Por Rebecca Martineau
Kevin Bennion, investigador senior y líder de tareas en el proyecto de inversor de carburo de silicio, evalúa tecnologías experimentales de gestión térmica para accionamientos eléctricos. Foto de Dennis Schroeder, NREL
A medida que la popularidad de los vehículos eléctricos (EV) aumenta, las tecnologías innovadoras deben satisfacer la creciente demanda de energía aumentando significativamente la eficiencia del sistema. Aunque los vehículos eléctricos ligeros han sido el foco de muchas iniciativas de electrificación, los camiones pesados representan el 39% de las emisiones de gases de efecto invernadero en el sector del transporte.
La electrificación de los vehículos eléctricos de servicio pesado es parte integral de los esfuerzos de descarbonización, pero los componentes del vehículo deben estar diseñados para manejar más energía mientras continúan regulando las temperaturas de operación.
Un sistema de gestión térmica de última generación desarrollado por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) en colaboración con John Deere promete aumentar significativamente la densidad de potencia de los inversores de carburo de silicio (SiC) en aplicaciones de vehículos eléctricos de servicio pesado. Dentro de las aplicaciones de servicio pesado, el inversor de potencia es responsable de controlar el flujo de energía entre los sistemas eléctricos de CC y CA para hacer funcionar sistemas de vehículos, accesorios y máquinas eléctricas, como motores y generadores. Un inversor de alta eficiencia es un componente fundamental necesario para las alternativas de vehículos ecológicos que reducen las emisiones de gases de efecto invernadero, como los vehículos híbridos, totalmente eléctricos o de pila de combustible. Estudios recientes indican que el diseño mejorado del inversor cuenta con un aumento del 378% en la densidad de potencia con respecto a los inversores anteriores solo de silicio.
“La clave de las innovaciones de diseño de NREL para la gestión térmica de SiC es mejorar el coeficiente de transferencia de calor, lo que permite que este sistema se enfríe de forma eficiente y continua durante el funcionamiento con el refrigerante del motor”, dijo Kevin Bennion, investigador senior de NREL y experto en gestión térmica. “Este diseño facilita una densidad de potencia inigualable y mantiene el sistema funcionando de manera segura y eficiente”.
El sistema de gestión térmica del inversor de SiC se probó en cargadores híbridos John Deere, similar al que se muestra en la imagen. Foto cortesía de John Deere
En general, los vehículos de servicio pesado exigen más potencia y un par mucho más alto durante el funcionamiento que el sedán medio de servicio ligero. La investigación líder de NREL en la gestión térmica del módulo de potencia de banda ancha ayudó a reducir la huella de los componentes, mejorar el rendimiento y la eficiencia, y respaldar el funcionamiento de mayor frecuencia de los inversores de SiC para aplicaciones de servicio pesado.
Sin embargo, las salidas de potencia dependen de los límites de temperatura máxima del módulo de potencia del inversor, que corre el riesgo de sobrecalentarse y apagarse. Como resultado, los investigadores de NREL desarrollaron un sistema de gestión térmica de última generación para optimizar la eficiencia del sistema mientras regulan las temperaturas de funcionamiento de los módulos de SiC enfriados directamente con refrigerante de agua y etilenglicol a 115 ° C. La tecnología desarrollada por el equipo de NREL ha sido ampliamente evaluada por el equipo de ingeniería de John Deere dirigido por el Dr. Brij Singh.
“A partir de 2015, las contribuciones de NREL han sido extremadamente valiosas en la ejecución exitosa y la finalización de tareas impactantes en el proyecto PowerAmerica financiado por el DOE con John Deere”, dijo el Dr. Singh. “Este proyecto ha dado como resultado la demostración en el vehículo de la tecnología de inversor de SiC de alta temperatura”.
Una solución simplificada para optimizar la transferencia de calor
Una estrategia común para la gestión térmica de los inversores EV es ejecutar un refrigerante líquido en paralelo sobre la superficie del componente para transferir calor y enfriar el sistema rápidamente. El sistema avanzado diseñado en NREL incorpora un flujo de chorro perpendicular con sistemas de enfriamiento basados en mini canales y mini colectores para extraer calor del inversor y del módulo de potencia. Este diseño permite un impresionante coeficiente de transferencia de calor, tan alto como 93,000 vatios por metro cuadrado por grado Kelvin (W /[m2-K]) que es más de cuatro veces mayor que los sistemas comerciales actuales.
Ilustración de un módulo de potencia con disipador de calor integrado que muestra un flujo de chorro perpendicular extrayendo calor
El sistema de gestión térmica integrado de NREL incorpora un flujo de chorro perpendicular para extraer calor del sistema. Figura de Emily Cousineau, NREL
Además, el diseño NREL utiliza el sistema de enfriamiento del motor diesel existente para una arquitectura simplificada con capacidad de refrigerante del motor. Los inversores convencionales de servicio pesado requieren un sistema de refrigeración independiente para funcionar correctamente y, al mismo tiempo, garantizar la durabilidad de los inversores. Al eliminar la necesidad de un circuito de enfriamiento separado, la novedosa investigación térmica y termomecánica de NREL contribuyó a que el inversor lograra una asombrosa densidad de potencia de 43 kilovatios por litro. Esta es una mejora del 378% con respecto a los sistemas de silicio de referencia.
Mejoras del mundo real en la eficiencia del combustible
Las innovaciones térmicas y mecánicas en el diseño de SiC redujeron significativamente la huella del inversor, creando un sistema más pequeño y liviano. El peso total más ligero y el rendimiento mejorado tienen claros beneficios para la eficiencia del combustible y los costos operativos.
“La tecnología de inversor SiC se destaca entre todas las tecnologías de la competencia en términos de eficiencia energética, ahorro de combustible, rendimiento e integración de sistemas”, dijo Bennion. “Con el costo superior del convertidor de potencia de SiC, es probable que la adopción en el mercado de esta nueva tecnología se lleve a cabo donde esos factores sean más importantes que el costo inicial. Creemos que este inversor tendrá un impacto significativo en aplicaciones militares, de aviación y de maquinaria pesada “.
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Artículo cortesía de NREL.
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