“eFan apoya a nuestros clientes en la transición a vehículos comerciales electrificados”

AutoRevista.- ¿Puede describir el eFan de BorgWarner y cómo se desarrolló?

Ralf Christmann.- El eFan es un ventilador de refrigeración de alto voltaje para vehículos comerciales eléctricos. Consta de un ventilador abierto o de anillo de gran diámetro, un motor eléctrico para accionar el ventilador y un inversor para convertir la corriente continua de la batería en la corriente alterna necesaria para alimentar el motor.

Cinco variantes de ventilador ofrecen opciones de alto voltaje para los segmentos de camiones ligeros y camiones pesados. El modelo superior, eFan 40, tiene una potencia nominal de 40 kW para accionar ventiladores con diámetros de 650 a 864 mm. Se trata de un eFan de alto par que utiliza un motor de flujo axial como fuente de energía. Para aplicaciones de menor demanda, hay cuatro modelos más pequeños: eFan 5, 10, 15 y 20, con potencias nominales de 5, 10, 15 y 20 kW. Nuestros esfuerzos de optimización aerodinámica redujeron el par necesario para estos modelos, por lo que están accionados por un motor síncrono de imanes permanentes de flujo radial.

Los ventiladores eléctricos de alto voltaje forman parte de nuestro programa de desarrollo desde hace varios años. Tomando estos ventiladores como punto de partida, utilizamos la optimización numérica multidimensional para afinar la geometría del ventilador, y la dinámica de fluidos computacional para validar el diseño en condiciones que simulan una instalación típica de un cliente. Tras la CFD, realizamos un análisis de elementos finitos para comprobar la resistencia a la fatiga.

La acústica del ventilador se evaluó probando prototipos y utilizando simulaciones aeroacústicas asistidas por ordenador. Una vez terminado el diseño del ventilador, utilizamos los cálculos CFD del proceso de optimización para especificar el motor eléctrico y el inversor.

AR.- ¿Por qué se necesita un ventilador potente para un vehículo eléctrico si no hay motor de combustión interna que refrigerar?

R.C.- El eFan reproduce la función del ventilador principal de refrigeración accionado por el motor en un vehículo con motor de combustión interna. El ventilador sigue siendo necesario en un eCV porque, a pesar de sustituir el motor por un tren motriz eléctrico, hay otros sistemas que requieren refrigeración, como la batería de alto voltaje, los inversores y los motores de tracción y, si están instaladas, las resistencias de frenado.

Dependiendo de si se trata de un vehículo eléctrico de batería o de un vehículo eléctrico de pila de combustible alimentado por hidrógeno, los eCV de mayor rendimiento necesitan aún más capacidad de refrigeración y flujo de aire para adaptarse al tamaño de las resistencias de frenado o de los módulos de pila de combustible utilizados.

Los eCV de mayor rendimiento necesitan aún más capacidad de refrigeración y flujo de aire para adaptarse al tamaño de las resistencias de frenado o de los módulos de pila de combustible utilizados.

AR.- ¿A qué retos se enfrentaron al diseñar este producto y cómo los superaron?

R.C.- El eFan de alto voltaje exige mucha potencia para funcionar -desde 5 kW para un camión ligero, hasta 40 kW para un vehículo pesado-, lo que agota la capacidad de la batería. Como esto está directamente relacionado con la distancia que puede recorrer el vehículo, tuvimos que encontrar la forma de minimizar el derroche de energía y optimizar el rendimiento del ventilador y las eficiencias del motor eléctrico y del inversor en un paquete limitado en la parte delantera del camión. Un gran ventilador y un motor eléctrico también generan ruido, que debe estar dentro de los límites definidos por la legislación sobre emisiones sonoras. Esto es aún más importante porque todo el sistema de propulsión electrificado funciona con niveles de ruido muy bajos en general.

Utilizamos la dinámica de fluidos computacional y la aeroacústica asistida por ordenador para diseñar un impulsor de ventilador con un alto rendimiento aerodinámico

Para superar estos dos retos, utilizamos la dinámica de fluidos computacional y la aeroacústica asistida por ordenador para diseñar un impulsor de ventilador con un alto rendimiento aerodinámico, que reduce la fricción y ahorra energía. La mayor eficiencia del flujo de aire nos permitió reducir la velocidad de giro y el consumo de energía del motor eléctrico a un nivel en el que desarrolla un par suficiente para accionar el ventilador, pero minimiza los niveles de presión sonora.

