A estrutura e o design de um veículo puramente elétrico diferem dos de um veículo tradicional com motor de combustão interna. Trata-se também de um sistema de engenharia complexo, que exige a integração de tecnologias como baterias, motores, automóveis e teorias de controle modernas para alcançar um processo de controle otimizado. No plano de desenvolvimento científico e tecnológico de veículos elétricos, o país mantém a abordagem de pesquisa e desenvolvimento "três verticais e três horizontais", com ênfase na pesquisa de tecnologias-chave comuns às "três horizontais", alinhadas à estratégia de transformação tecnológica para "veículos puramente elétricos". Essas tecnologias incluem a pesquisa sobre motores e seus sistemas de controle, baterias e seus sistemas de gerenciamento, e sistemas de controle do trem de força. Cada grande fabricante formula sua própria estratégia de desenvolvimento de negócios, em consonância com a estratégia nacional de desenvolvimento.
O autor analisa as principais tecnologias no processo de desenvolvimento de um novo sistema de propulsão energética, fornecendo uma base teórica e referência para o projeto, teste e produção desse sistema. O plano está dividido em três capítulos para analisar as principais tecnologias de propulsão elétrica em veículos puramente elétricos. Hoje, apresentaremos inicialmente o princípio e a classificação das tecnologias de propulsão elétrica.
Figura 1: Principais conexões no desenvolvimento do sistema de propulsão
Atualmente, as principais tecnologias de propulsão para veículos puramente elétricos incluem as seguintes quatro categorias:
Figura 2: As principais tecnologias do trem de força.
Definição de Sistema de Motor de Acionamento
De acordo com o estado da bateria do veículo e as necessidades de energia, o sistema converte a energia elétrica gerada pelo dispositivo de armazenamento de energia a bordo em energia mecânica. Essa energia é então transmitida às rodas motrizes através do dispositivo de transmissão, e parte da energia mecânica do veículo é convertida em energia elétrica e devolvida ao dispositivo de armazenamento de energia durante a frenagem. O sistema de acionamento elétrico inclui motor, mecanismo de transmissão, controlador do motor e outros componentes. Os parâmetros técnicos do sistema de acionamento elétrico incluem principalmente potência, torque, velocidade, tensão, relação de redução da transmissão, capacitância da fonte de alimentação, potência de saída, tensão e corrente, entre outros.
1) Controlador de motor
Também chamado de inversor, ele converte a corrente contínua (CC) proveniente do conjunto de baterias em corrente alternada (CA). Componentes principais:
◎ IGBT: chave eletrônica de potência, princípio: através do controlador, controla-se o braço da ponte IGBT para fechar a chave em uma determinada frequência e sequência, gerando corrente alternada trifásica. Ao controlar o fechamento da chave eletrônica de potência, a tensão alternada pode ser convertida. Em seguida, a tensão CA é gerada controlando-se o ciclo de trabalho.
◎ Capacitância do filme: função de filtragem; sensor de corrente: detecção da corrente do enrolamento trifásico.
2) Circuito de controle e acionamento: placa de controle do computador, IGBT de acionamento
A função do controlador do motor é converter corrente contínua (CC) em corrente alternada (CA), receber cada sinal e fornecer a potência e o torque correspondentes. Os componentes principais incluem: chave eletrônica de potência, capacitor de filme, sensor de corrente e circuito de controle para abrir diferentes chaves, gerar correntes em diferentes direções e, consequentemente, tensão alternada. Dessa forma, podemos dividir a corrente alternada senoidal em retângulos. A área de cada retângulo é convertida em uma tensão com a mesma altura. O eixo x controla o comprimento através do ciclo de trabalho, realizando a conversão equivalente da área. Assim, a energia CC pode ser controlada para fechar o braço da ponte IGBT em uma determinada frequência e sequência de comutação através do controlador, gerando energia CA trifásica.
Atualmente, os principais componentes do circuito de acionamento dependem de importações: capacitores, transistores IGBT/MOSFET, DSP, chips eletrônicos e circuitos integrados, que podem ser produzidos internamente, mas têm capacidade limitada; circuitos especiais, sensores, conectores, fontes de alimentação, diodos, indutores, placas de circuito multicamadas, fios isolados, dissipadores de calor.
3) Motor: converte corrente alternada trifásica em energia para máquinas.
◎ Estrutura: tampas dianteira e traseira, carcaças, eixos e rolamentos
◎ Circuito magnético: núcleo do estator, núcleo do rotor
◎ Circuito: enrolamento do estator, condutor do rotor
4) Dispositivo de transmissão
A caixa de engrenagens ou redutor transforma a velocidade e o torque fornecidos pelo motor na velocidade e no torque necessários para todo o veículo.
