7 EL AUTOM

1
7 EL AUTOMÓVIL ELÉCTRICO
7.1 Motorización en automóviles eléctricos 7.2
Baterías para automóviles eléctricos 7.3 Control
y etapa de potencia 7.4 Frenado 7.5
Alimentación en un automóvil eléctrico 7.6
Elementos mecánicos 7.7 Estructura y carrocería
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• 7. El automóvil eléctrico. 137
• 7.1 Motorización en automóviles eléctricos. 138
• 7.1.1 Disposición de los motores. 138
• 7.1.2 Condicionamientos del motor
  eléctrico. 140
• 7.1.3 Factores que influyen en la
  motorización. 142
• 7.1.4 Características que afectan al diseño del
  motor. 144
• 7.1.5 Características de los motores. 145
• 7.1.5.1 Motores de corriente continua. 146
• 7.1.5.2 Motores de corriente alterna. 147
• 7.1.6 Comparación entre motores. 150
• 7.2 Baterías para automóviles eléctricos. 156
• 7.2.1 Introducción. 156
• 7.2.2 Principales tipos de acumuladores. 157
• 7.2.2.1 Clasificación y descripción
  general. 158
• 7.2.2.2 Análisis de los diferentes pares
  electroquímicos. 163
• 7.2.3 Baterías con futuro a medio plazo. 170
• 7.2.3.1 La batería de Ni/Cd. 171
• 7.2.3.2 La batería de Na/S 175
• 7.2.4 Dimensionamiento de una batería. 181

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Sistemas componentes de un Automóvil Eléctrico

• - Sistema de motorización
• - Suministro de energía. Baterías.
• - Control y etapa de potencia
• - Sistema de freno eléctrico
• - Sistema de alimentación
• - Elementos mecánicos
• - Carrocería y chasis

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Esquema simplificado de automóvil eléctrico
5
7.1 Motorización en automóviles eléctricos

• 7.1.1 Disposición de los motores
• 7.1.2 Condicionamientos del motor eléctrico
• 7.1.3 Factores que influyen en la motorización
• 7.1.4 Características que afectan al diseño del
  motor
• 7.1.5 Características de los motores
• 7.1.5.1 Motores de corriente continua
• 7.1.5.2 Motores de corriente alterna
• 7.1.6 Comparación entre motores

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7.1 La motorización en automóviles
eléctricos7.1.1 Disposición de los motores

• Sistema motor-reductor-diferencial con la
  transmisión a dos ruedas.
• Sistema de dos motores-reductor conectados a las
  dos ruedas tractoras a través de ejes y juntas
  homocinéticas.
• c) Sistema de dos motores directamente aplicados
  a las ruedas tractoras que están sujetas al rotor
  del motor, que en este caso será de forma de
  disco.

7
7.1.2 Condicionamientos del motor eléctrico

• Para cualquier velocidad en un motor eléctrico,
  la potencia viene dada por el producto entre el
  par y la velocidad.
• P M n (7.1) donde  P potencia del motor
• M par motor
• n velocidad (r.p.m.)
• Las dimensiones y por tanto el peso del motor
  eléctrico dependen del valor del par, para un
  mismo tipo de motor, el par es proporcional al
  valor de la longitud del inducido del motor (l),
  es decir  M k l3.
• La motorización influye en la elección del
  sistema de control y de las soluciones técnicas
  asociadas.
• Atendiendo a la realización estructural de cada
  diseño, cada caso de los mencionados
  anteriormente implica una serie de soluciones
  mecánicas diferentes, con las limitaciones de
  espacio que trae consigo.
• Atendiendo a las prestaciones que se le quiere
  conferir al vehículo, las características del
  motor o motores eléctricos (par y potencia) deben
  de diseñarse en relación a la velocidad y
  aceleración deseadas.
• La potencia nominal del motor o motores de un
  vehículo eléctrico, depende de las
  características del vehículo, que vienen
  expresadas por los coeficientes de resistencia a
  la rodadura y de resistencia a las pendientes a
  superar.
• La forma de la curva de par-velocidad va a
  depender de que exista caja de cambios en el
  vehículo.
• Los sistemas de control de los automóviles
  eléctricos, son los que permiten obtener las
  prestaciones requeridas, la elección de una
  determinada solución va a estar sujeta a la
  comparación entre la característica par-velocidad

8
7.1.3 Factores que influyen en la motorización

• La curva característica par-velocidad requerida
  en régimen permanente (a velocidad constante) y
  la curva característica requerida en condiciones
  de sobrecarga.
• Disposición del motor y tipo de transmisión
  cinemática.
• Prestaciones desde el punto de vista de la
  conductibilidad, confort y manejabilidad.
• Robustez y problemas de mantenimiento.
• Posibilidad de transmisiones complejas.
• 6. Rendimiento del motor.

