Ensaios e valores nominais de motores de veículos elétricos

Os valores relativos a motores de veículos elétricos só têm significado quando se conhecem a fronteira do ensaio, a duração, a temperatura, a tensão e o ponto de funcionamento. Potência de pico, potência contínua, eficiência do motor, eficiência da unidade de propulsão, binário no eixo e binário nas rodas descrevem medições diferentes e não podem substituir-se entre si.

Começar pela fronteira da medição

Um motor pode ser ensaiado isoladamente num dinamómetro, com o seu inversor, com engrenagens redutoras, como um eixo completo ou dentro de um veículo. Cada fronteira inclui perdas diferentes.

A eficiência do motor compara a potência mecânica no veio com a potência elétrica nos terminais do motor. A eficiência do conjunto motor-inversor começa na entrada de corrente contínua do inversor. A eficiência da unidade de propulsão pode ainda incluir engrenagens, diferencial, rolamentos, vedantes, bombas de lubrificação e potência dos sistemas de controlo. A eficiência da bateria às rodas abrange ainda mais: resistência da bateria, cabos, contactores, equipamentos auxiliares, pneus e outras cargas do veículo.

Dois resultados com a mesma percentagem não são comparáveis até que as fronteiras de entrada e saída coincidam. O sentido também é importante, porque o funcionamento em tração e a regeneração apresentam diferentes condições de corrente, tensão e perdas.

Binário, velocidade e potência

A potência no veio é o produto do binário pela velocidade angular:

power = torque × rotational speed

Um binário elevado a velocidade nula produz potência mecânica nula nesse instante. A potência aumenta à medida que a velocidade sobe na região de binário constante. Acima da velocidade de base, os limites de tensão e de força contraeletromotriz obrigam normalmente o binário a diminuir, permitindo uma região de potência aproximadamente constante.

Um dinamómetro mede o binário e a velocidade do veio. Os instrumentos elétricos medem simultaneamente a tensão e a corrente de fase ou contínuas. Um trabalho rigoroso de determinação da eficiência exige medições sincronizadas, porque um pequeno erro de temporização ou calibração pode dominar a perda calculada quando a eficiência é elevada.

O binário do motor não deve ser confundido com o binário no eixo ou nas rodas. Um redutor multiplica o binário aproximadamente pela sua relação e eficiência. A força nas rodas depende depois do raio efetivo dos pneus.

Potência de pico, contínua e durante 30 minutos

A potência de pico é a maior potência disponível em condições especificadas. Pode ser limitada pela potência de descarga da bateria, pela corrente do inversor, pela corrente do motor, pela tensão, pela velocidade do rotor, pela aderência dos pneus ou pelo software, e não apenas pelo motor. Um valor de pico sem duração e temperatura inicial diz pouco sobre a repetibilidade.

A potência contínua é um conceito de equilíbrio térmico: o calor gerado no ponto de funcionamento pode ser removido sem que as temperaturas continuem para além dos seus limites. O valor varia com a temperatura e o caudal do líquido de refrigeração, as condições ambiente, a temperatura do óleo, a velocidade do veículo e os componentes que partilham o circuito térmico.

O Regulamento ONU n.º 85 define procedimentos para a potência líquida e a potência máxima durante 30 minutos de cadeias cinemáticas elétricas utilizadas na homologação de veículos. A potência durante trinta minutos é uma medição regulamentada, não um sinónimo universal de potência contínua por tempo indefinido. A bateria do veículo também pode limitar a potência alcançável num ensaio do veículo completo.

Estas definições explicam porque é que um veículo elétrico pode anunciar uma elevada potência de aceleração e, ainda assim, apresentar um valor contínuo ou durante 30 minutos muito inferior nos dados de homologação. Ambos podem estar corretos.

Mapas de eficiência

Um motor não tem uma única eficiência. Um mapa obtido num dinamómetro regista a eficiência numa grelha de pontos de velocidade e binário. As curvas de nível mostram onde a máquina é mais eficiente e qual a extensão dessa região.

A baixa velocidade e binário elevado, a corrente é alta e as perdas no cobre são predominantes. A alta velocidade e binário reduzido, podem dominar as perdas no ferro, as perdas aerodinâmicas internas e nos rolamentos, as perdas de comutação do inversor e a corrente de enfraquecimento de campo. Perto do binário nulo, as perdas fixas são grandes em relação à potência útil, pelo que a eficiência percentual pode ser baixa mesmo que a perda absoluta de potência seja moderada.

Um mapa de eficiência deve indicar:

se abrange o motor, o motor com o inversor ou a unidade de propulsão completa;
a tensão contínua e as condições de comutação do inversor;
as temperaturas e os caudais do líquido de refrigeração e do óleo;
a tração, a regeneração ou ambas;
os limites de binário máximo e contínuo;
se estão incluídas bombas e unidades de controlo auxiliares;
a incerteza da medição e o método de interpolação.

