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El automóvil eléctrico




Enviado por Pablo Turmero



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    1 EL AUTOMÓVIL ELÉCTRICO 1 Motorización en
    automóviles eléctricos 2 Baterías para
    automóviles eléctricos 3 Control y etapa de
    potencia 4 Frenado 5 Alimentación en un automóvil
    eléctrico 6 Elementos mecánicos 7 Estructura y
    carrocería

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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

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    La motorización en automóviles eléctricos1.1
    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.

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    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

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    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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    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

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    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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    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.)

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    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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    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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    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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    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.

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    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.

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    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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