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DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
7 EL AUTOMÓVIL ELÉCTRICO
7.1 Motorización en automóviles eléctricos
7.2 Baterías para automóviles eléctricos
7.3 Control y etapa de potencia
7.4 Frenado
7.5 Alimentación en un automóvil eléctrico
7.6 Elementos mecánicos
7.7 Estructura y carrocería
1
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7. El automóvil eléctrico.
137
7.1 Motorización en automóviles eléctricos.
138
7.1.1 Disposición de los motores.
138
7.1.2 Condicionamientos del motor eléctrico.
140
7.1.3 Factores que influyen en la motorización.
142
7.1.4 Características que afectan al diseño del motor.
144
7.1.5 Características de los motores. 145
7.1.5.1 Motores de corriente continua.
146
7.1.5.2 Motores de corriente alterna. 147
7.1.6 Comparación entre motores.
150
7.2 Baterías para automóviles eléctricos.
156
7.2.1 Introducción. 156
7.2.2 Principales tipos de acumuladores.
157
7.2.2.1 Clasificación y descripción general.
158
7.2.2.2 Análisis de los diferentes pares electroquímicos. 163
7.2.3 Baterías con futuro a medio plazo.
170
7.2.3.1 La batería de Ni/Cd.
171
7.2.3.2 La batería de Na/S
175
7.2.4 Dimensionamiento de una batería.
181
7.3 Control y etapa de potencia.
187
7.3.1 Tipos de control de un automóvil eléctrico.
187
7.3.2 Regulación convencional de motores de corriente continua.
189
7.3.2.1 Shuntado de los motores.
190
7.3.2.2 Arranque en los motores de tracción de corriente continua.
7.3.3 Regulación electrónica de motores de corriente continua.
197
7.3.3.1 Principios básicos.
197
7.3.3.2 Dispositivos troceadores.
200
7.3.3.3 Control de campo.
207
7.3.4 Regulación de motores de corriente alterna.
207
7.3.4.1 Onduladores.
208
7.3.4.2 Sistema troceador-ondulador. 212
7.3.4.3 Otros sistemas.
213
7.4 Frenado.
215
7.4.1 Frenado reostático en motores de corriente continua.
215
7.4.1.1 Motor excitación serie.
215
7.4.1.2 Motores de excitación independiente.
219
7.4.2 Frenado regenerativo en motores de corriente continua.
220
7.4.3 Electrónica del frenado reostático.
222
7.4.4 Electrónica del frenado regenerativo.
224
7.4.5 Frenado regenerativo con control de campo.
226
7.5 Alimentación en un automóvil eléctrico.
227
7.5.1 Tipos de cargadores.
230
194
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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
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Esquema simplificado de automóvil eléctrico
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7.1 Motorización en automóviles eléctricos
7.1.1 Disposición de los motores
7.1.2 Condicionamientos del motor eléctrico
7.1.3 Factores que influyen en la motorización
7.1.4 Características que afectan al diseño del motor
7.1.5 Características de los motores
7.1.5.1 Motores de corriente continua
7.1.5.2 Motores de corriente alterna
7.1.6 Comparación entre motores
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7.1 La motorización en automóviles eléctricos
7.1.1 Disposición de los motores
a)
b)
c)
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.
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.
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7.1.2 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
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7.1.3 Factores que influyen en la motorización
1.
La curva característica par-velocidad requerida en régimen permanente
(a velocidad constante) y la curva característica requerida en condiciones
de sobrecarga.
2.
Disposición del motor y tipo de transmisión cinemática.
3.
Prestaciones desde el punto de vista de la conductibilidad, confort y
manejabilidad.
4.
Robustez y problemas de mantenimiento.
5.
Posibilidad de transmisiones complejas.
6.
Rendimiento del motor.
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7.1.3 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
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7.1.3 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.)
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7.1.4 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.
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El nivel de voltaje de la batería es un factor importante debido a las
siguientes razones:
1. 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.
2. Una mayor eficiencia significa menores pérdidas de calor,
reduciéndose así el sistema de refrigeración.
3. 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.
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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.)
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7.1.5 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
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tipologías mas utilizadas:
motores de continua (DC)
MM
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)
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7.1.5.1 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
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7.1.5.1 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.
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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
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7.1.5.2 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.
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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7.1.6 Comparación entre motores
Parámetro
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.
DC
AM
SM
PM
MM
VR
Velocidad máxima
1000/min-1
6
> 10
> 10
10
5
>10
Rango de potencia
constante
3
35
35
3
1
2
34
23
22.5
2
2
23
0.9
1
Kg/KW
refrigeración con aire
Kg/KW
refrigeración con líquido
0.9
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Comparativa entre motores
DC
AC
Brushless
Reluctancia
Flexibilidad de la
forma
Problemas de
refrigeración
Comportamiento
dinámico
Perdidas en el
conmutador
Característica
Potencia/Peso
Par/Peso
Riesgo técnico
Coste control
Coste motor
Coste desarrollo
control
Coste desarrollo
motor
Vida
Rendimiento
0
2
4
6
Valoración de 1 a10
8
10
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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
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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
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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.
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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.
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