El Volkswagen (VW) ID.3 hatchback, presentado en 2019, es considerado uno de los vehículos eléctricos (EV) más vendidos en Europa, y ha abierto un capítulo interesante en el mercado de EV que verá muchos más modelos para 2030. El ID.3 es el primer vehículo completamente eléctrico de VW lanzado en el "ID". familia y representa "una nueva era de movilidad eléctrica para todos".
El ID.3 destaca el cambio iniciado por la compañía alemana para la transición de motores de combustión a vehículos eléctricos de batería en todas sus marcas, al tiempo que refuerza su estrategia de plataforma de fabricación. La identificación. Esta clase de vehículos se llama el tercer capítulo principal de VW, después del exitoso e icónico Beetle and Golf. Detrás del desarrollo, por supuesto, está la necesidad de cumplir con las regulaciones de emisiones globales.
El Grupo Volkswagen pasó a una estrategia de plataforma modular hace varios años que permite a la empresa compartir módulos y sistemas entre marcas y modelos. Una de las más recientes es la plataforma modular flexible MBQ, introducida en 2012, que está diseñada para compartir tantos componentes como sea posible entre las distintas marcas y, al mismo tiempo, deja un amplio espacio para la personalización y la compatibilidad con una amplia gama de tipos de motores. También puede adaptarse a las dimensiones de diferentes modelos, gracias a la posibilidad de variar la distancia entre ejes (la distancia entre las ruedas delanteras y traseras) y el ancho de la plataforma. El sistema de plataforma apunta a vehículos transversales, de motor delantero y de tracción delantera.
Esta filosofía de fabricación se ha trasladado a la producción de vehículos totalmente eléctricos con la nueva plataforma MEB (matriz de propulsión eléctrica modular), que se adapta a los requisitos de diseño para la movilidad eléctrica. Algunos de los primeros vehículos eléctricos construidos en la plataforma MEB incluyen el ID.3 para el mercado europeo y el crossover ID.4, que se venderá en EE. UU. Y Asia.
Figura 1: Plataformas MEB y MBQ de Volkswagen. Haga clic en la imagen de arriba para ampliarla (Fuente: System Plus Consulting)
La plataforma MEB es una arquitectura escalable que se ha creado exclusivamente para vehículos eléctricos y respaldará todos los modelos de vehículos eléctricos de otras marcas del Grupo VW. También ha sido autorizado para su uso por Ford. Este acuerdo recientemente confirmado es crucial para ayudar a VW a recuperar sus enormes costos de desarrollo y le permitirá mantener los precios bajos a través de economías de escala.
Uno de los factores clave que influyen en la adopción de vehículos eléctricos es el costo. Los consumidores no quieren pagar un sobreprecio. Los elementos de diseño compartidos en la estrategia de la plataforma VW ofrecen ventajas clave, incluido el poder adquisitivo y un desarrollo más rápido, lo que resulta en costos más bajos al tiempo que ofrece un amplio conjunto de soluciones técnicas, todas necesarias para impulsar la adopción de vehículos eléctricos.
En una entrevista con EE Times, Romain Fraux, director ejecutivo de System Plus Consulting, habló sobre las principales innovaciones de hardware implementadas en el compacto y económico ID.3 EV. Sobre la base de las creaciones modulares, el Grupo Volkswagen ha creado varios modelos de diferentes marcas que comparten la misma base.
Desde el Volkswagen Golf hasta el SEAT León, pasando por el Audi A3 Sportback y el Škoda Octavia, entre otros, la plataforma MBQ es lo que los diferencia, y ahora, esta filosofía constructiva la ha trasladado a la producción de coches eléctricos el Grupo Teutónico con el nuevo Plataforma MEB, especialmente para las versiones ID.3 e ID.4, dijo Fraux. Un objetivo ambicioso, es un desafío comercial que explota una la tecnología diseñado para reducir costos y crear productos que estén siempre actualizados, agregó.
El mayor beneficio de una plataforma modular es que permite estandarizar ciertas partes para que puedan usarse para todas las variantes de modelos posibles, dijo Fraux. “Hablamos de piezas estructurales, elementos de soporte, y también los módulos que componen la propia planta y, sobre todo, la mecánica, los motores, las cajas de cambios, la transmisión y el equipamiento”.
La plataforma MEB proporciona flexibilidad en los diseños de carrocería e interior que son decisivos para el carácter estilístico del vehículo, como la distancia entre ejes. También ofrece un sistema de batería escalable con varias posibilidades para el diseño de la batería. El paquete de baterías puede tener una estructura de 5 × 2 celdas o de 6 × 2 celdas; No todas las celdas necesariamente tienen que contener una batería. módulo.
Fraux examinó dos sistemas clave en el ID.3, el primer modelo que se construirá en la plataforma MEB: los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) y la electrificación, como se muestra en Figura 2 y XNUMX.
