Desarrollo de herramientas para la simulación eléctrica y térmica de la red de a bordo de vehículos
- Autores: Paola Mantilla Pérez
- Directores de la Tesis: Pablo Arboleya Arboleya (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Oviedo ( España ) en 2022
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jorge García García (presid.), Cristian Blanco Charro (secret.), Nicolás de Abajo Martínez (voc.), Cristina González Morán (voc.), Bassam Mohamed Abouisa Farag (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Energía y Control de Procesos por la Universidad de Oviedo
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RUO
- Resumen
Por definición, la red de a bordo es un conjunto de elementos eléctricos pasivos tales como cables, conectores, fusibles y relés, que proveen, aseguran y controlan el suministro eléctrico a todos los componentes del vehículo que lo requieran. Si bien los elementos principales de la red de a bordo son los cables y componentes eléctricos, es importante tener en cuenta que la red de a bordo también incluye todos los elementos de protección y fijación mecánica necesarios para ensamblar los mazos de cables. Aparte del suministro eléctrico, la red de abordo sirve como medio de transmisión de datos de comunicación y control entre todos los sistemas. Durante los últimos años la complejidad de la arquitectura electrónica en los vehículos se ha incrementado sustancialmente. Toda esta electrónica y conectividad es requerida para soportar las cada vez más avanzadas funciones dentro del coche. Entre los retos están la inserción de funciones nuevas orientadas a sistemas de asistencia a la conducción con miras a la conducción autónoma, pero también funciones relacionadas con la electrificación y la conectividad. Además de esto, los vehículos actuales ofrecen una gran cantidad de combinaciones de equipamiento que derivan en la necesidad de un gran número de mazos de cables customizados, los cuales pueden en algunos casos ser completamente únicos y fabricados una sola vez a lo largo de un año de producción. Pese a que existen herramientas comerciales por un lado dedicadas al diseño de la red eléctrica de a bordo y de otro lado a la simulación eléctrica, estas no están completamente adaptadas a las necesidades de los fabricantes de vehículos. En particular, porque dichas herramientas pasan por alto la manera en la cual la información eléctrica es intercambiada dentro de la empresa y resultan a la práctica difíciles de usar e implementar en el proceso de desarrollo del cableado.
La presente Tesis Doctoral, elaborada en el marco de un doctorado industrial, proporciona una metodología para simular eléctricamente y dar estimaciones térmicas de los cables pertenecientes al conjunto de mazos de baja tensión que componen la red de a bordo. La metodología utilizada se fundamenta en el análisis y la definición de una estructura de datos de entrada, la implementación de algoritmos de flujo de potencia previamente estudiados en redes de distribución eléctrica, la definición de una estructura de datos de salida para análisis de casos y representación gráfica y además, se complementa con pruebas experimentales de validación de la herramienta de simulación. Entre las tareas necesarias para elaborar la estructura de datos de entrada, fue necesario un análisis detallado de los ficheros .kbl que contienen la información de los planos eléctricos según estándares dentro de la industria del automóvil. Adicionalmente, se definieron un grupo de ficheros necesarios para proveer toda la información requerida para la simulación, que en su mayoría provenía internamente de la fábrica y en otros casos se debía tomar de hojas de datos de los fabricantes de componentes eléctricos. A nivel de los algoritmos de flujos de potencia, se seleccionaron el Modified Backward Forward Sweep (MBFS) y modified Current-Injection (CI) para comprobar su aplicabilidad en el problema de la red DC de a bordo de vehículos, que puede considerarse como una red ligeramente mallada. Ambos algoritmos alcanzan la convergencia para los ejemplos analizados, sin embargo, el CI destaca por ventajas tales como su posibilidad de integración en redes malladas sin necesidad de modificar la topología. Esto lo hace más rápido para alcanzar la convergencia en comparación con el MBFS, en el cual se requiere una transformación a topología radial en el caso de topologías malladas, con la consecuente consideración de los ramales eliminados. En cuanto a la validación de la herramienta de simulación, se planteó una estrategia de pruebas experimentales iniciando desde el nivel de mazos manufacturados en laboratorio hasta el nivel de mazo de un vehículo prototipo. Como procedimiento general, se instrumentaron los hilos que conforman los mazos con sensores de temperatura, corriente y caídas de tensión. Para los mazos de laboratorio se utilizó una cámara climática con el objetivo de medir las variables indicadas bajo diferentes temperaturas ambiente. Las mediciones revelaron gradientes de temperatura de hasta 20ºC entre los cables más interiores respecto de los cables más exteriores de un mazo, cuando se somete el mismo a una corriente constante que fluye a través de todos los hilos. Adicionalmente, se compararon mediciones indirectas de temperatura en estado estable extraídas de las caídas de tensión en los hilos con las mediciones directas de temperatura hechas con termopares. El error alcanzado entre los dos métodos está entre el 6/ y + 8%. La segunda y tercera fase de validación se hizo con el mazo de una puerta y posteriormente con el mazo interior de un vehículo, respectivamente. En ambos casos se instrumentaron corrientes y caídas de tensión para validar los valores obtenidos mediante simulación, comprobando que los resultados simulados están acordes con las tolerancias industriales asociadas a la fabricación de los mazos de cableados.
