UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
“LÜFKE I”: AUTO RECICLADO CON TRACCIÓN ELÉCTRICA PARA LA CIUDAD DE SANTIAGO DE CHILE
VÍCTOR ANTONIO CASTAÑEDA ZEMAN
2005
UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
“LÜFKE I”: AUTO RECICLADO CON TRACCIÓN ELÉCTRICA PARA LA CIUDAD DE SANTIAGO DE CHILE
VÍCTOR ANTONIO CASTAÑEDA ZEMAN
COMISIÓN EXAMINADORA
CALIFICACIONES
NOTA(Nº)
(LETRAS)
FIRMA
PROFESOR GUÍA: DR. DR. RO RODR DRIG IGO O PALM PALMA A B.
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PROFESOR CO-GUÍA: SR. SR. ALFR ALFRED EDO O MUÑOZ UÑOZ R.
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PROFESOR CO-GUÍA: SR. SR. JO JOR RGE ROMO. OMO.
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PROFESOR INTEGRANTE: SR. SR. EFRA EFRAIN IN ASEN ASENJO JO
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NOTA NOTA FINAL FINAL EXAM EXAMEN EN DE TÍTUL TÍTULO O
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MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA
SANTIAGO DE CHILE ABRIL 2005
A mi Fam Famil ilia ia A mi padre padre que me enseñó enseñó a trabajar trabajar A mi madre madre que me me enseñó la la constancia constancia A mi hermano hermano que que me abrió abrió el camino camino A mi hermana hermana que que me enseñó a querer querer A Dios y Jesús que que me enseñaron a amar, amar, agradecer agradecer y perdonar perdonar
AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer a todos aquellos que me ayudaron a forjar este sueño que se ha convertido en realidad. Quiero agradecer particularmente a mis profesores Rodrigo Palma, Alfredo Muñoz, Efraín Asenjo, Oscar Moya y Jorge Romo, por el apoyo, conocimientos y ayuda entregada. Quiero agradecer a mi familia que me apoyaron en todo y creyeron en mí, a mis amigos que vivieron este maravilloso proceso conmigo. En especial quiero agradecer a mis amigos de Ingeniería Eléctrica que me ayudaron y apoyaron, como también a mi pastoral CPJ SS.CC. que me enseñó a ordenar el tiempo. Quiero agradecer a mis familiares que me ayudaron a ser mejor persona. Quiero agradecer a Dios y a Jesús por haberme regalado esta oportunidad de vida, que la pude concretar con su ayuda y especialmente, por el Don de amar esta profesión.
Quiero agradecer a la Universidad de Chile y la Escuela de Ingeniería que me dieron todas las herramientas para lograr esta profesión. En especial agradezco al departamento de Ingeniería Eléctrica, que a través de años de esfuerzo me entregaron todos sus conocimientos y lograron que me enamorara de esta carrera.
En fin, gracias a todos por el apoyo, amor y ánimo que me entregaron, los que se marcaron en mi corazón, como un recuerdo indeleble de esta etapa de mi vida, que siempre permanecerá presente…
RESUMEN DEL INFORME FINAL PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA POR: VÍCTOR CASTAÑEDA ZEMAN FECHA: ABRIL 2005 PROF. GUÍA: SR. RODRIGO PALMA B.
“Lüfke I”: Auto Reciclado con Tracción Eléctrica para la Ciudad de Santiago de Chile Actualmente, los vehículos eléctricos y las tecnologías asociadas, se encuentran en un nuevo proceso de desarrollo, motivado principalmente por las expectativas de abastecimiento de combustible fósil y problemas ambientales. En este contexto, esta memoria pretende mostrar una forma factible y real de colaborar con esta tendencia mundial a través de un fomento del reciclaje de vehículos convencionales mediante la conversión a tracción eléctrica. Para ello, se utiliza como punto de partida la experiencia adquirida por el estudiante al participar activamente en el proyecto de conversión denominado “ Lüfke I ”, llevado a cabo en el Área de Energía del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile. Esta memoria incluye en primer lugar una recopilación de datos del estado del arte de los vehículos eléctricos y sus tecnologías, el que identifica los tipos de componentes necesarios en la creación, construcción y conversión de vehículos eléctricos. Esta recopilación bibliográfica constituye la base sobre la cual se propone un manual de conversión a tracción eléctrica de vehículos, destinado a documentar todos los conocimientos y experiencias adquiridos en el proyecto “ Lüfke I ”. Este manual permite observar las alternativas y formas de proceder en la conversión, enfatizando las precauciones y cuidados debidos. Una segunda etapa de este trabajo constituye el estudio del funcionamiento eléctrico y mecánico del vehículo eléctrico convertido. El estudio del funcionamiento eléctrico se focaliza en explicar un fenómeno de sobrevoltaje observado en la etapa de pruebas del sistema. El estudio del funcionamiento eléctrico incluye la modelación del circuito de tracción eléctrica del vehículo, el que incluye el banco de baterías, motor, controlador de potencia y conexiones asociadas. El modelo es integrado a un ambiente de simulación computacional, permitiendo su validación y sintonización con lo observado en la práctica. Por su parte, el estudio del funcionamiento mecánico se basa en un modelo mecánico cinemático básico, capaz de simular su operación y detectar limitaciones técnicas, tales como su velocidad máxima y pendiente límite. El estudio del comportamiento eléctrico del vehículo permitió establecer con claridad las causas del sobrevoltaje, recrear el fenómeno experimentalmente y sugerir las medidas a tomar en una conversión con el fin de evitar su aparición. El estudio del funcionamiento mecánico fue validado experimentalmente, logrando entregar antecedentes sobre el desempeño económico del vehículo. Los modelos desarrollados, documentados en detalle, sirven de base para futuros estudios y propuestas de diseño en torno a este tema. Finalmente, como trabajos futuros en este ámbito, se propone la mejora y optimización del vehículo “ Lüfke I ”, en relación a su circuito eléctrico (minimizando pérdidas), resistencia mecánica (reduciendo peso y aumentando aerodinámica), e incluyendo freno regenerativo, sistemas de control y monitoreo con un comportamiento inteligente. Estos desarrollos permitirán ofrecer una alternativa de conversión para una ciudad con las características de Santiago de Chile.
TABLA DE CONTENIDOS 1 INTRODUCCIÓN............................................................................................................................. 1 1.1 1.2 1.3 1.4
MOTIVACIÓN ..................................................................................................................... 1 OBJETIVOS.......................................................................................................................... 1 ALCANCE ............................................................................................................................ 1 ESTRUCTURA DEL TRABAJO ......................................................................................... 3
2 EL AUTO ELÉCTRICO Y SU DESARROLLO.............................................................................. 4 2.1 HISTORIA DEL AUTO ELÉCTRICO................................................................................ 4 2.1.1 HISTORIA ............................................................................................................................. 4 2.1.2 LÍNEA DE TIEMPO ................................................................................................................ 5 2.2 AUTO ELÉCTRICO HOY................................................................................................... 7 2.2.1 TIPOS DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS ....................................................................................... 7 2.2.2 EMPRESAS DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS ............................................................................... 9 2.3 COMPONENTES DE UN VEHÍCULO ELÉCTRICO...................................................... 14 2.3.1 SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE E NERGÍA .................................................................... 15 2.3.2 SISTEMA DE PROPULSIÓN ................................................................................................... 20 2.3.3 SISTEMA DE CONTROL ....................................................................................................... 21 2.3.4 SISTEMA DE R ECARGA ....................................................................................................... 23 2.3.5 SISTEMA DE I NSTRUMENTACIÓN (MONITOREO Y CONTROL AUTOMÁTICO) ........................ 26 2.3.6 SISTEMAS DE SEGURIDAD Y ACCESORIOS .......................................................................... 26 2.4 ENFOQUE DEL ESTUDIO................................................................................................ 27 3 CONVERSIÓN DE AUTO CONVENCIONAL A ELÉCTRICO ................................................. 28 3.1 ESTUDIO Y DESARROLLO PREVIO ............................................................................. 28 3.1.1 I NVESTIGACIÓN Y PREPARACIÓN DE LA CONVERSIÓN ......................................................... 28 3.1.2 PLANIFICACIÓN DE CONVERSIÓN ....................................................................................... 28 3.2 ADAPTACIÓN MECÁNICA ............................................................................................. 38 3.2.1 HERRAMIENTAS ................................................................................................................. 38 3.2.2 PROCEDIMIENTO ................................................................................................................ 39 3.2.3 CONEXIÓN DE MOTOR Y CAJA DE CAMBIOS ....................................................................... 43 3.2.4 SISTEMA DE SUJECIÓN DEL MOTOR .................................................................................... 50 3.3 INSTALACIÓN ELÉCTRICA........................................................................................... 51 3.3.1 BATERÍAS .......................................................................................................................... 52 3.3.2 COMPONENTES .................................................................................................................. 54 3.3.3 CONTROLADOR .................................................................................................................. 55 3.3.4 CABLES ............................................................................................................................. 56 3.3.5 SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROL ................................................................................ 58 3.4 PRUEBAS FINALES .......................................................................................................... 60 4 ESTUDIO DE FUNCIONAMIENTO............................................................................................. 61 4.1 ESTUDIO DE FUNCIONAMIENTO ELÉCTRICO......................................................... 61 4.1.1 MODELO ELÉCTRICO DE LAS COMPONENTES...................................................................... 61