“Para ADAS, analizamos la asistencia frontal con la cámara de última generación de Valeo y el radar de mediano y corto alcance de Continental”, dijo. “El sistema de advertencia de colisión frontal [incluido en la asistencia delantera] puede ayudar a monitorear el tráfico y puede alertarlo acústica y visualmente de una posible colisión trasera con el vehículo que avanza. Para ADAS, existe el Hella RS4 para monitoreo de punto ciego, asistencia de cambio de carril y alerta de tráfico cruzado trasero ".
“Para la electrificación, analizamos el inversor, el cargador de a bordo y el sistema de gestión de la batería [BMS]”, añadió.
Figura 2: Principales sistemas ADAS y electrificación analizados. Haga clic en la imagen de arriba para ampliarla (Fuente: System Plus Consulting)
Soluciones ADAS
El ID.3 está equipado con una amplia gama de sistemas de asistencia al conductor. Considerado un ADAS de Nivel 2, el ID.3 aprovecha los mismos proveedores y, en la mayoría de los casos, los mismos componentes que el Golf 8, evaluado previamente por System Plus Consulting, construido sobre la plataforma MBQ.
No hubo sorpresas en los sistemas de cámaras, dijo Fraux. "Podemos ver que el diseño de las tarjetas es un poco diferente, pero la elección de los componentes es similar".
El sistema de advertencia de colisión frontal (incluido en la asistencia delantera) puede ayudar a monitorear el tráfico y alertar al conductor acústica y visualmente de una posible colisión trasera con el vehículo que avanza. Si detecta que una colisión es inminente, el frenado de emergencia autónomo (incluido en la asistencia delantera) puede ayudar al conductor con una mayor presión de frenado o, si el conductor no reacciona en absoluto, puede aplicar los frenos automáticamente.
La función de monitoreo de peatones (incluida en la asistencia delantera) puede advertir de los peatones que cruzan por delante del vehículo y, bajo ciertas circunstancias, puede frenar automáticamente para ayudar a mitigar el resultado de una colisión con un peatón si el conductor no responde a las advertencias.
Utilizando la misma cámara que el Golf 8, el asistente de cámara frontal consiste en la placa de cámara frontal de última generación de Valeo con Intel / Mobileye EyeQ4M, OmniVision OV10642 CIS de 1.3 megapíxeles (MP) sensory el microcontrolador (MCU) de 850 bits de la serie RH1 / P32H-C de Renesas.
El sensor de 1.3 MP admite una matriz activa de 1280 × 1080 píxeles y una salida de imagen RAW de hasta 60 fotogramas por segundo. La serie RH850 / P1H-C presenta 32 bits con CPU de doble núcleo, tecnología de seguridad, flash de código, flash de datos, módulos RAM, controladores DMA, muchas interfaces de comunicación que se utilizan en aplicaciones automotrices, convertidores A / D, unidades de temporizador, etc.
Figura 3: Placa de la cámara frontal de Valeo. Haga clic en la imagen de arriba para ampliarla (Fuente: System Plus Consulting)
El radar frontal presenta la tecnología de 77 GHz de quinta generación de Continental con un diseño de dos placas. Consiste en el MMIC 3Tx4Rx de un solo chip de NXP en un WLCSP y una MCU de 32 bits. Una placa se utiliza para calcular el control y la otra para la detección.
Figura 4: Sistema de radar de asistencia delantera de Continental. Haga clic en la imagen de arriba para ampliarla (Fuente: System Plus Consulting)
Similar al Golf 8, el Hella RS4 cuenta con monitoreo de punto ciego, asistente de cambio de carril y alerta de tráfico cruzado trasero. La placa consta del TC26x TriCore MCU de Infineon y el STRADA431 MMIC de STMicroelectronics. El STRADA431 es un transceptor de un solo chip para radares automotrices que cubre la banda de frecuencia de 24 a 24.25 GHz para cumplir con las aplicaciones de la banda ISM.
Sistemas de electrificación
El sistema de propulsión de un vehículo eléctrico implica varias soluciones, desde el cargador de a bordo hasta la batería y su sistema de gestión. La batería actual impulsa el costo total, y esto está determinado principalmente por el costo por celda y su carcasa de protección mecánica.
Las cuatro partes principales de los sistemas eléctricos del ID.3 son el convertidor CC / CC de Bosch, el sistema de gestión de la batería (BMS) de Huber Automotive, el inversor de Valeo-Siemens y el cargador de a bordo de Kostal (Figura 5 y XNUMX). El ID.3 está equipado con un motor montado justo delante del eje trasero y una transmisión de una sola velocidad y utiliza un motor eléctrico de imán permanente sin escobillas APP 310. La abreviatura “APP” significa que el motor y la transmisión están dispuestos en paralelo a los ejes, mientras que el número representa el par máximo, capaz de generar 310 Nm. Este número da una idea de la aceleración.
Figura 5: Principales sistemas de electrificación. Haga clic en la imagen de arriba para ampliarla (Fuente: System Plus Consulting)
En el corazón del ID.3 está la batería. Hay tres tamaños de batería disponibles: 45 kWh (con una autonomía de hasta 330 km), 58 kWh (con una autonomía de hasta 420 km) y la más grande, 77 kWh con una autonomía de 550 km. Este último tiene 12 módulos, cada uno de los cuales consta de 24 celdas de iones de litio. Funciona a 408 V y también se puede recargar con corriente continua, hasta 125 kW.
