recorre una distancia mayor que la rueda interior. Si la velocidad es la misma, la rueda interior patinará. La función del diferencial es ajustar la velocidad de las ruedas interior y exterior.
Principio de funcionamiento: El diferencial consta de un engranaje anular, engranajes planetarios y engranajes del eje de rueda. La potencia se transmite desde el eje de transmisión al engranaje anular, haciendo que los engranajes planetarios giren. Los engranajes planetarios engranan simultáneamente con los engranajes del eje de rueda en ambos lados. Al girar, los engranajes planetarios rotan sobre sus propios ejes, aumentando la velocidad del engranaje del eje de rueda exterior y disminuyendo la velocidad del engranaje del eje de rueda interior, logrando así un ajuste dinámico de la velocidad de las ruedas.
Optimización estructural: Los vehículos eléctricos adoptan mayormente diferenciales abiertos. A través del engranaje preciso de los piñones se asegura la continuidad y estabilidad de la transmisión de potencia y se evita el deslizamiento de las ruedas al girar.
(III) Semieje y Junta Universal: Garantía de Conexión para la Transmisión de Potencia
El semieje es responsable de transmitir el torque generado por el motor a las ruedas y su componente principal es la junta universal de velocidad constante.
Estructura de la junta universal de velocidad constante: Compuesta por bolas, una jaula de bolas, una pista interior y una pista exterior con una cubierta antipolvo en el exterior. La pista interior está conectada al eje de transmisión mediante estrías. La jaula de bolas se coloca dentro de la pista exterior y las bolas se instalan entre la jaula y las pistas interior y exterior.
Ventajas principales: Independientemente del cambio de ángulo entre los dos ejes, las velocidades de rotación del eje motriz y el eje conducido son siempre las mismas (transmisión de velocidad constante). Tiene características de alta eficiencia de transmisión, alta precisión y fuerte capacidad de compensación angular, y puede transmitir eficientemente el torque del motor, mejorando la eficiencia de conducción del vehículo.
V. Estabilidad de Conducción: Diseño del Sistema de Suspensión y Chasis
El sistema de suspensión y el chasis son la base para la estabilidad de conducción y comodidad de los vehículos eléctricos. El diseño del chasis de los vehículos eléctricos se optimiza sobre la base de los vehículos tradicionales para adaptarse a las necesidades de integración de baterías y motores.
(I) Sistema de Suspensión: Absorbiendo Impactos y Estabilizando la Carrocería
La función principal del sistema de suspensión es soportar el peso de la carrocería del vehículo, absorber la fuerza de impacto causada por caminos irregulares y reducir la vibración de la carrocería. Se divide principalmente en suspensión independiente, suspensión no independiente y suspensión semi-independiente. Los vehículos eléctricos adoptan mayormente suspensión de doble horquilla entre las suspensiones independientes.
Estructura de la suspensión de doble horquilla: Compuesta por horquilla inferior, horquilla superior, muñón de dirección, amortiguador y barra estabilizadora. Las horquillas superior e inferior están conectadas al muñón de dirección de la rueda a través de rótulas de dirección. El brazo de dirección es controlado por el volante para empujar la rueda a girar; la barra estabilizadora se usa para controlar la amplitud de balanceo del vehículo al girar.
Principio de funcionamiento del amortiguador: El amortiguador está compuesto por un resorte y un amortiguador. El resorte absorbe la energía del impacto de la superficie de la carretera y reduce las vibraciones de la carrocería; el amortiguador suprime la oscilación cuando el resorte rebota y acelera la atenuación de la vibración. El amortiguador tiene un cilindro de trabajo y un cilindro de reserva en su interior. El movimiento del pistón se controla mediante el flujo de aceite hidráulico. Cuando el pistón se mueve hacia abajo, el aceite hidráulico se comprime en el cilindro de reserva; cuando el pistón se mueve hacia arriba, el aceite hidráulico regresa al cilindro de trabajo, manteniendo el cilindro de trabajo lleno de aceite hidráulico para asegurar el efecto de amortiguación. El nitrógeno líquido expansible llenado en el cilindro de reserva puede reducir las brechas y discontinuidades de resistencia.