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4.1.2 MODELO Y SIMULACIÓN ELÉCTRICA DEL CIRCUITO SIMPLIFICADO (CON FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE ) ........................................................................................................................ 70 4.1.3 MODELO Y SIMULACIÓN DE CIRCUITO COMPLETO (CON EL FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE ) 80 4.1.4 MODELO Y SIMULACIÓN DE CIRCUITO COMPLETO (SIN EL FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE ) 83 4.1.5 MEDICIÓN R EAL DE CIRCUITO ELÉCTRICO 1 (CON EL FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE )........ 85 4.1.6 MEDICIÓN R EAL DE CIRCUITO ELÉCTRICO 2 (SIN EL FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE ) ......... 86 4.2 ESTUDIO DE FUNCIONAMIENTO MECÁNICO .......................................................... 88 4.2.1 FUERZAS DE R ESISTENCIAS AL MOVIMIENTO ..................................................................... 88 4.2.2 FUERZAS DE EMPUJE.......................................................................................................... 91 4.2.3 A NÁLISIS DE FUERZAS ....................................................................................................... 92 4.2.4 CONSIDERACIONES ............................................................................................................ 92 4.2.5 PRUEBAS PARA CÁLCULO DE PARÁMETROS ....................................................................... 93 4.2.6 MODELO DEL VEHÍCULO .................................................................................................... 95 4.2.7 PENDIENTE MÁXIMA DE OPERACIÓN ............................................................................... 100 4.2.8 R ENDIMIENTO .................................................................................................................. 101 5 OPTIMIZACIONES PROPUESTAS Y MEJORAS.................................................................... 102 5.1 5.2 5.3 5.4
FRENO REGENERATIVO.............................................................................................. 102 SISTEMA DE SUPERVISIÓN ......................................................................................... 103 INTEGRACIÓN DE INTELIGENCIA............................................................................ 105 CONTROLADOR DE CAMBIOS Y VELOCIDAD........................................................ 105
6 CONCLUSIONES Y COMENTARIOS ....................................................................................... 106 7 BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................... 108 8 ANEXOS........................................................................................................................................ 111 8.1 CÁLCULO DE PARÁMETROS MECÁNICOS DEL VEHÍCULO................................ 111 8.1.1 ÁREA FRONTAL ............................................................................................................... 111 8.1.2 R ADIO R UEDA.................................................................................................................. 111 8.1.3 COEFICIENTES DE R ODADO Y R OCE DEL AIRE .................................................................. 113 8.2 CÁLCULO DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS ............................................................ 113 8.2.1 PARÁMETROS DE CABLES ................................................................................................ 113 8.2.2 PARÁMETROS DE MOTOR ................................................................................................. 114 8.3 SIMULACIONES REALIZADAS.................................................................................... 120 8.3.1 MODELO SIMPLIFICADO DE CIRCUITO ELÉCTRICO 1 (CON EL FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE) 120 8.3.2 MODELO COMPLETO DE CIRCUITO ELÉCTRICO 1 (CON EL FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE)139 8.3.3 MODELO COMPLETO DE CIRCUITO ELÉCTRICO 2 (SIN EL FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE ). 144 8.3.4 SIMULACIÓN DE MODELO MECÁNICO .............................................................................. 147 8.4 MEDICIONES REALIZADAS EN EL VEHÍCULO....................................................... 156 8.4.1 CIRCUITO ELÉCTRICO 1 (CON EL FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE)..................................... 156 8.4.2 CIRCUITO ELÉCTRICO 2 (SIN EL FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE) ...................................... 171 8.5 FOTOS DEL VEHÍCULO “ LÜFKE I ”............................................................................. 178
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1 INTRODUCCIÓN 1.1
MOTIVACIÓN
Actualmente, los vehículos eléctricos son una buena alternativa para disponer de una movilización limpia en una ciudad contaminada como Santiago. El uso de tracción eléctrica para los automóviles, contribuye a la disminución de la contaminación ambiental, en particular la contaminación del aire y acústica. Esta disminución de la contaminación es importante en el contexto del problema del calentamiento global que enfrenta el planeta. Asimismo, la utilización de transporte limpio contribuye a un mejoramiento de la calidad de vida en la ciudad. Con estas ideas presentes, este trabajo busca contribuir al desarrollo de soluciones tecnológicas para el transporte al utilizar energía eléctrica y al mismo tiempo considerar restricciones presupuestarias y ambientales. 1.2
OBJETIVOS
El objetivo general de este trabajo es el estudio del funcionamiento y posibles optimizaciones de un vehículo eléctrico transformado a partir de un vehículo convencional. En este contexto, se distinguen los siguientes objetivos específicos: • Recopilación de datos del estado del arte en torno al tema. • Desarrollo de manual de conversión de vehículo convencional a eléctrico. • Estudio de las características de funcionamiento eléctrico del vehículo. • Estudio de fenómeno de sobrevoltaje surgido en la construcción del vehículo. • Estudio de las características mecánicas de funcionamiento del vehículo. • Presentación de propuestas para optimización y mejoras de vehículo eléctrico. 1.3
ALCANCE
La presente memoria contiene un manual de conversión, el cual expone la mayoría de las alternativas de conversión existentes. Sin embargo, no se presentan explicaciones detalladas del funcionamiento y aspectos constructivos de cada una de los componentes (motor, controlador y baterías) involucrados en el proceso. Se explican, también, las diferentes formas de instalación e interconexión. El manual incluye algunos planos, con un nivel de detalle intermedio, de las piezas que se 1
utilizan regularmente en las conversiones. El análisis de los aspectos relacionados con la mecánica automotriz no es tratado en forma acabada, limitándose al uso de una terminología genérica. El estudio del funcionamiento eléctrico presentado en esta memoria, consta tanto de un modelo eléctrico completo (detallado), como de una versión simplificada para la representación del circuito de tracción. El modelo utilizado para el motor de corriente continua es un modelo dinámico de primer orden, el cual modela su parte eléctrica y mecánica. Para los cables se utilizaron diversos modelos dependiendo del nivel de complejidad deseado (modelos PI y resistivo puro). El controlador fue modelado en forma básica, en que se enfatiza la representación de los componentes de electrónica de potencia y se supone un comportamiento ideal de las señales de control. En el modelo de las baterías no se consideraron las características parásitas, tales como capacitancias e inductancias. Este estudio también contiene resultados y análisis, tanto de simulaciones de los modelos eléctricos, como también de las mediciones tomadas al circuito eléctrico de “ Lüfke I ”. El análisis del ajuste obtenido entre el modelo y el sistema real se realiza al comparar los resultados de un conjunto acotado de casos. Este estudio también incluye un estudio de un fenómeno de sobrevoltaje surgido en las pruebas del sistema, el cual es explicado mediante un análisis de régimen permanente y simulaciones. Este análisis permite observar en grandes rasgos su comportamiento. Sin embargo, el estudio no establece una expresión analítica para describir este comportamiento en forma exacta. El análisis del funcionamiento mecánico se realiza mediante un modelo cinemático básico, que incluye la resistencia del aire y rodado del vehículo. Los modelos utilizados son los más frecuentes para este tipo de estudios, al ser utilizados en simuladores de conducción, juegos, etc. Además, se incluye la simulación mecánica del vehículo y el cálculo de sus limitaciones técnicas, tales como pendiente máxima y velocidad máxima. En los dos estudios anteriores no se realiza una validación rigurosa de los modelos, debido a que se tiene instrumentación limitada para este propósito. Sólo se efectúa una comparación entre los gráficos obtenidos, lo que permite deducir si los modelos se aproximan o no a la realidad. Por otro lado, el alcance establecido para este estudio se limita a mencionar en forma general algunas posibles mejoras y optimizaciones para el vehículo.