A melhor eficiência num único ponto é útil para avaliar o potencial técnico, mas a energia consumida num ciclo de condução depende dos pontos do mapa em que o veículo efetivamente funciona.

Ensaios térmicos

Os ensaios térmicos colocam sensores nos enrolamentos, no estator, no líquido de refrigeração, no óleo, nos rolamentos, nos módulos do inversor e, por vezes, no rotor. Algumas temperaturas são medidas diretamente; outras baseiam-se na resistência, em observadores ou em modelos calibrados.

Os ensaios em regime permanente estabelecem a capacidade contínua. Os ensaios transitórios examinam quanto binário de pico pode ser fornecido a partir de diferentes temperaturas iniciais e a rapidez com que o sistema recupera. Acelerações repetidas, velocidade elevada sustentada, subidas de montanha, reboque, condução fora de estrada a baixa velocidade e regeneração repetida carregam o sistema de formas diferentes.

O componente mais quente pode mudar com o ponto de funcionamento. Uma corrente elevada pode limitar os enrolamentos do estator ou os semicondutores, enquanto uma velocidade elevada pode pôr à prova os ímanes do rotor, os rolamentos, o óleo ou o aço elétrico. O sistema de controlo utiliza estes modelos para reduzir o binário antes de o equipamento atingir uma temperatura prejudicial.

Limites mecânicos e elétricos

Os ensaios de sobrevelocidade verificam o rotor, o veio, os rolamentos e os sistemas de retenção acima da velocidade máxima normal, com uma margem de segurança adequada. Os ensaios de rotação podem decorrer sem carga eletromagnética, enquanto os ensaios combinados no dinamómetro acrescentam binário e calor.

Os ensaios elétricos abrangem a resistência de isolamento, a rigidez dielétrica, as descargas parciais quando relevantes, a resposta a impulsos, a resistência de fase, a indutância, a força contraeletromotriz, o alinhamento do resolver e o funcionamento sob transientes de tensão do inversor. Os motores de ímanes permanentes também precisam de verificações de desmagnetização irreversível e de tensão segura em circuito aberto.

Os programas de durabilidade acrescentam vibração, choque mecânico, ciclos térmicos, humidade, sal, exposição a líquido de refrigeração ou óleo, contaminação e inversões repetidas do binário. A resistência de engrenagens e rolamentos é essencial quando o produto classificado é uma unidade de propulsão integrada, em vez de um motor isolado.

NVH e qualidade do binário

O binário médio pode ocultar ondulações. A medição do binário de alta resolução e a análise de ordens identificam harmónicas eletromagnéticas, binário de cogging, efeitos do inversor, engrenamento, frequências dos rolamentos e ressonâncias estruturais.

Os ensaios acústicos utilizam microfones, acelerómetros, sondas de corrente e referências de velocidade para relacionar tons audíveis com a sua ordem de origem. É necessário testar com binário positivo, em roda livre, durante a regeneração, a várias temperaturas e com diferentes estratégias de comutação, porque um ponto silencioso a plena carga pode não prever o ruído no habitáculo com carga ligeira.

Normas e repetibilidade

A SAE J2907 fornece uma prática recomendada para a caracterização repetível do desempenho de subsistemas de motor e acionamento de cadeias cinemáticas eletrificadas. O Regulamento ONU n.º 85 aborda as medições de homologação da potência líquida e da potência máxima durante 30 minutos. Estes procedimentos respondem a perguntas diferentes.

Os laboratórios de investigação e os fabricantes também utilizam métodos internos para mapas de eficiência, limites térmicos, durabilidade e NVH. A ausência de um ensaio público universal significa que os resultados publicados só devem ser considerados comparáveis quando o método e a fronteira são divulgados.

A repetibilidade independente exige instrumentos calibrados, temperaturas estabilizadas, fluidos definidos, correção das perdas do dinamómetro e do acoplamento e tempo de estabilização suficiente. A indicação da incerteza faz parte do resultado, especialmente quando se comparam sistemas cuja eficiência difere em décimos de ponto percentual.

Como interpretar as especificações do veículo

Ao avaliar uma afirmação sobre o motor de um veículo elétrico, verifique:

O valor refere-se a um motor, a um eixo ou ao veículo completo?
Trata-se de potência e binário no veio do motor, na saída da caixa de velocidades ou nas rodas?
A potência é de pico, durante 30 minutos ou contínua?
Que tensão e estado de carga da bateria estavam disponíveis?
O motor e a bateria já estavam quentes?
A eficiência inclui o inversor, a caixa de velocidades, as bombas e os equipamentos auxiliares?
O valor corresponde a um único ponto de funcionamento ou ao resultado de um ciclo de condução?

Se estas respostas estiverem ausentes, o número pode descrever corretamente o veículo, mas não permite uma comparação técnica detalhada.

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Volte a Electric Motors and Drive Units e consulte o capítulo motor cooling para compreender porque é que a potência sustentada varia com as condições térmicas.