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0. Lo que explica este artículo
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El orden en que la batería, el inversor, el motor, el reductor y el diferencial transforman la energía.
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El par motor, la eficiencia, los materiales y las diferencias térmicas entre los motores PMSM y los motores de inducción.
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Sistemas de propulsión eléctrica integrados, como Hyundai E-GMP, frenado regenerativo, refrigeración y seguridad.
1. En resumen: ¿qué es un sistema de propulsión para vehículos eléctricos?
Un sistema de propulsión para vehículos eléctricos convierte la corriente continua de alto voltaje de la batería en energía trifásica para el motor mediante un inversor, y luego transmite el par electromagnético a través de un engranaje reductor, un diferencial y las ruedas. Puede prescindir de la caja de cambios de varias velocidades necesaria para adaptarse al rango de velocidad limitado del motor, pero el voltaje de la batería, la conmutación de semiconductores y el diseño magnético y térmico del motor determinan la autonomía y el rendimiento.
2. Flujo de energía
Figura 1: La potencia de accionamiento fluye de la batería a las ruedas; la regeneración la invierte. El inversor es un convertidor de potencia bidireccional.
3. Par motor
Para un modelo simplificado de motor síncrono de imanes permanentes de superficie (PMSM), el par electromagnético es:
donde p es el número de pares de polos, \psi_f el flujo magnético y i_q la corriente del eje q perpendicular al campo giratorio. A alta velocidad, la fuerza contraelectromotriz se aproxima a la tensión de la batería, por lo que el debilitamiento del campo utiliza la corriente del eje d. El inversor sigue el ángulo eléctrico a partir de un sensor de posición o un observador sin sensores.
Un motor de inducción utiliza la corriente del rotor inducida por deslizamiento en lugar de imanes permanentes. Evita los imanes de tierras raras, pero presenta pérdidas de cobre en el rotor, lo que hace que la eficiencia a baja carga y la optimización del control sean importantes. El PMSM para la conducción diaria y la inducción para alta velocidad o limitaciones de materiales son solo una solución provisional; el número de ejes, la capacidad térmica, el coste y el reciclaje deben evaluarse conjuntamente.
4. Inversor y reductor
Un inversor trifásico de dos niveles acciona seis interruptores con tiempo muerto para Sintetiza el voltaje promedio PWM. Una estimación aproximada de las pérdidas es:
Un valor más alto de f_s reduce la ondulación de corriente y el ruido acústico, pero aumenta las pérdidas y la EMI. Los MOSFET de SiC son adecuados para operaciones de alto voltaje, alta temperatura y alta velocidad; los IGBT de silicio siguen siendo competitivos en cuanto a costo y madurez.
Dado que un motor puede ser compacto a alta velocidad, un reductor fijo multiplica el par. Con eficiencias de motor, inversor y engranajes de \eta_m, \eta_i y \eta_g,
El alcance depende de la eficiencia promedio del ciclo con carga baja, velocidad de autopista y pendientes, no de la eficiencia máxima.
5. Ejemplo de plataforma actual
Hyundai Motor Group describe el E-GMP como un sistema PE integrado que contiene un motor, una transmisión EV (reductor) y un inversor. Un vehículo AWD puede Desconectar mecánicamente un motor no utilizado reduce la resistencia. Los nombres varían entre fabricantes, pero la batería, la unidad de control de potencia, el motor de accionamiento, el reductor y el sistema de refrigeración se integran cada vez más en un módulo corto de alto voltaje.
6. Frenos regenerativos y de fricción
Al soltar el acelerador, el motor actúa como generador y devuelve la energía cinética de las ruedas a la batería. Un alto estado de carga (SOC), bajas temperaturas, límites de potencia de carga o baja tracción pueden restringir la regeneración, por lo que los frenos hidráulicos de fricción se encargan del resto. Un controlador combinado divide la desaceleración solicitada (a_{req}) en una parte regenerativa (a_{regen}) y una parte de fricción (a_{fric}) como
Esto preserva la sensación del pedal y la distancia de frenado. Cuando interviene el ABS/ESC, la regeneración debe eliminarse rápidamente y deben activarse los frenos de fricción en las cuatro ruedas.
7. Comparación de configuraciones
| Configuración | Potencia | Punto de observación | Uso típico |
|---|---|---|---|
| PMSM + reductor fijo | Alta densidad de par, producción consolidada | Costo de los imanes, pérdidas por debilitamiento del campo | Vehículos eléctricos de pasajeros y comerciales |
| Motor de inducción + reductor fijo | Sin imanes, tolerancia a altas temperaturas | Pérdidas en el rotor, eficiencia a baja carga | Servicio a alta velocidad, limitaciones de materiales |
| Tracción integral con doble motor | Distribución del par en los ejes, redundancia | Masa, controles, resistencia en espera | SUV, nieve, vehículos de alto rendimiento |
| Reductor de dos velocidades | Eficiencia en carretera y par de arranque | Mayor complejidad mecánica y control de cambios | Alta velocidad y remolque |
8. Condiciones difíciles y seguridad
La resistencia interna y la potencia de salida de la batería varían con la temperatura; los motores e inversores se saturan térmicamente tras un pico breve. Un mayor flujo de refrigerante también consume energía de la bomba, por lo que se deben elegir circuitos compartidos o separados del ciclo de conducción. La resistencia de aislamiento, la precarga, los contactores, el aislamiento de alta tensión en caso de colisión y la indicación de tensión residual son requisitos de rendimiento, además de requisitos de seguridad.
9. Aspectos prácticos Opciones
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Principalmente urbano: priorizar el par motor a baja velocidad, la regeneración suave y la eficiencia a baja carga; la reducción fija es la base.
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Principalmente autopista: comparar la velocidad máxima del motor, las pérdidas por debilitamiento de campo y la masa de una etapa de dos velocidades en el ciclo de conducción real.
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Nieve y SUV: evaluar la respuesta del par motor dual y la transición de frenado por fricción cuando se elimina la regeneración.
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Comercial y remolque: priorizar la capacidad térmica continua, la redundancia de refrigeración, la vida útil de los dientes de los engranajes y los procedimientos de servicio de alto voltaje.
10. Resumen de tres líneas
Un vehículo eléctrico convierte la corriente continua de la batería en par motor en las ruedas mediante un inversor, un motor y un reductor.
La comparación entre motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) e inducción, entre carburos de silicio (SiC) y silicio, y entre reducción fija y multivelocidad, representa un equilibrio entre eficiencia, materiales, calor y coste.
La autonomía se determina solo después de incluir el frenado combinado, el aislamiento de alto voltaje y la eficiencia promedio del ciclo.
¿Implican las mismas capacidades de batería la misma autonomía en vehículos eléctricos?
La resistencia aerodinámica, la masa, la eficiencia del sistema de transmisión, la temperatura y la velocidad afectan al consumo. Compare la energía útil en condiciones de conducción similares.
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