​Compresor de accionamiento eléctrico eBooster Gen2 de BorgWarner

La transición hacia la electrificación de los sistemas integrados en los vehículos ha ampliado el uso de métodos de carga con apoyo eléctrico con las últimas mejoras que hoy son posibles gracias a los avances en electrónica de potencia y a tensiones más elevadas. Impulsada por estos cambios en las necesidades de la industria, BorgWarner ha lanzado la 2ª generación de su eBooster. Además de mejoras en su funcionamiento y en su durabilidad, las novedades de este compresor de accionamiento eléctrico incluyen una eficiencia eléctrica y un nivel de ruidos, vibraciones y dureza (NVH) mejorados, además de un tamaño más compacto que lo hacen compatible con los motores pequeños modernos.

Introducción

Reducir el consumo de combustible a través de una reducción del tamaño y de la cilindrada ("downsizing") y de la velocidad ("downspeeding") de los motores es cada vez más importante para una industria automotriz que trabaja por cumplir las estrictas normas sobre emisiones. Además, se necesitan un par mínimo y un régimen transitorio del motor mejorados para ofrecer a los conductores una experiencia al volante más placentera. Para dar con la clave que les permita ofrecer tanto un buen rendimiento como un uso eficiente del combustible, los principales fabricantes de equipos originales han decido aplicar distintos métodos de electrificación del grupo motor, como los sistemas eléctricos de 48 voltios. La segunda generación del eBooster de BorgWarner ofrece mejoras significativas tanto en la eficiencia como en el rendimiento de la alimentación eléctrica de alta tensión, porque proporciona sobrealimentación eléctrica de gran potencia para alcanzar un mayor par de motor mínimo y una respuesta transitoria sin demora o "lag" del turbo.

El uso de compresores de accionamiento eléctrico sigue aumentando y favoreciendo la electrificación de los vehículos, porque permite alcanzar nuevos umbrales de tensión y lograr avances en la tecnología empleada en el motor eléctrico, en los sistemas electrónicos y en los microprocesadores. Diseñado como un sistema de dos etapas donde el turbocompresor se ocupa del funcionamiento a plena carga, el eBooster de la segunda generación de BorgWarner es capaz de aumentar al máximo la eficiencia a cargas bajas. Con una respuesta más rápida y una generación de presión de sobrealimentación eficiente, este innovador compresor es capaz de proporcionar 10 kW a niveles de potencia de 48 V en motores mucho más pequeños. La mayor potencia del motor se obtiene separando la sobrealimentación eléctrica del turbocompresor, de modo que se puede ajustar a una mayor potencia, lo que permite reducir la presión en el colector de gases de escape y mejorar el intercambio de gases.

Innovación continua

El compresor de accionamiento eléctrico de 48 V de BorgWarner se lanzó al mercado por primera vez en 2017. Ahora, llega el eBooster de la segunda generación, que se empezó a fabricar en serie a principios de 2020. Durante la fase de desarrollo del modelo "Gen2" se plantearon dos objetivos principales: mejorar la eficiencia del funcionamiento y hacer posible un uso continuo con 2,5 kW. El modelo anterior permitía solo una sobrealimentación transitoria de 5 kW como máx. durante 20 segundos por minuto.

El eBooster de la primera generación se servía de un motor de imán permanente síncrono (PMS) que reducía considerablemente la energía necesaria durante la aceleración, comparado con un motor de reluctancia tradicional. El PMS también mejoraba significativamente tanto el nivel de NVH como la respuesta del motor, además de la densidad y la eficiencia del par. Basándose en estas ventajas, BorgWarner ha decidido conservar el motor eléctrico de imán permanente en su versión más reciente del modelo eBooster. Para mejorar aún más el rendimiento, se han reducido el par de inercia del rotor y del compresor, lo que ha permitido reducir el consumo de energía y acelerar el aumento de par. En la tabla 1 se puede ver una comparación detallada entre los modelos Gen1 y Gen2.

Tabla 1. Principales datos técnicos de los eBooster Gen1 y Gen2.

El eBooster Gen2 incluye muchas mejoras adicionales: un compresor con volante de inercia reducido que aumenta la eficiencia energética, un rotor rígido diseñado para velocidades más elevadas, un nuevo estrangulador EMC diseñado para reducir las pérdidas de potencia y para obtener un mayor efecto de filtrado, un estátor conectado a la electrónica de potencia para reducir la resistencia y mejorar la eficiencia, un microcontrolador con capacidad computacional añadida para el control vectorial (FOC) y un mecanismo de protección de los componentes de software basado en modelos que hace posible un funcionamiento ininterrumpido. En la Fig. 1 le mostramos las secciones transversales del Gen1 y del Gen2, para que pueda ver las similitudes y las diferencias entre ambos.

Fig. 1. Secciones transversales de los eBooster Gen1 y Gen2.

Ventajas de la conmutación sinusoidal

Otra mejora importante del eBooster Gen2 con respecto al Gen1 es el uso de conmutación sinusoidal donde antes se usaba una conmutación en bloque. La conmutación sinusoidal proporciona una transición más suave al tiempo que genera menos rizado en la corriente que la conmutación en bloque, con la que las variaciones son más rápidas. La conmutación sinusoidal reduce también las pérdidas por corrientes parásitas en el motor eléctrico, que puede proporcionar así picos de potencia más elevados y permitir un funcionamiento continuo del eBooster. Con la tensión CC, se genera una conmutación trifásica con amplitud y frecuencia variables para impulsar el motor PMS, y se usa un algoritmo FOC sin sensores para generar señales para los interruptores de los tres medios puentes de la etapa de potencia. En la Tabla 2 se destacan las ventajas de la conmutación sinusoidal frente a la conmutación en bloque.

