Estudio comparativo del uso de tres motores para vehículos
eléctricos
Documento
basado en un trabajo realizado por:
Gianmario
Pellegrino, Alfredo Vagati, Barbara Boazzo and Paolo Guglielmi
Politecnico
di Torino, Torino, Italy
La selección del motor de
tracción para un sistema de vehículo eléctrico es un paso crucial en el diseño
del sistema general. Se deben tener en cuenta muchos criterios como la
eficiencia, el costo, la confiabilidad, la densidad de potencia, la madurez de
la tecnología y la capacidad de control. Desde el punto de vista de la
aplicación industrial, los motores más comunes utilizados en los vehículos
eléctricos híbridos y los vehículos
eléctricos puros son: de inducción y síncronos de imanes permanentes. Las
secciones transversales de estos motores se muestran en la siguiente figura
Se comparan tres motores
de tracción eléctrica diferentes en términos de potencia de salida y eficiencia
con las mismas dimensiones del estator y el tamaño del inversor. Ellos son los
motores de inducción, los motores síncronos de imán permanente montado en
superficie (SPM) y los motores síncronos de imán permanente interior (IPM), con
referencia a una especificación de vehículo común.
Términos de la comparación
Los tres motores se
comparan en términos de consumo de energía, con referencia al Nuevo Ciclo de
Conducción Europeo (NEDC), que consta de cuatro ciclos de conducción ECE-15
repetidos y un ciclo de conducción extraurbana (EUDC). Aquí solo se consideran
las pérdidas del motor: los otros componentes de pérdida del tren motriz, que
son los de la batería y los convertidores de potencia, quedan fuera de esta
comparación. Los motores IPM y SPM son muy similares en la primera parte del
ciclo, en lo que respecta al funcionamiento urbano. En el funcionamiento
suburbano (a partir de los 800 s), la mayor velocidad del vehículo penaliza al
SPM. El IM tiene definitivamente mayores pérdidas que el IPM, pero ambos
motores tienen una tasa constante de consumo de energía durante todo el tiempo
del ciclo: arranques y paradas más frecuentes en áreas urbanas (0 a 800 s)
producen la misma pérdida de potencia que variaciones de velocidad menos
frecuentes a mayor velocidad del vehículo (800 s a 1200 s).
Como se resume en la siguiente
figura, los vehículos eléctricos requieren una región de operación de par
constante a baja velocidad para el arranque y la marcha cuesta arriba y luego
un rango de velocidad de potencia constante a mayor velocidad del vehículo. La
potencia continua a velocidad máxima P1 determina la velocidad máxima del
vehículo en llano (cuadrado rojo F, para llano). El par de pérdida continuo T1
determina la pendiente máxima que el vehículo puede subir continuamente
(cuadrado rojo U, para cuesta arriba).
El par y la potencia de
sobrecarga transitoria están limitados por la corriente nominal del inversor
(i0) y la combinación de límites de voltaje y corriente (v0, i0),
respectivamente. Las áreas típicas de operaciones urbanas y extraurbanas
también se evidencian en la figura, que se calculan de acuerdo con el ciclo de
conducción NEDC. Las especificaciones detalladas del vehículo son:
Las curvas de par en función de la velocidad de la figura
anterior son indicativos pero no obligatorios, excepto para el punto F: los
tres variadores en comparación deben cumplir con el requisito básico de
proporcionar la misma velocidad máxima del vehículo, es decir, proporcionar la
misma potencia continua a la velocidad máxima del motor de 12000 rpm. Todos los
demás parámetros evidenciados en la figura son materia de comparación: par
continuo en el punto U, par de sobrecarga máximo a una corriente de inversor
dada, sobrecarga transitoria, eficiencia en toda el área de operación y en el
área de máxima eficiencia preferida. El diámetro exterior, la longitud del estator y la longitud del entrehierro son
los mismos para los tres motores, así como la misma configuración de
refrigeración líquida. Se supone que los devanados del estator están a 130 °C
en funcionamiento continuo, los PM están a 150 °C y el rotor del IM a 180 °C.
La tensión y la corriente del inversor se establecen en v0 = 173 Vpk, tensión
de fase, e i0 = 360 Apk de corriente de fase, correspondiente a un bus de CC
(corriente continua) de 300 Vcc. La especificación de potencia de salida
continua es de 50 kW a 12000 rpm. Los motores están refrigerados por agua. Los
tres motores están diseñados para tener el mejor equilibrio entre potencia
continua, potencia de sobrecarga transitoria y eficiencia. Todas las máquinas
tienen dos pares de polos, para limitar el impacto de las pérdidas del núcleo y
del PM, dada la operación de 12000 rpm. El IM y el motor IPM tienen las mismas
laminaciones del estator, con 48 ranuras, es decir, 4 ranuras por polo por
fase.
Consideraciones sobre los accionamientos de los motores en contraste
Motores asíncronos de inducción (IM)
El rango de velocidad se puede extender
utilizando debilitamiento de flujo en la región de potencia constante. La
existencia de par de ruptura en la región de potencia constante, reducción de
eficiencia e incremento de pérdidas a altas velocidades, eficiencia
intrínsecamente menor en comparación con los motores de imanes permanentes
debido a la presencia de las barras del rotor y finalmente bajo factor de potencia se
encuentra entre las deficiencias de los motores de inducción.
Los investigadores han
realizado muchos esfuerzos para resolver estos problemas, como: uso de
inversores duales para extender la región de potencia constante, incorporación
de motores de inducción doblemente alimentados para tener un excelente
rendimiento a bajas velocidades y reducción de pérdidas.