La batería tiene un sistema de enfriamiento líquido dedicado para una gestión óptima de la temperatura y está alojada en una carcasa de aluminio que también tiene un marco amortiguador integrado para mantener la integridad de los componentes internos.
El inversor, como se muestra en Figura 6 y XNUMX, está diseñado por Valeo Siemens y utiliza Infineon IGBT y tecnologías MCU con CPLD de Intel. El IGBT de Infineon es FS820R08A6P2B (820 A/750 V): un módulo de seis paquetes optimizado para inversores de 150 kW. El módulo de potencia implementa la generación de chips IGBT EDT2, que es un diseño de celda de parada de campo de zanja con micropatrón automotriz. El chipset tiene una densidad de corriente de referencia combinada con cortocircuitos.circuito robustez y mayor bloqueo voltaje para un funcionamiento fiable del inversor en condiciones ambientales adversas.
Figura 6: Desmontaje del inversor. Haga clic en la imagen de arriba para ampliarla (Fuente: System Plus Consulting)
El inversor consta de tres etapas. La primera es la etapa de entrada que genera un voltaje de CC desde el paquete de baterías y consta de varios condensadores y filtros EMI. La segunda etapa es la conversión CC/CC mediante un enlace CC. condensador, que filtra y suaviza la tensión continua en los carriles del bus de CC. La última etapa inicia la conversión mediante conmutación de alta frecuencia y entrega la potencia invertida a la carga (motor eléctrico).
El enlace de CC debe equilibrar la potencia instantánea fluctuante que resulta como una "ondulación" generada por las etapas IGBT. Una solución puede utilizar diferentes tecnologías de condensadores, como electrolítico de aluminio, película y cerámica. Las ondulaciones en los nodos del enlace de CC afectan el rendimiento porque cada condensador tiene una cierta cantidad de impedancia (y autoinducción). El costo de este inversor, como señaló Fraux, es de aproximadamente $ 335, principalmente debido a los componentes electrónicos. Los IGBT y MCU de Infineon representan casi el 30% del costo total del inversor. (Figura 7 y XNUMX).
Figura 7: Diagrama de bloques del inversor. Haga clic en la imagen de arriba para ampliarla (Fuente: System Plus Consulting)
El cargador de a bordo es fabricado por Kostal en China, con unas dimensiones de 480 × 313 × 102 mm y un peso de 10.48 kg (Figura 8 y XNUMX). La elección del hardware se dirigió hacia el MCU de Renesas y el IGBT / de Infineon.mosfet, como se muestra en el diagrama de bloques en Figura 9 y XNUMX.
Figura 8: Desmontaje del cargador de a bordo. Haga clic en la imagen de arriba para ampliarla (Fuente: System Plus Consulting)
Figura 9: Diagrama de bloques del cargador de a bordo. Haga clic en la imagen de arriba para ampliarla (Fuente: System Plus Consulting)
Los paquetes de baterías montados en vehículos eléctricos se componen de varios módulos de celdas conectados tanto en serie como en paralelo. El circuito electrónico necesario para la gestión de los módulos de la celda se denomina sistema de gestión de la batería. Un BMS incluye una o más etapas de conversión de energía y un sistema integrado basado en MCU para manejar todos los aspectos relacionados con el subsistema de energía. Durante un proceso de carga o descarga de la batería de un vehículo eléctrico, es obligatorio controlar el estado de cada celda que pertenece al paquete de batería. El BMS de ID.3 consta de cuatro esclavos y un maestro con soluciones de STMicroelectronics y NXP, como se muestra en Figura 10 y XNUMX.
Figura 10: NXP es el principal proveedor de BMS. Haga clic en la imagen de arriba para ampliarla (Fuente: System Plus Consulting)
El BMS gestiona todo el conjunto de celdas de litio (celdas individuales o paquetes de baterías completos), determinando un área de operación segura, es decir, en la que el paquete de baterías garantiza el mejor rendimiento técnico y energético. El BMS es, en la práctica, un sistema electrónico para el control completo de todas las funciones de diagnóstico y seguridad para la gestión de alta tensión a bordo del vehículo y el equilibrio de la carga eléctrica.
Con la creciente adopción de vehículos eléctricos, el impacto en el sector BMS será considerable, ya que los vehículos eléctricos funcionan con decenas o cientos de células. Cualquier mala gestión podría desencadenar grandes problemas eléctricos. Un BMS optimiza el rendimiento del automóvil eléctrico y garantiza la seguridad de la batería.
El artículo original publicado en la publicación hermana EE Times.
Hay muchas, muchas propuestas de terminología alternativa a "amo / esclavo", ninguna de las cuales ha sido ampliamente aceptada. A menudo se confía en el IEEE para determinar la terminología de la industria; la organización está en proceso de hacerlo. Por ahora, en espera de un nuevo estándar o de un consenso emergente, EE Times continúa empleando terminología estándar. Leer: Es hora de que IEEE se retire como 'maestro / esclavo'