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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

CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO

Dpto. Ingeniería Eléctrica3 de Mayo de 2011

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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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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).


US Enviromental Protection Agency.2005. Inventory of US Greenhouse GasEmissions and Sinks:1990-2003. Washimngton DC. Table 2-9

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-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.

Introducción. Eficiencia energética



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Parámetros de medida deeficiencia de un vehículo:

€ / 100km: 0.94

g CO2 / km: 18.4


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Parámetros de medida deeficiencia de un vehículo:

€ / 100km: 0.94

g CO2 / km: 18.4

Frenado brusco:

€ / 100km: 1.16

g CO2 / km: 22.9

Diferencia del 25% enconsumo, debidasolamente a los hábitosdel 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…


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1. Introducción.

2. Descripción de los componentes principales de un VE:






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MOTOR/GEN

BATERÍAS

CONVERTIDOR

MICROPROCESADOR

Esquema general de los componentes del sistema de tracción en un vehículo eléctrico

ULTRACOND.


http://sites.google.com/site/bikebatt/Home/TROJAN.gif?attredirects=0

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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 detracción eléctrica, donde antes había MCC, hoy se instalanMA alimentados mediante convertidores electrónicos

Constitución de un motor eléctrico:Estator-rotor-entrehierro

Tipos de Máquina Asíncrona:Jaula de ardillaRotor devanado


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Hay cuatro constituyentes de un motor eléctrico:

-Circuito eléctrico

-Circuito magnético

-Aislamientos

-Refrigeración

MOTORES ASÍNCRONOS O DE INDUCCIÓN

m)p(rp·f=n ..60 1

1


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Principio de funcionamiento:

Hs-A

Hs-B Hs-C

Hs

Hs-A

Hs-C

Hs

Hs

Hs-C

Hs-B

srrs senHH=T φ]·]·[[

m)p(rp·f=n ..60 1

1

-Campo senoidal giratorio en estator (Hs)

-Inducción de f.em. y corrientes en el rotor-Campo senoidal giratorio en el rotor (Hr)

-Interacción entre ambos campos:Par electromagnético

m)p(rp·f=n ..60 2

2

.1001

1

nnn=s −-El rotor gira a velocidad asíncrona respecto

al campo: deslizamiento (s=2% ··· 6%)


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22

21

2

1

2

+)'+(•

60•π2

'•3=

XccsRR

UnsR

Mm

Modelo de la M.A.


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CONVERTIDOR ELECTRÓNICO

Toyota Prius Inverter Efficiency Map

Source: Department of Energy, USA

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Source: EVISOLCONVERTIDOR ELECTRÓNICO

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17

UN

n

I

Mres

U

2 ∙ IN

UN

n

M

23

1

U1

U

CA f

f ,

, f N

, f N

f ,

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

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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.

Sistema de control del accionamiento de tracción


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α

xda

xqa

X

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MOTORES SÍNCRONOS DE IMANES PERMANENTES

pf=n ⋅60

Convencionalmente se ha utilizado en aplicaciones de generación de energía eléctrica

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

Rotor cilíndricoPolos salientes

La Máquina Síncrona


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MOTORES SÍNCRONOS DE IMANESPERMANENTES-Circuito de excitación

sustituido por imanes permanentes de alta energía: Ej: NdFeB, SmCo. Menor volumen!! Aprox. 30% más pequeños y 10% más eficientes -Existen motores de imanes superficiales (SPM) y motores de imanes interiores (IPM)


Source: Vacuumschmelze

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MOTORES SÍNCRONOS DE IMANES PERMANENTES

Modelo de la M.S:

Convertidor electrónico:

Sistema de control:

δ

U

E0

d

qδ

U

E0

d

q

Par

Velf1 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

-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 losacoplamientos 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


Source: Evo Electric

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MÁQUINAS DE RELUCTANCIA CONMUTADALas bobinas del estator son concentradasIdóneas 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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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 mecánica2) los imanes permanentes van alojados en el rotor en lugar de en el estator3) 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 AXIALSon 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 ESCOBILLASSon 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

60 kW (650V)– 207 Nm

(0-13.000 r.p.m.)

NiMH

200 V (27 kW)

INSIGHT

Brushless DC Motor IP

10 kW – 78 Nm

NiMH

100 V (5,75 Ah)

CHEVROLET VOLT

OPEL AMPERA

111 kW – 370 Nm

Li-IÓN

370 V (16 kWh)

LEON TWIN DRIVE

ECOMOTIVE

150 kW Li-IÓN

300 V (40 Ah)


http://www.toyota.es/cars/empresas/prius_eco.aspx?WT.mc_id=PriusECO&WT.adsite=PromoblockMD

http://automobiles.honda.com/

http://www.seat.es/es/generator/su/es/SEAT/site/main.html

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Vehículos eléctricos comerciales (mercado).

MODELO (ELÉCTRICOS) MOTOR BATERÍAS

MITSUBISHI iMIEV

PEUGEOT iON

CITRÖEN

Motor Síncrono IP

47 kW – 180 Nm

(0-8.500 r.p.m.)

Li-IÓN

330 V (50 Ah)

RENAULT ZE

70 kW Li-IÓN

400 V (90 kW)

MINI (BMW) 150 kW – 220 Nm Li-IÓN

SMART ED 30 kW Li-IÓN

ROADSTER

Motor Inducción 185 kW (375V)– 375 Nm

(0-4.500 r.p.m.)

6.831 individual Li-IÓN

REVA Motor Inducción 14,5 kW

52 Nm (8000rpm)

-Pb-Ácido

-Li-IÓN

Think- City 30 kW– 110 Nm

(0-2.690 r.p.m.)


http://www.google.es/imgres?imgurl=http://www.motoradictos.com/images/2007/01/tesla-roadster.jpg&imgrefurl=http://www.motoradictos.com/descapotables/el-tesla-roadster-llegara-a-europa-en-la-proxima-primavera&h=346&w=460&sz=20&tbnid=ROXrJUDzqTtHCM:&tbnh=96&tbnw=128&prev=/images%3Fq%3Dtesla%2Broadster&hl=es&usg=__LvwXx4aSxQrlxTSxEj3HsdPCVNo=&ei=qgPuSqKQIsefjAeZ3oWkDQ&sa=X&oi=image_result&resnum=2&ct=image&ved=0CAkQ9QEwAQ

http://www.google.es/imgres?imgurl=http://articulos.autos.clarin.com/wp-content/uploads/2008/11/mini-electrico.jpg&imgrefurl=http://articulos.autos.clarin.com/%3Fp%3D720&h=333&w=517&sz=29&tbnid=9W4kKawLXcQhiM:&tbnh=84&tbnw=131&prev=/images%3Fq%3Dmini%2Belectrico&hl=es&usg=__RasBi-us5RGh2KXubLrrKEeJNbI=&ei=DwruSojkPIe5jAfptfDFDQ&sa=X&oi=image_result&resnum=6&ct=image&ved=0CBMQ9QEwBQ

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Vehículos eléctricos comerciales (mercado).

CICLO DE CONFERENCIAS SOBREEL VEHÍCULO ELÉCTRICO

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1. Introducción.

2. Descripción de los componentes principales de un 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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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).


Muchas gracias

Dpto. Ingeniería Eléctrica


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