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7.1.3 Factores que influyen en la motorización

• a) La curva característica par-velocidad influye
  en la elección de 
• - la constante de flujo del motor
• - la variabilidad del flujo del motor
• - la variación del flujo está a su vez
  influenciada por el tipo de motor
• - el tamaño del amplificador de potencia
• el diseño del circuito de control
• b) Efectos derivados del tipo de motor
  seleccionado 
• - si se montan 4 motores, no es conveniente
  adoptar circuitos de control complejos, lo que
  lleva a la elección de motores de continua o
  motores brushless.
• - si se monta un sólo motor, es posible adoptar
  sistemas de control mas complejos para motores de
  continua, alterna o motores brushless.
• - si se monta un motor de alta velocidad, es
  posible utilizar motores de inducción o brushless

10
7.1.3 Factores que influyen en la motorización

• c) Efectos derivados de la alta conductibilidad,
  elasticidad y confort 
• - para vehículos que requieran estas
  características, se recomienda el uso de un
  sistema de control vectorial (control de par)
• d) Efectos derivados de problemas de
  mantenimiento 
• - en este caso es recomendable elegir entre un
  motor con o sin escobillas, y entre estos el de
  seleccionar un motor de inducción, de reluctancia
  variable o brushless de imanes permanentes.
• e) Otros aspectos a considerar 
• - problemas de eficiencia
• - dimensión y peso de los componentes del driver
• - problemas de refrigeración
• - problemas de implementación y aspectos
  constructivos (integración con componentes
  mecánicos, sistemas de evacuación de calor, etc.)

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7.1.4 Características que afectan al diseño del
motor y al de la electrónica de potencia

• Con respecto al motor las mas importantes son 
• - la velocidad del motor que afecta a su peso.
• - la eficiencia del motor, que afecta a su peso
  y a la refrigeración
• - la definición de las prestaciones eléctricas y
  mecánicas
• - la definición de la relación entre potencia y
  la influencia de la temperatura
• Con respecto a la electrónica de potencia 
• - elección del nivel de voltaje en las baterías
• - elección del tipo de motor
• - elección del tipo de regulación y control
• - elección de la estructura del circuito
  electrónico de potencia.

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El nivel de voltaje de la batería es un factor
importante debido a las siguientes razones

• La eficiencia del convertidor estático que
  alimenta al motor, aumenta cuando el voltaje de
  la batería se incrementa, que aunque no es
  proporcional, es significativo en el rango de
  voltaje considerado.
• Una mayor eficiencia significa menores pérdidas
  de calor, reduciéndose así el sistema de
  refrigeración.
• La dimensión de los dispositivos electrónicos de
  potencia y de los componentes y cables asociados
  dependen de la intensidad y no de la tensión.
• 4. Un mayor nivel de tensión lleva consigo una
  reducción en el tamaño del convertidor
  electrónico de potencia y de otros componentes.

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aspectos particulares del control del vehículo
relacionados con la motorización

• - pedal acelerador con diferentes posibles
  funciones.
• - pedal de freno con diferentes posibles
  funciones.
• - caja de cambios.
• - selección eléctrica de marcha adelante y
  marcha atrás.
• - función de aparcar.
• - freno eléctrico ajustable y con acción
  asociada al pedal de freno.
• - comportamiento suave en condiciones
  transitorias.
• - bucles de control de velocidad bajo diversos
  aspectos (voltaje de batería, etc.)

