Cómo abordar los retos de detección de corriente en el control de motores de automóviles

Charles Flatot-Le Bohec, Gerente Global de Producto para el Control de Motores en el sector automotriz de LEM, analiza la evolución de los dispositivos de detección de corriente utilizados en el control de motores automotrices. Su análisis abarca las tendencias recientes, las innovaciones tecnológicas y las proyecciones futuras en este campo, destacando la importancia de estos dispositivos para mejorar la eficiencia y el rendimiento de los vehículos.

En la actualidad se acepta de forma generalizada que los vehículos eléctricos (VE) alimentados por baterías son mejores para el medio ambiente si se comparan con los basados en motores de combustión interna (MCI). Desde el punto de vista de la ingeniería, los VE se diseñan con más rapidez porque tienen menos piezas, no incorporan una mecánica compleja con fluidos y sus componentes electrónicos tienen una fiabilidad demostrada. Además, una vez en funcionamiento, su software se puede actualizar de forma inalámbrica.

Desde la perspectiva del usuario, los vehículos eléctricos (VE) ofrecen una eficiencia energética superior y son considerablemente más sostenibles. No generan emisiones de gases nocivos, no presentan fugas de combustible ni vibraciones significativas. Además, los costos operativos a largo plazo son comparables a los de los vehículos equipados con motores de combustión interna, gracias a la reducción de costos de mantenimiento y de energía.

Los VE se ven beneficiados por la continua innovación de la industria electrónica, que en paralelo aborda diversos retos relacionados con el diseño y la tecnología. Un ejemplo típico es el acceso más sencillo y económico al carburo de silicio (SiC), un material que facilita la gestión térmica al producir menos pérdidas. La caída de precios de los semiconductores avanzados, junto con la floreciente variedad de competidores y dispositivos, hacen que los sistemas para VE sean cada vez más inteligentes, optimizados y económicos, todo lo cual fomenta la adopción generalizada de los VE.

Sensores de Corriente en el Control de Motores de Vehículos Eléctricos

Los VE son “bestias” eléctricas y la corriente circula por sus “venas”; desde la gestión de la batería y el control del motor hasta los cargadores de a bordo, entre otros. Gestionar esta corriente es primordial con el fin de que estos vehículos funcionen de manera óptima y de evitar riesgos para la seguridad; de ahí que se utilicen sensores de corriente. Los sensores de corriente monitorizan y miden con exactitud la corriente que fluye a través del motor, permitiendo así un funcionamiento adecuado, además de proteger el sistema y al usuario.

En el control de motores, la medición de la corriente es fundamental para gestionar y regular de manera efectiva tanto el par como la velocidad del motor. Para asegurar que el inversor proporcione el nivel adecuado de corriente al motor, la salida de los sensores de corriente se integra en el lazo de control del inversor. Esto permite ajustes en tiempo real, optimizando así el rendimiento del sistema y garantizando una operación eficiente y segura.

El sensor de corriente también protege el hardware frente a las fluctuaciones de la corriente y el embalamiento térmico. Una corriente excesiva puede dañar componentes como transistores o barras colectoras, e incluso pueden provocar daños irreversibles. El sensor monitoriza la corriente y activa una alarma del sistema, o incluso su apagado, si no se ajusta a ciertos límites. Por tanto, es importante que los sensores de corriente sean muy exactos.

Como protección frente a situaciones peligrosas, una estrategia de seguridad funcional, que también incorporan los sensores de corriente, garantiza que el vehículo puede entrar en modo seguro si se producen tales situaciones de peligro.

En un motor trifásico, cada fase está equipada con su propio sensor de corriente independiente, colocado a la salida del inversor. Esto permite monitorear la corriente de cada fase y asegurar que la suma de las corrientes de las tres fases sea siempre cero, lo que es fundamental para equilibrar la carga y garantizar un funcionamiento eficiente y estable del motor.

Para ello pueden bastar dos sensores de corriente, y la corriente de la tercera fase se obtiene a partir de la suma de las otras dos fases. Para aumentar la seguridad y la fiabilidad del sistema, los diseñadores tienden a usar tres sensores de corriente dado que la primera “regla” de la seguridad funcional es la redundancia.