Efecto sinérgico de la barra estabilizadora: Confiar sólo en el amortiguador para controlar el balanceo requiere el uso de resortes demasiado duros y amortiguadores con alto coeficiente de amortiguación, lo que sacrifica la capacidad de absorber las vibraciones del camino. La barra estabilizadora trabaja en sinergia con el amortiguador, pudiendo controlar eficazmente la amplitud del balanceo del vehículo al girar sin afectar la absorción de vibraciones, mejorando la estabilidad de la conducción.
(II) Chasis Skateboard: Un Diseño Innovador para la Integración Modular
Los vehículos eléctricos generalmente adoptan un diseño de chasis tipo skateboard que integra componentes centrales como motores, baterías, controles electrónicos, sistemas de transmisión y suspensiones en el chasis para formar una estructura similar a un skateboard.
Ventajas principales:
Desarrollo modular: La carrocería está desacoplada del chasis. Las conexiones mecánicas se reducen mediante sistemas drive-by-wire. La carrocería puede desarrollarse de forma independiente en módulos. Diferentes carrocerías pueden acoplarse al mismo chasis, acortando el ciclo de desarrollo del modelo y reduciendo los costos de producción.
Optimización del espacio: La batería se coloca horizontalmente sobre el chasis, ahorrando espacio interior y mejorando la comodidad de viaje; al mismo tiempo, reduce el centro de gravedad del vehículo, disminuyendo las vibraciones durante la conducción y mejorando la estabilidad.
Selección de materiales: El chasis necesita soportar el peso de toda la carrocería y generalmente adopta acero de alta resistencia y aleación de aluminio. El acero es fuerte y duradero, y la aleación de aluminio es ligera, lo que permite un diseño ligero del chasis y mejora la autonomía.
VI. Control Inteligente: Aplicación y Expansión de la Tecnología Drive-by-Wire
La tecnología drive-by-wire es la base de la inteligencia de los vehículos eléctricos. Realiza el control de potencia a través de cables o señales electrónicas que reemplazan las conexiones mecánicas tradicionales para lograr una operación electrónica y precisa. Se utiliza ampliamente en sistemas como aceleradores, frenos y dirección.
(I) Distribución de cables y clasificación de voltaje
Los componentes eléctricos de los vehículos eléctricos se dividen en componentes de alto voltaje (baterías, motores, inversores, etc., con un voltaje de 250-750 voltios) y componentes de bajo voltaje (luces del vehículo, limpiaparabrisas, sensores, etc., con un voltaje inferior a 250 voltios). Los cables correspondientes también se dividen en dos categorías:
Cables de alto voltaje: De color naranja, gruesos en diámetro, con capacidades antiinterferencias electromagnéticas, que conectan componentes de alto voltaje como puertos de carga, cargadores a bordo, paquetes de baterías, motores y módulos de distribución de energía de alto voltaje.
Cables de bajo voltaje: Amarillos que conectan componentes de bajo voltaje y son alimentados por baterías de plomo-ácido.
(II) Implementación drive-by-wire de sistemas centrales
Acelerador drive-by-wire:
Los vehículos tradicionales de combustible conectan el pedal del acelerador al motor mediante un cable de acero que no puede controlar con precisión la admisión de aire; el acelerador drive-by-wire de los vehículos eléctricos reemplaza el resorte mecánico con un sensor. Cuando se presiona el pedal, el sensor envía una señal eléctrica a la unidad de control del motor, que ajusta la velocidad del motor según la intensidad de la señal para lograr un control preciso de la velocidad del vehículo.
Freno drive-by-wire:
Estructura tradicional de freno de disco: Compuesta por el conjunto del cubo, disco de freno, caliper de freno y sistema hidráulico. Cuando se presiona el pedal del freno, la fuerza mecánica se transmite al cilindro maestro de freno a través de la varilla de empuje del freno, empujando el aceite hidráulico hacia el pistón hidráulico de la rueda, accionando el caliper para sujetar el disco de freno y lograr el frenado.
