08 ETSII UPM Motores de Traccion Para Vehiculos Electricos

Tecnologa y reglamentacin para el vehculo elctrico y su infraestructura

Motores de traccin para vehculos elctricos

Jaime Rodrguez Arribas

Madrid, 10 de junio, 2011

Dpto. Ingeniera Elctrica


Motores de traccin para vehculos elctricos 1. Introduccin. 2. Componentes principales del sistema de traccin de un vehculo elctrico:2.1 Motor/Generador elctrico 2.2 Convertidor electrnico 2.3 Sistema de control de la energa elctrica

3. Conclusiones y perspectivas de futuro para el vehculo elctrico.

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Introduccin. Circunstancias propicias para la llegada del vehculo elctrico.

- Necesidad de mejorar la eficiencia energtica en el transporte. Utilizar traccin elctrica enmovilidad urbana.

- Desde el punto de vista medioambiental. Contaminacin acstica y atmosfrica en ciudad. - Desde el punto de vista tecnolgico. Evolucin de las bateras. -Desde el punto de vista de estrategia poltica energtica. Dependencia del exterior / $ crudo -Personalmente. Es la evolucin lgica del transporte (lo que hacemos es mejorable).

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Introduccin. Eficiencia energticaIndependientemente de la mejor eficiencia de la traccin elctrica: -La energa que consume un vehculo se emplea en:VEHCULO VEHCULO VEHCULO CONVENCIONAL HBRIDO ELCTRICOETAPA1 PozoalTanque ETAPA2 TanqueaRueda 1 2

0.80 0,16 0,13

0,80 0,24 0,19

0,37 0,80 0,30

-Desarrollar un par acelerante, que permite alcanzar una determinada velocidad - adquisicin de energa cintica (aceleracin) -Vencer el par resistente al que se enfrenta el vehculo en su funcionamiento: - de tipo activo - se convierte en energa potencial (subiendo una cuesta) -de tipo pasivo (rozamiento-rodadura y friccin aerodinmica)

Slo debera perderse la energa involucrada en los segundos La traccin elctrica(pares pasivos)reversible permite esta con su motor recuperacin de energa almacenndola en una cuesta La energa empleada en acelerar o en subir la batera debera recuperarse al frenar o bajar la cuesta4


Introduccin. Eficiencia energticaCiclo urbano 60% de la energa consumida se emplea en vencer inercias

Energa RECUPERABLE!!!

La velocidad media de los desplazamientos es inferior a la mitad que en carretera

Energa en rozamiento y friccin muy reducida !!!

Con TRACCIN ELCTRICA, se estima que se podra lograr un consumo en circuito urbano inferior a la mitad del que se tiene en carretera5


Energa que se gasta en la aceleracin y se recupera en el frenado en ciclo urbano

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Parmetros de medida de eficiencia de un vehculo: / 100km: 0.94 g CO2 / km: 18.4 Apenas acta el freno mecnico. (frenado normal)

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Parmetros de medida de eficiencia de un vehculo: / 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 hbitos del conductor.

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Conclusiones sobre traccin elctrica y eficiencia energtica.- Objetivo: Recuperacin del 100% de la energa cintica en el frenado * Correcto dimensionamiento de los distintos equipos abordo (intensidad mxima en el motor, convertidor electrnico y recarga de batera). * Nuevos hbitos de conduccin - Por cuestiones econmicas, siempre va a haber lmites de Imax - Hasta ahora, al llegar a un semforo en rojo, tiramos la energa cintica calentando 4 discos, no importa tanto la intensidad de la frenada - Con traccin elctrica, no va a ser igual frenar lentamente o en el ltimo momento9


Motores de traccin para vehculos elctricos 1. Introduccin. 2. Descripcin de los componentes principales de un VE:2.1 Motor/Generador elctrico 2.2 Convertidor electrnico 2.3 Sistema de control de la energa elctrica


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Esquema general de los componentes del sistema de traccin en un vehculo elctricoMICROPROCESADOR BATERAS

CONVERTIDOR

MOTOR/GEN ULTRACOND.