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1.4 ESTRUCTURA DEL TRABAJO Este trabajo está estructurado en seis capítulos temáticos. A continuación se presenta una breve reseña de cada uno de ellos. Los capítulos uno y dos son de carácter introductorio, que intentan mostrar las tecnologías y tendencias actuales del mercado automotriz. El capítulo uno detalla los objetivos del trabajo, la motivación y alcances. El segundo capítulo muestra la mayor parte de las tecnologías actuales en la conversión de vehículos convencionales a tracción eléctrica, que indican las diferentes tecnologías de cada componente. Este capítulo, también, muestra las tendencias de investigación y las diferentes derivaciones de la utilización de energía eléctrica en los automóviles. Asimismo, se exhiben las actuales tecnologías de los vehículos eléctricos comerciales, entre ellos los que actualmente están a la venta y los proyectos relacionados con este tema, tanto en Chile como en el extranjero. El tercer capítulo corresponde a un manual técnico de conversión, que está orientado a servir de guía y libro de consulta, que muestra en forma clara los cuidados y formas de proceder en las distintas etapas del trabajo. Este manual contiene diferentes soluciones para cada etapa de la conversión, que informa al lector los conocimientos necesarios para que éste pueda diseñar sus propias soluciones. El cuarto capítulo contiene un análisis eléctrico y mecánico del auto eléctrico, en el que se muestran los modelos encontrados para cada componente del vehículo, junto con su desarrollo teórico y fundamentos. El modelo eléctrico ha sido simplificado para ser analizado teóricamente y a través de simulaciones. También se exponen las simplificaciones que se utilizaron para tener un buen entendimiento de los modelos. Este capítulo realiza el estudio de un fenómeno de sobrevoltaje que se presentó en el circuito eléctrico del vehículo, en que se muestran las causas y las consecuencias que este puede tener. El capítulo cinco propone optimizaciones y mejoras que se pueden realizar en el vehículo “ Lüfke I ”. En este capítulo se deja expuesto en detalle las definiciones de las posibles mejoras y cómo se podrían llevar a cabo. Estas mejoras son el freno regenerativo, sistema de supervisión, integración de inteligencia y controlador de cambios y velocidad. El capítulo seis expone las conclusiones y comentarios del trabajo. Finalmente, los capítulos siete y ocho presentan las fuentes bibliográficas y los anexos, respectivamente. Los anexos contienen el detalle de los cálculos y los gráficos que sustentan los análisis presentados en el cuerpo del trabajo. 3
2 EL AUTO ELÉCTRICO Y SU DESARROLLO 2.1
HISTORIA DEL AUTO ELÉCTRICO
A continuación, a modo de introducción temática se presenta un resumen de la historia y desarrollo de los vehículos con tracción eléctrica [1,2]. 2.1.1 Historia En los años de 1890, los autos eléctricos estaban en una proporción de 10:1 respecto de los vehículos a combustión, que dominaron por mucho tiempo los caminos y el mercado de esa época. Esto indica que en esos tiempos los vehículos eléctricos se estaban desarrollando como una de las tecnologías más novedosas y populares de la época. A partir de 1910, los autos a combustión ingresaron paulatinamente al mercado con mayor fuerza, puesto que en su mayoría, eran fabricados al desarrollar el uso de líneas de ensamblaje. Este nuevo sistema de producción prácticamente eliminó del mercado a todos los otros antiguos constructores de vehículos, tanto eléctricos como a combustión, debido a una disminución sustancial de los costos de producción, lo que provocó que las compañías independientes que no tenían acceso a esta nueva tecnología desaparecieran. Luego que los vehículos a combustión comenzaron a dominar el mercado por sus bajos precios, empezaron a surgir una mayor cantidad de factores que eliminaron casi totalmente el desarrollo de los vehículos eléctricos. Algunos de estos factores fueron que la infraestructura eléctrica en esa época era casi inexistente en las afueras de las ciudades, por lo que los autos eléctricos, debido a las dificultades del almacenamiento en bancos de baterías, estaban limitados a transitar dentro de las ciudades. Otro factor importante de la disminución del uso de automóviles eléctricos, fue que en esos tiempos la energía eléctrica era más cara que el combustible, además de que era complicado encontrar un lugar para recargar el sistema de almacenamiento de energía eléctrica. Por estos factores, para fines de la primera guerra mundial, la producción de vehículos eléctricos se detuvo totalmente. En los años 60 y 70, impulsado por la contaminación atmosférica y la cantidad limitada de petróleo disponible en el mercado, se observó un renacimiento del vehículo eléctrico, como concepto de transporte masivo.
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En los años 90, las grandes marcas de automóviles reanudaron la producción de vehículos híbridos y/o eléctricos, lo que ha sido impulsado, por ejemplo, por iniciativas tales como el Mandato de Vehículos de Emisión Cero (ZEV, Zero Emisión Vehicle) emitido en California. Los Automóviles Eléctricos fabricados por los precursores fueron producidos esencialmente en pequeños volúmenes, a pedidos y hechos a mano. Sin embargo, como el Mandato ZEV se debilitó al transcurrir los años, las grandes marcas detuvieron la producción de Automóviles Eléctricos. 2.1.2 Línea de Tiempo En la siguiente tabla se presenta un resumen en forma de línea de tiempo de los desarrollos y hechos históricos relevantes de los vehículos con tracción eléctrica [1,2]. 1834 1859 1889 1895 1896 1897 1898 1900
1900 1903 1908
Thomas Davenport inventa la batería para un auto eléctrico, las cuales no son recargables. Gaston Plante inventó las baterías de Plomo-Ácido recargables. Thomas Edison construye un auto eléctrico usando baterías NíquelAlcalina. Primera carrera de autos en Norte-América, fue ganada por un vehículo eléctrico. Primera vendedora de Automóviles en Estados Unidos, la cual vendía vehículos eléctricos. Primer vehículo eléctrico con dirección servo-asistida, éste tenía un sistema auto-encendido eléctrico, el cual veinte años después se usaron en los vehículos a gasolina. En la ciudad de Nueva York, los vehículos eléctricos son los únicos capaces de movilizarse en los caminos dentro de una Tormenta de Nieve. Gran Problema de contaminación en la Ciudad de Nueva York. Ésta es producida por los caballos, dejando 1.1 toneladas de excremento, 230.000 litros de orina diariamente en las calles; 15.000 caballos muertos son retirados de las calles cada año. Los vehículos producidos fueron: 33% Vehículos a vapor, 33% Vehículos Eléctricos y 33% Vehículos a Gasolina. Primera multa de exceso de velocidad, ésta fue cursada a un Vehículo Eléctrico. Henry Ford le compra a su esposa un Vehículo Eléctrico. La Alta Sociedad de ese tiempo entregó un elogiador apoyo a los Vehículos Eléctricos: “Este vehículo nunca me falla” 5
1910
Fábrica de vehículos produce autos a combustión interna en volumen, reduciendo el costo por vehículo. 1912 Hay 38.842 Vehículos Eléctricos en las calles. Los camiones cisternas entregan gasolina a las estaciones. 1913 Auto-encendido para autos a gasolina. (10 años después que el Modelo T) 1956 Sistema Nacional de Autopistas Interestatales. Consolidado el 90% en los estados y 90% en el Gobierno Federal. 1957 Sputnik (Satélite Soviético) es lanzado. El programa de espacio estadounidense inicia la investigación y desarrollo de una avanzada batería. 1966 Gran Expectación porque 36 millones de personas están realmente interesadas en Vehículos Eléctricos. Hasta esa fecha los autos eléctricos tienen una velocidad máxima de 60 Km/hr, y una autonomía de 80 Km. 1967 Walter Laski funda la Asociación de Autos Eléctricos. 1968- Congreso aprueba estatutos regulatorios más exigentes enfncados a 1978 disminuir los riegos de salud a los usuarios de los autos: colisiones, aire contaminado. 1972 Primer Rally Anual de Autos Eléctricos de la EAA 1974 Debuta CityCar en el Simposio de Vehículos Eléctricos en Washington DC. En 1975, la marca de CityCar es vanguardista, siendo la sexta marca de autos de los Estados Unidos. 1990 California establece el Mandato del Vehículo de Emisión Cero, siendo el 2% de los vehículos en 1998 y el 10% para el 2003. 1990 General Motors muestra su inicio en la producción de Auto Eléctricos, con el modelo Impact. Después este es renombrado como EV-1. 1990 El Gobierno de Estados Unidos gastó $194 Millones de Dólares en investigación de sistemas de energía eficiente. Esta inversión fue mucho menos que un billón de Dólares que cuesta un simple día en la Tormenta del Desierto, o un billón de Dólares que sale por semana en el Conflicto de Irak (2003). 1993 General Motors estimó que tomaría 3 meses especificar los nombres de las 5000 personas interesadas en el modelo EV-1. Esto sólo tomó una semana. 1995 Renaissance Cars, Inc comienza la producción del modelo Tropica. 1996 EAA ayuda en la investigación en los Autos Eléctricos a la empresa CALSTART en Alameda, California. 1996 General Motors comienza la producción del EV-1. 1997 Toyota Prius, vehículo híbrido (gasolina-eléctrico) mostrado en el 6
2002 2003
2003 2003
2.2
evento “Tokio Auto Show”. Toyota RAV4-EV venta por pedido. Se estimó que se agotaría en 2 años, pero se agotó en 8 meses. El Mandato de ZEV (Vehículo de Emisión Cero) debilitó la entrega de créditos para la construcción de ZEV. Toyota detuvo la producción del RAV4-EV, Honda detuvo su nuevo modelo EVPlus y GM hace el mismo EV-1. 31° Rally EAA EV Anual en Palo Alto, California. Compitieron sobre 30 vehículos: Vehículos Eléctricos Convertidos, de Producción, híbridos y Vehículos personales. El vehículo tZero de AC Propulsión ganó el Challenge Michelin Bibendum de alto grado, y; tZero tiene las siguiente especificaciones: 480 Kms por carga, 0-96Km/hr en 3.6 segundos, 160 Km/hr como velocidad máxima. AUTO ELÉCTRICO HOY
A continuación se expone el estado del arte actual que tienen los vehículos con tracción eléctrica. Para empezar se muestra una definición de los nombres de las diferentes tecnologías actuales, junto con explicar su funcionamiento básico. Luego se presenta una explicación de los componentes de un vehículo eléctrico con sus diferentes tecnologías. 2.2.1 Tipos de Vehículos Eléctricos En la actualidad, existen básicamente tres tipos de vehículos eléctricos: vehículo híbrido, de celda de combustible y eléctrico a base de baterías. A continuación se detalla cada uno de estos tipos [3-6]. 2.2.1.1
Vehículo Híbrido
La mayor cantidad de los vehículos híbridos usan una combinación eficiente entre un motor de combustión interna y un motor eléctrico. Por ejemplo, en el caso de que el sistema de baterías esté cargado, cuando el automóvil llega a una luz roja en un semáforo, el motor a gasolina es automáticamente apagado para prevenir la emisión de gases contaminantes. Cuando un automóvil comienza a moverse, después que cambia a la luz verde, el motor eléctrico comienza a mover el vehículo, apoyando el encendido del motor a gasolina [3]. El motor eléctrico permite reducir la carga del motor a gasolina cuando el vehículo acelera (el motor a 7
combustión opera en condiciones cercanas a la nominal), haciendo que el auto emita menos gases contaminantes. Japón ha sido el líder mundial en la tecnología híbrida, al exportar un gran número de estos vehículos. Los modelos que actualmente están disponibles en el mercado de los países desarrollados son, entre otros, el Toyota Prius y el Honda Civic Híbrido, los primeros modelos llegaron a Chile durante el año 2004. Toyota ha proyectado su inserción al mercado nacional para la segunda mitad del año 2005 [4]. Existen dos tipos de vehículos híbridos, los cuales se diferencian en la conexión existente entre el motor de combustión interna y la máquina eléctrica. Los tipos de conexiones son en serie y en paralelo. En la conexión en serie, el motor de combustión interna está conectado en forma directa a la máquina eléctrica (produce la energía eléctrica), la cual puede ser almacenada o utilizada para alimentar otra máquina eléctrica que impulsa el vehículo. La conexión en paralelo, se realiza de tal manera que el motor de combustión interna y la máquina eléctrica están conectados en forma conjunta al sistema de tracción del vehículo. Este tipo de vehículo funciona al combinar las potencias entregadas por ambos motores, de tal forma de optimizar su funcionamiento y reducir al máximo las emisiones de gases contaminantes. 2.2.1.2
Vehículo Celda de Combustible
El vehículo de celda de combustible que ha sido llamado la “última generación de vehículo ecológico”, el cual aún está en desarrollo. Este tipo de vehículos trabaja en base a la conversión directa de energía química en eléctrica, a través de una reacción electroquímica denominada combustión catalítica. Este tipo de combustión produce electricidad como producto primario y como subproducto calor y vapor de agua. Uno de los problemas de este sistema es la manipulación del hidrógeno, debido a su alto riesgo de explosión en condiciones ambientales normales, junto con los problemas de almacenamiento y seguridad. Actualmente, todas las grandes empresas automotrices poseen su prototipo basados en celdas de combustibles, pero con costos elevados, por lo cual en un futuro próximo no se pronostica su inserción en forma masiva al mercado. Las tendencias indican que los primeros vehículos de este tipo utilizarán metanol, gas natural o algún tipo de alcohol como combustible proveedor de hidrógeno. La ventaja de este tipo de vehículo es que las emisiones contaminantes se reducen considerablemente con respecto a los vehículos de combustión interna, adicionalmente que el hidrógeno se proyecta como un sustituto a los combustibles derivados del petróleo. Uno de los mayores inconvenientes de la inserción de este tipo de vehículos, además de su costo, es la inexistencia de infraestructura que permita la generación de hidrógeno en forma económica.