Mejora del freno drive-by-wire: Se elimina la conexión mecánica entre el pedal del freno y el cilindro maestro. Se instala un sensor en el pedal y el caliper de freno se cambia a un tipo controlado por motor. Cuando se presiona el freno, el sensor envía una señal eléctrica al controlador que acciona el caliper para activar el frenado electrónico con una velocidad de respuesta más rápida y un control más preciso.
Sistema de frenado auxiliar:
Sistema de frenos antibloqueo ABS: Se instalan sensores en las ruedas. Cuando se detecta que las ruedas están a punto de bloquearse, la unidad moduladora ABS libera intermitentemente las pastillas de freno para hacer que las ruedas giren de forma intermitente, evitando el deslizamiento de las ruedas y permitiendo al conductor mantener el control del vehículo, especialmente efectivo durante el frenado de emergencia.
Sistema de asistencia para arranque en pendiente: Detecta la presión del freno a través del sensor de presión del cilindro maestro y juzga la inclinación de la carretera mediante el sensor de aceleración longitudinal. Cuando el conductor suelta el pedal del freno, el sistema continúa manteniendo la presión del freno durante unos segundos, proporcionando tiempo para cambiar al pedal del acelerador y evitar que el vehículo ruede hacia atrás, lo cual es adecuado para escenarios de subida y bajada.
Dirección drive-by-wire:
El sistema de dirección tradicional conecta el volante y la cremallera mediante un eje mecánico, dependiendo de un sistema de dirección asistida electrónica para reducir la resistencia al giro; la dirección drive-by-wire elimina la conexión mecánica. Cuando el volante gira, el sensor envía una señal eléctrica al controlador que acciona el motor eléctrico en la cremallera para controlar la dirección de las ruedas. Es más adecuado para el diseño modular de chasis y carrocería desacoplados con mayor precisión en la dirección.
(III) Principios de funcionamiento de otros componentes drive-by-wire
Limpiaparabrisas:
Los primeros limpiaparabrisas mecánicos eran accionados por motores de CC para girar tornillos sin fin y engranajes y no podían ajustar la velocidad según la lluvia; los limpiaparabrisas drive-by-wire adoptan circuitos de control con transistores combinados con capacitores y resistencias para lograr trabajo intermitente. Detectan la lluvia mediante el sensor de lluvia del techo y ajustan automáticamente la frecuencia de limpieza para asegurar una visión clara.
Airbags:
Los airbags tradicionales dependen de sensores de bola inercial. Durante una colisión, la bola se mueve para conectar el circuito, encendiendo azida de sodio para generar nitrógeno para la inflación, pero existen riesgos de gases tóxicos y activaciones falsas; los airbags modernos drive-by-wire usan nitrato de sodio como material generador de gas combinado con sensores Mams distribuidos alrededor de la carrocería para detectar con precisión la intensidad y posición de la colisión y completar la inflación en 30 milisegundos para proteger la seguridad de conductores y pasajeros.
VII. Garantía de confort: Principios de calefacción y refrigeración del sistema de aire acondicionado
Los vehículos eléctricos no tienen motores y no pueden usar el calor residual del motor para calefacción como los vehículos de combustible. Sus sistemas de aire acondicionado aseguran una temperatura interior confortable mediante dispositivos de calefacción y refrigeración especialmente diseñados.
(I) Sistema de refrigeración: Mecanismo de funcionamiento del aire acondicionado automotriz
El núcleo de la refrigeración es transferir calor mediante el cambio de fase del refrigerante. Los componentes principales incluyen un compresor, condensador, secador, válvula de expansión y evaporador.
