Trabajo de automovil electrico

Tecnología y reglamentación para el vehículo eléctrico
y su infraestructura

Motores de tracción para vehículos
eléctricos

Jaime Rodríguez Arribas

Madrid, 10 de junio, 2011 Dpto. Ingeniería Eléctrica

Tecnología y reglamentación para el vehículo eléctrico y su infraestructura

Motores de tracción para vehículos eléctricos

1. Introducción.
2. Componentes principales del sistema de tracción 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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Introducción. Circunstancias propicias
para la llegada del vehículo eléctrico.

- 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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Introducción. Eficiencia energética
VEHÍCULO VEHÍCULO VEHÍCULO
Independientemente de la mejor CONVENCIONAL HÍBRIDO ELÉCTRICO
ETAPA 1
eficiencia de la tracción eléctrica: Pozo al Tanque
0.80 0,80 0,37
ETAPA 2
-La energía que consume un vehículo se emplea en: Tanque a Rueda
0,16 0,24 0,80
1⊗ 2
0,13 0,19 0,30
-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
La tracción eléctrica(pares pasivos)reversible permite esta
con su motor
La energía empleada en acelerar o en subir la batería
recuperación de energía almacenándola en una cuesta
debería recuperarse al frenar o bajar la cuesta…
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Introducción. Eficiencia energética

Ciclo urbano 60% de la
energía
consumida Energía
se emplea RECUPERABLE!!!
en vencer
inercias

Energía en
La velocidad media de los desplazamientos
rozamiento y fricción
es inferior a la mitad que en carretera
muy reducida !!!

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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Energía que se
gasta en la
aceleración y se
recupera en el
frenado en ciclo
urbano

6


Parámetros de medida de
eficiencia de un vehículo:

€ / 100km: 0.94

g CO2 / km: 18.4

Apenas actúa el
freno mecánico.
(frenado normal)

7


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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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…
9



1. Introducción.
2. Descripción de los componentes principales de un VE:

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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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Hay cuatro constituyentes de un motor eléctrico:
60 ·f 1
-Circuito eléctrico n1 =
p
(r . p .m)

-Circuito magnético

-Aislamientos

-Refrigeración

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Principio de funcionamiento: Hs Hs
Hs-A
-Campo senoidal giratorio en estator (Hs)
60 ·f 1 Hs-A Hs-C
n1 = (r . p .m)
p Hs-B Hs-C Hs-C
Hs-B

-Inducción de f.em. y corrientes en el rotor Hs
-Campo senoidal giratorio en el rotor (Hr)
60 ·f 2
n2 = (r . p .m)
p

-Interacción entre ambos campos:
T = [ Hs ]·[ Hr ]·senφ sr
Par electromagnético

n1 − n
-El rotor gira a velocidad asíncrona respecto s= .100
al campo: deslizamiento (s=2% ··· 6%) n1
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Modelo de la M.A.

R '2
3• U2
Mm = s •
2π • n1 R'
2

60 (R1 + 2 ) + Xcc 2
s

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CONVERTIDOR ELECTRÓNICO
Source: Department of Energy, USA

Toyota Prius Inverter Efficiency Map

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CA
f

M f ,U
I f, U
U1 UN ,fN
UN ,fN
2 ∙ IN

Mres
1

n
n
3
2

Arranque y frenado regenerativo con motor asíncrono controlado en
frecuencia (control escalar)
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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 60 ⋅ f
n=
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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MOTORES SÍNCRONOS DE IMANES
-Circuito de excitación PERMANENTES
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
Is
Par
U
Modelo de la M.S: δ
Rs jXs q
E0
Er
U Vel
d
f1 f2 f3 f4 f5
Convertidor electrónico: 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.

Sistema de control: Vectores espaciales

q
jXIs jXi Is
d
q

3 Er
Te = pψ m isq U
E

2
Isq=Is

ΨT Ii

Ψ d

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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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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
Inversor
sw1 sw3 sw5

MRC
D6
D2 D4
C Fase A

Fase A Fase B Fase C Fase B

D1 D3 D5 Fase C

sw2 sw4 sw6

Sensor posición
I ref Control del inversor

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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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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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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.)

Brushless DC Motor IP NiMH

INSIGHT 10 kW – 78 Nm 100 V (5,75 Ah)

Li-IÓN

CHEVROLET VOLT 111 kW – 370 Nm 370 V (16 kWh)

OPEL AMPERA

150 kW Li-IÓN

LEON TWIN DRIVE 300 V (40 Ah)

ECOMOTIVE 27

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)
(0-8.500 r.p.m.)
CITRÖEN
70 kW Li-IÓN

RENAULT ZE 400 V (90 kW)

MINI (BMW) 150 kW – 220 Nm Li-IÓN

SMART ED 30 kW Li-IÓN

Motor Inducción 185 kW 6.831 individual Li-IÓN
(375V)– 375 Nm
ROADSTER
(0-4.500 r.p.m.)

REVA Motor Inducción 14,5 kW -Pb-Ácido
52 Nm (8000rpm) -Li-IÓN
Think- City 30 kW– 110 Nm
(0-2.690 r.p.m.) 28



1. Introducción.
2. Descripción de los componentes principales de un vehículo eléctrico:

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Situación actual y perpectivas de futuro:
Tecnología del sistema de tracción:

-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)

-Nuevos diseños del sistema de tracción. Cuatro motores en rueda con 4
convertidores electrónicos harán las funciones de los actuales sistemas
electrónicos abordo (tracción integral, ABS, ESP, etc), dejando todo el espacio
libre abordo (no hay caja de cambios, ni diferencial, etc).

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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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Muchas gracias

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