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2.2.1.3
Vehículo Eléctrico Puro
Están constituidos esencialmente por un Sistema de Propulsión (motor eléctrico), un Sistema de Control (controlador), un Sistema de Almacenamiento de Energía (baterías) y un Sistema de Recarga (cargador). Estos automóviles no utilizan ningún tipo de combustible específico, por lo que no emiten contaminantes atmosféricos. Este tipo de vehículo tiene una autonomía aproximada de 80 kilómetros, potencias desde 10 HP hasta 88 HP, aceleración de 0-100 km/hr que va desde los 12.7 segundos hasta 30 segundos o más, y, los tiempos de recarga varían entre 2 y 12 horas dependiendo del tipo de baterías y tipo de banco utilizado. Estos vehículos, en general, son más pesados que los convencionales por el alto peso de cada batería. En la actualidad este tipo de vehículos se vende en forma comercial en algunos países, los que son utilizados preferentemente como vehículos de ciudad. Particularmente, en Japón, se utilizan estos vehículos como autos comunitarios. Estos vehículos comunitarios son usados por cualquier persona que desee movilizarse dentro de la ciudad, de tal forma que se estacionen en lugares predeterminados, donde los vehículos son enchufados a una red especial para cargar las baterías. De esta forma, los vehículos son cargados mientras están estacionados y así quedan operativos para otro usuario. Este sistema japonés ha tenido mucho éxito, gracias a que permite un transporte barato, comunitario y no contaminante. 2.2.2 Empresas de Vehículos Eléctricos 2.2.2.1
Desarrollos Nacionales
En Chile no existen empresas que trabajen en automóviles eléctricos urbanos a un nivel comercial. Se constata la comercialización de vehículos eléctricos de pequeño tamaño, los cuales corresponden a vehículos de carga (hasta 500 kg., velocidad máxima de 30 km/hr), carros de Golf y carros de pasajeros para recorridos reducidos, por parte de la empresa Eco Car Electric S.A. [7]. En el país se realizan algunos estudios relacionados con la conversión de vehículos convencionales a eléctricos. Las instituciones que están o han trabajado en este tema, son la Universidad de Chile, la Pontificia Universidad Católica, Universidad Técnica Federico Santa María, INACAP y USACH. Asimismo, en los últimos años se han incorporado distintas iniciativas de estudiantes como consecuencia de la creación del concurso Fórmula-i [16]. Específicamente, se pueden mencionar los siguientes desarrollos:
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Universidad de Chile. Se han desarrollado diversos trabajos de título en el ámbito de tracción eléctrica en los Departamentos de Ingeniería Eléctrica y Mecánica. En el marco de uno de estos trabajos se diseñó en forma íntegra un vehículo eléctrico de carga. Sus características son las de un vehículo utilitario [8]. Pontificia Universidad Católica. En esta universidad se han desarrollado proyectos Fondecyt a cargo del Profesor Juan Dixon. En el marco de uno de estos proyectos se ha creado un vehículo camioneta Chevrolet modelo "LUV" de doble cabina, la cual, como vehículo eléctrico, ha demostrado ser altamente confiable y eficiente. El vehículo cuenta con instrumentación digital y posee tres procesadores: uno para el control del motor, otro para la instrumentación y un tercero para la carga de las baterías [9]. También se han desarrollado varias memorias de título y tesis. Universidad Técnica Federico Santa María. En esta universidad se realizó un trabajo de título, que analizó teóricamente un Vehículo Eléctrico. Su resultado fue el diseño de un vehículo eléctrico y su sistema de control. En esta universidad también existen diversos trabajos en el área [10-15]. No existen instituciones empresariales en el país que desarrollen productos relacionados con los vehículos eléctricos. 2.2.2.2
Desarrollos Internacionales
Las empresas líderes internacionales en la conversión de vehículos de combustión interna a tracción eléctrica son las siguientes [17]: • Electric Vehicles System La línea de la empresa es la conversión de vehículos a gasolina y petróleo a vehículo con tracción eléctrica, más limpios y eficientes. Además la empresa ofrece servicio de reparación para todo tipo de vehículos eléctricos. Dirección: 34 Paine St.,Worcester, Massachussets, Estados Unidos. Teléfono: 1-508-799-5650 Página Web: http://electricvehiclesystems.com/ •
Solectria Corporation of Woburn Solectria diseña y fabrica sistemas de propulsión y medios de transporte limpios, eficientes y sustentables. Esta empresa ofrece servicios de ingeniería para sistemas de vehículos, generación de energía eléctrica y procesos tecnológicos. 10
Dirección: 9 Forbes Road Woburn, Massachusetts, Estados Unidos. Teléfono: 781-932-9009 Página Web: http://www.solectria.com •
EV Parts Esta empresa provee componentes para sistemas de Corriente Continua, tales como Motores, Controladores, Cargadores, Baterías, Cables, Conectores y convierte autos eléctricos especiales. Dirección: 108-B Business Park Loop, Sequim, Washington 98382, Estados Unidos. Teléfono: 1-360-582-1271, 1-888-387-2787 Página Web: http://www.evparts.com/
•
Cloud Electric Vehicles Esta empresa provee componentes para sistemas de corriente continua, tales como motores, controladores, cargadores, baterías, cables, conectores y convierte autos eléctricos especiales. Esta empresa tiene experiencia en el tema desde los años 80, en la conversión de vehículos y la construcción de botes eléctricos de carrera, vehículos de carrera, scooters. Dirección: 19428 66th Ave. SO Unit Q-112 Kent, Washington, Estados Unidos. Teléfono: 1-425-251-6380 Página Web: http://www.cloudelectric.com/
•
Electro Automotive Esta empresa fue fundada en 1979, la cual fue creada para cubrir el mercado de las conversiones eléctricas. Esta empresa tiene años de experiencia profesional en la industria automotriz, al trabajar en autos familiares y de carrera. Su slogan es “No existe otra empresa de vehículos eléctricos con tanta experiencia en conversiones y conocimientos de partes de vehículos”. Dirección: POB 1113-W, Felton, California, Estados Unidos Teléfono: 1-831-429-1989 Página Web: http://www.electricauto.com/
•
Apollo Energy Systems, Inc. Este es una gran empresa que diseñó los sistemas de energía para el transbordador Apollo. Esta tiene dos lugares de investigación, una en Estados Unidos y otra en China. La línea de negocios de esta empresa es el 11
desarrollo, producción, comercialización y venta de licencias de nuevos sistemas y productos de energía. Unos de los sistemas de energía diseñados es el sistema de propulsión eléctrica Apollo, el cual combina la utilización de Celdas Alcalinas de Combustibles Apollo, baterías de Plomo-Cobalto, motor eléctrico de propulsión y controlador electrónico. Este sistema utiliza la celda de combustible para cargar las baterías, sin necesidad de usar un cargador de baterías. Dirección: 2301 N.W. 33rd Court, Bldg 115, Pompano Beach, Florida, Estados Unidos. Teléfono: 954-969-7755 Página Web: http://www.electricauto.com/ Las empresas mostradas anteriormente utilizan motores de corriente continua y motores de inducción trifásicos con niveles de potencia que varían entre 10 HP y 30 HP de potencia nominal, llegando a entregar en algunos casos hasta 200 HP como peak de potencia. Operan con un sistema en el que la persona interesada, lleva su vehículo a las instalaciones de la empresa y lo deja por algún tiempo para realizar una evaluación preliminar de cada vehículo con el fin de determinar la factibilidad técnica, mostrar las alternativas de kits para la conversión y formular una cotización del producto final. Las empresas líderes en la construcción de vehículos ecológicos, tanto comerciales como prototipos, son expuestas a continuación [17]: Toyota. Cuenta con el modelo Prius. Este es un vehículo híbrido tipo sedán familiar, especialmente diseñado para lograr una menor contaminación y un rendimiento superior. Desde su primera aparición pública, en 1997, ha recibido numerosos premios y ha vendido más de 120.000 ejemplares en todo el mundo, aunque el mayor de sus mercados es por lejos Estados Unidos, con alrededor de 70.000 unidades. En 5 años Toyota espera vender hasta 300.000 unidades del modelo y ya se han presentado otros con el mismo sistema [18]. El vehículo emplea dos motores, uno de gasolina de 1,5 litro y 77 CV y otro eléctrico de 68 CV. El conductor puede seleccionar el propulsor que quiere utilizar con sólo pulsar un botón situado en el panel de instrumentos, lo que permite el uso exclusivo del motor eléctrico, momento en el que no genera emisión alguna [18]. Si se desea lograr el rendimiento máximo, el motor de gasolina actúa como fuente principal y el eléctrico entonces como auxiliar, logrando una aceleración de 0 a 100 km/h en menos de 11 segundos [18]. El viernes 1 de octubre de 2004 se estrenó oficialmente en Chile el primer auto de tracción híbrida en el mercado local y aunque no se ha definido el precio, es bastante claro que será más caro que un vehículo de similar