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MOTORES UTILIZADOS EN TRACCIN ELCTRICA:

-MOTORES ASNCRONOS O DE INDUCCIN -MOTORES SNCRONOS DE IMANES PERMANENTES -MOTORES DE FLUJO AXIAL -MQUINAS DE RELUCTANCIA CONMUTADA -MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA SIN ESCOBILLAS (BRUSHLESS DC)12


MOTORES ASNCRONOS O DE INDUCCIN-Datan de finales del siglo XIX (Tesla.1990) -Son los ms extendidos en la industria (80% de los motores) debido a su robustez, bajo coste y escaso mantenimiento -En accionamientos con regulacin de la velocidad como los de traccin elctrica, donde antes haba MCC, hoy se instalan MA alimentados mediante convertidores electrnicos

Constitucin de un motor elctrico:Estator-rotor-entrehierro

Tipos de Mquina Asncrona:Jaula de ardilla Rotor devanado

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MOTORES ASNCRONOS O DE INDUCCIN Hay cuatro constituyentes de un motor elctrico: -Circuito elctricon1 = 60 f 1 (r . p .m) p

-Circuito magntico -Aislamientos -Refrigeracin

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MOTORES ASNCRONOS O DE INDUCCINPrincipio de funcionamiento:-Campo senoidal giratorio en estator (Hs)n1 = 60 f 1 (r . p .m) pHs-B

HsHs-A

Hs

Hs-A Hs-C Hs-C

Hs-C

Hs-B

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

Hs

-Interaccin entre ambos campos: Par electromagntico

T = [ Hs ][ Hr ]sen srs= n1 n .100 n115

-El rotor gira a velocidad asncrona respectoal campo: deslizamiento (s=2% 6%)


MOTORES ASNCRONOS O DE INDUCCINModelo de la M.A.

R '2 s Mm = 2 n13 60

U2 R' (R1 + 2 ) s

2

+ Xcc 2

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Tecnologa y reglamentacin para el vehculo elctrico y su infraestructuraCONVERTIDOR ELECTRNICO

Source: Department of Energy, USA

Toyota Prius Inverter Efficiency Map

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MOTORES ASNCRONOS O DE INDUCCINfM f, UU1

CA

f ,UUN

I2 IN

,fN

UN

,fNMres

1

n

n3 2

Arranque y frenado regenerativo con motor asncrono controlado en frecuencia (control escalar)18


MOTORES ASNCRONOS O DE INDUCCINSistema de control del accionamiento de traccinSistemas de control basados en el modelo en vectores espaciales de la mquina: -Esquemas de control clsico (Fiel Oriented Control FOC) como el control directo o indirecto con el inversor controlado en fuente de corriente (CSI) o fuente de tensin (VSI) -Control directo de par (Direct Torque Control DTC) -variaciones sobre los anteriores que evitan la utilizacin de algunos sensores (Sensorless Control), etc.

xqa

X

xda19


MOTORES SNCRONOS DE IMANES PERMANENTESLa Mquina Sncronan= 60 f p

Convencionalmente se ha utilizado en aplicaciones de generacin de energa elctrica

Polos salientes

Rotor cilndrico

Hoy tambin se usa cada vez ms como motor, debido a que tiene una mayor densidad de potencia y mejor rendimiento que las mquinas asncronas20


MOTORES SNCRONOS DE IMANES PERMANENTES -Circuito de excitacinsustituido por imanes permanentes de alta energa: Ej: NdFeB, SmCo. Menor volumen!! Aprox. 30% ms pequeos y 10% ms eficientes Source: Vacuumschmelze -Existen motores de imanes superficiales (SPM) y motores de imanes interiores (IPM)

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MOTORES SNCRONOS DE IMANES PERMANENTESIs

Modelo de la M.S:Er

URs jXs

Parq

E0

Ud

Vel f1 f2 f3 f4 f5

Convertidor electrnico:

Es similar al de la M.A, pero como no debe magnetizar la mquina conduce menor corriente. Debido a las reactancias ms bajas debe trabajar con mayor frecuencia de conmutacin o aumentar el rizado de la corriente.

Sistema de control:d q

Vectores espacialesq

jXIs

jXi Is Er U

3 Te = p m isq 2

E Isq=IsT Ii d

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MOTORES DE FLUJO AXIAL

Source: Evo Electric

-Motores sncronos de imanes permanentes con gran densidad de par -Permiten ser integrados directamente en la rueda del vehculo, optimizando el espacio en el vehculo y simplificando los acoplamientos mecnicos entre motor y rueda -Tienen estator y rotor dispuestos de forma longitudinal sobre el eje -Direccin de establecimiento del flujo la paralela al eje -Inconveniente: esfuerzos radiales23


MQUINAS DE RELUCTANCIA CONMUTADALas bobinas del estator son concentradas Idneas para traccin por su elevado par, su robustez, sencillez de fabricacin y porque la electrnica y control requeridos son sencillos. Inconvenientes: -necesidad de un sistema de deteccin de posicin -rizado en el par que presenta -bajo factor de potenciaInversorsw1 sw3 sw5