AR.- ¿Qué problemas resuelve el eFan para los clientes?

R.C.- Las nuevas estrategias de refrigeración desempeñan un papel fundamental en el desarrollo de vehículos eléctricos de alto voltaje, pero hasta ahora no existía en el mercado una gama completa de motores e inversores de 800 V que cumpliera los requisitos de vida útil de un eCV de gran potencia.

El eFan 40, el más potente de la gama, es especialmente eficaz en vehículos que utilizan varios radiadores intercalados. Esta disposición del intercambiador de calor aprovecha la presión dinámica desarrollada por el movimiento de avance del vehículo, pero en parada o a baja velocidad el efecto estrangulador de los radiadores ahoga el flujo de aire de refrigeración. A pesar de su tamaño compacto, el eFan 40 supera la elevada presión estática para sustituir o complementar el flujo de aire, incluso en un espacio de instalación reducido.

La seguridad encabeza la lista de requisitos de los OEM a la hora de adoptar un nuevo producto en la gama de alta tensión. Cada OEM tiene sus propios criterios en materia de protección de las instalaciones electrónicas de potencia de alta tensión, por lo que el concepto de inversor desarrollado para el eFan debía cumplir sus normas de seguridad funcional en todas las situaciones de conducción, incluida una colisión del vehículo. Lo conseguimos diseñando un inversor que puede integrarse en la carcasa del motor eléctrico o montarse externamente.

AR.- ¿Cómo contribuye el eFan a los objetivos de sostenibilidad de BorgWarner?

R.C.- El eFan facilita la electrificación de vehículos pesados que, de otro modo, no podrían refrigerarse de forma rentable a lo largo de una prolongada vida útil: está contribuyendo a eliminar los motores de combustión interna que queman combustibles fósiles y sus nocivos gases de escape del transporte de mercancías por carretera en favor de cadenas cinemáticas neutras en emisiones de CO2.

Los ventiladores están diseñados para ofrecer una alta eficiencia aerodinámica, reduciendo la resistencia para ahorrar energía de la batería, aumentar la autonomía del vehículo y reducir el uso de los recursos necesarios para recargar la batería. La aerodinámica optimizada también minimiza los niveles de presión sonora para reducir la contaminación acústica.

Reducir el consumo de energía y lograr un ahorro de costes en el proceso de fabricación fue otro de los objetivos cuando diseñamos el eFan. Para el motor de flujo axial del eFan 40, los costes se redujeron introduciendo nuevos procesos de fabricación para su rotor. Del eFan 5 al eFan 20, la escalabilidad y modularidad del motor electrónico de flujo radial hace que se utilicen muchos componentes idénticos o similares en cada modelo para optimizar el uso de materiales, como bobinados de cobre, láminas del estator e imanes de tierras raras.

eFan también respalda los propios objetivos de crecimiento eléctrico de BorgWarner

AR.- ¿Cuál es el potencial futuro del eFan?

R.C.- El sistema eFan apoya a nuestros clientes en la transición a vehículos comerciales electrificados, ayudándoles a cumplir los objetivos de emisiones de CO2. Antes de su producción en serie, ya ha sido seleccionado por los principales fabricantes de vehículos comerciales para sus vehículos de transporte por carretera de larga distancia propulsados por pilas de combustible eléctricas y de hidrógeno, tanto en el mercado europeo como en el norteamericano. Otros grandes fabricantes también están dispuestos a adoptar la nueva tecnología.

Se espera que la producción comience a finales de 2024 con volúmenes iniciales de más de 3.000 unidades, que aumentarán hasta casi 74.000 en 2031. Nuestra adquisición de Drivetek AG el pasado mes de diciembre mejora aún más la experiencia y las capacidades de BorgWarner en materia de inversores para respaldar el crecimiento previsto del negocio de eFan.

eFan también respalda los propios objetivos de crecimiento electrónico de BorgWarner: nuestro objetivo es generar más del 25% de los ingresos totales a partir de vehículos eléctricos para 2025, crecer hasta el 45% de ingresos por vehículos eléctricos para 2030 y ser neutros en carbono en nuestras operaciones para 2035.

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Entrevista publicada en AutoRevista 2.384