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tamaño y potencia movido sólo por gasolina. Claudio Isgut, de Toyota Chile, espera que se sitúe en torno a los 17 o 18 millones de pesos [18]. General Motors. Esta marca desarrolló el EV1, el cual es considerado como uno de los vehículos eléctricos de mejor calidad construido. Se trata de un vehículo eléctrico impulsado por baterías, que ofrece las comodidades de los vehículos comunes del mercado, convirtiéndose así en uno de los vehículos más cotizados. Se vendieron más de 1.100 de estos vehículos entre 1995 y 1999. Actualmente, se encuentra en desarrollo un modelo llamado GM Hy-Wire, el cual, no es más que un prototipo de lo que podría ser el automóvil del futuro. Se trata de un auto de concepto real, que funciona y que se mueve con la celda de combustible, que mediante hidrógeno produce electricidad para mover el vehículo y agua como desecho. No se sabe si realmente el Hy-Wire llegará a ser algún día producido en serie, pero sí es una apuesta muy real que demuestra que la celda de combustible es una realidad palpable y muestra hacia donde se encamina la industria del automóvil en estos momentos, en donde General Motors aparece como uno de los fabricantes más avanzados en investigación [19]. Ford. Esta marca tiene su modelo EcoStar, el cual es un vehículo eléctrico híbrido, que tiene un hidro-generador. Este modelo fue descontinuado, pero ahora está por salir su nuevo modelo Escape Híbrido, el cual es un vehículo Sub-Urbano y todo terreno. Este vehículo todo terreno es uno de los pocos de este tipo eléctricos. Honda. Esta marca de vehículos japoneses tiene dos modelos ecológicos: el Civic Híbrido y el EV Plus. Este último es un vehículo eléctrico a baterías que se encuentra en etapa de prototipo a diferencia del modelo Civic Híbrido, el cual se encuentra hoy día dentro de los productos destacados de Honda. El modelo Civic Híbrido, fue introducido en Chile el 6 de Octubre de 2004, luego de hacer oficial la homologación del vehículo que debería entrar al mercado nacional a partir del 2005. El precio de este vehículo (de transmisión automática) suele ser un 20% más alto que el habitual, por lo que se espera que, en este caso, se acerque a los 14 millones de pesos [20].
Las marcas Peugeot (106 Electric), Nissan (FEV-II, Altra), Daihatsu (EV-H) y Mitsubishi (Libero, Canter) también están incursionado en la construcción de vehículos eléctricos e híbridos. En la siguiente tabla se presentan los modelos más relevantes que se encuentran, ya sea en etapa de prototipo o bien comercial.
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Tabla 1: Características de cada modelo de Vehículos Eléctricos [21-27] Marca/Modelo Tipo Potencia Rendimiento 0-100 km/hr (seg) Estado Recarga (Hrs) Precio ($USD) Toyota Prius Híbrido 110 HP 26 kms/lt 10.5 Comercial $ 21.000 Honda Civic Híbrido 93 HP 21 kms/lt 11.6 Comercial $ 20.000 GM EV1 Puro 137 HP 5.3 km/kWh 9 Prototipo 6-8 $ 34.000 Mitsubishi Libero EV Puro 134 HP Prototipo Peugeot 106 Puro 27 HP 5 km/kWh - Pre-Comercial 7 Toyota Estima o Sienna Híbrido 270 HP 18 km/lt 8 Comercial $ 27.000 Honda Insight Híbrido 73 HP 26 km/lt 9 Comercial $ 19.000 Ford Escape Híbrido 155 HP 16 km/lt 10 Comercial $ 27.000 Lexus RX 400h Híbrido 270 HP 12 km/lt <8 Prototipo DaimlerChrysler Clase A Celda de Combustible 87 HP 23 km/lt 16 Prototipo Ford KA Puro 88 HP 12.7 Comercial 15 Nissan Altima Híbrido 170 HP 13 km/lt - Pre-Comercial $ 18.000 Ford Focus Híbrido 87 HP - Pre-Comercial Mazda Premacy Celda de Combustible 87 HP - Pre-Comercial Toyota FCVH Celda de Combustible 108 HP - Pre-Comercial Hyundai-Kia Sportage Celda de Combustible 107 HP 1.9 km/lt (de H) Prototipo Fiat Panda Elettra Celda de Combustible 54 HP 3.2 km/lt (de H) 7 Prototipo Nissan XTrail Celda de Combustible 114 HP Prototipo REVA Puro 18 HP 8.3 km/kWh Comercial 6 Toyota HighLander Híbrido 270 HP 12 km/lt <8 Prototipo -
2.3
COMPONENTES DE UN VEHÍCULO ELÉCTRICO
El diagrama del sistema de tracción eléctrico para un auto es el mostrado en la figura 1: Sistema de Carga Cargador
Sistema de Propulsión (Motor)
Sistema de Almacenamiento Banco de Baterías
Sistema de Seguridad y Accesorios
Sistema de Control Controlador Sistema de Instrumentación Figura 1: Diagrama de Bloques de un Auto Eléctrico Puro
Se describen a continuación los sistemas expuestos en la figura anterior:
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2.3.1 Sistema de Almacenamiento de Energía Todo lo expuesto a continuación es un análisis y recopilación de información elaborada para adquirir los conocimientos necesarios sobre los sistemas de almacenamiento de energía [28,6]. Por definición, este es el sistema que permite almacenar la energía eléctrica que será entregada al sistema de propulsión. Existen diferentes formas de almacenar la energía eléctrica, pero el sistema más utilizado es a base de baterías químicas. Este sistema de almacenamiento influye de manera significativa en la autonomía de los autos eléctricos, la que queda determinada por la Energía Específica de sus baterías medida en W*h/kg. Estos sistemas pueden ser complementados con otros sistemas de almacenamiento, tales como los ultra-condensadores y ruedas volantes de inercia. Las baterías químicas están compuestas por celdas individuales que cuentan con un medio conductor y un medio electrolítico. Cuando estas celdas están conectadas en forma conjunta, conforman una batería. Asimismo, varias baterías conectadas entre sí, forman un banco de baterías. Existen dos tipos básicos de baterías, uno que corresponde a baterías norecargables y otro a baterías recargables. Las baterías que se utilizan en los vehículos eléctricos son del tipo recargable, las que se pueden clasificar en dos subcategorías según la temperatura de operación del electrolito. La primera subcategoría corresponde a aquellas baterías que operan a temperatura ambiente, las cuales están compuestas generalmente por electrodos sólidos y por un electrolito acuoso (fluido) o de tipo gel. La segunda subcategoría corresponde a aquellas baterías que operan a alta temperatura, las cuales están compuestas por electrodos fundidos y tienen electrolitos sólidos o fundidos. Una batería presenta características técnicas de funcionamiento que deben ser consideradas para su uso en un vehículo eléctrico, tales como: velocidad de carga y descarga, vida útil (número máximo de ciclos completos de descarga), costo, reciclabilidad, energía específica (cantidad de energía utilizable, medida en W*h/Kg), densidad de energía (cantidad de energía almacenada por unidad de volumen), potencia específica (potencial de aceleración), y capacidad de trabajo en calor o frío extremo. Algunos de los tipos de baterías que pueden ser utilizados para proveer de energía a un auto eléctrico son:
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2.3.1.1
Baterías Plomo-Ácido
Las baterías de plomo-ácido de ciclo profundo son las baterías que más se utilizan en los vehículos eléctricos de hoy en día. Particularmente usada en equipos montacargas, carros de golf y en automóviles eléctricos. Esta es una batería que opera a temperatura ambiente y que utiliza un electrolito acuoso. Las baterías de plomo-ácido son una tecnología barata, de fácil acceso y son altamente reciclables. Sin embargo, estas baterías presentan una baja densidad de energía y una baja energía específica, por esto, para un vehículo eléctrico se necesita un paquete muy grande y pesado de baterías. Es recomendable que las baterías de plomo-ácido sean utilizadas de tal forma de consumir su carga, cuidando de mantener un 20% de su capacidad de almacenamiento, esto se llama profundidad clasificada de descarga (DOD). Cuando se consume más del 80% de su capacidad, la vida útil de la batería se reduce. También existe una batería de plomo-ácido no acuosa, la cual contiene un ácido gelificado, el que corresponde a un gel de electrolito en vez de líquido. Estas baterías no necesitan ser montadas en una posición especial, puesto que no tienen involucradas pérdidas de líquidos. Esto implica que, en caso de accidente, no exista peligro de que el electrolito pueda derramarse. Las baterías de plomo-ácido no acuosas normalmente tienen una vida útil mayor que las baterías de plomo-ácido acuosas, pero son más costosas. Electrosource, una compañía de Texas, con la ayuda del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI), desarrolló una batería llamada Horizonte. Esta nueva batería de plomo-ácido de ciclo profundo tiene una energía específica de 20,4-22,9 Wh/lb (45-50 Wh/kg), por lo que se espera que ayude a aumentar la autonomía de un vehículo en aproximadamente 15%-35%. La nueva batería Horizonte tiene los electrodos positivos y negativos unidos a través de una fibra de vidrio, una construcción bipolar, que reduce la resistencia interna de la célula, que permite la carga y descarga de la batería en forma más rápida. Por el contrario, las placas de las baterías de plomo-ácido de ciclo estándar o profundo están montadas horizontalmente, en vez de verticalmente. Se supone que la batería tendrá una vida útil muy larga y deberá operar durante aproximadamente 85.000 millas (136.765 kilómetros) en un automóvil. La batería Horizonte satisface la mayoría de los requisitos dispuestos por el USABC para una batería promedio. Actualmente tiene una producción limitada y se vende solamente a los fabricantes de vehículos eléctricos. 16
