¿Cómo se diseñan el sistema de alta tensión y el tren de potencia en los camiones y autobuses eléctricos?

Introducción: Comprensión de los sistemas de alta tensión en camiones y autobuses eléctricos

Como elemento clave para el transporte sostenible, los vehículos eléctricos dependen en gran medida de arquitectura de alta tensión para ofrecer eficiencia, seguridad y fiabilidad.c

En los vehículos eléctricos (VE) y los vehículos híbridos enchufables (PHEV), por «sistema de alta tensión» se entiende normalmente cualquier sistema eléctrico que funcione por encima del umbral de seguridad convencional. Este sistema se encarga de almacenamiento, distribución, conversión y utilización de energía, lo que lo convierte en un pilar fundamental de la moderna plataformas para camiones eléctricos y plataformas para autobuses eléctricos.

El objetivo de este artículo es ayudar a los fabricantes de equipos originales (OEM), a los integradores de vehículos y a los equipos de ingeniería a comprender mejor el diseño del tren de potencia y arquitectura del sistema de alta tensión utilizado en vehículos eléctricos comerciales. Además, pone de manifiesto las capacidades de Brogen en integración del sistema de baterías, donde integramos paquetes de baterías de tracción estándar de probada eficacia con BMS, gestión térmica de la batería y sistemas de alta tensión para construir sistemas de alimentación fiables para vehículos eléctricos—más rápido y con menos riesgo técnico.

1. Por qué es importante la disposición del sistema de propulsión en los vehículos eléctricos comerciales

El tren de potencia de un vehículo eléctrico es el sistema que convierte la energía eléctrica en movimiento mecánico. Un tren de potencia típico de un vehículo eléctrico consta de:

• Conjunto de baterías de tracción para el almacenamiento de energía
• Inversor para convertir la corriente continua en corriente alterna
• Motor eléctrico para generar par mecánico
• Sistema de transmisión o de reducción para transmitir potencia a las ruedas

En los vehículos eléctricos comerciales, la disposición del sistema de propulsión desempeña un papel decisivo en múltiples aspectos:

1.1 Rendimiento y eficiencia

• Adaptación a ciclos de trabajo complejos
  Los vehículos eléctricos comerciales suelen funcionar en condiciones exigentes, como la conducción con paradas y arranques frecuentes, cargas pesadas, pendientes pronunciadas y recorridos de larga distancia. Las configuraciones optimizadas —como las transmisiones de varias velocidades o los sistemas de doble motor— ayudan a que los motores funcionen más cerca de sus zonas de eficiencia óptima en diferentes velocidades y cargas.
• Mejora del aprovechamiento energético
  Al acortar los recorridos de transmisión de potencia y reducir las pérdidas mecánicas, las soluciones integradas como ejes motores eléctricos puede mejorar considerablemente la eficiencia del sistema de transmisión y ampliar la autonomía del vehículo.

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1.2 Aprovechamiento del espacio y diseño del vehículo

• Aprovechamiento óptimo del espacio para la carga y los pasajeros
  Los vehículos comerciales deben encontrar un equilibrio entre los componentes de propulsión y la capacidad de carga o de pasajeros. Las configuraciones compactas del sistema de propulsión permiten liberar un valioso espacio en el vehículo.
• Permite una colocación flexible de la batería
  La disposición del sistema de propulsión debe coordinarse con integración del sistema de baterías. Un sistema de transmisión compacto permite una mayor flexibilidad en cuanto al tamaño, la ubicación y la capacidad de la batería de tracción de los vehículos eléctricos.

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1.3 Fiabilidad y durabilidad

• Reducción de los riesgos de fallo
  Un diseño racional de la disposición minimiza las tensiones mecánicas, las vibraciones y las interferencias térmicas entre los componentes. Los diseños modulares e integrados mejoran la facilidad de mantenimiento y la fiabilidad del sistema a lo largo de ciclos de funcionamiento prolongados.

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1.4 Control de costes y coste total de propiedad (TCO)

• Menores costes de fabricación y montaje
  Las soluciones integradas, como los ejes eléctricos, reducen el número de piezas, la complejidad del cableado y los pasos de montaje.
• Reducción de los costes operativos
  Una mayor eficiencia del sistema de transmisión reduce el consumo de energía, mientras que una mayor fiabilidad disminuye el mantenimiento y los tiempos de inactividad, factores ambos fundamentales para los operadores de flotas.

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1.5 Inteligencia y escalabilidad futura

• Compatibilidad con funciones inteligentes del vehículo
  El control preciso del par y la rápida respuesta del sistema, gracias a unos diseños optimizados, constituyen la base de hardware para las funciones avanzadas de asistencia al conductor y de conducción autónoma.
• Plataformas de vehículos preparadas para el futuro
  Las arquitecturas escalables del sistema de propulsión facilitan la actualización de la tecnología de las baterías, los motores o las estrategias de control a medida que evoluciona la tecnología de los vehículos eléctricos.

