1 EL AUTOMÓVIL ELÉCTRICO 1 Motorización en
automóviles eléctricos 2 Baterías para
automóviles eléctricos 3 Control y etapa de
potencia 4 Frenado 5 Alimentación en un automóvil
eléctrico 6 Elementos mecánicos 7 Estructura y
carrocería
Sistemas componentes de un Automóvil Eléctrico –
Sistema de motorización – Suministro de energía.
Baterías. – Control y etapa de potencia – Sistema de freno
eléctrico – Sistema de alimentación – Elementos
mecánicos – Carrocería y chasis
Esquema simplificado de automóvil eléctrico
La motorización en automóviles eléctricos1.1
Disposición de los motores Sistema
motor-reductor-diferencial con la transmisión a dos
ruedas. Sistema de dos motores-reductor conectados a las dos
ruedas tractoras a través de ejes y juntas
homocinéticas. c) Sistema de dos motores directamente
aplicados a las ruedas tractoras que están sujetas al
rotor del motor, que en este caso será de forma de
disco.
1.2 Condicionamientos del motor eléctrico Para cualquier
velocidad en un motor eléctrico, la potencia viene dada
por el producto entre el par y la velocidad. P = M · n
(7.1) donde : P = potencia del motor M = par motor n =
velocidad (r.p.m.) Las dimensiones y por tanto el peso del motor
eléctrico dependen del valor del par, para un mismo tipo
de motor, el par es proporcional al valor de la longitud del
inducido del motor (l), es decir ; M = k · l3. La
motorización influye en la elección del sistema de
control y de las soluciones técnicas asociadas. Atendiendo
a la realización estructural de cada diseño, cada
caso de los mencionados anteriormente implica una serie de
soluciones mecánicas diferentes, con las limitaciones de
espacio que trae consigo. Atendiendo a las prestaciones que se le
quiere conferir al vehículo, las características
del motor o motores eléctricos (par y potencia) deben de
diseñarse en relación a la velocidad y
aceleración deseadas. La potencia nominal del motor o
motores de un vehículo eléctrico, depende de las
características del vehículo, que vienen expresadas
por los coeficientes de resistencia a la rodadura y de
resistencia a las pendientes a superar. La forma de la curva de
par-velocidad va a depender de que exista caja de cambios en el
vehículo. Los sistemas de control de los
automóviles eléctricos, son los que permiten
obtener las prestaciones requeridas, la elección de una
determinada solución va a estar sujeta a la
comparación entre la característica
par-velocidad
1.3 Factores que influyen en la motorización La curva
característica par-velocidad requerida en régimen
permanente (a velocidad constante) y la curva
característica requerida en condiciones de sobrecarga.
Disposición del motor y tipo de transmisión
cinemática. Prestaciones desde el punto de vista de la
conductibilidad, confort y manejabilidad. Robustez y problemas de
mantenimiento. Posibilidad de transmisiones complejas. 6.
Rendimiento del motor.
1.3 Factores que influyen en la motorización a) La curva
característica par-velocidad influye en la elección
de : – la constante de flujo del motor – la variabilidad del
flujo del motor – la variación del flujo está a su
vez influenciada por el tipo de motor – el tamaño del
amplificador de potencia el diseño del circuito de control
b) Efectos derivados del tipo de motor seleccionado : – si
se montan 4 motores, no es conveniente adoptar circuitos de
control complejos, lo que lleva a la elección de motores
de continua o motores brushless. – si se monta un sólo
motor, es posible adoptar sistemas de control mas complejos para
motores de continua, alterna o motores brushless. – si se monta
un motor de alta velocidad, es posible utilizar motores de
inducción o brushless
1.3 Factores que influyen en la motorización c) Efectos
derivados de la alta conductibilidad, elasticidad y
confort : – para vehículos que requieran estas
características, se recomienda el uso de un sistema de
control vectorial (control de par) d) Efectos derivados de
problemas de mantenimiento : – en este caso es recomendable
elegir entre un motor con o sin escobillas, y entre estos el de
seleccionar un motor de inducción, de reluctancia variable
o brushless de imanes permanentes. e) Otros aspectos a
considerar : – problemas de eficiencia – dimensión y
peso de los componentes del driver – problemas de
refrigeración – problemas de implementación y
aspectos constructivos (integración con componentes
mecánicos, sistemas de evacuación de calor,
etc.)