2.3.1.2
Baterías Níquel-Acero y Níquel-Cadmio
Las baterías de Níquel-Acero (células de Edison) y Níquel-Cadmio (NiCad), han sido usadas por muchos años. Ambas baterías tienen una energía específica de alrededor 25Wh/lb (55 Wh/kg), que es más alta que las baterías de plomo-ácido avanzadas. Además estas baterías tienen un largo ciclo de vida. Ambas baterías son reciclables, es decir, a partir de una de estas baterías desechadas se puede construir parte de una nueva batería. También pueden ser descargadas hasta el 100% DOD sin producir daño. Sin embargo, estas baterías presentan una desventaja importante en costos. Dependiendo de los requerimientos de un auto eléctrico, el banco de baterías puede costar entre US$ 20.000 y US$ 60.000. Las baterías duran por lo menos 100.000 millas (160.900 kilómetros) en servicio normal. 2.3.1.3
Baterías Níquel-Metal Hidruro
Esta batería fue desarrollada originalmente por Ovonics Troy de Michigan. Las baterías de Níquel-Metal hidruro son la mejor generación de baterías conocidas. Tienen una alta energía específica, alrededor 40.8 Wh/lb (90 Wh/kg). Una de las aplicaciones reales de esta batería, la llevó acabo Solectria Corporation, la cual propuso la construcción del vehículo “Tour de Sol”, en 1996. Este vehículo logró una autonomía de 373 millas (600 kilómetros) con una sola carga de las baterías. Según un informe de GAMA, las baterías son benignas para el medio ambiente y son reciclables. Esta batería también tiene una vida útil muy larga, medida en ciclos de recarga. Las baterías del Níquel-Metal hidruro tienen un buen índice de auto-descarga, pierden su carga eléctrica después de períodos largos de tiempo y están comercialmente disponibles como pilas "AA" y "C", para aplicaciones domésticas y juguetes pequeños. Gran parte de la producción de estas baterías está destinada al uso de automóviles eléctricos, y sólo están disponibles para los fabricantes. 2.3.1.4
Baterías Sulfuro de Sodio
La empresa estadounidense Ford Motor Company utiliza baterías de Sulfuro de Sodio en su modelo Ecostar, la cual es una Mini-Van que se vende actualmente en Europa. Las baterías de Sulfuro de Sodio están disponibles sólo para los fabricantes de vehículo eléctricos. Esta batería es una batería de alta temperatura, con un electrolito que funciona a temperaturas de 572°F (300°C). Los materiales de esta 17
batería deben ser capaces de soportar las altas temperaturas internas que se generan, por lo tanto deben soportar también los cambios de temperatura. Esta batería tiene una energía específica muy alta: 50 Wh/lb (110 Wh/kg). En cuanto a seguridad, la batería presenta un riesgo importante, puesto que el Sulfuro explota en contacto con el agua. 2.3.1.5
Baterías de Litio-Hierro y Litio-Polímero
El USABC considera las baterías de Litio-Hierro como una solución a largo plazo para los vehículos eléctricos. Las baterías tienen una energía específica muy alta: 68 Wh/lb (150 Wh/kg). Tienen un electrolito de sal fundida y muchas de las características de una batería bipolar sellada. Las baterías de Litio-Hierro también se destacan por tener una vida por ciclo muy larga. Estas baterías pueden permitir que en el futuro, un vehículo tenga rangos de recorrido y aceleraciones comparables con los vehículos convencionales de motor a gasolina. Las baterías de Litio-Polímero eliminan los electrolitos líquidos. Este tipo de baterías pueden ser moldeados en una gran variedad de formas y tamaños. 2.3.1.6 Baterías Zinc-Aire y Aluminio-Aire Estas baterías utilizan el aluminio o el zinc como ánodo sacrificado, llamado así porque la batería produce electricidad disolviendo el ánodo en el electrolito. Cuando el ánodo se disuelve totalmente, uno nuevo se coloca dentro del vehículo. La placa de aluminio o zinc disuelta se saca y se envía al fabricante, ya que el electrolito es fácilmente reciclable. Estas baterías tienen una energía específica sobre 97 Wh/lb (200 Wh/kg) y se han probado en algunas furgonetas postales alemanas. Las baterías son de 80 kWh de almacenamiento, que entrega una autonomía sobre 13 galones (49.2 litros) de un vehículo a gasolina. En las pruebas hechas en las furgonetas, se alcanzaron 615 millas (990 kilómetros) a 25 millas por hora (40km/h). 2.3.1.7
Condensadores
Un condensador es un tipo de dispositivo de almacenamiento rápido de energía eléctrica. Estos dispositivos permiten ciclos rápidos de carga y descarga, pero presentan limitaciones desde el punto de vista de almacenamiento energético. Los "UltraCondensadores" son una nueva generación de condensadores que ahora están extensamente en uso en dispositivos que utilizan baterías recargables, tales como teléfonos celulares. Este tipo de componentes se presentan como un buen complemento entre las baterías y los condensadores convencionales, al rescatar la 18
rapidez en los ciclos de carga y descarga de los condensadores y la capacidad de almacenamiento de energía de las baterías. Asimismo, pueden actuar, por ejemplo, como "Almacenador Intermediario" entre el teléfono (la "carga") y la batería. Con esto reducen el requisito de energía máxima instantánea de la batería, que permite usar baterías más pequeñas. Los UltraCondensadores se están investigando para el uso en conjunto con las baterías en vehículos eléctricos. Estos podrán lograr sistemas flexibles y robustos, además de prolongar el período de vida de las baterías al estabilizar los bruscos cambios de requerimientos energéticos pedidos por el sistema motriz. 2.3.1.8
Volantes de Inercia
Los volantes de inercia son diferentes a cualquier tecnología de baterías, al no almacenar su energía en forma electroquímica, sino que en su masa rotatoria. Los volantes giran a altas velocidades, 65.000 revoluciones por minuto o más, lo que involucra el uso de materiales compuestos especiales capaces de soportar las fuerzas centrífugas. Para almacenar la energía, se coloca una rueda volante en un depósito sellado, el que a su vez es colocado en vacío para reducir la resistencia del aire. En las ruedas volantes existen imanes encajados que pasan cerca de las bobinas de recolección. Estos imanes inducen una corriente eléctrica al transformar la energía rotatoria en energía eléctrica, por medio de la bobina. Las ruedas volantes están en estado de investigación y desarrollo. Los autos eléctricos son uno de los posibles usos que tendrá este tipo de dispositivos en el futuro. Tabla 2: Comparación entre baterías disponibles en el mercado [6]. Tipo de Batería Energía Potencia Eficiencia de Vida Útil Específica Específica Energía [%] (Recargas) [W*hr/kg] [W/kg] Plomo-Ácido 40 130 65 400 Aluminio-Aire 200 150 35 Litio-Hierro >130 >120 500 Litio-Polímero 100 100 500 Níquel-Cadmio 56 200 65 500 Níquel-Acero 55 130 60 500 Níquel-Metal Hidruro 80 200 65 1500 Níquel-Zinc 80 150 65 500 Sulfuro de Sodio 100 120 85 1000 Zinc-Aire 120 120 60 Zinc-Bromo 70 100 65 500 Cromo-Flúor-Litio 200 500 65 1100
19
2.3.2 Sistema de Propulsión A continuación se exponen las tecnologías de los Sistemas de Propulsión, las cuales dan una idea de las diferentes alternativas que se tienen hoy en día [29]. El sistema de propulsión de un vehículo eléctrico realiza las mismas funciones que el motor de un vehículo convencional, al transmitir energía mecánica a las ruedas que permite el movimiento del vehículo. Los componentes utilizados en un automóvil eléctrico son muy diferentes a los que tiene un vehículo estándar, por ejemplo, en un vehículo eléctrico no es necesario tener una caja de cambios. La caja de cambios en los vehículos estándares se utilizan para dar al vehículo diferentes niveles de torque o energía a ciertas velocidades, que permite cambiar la relación de torque entre la entrada y la salida del engranaje dentro de la caja. En el caso de los motores eléctricos, este objetivo se puede alcanzar a través del control de la energía entregada al motor al utilizar conversores DC-DC o variadores de frecuencia. Existen diversos sistemas de tracción eléctrica en uso en la actualidad, entre ellos, los vehículos con un motor eléctrico de alta potencia, acoplado al diferencial de las ruedas posteriores, de manera similar a la arquitectura típica de los vehículos convencionales. Existen otros diseños más complejos que utilizan dos motores de menor potencia, los cuales accionan cada una de las ruedas por separado, que son controlados de tal forma que permite simular un diferencial, con el fin de asegurar el desplazamiento seguro y estable del vehículo. Existen dos tipos de motores eléctricos, el motor de corriente continua (DC) y el motor de corriente alterna (AC), los cuales son usados para entregar potencia a un vehículo eléctrico. Un motor de corriente continua tiene tres componentes principales: 1. Un sistema de bobinas de campo alrededor del perímetro del motor que crea fuerzas electromagnéticas que proporcionan el torque. 2. Un rotor o una armadura montada en el centro del motor que gira producto de la interacción electromagnética entre el rotor y la bobina de campo. 3. Escobillas o carbones que permiten entregar energía al rotor mientras éste gira. El motor de corriente alterna y el motor de corriente continua cuentan con un sistema de bobinas de campo y rotor. A priori, un motor no puede ser considerado 20
