Características de los motores eléctricos y gestión electrónica para vehículos eléctricos

Transcripción

1 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 3 de Mayo de 2011 Dpto. Ingeniería Eléctrica

2 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. 2

3 Introducción. Circunstancias propicias para la llegada del vehículo eléctrico. US Enviromental Protection Agency Inventory of US Greenhouse Gas Emissions and Sinks: Washimngton DC. Table 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). 3

4 Introducción. Eficiencia energética -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. 4

5 Parámetros de medida de eficiencia de un vehículo: / 100km: 0.94 g CO 2 / km:

6 Parámetros de medida de eficiencia de un vehículo: / 100km: 0.94 g CO 2 / km: 18.4 Frenado brusco: / 100km: 1.16 g CO 2 / km: 22.9 Diferencia del 25% en consumo, debida solamente a los hábitos del conductor. 6

7 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 7

8 Características de los motores eléctricos y gestión electrónica para vehículos eléctricos 1. Introducción. 2. Descripción de los componentes principales de un VE: 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. 8

9 Esquema general de los componentes del sistema de tracción en un vehículo eléctrico MICROPROCESADOR BATERÍAS CONVERTIDOR MOTOR/GEN ULTRACOND. 9

10 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) 10

11 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 de tracción eléctrica, donde antes había MCC, hoy se instalan MA alimentados mediante convertidores electrónicos Constitución de un motor eléctrico: Estator-rotor-entrehierro Tipos de Máquina Asíncrona: Jaula de ardilla Rotor devanado 11

12 MOTORES ASÍNCRONOS O DE INDUCCIÓN Hay cuatro constituyentes de un motor eléctrico: -Circuito eléctrico 60 f n = 1 1 (r. p. m) p -Circuito magnético -Aislamientos -Refrigeración 12

13 MOTORES ASÍNCRONOS O DE INDUCCIÓN Principio de funcionamiento: H s H s -Campo senoidal giratorio en estator (Hs) H s-a 60 f n = 1 1 (r. p. m) p H s-b H s-c H s-a H s-c H s-c -Inducción de f.em. y corrientes en el rotor -Campo senoidal giratorio en el rotor (Hr) H s-b H s 60 f n = 2 2 (r. p. m) p -Interacción entre ambos campos: Par electromagnético T = [ Hs] [ Hr] senφ sr -El rotor gira a velocidad asíncrona respecto al campo: deslizamiento (s=2% 6%) s = n1 n.100 n 1 13

14 MOTORES ASÍNCRONOS O DE INDUCCIÓN Modelo de la M.A. Mm = R' 2 3 s 2π n1 60 U R' 2 ( R1 + ) s Xcc 14

15 CONVERTIDOR ELECTRÓNICO Source: Department of Energy, USA Toyota Prius Inverter Efficiency Map 15

16 CONVERTIDOR ELECTRÓNICO Source: EVISOL 16

17 MOTORES ASÍNCRONOS O DE INDUCCIÓN CA f I f, U M f, U U 1 U N, f N 2 I N U N, f N M res 1 n n 3 2 Arranque y frenado regenerativo con motor asíncrono controlado en frecuencia (control escalar) 17

18 MOTORES ASÍNCRONOS O DE INDUCCIÓN Sistema de control del accionamiento de tracción 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. x qa X α x da 18

19 MOTORES SÍNCRONOS DE IMANES PERMANENTES La Máquina Síncrona n = 60 p f Convencionalmente se ha utilizado en aplicaciones de generación de energía eléctrica Polos salientes Rotor cilíndrico 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 19

20 MOTORES SÍNCRONOS DE IMANES PERMANENTES -Circuito de excitación sustituido por imanes permanentes de alta energía: Ej: NdFeB, SmCo. Menor volumen!! Aprox. 30% más pequeños y 10% más eficientes Source: Vacuumschmelze -Existen motores de imanes superficiales (SPM) y motores de imanes interiores (IPM) 20

21 MOTORES SÍNCRONOS DE IMANES PERMANENTES Modelo de la M.S: U δ E 0 q Par Convertidor electrónico: d f1 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. Vel Sistema de control: Vectores espaciales 21

22 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 los acoplamientos 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 22

23 MÁQUINAS DE RELUCTANCIA CONMUTADA Las bobinas del estator son concentradas Idóneas 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 23

24 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 mecánica 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 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 24

25 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 AXIAL Son 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 ESCOBILLAS Son como los MRC pero con imanes permanentes, luego necesitan sensores de posición 25

26 Ejemplos de Vehículos Eléctricos comerciales (mercado). MODELO (HÍBRIDOS) MOTOR BATERÍAS INSIGHT Motor Síncrono IP 60 kw (650V) 207 Nm ( r.p.m.) Brushless DC Motor IP 10 kw 78 Nm NiMH 200 V (27 kw) NiMH 100 V (5,75 Ah) CHEVROLET VOLT 111 kw 370 Nm Li-IÓN 370 V (16 kwh) OPEL AMPERA LEON TWIN DRIVE ECOMOTIVE 150 kw Li-IÓN 300 V (40 Ah) 26

27 Vehículos eléctricos comerciales (mercado). MODELO (ELÉCTRICOS) MOTOR BATERÍAS MITSUBISHI imiev PEUGEOT ion CITRÖEN Motor Síncrono IP 47 kw 180 Nm ( 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 REVA ROADSTER Think- City Motor Inducción 185 kw (375V) 375 Nm ( r.p.m.) Motor Inducción 14,5 kw 52 Nm (8000rpm) 30 kw 110 Nm ( r.p.m.) individual Li-IÓN -Pb-Ácido -Li-IÓN 27

28 CICLO DE CONFERENCIAS SOBRE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO Vehículos eléctricos comerciales (mercado). 28

29 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. 29

30 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 30

31 Situación actual y perpectivas de futuro: Infraestructuras de recarga de baterías (1 os 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) 31

32 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 32

33 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). 33

34 Muchas gracias Dpto. Ingeniería Eléctrica