Testes e valores nominais de motores de veículos elétricos

Os valores de motores para veículos elétricos só são significativos quando se conhecem o limite do teste, a duração, a temperatura, a tensão e o ponto de operação. Potência de pico, potência contínua, eficiência do motor, eficiência da unidade de propulsão, torque no eixo e torque nas rodas descrevem medições diferentes e não podem substituir uns aos outros.

Comece pelo limite da medição

Um motor pode ser testado sozinho em um dinamômetro, com seu inversor, com engrenagens redutoras, como um eixo completo ou dentro de um veículo. Cada limite inclui perdas diferentes.

A eficiência do motor compara a potência mecânica no eixo com a potência elétrica nos terminais do motor. A eficiência do conjunto de motor e inversor começa na entrada de corrente contínua do inversor. A eficiência da unidade de propulsão também pode incluir engrenagens, diferencial, rolamentos, retentores, bombas de lubrificação e potência dos sistemas de controle. A eficiência da bateria às rodas inclui ainda mais: resistência da bateria, cabos, contatores, sistemas auxiliares, pneus e outras cargas do veículo.

Dois resultados com a mesma porcentagem não são comparáveis até que seus limites de entrada e saída coincidam. O sentido também importa, pois o funcionamento como motor e a regeneração apresentam condições diferentes de corrente, tensão e perdas.

Torque, rotação e potência

A potência no eixo é o produto do torque pela velocidade angular:

power = torque × rotational speed

Um torque elevado em velocidade zero produz potência mecânica zero naquele instante. A potência aumenta à medida que a velocidade sobe na região de torque constante. Acima da velocidade base, os limites de tensão e força contraeletromotriz normalmente forçam o torque a diminuir, permitindo uma região de potência aproximadamente constante.

Um dinamômetro mede o torque e a rotação do eixo. Os instrumentos elétricos medem simultaneamente a tensão e a corrente de fase ou contínuas. Um trabalho preciso de medição da eficiência exige medições sincronizadas, pois um pequeno erro de sincronização ou calibração pode dominar a perda calculada quando a eficiência é alta.

O torque do motor não deve ser confundido com o torque no eixo ou nas rodas. Uma engrenagem redutora multiplica o torque aproximadamente por sua relação e eficiência. A força nas rodas depende então do raio efetivo dos pneus.

Potência de pico, contínua e de 30 minutos

A potência de pico é a maior potência disponível sob condições especificadas. Ela 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 operação pode ser removido sem que as temperaturas continuem além dos seus limites. O valor muda com a temperatura e a vazão do líquido de arrefecimento, as condições ambientais, a temperatura do óleo, a velocidade do veículo e os componentes que compartilham o circuito térmico.

O Regulamento ONU nº 85 define procedimentos para a potência líquida e a potência máxima de 30 minutos de trens de força elétricos usados na homologação de veículos. A potência de trinta minutos é uma medição regulamentada, não um sinônimo universal de potência contínua por tempo indefinido. A bateria do veículo também pode limitar a potência alcançável em um teste do veículo completo.

Essas definições explicam por que um veículo elétrico pode anunciar uma potência elevada de aceleração e, ainda assim, mostrar um valor contínuo ou de 30 minutos muito menor nos dados de homologação. Ambos podem estar corretos.

Mapas de eficiência

Um motor não tem uma única eficiência. Um mapa obtido em dinamômetro registra a eficiência em uma grade de pontos de rotação e torque. As curvas de nível mostram onde a máquina é mais eficiente e a extensão dessa região.

Em baixa rotação e torque elevado, a corrente é alta e as perdas no cobre são predominantes. Em alta rotação e torque reduzido, podem dominar as perdas no ferro, as perdas por arrasto aerodinâmico interno e nos rolamentos, as perdas de chaveamento do inversor e a corrente de enfraquecimento de campo. Perto do torque zero, as perdas fixas são grandes em relação à potência útil, de modo que a eficiência percentual pode ser baixa mesmo quando a perda absoluta de potência é moderada.

