Otimização da eficiência do motor BLDC de scooter elétrico usando o analisador de potência Dewesoft

Os patinetes elétricos estão ganhando popularidade como uma opção sustentável e eficiente para o transporte urbano. Para identificar a faixa de tensão de operação ideal e maximizar seu desempenho, é fundamental entender como a saída do motor BLDC varia com a tensão de alimentação. As ferramentas da Dewesoft ajudaram a identificar a faixa de tensão ótima para atingir a máxima eficiência do motor.

Motores DC sem escovas (BLDC) são populares em dispositivos modernos devido à sua alta eficiência, controle preciso e design compacto. Engenheiros usam motores BLDC em veículos elétricos como trotinetes e drones. Eles também são usados em ventoinhas de arrefecimento de computadores, automação industrial e sistemas HVAC.

Um motor BLDC é um motor elétrico que opera usando corrente contínua (DC) mas sem as escovas mecânicas e o comutador encontrados em motores tradicionais com escovas. Em vez de usar escovas para alternar a direção da corrente nas bobinas do motor, um motor BLDC utiliza um controlador eletrônico. 

Um motor Brushless DC (BLDC) não se baseia no princípio da indução magnética para sua operação principal; em vez disso, usa a interação eletromagnética entre um rotor de ímã permanente rotativo e o campo magnético do estator comutado eletronicamente. 

O rotor tipicamente contém ímãs permanentes, enquanto o estator possui bobinagens. A ausência de escovas reduz atrito, desgaste e necessidades de manutenção, tornando os motores BLDC mais eficientes, de maior durabilidade e mais silenciosos.

Contexto

Universidade de Tecnologia de Tallinn (TalTech) é uma universidade baseada em pesquisa especializada em engenharia, negócios, administração pública e assuntos marítimos. A universidade tem quase 10.000 estudantes matriculados, aproximadamente 11% dos quais vêm de mais de 100 países diferentes ao redor do mundo.

O Grupo de Pesquisa em Mecatrônica e Sistemas Autônomos da TalTech realiza vários projetos de pesquisa e estudo. O foco principal é desenvolver um gêmeo digital do sistema de acionamento de propulsão para um veículo elétrico autônomo.

A adoção global de veículos elétricos tem se acelerado nos últimos anos, com uma mudança crescente para modos de transporte mais sustentáveis. As trotinetes elétricas, também conhecidas como e-scooters, emergiram como uma escolha popular para mobilidade urbana devido à sua acessibilidade, conveniência e baixo impacto ambiental. 

Uma pesquisa de mercado recente da Grand View Research avaliou o mercado global de trotinetes elétricas em aproximadamente USD 37.07 bilhões em 2023. O grupo projeta que isso crescerá para USD 78.65 bilhões até 2030, refletindo uma taxa de crescimento anual composta de 9,9% [1].

O consumo de energia de uma única e-scooter é relativamente pequeno comparado ao de um carro elétrico, uma residência ou a infraestrutura urbana. Contudo, a demanda agregada de energia torna-se significativa quando multiplicada pelo número de unidades que cresce rapidamente nas cidades em todo o mundo. 

Como resultado, mesmo ganhos pequenos na eficiência energética ao nível do motor podem levar a reduções significativas no consumo total de energia em escala global. Esse fato ressalta a importância de otimizar o desempenho de pequenos motores elétricos em apoio a esforços mais amplos de sustentabilidade energética.

Motores Brushless DC (BLDC) compactos e eficientes alimentam as e-scooters. Estes exigem controle preciso de tensão e corrente para operar efetivamente. Sua eficiência depende fortemente da qualidade e estabilidade de sua fonte de alimentação, tipicamente baterias de íon-lítio. 

O nível de tensão de saída da bateria pode ser afetado pelo estado de carga da bateria, temperatura e carga sobre o motor. Essas variações no nível de tensão podem afetar o consumo energético, a entrega de torque e a experiência geral do usuário. 

O sistema de aquisição de dados Dewesoft é bem adequado para investigar como o nível de tensão afeta o desempenho do motor BLDC de uma e-scooter. Ele oferece medições sincronizadas e de alta resolução de tensão, corrente e torque que permitem uma análise aprofundada do comportamento do motor.

Objetivo

Pretendo avaliar como variações na tensão de alimentação afetam a potência mecânica máxima de saída de um motor BLDC típico de trotinete elétrica. Ao analisar o consumo de energia e a entrega de torque em diferentes tensões de entrada, os engenheiros podem determinar a faixa de tensão operacional ótima para aumentar a eficiência e prolongar a vida útil da bateria.

Equipamento de teste e aquisição de dados

Construí um banco de ensaios compacto para avaliar o desempenho de um motor BLDC sob várias condições de operação. O arranjo de teste consiste em um motor BLDC acoplado a um freio de partículas magnéticas, usado como carga variável, e múltiplos sensores para capturar parâmetros elétricos e mecânicos-chave – veja a Figura 2. 

O sistema permite controle e medição precisos da tensão de entrada, corrente, torque e velocidade de rotação. A lista de componentes usados no arranjo é a seguinte:

Sistema de Aquisição de Dados e Analisador de Potência

• SIRIUSi-4xHV-4xLV – um sistema modular de aquisição de dados de alta velocidade e analisador de potência com 4x HV (alta tensão), 4x LV (baixa tensão) entradas analógicas.

• DEWE-43A – Sistema de Aquisição de Dados (DAQ) USB de 8 canais para canais analógicos adicionais e sinais digitais.

• Cabo de sincronização – para sincronização precisa entre sistemas.

Sensores e Transdutores

• Alicate de corrente CP30 (100 mV/A) – Para medir a corrente de alimentação.

