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CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO
Características de los motores eléctricos y
gestión electrónica para vehículos eléctricos
- Introducción a los Vehículos Eléctricos
- Motores para tracción eléctrica
- Conclusiones y perspectivas de futuro del VE.
Jaime Rodríguez Arribas
3 de Mayo de 2011
Dpto. Ingeniería Eléctrica
CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO
Características de los motores eléctricos
y gestión electrónica para vehículos eléctricos
1. Introducción.
2. Descripción de los componentes principales de un vehículo eléctrico:
2.1 Motor/Generador eléctrico
2.2 Convertidor electrónico
2.3 Sistema de control de la energía eléctrica
3. Conclusiones y perspectivas de futuro para el vehículo eléctrico.
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CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO
Introducción. Circunstancias propicias
para la llegada del vehículo eléctrico.
US Enviromental Protection Agency.2005. Inventory of US Greenhouse Gas
Emissions and Sinks:1990-2003. Washimngton DC. Table 2-9
- Necesidad de mejorar la eficiencia energética en el transporte. Utilizar tracción eléctrica en
movilidad urbana.
- Desde el punto de vista medioambiental. Contaminación acústica y atmosférica en ciudad.
- Desde el punto de vista tecnológico. Evolución de las baterías.
-Desde el punto de vista de estrategia política energética. Dependencia del exterior / $ crudo
-Personalmente…. Es la evolución lógica del transporte (lo que hacemos es mejorable).
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CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO
Introducción. Eficiencia energética
-La energía que consume un vehículo se emplea en:
-Desarrollar un par acelerante, que permite alcanzar una determinada velocidad
- adquisición de energía cinética (aceleración)
-Vencer el par resistente al que se enfrenta el vehículo en su funcionamiento:
- de tipo activo - se convierte en energía potencial (subiendo una cuesta)
- de tipo pasivo (rozamiento-rodadura y fricción aerodinámica)
(sólo debería perderse la energía involucrada en los segundos (pares pasivos), la empleada en
acelerar o en subir una cuesta debería recuperarse al frenar o bajar la cuesta)
-Los vehículos con propulsión eléctrica y baterías, disponen de esta capacidad de
funcionamiento reversible y almacenamiento de la energía (e. eléctrica).
-Se estima que en un ciclo urbano el 60% de la energía consumida se emplea en vencer
inercias (energía recuperable!).
-En circuito urbano la velocidad media de los desplazamientos es inferior a la mitad que
en carretera, luego la energía gastada en rozamiento y fricción es muy reducida.
-CONCLUSIÓN: Con TRACCIÓN ELÉCTRICA, se estima que se podría lograr
un consumo en circuito urbano inferior a la mitad del que se tiene en carretera.
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CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO
Parámetros de medida de
eficiencia de un vehículo:
€ / 100km: 0.94
g CO2 / km: 18.4
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CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO
Parámetros de medida de
eficiencia de un vehículo:
€ / 100km: 0.94
g CO2 / km: 18.4
Frenado brusco:
€ / 100km: 1.16
g CO2 / km: 22.9
Diferencia del 25% en
consumo, debida
solamente a los hábitos
del conductor.
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CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO
Conclusiones sobre tracción eléctrica y eficiencia energética.
- Objetivo: Recuperación del 100% de la energía cinética en el frenado
* Correcto dimensionamiento de los distintos equipos abordo (intensidad
máxima en el motor, convertidor electrónico y recarga de batería).
* Nuevos hábitos de conducción
- Por cuestiones económicas, siempre va a haber límites de Imax
- Hasta ahora, al llegar a un semáforo en rojo, tiramos la energía
cinética “calentando” 4 discos, no importa tanto la intensidad de la
frenada…
- Con tracción eléctrica, no va a ser igual frenar lentamente o en el
último momento…
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CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO
Características de los motores eléctricos
y gestión electrónica para vehículos eléctricos
1. Introducción.
2. Descripción de los componentes principales de un VE:
2.1 Motor/Generador eléctrico
2.2 Convertidor electrónico
2.3 Sistema de control de la energía eléctrica
3. Conclusiones y perspectivas de futuro para el vehículo eléctrico.
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Esquema general de los componentes del sistema de tracción
en un vehículo eléctrico
MICROPROCESADOR
BATERÍAS
CONVERTIDOR
MOTOR/GEN
ULTRACOND.
