Sistemas de propulsão para veículos elétricos — Motor, inversor e engrenagem de redução

0. O que este artigo explica

• A ordem em que a bateria, o inversor, o motor, o redutor e o diferencial transformam a energia.

• Diferenças de torque, eficiência, materiais e térmicas entre motores PMSM e motores de indução.

• Sistemas de propulsão elétrica integrados, como o Hyundai E-GMP, frenagem regenerativa, refrigeração e segurança.

1. Resumindo: o que é um sistema de propulsão para veículos elétricos?

Um sistema de propulsão para veículos elétricos converte a corrente contínua (CC) de alta tensão da bateria em energia trifásica para o motor por meio de um inversor, e então envia o torque eletromagnético através de uma engrenagem redutora, um diferencial e as rodas. Ele pode dispensar a caixa de câmbio de múltiplas velocidades necessária para se adequar à faixa de rotação estreita de um motor a combustão, mas a tensão da bateria, a comutação de semicondutores e o projeto magnético e térmico do motor determinam a autonomia e o desempenho.

2. Fluxo de energia

Figura 1 — A potência de acionamento flui da bateria para as rodas; regeneração O inversor é um conversor de potência bidirecional.

3. Torque do motor

Para um modelo simplificado de PMSM de superfície, o torque eletromagnético é

onde p é o número de pares de polos, \psi_f o fluxo magnético e i_q a corrente do eixo q perpendicular ao campo rotativo. Em alta velocidade, a força contraeletromotriz se aproxima da tensão da bateria, portanto, o enfraquecimento do campo utiliza a corrente do eixo d. O inversor segue o ângulo elétrico a partir de um sensor de posição ou um observador sem sensor.

Um motor de indução utiliza corrente de rotor induzida por escorregamento em vez de ímãs permanentes. Ele evita ímãs de terras raras, mas apresenta perdas de cobre no rotor, tornando a eficiência em baixa carga e a otimização do controle importantes. PMSM para condução diária e indução para alta velocidade ou restrições de material são apenas um atalho; o número de eixos, a capacidade térmica, o custo e a reciclagem devem ser avaliados. juntos.

4. Inversor e redutor

Um inversor trifásico de dois níveis aciona seis chaves com tempo morto para sintetizar a tensão média PWM. Uma estimativa aproximada de perda é

Um f_s mais alto reduz a ondulação da corrente e o ruído acústico, mas aumenta a perda e a EMI. Os MOSFETs de SiC são adequados para operação em alta tensão, alta temperatura e alta velocidade; os IGBTs de silício permanecem fortes em custo e maturidade.

Como um motor pode ser compacto em alta velocidade, um redutor fixo multiplica o torque. Com eficiências de motor, inversor e engrenagem \eta_m, \eta_i e \eta_g,

A faixa depende da eficiência média do ciclo em baixa carga, velocidade de estrada e inclinações — não da eficiência máxima.

5. Exemplo de plataforma atual

O Hyundai Motor Group descreve o E-GMP como um sistema PE integrado que contém um motor, uma transmissão EV (redutor) e um inversor. Um veículo com tração nas quatro rodas pode desconectar mecanicamente um motor não utilizado para reduzir o arrasto. Os nomes variam entre os fabricantes, mas a bateria, a unidade de controle de potência, o motor de acionamento, o redutor e o sistema de refrigeração são cada vez mais integrados em um módulo compacto de alta tensão.

6. Freios de regeneração e fricção

Quando o acelerador é liberado, o motor atua como um gerador e devolve a energia cinética da roda para a bateria. Alto nível de carga (SOC), baixa temperatura, limites de potência de carga ou baixa tração podem restringir a regeneração, de modo que os freios hidráulicos de fricção absorvem o restante. Um controlador híbrido divide a desaceleração solicitada a_{req} em uma porção regenerativa a_{regen} e uma porção de fricção a_{fric} como

Isso preserva a sensibilidade do pedal e a distância de frenagem. Quando O ABS/ESC intervém, a regeneração deve ser interrompida rapidamente e a frenagem por fricção nas quatro rodas deve assumir o controle.

7. Comparação de configurações

8. Condições difíceis e segurança

A resistência interna e a potência de saída da bateria variam com a temperatura; motores e inversores saturam termicamente após um pico curto. Um fluxo maior de líquido refrigerante também consome a bomba. A potência, portanto, deve-se escolher entre circuitos compartilhados ou separados a partir do ciclo de condução. Resistência de isolamento, pré-carga, contatores, isolamento de alta tensão em caso de colisão e indicação de tensão residual são requisitos de desempenho tanto quanto de segurança.

9. Escolhas práticas

• Predominantemente urbano: priorize torque em baixa velocidade, regeneração suave e eficiência em baixa carga; redução fixa é a base.

• Predominantemente em rodovia: compare a velocidade máxima do motor, a perda por enfraquecimento do campo e a massa de um estágio de duas velocidades no ciclo de condução real.

• Neve e SUVs: avalie a resposta de torque de dois motores e a transição de freio de fricção quando a regeneração for removida.

• Comercial e reboque: priorize capacidade térmica contínua, redundância de resfriamento, vida útil dos dentes da engrenagem e procedimentos de manutenção de alta tensão.

10. Resumo em três linhas

Um veículo elétrico converte a corrente contínua da bateria em torque nas rodas por meio de um inversor, motor e redutor.

PMSM versus indução, SiC versus silício e redução fixa versus A redução de velocidade múltipla envolve compensações entre eficiência, materiais, calor e custo.

A autonomia é definida somente após a inclusão da frenagem combinada, do isolamento de alta tensão e da eficiência média do ciclo.

Referências

• Anúncio do Hyundai E-GMP
• Sistema elétrico de potência do Hyundai E-GMP
• Documento de segurança do sistema de alta tensão da Toyota
• IEEE Power Electronics Society