• 3x Alicates de corrente PR200 (10 mV/A) – Para medir as correntes de fase do motor.

• Sensor de Torque DYN-200 – saída analógica 0–5 V, faixa de torque de 30 Nm.

• Saída de velocidade DYN-200 – Sinal de saída em onda quadrada, amplitude de 6 V (para medição de RPM).

Motor e Carga

• Motor BLDC para Scooter – 1 kW, tensão nominal de 48 V.

• Controlador do motor – ASI BAC555.

• Máquina de carga – freio de partículas magnéticas de 25 Nm para carregamento mecânico ajustável.

Software de Aquisição de Dados e Análise de Potência

• DewesoftX Professional – Para aquisição de dados sincronizada, visualização e análise.

• Módulo DewesoftX Power Analyzer – um módulo de software DewesoftX para análise abrangente de potência com mais de 100 parâmetros baseados em tensão e corrente para analisar o consumo de potência do motor.

Metodologia

O objetivo principal deste teste foi observar como um motor BLDC típico, usado em uma scooter elétrica, reage às variações da tensão de alimentação. Para realizar este experimento, mantive o motor a uma velocidade constante de 400 RPM. Em seguida, apliquei gradualmente uma carga mecânica variável ao motor até que ele não conseguisse mais manter a velocidade definida e travasse. 

Após o travamento, reduzi progressivamente a carga até que o motor retomasse operação estável. Repiti esse procedimento para 15 níveis de tensão diferentes, começando em 36 V e aumentando em incrementos de 1 V até 50 V. Notavelmente, o motor não iniciava operação abaixo de 36 V ou acima de 50 V, tornando esses os limites inferior e superior efetivos para o teste.

Capturei todas as medições usando a plataforma de software DewesoftX. O registrador capturou os seguintes dados:

• Torque 

Registrado diretamente pelo sensor conectado ao módulo DEWE-43A.

• Velocidade de rotação 

Determinado usando um algoritmo de sensor angular aplicado a um sinal em onda quadrada.

• Potência de entrada

Calculado pelo plugin Dewesoft Power Analyzer, que considera a corrente e a tensão do motor.

• Potência de saída

Calculado multiplicando o torque pela velocidade angular.

• Eficiência

• Calculada como a razão entre a potência de saída e a potência de entrada, expressa em porcentagem.

Além das exibições gráficas de dados, configurei seis medidores digitais para mostrar valores em tempo real de torque, velocidade, potência de entrada e saída, eficiência e a tensão de alimentação – ver Figuras 3 e 4. Essa configuração forneceu uma visão abrangente e sincronizada das características de desempenho do motor sob diferentes condições de tensão.

Resultados do teste e análise

A Figura 5 mostra os resultados do teste de varredura de tensão ilustrados pelo gráfico intitulado "Potência Mecânica Máxima de Saída vs Tensão de Alimentação." O gráfico mostra uma correlação geralmente positiva entre a tensão de alimentação e a potência mecânica máxima de saída do motor BLDC, particularmente na faixa de 36 V a 45 V.

Na menor tensão testada (36 V), o motor apresentou uma redução significativa na potência de saída. Alcançou um máximo de aproximadamente 472 W. À medida que a tensão de alimentação aumentou, a potência de saída cresceu, atingindo um pico de mais de 560 W na faixa de 45 V a 46 V. Essa melhoria provavelmente se deve a uma entrega de corrente mais estável e a um desempenho eletromagnético aprimorado no interior do motor.

Curiosamente, observei flutuações além de 45 V, onde a potência de saída diminuiu ligeiramente ou variou de forma irregular. Posso atribuir essas variações à regulação interna de tensão do controlador, a limitações térmicas ou a não linearidades inerentes ao desempenho do motor em entradas de tensão mais altas.

A maior potência de saída ocorreu em 45 V. Isso indica que essa tensão é o ponto de operação ideal para maximizar a potência mecânica, evitando as ineficiências observadas em tensões mais baixas e a potencial instabilidade em tensões maiores. No geral, os resultados confirmam que o nível de tensão desempenha um papel fundamental no desempenho de potência, permitindo aos engenheiros ajustá-lo finamente para otimização de energia em patinetes elétricos.

Conclusão

Meu estudo demonstra que a tensão de alimentação tem uma influência significativa na potência mecânica máxima de saída de um motor BLDC usado em patinetes elétricos. Ao variar sistematicamente a tensão de entrada e registrar a potência de saída resultante, foi possível identificar uma faixa de tensão ideal, especificamente em torno de 45 V, onde o motor atingiu sua maior eficiência e potência.

Operar abaixo dessa faixa resultou em uma queda acentuada na potência de saída, exigindo correntes mais altas e levando a ineficiências energéticas. Por outro lado, tensões de alimentação acima do ponto ideal introduziram irregularidades e potencial instabilidade, provavelmente devido a limitações no controlador e no sistema.

As descobertas deste teste podem ser instrumentais para fabricantes de patinetes elétricos e projetistas de sistemas que buscam otimizar sistemas de gerenciamento de bateria, algoritmos de controlador e o uso geral de energia. Mesmo melhorias individuais pequenas no nível do motor podem contribuir para economias de energia globais substanciais quando escaladas para milhões de patinetes elétricos.

O equipamento Dewesoft usado nesta análise provou ser bem adequado para a tarefa. Suas capacidades de aquisição sincronizada em alta resolução e análise em tempo real forneceram dados precisos e confiáveis, tornando-o uma ferramenta valiosa para avaliar e otimizar o desempenho de sistemas de acionamento elétrico.

Referências

Grand View Research. Relatório de Análise do Tamanho, Participação e Tendências do Mercado de Patinetes Elétricos por Produto, por Bateria, por Tensão, por Região e Previsões por Segmento, 2023 - 2030.