Tecnologías híbridas suaves de 48 V ofrecidas por CPT
Controlled Power Technologies (CPT) entregará dos documentos técnicos en el 80 aniversario del Congreso Mundial SAE que se llevará a cabo en el Cobo Center en Detroit del 8 al 10 de abril de 2014. La primera presentación describe su sistema de recuperación de energía cinética y asistencia de torque SpeedStart; el segundo su sistema integrado de recuperación de energía de gas de turbina conocido como TIGERS . Ambos sistemas se basan en la tecnología de motor-generador de reluctancia conmutada (SR) desarrollada para una nueva generación de vehículos híbridos suaves de 48 V y se encuentran en un alto nivel de preparación para aplicaciones automotrices.
“La regulación R100 de la Comisión Económica para Europa de las Naciones Unidas (CEPE) define sesenta voltios como el límite entre el bajo y el alto voltaje en un circuito de corriente continua, por lo que es un punto crítico donde se puede identificar un cambio radical en el costo del sistema”. dice el director ejecutivo de CPT, Nick Pascoe. “Otros estándares como LV-148 según lo definido por Verband der Automobilindustrie (VDA) están proporcionando una estructura adicional al enfoque de voltaje nominal de 48 V, que permite la recuperación de energía de alta potencia sin exceder los 60 V”.
Velocidad de inicio
El documento SpeedStart de CPT describe la especificación de un Generador de arranque integrado de correa de 48 V (B-ISG) desarrollado para satisfacer la demanda del mercado de aplicaciones de vehículos de pasajeros híbridos suaves de bajo voltaje. Las áreas principales discutidas son las variaciones del vehículo y la aplicación, consideradas en términos de arquitectura eléctrica y mecánica y cómo se transfieren al diseño del motor. El documento se centra en particular en los desafíos de equilibrar la necesidad de personalizar el motor para diferentes aplicaciones frente a la necesidad de mantener variantes comunes para minimizar costos, reducir riesgos y acelerar los ciclos de desarrollo.
“La cantidad de arquitecturas que se están considerando para los sistemas de 48 V sigue creciendo, particularmente en diferentes clases de vehículos”, dice Peter Scanes, gerente senior de SpeedStart, coautor del informe SpeedStart con el ingeniero principal de aplicaciones John Kelly y el ingeniero senior de implementación de sistemas de tren motriz Paul Bloore. . “Esto da como resultado una variedad de requisitos de nivel de sistema de diferentes fabricantes, dictados por los objetivos del vehículo y otros problemas, como el estado de carga de la batería y la capacidad de almacenamiento de energía”.
“Al mantener un núcleo común de laminaciones de rotor y estator y un sistema de refrigeración común , es posible acelerar el desarrollo de cada aplicación. Este núcleo común también brinda una mayor confianza en la solidez de los prototipos, mientras que minimiza el costo de las variantes y respalda aún más el desarrollo de sistemas de 48 V. Las máquinas SR se adaptan idealmente a este concepto de desarrollo de bajo costo, al tiempo que reducen el costo de los componentes de producción. Además, en comparación con otras máquinas eléctricas, tienen una alta eficiencia en un amplio rango de velocidades, buen control y confiabilidad”.
“Para SpeedStart, hemos establecido las reglas de diseño críticas que cubren, por ejemplo, el empaque óptimo y la geometría general de un generador de arranque integrado en la correa de 12,5 kW ”, dice Scanes. “La similitud de las variantes de la máquina permite una variación relativamente fácil del rendimiento para diferentes aplicaciones, incluidas las compensaciones entre el par máximo, la potencia máxima, la potencia de estado estable y otros requisitos de los sistemas eléctricos y mecánicos. El modelado sofisticado de la electrónica de control y potencia, además de la electromagnética del motor, es esencial para esta capacidad y significa que nuestra estrategia de control puede permitir que cada máquina opere más cerca de los límites reales del motor observados en diversos ciclos de trabajo automotrices”.