1.4 Características que afectan al diseño del motor
y al de la electrónica de potencia Con respecto al motor
las mas importantes son : – la velocidad del motor que
afecta a su peso. – la eficiencia del motor, que afecta a su peso
y a la refrigeración – la definición de las
prestaciones eléctricas y mecánicas – la
definición de la relación entre potencia y la
influencia de la temperatura Con respecto a la electrónica
de potencia : – elección del nivel de voltaje en las
baterías – elección del tipo de motor –
elección del tipo de regulación y control –
elección de la estructura del circuito electrónico
de potencia.
El nivel de voltaje de la batería es un factor importante
debido a las siguientes razones: La eficiencia del convertidor
estático que alimenta al motor, aumenta cuando el voltaje
de la batería se incrementa, que aunque no es
proporcional, es significativo en el rango de voltaje
considerado. Una mayor eficiencia significa menores
pérdidas de calor, reduciéndose así el
sistema de refrigeración. La dimensión de los
dispositivos electrónicos de potencia y de los componentes
y cables asociados dependen de la intensidad y no de la
tensión. 4. Un mayor nivel de tensión lleva consigo
una reducción en el tamaño del convertidor
electrónico de potencia y de otros componentes.
aspectos particulares del control del vehículo
relacionados con la motorización: – pedal acelerador con
diferentes posibles funciones. – pedal de freno con diferentes
posibles funciones. – caja de cambios. – selección
eléctrica de marcha adelante y marcha atrás. –
función de aparcar. – freno eléctrico ajustable y
con acción asociada al pedal de freno. – comportamiento
suave en condiciones transitorias. – bucles de control de
velocidad bajo diversos aspectos (voltaje de batería,
etc.)
1.5 Características de los motores Dentro de todos los
componentes que forman parte del sistema de motorización
de un vehículo eléctrico, es el motor el que mas
influye. Para la elección del motor mas apropiado, los
factores mas condicionantes son : Par; Peso; Tamaño;
Rendimiento; Tipo de refrigeración; Ruido; Mantenimiento;
Seguridad; Coste. Existen otros de carácter indirecto,
como son : – niveles de tensión – tipo de
transmisión – requerimientos de instalación en el
vehículo
tipologías mas utilizadas: motores de continua (DC)
motores de alterna (AC) motores especiales motores brushless de
imanes permanentes (MM) motor de inducción (AM) motores
síncronos de excitación separada (SM) motores
síncronos de imanes permanentes (PM) motores de
reluctancia variable (VR). motor de reluctancia conmutada (SR)
MM
1.5.1 Motores de corriente continua: Inicialmente se emplearon
motores de corriente continua, pero debido al desarrollo de la
electrónica de potencia se empezaron a emplear motores de
corriente alterna. Se pueden mejorar las prestaciones de un motor
DC, regulando el campo, esta es la razón por la que los
motores DC de imanes permanentes no tienen el debido apoyo para
su desarrollo a pesar de su mayor rendimiento. La mayor ventaja
del motor de corriente continua es la gran simplicidad de los
circuitos de control y regulación asociados, dicho control
es de menor coste y con mejor rendimiento
1.5.1 Motores de corriente continua, restricciones: – en la
conmutación por ejemplo, pues debido al conmutador
mecánico la velocidad máxima está limitada a
cerca de 7000 r.p.m. – posee un rendimiento relativamente bajo
por las grandes pérdidas por excitación y
refrigeración, caída de voltaje en las escobillas
lo cual incrementa las pérdidas – tiene unos pobres ratios
peso/potencia y volumen/potencia – necesita un mantenimiento
frecuente – las chispas que se producen en el colector de delgas
son causa potencial de problemas electromagnéticos – posee
bajas prestaciones, en el caso de motores sujetos a
rápidos cambios de carga como es el caso de un
vehículo eléctrico, pueden producirse descargas
entre las delgas del colector lo cual puede ser causa de un
cortocircuito. – posee un elevado peso y precio.
motor síncrono brushless de corriente continua (MM) El
(MM) se confunde a veces con el motor síncrono de imanes
permanentes. Este último se caracteriza porque se alimenta
con una corriente sinusoidal en el estator, mientras que el motor
brushless de corriente continua se alimenta con una corriente de
onda cuadrada. La forma de la onda de corriente determina el
controlador del motor (el inversor). La ventaja de emplear una
onda de forma cuadrada es que se obtiene una mayor corriente
integrada y por lo tanto un mayor par máximo. La
desventaja es un mayor número de armónicos en la
corriente, mayor ruido y un riesgo de pulsaciones en el par, es
por ello que es preferible una modulación de la corriente
de forma senoidal
1.5.2 Motores de corriente alterna. Teóricamente todos los
motores de corriente alterna tienen un estator similar con
bobinados trifásicos pero con diferentes rotores. Es
posible además alimentarlos con el mismo tipo de inversor,
pero es necesario emplear un software de control diferente. Al
contrario que los motores de continua, los de alterna han sido
desarrollados en una gran variedad de diseños.
motor asíncrono de jaula de ardilla (AM) Robusto y de bajo
coste, puede operar a altas revoluciones con un tamaño
reducido. Requiere altas corrientes debido a los bajos factores
de potencia que tiene. Rendimiento superior al de otros motores
de continua, pero inferior al de los síncronos.