superior a otro, ya que ambos tienen ventajas y desventajas, las que se presentan a continuación: Tabla 3: Tabla Comparativa entre los motores AC y DC [29] Motor de Corriente Alterna (AC)
Motor de Corriente Continua (DC)
Diseño para velocidad única
Diseño para Multi-Velocidad
Baja relación peso/potencia (livianos)
Alta relación peso/potencia (pesados)
Bajo costo
Mediano costo
95% de eficiencia a carga completa
85-95% de eficiencia a carga completa
Controlador complejo y de alto costo
Controlador simple y de bajo costo
Sistema Motor-Controlador-Inversor de alto costo
Sistema Motor-Controlador de bajo costo
Las características de los motores AC y DC se muestran a continuación: Tabla 4: Tabla Comparativa entre los motores AC y DC [29] Características Motor DC Motor DC c/escobillas s/escobillas (con imán permanente) Eficiencia 85-89% 95-97% Eficiencia con el 10% de Carga 80-87% 73-82% Máxima RPM 4000-6000 4000-10000 Costo por HP en eje US$ 100-150 US$ 100-130 Relación Costo Controlador/ Costo 1 3-5 motor
Motor de Inducción AC 94-95% 93-94% 9000-15000 US$ 50-75 6-8
2.3.3 Sistema de Control El sistema de control es una parte importante de los vehículos eléctricos, porque funciona como un cerebro, el que proporciona inteligencia al sistema. Esta componente maneja la propulsión del vehículo y otras partes, y se preocupa de que su funcionamiento sea el correcto [29,30]. 2.3.3.1
Control de un motor DC
Existen diferentes configuraciones electrónicas utilizadas para el control de velocidad del motor DC, basada en la aplicación de distintos niveles de tensión al motor. En el pasado, dada una fuente de voltaje fija, la única manera de proporcionar un nivel más bajo de tensión era al utilizar un reóstato (resistencia variable). Este método es ineficiente debido a las cuantiosas pérdidas resistivas (térmicas), las cuales tienen un claro impacto sobre la autonomía del vehículo. 21
El descubrimiento de los semiconductores ha dejado de lado la solución reostática, dando paso a las denominadas aplicaciones de electrónica de potencia, especialmente a los conversores DC/DC. Los controladores modernos ajustan la velocidad y aceleración del motor de corriente continua por medio de un proceso electrónico llamado Modulación por Ancho de Pulso o PWM (Pulse Width Modulation). Esta modulación logra proporcionar un control sobre el nivel de voltaje aplicado al motor sin incurrir en pérdidas como era el caso del sistema reostático utilizado antiguamente. Esta regulación se basa en el recorte cíclico del voltaje continuo, proporcionado por el banco de baterías, que logra un voltaje acorde con los requerimientos de velocidad o aceleración. Configuraciones: •
•
•
Chopper (Trozador): Esta configuración permite proporcionar un voltaje promedio inferior al proporcionado por la fuente de alimentación. Esto se logra al recortar el voltaje de la fuente, así proporciona un voltaje pulsante. El control opera directamente sobre el interruptor semiconductor, el tiempo de encendido y apagado mediante la técnica PWM. Con este trozador se logra el control de velocidad, pero no se logra invertir el sentido de giro. Medio puente H: Esta configuración está conformada por dos interruptores que funcionan con la misma técnica PWM, similar al caso anterior. Al utilizar en forma inteligente estos dos interruptores se logra utilizar el motor, no solamente como freno eléctrico, sino además, como generador que obtiene un flujo de energía desde el motor hacia el banco de baterías. Esta operación se denomina freno regenerativo. Puente H: Esta configuración consta de cuatro interruptores semiconductores controlados por PWM. Un sistema de control inteligente y más complejo que el anterior permite operar el freno regenerativo y adicionalmente, cambiar el sentido de giro del motor. En ambos sentidos se tiene freno regenerativo.
Los interruptores utilizados frecuentemente en estas aplicaciones son IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) o MOSFET (Metal Oxide Solid Field Effect Transistor).
22
2.3.3.2
Control de un motor de inducción
En general, los motores de Inducción Trifásicos cuentan con eficiencias superiores a los motores de corriente continua. El control presenta distintos desafíos tecnológicos para poder proporcionar un suministro energético alterno y trifásico a partir de una fuente de corriente continua (banco de baterías). Esto se logra, gracias a otro sistema basado en electrónica de potencia denominado inversor trifásico. Adicionalmente, este inversor debe operar como variador de frecuencia para poder manejar el motor de inducción correctamente, es decir, que aprovecha el máximo desempeño del motor sin fallas. Para maximizar las cualidades del motor de inducción trifásico, es necesario que el variador de frecuencia permita el control tanto de la frecuencia como de la amplitud del voltaje. La relación más simple que une el control de velocidad de estos motores es: voltaje / frecuencia = constante (relación necesaria para evitar saturar el núcleo del motor). El control de velocidad es una de las aplicaciones más usadas en el manejo de motores de inducción, sin embargo, existen variadores de frecuencia mucho más complejos orientados al control de torque mediante la tecnología denominada vectorial. Estos dispositivos, en general, necesitan un procesamiento electrónico de señales que permita manejar y coordinar, el encendido y apagado de los seis interruptores de potencia (IGBT o MOSFET) que generan el voltaje trifásico. Hoy en día esta tarea la desempeña un DSP (Digital Signal Processor), que permite procesar gran cantidad de información de control en poco tiempo, que permite coordinar en forma correcta estas complejas secuencias de encendido y apagado de los interruptores. 2.3.4 Sistema de Recarga Sistema que permite recargar la energía en el banco de baterías. El proceso de recarga de energía se debe realizar en base a criterios técnicos de mantenimiento de las baterías. Esto significa proporcionar la energía necesaria para provocar la reacción electroquímica inversa en la batería, sin comprometer los materiales que la constituyen, que logra su recarga. Los cargadores de baterías son dispositivos electrónicos que permiten una correcta carga de las baterías. Estos sistemas pueden ser alimentados mediante la red pública (220V@50Hz) o algún otro sistema que genere energía eléctrica. Hay que destacar que es factible incorporar otros sistemas de carga, que no sean cargadores propiamente tal, como por ejemplo freno regenerativo, celdas solares, celdas de combustible, siempre y cuando se mantengan los criterios de carga dado por el fabricante de la batería. 23
Las técnicas para cargar baterías se señalan a continuación, que son básicamente las que se utilizan hoy en día [29]. 2.3.4.1
Figura 2: Transitorio de Corriente y Voltaje para un Cargador de V. C.
Cargador de Voltaje Constante
Al aplicar un voltaje constante superior al voltaje electrolítico de las celdas de la batería, se produce un flujo de corriente hacia ésta. Si la batería se encuentra descargada presenta una resistividad interna baja, la que genera altas corrientes de carga. A medida que la batería se carga, la resistividad interna de ésta aumenta, lo que provoca que la corriente disminuya. Tal comportamiento se puede apreciar en el gráfico adjunto. Los cargadores de voltaje constante presentan un limitador de corriente para evitar corrientes demasiado altas, en el caso de baterías muy descargadas. Estos cargadores son relativamente simples, por lo que no son muy caros. 2.3.4.2
Figura 3: Transitorio del cargador de C. C.
Cargador de Corriente Constante
En este cargador, como su nombre lo indica, se utiliza una corriente constante de carga hasta que la batería alcance su voltaje de carga completa. Generalmente, este tipo de cargador es más rápido que el anterior. Los sistemas electrónicos son un poco más complejos y un poco más caros que el anterior. Este cargador tiene el inconveniente de entregar corrientes altas cuando la batería alcanza su capacidad máxima, haciendo que la batería se caliente indebidamente con este exceso de corriente eléctrica. 24
2.3.4.3
Cargador de una Combinación de Corriente/Voltaje Constante
Figura 4: Transitorio en el cargador combinado.