Aplicaciones y retos más comunes del control de motores

Figura 1. Aplicación típica de control de un motor con posicionamiento del sensor.

La Figura 1 muestra las tres áreas en las que se necesitan sensores en una aplicación de control de motores. Para ello se puede recurrir a sensores ya disponibles en el mercado o a medida; ambos tipos son ofrecidos actualmente por LEM.

1. La tensión CC de la batería se debe mantener estable en el sistema. Esta función corresponde a la sección del enlace de CC y es realizada por condensadores. Se trata de una etapa importante para monitorizar y medir corriente pero, al ser una sección, su función está siendo sustituida de manera gradual por el sistema de gestión de la batería o la unidad de desconexión de la batería. LEM ofrece varios tipos de sensores de corrientes para esta etapa con diferentes formatos de tipo mecánico como dispositivos monofásicos, HSNDR, HSTDR, HAM y HAH1.
2. En el motor eléctrico, la salida del inversor gobierna cada fase del motor para crear un campo magnético rotativo que alimenta la rotación del motor. La corriente del inversor gestiona el par y la velocidad del motor controlando la frecuencia y la amplitud de la corriente suministrada a cada fase, que exige recurrir a sensores de corriente. Dependiendo del enfoque de la seguridad por parte del fabricante del automóvil, aquí se pueden utilizar dispositivos de detección de dos o tres fases. Un enfoque a seguir es la integración mecánica, que busca minimizar el espacio ocupado y reducir los costos asociados. Esta estrategia implica combinar múltiples componentes en un solo módulo, optimizando así el diseño y la manufactura. LEM ofrece un catálogo formado por HAH2 para dos fases, HAH3 para tres fases y diseños de sensores de corriente a medida.
3. En la etapa de excitación del rotor, el objetivo es medir la corriente continua para controlar el devanado. En esta etapa, los sensores HMSR, GO e ICS avanzado (previsto para este año) son la solución perfecta.

La miniaturización es fundamental para todas estas etapas, y la innovación en los semiconductores proporciona sensores mejores, más inteligentes y económicos. LEM ha respondido con su gama ICS, que ofrece muchas prestaciones en un formato pequeño.

Al desarrollar nuevos dispositivos para detección de corriente, los ingenieros siempre intentan que sean más pequeños, inteligentes y económicos.

Otra manera de conseguir todo esto consiste en incrementar la densidad de potencia de la unidad de detección mediante la integración. Un módulo detector integrado ofrece su mejor rendimiento a lo largo de toda la vida útil gracias a una combinación de calibración total al finalizar su fabricación que permite su implementación directa (plug-and-play), el mejor acoplamiento mecánico y eléctrico, una alta exactitud gracias a la concentración magnética, y una buena supresión de la diafonía gracias al núcleo magnético. No obstante, esta solución puede ser voluminosa y costosa.

Otras opciones para diseñar el sensor de corriente son los que tienen forma de C o U, si bien exigen un mayor esfuerzo de I+D y desarrollo propio, y los resultados que se obtienen son dispares:

• La integración mecánica puede presentar incertidumbres que, con el tiempo, pueden introducir errores debido a tolerancias mecánicas y problemas de acoplamiento. Esto puede resultar en:
• Necesidad de una etapa de calibración exhaustiva para el inversor: Esta calibración es esencial para garantizar el rendimiento óptimo y la precisión del sistema.
• Incremento de costos: Los recursos adicionales de investigación y desarrollo (I+D) necesarios para abordar estos desafíos pueden resultar en mayores gastos, afectando la viabilidad económica del proyecto.

Figura 2. Evolución del sensor de corriente.

La industria se está centrando actualmente en aumentar el grado de integración y en diseños sin núcleo con el fin de disminuir el tamaño y los costes, así como de facilitar el diseño propio (ver
Figura 2). Se trata de semiconductores autónomos proporcionados en encapsulados estándar, que requieren un esfuerzo mínimo para su montaje e integración. No obstante, es fundamental contar con un diseño mecánico adecuado para asegurar un correcto acoplamiento y eliminar la diafonía entre los componentes.