TIGRES
El documento técnico de CPT que describe su sistema de recuperación de energía de gas integrado turbogenerador conocido como TIGERS se centra igualmente en la simulación, el diseño de máquinas, el desarrollo de sistemas de control y la validación de la tecnología. La unidad se puede aplicar a motores de inducción forzada o de aspiración natural, aunque lo más probable es que se aplique a motores turboalimentados de tamaño reducido como una unidad adicional al turbocompresor existente.
'Aunque motor de combustión Los turbocompresores ahora son comunes, reemplazar un compresor con un generador eléctrico para crear un sistema de recuperación de energía térmica separado, ofrece una serie de desafíos de diseño únicos, particularmente dado que el escape de un vehículo de carretera convencional es un entorno altamente transitorio con respecto al flujo másico y temperatura”, dice Andy Dickinson, gerente sénior responsable de la tecnología CPT TIGERS/COBRA.
“En las aplicaciones de encendido por chispa, los gases de escape pueden alcanzar temperaturas superiores a los 900°C. Teniendo en cuenta que se espera que la máquina de reluctancia conmutada en el corazón de la tecnología TIGERS obtenga energía de los gases de escape, es esencial que no solo sobreviva en este entorno extremo, sino que también produzca trabajo sin arruinar el rendimiento del vehículo o la eficiencia del combustible. Para garantizar que el sistema de cojinetes, el núcleo del generador y la electrónica integrada se mantengan dentro de sus rangos de trabajo, el El sistema de refrigeración aprovecha el refrigerante del motor para funcionar entre 80 y 105 °C. ”
“El concepto de turbogeneración directa, que utiliza una turbina acoplada a un generador eléctrico para extraer la energía potencial y cinética de los gases de escape que fluyen rápidamente, difiere significativamente de estos dispositivos de recuperación de calor residual, que se basan únicamente en la transferencia de calor para extraer energía. Con una turbina especificada correctamente, existe el potencial de recolectar energía eléctrica significativa en una gran proporción del rango operativo del motor, ya que el turbogenerador puede aprovechar tanto la temperatura como el caudal másico de los gases de escape proporcionados por el motor”.
Al igual que con el dispositivo SpeedStart, el generador de reluctancia conmutado enfriado por líquido en el núcleo de la tecnología TIGERS brinda algunos beneficios sobre los generadores de imanes permanentes convencionales. Debido a la ausencia de devanados del rotor, las máquinas SR poseen inercias de rotación bajas, lo que minimiza las pérdidas del rotor . Además, debido a la exclusión de los imanes permanentes, no hay riesgo de pérdida de par debido a la desmagnetización o modos de generación no controlados a alta velocidad. El generador de tipo SR también facilita el ahorro de costos en todo el diseño, incluida una inversión mínima en herramientas debido a la construcción sencilla del motor y una reducción en la clasificación de la electrónica de potencia debido a las bajas frecuencias de conmutación. La capacidad de alta velocidad de 65.000 rpm del generador eléctrico Tigers también facilita una acoplamiento directo a la turbina en lugar de un juego de engranajes de reducción.
Al comentar sobre su enfoque en la tecnología híbrida suave de 48 V, la gestión de energía y los sistemas de recuperación, el director ejecutivo de CPT, Nick Pascoe, dice: “Hay un impulso continuo dentro de la industria automotriz por tecnologías de vehículos con bajas emisiones de carbono. El nuevo estándar de 48 V CC brinda la oportunidad de un enfoque rentable basado en la reluctancia conmutada tecnología de generador de motor con integrado electrónica de potencia y software de control. La tecnología SR no solo elimina la necesidad de imanes permanentes hechos de materiales de tierras raras cada vez más difíciles de obtener, sino que también es especialmente adecuada para el refuerzo eléctrico y la recuperación de energía en motores de gasolina y diésel de tamaño reducido. Nuestras diversas aplicaciones de tecnología de motor-generador de reluctancia conmutada de bajo voltaje ahora se acercan al nivel de preparación requerido por los fabricantes de automóviles para cumplir con los requisitos a corto plazo. CO europeo 2 niveles de emisión: reducción adicional a un valor indicativo de 68-78 g/km para 2025 .”