Las trayectorias
vectoriales del accionamiento IM, correspondientes a una amplitud de corriente
dada, con tensión limitada, se ilustran cualitativamente en la figura siguiente,
junto con las curvas de potencia en función de la velocidad. Los diagramas
vectoriales y las curvas de potencia se replican para la corriente continua i1
y para la corriente máxima i0. Esto puede no ser representativo de las
trayectorias de control reales del accionamiento, pero las curvas de potencia a
una tensión dada y a diferentes límites de corriente serán útiles aquí y en lo
sucesivo para comparar las características de los diferentes accionamientos.
Cabe destacar que i0 es el mismo para los tres variadores, que tienen el mismo
inversor, mientras que i1 depende del tipo de máquina y será ligeramente
diferente para los tres motores.
Motores síncronos de imanes permanentes (SPM - IPM)
Los motores PM son el
competidor más serio de los motores de inducción en aplicaciones de tracción.
De hecho, muchos fabricantes de automóviles los utilizan en sus vehículos.
Estos motores tienen varias ventajas: mayor densidad de potencia, mayor
eficiencia y una distribución más efectiva del calor en el ambiente. Sin
embargo, estos motores tienen intrínsecamente una región de potencia constante
estrecha.
IPM
Las trayectorias
vectoriales y las curvas de potencia también se presentan para el accionamiento
del motor IPM, en las siguientes figuras
respectivamente, para el caso de un motor que tiene una alta anisotropía
y un bajo enlace de flujo de PM por unidad. En este caso, el ángulo de fase del
vector de corriente correspondiente a MTPA está adelantado con respecto al eje
q en 45° o incluso más: el punto A (corriente nominal) y el punto A' (corriente
máxima) representan el funcionamiento por debajo de la velocidad base.
Después del límite de
voltaje, el vector de corriente se rota para el debilitamiento del flujo hacia
el lugar geométrico MTPV, si lo hay. Los accionamientos de PM síncronos en
realidad tienen una región MTPV (región de debilitamiento de flujo II) solo
para valores de corriente que son mayores que la corriente característica.
SPM
En la figura de la
izquierda se muestran las trayectorias vectoriales del motor SPM: a baja
velocidad, el vector de corriente se encuentra a lo largo del eje q (puntos A y
A'), es decir, el funcionamiento MTPA. A velocidades más altas, cuando se
alcanza el límite de voltaje, el vector de corriente gira a lo largo de las
trayectorias discontinuas para debilitar el flujo. En la figura de la derecha
se muestran las curvas de potencia en función de la velocidad del motor SPM,
para corrientes nominales y máximas. Ambas curvas de potencia tienden
asintóticamente a una por unidad.
Mapas de pérdidas de potencia
En las figuras se
muestran los mapas de pérdidas de los tres motores, en las respectivas regiones
de operación de par-velocidad. La línea discontinua, perfil de par máximo en
cada subfigura representa los límites de corriente y voltaje de cada motor:
como ya se mencionó, esto es muy limitado en el caso del SPM, mientras que los
otros dos motores muestran pequeñas diferencias, y solo alrededor de la
velocidad máxima. La otra línea discontinua es representativa de la resistencia
aerodinámica. El IM es el que tiene las mayores pérdidas a baja velocidad. A
alta velocidad, es intermedio entre los motores IPM y SPM. El SPM es la peor
solución a alta velocidad, debido a la pérdida de PM y la pérdida de Joule
relacionada con el componente de corriente de debilitamiento del flujo (id
negativo). El motor IPM tiene las menores pérdidas en todas las condiciones.
Mapas de eficiencia
Se presentan los mapas de
eficiencia, que dan una mejor evidencia de los resultados NEDC y del impacto de
las pérdidas en las diferentes áreas: las áreas correspondientes a las
secciones urbana y suburbana (ECE15) y extraurbana (EUDC) del ciclo NEDC se
evidencian mediante cuadrados discontinuos. La eficiencia en el área ECE15 de
IPM y SPM son comparables, entre 0 y 800 s, y ambas son más altas que la
eficiencia del IM. El EUDC cubre las respectivas áreas de alta eficiencia del
IM y del motor IPM, siendo este último mejor que el primero, mientras que la
eficiencia del motor SPM cae significativamente en esta área debido a las
pérdidas relacionadas con la velocidad.
Resultado
Los tres diseños se evaluaron
mediante análisis de elementos finitos (FEA) y se tienen en cuenta todos los
aspectos principales del modelado magnético y de pérdidas (no incluido en este
documento, por razones de espacio).
El motor SPM tiene graves limitaciones en caso
de sobrecarga, independientemente de la corriente del inversor disponible, y a
alta velocidad, debido a la pérdida de PM.
El motor IPM tiene el mejor rendimiento general,
en términos de curva de sobrecarga de potencia y eficiencia en cualquier carga
y cualquier velocidad, siempre que sea una máquina de alta saliencia (máquina
eléctrica con polos que sobresalen de la superficie lisa del rotor o del
estator), maximizada por un diseño adecuado.
El IM tiene curvas de potencia de sobrecarga que no están lejos de las
del IPM, siempre que esté diseñado para tener la reactancia transitoria más
baja posible. En términos de pérdida y consumo de energía, esto se ve
perjudicado por las pérdidas de jaula de ardilla tanto a baja como a alta
velocidad.
En conjunto, los motores
de ejemplo muestran que no siempre es cierto que las máquinas SPM sean más
compactas y más densas en par que cualquier otra máquina.
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Ricardo Berizzo
Ingeniero Electricista 2024.-