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MOTORES UTILIZADOS EN
TRACCIÓN ELÉCTRICA:
-MOTORES ASÍNCRONOS O DE INDUCCIÓN
-MOTORES SÍNCRONOS DE IMANES PERMANENTES
-MOTORES DE FLUJO AXIAL
-MÁQUINAS DE RELUCTANCIA CONMUTADA
-MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA SIN ESCOBILLAS (BRUSHLESS DC)
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MOTORES ASÍNCRONOS O DE INDUCCIÓN
-Datan de finales del siglo XIX (Tesla.1990)
-Son los más extendidos en la industria (80% de los motores)
debido a su robustez, bajo coste y escaso mantenimiento
-En accionamientos con regulación de la velocidad como los de
tracción eléctrica, donde antes había MCC, hoy se instalan
MA alimentados mediante convertidores electrónicos
Constitución de un motor eléctrico:
Estator-rotor-entrehierro
Tipos de Máquina Asíncrona:
Jaula de ardilla
Rotor devanado
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MOTORES ASÍNCRONOS O DE INDUCCIÓN
Hay cuatro constituyentes de un motor eléctrico:
-Circuito eléctrico
n1 =
60 ·f 1
(r . p .m)
p
-Circuito magnético
-Aislamientos
-Refrigeración
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MOTORES ASÍNCRONOS O DE INDUCCIÓN
Principio de funcionamiento:
Hs
Hs-A
-Campo senoidal giratorio en estator (Hs)
n1 =
60 ·f 1
(r . p .m)
p
Hs
Hs-A
Hs-B
Hs-C
Hs-C
Hs-C
Hs-B
Hs
-Inducción de f.em. y corrientes en el rotor
-Campo senoidal giratorio en el rotor (Hr)
n2 =
60 ·f 2
(r . p .m)
p
-Interacción entre ambos campos:
Par electromagnético
-El rotor gira a velocidad asíncrona respecto
al campo: deslizamiento (s=2% ··· 6%)
T = [ Hs ]·[ Hr ]·senφ sr
s=
n1 − n
.100
n1
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MOTORES ASÍNCRONOS O DE INDUCCIÓN
Modelo de la M.A.
R '2
s •
Mm =
2π • n1
3•
60
U2
R'
(R1 + 2 )
s
2
+ Xcc 2
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CONVERTIDOR ELECTRÓNICO
Source: Department of Energy, USA
Toyota Prius Inverter Efficiency Map
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CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO
CONVERTIDOR ELECTRÓNICO
Source: EVISOL
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MOTORES ASÍNCRONOS O DE INDUCCIÓN
f
CA
I
M
f ,U
f, U
U1
2 ∙ IN
UN
UN
,fN
,fN
Mres
1
n
n
3
2
Arranque y frenado regenerativo con motor asíncrono controlado en
frecuencia (control escalar)
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CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO
MOTORES ASÍNCRONOS O DE INDUCCIÓN
Sistema de control del accionamiento de tracción
Sistemas de control basados en el modelo en vectores espaciales de la máquina:
-Esquemas de control clásico (“Fiel Oriented Control” FOC) como el control directo o indirecto con el
inversor controlado en fuente de corriente (CSI) o fuente de tensión (VSI)
-Control directo de par (“Direct Torque Control” DTC)
-variaciones sobre los anteriores que evitan la utilización de algunos sensores (Sensorless Control), etc.
X
x
qa
α
x
da
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MOTORES SÍNCRONOS DE IMANES PERMANENTES
La Máquina Síncrona
n=
60 ⋅ f
p
Convencionalmente se ha utilizado en aplicaciones de generación de energía eléctrica
Polos salientes
Rotor cilíndrico
Hoy también se usa cada vez más como motor, debido a que tiene una mayor
densidad de potencia y mejor rendimiento que las máquinas asíncronas
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CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO
MOTORES SÍNCRONOS DE IMANES
PERMANENTES
-Circuito de excitación
sustituido por imanes
permanentes de alta
energía: Ej: NdFeB,
SmCo.
