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Coche Eléctrico

 

Sistemas de accionamiento y control de un coche eléctrico

En un vehículo eléctrico, el motor de combustión interna es reemplazado por un motor eléctrico, el cual se encarga de transformar la energía eléctrica que absorbe por sus bornes en energía mecánica, transmitiendo esta energía a la ruedas y permitiendo, por lo tanto, el movimiento del vehículo.

 

La diferencia de tamaño y complejidad constructiva en cuanto a numero de piezas entre un motor eléctrico y un motor térmico es notable, como se puede ver en las figuras inferiores.


Los motores eléctricos presentan curvas características que se aproximan bastante a la curva ideal requerida en tracción, es decir, una entrega de potencia constante en todo el rango de velocidades lo que proporciona pares elevados a bajas velocidades de giro y pares reducidos a altas velocidades de giro. Es por este motivo por lo que un vehículo eléctrico no necesita caja de cambios. La Figura inferior muestra la curva característica de par y potencia, comparando un motor eléctrico con un motor térmico. A bajas velocidades, el motor eléctrico proporciona un par máximo y constante (zona de par constante) hasta su velocidad nominal. Una vez que el motor eléctrico alcanza dicha velocidad, el par se reduce proporcionalmente con la velocidad manteniendo la potencia constante (zona de potencia constante).

Ventajas del motor eléctrico en automóviles:

 

Los motores eléctricos más comúnmente utilizados para entregar potencia a un vehículo eléctrico son:

De estos tipos de motores los mas usados actualmente son los motores sincronos de imanes permanentes y los motores asíncronos o de inducción. Los vehículos híbridos utilizan en su mayoría el motor sincrono de imanes permanentes, como se puede ver en la figura inferior. Los vehículos eléctricos utilizan tanto motores sincronos de imanes permanentes (ejemplo Nissan Leaf, Renault Zoe, Mitsubishi I-MiEV y sus equivalentes: Citröen C-Zero, Peugeot iOn) como motores asíncronos o de inducción (ejemplo Tesla Model S).

 

 

Motores de corriente continua
Los motores de corriente continua CC fueron los primeros tipos de motores que se utilizaron para la tracción de vehículos eléctricos, sin embargo, actualmente han sido sustituidos, en la mayoría de los casos, por los motores de corriente alterna por las ventajas que estos últimos presentan con respecto a los primeros (menor coste de fabricación y de mantenimiento). La ventaja de estos motores es lo fácil que se controlan, donde con solo un reostato y unos contactores, servían para controlar la velocidad del vehículo sin tener que recurrir a la electrónica. Electrónica que todavía no se había inventado en los primeros coches eléctricos.


Existe otra variante de motores de corriente continua que son los motores de corriente continua sin escobillas o "brushless", también conocidos como BLDC (BrushLess Direct Current), que los hace más atractivos para su utilización en vehículos eléctricos. Su funcionamiento es muy parecido al del motor síncrono de imanes permanentes, pero con la diferencia de que el sistema electrónico es considerado parte del motor.


El funcionamiento de estos motores es similar a otros motores eléctricos de imanes permanentes. Al energizar una bobina, esta crea un campo magnético. El rotor que tiene un campo magnético constante, detecta la variación y tiende a alinear el campo creado por el estator y el propio haciendo girar el rotor ya que es la parte móvil del motor.
Para lograr que el rotor siga girando, antes de que se alinee por completo la bobina energizada con el rotor, se energiza la bobina que le sigue y a la anterior se la deja de alimentar. Esto provoca que el campo magnético del rotor siga al campo magnético del estator, que va variando en el tiempo, haciendo que el rotor gire.

 

 

Un ejemplo de la utilización del motor Brushless DC, lo tenemos en el vehículo híbrido Honda Insight. Este híbrido utiliza un motor eléctrico (10 kW - 78 Nm) ultra delgado situado entre el motor térmico y la caja de cambios, como se puede ver en la figura inferior.

 

 

 

Motores sincronos de imanes permanentes
Un motor síncrono es una máquina eléctrica que se caracteriza porque el rotor está magnetizado y gira a la misma velocidad que el campo magnético rotativo.

donde "f" es la frecuencia de la red de corriente alterna a la que está conectada el motor, en hertzios (Hz), y "p" es el número de pares de polos con el que esta construido el motor.


En un motor síncrono de imanes permanentes, el estator consiste en tres bobinados conectados en estrella (Figura inferior). El rotor consta de electroimanes o imanes permanentes que crean un flujo constante en el entrehierro, eliminando así la necesidad del rotor bobinado y escobillas utilizadas normalmente para la excitación en los motores de corriente continua. El par de rotación se produce por la interacción entre el campo magnético producido por las bobinas de estator y el rotor.

 

El motor de imanes permanentes debe ser energizado directamente en el estator por medio de un accionamiento de velocidad variable. Para energizar las bobinas adecuadas de manera que se produzca el máximo par posible en la posición actual del rotor, es necesario conocer cuál es esa posición, para lo que se requiere un sensor de posición angular. La conmutación de las bobinas se realiza mediante un circuito inversor (Figura superior).