Um mapa de eficiência deve informar:

se abrange o motor, o motor com o inversor ou a unidade de propulsão completa;
a tensão contínua e as condições de chaveamento do inversor;
as temperaturas e as vazões do líquido de arrefecimento e do óleo;
a tração, a regeneração ou ambas;
os limites de torque máximo e contínuo;
se as bombas e os controladores auxiliares estão incluídos;
a incerteza da medição e o método de interpolação.

A melhor eficiência em um único ponto é útil para avaliar o potencial técnico, mas a energia consumida em um ciclo de condução depende de onde o veículo realmente opera no mapa.

Testes térmicos

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

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

O componente mais quente pode mudar conforme o ponto de operação. Uma corrente elevada pode limitar os enrolamentos do estator ou os semicondutores, enquanto uma velocidade elevada pode desafiar os ímãs do rotor, os rolamentos, o óleo ou o aço elétrico. O sistema de controle usa esses modelos para reduzir o torque antes que o equipamento atinja uma temperatura prejudicial.

Limites mecânicos e elétricos

Os testes de sobrevelocidade verificam o rotor, o eixo, os rolamentos e os sistemas de retenção acima da velocidade máxima normal, com uma margem de segurança adequada. Os testes de rotação podem ocorrer sem carga eletromagnética, enquanto os testes combinados em dinamômetro acrescentam torque e calor.

Os testes elétricos abrangem a resistência de isolamento, a rigidez dielétrica, as descargas parciais quando relevantes, o comportamento diante de impulsos, a resistência de fase, a indutância, a força contraeletromotriz, o alinhamento do resolver e a operação sob transientes de tensão do inversor. Os motores de ímãs 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, umidade, sal, exposição ao líquido de arrefecimento ou ao óleo, contaminação e inversões repetidas do torque. A resistência de engrenagens e rolamentos é essencial quando o produto classificado é uma unidade de propulsão integrada, e não um motor isolado.

NVH e qualidade do torque

O torque médio pode ocultar ondulações. A medição de torque em alta resolução e a análise de ordens identificam harmônicos eletromagnéticos, torque de cogging, efeitos do inversor, engrenamento, frequências dos rolamentos e ressonâncias estruturais.

Os testes acústicos usam microfones, acelerômetros, sondas de corrente e referências de velocidade para relacionar tons audíveis à sua ordem de origem. É necessário testar com torque positivo, em desaceleração sem tração, durante a regeneração, em várias temperaturas e com diferentes estratégias de chaveamento, pois um ponto silencioso em plena carga pode não prever o ruído na cabine com carga leve.

Normas e repetibilidade

A SAE J2907 fornece uma prática recomendada para a caracterização repetível do desempenho de subsistemas de motor e acionamento de trens de força eletrificados. O Regulamento ONU nº 85 trata das medições de homologação da potência líquida e da potência máxima de 30 minutos. Esses procedimentos respondem a perguntas diferentes.

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

A repetibilidade independente exige instrumentos calibrados, temperaturas estabilizadas, fluidos definidos, correção das perdas do dinamômetro e do acoplamento e tempo de estabilização suficiente. A indicação da incerteza faz parte do resultado, especialmente ao comparar 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 se refere a um motor, a um eixo ou ao veículo completo?
A potência e o torque são medidos no eixo do motor, na saída da transmissão ou nas rodas?
A potência é de pico, de 30 minutos ou contínua?
Qual tensão e estado de carga da bateria estavam disponíveis?
O motor e a bateria já estavam aquecidos?
A eficiência inclui o inversor, a transmissão, as bombas e os sistemas auxiliares?
O valor corresponde a um único ponto de operação ou ao resultado de um ciclo de condução?

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

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Volte para Electric Motors and Drive Units e consulte o capítulo motor cooling para entender por que a potência sustentada muda com as condições térmicas.