14
7.1.5 Características de los motores

• Dentro de todos los componentes que forman parte
  del sistema de motorización de un vehículo
  eléctrico, es el motor el que mas influye. Para
  la elección del motor mas apropiado, los factores
  mas condicionantes son 
• Par
• Peso Tamaño
• Rendimiento
• Tipo de refrigeración
• Ruido
• Mantenimiento
• Seguridad
• Coste.
• Existen otros de carácter indirecto, como son 
• - niveles de tensión
• - tipo de transmisión
• - requerimientos de instalación en el vehículo

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tipologías mas utilizadas

• motores de continua (DC)
• motores de alterna (AC)
• motores especiales
• motores brushless de imanes permanentes (MM)
• motor de inducción (AM)
• motores síncronos de excitación separada (SM)
• motores síncronos de imanes permanentes (PM)
• motores de reluctancia variable (VR).
• motor de reluctancia conmutada (SR)

MM
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7.1.5.1 Motores de corriente continua

• Inicialmente se emplearon motores de corriente
  continua, pero debido al desarrollo de la
  electrónica de potencia se empezaron a emplear
  motores de corriente alterna.
• Se pueden mejorar las prestaciones de un motor
  DC, regulando el campo, esta es la razón por la
  que los motores DC de imanes permanentes no
  tienen el debido apoyo para su desarrollo a pesar
  de su mayor rendimiento.
• La mayor ventaja del motor de corriente continua
  es la gran simplicidad de los circuitos de
  control y regulación asociados, dicho control es
  de menor coste y con mejor rendimiento

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7.1.5.1 Motores de corriente continua,
restricciones

• - en la conmutación por ejemplo, pues debido al
  conmutador mecánico la velocidad máxima está
  limitada a cerca de 7000 r.p.m.
• - posee un rendimiento relativamente bajo por
  las grandes pérdidas por excitación y
  refrigeración, caída de voltaje en las escobillas
  lo cual incrementa las pérdidas
• - tiene unos pobres ratios peso/potencia y
  volumen/potencia
• - necesita un mantenimiento frecuente
• - las chispas que se producen en el colector de
  delgas son causa potencial de problemas
  electromagnéticos
• - posee bajas prestaciones, en el caso de
  motores sujetos a rápidos cambios de carga como
  es el caso de un vehículo eléctrico, pueden
  producirse descargas entre las delgas del
  colector lo cual puede ser causa de un
  cortocircuito.
• - posee un elevado peso y precio.

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motor síncrono brushless de corriente continua
(MM)

• El (MM) se confunde a veces con el motor síncrono
  de imanes permanentes.
• Este último se caracteriza porque se alimenta con
  una corriente sinusoidal en el estator, mientras
  que el motor brushless de corriente continua se
  alimenta con una corriente de onda cuadrada.
• La forma de la onda de corriente determina el
  controlador del motor (el inversor).
• La ventaja de emplear una onda de forma cuadrada
  es que se obtiene una mayor corriente integrada y
  por lo tanto un mayor par máximo.
• La desventaja es un mayor número de armónicos en
  la corriente, mayor ruido y un riesgo de
  pulsaciones en el par, es por ello que es
  preferible una modulación de la corriente de
  forma senoidal

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7.1.5.2 Motores de corriente alterna.

• Teóricamente todos los motores de corriente
  alterna tienen un estator similar con bobinados
  trifásicos pero con diferentes rotores.
• Es posible además alimentarlos con el mismo tipo
  de inversor, pero es necesario emplear un
  software de control diferente.
• Al contrario que los motores de continua, los de
  alterna han sido desarrollados en una gran
  variedad de diseños.

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motor asíncrono de jaula de ardilla (AM)

• Robusto y de bajo coste, puede operar a altas
  revoluciones con un tamaño reducido.
• Requiere altas corrientes debido a los bajos
  factores de potencia que tiene.
• Rendimiento superior al de otros motores de
  continua, pero inferior al de los síncronos.
• Ampliamente utilizados en los vehículos
  eléctricos, en EEUU y Japón.
• Buenos resultados en vehículos de gran tamaño, su
  rendimiento decae mucho en pequeños vehículos.
• El inconveniente principal es que necesitan unos
  circuitos de control mucho mas complejos y caros
  que los de un motor de continua.
• Ventajas de estos motores frente a los motores de
  continua
• - poseen mayor potencia por unidad de volumen
• - no necesitan escobillas
• - curvas de rendimiento-velocidad mas planas,
  rendimiento mas constante
• - su menor tamaño los hace mas baratos
• - poseen una vida similar a las de los motores
  de combustión

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El motor síncrono de excitación separada (SM)

• tiene situado el bobinado de excitación en el
  rotor, de modo que puede alimentarse a partir de
  un excitador brushless.
• tiene una buena curva de par y es comparable en
  tamaño con el motor asíncrono,
• el rendimiento es alto, aunque tiene un coste muy
  elevado.