Proceso de trabajo:
Después de que el compresor arranca, comprime el refrigerante gaseoso de baja presión en refrigerante gaseoso de alta temperatura y alta presión que es transportado al condensador a través de tuberías;
El condensador disipa el calor a través de tuberías y aletas y el ventilador acelera la disipación de calor convirtiendo el refrigerante gaseoso de alta temperatura y alta presión en refrigerante líquido de alta presión;
El refrigerante líquido separa gas y líquido a través del secador y entra en la válvula de expansión donde la presión cae bruscamente convirtiéndose en refrigerante de baja temperatura;
El refrigerante de baja temperatura fluye hacia el evaporador detrás del panel de instrumentos. El evaporador absorbe el calor del aire caliente dentro del vehículo para enfriar el aire y el ventilador sopla el aire frío hacia el interior del vehículo;
Después de absorber calor, el refrigerante vuelve a estado gaseoso y regresa al compresor para completar el ciclo.
Cambio de temperatura: La dirección del flujo de aire se controla mediante el amortiguador mezclador. Cuando la tubería del evaporador está cerrada, el aire solo pasa por el intercambiador de calor (dispositivo de calefacción) para generar aire caliente; cuando la tubería del intercambiador de calor está cerrada, el aire solo pasa por el evaporador para generar aire frío.
(II) Sistema de calefacción: Calentador PTC y sistema de bomba de calor
Calentador PTC:
Principio de funcionamiento: Utilizando materiales PTC (termistores de coeficiente de temperatura positivo) como aleación de níquel-cromo, cuando la corriente fluye, la energía eléctrica se convierte en energía térmica debido a la resistencia. La resistencia de los materiales PTC aumenta con el aumento de temperatura y la temperatura superficial se mantiene estable después de alcanzar un cierto valor, logrando un suministro de calor constante.
Posición de instalación: Dentro del conducto de aire caliente. Después de que el aire pasa por el calentador, se calienta y luego se envía al vehículo a través del conducto de ventilación.
Ventajas y desventajas: Estructura simple y velocidad de calentamiento rápida, pero consume energía de la batería y reduce la autonomía del vehículo.
Sistema de bomba de calor:
Principio de funcionamiento: Similar a un "aire acondicionado inverso", utiliza el calor del aire para calentar el interior del vehículo. El condensador exterior actúa como evaporador en modo calefacción, absorbiendo calor del aire exterior y transformando el refrigerante interno de líquido a gaseoso; el refrigerante fluye hacia el compresor y se comprime en gas de alta temperatura y alta presión que se envía al condensador dentro del panel de instrumentos. El ventilador sopla aire a través del condensador para absorber calor y luego lo envía al vehículo para lograr la calefacción.
Ventajas principales: No consume directamente energía eléctrica para generar calor, sino que transfiere calor del aire. Tiene una mayor relación de eficiencia energética, puede reducir la pérdida de autonomía y es adecuado para su uso en ambientes de baja temperatura.
VIII. Suministro de energía: Sistema de carga y gestión de baterías
La eficiencia de carga y la seguridad de la batería de los vehículos eléctricos dependen del trabajo colaborativo del sistema de carga y el sistema de gestión de baterías (BMS) para asegurar una carga y descarga eficiente de la batería dentro de un rango seguro.
(I) Métodos de carga: Carga lenta de CA y carga rápida de CC
Carga lenta de CA:
Proceso de trabajo: La pila de carga suministra corriente alterna que se conecta al cargador a bordo a través del puerto de carga del vehículo. El cargador a bordo convierte la corriente alterna en corriente continua para cargar el paquete de baterías.
Características: Velocidad de carga lenta (generalmente toma varias horas para una carga completa) pero bajo costo del equipo y poca pérdida de batería, adecuado para escenarios de uso doméstico.
Carga rápida de CC:
Proceso de trabajo: La pila de carga completa internamente la conversión de corriente alterna a corriente continua y carga directamente el paquete de baterías sin la participación del cargador a bordo.
Características: Velocidad de carga rápida (puede cargarse al 80% de energía en media hora) pero con alto costo de equipo y cierta pérdida de batería, adecuado para escenarios de estaciones públicas de carga rápida.
