Pruebas y valores nominales de motores para vehículos eléctricos

Las cifras de un motor para vehículos eléctricos solo son significativas cuando se conocen los límites del ensayo, su duración, la temperatura, la tensión y el punto de funcionamiento. La potencia máxima, la potencia continua, la eficiencia del motor, la eficiencia de la unidad de propulsión, el par en el eje y el par en las ruedas describen mediciones diferentes y no pueden sustituirse entre sí.

Empezar por los límites de la medición

Un motor puede probarse solo en un dinamómetro, con su inversor, con engranajes reductores, como un eje completo o dentro de un vehículo. Cada límite incluye pérdidas diferentes.

La eficiencia del motor compara la potencia mecánica del eje con la potencia eléctrica en los terminales del motor. La eficiencia del conjunto de motor e inversor comienza en la entrada de corriente continua del inversor. La eficiencia de la unidad de propulsión también puede incluir los engranajes, el diferencial, los rodamientos, los retenes, las bombas de lubricación y la potencia de los sistemas de control. La eficiencia de la batería a las ruedas incluye aún más elementos: la resistencia de la batería, los cables, los contactores, los sistemas auxiliares, los neumáticos y otras cargas del vehículo.

Dos resultados con el mismo porcentaje no son comparables hasta que coinciden sus límites de entrada y salida. La dirección también importa, porque la propulsión y la regeneración presentan condiciones diferentes de corriente, tensión y pérdidas.

Par, velocidad y potencia

La potencia en el eje es el producto del par y la velocidad angular:

power = torque × rotational speed

Un par elevado a velocidad cero produce una potencia mecánica nula en ese instante. La potencia aumenta a medida que lo hace la velocidad dentro de la zona de par constante. Por encima de la velocidad base, los límites de tensión y fuerza contraelectromotriz suelen obligar a reducir el par, lo que permite una zona de potencia aproximadamente constante.

Un dinamómetro mide el par y la velocidad del eje. Los instrumentos eléctricos miden simultáneamente la tensión y la corriente de fase o continuas. Para medir la eficiencia con precisión se necesitan mediciones sincronizadas, ya que un pequeño error de sincronización o calibración puede dominar las pérdidas calculadas cuando la eficiencia es elevada.

El par del motor no debe confundirse con el par en el eje o en las ruedas. Un engranaje reductor multiplica el par aproximadamente por su relación y su eficiencia. La fuerza en las ruedas depende después del radio efectivo de los neumáticos.

Potencia máxima, continua y durante 30 minutos

La potencia máxima es la mayor potencia disponible en unas condiciones especificadas. Puede estar limitada por la potencia de descarga de la batería, la corriente del inversor, la corriente del motor, la tensión, la velocidad del rotor, el agarre de los neumáticos o el software, y no solo por el motor. Una cifra máxima sin duración ni temperatura inicial aporta poca información sobre su repetibilidad.

La potencia continua es un concepto de equilibrio térmico: el calor generado en el punto de funcionamiento puede evacuarse sin que las temperaturas sigan superando sus límites. El valor cambia con la temperatura y el caudal del refrigerante, las condiciones ambientales, la temperatura del aceite, la velocidad del vehículo y los componentes que comparten el circuito térmico.

El Reglamento n.º 85 de la ONU define procedimientos para medir la potencia neta y la potencia máxima durante 30 minutos de las cadenas cinemáticas eléctricas utilizadas en la homologación de vehículos. La potencia durante treinta minutos es una medición reglamentada, no un sinónimo universal de potencia continua indefinida. La batería del vehículo también puede limitar la potencia alcanzable en una prueba del vehículo completo.

Estas definiciones explican por qué un vehículo eléctrico puede anunciar una gran potencia de aceleración y, sin embargo, mostrar un valor continuo o durante 30 minutos mucho menor en los datos de homologación. Ambos pueden ser correctos.

Mapas de eficiencia

Un motor no tiene una única eficiencia. Un mapa obtenido en un dinamómetro registra la eficiencia en una cuadrícula de puntos de velocidad y par. Las curvas de nivel muestran dónde es más eficiente la máquina y la amplitud de esa zona.

A baja velocidad y par elevado, la corriente es alta y las pérdidas en el cobre son importantes. A alta velocidad y par reducido pueden dominar las pérdidas en el hierro, las pérdidas aerodinámicas y en los rodamientos, las pérdidas de conmutación del inversor y la corriente de debilitamiento de campo. Cerca del par nulo, las pérdidas fijas son grandes en relación con la potencia útil, por lo que la eficiencia porcentual puede ser baja aunque la pérdida de potencia absoluta sea moderada.

Un mapa de eficiencia debe indicar:

si abarca el motor, el motor y el inversor o la unidad de propulsión completa;
la tensión continua y las condiciones de conmutación del inversor;
las temperaturas y los caudales del refrigerante y del aceite;
la propulsión, la regeneración o ambas;
los límites de par máximo y continuo;
si se incluyen las bombas y los controladores auxiliares;
la incertidumbre de medición y el método de interpolación.