En los motores sin escobillas el rotor incluye dos o más imanes permanentes que generan un campo magnético de CC. A su vez, este campo magnético entra en el núcleo del estator (compuesto por un laminado de metal) e interactúa con las corrientes que fluyen dentro de la bobina para producir una interacción de par entre el rotor y el estator. A medida que el rotor gira, es necesario que la magnitud y la polaridad de las corrientes del estator varíen continuamente – y en la manera correcta – de tal forma que el par de torsión permanezca constante y la conversión de energía mecánica a eléctrica sea la más eficiente. El aparato que proporciona este control de la corriente es el inversor. Sin él los motores sin escobillas no son operativos.

Actualmente, para la fabricación de los imanes permanentes se tiende a la utilización de aleaciones de tierras raras, como neodimio-hierro-boro (NdFeB) o samario-cobalto, en sustitución de ferritas magnéticas debido a que presentan mayor campo magnético. El NdFeB es más barato y menos frágil que el samario-cobalto, material que estuvo muy extendido en la década de los ochenta.

Las principales ventajas que presentan este tipo de motores son:

Sin embargo, presentan los siguientes inconvenientes:

Actualmente, este tipo de motores son la elección más común en los vehículos híbridos y también es utilizado en algunos eléctricos. En la figura inferior se puede ver el conjunto motor eléctrico sincrono de imanes permanentes utilizado por el Renault Zoe.

 

 

Motores asincronos o de inducción
El motor de inducción o asíncrono es una opción muy interesante para equipar vehículos eléctricos debido a su robustez, fiabilidad, bajo mantenimiento y coste y la capacidad para trabajar en entornos hostiles.

La principal diferencia del motor asíncrono con los demás tipos de motores es que no requiere de un campo magnético en el rotor alimentado con corriente continua. La corriente que circula por uno de los devanados, generalmente situado en el rotor, se debe a la f.e.m. inducida por la acción del flujo del estator, denominándose por este motivo motores de inducción. En este tipo de motores, la velocidad de giro del motor no es la de sincronismo impuesta por la frecuencia de la red.

El estator del motor de inducción de 3 fases y el motor de corriente continua sin escobillas son prácticamente idénticos. Ambos tienen tres conjuntos de bobinas o “devanados” que se insertan en el núcleo del estator. La diferencia esencial entre las dos máquinas está en el rotor. A diferencia del rotor de corriente continua sin escobillas, el rotor de inducción no tiene imanes. En su lugar tiene simples laminas de metal apiladas y conectadas con conductores periféricos que forman una “jaula de ardilla” (por su parecido a las ruedas donde corren los roedores enjaulados). Las corrientes que fluyen en los devanados del estator producen un campo magnético giratorio que entra en el rotor. La frecuencia de este campo magnético “vista” por el rotor es igual a la diferencia entre la frecuencia eléctrica aplicada y la “frecuencia” de rotación del propio rotor.
En consecuencia, existe una tensión inducida a través de la “jaula de ardillas” que es proporcional a esta diferencia de velocidad entre el rotor y la frecuencia eléctrica. En respuesta a esta tensión, se producen corrientes dentro de los del rotor que son aproximadamente proporcionales a la tensión y también lo son, por lo tanto, a la diferencia de velocidad. Finalmente, estas corrientes interactúan con el campo magnético original para producir fuerzas, un componente de las cuales es el deseado par motor. Cuando un motor de inducción de 3-fases está conectado a una línea trifásica el par se produce desde el principio, el motor tiene la capacidad de arrancar con solo ser enchufado, no se necesita ningún inversor. El hecho de que los motores de inducción son directamente compatibles con la red eléctrica convencional es la principal razón de su éxito y uso en la industria.

 

Los motores de imanes permanentes y los de inducción tienen estatores similares. Y ambas unidades utilizan inversores de modulación de 3 fases. Las únicas diferencias están en los rotores y en los controles del inversor. Y en el caso de controladores digitales, la única diferencia es el código de control, ya que las unidades de CC sin escobillas requieren un sensor de posición absoluta (seno coseno), mientras que las unidades de inducción requieren sólo un sensor de velocidad; estas diferencias son relativamente pequeñas.
Al añadir un inversor (sin ningún control de realimentación) se hace posible alimentar un motor de inducción (de corriente alterna) con una batería u otra fuente de CC; también se hace posible tener una velocidad variable simplemente ajustando la frecuencia del inversor.

Los motores asíncronos o de inducción presentan las siguientes ventajas:

Sin embargo, presentan los siguientes inconvenientes:

Como ejemplo de motor trifásico de inducción AC, tenemos el utilizado por la marca TESLA en su modelo "Model S". Se trata de un motor de inducción con rotor de cobre y tiene 4 polos. Gira hasta 15 000 r.p.m.. El rotor está refrigerado por agua.

