Topologias baseadas em accionamentos eléctricos com motores síncronos de ímanes permanentes para veículos eléctricos/híbridos

Abstract

Nestes últimos anos, com a preocupação crescente em relação ao meio ambiente, os veículos eléctricos/híbridos tem ganho um particular interesse. Neste contexto surge a necessidade do desenvolvimento de topologias de controlo para este tipo de accionamentos. Um factor importante a ter em conta nestas topologias é a análise do seu rendimento global assim como dos vários constituintes do accionamento. Outro factor que também não pode ser desprezado é a temperatura a que os vários componentes do sistema operam, pois a sua fiabilidade e vida útil depende directamente do seu comportamento térmico. Assim, neste trabalho, são apresentadas duas topologias distintas para accionamentos com máquinas síncronas de ímanes permanentes (MSIP). Esta máquina eléctrica é bastante usada nos accionamentos aplicados a veículos eléctricos/híbridos devido ao seu elevado rendimento, densidade de potência e binário disponível. Na primeira topologia deste accionamento, constituído por um conjunto de baterias, inversor e uma MSIP, o inversor é directamente alimentado pela tensão das baterias. Já na segunda topologia, um conversor DC-DC bidireccional do tipo elevador é ligado às baterias de modo a elevar a tensão que alimenta o inversor. Nesta segunda topologia também foi adoptada uma estratégia de controlo que permite ao conversor DC-DC ajustar a tensão disponibilizada no barramento DC do inversor. Numa primeira parte é apresentada a simulação de ambas as topologias, onde é feita a descrição detalhada de todo o accionamento assim como uma breve análise e comparação entre ambas as topologias. Posteriormente, são apresentados os resultados práticos, onde é feita uma análise detalhada para cada topologia em relação aos rendimentos globais do accionamento assim como de cada componente, sendo estes apresentados sob a forma de mapas tridimensionais. Foram também analisados outros parâmetros, tais como as tensões, correntes e factor de potência da máquina. De referir que se teve em conta o funcionamento da MSIP tanto em modo motor como em modo de travagem regenerativa. Ainda nos resultados experimentais, é apresentada uma análise exaustiva, quanto à temperatura da MSIP e do inversor para cada uma das topologias apresentadas.

Due to recent increase regarding the environmental concerns, the demand for environment friendlier vehicles is also increasing, making the electric/hybrid vehicles a good alternative to conventional fossil fuel vehicles. So, it is necessary to develop drive train topologies applied to electric/hybrid vehicles. An important research topic is the efficiency analysis of the global system as well as the one of each drive component. Another important topic is the operating temperature of each component in the system. In this work, two electric drive topologies based on permanent magnet synchronous machines (PMSM) are presented. The first one comprises the batteries, an inverter, which is supplied directly by the batteries, and a MSIP. In the second topology, a step-up bidirectional DC-DC converter is connected between the batteries and the inverter DC supply. A variable voltage control is also applied in this topology to control the voltage inverter supply. In the first section, a simulation and a brief analysis of both topologies are presented. In another section, experimental results are presented regarding the drive train components performance analysis for each topology. The results are presented in the form of 3D maps. Other parameters are evaluated, such as voltage, currents and the machine power factor. In addition, motoring and regenerative breaking modes are taken into account in the comparison. Finally, a detailed temperature analysis for the inverter and PMSM are also presented.