(II) Funciones Básicas del Sistema de Gestión de Baterías (BMS)
Balanceo de baterías:
El paquete de baterías está compuesto por miles de pequeñas baterías conectadas en serie y paralelo. Existen diferencias en el estado de carga y energía de cada batería. El BMS ajusta mediante dos métodos: balanceo activo y balanceo pasivo.
Balanceo activo: Usando componentes como capacitores y transformadores, la carga excedente de baterías con suficiente energía se transfiere a baterías con energía insuficiente para lograr el equilibrio de energía.
Balanceo pasivo: Usando cargas ficticias como resistencias, el exceso de energía se consume en forma de calor para que la energía de cada batería tienda a ser consistente.
Gestión de temperatura:
Monitorea la temperatura del paquete de baterías. Cuando la temperatura es demasiado alta o baja, activa el sistema de gestión térmica y calienta o enfría la batería mediante refrigerante para asegurar que la batería funcione dentro del rango óptimo de temperatura (usualmente 20-40℃), evitando sobrecalentamientos, incendios o degradación del rendimiento por frío excesivo.
Protección de seguridad:
Monitorea en tiempo real el voltaje, corriente y estado de potencia de la batería para prevenir situaciones anormales como sobrecarga, sobredescarga y cortocircuitos. Durante la carga, si se detecta riesgo de sobrecarga, corta automáticamente el suministro de energía de la pila de carga; durante la descarga, si la corriente es demasiado alta, ajusta la salida oportunamente para proteger la vida útil y la seguridad del uso de la batería.
IX. Recuperación de Energía: Principio de Funcionamiento del Sistema de Frenado Regenerativo
El sistema de frenado regenerativo es una función característica de los vehículos eléctricos que puede convertir la energía cinética durante el frenado en energía eléctrica para su recuperación y almacenamiento, extendiendo la autonomía.
(I) Principio Básico: Conversión Bidireccional entre Motor y Generador
Trabajo directo (modo de conducción): El campo magnético giratorio generado por la bobina del estator corta el rotor generando corriente inducida y fuerza electromagnética que impulsa el rotor a girar. El motor convierte energía eléctrica en energía mecánica.
Trabajo inverso (modo de generación de energía): Durante el frenado, la inercia del vehículo hace que las ruedas giren, lo que a su vez hace girar el rotor del motor. En este momento, el inversor se controla para ajustar la frecuencia de la corriente alterna de modo que la velocidad del rotor sea mayor que la velocidad del campo magnético giratorio. El rotor corta el campo magnético para generar corriente inducida inversa y el torque se invierte para lograr la desaceleración. El motor se convierte en un generador que convierte la energía cinética en corriente alterna.
(II) Proceso de Recuperación de Energía
El inversor rectifica la corriente alterna generada por el generador en corriente continua;
El convertidor de CC convierte la corriente continua en un voltaje que coincide con el voltaje de la batería;
La energía eléctrica convertida se almacena en el paquete de baterías. Este proceso puede aumentar la autonomía en más del 10%.
X. Potencia Múltiple: Vehículos Eléctricos Híbridos y de Autonomía Extendida
Además de los vehículos eléctricos puros, los vehículos híbridos y de autonomía extendida son modelos importantes en la etapa de transición, combinando las ventajas del combustible y la electricidad.
(I) Vehículos Eléctricos Híbridos (Vehículos Eléctricos Híbridos)
Estructura central: Equipado con un motor, dos conjuntos motor-generador (MG1 y MG2), un inversor y un paquete de baterías de litio con un mecanismo de engranaje planetario como núcleo.
Modos de trabajo:
Conducción a baja velocidad: El motor no se enciende y MG2 impulsa las ruedas para lograr conducción totalmente eléctrica, reduciendo el consumo de combustible.
Conducción acelerada: La batería suministra energía a MG1 y MG2. MG1 impulsa el motor para arrancar y el motor junto con MG2 impulsan las ruedas para proporcionar potencia fuerte.