Tipo de motor de acionamento
Os motores de acionamento são divididos nas quatro categorias a seguir. Atualmente, os motores de indução CA e os motores síncronos de ímã permanente são os tipos mais comuns em veículos elétricos de nova energia. Portanto, nosso foco será na tecnologia dos motores de indução CA e dos motores síncronos de ímã permanente.
| Motor CC | Motor de indução CA | Motor síncrono de ímã permanente | Motor de relutância variável | |
| Vantagem | Menor custo, baixos requisitos do sistema de controle | Baixo custo, ampla cobertura de energia, tecnologia de controle avançada, alta confiabilidade. | Alta densidade de potência, alta eficiência, tamanho reduzido. | Estrutura simples, baixos requisitos de sistema de controle |
| Desvantagem | Altas exigências de manutenção, baixa velocidade, baixo torque, vida útil curta. | Pequena área eficiente, baixa densidade de potência. | Alto custo. Baixa adaptabilidade ambiental. | Grande flutuação de torque; Alto ruído de funcionamento. |
| Aplicativo | Veículo elétrico pequeno ou mini de baixa velocidade | Veículos elétricos comerciais e carros de passageiros | Veículos elétricos comerciais e carros de passageiros | Veículo de potência mista |
1) Motor de indução assíncrono CA
O princípio de funcionamento de um motor assíncrono de indução CA baseia-se na passagem do enrolamento através das ranhuras do estator e do rotor, que é composto por finas lâminas de aço com alta condutividade magnética. A corrente elétrica trifásica passa pelo enrolamento. De acordo com a lei da indução eletromagnética de Faraday, um campo magnético rotativo é gerado, o que faz com que o rotor gire. As três bobinas do estator são conectadas em intervalos de 120 graus, e o condutor que transporta a corrente gera campos magnéticos ao seu redor. Quando a alimentação trifásica é aplicada a essa configuração específica, os campos magnéticos variam em diferentes direções com a variação da corrente alternada em um determinado instante, gerando um campo magnético com intensidade rotativa uniforme. A velocidade de rotação do campo magnético é chamada de velocidade síncrona. Suponha que um condutor fechado seja colocado dentro do condutor; de acordo com a lei de Faraday, como o campo magnético é variável, a espira sentirá a força eletromotriz, que gerará corrente na espira. Essa situação é semelhante à de uma espira condutora de corrente em um campo magnético, gerando uma força eletromagnética na espira, o que faz com que o rotor comece a girar. Utilizando um mecanismo similar ao de uma gaiola de esquilo, uma corrente alternada trifásica produz um campo magnético rotativo através do estator, e a corrente é induzida nas barras da gaiola de esquilo, curto-circuitadas pelo anel terminal, fazendo com que o rotor comece a girar. É por isso que o motor é chamado de motor de indução. Em vez de conectar diretamente o rotor para gerar eletricidade, utiliza-se a indução eletromagnética para preencher o rotor com núcleos de ferro isolantes, de modo que o pequeno tamanho do ferro garanta perdas mínimas por correntes parasitas.
2) Motor síncrono CA
O rotor de um motor síncrono difere do rotor de um motor assíncrono. O ímã permanente é instalado no rotor, podendo ser do tipo de montagem superficial ou embutido. O rotor é feito de chapa de aço silício, com o ímã permanente embutido. O estator também é conectado a uma corrente alternada com uma defasagem de 120°, que controla a amplitude e a fase da onda senoidal da corrente alternada. Assim, o campo magnético gerado pelo estator se opõe ao gerado pelo rotor, fazendo com que ambos girem. Dessa forma, o estator é atraído pelo ímã e gira juntamente com o rotor. Ciclo após ciclo, a força magnética é gerada pela interação entre o estator e o rotor.
Conclusão: O acionamento de motores para veículos elétricos tornou-se praticamente a norma, mas não é homogêneo, e sim diversificado. Cada sistema de acionamento possui suas próprias características abrangentes. Cada sistema é aplicado nos acionamentos de veículos elétricos existentes. A maioria utiliza motores assíncronos e motores síncronos de ímã permanente, enquanto alguns exploram motores de relutância variável. Vale ressaltar que o acionamento de motores integra tecnologias como eletrônica de potência, microeletrônica, tecnologia digital, controle automático, ciência dos materiais e outras disciplinas, refletindo a ampla aplicação e as perspectivas de desenvolvimento de múltiplas áreas. É um forte concorrente no mercado de motores para veículos elétricos. Para conquistar um espaço significativo nos futuros veículos elétricos, todos os tipos de motores precisam não apenas otimizar sua estrutura, mas também explorar constantemente os aspectos inteligentes e digitais de seus sistemas de controle.
Data da publicação: 30 de janeiro de 2023