Se esperan continuas innovaciones en el ámbito de los semiconductores para marcar una diferencia fundamental y lograr que el diseño sin núcleo se haga realidad. Un verdadero diseño sin núcleo elimina el núcleo magnético del módulo sensor de corriente y es la mejor opción para reducir el tamaño total del encapsulado, pero impone nuevos formatos y exige resolver algunas dificultades acerca del rendimiento: mejorar la exactitud requiere mejorar el acoplamiento, menos diafonía y mejor linealidad en un rango muy grande de corriente, lo cual a su vez requiere mejores semiconductores, mejores conceptos mecánicos y una mayor colaboración con los fabricantes de automóviles, entre otros aspectos.

Otro gran reto pasa por proporcionar el nivel correcto de seguridad manteniendo bajos los costes. Esto se puede conseguir integrando el diagnóstico en el ASIC.

Retos para la industria

Integración mecánica, seguridad y coste son aspectos primordiales en el desarrollo de soluciones perfectas para aplicaciones de control en automóviles. En estas aplicaciones se producen vibraciones intensas en el eje Z y diafonía, y los sensores pueden sufrir si su calibración es inexacta. Podría haber limitaciones del ancho de banda, así como problemas con las conexiones secundarias a la placa de control.

El diseño integrado en el módulo de potencia resulta de ayuda en este sentido al garantizar el acoplamiento mecánico y eléctrico, optimiza la calibración y mediante la conexión secundaria con ajuste por presión a la placa de control.

LEM colabora estrechamente con los fabricantes de automóviles y sus proveedores de Nivel 1 para desarrollar soluciones conjuntas que aborden de manera efectiva cualquier desafío que pueda surgir en la creación del sistema de control del vehículo.

Por medio de este enfoque de la integración mecánica, y con un proceso de fabricación eficiente, puede ofrecer una calibración más exacta de los sensores. Esto puede necesitar que la calibración sea gestionada por el fabricante del inversor al nivel del sistema.

La estrecha colaboración desde un principio con los equipos de I+D del fabricante del automóvil y los proveedores de Nivel 1 ayudará a alcanzar la mejor integración de la función detectora de corriente en el sistema. No será preciso añadir componentes durante la fabricación y la calibración será exacta y garantizada desde un inicio ya que el sensor forma pare del sistema y ha sido especialmente calibrado para esta tarea. Un ejemplo es la colaboración entre LEM y Semikron Danfoss; en este caso, el sensor de corriente está incorporado y calibrado en la estructura de un módulo de potencia estándar.

En paralelo a la innovación y las alianzas establecidas en el ámbito de las soluciones sin núcleo, como la de Semikron Danfoss, LEM continúa optimizando sus sensores de corriente ya existentes, que siguen siendo muy competitivos sin poner en compromiso su calidad o rendimiento. Recientemente rediseñó su dispositivo HC5, ahora denominado HC5FL.

Para mantener su catálogo de productos en la vanguardia del mercado, LEM ha optimizado los procesos de montaje y mejorado el diseño del núcleo magnético. Además, se prevé el lanzamiento de un nuevo ASIC este año a un precio competitivo, garantizando al mismo tiempo un rendimiento superior del dispositivo.

Productos comerciales o a medida

Encontrar a los socios adecuados, capaces de anticiparse a las necesidades del cliente en una fase inicial y de proporcionar soluciones analizadas de forma detallada y de alto rendimiento, ayudará a las empresas a acelerar su diseño y a acortar su plazo de comercialización. LEM ha expandido su experiencia en el ámbito del control de motores desde la década de 1990, adaptando y actualizando su catálogo de productos para alinearse con las demandas del mercado. Su continua investigación del mercado, junto con su estrecha cooperación con sus clientes, la ha ayudado a anticiparse a las necesidades del mercado, incluso cuando se inician las tendencias.

Más de 50 años de experiencia y de conocimiento de las aplicaciones otorgan a LEM los conocimientos necesarios en ámbitos clave como diseño mecánico, tecnologías de detección, calibración de sensores, diseño de ASIC y desarrollo de software. Esto permite a LEM cumplir las especificaciones del cliente, y al trabajar con los equipos internos de I+D de los clientes pueden codesarrollar las soluciones que necesitan.