MRC

CFase AD1 sw2

D2

D4

D6

Fase A Fase CD5

Fase BD3 sw4

Fase B Fase C

sw6

Sensor posicinI ref

Control del inversor

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MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA SIN ESCOBILLAS (BRUSHLESS DC)

-Las mquinas de corriente continua son las tradicionales en traccin elctrica -Inconvenientes: costosa construccin y mantenimiento colector-escobillas -El motor brushless DC incorpora imanes permanentes en vez de circuito inductor: 1) la conmutacin se realiza de forma electrnica en lugar de mecnica 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 monofsico o polifsico -Su funcionamiento se basa en la alimentacin secuencial de cada una de las fases del estator de forma sincronizada con el movimiento del rotor -La alimentacin en corriente continua simplifica la electrnica del convertidor -Inconveniente: Se necesitan sensores para detectar la posicin del rotor25


CONCLUSIONES SOBRE LOS MOTORESMAS UTILIZADOS EN TRACCIN ELCTRICA -MOTORES ASNCRONOS O DE INDUCCIN muy experimentadoindustrialmente por ser el ms econmico, robusto y con bajo mantenimiento. FDP bajo.

-MOTORES SNCRONOS DE IMANES PERMANENTES mayor densidad depotencia, ms reducido en volumen y peso, superando el rendimiento de la MA. FDP alto. - mquina de mayor coste, menos robusta y menos experimentada (desmagnetizacin imanes).

-MOTORES DE FLUJO AXIALSon un tipo de MSIP adecuados para ser integrados en la rueda

-MOTORES DE RELUCTANCIA CONMUTADA sencillos y robustos, pero necesitansensores especiales para detectar la posicin del rotor. Par pulsante.

-MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA SIN ESCOBILLASSon como los MRC pero con imanes permanentes, luego necesitan sensores de posicin26


Ejemplos de Vehculos Elctricos comerciales (mercado).MODELO (HBRIDOS) MOTORMotor Sncrono IP 60 kW (650V) 207 Nm (0-13.000 r.p.m.) Brushless DC Motor IP NiMH 100 V (5,75 Ah)

BATERASNiMH 200 V (27 kW)

INSIGHT

10 kW 78 Nm

Li-IN

CHEVROLET VOLT OPEL AMPERA

111 kW 370 Nm

370 V (16 kWh)

150 kW

Li-IN 300 V (40 Ah) 27

LEON TWIN DRIVE ECOMOTIVE

Tecnologa y reglamentacin para el vehculo elctrico y su infraestructuraVehculos elctricos comerciales (mercado).MODELO (ELCTRICOS) MITSUBISHI iMIEV PEUGEOT iON CITREN RENAULT ZE MINI (BMW) SMART ED 150 kW 220 Nm 30 kWMotor Induccin 185 kW

MOTORMotor Sncrono IP 47 kW 180 Nm (0-8.500 r.p.m.)

BATERASLi-IN 330 V (50 Ah)

70 kW

Li-IN 400 V (90 kW)

Li-IN Li-IN6.831 individual Li-IN

ROADSTER REVA Think- City

(375V) 375 Nm (0-4.500 r.p.m.) Motor Induccin 14,5 kW

-Pb-cido -Li-IN

52 Nm (8000rpm)30 kW 110 Nm (0-2.690 r.p.m.)

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Motores de traccin para vehculos elctricos 1. Introduccin. 2. Descripcin de los componentes principales de un vehculo elctrico:2.1 Motor/Generador elctrico 2.2 Convertidor electrnico 2.3 Sistema de control de la energa elctrica


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Situacin actual y perpectivas de futuro: Tecnologa del sistema de traccin:-En el campo de los motores actualmente hay investigacin pendiente en: -Nuevos materiales (imanes permanentes, plsticos magnticos, etc) para obtener una reduccin de volumen y peso. -Motores de muy alto rendimiento (con menores prdidas, superconductores) -Nuevos diseos del sistema de traccin. Cuatro motores en rueda con 4 convertidores electrnicos harn las funciones de los actuales sistemas electrnicos abordo (traccin 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 vehculo elctrico:Se ha hablado principalmente de la idoneidad del V.E. para el transporte urbano, pero en carretera.: -Mientras dure el proceso de evolucin de las prestaciones del vehculo elctrico (bateras y pila de combustible) hasta alcanzar los requerimientos a los que el actual usuario de vehculos est acostumbrado, los vehculos hbridos jugarn un papel decisivo en esta transicin (principalmente los hbridos serie).

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Muchas gracias

Dpto. Ingeniera Elctrica

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