Menor volumen!!
Aprox. 30% más
pequeños y 10% más
eficientes
Source: Vacuumschmelze
-Existen motores de imanes superficiales (SPM) y motores de imanes interiores (IPM)
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MOTORES SÍNCRONOS DE IMANES PERMANENTES
Par
U
Modelo de la M.S:
δ
q
E0
Vel
d
Convertidor electrónico:
Sistema de control:
f1 f2 f3 f4 f5
Es similar al de la M.A, pero como no debe magnetizar la máquina conduce menor
corriente. Debido a las reactancias más bajas debe trabajar con mayor frecuencia
de conmutación o aumentará el rizado de la corriente.
Vectores espaciales
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MOTORES DE FLUJO AXIAL
Source: Evo Electric
-Motores síncronos de imanes permanentes con gran densidad de par
-Permiten ser integrados directamente en la rueda del vehículo,
optimizando el espacio en el vehículo y simplificando los
acoplamientos mecánicos entre motor y rueda
-Tienen estator y rotor dispuestos de forma longitudinal sobre el eje
-Dirección de establecimiento del flujo la paralela al eje
-Inconveniente: esfuerzos radiales
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CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO
MÁQUINAS DE RELUCTANCIA CONMUTADA
Las bobinas del estator son concentradas
Idóneas para tracción por su elevado par,
su robustez, sencillez de fabricación y
porque la electrónica y control requeridos
son sencillos.
Inconvenientes:
-necesidad de un sistema de detección de posición
-rizado en el par que presenta
-bajo factor de potencia
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CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA SIN ESCOBILLAS
(BRUSHLESS DC)
-Las máquinas de corriente continua son las tradicionales en tracción eléctrica
-Inconvenientes: costosa construcción y mantenimiento colector-escobillas
-El motor brushless DC incorpora imanes permanentes en vez de circuito inductor:
1) la conmutación se realiza de forma electrónica en lugar de mecánica
2) los imanes permanentes van alojados en el rotor en lugar de en el estator
3) las bobinas del inducido van alojadas en el estator,
constituyendo un devanado monofásico o polifásico
-Su funcionamiento se basa en la alimentación secuencial de cada una de las fases
del estator de forma sincronizada con el movimiento del rotor
-La alimentación en corriente continua simplifica la electrónica del convertidor
-Inconveniente: Se necesitan sensores para detectar la posición del rotor
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CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO
CONCLUSIONES SOBRE LOS MOTORES
MAS UTILIZADOS EN TRACCIÓN ELÉCTRICA
-MOTORES ASÍNCRONOS O DE INDUCCIÓN muy experimentado
industrialmente por ser el más económico, robusto y con bajo mantenimiento. FDP bajo.
-MOTORES SÍNCRONOS DE IMANES PERMANENTES mayor densidad de
potencia, más reducido en volumen y peso, superando el rendimiento de la MA. FDP alto.
- máquina de mayor coste, menos robusta y menos experimentada (desmagnetización imanes).
-MOTORES DE FLUJO AXIAL
Son un tipo de MSIP adecuados para ser integrados en la rueda
-MOTORES DE RELUCTANCIA CONMUTADA sencillos y robustos, pero necesitan
sensores especiales para detectar la posición del rotor. Par pulsante.
-MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA SIN ESCOBILLAS
Son como los MRC pero con imanes permanentes, luego necesitan sensores de posición
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CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO
Ejemplos de Vehículos Eléctricos comerciales (mercado).
MODELO (HÍBRIDOS)
MOTOR
BATERÍAS
Motor Síncrono IP
NiMH
60 kW (650V)– 207 Nm
200 V (27 kW)
(0-13.000 r.p.m.)