La mejor eficiencia en un punto concreto resulta útil para evaluar el potencial técnico, pero la energía consumida en un ciclo de conducción depende de dónde funciona realmente el vehículo en el mapa.

Pruebas térmicas

Las pruebas térmicas colocan sensores en los bobinados, el estator, el refrigerante, el aceite, los rodamientos, los módulos del inversor y, a veces, el rotor. Algunas temperaturas se miden directamente; otras se basan en la resistencia, en observadores o en modelos calibrados.

Las pruebas en estado estacionario establecen la capacidad continua. Las pruebas transitorias examinan cuánto par máximo puede suministrarse a partir de distintas temperaturas iniciales y con qué rapidez se recupera el sistema. Las aceleraciones repetidas, una velocidad elevada sostenida, la subida de puertos de montaña, el remolque, el uso todoterreno a baja velocidad y la regeneración repetida cargan el sistema de forma diferente.

El componente más caliente puede cambiar con el punto de funcionamiento. Una corriente elevada puede limitar los bobinados del estator o los semiconductores, mientras que una velocidad elevada puede poner a prueba los imanes del rotor, los rodamientos, el aceite o el acero eléctrico. El sistema de control utiliza estos modelos para reducir el par antes de que el hardware alcance una temperatura dañina.

Límites mecánicos y eléctricos

Las pruebas de sobrevelocidad verifican el rotor, el eje, los rodamientos y los sistemas de retención por encima de la velocidad máxima normal, con un margen de seguridad adecuado. Las pruebas de giro pueden realizarse sin carga electromagnética, mientras que las pruebas combinadas en dinamómetro añaden par y calor.

Las pruebas eléctricas abarcan la resistencia de aislamiento, la rigidez dieléctrica, las descargas parciales cuando proceda, el comportamiento ante impulsos, la resistencia de fase, la inductancia, la fuerza contraelectromotriz, la alineación del resolver y el funcionamiento bajo transitorios de tensión del inversor. Los motores de imanes permanentes también requieren comprobaciones de desmagnetización irreversible y de una tensión segura en circuito abierto.

Los programas de durabilidad añaden vibraciones, golpes mecánicos, ciclos térmicos, humedad, sal, exposición al refrigerante o al aceite, contaminación e inversiones repetidas del par. La resistencia de engranajes y rodamientos es esencial cuando el producto evaluado es una unidad de propulsión integrada, y no un motor independiente.

NVH y calidad del par

El par medio puede ocultar ondulaciones. La medición del par de alta resolución y el análisis de órdenes identifican los armónicos electromagnéticos, el par de cogging, los efectos del inversor, el engranamiento, las frecuencias de los rodamientos y las resonancias estructurales.

Las pruebas acústicas utilizan micrófonos, acelerómetros, sondas de corriente y referencias de velocidad para relacionar los tonos audibles con su orden de origen. Es necesario realizar pruebas con par positivo, en retención, durante la regeneración, a distintas temperaturas y con diferentes estrategias de conmutación, porque un punto silencioso a plena carga puede no predecir el ruido del habitáculo con carga ligera.

Normas y repetibilidad

SAE J2907 proporciona una práctica recomendada para caracterizar de forma repetible el rendimiento de los subsistemas de accionamiento por motor de cadenas cinemáticas electrificadas. El Reglamento n.º 85 de la ONU aborda las mediciones de homologación de la potencia neta y la potencia máxima durante 30 minutos. Estos procedimientos responden a preguntas diferentes.

Los laboratorios de investigación y los fabricantes también utilizan métodos internos para los mapas de eficiencia, los límites térmicos, la durabilidad y el NVH. La ausencia de una prueba pública universal implica que los resultados publicados solo deben considerarse comparables cuando se indican el método y los límites.

La repetibilidad independiente exige instrumentos calibrados, temperaturas estabilizadas, fluidos definidos, correcciones para las pérdidas del dinamómetro y el acoplamiento, y un tiempo de estabilización suficiente. La incertidumbre declarada forma parte del resultado, especialmente al comparar sistemas cuya eficiencia difiere en décimas de punto porcentual.

Cómo interpretar las especificaciones del vehículo

Al evaluar una afirmación sobre el motor de un vehículo eléctrico, comprueba:

¿El valor corresponde a un motor, un eje o el vehículo completo?
¿La potencia y el par se miden en el eje del motor, a la salida de la caja de cambios o en las ruedas?
¿La potencia es máxima, durante 30 minutos o continua?
¿Qué tensión y estado de carga de la batería estaban disponibles?
¿El motor y la batería ya estaban calientes?
¿La eficiencia incluye el inversor, la caja de cambios, las bombas y los sistemas auxiliares?
¿La cifra corresponde a un único punto de funcionamiento o al resultado de un ciclo de conducción?

Si faltan estas respuestas, la cifra puede describir el vehículo correctamente, pero no sirve para una comparación técnica detallada.

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