Conducción a alta velocidad: El motor es el conductor principal y MG1 actúa como generador para cargar la batería y MG2 mantiene la energía de la batería.
Frenado/desaceleración: MG2 cambia a modo generador convirtiendo la energía cinética de las ruedas en energía eléctrica para cargar la batería.
Ventajas: Sin ansiedad por la autonomía, ecológico con electricidad pura a bajas velocidades, alta eficiencia del motor a altas velocidades, adecuado para condiciones de carretera complejas.
(II) Vehículos Eléctricos de Autonomía Extendida
Estructura central: Equipado con un motor, generador, paquete de baterías y motor. El motor no impulsa directamente las ruedas, solo acciona el generador para producir electricidad.
Principio de funcionamiento:
Cuando la batería tiene carga suficiente, el motor impulsa las ruedas para lograr una conducción totalmente eléctrica;
Cuando la batería tiene poca carga, el motor arranca para accionar el generador y producir electricidad. La energía eléctrica suministra potencia al motor o carga la batería, y el motor siempre es responsable de mover las ruedas.
Esencia: Pertenece a la categoría de tracción totalmente eléctrica. El motor solo funciona como un "banco de energía", resolviendo la ansiedad por la autonomía de los vehículos eléctricos puros y la experiencia de conducción es similar a la de los vehículos eléctricos puros.
XI. Actualización Inteligente: Análisis Técnico del Sistema de Conducción Inteligente
La conducción inteligente es una de las competencias centrales de los vehículos eléctricos. A través de la colaboración de tres sistemas principales: percepción, toma de decisiones y ejecución, se realiza la conducción asistida o incluso funciones de conducción autónoma, mejorando la seguridad y conveniencia al conducir.
(I) Sistema de Percepción: Los "Ojos y Oídos" de los Vehículos Eléctricos
El sistema de percepción está compuesto por varios sensores que recopilan datos del entorno circundante para proporcionar una base para la toma de decisiones:
Cámaras: Identifican información visual como líneas de carril, señales de tráfico, peatones y vehículos, apoyándose en algoritmos para analizar riesgos potenciales, pero son muy afectadas por la iluminación.
Radar de onda milimétrica: Detecta la distancia, velocidad y dirección de objetos mediante ondas de radio con un largo alcance de detección (más de decenas de metros), no se ve afectado por la luz ni el clima, compensando las deficiencias de las cámaras.
Radar ultrasónico: Utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para medir la distancia de objetos cercanos, principalmente usado para asistencia de estacionamiento y evitación de colisiones a baja velocidad.
Lidar: Emite haces láser para escanear el entorno circundante, generando mapas 3D con alta precisión en la detección de objetos y puede identificar con exactitud condiciones viales complejas, pero su costo es alto.
(II) Sistema de Toma de Decisiones y Control: El "Cerebro" de los Vehículos Eléctricos
Procesamiento de datos: Fusión y análisis de datos multisource recogidos por el sistema de percepción, eliminando información redundante y extrayendo características clave (como posiciones de obstáculos, información de carriles, señales de tráfico).
Formulación de estrategias: Formular estrategias de conducción según reglas y algoritmos preestablecidos (como modelos de aprendizaje profundo), incluyendo instrucciones de operación como aceleración, desaceleración, dirección, cambio de carril y estacionamiento.
Interacción hombre-máquina: Cuando el sistema no puede manejar situaciones de emergencia, recuerda al conductor que tome el control del vehículo mediante señales sonoras y luminosas para garantizar la seguridad en la conducción.
(III) Sistema de Ejecución: Convertir Instrucciones en Acciones
El sistema de ejecución recibe instrucciones de toma de decisiones y controla la aceleración, frenado, dirección y otras acciones del vehículo mediante tecnología drive-by-wire. Principalmente depende de los sistemas drive-by-wire de acelerador, freno y dirección mencionados anteriormente para asegurar la precisión y oportunidad en la ejecución de las instrucciones.