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motor síncrono de imanes permanentes (PM)

• Tiene un alto rendimiento, además de una alta
  relación par/peso.
• Su mayor desventaja ha sido el alto coste de los
  imanes permanentes.
• Fueron desarrollados en un principio para
  reemplazar a los motores síncronos de
  reluctancia, siendo su rango de potencias así
  como su capacidad de sincronización
  inherentemente mayor.
• El estator es similar al de un motor de inducción
  polifásico.
• Los imanes permanentes están localizados en el
  rotor y generalmente la orientación del flujo por
  ellos producido es radial o bien circunferencial.
  
• Este rotor incorpora también un devanado de jaula
  de ardilla (simple ó de doble jaula), que sirve
  para arrancar el motor

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características del motor síncrono de imanes
permanentes 

• - su velocidad está determinada únicamente por
  la frecuencia aplicada, sin depender de la
  tensión, de la carga, de la temperatura o de las
  variaciones constructivas.
• - en un principio, inexistencia de materiales
  adecuados para los imanes permanentes con
  suficiente fuerza coercitiva para soportar la
  desmagnetización impuesta por la reacción del
  inducido alternante durante el periodo de
  arranque.
• - con la aparición de materiales magnéticos de
  alta energía, ferritas, tierras raras poliméricas
  y aleaciones de samario y cobalto, se resuelve el
  problema anterior.
• - el coste de estos materiales es muy elevado.
• - el coste disminuye con el número de unidades
  producidas.
• - motor de alto rendimiento, produce un ahorro
  energético en funcionamiento capaz de compensar
  el mayor coste inicial de producción con respecto
  a un motor de inducción de la misma potencia.
• - posee factores de potencia mayores que
  permiten reducir el calentamiento del rotor y del
  estator a la vez que aumenta la fiabilidad y
  seguridad de sus elementos al someter a menores
  tensiones a los sistemas de aislamiento.
• - capacidad de autoarranque y de resincronización
  frente a sobrecargas eventuales.
• - generación de un par proporcional a la
  tensión.
• - simplicidad constructivas del rotor.
• - poseen prestaciones comparables e incluso
  superiores a los correspondientes síncronos
  convencionales y en particular los de inducción
  de análoga potencia.

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motor síncrono de reluctancia variable (VR)

• Es similar al motor PM excepto que no tiene un
  bobinado en el rotor.
• El rotor concentra el flujo magnético en las
  regiones de los polos con el fin de que se pueda
  transferir el par.
• Como el motor asíncrono, este motor es excitado
  por una corriente estatórica.
• Tiene las ventajas de tener un rendimiento mejor
  que un motor asíncrono, pero sin embargo es un
  motor de elevado tamaño.
• Desde el punto de vista constructivo difiere con
  el motor de imanes permanentes en que se ha
  eliminado el imán lo cual lo hace menos crítico
  en su funcionamiento a altas temperaturas o a
  altas velocidades.
• Este motor, denominado también autoasíncrono,
  tiene la particularidad de que su rotor de jaula
  de ardilla presenta un corte de chapa con amplias
  muescas, en un número igual al de polos del
  devanado monofásico del estator, muescas en las
  que por lo general siguen presentes las barras de
  la jaula de ardilla.
• Analizando el arranque de este motor, se observa
  que es igual al de un motor asíncrono de jaula de
  ardilla, con la diferencia de que debido a las
  amplias ranuras, la reluctancia media del
  entrehierro es mayor, lo que incrementa el valor
  de la corriente absorbida.
• Como motor asíncrono, su par es sensiblemente
  proporcional al deslizamiento, pero
  independientemente de este par, el rotor, por la
  presencia de los polos salientes a que dan lugar
  las amplias ranuras, es sometido a un par de
  reluctancia.
• La comercialización de este motor está todavía
  limitada, se puede clasificar como un motor
  intermedio entre uno asíncrono y uno síncrono de
  imanes permanentes, lo que le hace ser apropiado
  para la tracción de vehículos de mediano o gran
  tamaño.

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Motores especiales

• Algunos ejemplos son el motor paso a paso y
  motores de flujo transversal
• pueden usarse para aplicaciones en vehículos,
• requieren de controladores especiales.