INSIGHT
Brushless DC Motor IP
NiMH
10 kW – 78 Nm
100 V (5,75 Ah)
Li-IÓN
CHEVROLET VOLT
111 kW – 370 Nm
370 V (16 kWh)
150 kW
Li-IÓN
OPEL AMPERA
LEON TWIN DRIVE
ECOMOTIVE
300 V (40 Ah)
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Vehículos eléctricos comerciales (mercado).
MODELO (ELÉCTRICOS)
MOTOR
BATERÍAS
MITSUBISHI iMIEV
Motor Síncrono IP
Li-IÓN
PEUGEOT iON
47 kW – 180 Nm
330 V (50 Ah)
CITRÖEN
(0-8.500 r.p.m.)
70 kW
400 V (90 kW)
RENAULT ZE
MINI (BMW)
SMART ED
ROADSTER
REVA
Think- City
Li-IÓN
150 kW – 220 Nm
Li-IÓN
30 kW
Li-IÓN
Motor Inducción 185 kW
6.831 individual Li-IÓN
(375V)– 375 Nm
(0-4.500 r.p.m.)
Motor Inducción 14,5 kW
-Pb-Ácido
52 Nm (8000rpm)
-Li-IÓN
30 kW– 110 Nm
(0-2.690 r.p.m.)
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CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE
EL VEHÍCULO ELÉCTRICO
Vehículos eléctricos comerciales (mercado).
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Características de los motores eléctricos
y gestión electrónica para vehículos eléctricos
1. Introducción.
2. Descripción de los componentes principales de un vehículo eléctrico:
2.1 Motor/Generador eléctrico
2.2 Convertidor electrónico
2.3 Sistema de control de la energía eléctrica
3. Conclusiones y perspectivas de futuro para el vehículo eléctrico.
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Situación actual y perpectivas de futuro:
Tecnología:
-En el campo de los motores actualmente hay investigación pendiente en:
-Nuevos materiales (imanes permanentes, plásticos magnéticos, etc)
para obtener una reducción de volumen y peso.
-Motores de muy alto rendimiento (con menores pérdidas, superconductores)
-En el campo de la electrónica (convertidores de potencia y sistemas de control),
cada vez se tienen sistemas más robustos, rápidos y que consumen menos.
-En el campo de los sistemas de almacenamiento de la energía hay investigación
pendiente en:
-Baterías (mayor capacidad, menor peso, reducir tiempos de carga/descarga,
aumento del nº máximo de ciclos de carga (vida útil), reducir coste, etc)
-Sistemas auxiliares de almacenamiento basados en ultracondensadores
-Tecnología de las pilas de combustible
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Situación actual y perpectivas de futuro:
Infraestructuras de recarga de baterías (1os usuarios cargan de noche,
luego electrolineras (carga rápida).
Obtención de la energía eléctrica para suministro de los V.E.
con Energías RENOVABLES
-Eólica
-Adecuación entre generación nocturna y horario de recarga
(se espera que la llegada del VE potencie aún más la e. eólica)
-Solar
-En el futuro, todas las cubiertas deberían incorporar paneles FV
-Futura energía de las olas, biomasa, etc.
Económicamente, la llegada del V.E:
-Reactivará el sector del transporte
-Potenciará el sector de la electricidad (nuevo mercado y posibilidades)
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Situación actual y perpectivas de futuro:
Seguridad específica a bordo del vehículo eléctrico:
-En funcionamiento normal
-Protección ante contactos eléctricos no deseados
-Protección ante calentamiento excesivo de componentes
(en caso de averia)
-Protección ante emisiones electromagnéticas
-En caso de accidente
-Protección contra contactos eléctricos indebidos
-Protección ante elementos químicos del sistema de acumulación
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CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO
Conclusiones sobre el futuro del vehículo eléctrico:
Se ha hablado principalmente de la idoneidad del V.E. para el transporte
urbano, pero en carretera….:
-Mientras dure el proceso de evolución de las prestaciones del vehículo eléctrico
(baterías y pila de combustible) hasta alcanzar los requerimientos a los que el actual
usuario de vehículos está acostumbrado, los vehículos híbridos jugarán un papel
decisivo en esta transición (principalmente los híbridos serie).
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CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO
Muchas gracias
Dpto. Ingeniería Eléctrica