(IV) Normas de Clasificación para la Conducción Inteligente
Según la clasificación de la Society of Automotive Engineers (SAE), la conducción inteligente se divide en niveles del 0 al 5:
Nivel 0: Sin automatización, totalmente operado manualmente por el conductor sin funciones auxiliares.
Nivel 1: Conducción asistida, el sistema proporciona automatización limitada (como control de crucero adaptativo, aviso de salida de carril) y el conductor debe controlar el vehículo en todo momento.
Nivel 2: Conducción autónoma parcial, el sistema puede controlar simultáneamente la aceleración y la dirección (como asistencia de mantenimiento de carril, asistencia en atascos), el conductor debe mantener la atención y estar listo para tomar el control en cualquier momento.
Nivel 3: Conducción autónoma condicional, el sistema completa la mayoría de las operaciones de conducción en entornos específicos (como autopistas), el conductor no necesita observar en todo momento pero debe tomar el control cuando el sistema lo recuerde.
Nivel 4: Conducción autónoma de alto nivel, el sistema asume todas las tareas de conducción en áreas cubiertas por mapas de alta precisión sin intervención del conductor (como navegación urbana y estacionamiento automático).
Nivel 5: Conducción totalmente autónoma, que permite la conducción autónoma en todo tipo de clima y terreno; el conductor no necesita realizar ninguna operación y puede concentrarse en otras actividades.
Actualmente, la conducción inteligente de los vehículos eléctricos principales está mayormente en la etapa de nivel 2, conducción asistida avanzada. La conducción autónoma de nivel 3 y superior aún está en fase de prueba y promoción. La conducción totalmente autónoma (nivel 5) aún necesita superar múltiples obstáculos como la tecnología y la regulación.
XII. Resumen: Núcleo técnico y tendencias de desarrollo de los vehículos eléctricos
El funcionamiento de los vehículos eléctricos es el resultado del trabajo colaborativo de componentes clave: el motor proporciona potencia como el "corazón", la batería de litio almacena energía eléctrica como la "fuente de energía", el sistema de control electrónico coordina y controla como el "cerebro", la transmisión, suspensión y chasis aseguran la estabilidad de la conducción, los sistemas drive-by-wire y de conducción inteligente mejoran la experiencia de control, y los sistemas de carga y frenado regenerativo resuelven el problema del suministro de energía.
Desde la perspectiva del desarrollo tecnológico, los vehículos eléctricos están evolucionando hacia la dirección de "más eficientes, más seguros, más inteligentes y más respetuosos con el medio ambiente": los motores mejorarán aún más la eficiencia energética y la densidad de potencia, las baterías de litio se desarrollarán hacia una mayor densidad energética, una velocidad de carga más rápida y una vida útil más larga, la conducción inteligente avanzará gradualmente desde la asistencia hasta la conducción autónoma de alto nivel, y el chasis modular y la tecnología drive-by-wire promoverán la estandarización y diversificación del desarrollo y la investigación de modelos.
Cabe destacar que, aunque la tecnología de vehículos eléctricos está cada vez más madura, los problemas de seguridad aún deben tomarse en serio: ya sea la gestión térmica de la batería, la fiabilidad de la conducción inteligente o la estabilidad de los sistemas drive-by-wire, se requiere una optimización continua. Para los consumidores, mientras disfrutan de la conveniencia que brindan los vehículos eléctricos, también deben mantener la conciencia de seguridad, especialmente en el modo de conducción inteligente, y estar preparados para tomar el control del vehículo en cualquier momento para garantizar la seguridad del viaje.
La aparición de los vehículos eléctricos no solo ha cambiado la forma de transporte, sino que también ha promovido la transformación de la estructura energética y la modernización industrial. Con el continuo avance tecnológico, los vehículos eléctricos del futuro estarán más cerca de las necesidades del usuario, convirtiéndose en la opción principal para un viaje sostenible y sentando las bases para construir un ecosistema de transporte verde e inteligente.