Ampliamente utilizados en los vehículos eléctricos,
en EEUU y Japón. Buenos resultados en vehículos de
gran tamaño, su rendimiento decae mucho en pequeños
vehículos. El inconveniente principal es que necesitan
unos circuitos de control mucho mas complejos y caros que los de
un motor de continua. Ventajas de estos motores frente a los
motores de continua: – poseen mayor potencia por unidad de
volumen – no necesitan escobillas – curvas de
rendimiento-velocidad mas planas, rendimiento mas constante – su
menor tamaño los hace mas baratos – poseen una vida
similar a las de los motores de combustión
El motor síncrono de excitación separada (SM) tiene
situado el bobinado de excitación en el rotor, de modo que
puede alimentarse a partir de un excitador brushless. tiene una
buena curva de par y es comparable en tamaño con el motor
asíncrono, el rendimiento es alto, aunque tiene un coste
muy elevado.
motor síncrono de imanes permanentes (PM) Tiene un alto
rendimiento, además de una alta relación par/peso.
Su mayor desventaja ha sido el alto coste de los imanes
permanentes. Fueron desarrollados en un principio para reemplazar
a los motores síncronos de reluctancia, siendo su rango de
potencias así como su capacidad de sincronización
inherentemente mayor. El estator es similar al de un motor de
inducción polifásico. Los imanes permanentes
están localizados en el rotor y generalmente la
orientación del flujo por ellos producido es radial o bien
circunferencial. Este rotor incorpora también un devanado
de jaula de ardilla (simple ó de doble jaula), que sirve
para arrancar el motor
características del motor síncrono de imanes
permanentes – su velocidad está determinada
únicamente por la frecuencia aplicada, sin depender de la
tensión, de la carga, de la temperatura o de las
variaciones constructivas. – en un principio, inexistencia de
materiales adecuados para los imanes permanentes con suficiente
fuerza coercitiva para soportar la desmagnetización
impuesta por la reacción del inducido alternante durante
el periodo de arranque. – con la aparición de materiales
magnéticos de alta energía, ferritas, tierras raras
poliméricas y aleaciones de samario y cobalto, se resuelve
el problema anterior. – el coste de estos materiales es muy
elevado. – el coste disminuye con el número de unidades
producidas. – motor de alto rendimiento, produce un ahorro
energético en funcionamiento capaz de compensar el mayor
coste inicial de producción con respecto a un motor de
inducción de la misma potencia. – posee factores de
potencia mayores que permiten reducir el calentamiento del rotor
y del estator a la vez que aumenta la fiabilidad y seguridad de
sus elementos al someter a menores tensiones a los sistemas de
aislamiento. – capacidad de autoarranque y de
resincronización frente a sobrecargas eventuales. –
generación de un par proporcional a la tensión. –
simplicidad constructivas del rotor. – poseen prestaciones
comparables e incluso superiores a los correspondientes
síncronos convencionales y en particular los de
inducción de análoga potencia.
motor síncrono de reluctancia variable (VR) Es similar al
motor PM excepto que no tiene un bobinado en el rotor. El rotor
concentra el flujo magnético en las regiones de los polos
con el fin de que se pueda transferir el par. Como el motor
asíncrono, este motor es excitado por una corriente
estatórica. Tiene las ventajas de tener un rendimiento
mejor que un motor asíncrono, pero sin embargo es un motor
de elevado tamaño. Desde el punto de vista constructivo
difiere con el motor de imanes permanentes en que se ha eliminado
el imán lo cual lo hace menos crítico en su
funcionamiento a altas temperaturas o a altas velocidades. Este
motor, denominado también autoasíncrono, tiene la
particularidad de que su rotor de jaula de ardilla presenta un
corte de chapa con amplias muescas, en un número igual al
de polos del devanado monofásico del estator, muescas en
las que por lo general siguen presentes las barras de la jaula de
ardilla. Analizando el arranque de este motor, se observa que es
igual al de un motor asíncrono de jaula de ardilla, con la
diferencia de que debido a las amplias ranuras, la reluctancia
media del entrehierro es mayor, lo que incrementa el valor de la
corriente absorbida. Como motor asíncrono, su par es
sensiblemente proporcional al deslizamiento, pero
independientemente de este par, el rotor, por la presencia de los
polos salientes a que dan lugar las amplias ranuras, es sometido
a un par de reluctancia. La comercialización de este motor
está todavía limitada, se puede clasificar como un
motor intermedio entre uno asíncrono y uno síncrono
de imanes permanentes, lo que le hace ser apropiado para la
tracción de vehículos de mediano o gran
tamaño.