26
7.1.6 Comparación entre motores
DC Motor de corriente continua AM Motor de
inducción (corriente alterna) SM Motor
síncrono de corriente alterna PM Motor de
imanes permanentes MM Magneto motor VR
Motor de reluctancia variable.
Parámetro DC AM SM PM MM VR
Velocidad máxima 1000/min-1 6 gt 10 gt 10 10 5 gt10
Rango de potencia constante 3 3?5 3?5 3 1 2
Kg/KW refrigeración con aire 3?4 2?3 2?2.5 2 2 2?3
Kg/KW refrigeración con líquido 0.9 0.9 1
27
(No Transcript)
28
(No Transcript)
29

• Comparativa entre la potencia nominal volumétrica
  (W/l) y potencia nominal (KW) de diferentes
  motores.

DC (e.i.) Motor de continua con excitación
independiente DC (s.) Motor de continua con
excitación serie DC (br.) Motor de continua
brushless AM Motor asíncrono de inducción
PM Motor síncrono de imanes permanentes
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• Comparativa entre la potencia nominal específica
  (W/Kg) y potencia nominal (KW) de diferentes
  motores.

DC (e.i.) Motor de continua con excitación
independiente DC (s.) Motor de continua con
excitación serie DC (br.) Motor de continua
brushless AM Motor asíncrono de inducción
PM Motor síncrono de imanes permanentes
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Motor de Inducción

• Ventajas
• - Coste de fabricación bajo.
• - Fabricación sencilla.
• - Construcción robusta
• - Entrehierro menor pues no existe el cableado
  rotórico y del colector de delgas.
• - Menor inercia que en un motor DC (por la
  ausencia del colector de delgas)
• - Mayor capacidad de soportar sobrecargas que los
  motores DC
• - Nulo mantenimiento. No existe conexión entre
  rotor y estator. No hay anillos rozantes ni
  colector de delgas.
• - Relación potencia/peso superior al motor DC
• - Relación potencia /volumen superior al motor
  DC
• - Bajo precio.
• Inconvenientes
• - Perdidas en el hierro superiores que las del
  motor DC, debido a la alternancia del flujo y por
  recorrer un ciclo de histéresis.
• - Complejidad del control. Complejidad de
  control de la velocidad mediante técnicas PWM, y
  del control de par mediante técnicas de control
  vectorial.

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Motor de reluctancia variable

• Ventajas
• - Sencillo, pues el rotor no está bobinado, sólo
  compuesto por hierro.
• - Construcción robusta. Rotor capaz de soportar
  elevadas revoluciones y grandes esfuerzos.
• - No hay perdidas en el rotor por no circular
  corriente.
• - Fácil refrigeración.
• - Gran par a bajas velocidades.
• - Operación en los cuatro cuadrantes de manera
  simple.
• - Par proporcional al cuadrado de la intensidad
  de las fases.
• - Funcionamiento indistinto con AC o DC.
• - El voltaje necesario es menor que el de otras
  motores de la misma potencia.
• - El volumen es la mitad que el de un motor DC.
• Inconvenientes
• - Necesidad de un sensor (encoder) o de campo
  magnético (Hall) para conocer en todo momento la
  posición del rotor, y dar energía de forma
  correcta a los devanados de fase para producir el
  par.
• - Modelización del motor complicado.
• - Medida de las inductancias por métodos
  numéricos o mediante aparatos complejos de
  medidas de inductancias.
• - En la fórmula del par hay que tener en cuenta
  las autoinductancias y las inductancias mutuas
  distintas de cero, que aparecen en máquinas donde
  la relación entre el par y la potencia no es un
  número entero.
• - Motor altamente no lineal debido a que se
  conduce al hiero de la máquina a su saturación
  con objeto de aprovechar mejor sus propiedades.
• - Control complejo. Necesidad de captar la
  secuencia de actuación de la bobina y la forma de
  onda de las corrientes de fase para lograr un par
  con el menor rizado posible.
• - Si el rizado del par es excesivo para la
  aplicación correspondiente, sólo queda
  asimetrizar las saliencias para que la
  reluctancia cambie siempre, o realizar un dentado
  en las saliencias, sólo que este último método
  complica la relación entre la velocidad del rotor
  y la secuencia de excitación del estator.

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