Estudio comparativo del uso de tres motores para vehículos eléctricos

 

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.-