PLATAFORMA DE
ELECTROMOVILIDAD

Varios tipos de motores de corriente alterna (AC) y corriente directa (DC) han sido utilizados para la aplicación de vehículos eléctricos, los que comparten los bajos requerimientos de mantención y similares características de control a velocidades bajas, exhibiendo operación en zona de torque constante, al ser alimentados por inversores con control por campo orientado. Para automóviles, el concepto más prevalente es motores sincrónicos con imanes permanentes (PMSM, por sus siglas en inglés) a veces identificado como su variante BLDC (brushless direct current,) (OakRidge) (Doppelbauer & Winzer, 2017). Para un ejemplo específico y detallado, se puede ver el análisis del motor del Toyota Prius, desarrollado por el Laboratorio Nacional (US) Oak Ridge (Hsu, et al., 2007). Este tipo de motores tiene imanes permanentes de tierras raras para producir el campo magnético.

De esta forma, los PMSM no requieren de corrientes adicionales de campo, lo que resulta en construcciones simples, de muy alta eficiencia (cercanas al 97%) (Doppelbauer & Winzer, 2017) y alta densidad de potencia.

Es reconocido que la mayoría de los vehículos eléctricos e híbridos actuales, usan motores de imanes de tierras raras (OakRidge). Ejemplos de esto son: el Chevrolet Volt, el Nissan Leaf, el BMW i3, entre otros (Doppelbauer & Winzer, 2017) (Kane, 2016). El uso de motores con imanes permanentes es ventajoso en muchos aspectos, pero tiene desventajas a alta velocidad, donde se requiere de corriente adicional para debilitar el campo y lograr operación de potencia constante (Jahns T. , 1987). Esto afecta levemente la eficiencia completa del drive (inversor + motor) en alta velocidad. En el caso del OEM BMW, se ha optimizado extensivamente la excitación permanente de sus motores sincrónicos para mantener la eficiencia a alta velocidad, incorporando cerca de 2 kilómetros de cableado de cobre en el estator, bobinados especialmente para mantener dimensiones extra compactas.

Además, a algunos actores les preocupa la dependencia de tierras raras, que actualmente son producidas principalmente por China (aproximadamente un 90%) (Bloomberg, 2017). Presumiblemente, por estas razones, algunos fabricantes han preferido alternativas como: Renault, con su modelo Zoe en el que utiliza un motor sincrónico de rotor bobinado (SPSM, por sus siglas en inglés) (Doppelbauer & Winzer, 2017); y Tesla, con su icónico motor de Inducción (IM, por sus siglas en inglés). Estas alternativas tienen eficiencias algo menores a velocidades bajas (Jahns T. , 2017), típicamente estimadas en el orden del 94% (Doppelbauer & Winzer, 2017), pero más amplia zona de operación en alta velocidad (Jahns T. , 2017). Esto, potencialmente le otorga mayor eficiencia de ciclo completo de conducción a esta configuración, dependiendo de los ciclos típicos y estilos de conducción.

Finalmente, las alternativas de motores que operen solo por el principio de reluctancia parecen estar ganando interés, por su inherente robustez y bajo costo (Jahns T. , 2017). Estos motores, particularmente los de reluctancia conmutada (SR), tienen características superiores a alta velocidad, con una amplia zona de operación de potencia constante, incluso mayor que IM; con alta eficiencia y densidad de potencia (comparable a aquellas de IM) y algo menores a las de PMSM (Jahns T. , 2017). En sus variantes de motores de SR, ya están en uso en equipamiento pesado para la minería en maquinaria híbrida, con motor primario diésel, pero por ahora parecen solo en etapa de prototipos para EV de calle (Jaguar Land Rover Ltda., 2015). La principal desventaja de esta configuración son las pulsaciones en la corriente y en el torque, que producen mayor ruido acústico que cualquiera de las alternativas anteriores (Jahns T. , 2017).

Respecto a la construcción, mantención y robustez, los motores eléctricos son superiores a los de combustión al tener menos partes móviles (INL).

Las partes móviles, en la mayoría de los casos eléctricos, se reducen a dos: estator y rotor, y una caja reductora de razón fija. Éstos, son alimentados por el convertidor estático, sin partes móviles, compuesto por tarjetas electrónicas y semiconductores de potencia. Esto reduce dramáticamente la cantidad de repuestos y partes que forman el conjunto, simplificando la mantención, además de aumentar significativamente la eficiencia. Un ejemplo de lo anterior es que Tesla ofrece su modelo S con 8 años de garantía (Tesla, 2017).

En vehículos pesados, se puede mencionar que, en tracción de trenes eléctricos e híbridos, el motor típicamente usado es el de inducción (Jahns T. , 2017), solución que también se aplica para tracción en camiones mineros híbridos (Komatsu, 2015). En vehículos pesados para la minería, como cargadores frontales, los motores de reluctancia conmutada SR se han ocupado con éxito (Jahns T. , 2017).

Como resumen, se muestra la Tabla 1, adaptada de (Jahns T. , 2017) donde se comparan las ventajas y desventajas relativas de las distintas opciones de motorizaciones eléctricas para EV, descritas previamente.