 

 

 

 

Ejemplos de motores utilizados por distintas marcas de coches eléctricos:

 

Renault Twizy
El Twizy en la versión "45" dispone de un motor eléctrico de 4 kW (5 CV) y 33 N·m y el Twizy "80" de 8 kW (11 CV) y 57 N·m. La velocidad máxima es de 80 km/h. En condiciones reales el Twizy 45 puede recorrer entre 80 y 100 km y el Twizy 80 entre 48 y 72 km.
En la figura inferior se puede ver conjunto de motor eléctrico y el grupo reductor con el diferencial que transmite el movimiento a cada una de las ruedas traseras.

Chevrolet Volt
Unidad de propulsión conformada por dos motores eléctricos capaces de trabajar en paralelo alternando funciones de impulsión, generación y regeneración, la eficiencia en este punto puede alcanzar hasta un 15%.

 

 

Nissan Leaf
Motor eléctrico sincrono de imanes permanentes. Proporciona una potencia máxima 80 kW y un par máximo 280 Nm. Régimen máximo 10390 rpm. Tensión nominal 360 V.

 

 

 

El inversor
Aparte de la batería de alta tensión y el motor eléctrico, hay un tercer componente fundamental en los vehículos eléctricos que es mucho menos nombrado y por lo tanto mucho más desconocido por el público en general: Estamos hablando del inversor (figura inferior).

El inversor es el componente que se encarga de extraer energía de las baterías y proporcionársela al motor, de acuerdo con las instrucciones indicadas por el conductor (según la presión en el pedal del acelerador). Las baterías entregan una determinada tensión, constante, pero para conseguir que el motor funcione al régimen de revoluciones deseado, tendremos que alimentarlo con los niveles de tensión adecuados a la demanda mecánica exigida. En muchos casos, el motor funciona con corriente alterna, monofásica o trifásica, algo que no puede ser proporcionado directamente por las baterías.

 

El inversor es el componente encargado de realizar las conversiones necesarias, adaptando voltajes y formas de onda para alimentar al motor convenientemente a partir de la energía almacenada en las baterías, disponible como una fuente de corriente continua con un voltaje determinado. También es el encargado de recuperar energía del motor, en el caso de que éste esté actuando como mecanismo de frenado y almacenar dicha energía recuperada de nuevo en las baterías.

El inversor es un complejo elemento (en la imagen podemos ver la carcasa y el interior del inversor de un Toyota Prius), y al igual que sucede con las baterías y los motores, los ingenieros de las empresas automovilísticas se afanan por conseguir las máximas prestaciones y rendimientos de estos componentes, fundamentales en la realización de vehículos eléctricos.

 

Con respecto al rendimiento de estos componentes, los fabricantes no suelen indicar estas cifras. Inversores de potencia similar utilizados en el ámbito de la energía solar, presentan cifras de rendimiento del orden de un 95%, así que mientras no dispongamos de datos más precisos, podemos asumir que los inversores utilizados en los vehículos eléctricos presentan cifras de ese mismo orden.

En la imagen se muestran los componentes fundamentales del Nissan Leaf. Se puede observar el motor en la parte inferior delantera (a destacar el pequeño tamaño del mismo en comparación con un motor de explosión) y, sobre éste, la caja sellada que contiene los elementos de electrónica de potencia que forman el inversor. A destacar también los gruesos cables que conectan el inversor con las baterías así como con el motor. Estos cables presentan una sección muy gruesa, imprescindible para soportar los elevados niveles de corriente eléctrica que por ellos ha de circular.


Cargador
El cargador o transformador convertidor es aquel elemento que absorbe la electricidad de forma alterna directamente desde la red y la transforma en corriente continua, para así poder cargar la batería principal. En el caso de utilizar cargadores ultra-rápidos de corriente continua (DC), no se utiliza el cargador interno del coche sino que se carga la batería directamente, no olvidemos que la batería esta cargada con corriente continua y no es necesario de un cargador que nos transforme la corriente alterna (AC) en corriente continua (CC).

 



Conversor
El conversor (convertidor) transforma la alta tensión de corriente continua, que aporta la batería principal, en baja tensión de corriente continua. Este tipo de corriente es el que se utiliza para alimentar las baterías auxiliares de 12 V,que son las que alimentan los componentes auxiliares eléctricos del coche.

 

 

Unidad de control electrónica ECU
Por último, nuestro director de orquesta, la ECU del sistema eléctrico, que debe coordinar todo en buena harmonía: el BMS, el cargador, el inversor, el conversor, etc. Debe conocer en todo momento la carga de la batería, y el programa de conducción seleccionado.
Los vehículos eléctricos al no producir emisiones contaminantes, no requieren cumplir con el estándar OBD en cuanto al control y diagnosis del motor.

 

 

 

Los sistemas eléctricos que podemos encontrar en un coche eléctrico:

 

 

Sistemas auxiliares en un coche eléctrico
El coche eléctrico tiene unos sistemas auxiliares que se adaptan a su propia tecnología.

 

 

 

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