Tabla 2. Comparativa entre la conmutación sinusoidal y la conmutación en bloque.

Para puntos de operación a tensiones muy bajas o a velocidades muy elevadas con requisitos de par reducidos, el FOC permite que el motor PMS funcione en una zona de debilitamiento del campo magnético, dividiendo las corrientes de fase en dos vectores de corriente de magnetización (id) y corriente de producción de par (iq).

Otras características destacables del diseño del nuevo eBooster Gen 2 son el control más rápido de la corriente y de la velocidad, la medición de la corriente de las tres fases, el tiempo de ciclo de 40 µs del controlador PI, la PWM de 28 kHz, la protección de sobrecarga para hardware y software y la sobrealimentación permanente lograda gracias a la protección de los componentes basada en modelos.

En la Fig. 2 se muestran con detalle las mejoras de rendimiento derivadas del FOC, entre las que se incluyen la potencia y el par del motor eléctrico en comparación con la velocidad del motor eléctrico. La potencia de salida más elevada se alcanza gracias al nuevo filtro EMC, que permite disponer de una alimentación de CC más potente. En los sistemas de 48 V en carga y con un estado de carga razonable, la tensión es normalmente de 42 V. Ahora, los límites con tensión baja y velocidades más elevadas se pueden aumentar en un 55% durante periodos cortos gracias al efecto positivo de la debilitación del campo magnético.

Fig. 2. Mejoría del par y de la potencia en el eBooster Gen2.

Protección de componentes avanzada

Para mejorar la protección de los componentes, la placa de circuito impreso (PCB) del eBooster Gen2 cuenta con tres termistores NTC que miden la temperatura del refrigerante en zonas clave, además de con la electrónica de potencia de la PCB. Para medir estas temperaturas críticas por medio de los sensores se utiliza un modelo muy sofisticado. Con todo ello, una disminución inteligente de la potencia del eBooster garantiza la protección de los componentes basada en las temperaturas máximas admisibles en zonas críticas.

Este modelo basado en las temperaturas protegerá los componentes del eBooster de una carga térmica excesiva incluso en las condiciones más exigentes. Las temperaturas calculadas se convierten en un rango de porcentajes a partir del que se elabora un índice de utilización en el que la temperatura más alta determina el porcentaje del índice de utilización que se transmite a la unidad de control electrónico a través de la interfaz CAN. Así, se pueden definir las advertencias sobre temperatura y una alerta de "temperatura excesiva" de acuerdo con el índice de utilización.

Nuevo diseño del filtro EMC

Como sucedía en el modelo de la primera generación, el eBooster Gen2 cuenta con un filtro EMC entre la PCB principal y la alimentación de CC. Para lograr el objetivo doble de aumentar la potencia y reducir los costes, era necesario replantearse el diseño. Así, se desarrolló un nuevo concepto en el que se optimizó el estrangulador de forma que funcionara como filtro en el modo común y en el modo diferencial.

En el eBooster Gen2, el estrangulador de modo diferencial y el estrangulador de modo común son una sola pieza. En este nuevo diseño, el núcleo de ferrita utiliza el anillo exterior de ferrita como la ruta para el modo común y la lengüeta combinada con un entrehierro y el anillo exterior como una ruta definida del modo diferencial. Esto garantiza pérdidas de CC reducidas debido a la baja densidad de corriente de los embarrados, mientras que el modo diferencial se puede ver influido por el diseño del núcleo, que provoca que el flujo permanezca en su mayor parte en el núcleo de ferrita.

Eficiencia mejorada para soluciones para vehículos comerciales

Gracias a su configuración, el eBooster Gen2 de BorgWarner se puede utilizar también en soluciones para vehículos comerciales con una cilindrada de hasta 5 litros. El aire de combustión adicional que se puede añadir gracias a esta tecnología de sobrealimentación hace posible ahora utilizar motores medianos para reemplazar modelos hasta un 50-60% más grandes sin perder potencia ni par motor, y manteniendo o incluso mejorando al mismo tiempo el comportamiento transitorio. En la Fig. 3 se puede ver una comparativa de los resultados obtenidos en el banco de pruebas dinamométricas con motores estacionarios con distintos conceptos.

Fig. 3. Comparativa de los resultados de las pruebas dinamométricas con motores estacionarios con y sin eBooster.

Resumen

La avanzada tecnología eBooster de BorgWarner contribuye a mejorar los sistemas de turbocompresión convencionales porque permite aplicar el "downspeeding" y el "downsizing" de los motores y, con ello, reducir el consumo de combustible. El modelo más reciente, el Gen2, usa el nivel de 48 V de la red de a bordo para una potencia eléctrica de 7 kW y, gracias a sus controles de motor más sofisticados, ofrece un funcionamiento continuo con 2,5 kW. Con todo ello, se optimiza el par mínimo cuando el motor funciona en estado estacionario. Se han mejorado la eficiencia de la electrónica de potencia, del motor eléctrico y del compresor, con lo que se ha logrado una eficiencia general excelente y una reducción de la carga del sistema eléctrico del vehículo. Además, se han introducido avances adicionales muy importantes en el rendimiento, como la compatibilidad electromagnética y un nivel de NVH mejorado. El eBooster Gen2 proporciona presión de sobrealimentación incluso con el motor a velocidades reducidas, y con un tiempo de aumento del par de menos de 190 milisegundos, lo que garantiza una respuesta excepcional del motor. Estas ventajas están disponibles ahora para soluciones para turismos y para vehículos comerciales.