Motores especiales Algunos ejemplos son el motor paso a paso y
motores de flujo transversal pueden usarse para aplicaciones en
vehículos, requieren de controladores especiales.
1.6 Comparación entre motores DC = Motor de corriente
continua; AM = Motor de inducción (corriente alterna); SM
= Motor síncrono de corriente alterna; PM = Motor de
imanes permanentes; MM = Magneto motor; VR = Motor de reluctancia
variable.
Comparativa entre la potencia nominal volumétrica (W/l) y
potencia nominal (KW) de diferentes motores. DC (e.i.) = Motor de
continua con excitación independiente; DC (s.) = Motor de
continua con excitación serie; DC (br.) = Motor de
continua brushless; AM = Motor asíncrono de
inducción; PM = Motor síncrono de imanes
permanentes
Comparativa entre la potencia nominal específica (W/Kg) y
potencia nominal (KW) de diferentes motores. DC (e.i.) = Motor de
continua con excitación independiente; DC (s.) = Motor de
continua con excitación serie; DC (br.) = Motor de
continua brushless; AM = Motor asíncrono de
inducción; PM = Motor síncrono de imanes
permanentes
Motor de Inducción Ventajas – Coste de fabricación
bajo. – Fabricación sencilla. – Construcción
robusta – Entrehierro menor pues no existe el cableado
rotórico y del colector de delgas. – Menor inercia que en
un motor DC (por la ausencia del colector de delgas) – Mayor
capacidad de soportar sobrecargas que los motores DC – Nulo
mantenimiento. No existe conexión entre rotor y estator.
No hay anillos rozantes ni colector de delgas. – Relación
potencia/peso superior al motor DC – Relación potencia
/volumen superior al motor DC – Bajo precio. Inconvenientes: –
Perdidas en el hierro superiores que las del motor DC, debido a
la alternancia del flujo y por recorrer un ciclo de
histéresis. – Complejidad del control. Complejidad de
control de la velocidad mediante técnicas PWM, y del
control de par mediante técnicas de control
vectorial.
Motor de reluctancia variable Ventajas: – Sencillo, pues el rotor
no está bobinado, sólo compuesto por hierro. –
Construcción robusta. Rotor capaz de soportar elevadas
revoluciones y grandes esfuerzos. – No hay perdidas en el rotor
por no circular corriente. – Fácil refrigeración. –
Gran par a bajas velocidades. – Operación en los cuatro
cuadrantes de manera simple. – Par proporcional al cuadrado de la
intensidad de las fases. – Funcionamiento indistinto con AC o DC.
– El voltaje necesario es menor que el de otras motores de la
misma potencia. – El volumen es la mitad que el de un motor DC.
Inconvenientes: – Necesidad de un sensor (encoder) o de campo
magnético (Hall) para conocer en todo momento la
posición del rotor, y dar energía de forma correcta
a los devanados de fase para producir el par. –
Modelización del motor complicado. – Medida de las
inductancias por métodos numéricos o mediante
aparatos complejos de medidas de inductancias. – En la
fórmula del par hay que tener en cuenta las
autoinductancias y las inductancias mutuas distintas de cero, que
aparecen en máquinas donde la relación entre el par
y la potencia no es un número entero. – Motor altamente no
lineal debido a que se conduce al hiero de la máquina a su
saturación con objeto de aprovechar mejor sus propiedades.
– Control complejo. Necesidad de captar la secuencia de
actuación de la bobina y la forma de onda de las
corrientes de fase para lograr un par con el menor rizado
posible. – Si el rizado del par es excesivo para la
aplicación correspondiente, sólo queda asimetrizar
las saliencias para que la reluctancia cambie siempre, o realizar
un dentado en las saliencias, sólo que este último
método complica la relación entre la velocidad del
rotor y la secuencia de excitación del estator.