2. Descripción general de la arquitectura típica de un vehículo eléctrico

En el sector de los vehículos eléctricos de China, los tres sistemas de propulsión principales son:batería, motor de tracción y controlador del motor—se conocen comúnmente como los “Tres Grandes”, ya que determinan directamente la autonomía, el rendimiento y la inteligencia.

Sistemas de apoyo como el Unidad de distribución de energía (PDU), Cargador integrado (OBC), y Convertidor CC/CC A menudo se les conoce como los “Tres Pequeños”, y se encargan de la distribución, la conversión y la gestión de la energía.

Arquitectura típica de alta tensión en los vehículos eléctricos comerciales:

Batería de tracción → PDU → Inversor → Motor

La PDU distribuye la energía de alta tensión procedente de la batería al inversor y a los sistemas auxiliares. El inversor acciona el motor, mientras que la información de funcionamiento se transmite al Sistemas de gestión de la batería (BMS) y sistemas de control del vehículo para garantizar un funcionamiento seguro y eficiente.

3. Diferencias clave entre los camiones eléctricos y los autobuses eléctricos

Aunque ambos son vehículos eléctricos comerciales, plataformas para camiones eléctricos y plataformas para autobuses eléctricos dar prioridad a distintos objetivos de diseño.

• Camiones eléctricos centrarse en la capacidad de transportar cargas pesadas, el largo alcance y la adaptabilidad a condiciones operativas complejas.
• Autobuses eléctricos hacen hincapié en la comodidad de los pasajeros, la eficiencia operativa en el entorno urbano, la estabilidad térmica y las funciones de servicio inteligentes.

Ubicación habitual de las baterías y rangos de capacidad

Tipo de vehículo	Colocación de la batería	Capacidad habitual
Furgoneta / Camioneta pequeña	Debajo del chasis	10-50 kWh
Camión ligero / mediano	En el centro, en los laterales, detrás de la cabina	18–160 kWh
Camión pesado	Detrás de la cabina, debajo de la cabina	200-600 kWh
Autobús / Autocar	Techo, parte trasera o suelo	100-500 kWh

La ubicación de la batería influye directamente en equilibrio del vehículo, estrategia de refrigeración y trazado de los cables de alta tensión, por lo que resulta fundamental planificar el diseño desde el principio.

4. Explicación de los subsistemas clave

4.1 Opciones de disposición del sistema de propulsión

4.2 Diseño de PDU y de sistemas de alta tensión

4.3 Sistema de baterías y gestión térmica

4.4 Integración del sistema de gestión de la batería (BMS) y del control del vehículo

5. Retos habituales en el diseño de sistemas de baterías

El diseño de sistemas de baterías se enfrenta a tres retos principales: limitaciones de espacio, control térmico y fiabilidad.

5.1 Limitaciones de espacio

• El espacio limitado en el interior del vehículo exige una estrecha integración entre los paquetes de baterías de tracción de los vehículos eléctricos y el chasis.
• El aumento de la densidad energética suele entrar en conflicto con el espacio necesario para los canales de refrigeración, los componentes estructurales y los elementos de seguridad.

5.2 Retos en materia de gestión térmica

• Las operaciones de carga y descarga a alta velocidad generan una cantidad considerable de calor
• La falta de uniformidad de la temperatura acelera el envejecimiento y aumenta los riesgos para la seguridad
• Los climas extremos requieren soluciones tanto de refrigeración como de calefacción

5.3 Fiabilidad y seguridad

• Los conjuntos de baterías de tracción deben soportar vibraciones, golpes y fatiga a lo largo de una vida útil prolongada
• La seguridad eléctrica en alta tensión y la prevención del sobrecalentamiento son prioridades fundamentales en el diseño.

6. Por qué los paquetes de baterías de tracción estándar son una solución práctica

Uso de paquetes de baterías de tracción estandarizados es una estrategia eficaz para hacer frente a estos retos:

• Las dimensiones e interfaces modulares permiten una integración flexible en distintas plataformas de vehículos
• Los diseños contrastados simplifican gestión térmica de la batería y reducir el riesgo de desarrollo
• Las estructuras validadas mejoran la fiabilidad, la seguridad y la facilidad de mantenimiento
• Las configuraciones escalables permiten ajustar la capacidad sin necesidad de rediseñar el sistema
• La producción en serie reduce los costes y acorta los ciclos de desarrollo

Las estrategias estándar para los paquetes de baterías de alta tensión de los vehículos eléctricos se están convirtiendo en un pilar fundamental de los modernos integración del sistema de baterías.

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En un próximo artículo, analizaremos más a fondo cómo las plataformas estandarizadas aceleran el desarrollo de los vehículos eléctricos comerciales y reducen el coste total del ciclo de vida. Si estás evaluando soluciones de baterías de tracción o necesitas ayuda con el diseño de arquitecturas de alta tensión, no dudes en ponte en contacto con nuestro equipo de ingeniería para una consulta técnica o un presupuesto.