Este cargador tiene un ciclo de carga que comienza con una alta y constante corriente de carga que eleva el voltaje de la batería. Cuando se llega a un valor definido, este se cambia a un cargador de voltaje constante. Este sistema es más sofisticado y generalmente incrementa la vida útil de las baterías que permite reducir el calor generado durante el proceso de carga. Con esto se logra un cargador que tiene un mejor rendimiento y extiende la vida útil de la batería. 2.3.4.4
Figura 5: Forma de Onda del Cargador de Pulsos
Cargador de Pulsos
Este es uno de los métodos más avanzados de carga, siendo muy parecido al cargador de corriente o voltaje constante, con la diferencia que en vez de ser un valor constante se entrega un tren de pulsos. Este utiliza un tren de pulsos de corriente y/o voltaje (o combinaciones de estas) que son aplicados a la batería, que provocan corrientes que ingresan a la batería. Este tren de pulsos define las corrientes instantáneas de carga, como también la velocidad de carga. La mayor ventaja de este cargador es que existe una reducción importante en el calentamiento de la batería debido a la carga, ya que tiene la posibilidad de reducir las corrientes cuando la batería está a punto de completar su carga. Esta reducción de calentamiento de la batería logra una disminución en las pérdidas de energía del sistema por calor. Por lo tanto, se tiene un sistema que logra reducir los tiempos de carga y disminuir la energía utilizada. Hay que destacar que el ancho del pulso y la frecuencia utilizada influyen en la potencia que se le entrega a la batería y por ende en la velocidad de carga. 25
2.3.5 Sistema de Instrumentación (Monitoreo y Control Automático) Este es el sistema que permite monitorear y registrar las variables mecánicas y eléctricas del vehículo, que permiten que el conductor conozca el estado del motor y del vehículo, tales como, Corriente de Motor (Amperímetro), Corriente de las Baterías (Amperímetro), Voltaje de las Baterías (Voltímetro), Velocidad de giro del Motor (Tacómetro), Velocidad del Vehículo (Velocímetro) y Temperatura. Todas estas variables pueden ser mostradas y medidas de diferentes formas. Existen diferentes maneras de medir la corriente, entre las que se pueden mencionar el uso de una resistencia Shunt y bobinas de Efecto Hall. Las variables deben ser todas mostradas al conductor mediante algún indicador, que puede ser un sistema analógico o digital. En el mercado existe una amplia oferta de sistemas de monitoreo. El desafío actual se concentra en centralizar toda la información de monitoreo y control e integrarla a un sistema de supervisión del auto. El sistema de supervisión permite generar alarmas, registrar y procesar información histórica, establecer acciones autónomas en respuesta al estado observado. En este contexto, la elección de un sistema básico flexible de adquisición y procesamiento de la información permiten crear aplicaciones específicas en el ámbito de los vehículos eléctricos. 2.3.6 Sistemas de Seguridad y Accesorios Este es el sistema encargado de velar por la integridad de los componentes y de los pasajeros del vehículo [29]. Para esto, los vehículos eléctricos incorporan un interruptor general que permite apagar o encender el sistema de potencias por el conductor. Este interruptor puede ser activado, por ejemplo por un aumento excesivo de la corriente, el cual permite que no se recalienten los componentes. Además de colocar el interruptor general, estos vehículos incorporan fusibles de seguridad en las baterías, esto se hace para que cuando la corriente de las baterías aumente demasiado, el fusible se corte y deje el sistema apagado. Otros vehículos también tienen estos fusibles colocados entre las baterías, para interrumpir el circuito cuando sea necesario. Además, existen otros que tienen integrado un fusible en la alimentación general, que desconecta el sistema eléctrico general cuando exista algún exceso de corriente. Para la seguridad del sistema, generalmente, el controlador incluye un limitador de corriente y un supresor de voltaje. Con esto, el controlador se apaga cuando observa que la corriente aumenta indebidamente o cuando existen peligrosos 26
sobrevoltajes. Otros también incluyen un sistema de protección de temperatura, que se activa cuando la temperatura del controlador se eleva más de lo permitido. Por consiguiente, el controlador se apaga inmediatamente y no se encenderá hasta que la temperatura disminuya hasta un valor permitido. Estos sistemas de protección de sobrevoltajes y sobrecorrientes, pueden formar parte del controlador o pueden venir agregados como un sistema de protección aparte. Existen sistemas análogos y digitales que indican la velocidad que debe tener el motor (acelerador). Estos envían una señal al sistema de control para actuar en la electrónica que manipula los voltajes en el motor y así, obtener control sobre la velocidad de éste. Estas señales pueden ser presentadas al conductor mediante indicadores analógicos o digitales para informar el estado de funcionamiento del vehículo. 2.4
ENFOQUE DEL ESTUDIO
Lo antes expuesto muestra las características más usadas en los vehículos eléctricos, que es una información relevante para el desarrollo de uno. Esta memoria desarrolla un manual técnico para la conversión de vehículos convencionales a tracción eléctrica. El manual muestra los componentes más usados para este propósito, además de indicar las piezas que se utilizan, los cuidados y los materiales utilizados. Esto significa que contiene todo lo necesario para un manual, siendo una guía para la persona que desee realizar la conversión. A continuación se desarrolla un modelo para el circuito eléctrico y un modelo para el sistema dinámico del vehículo. La parte eléctrica consta de la modelación de las diferentes partes del circuito eléctrico, entre ellas, el controlador, motor y cables. Con estos modelos se realiza un modelo circuital para el sistema eléctrico, que analiza su funcionamiento por medio de simulaciones. Además se estudia particularmente un caso específico que es peligroso para el sistema al existir un sobrevoltaje no deseado. Este estudio contiene una justificación del problema y las acciones recomendadas para su eliminación. El estudio del funcionamiento dinámico incorpora un modelo dinámico del vehículo, esto es, un modelo que representa las resistencias dinámicas de un vehículo, tales como el viento y el rodado. Para tal efecto, también se debe modelar el funcionamiento mecánico del motor y su relación con el circuito eléctrico.
27
3 CONVERSIÓN DE AUTO CONVENCIONAL A ELÉCTRICO La conversión del vehículo convencional a tracción eléctrica consta de diferentes etapas que permiten lograr una correcta transformación y funcionamiento. A modo de ejemplo uno de los aspectos más importantes que se deben considerar en esta conversión, es la robustez del chasis del vehículo, el cual fue elegido para soportar las exigencias mecánicas que debe tener una vez convertido, debido al peso agregado por las baterías. Hay que tener cuidado con los funcionamientos de los sistemas de suspensión y frenos después de la conversión, puesto que pueden ser exigidos más allá de sus límites técnicos. Por tales motivos, se debe realizar un estudio y desarrollo previo de la transformación, para no ser exigido más allá de sus límites. Este procedimiento es explicado más adelante por completo, al mostrar todas las consideraciones y cuidados necesarios. A continuación, se muestra una metodología para efectuar la conversión [31]. 3.1
ESTUDIO Y DESARROLLO PREVIO
Lo primero que se debe realizar es una planificación de trabajo, que consta de una investigación y preparación de la conversión, junto a una planificación de la conversión. 3.1.1 Investigación y Preparación de la conversión Se comienza con una investigación sobre el tema, ya que la conversión de un vehículo requiere de conocimientos específicos, tales como las tecnologías que existen actualmente. En esta etapa se deben investigar las diferentes tecnologías existentes y sus funcionamientos, para así poder realizar una planificación de construcción y una selección de componentes adecuada. En esta memoria, se realiza un estudio exhaustivo de las tecnologías actuales, normativas y funcionamientos, las que se presentan en el Capítulo 2, denominado “El auto eléctrico y su desarrollo”. 3.1.2 Planificación de Conversión Esta etapa consta de la selección de componentes y la planificación de los tiempos de trabajo de esta conversión.
28
3.1.2.1
Selección de Componentes
En esta fase se seleccionan los componentes, lo que constituye una etapa importante, ya que estos componentes definen su funcionamiento y rendimiento final. Los componentes de una conversión son las siguientes: A.
Vehículo:
Para elegir el vehículo es necesario considerar los siguientes aspectos: • Peso: Se recomienda que el vehículo no sea de una alta masa, para poder obtener una mejor aceleración. El peso del vehículo es un factor importante para la posterior selección del motor, por lo que debe ser tomado en cuenta. • Caja de Cambios: El vehículo puede tener una caja de cambios mecánica o automática. Se prefiere tener una caja de cambios mecánica, puesto que las cajas de cambios automáticas necesitan que el motor este siempre en movimiento, porque deben mantener la presión interna del líquido de caja. Generalmente la presión de la caja de cambios automática es mantenida por el ralentí del motor (revoluciones del motor cuando el vehículo está estático). Si se desea realizar la conversión en un vehículo con caja de cambios automática, se debe agregar una pequeña bomba que debe mantener la presión necesaria. Esta instalación es compleja y no existen soluciones sencillas para este problema en la actualidad. Por lo tanto, se recomienda un vehículo con la caja de cambios mecánica, ya que es fácil de trabajar y no necesita ningún dispositivo externo para su correcto funcionamiento. • Frenos: Los frenos son una parte importante del vehículo, puesto que es un elemento de seguridad e imprescindible para un vehículo. Por tal motivo se debe tener conocimiento si el vehículo tiene frenos servo-asistidos o hidráulicos (sin asistencia). Esto es importante puesto que los frenos servo-asistidos utilizan una bomba especial que entrega la asistencia al conductor, que mejora su rendimiento y eficacia al momento de frenar. En cambio los frenos normales dependen del conductor, debido a que depende de la fuerza aplicada al pedal. Para reconocer que tipo de frenos utiliza el vehículo se debe observar si existe alguna conexión entre la bomba de freno y el sistema de vacío, lo que significa que el vehículo tiene frenos servo-asistidos. Si el vehículo no tiene frenos servoasistidos y se encuentra en buenas condiciones, se pueden mantener los frenos originales del vehículo. En un vehículo eléctrico, que utilice frenos servoasistidos, existe la alternativa de mantener el motor eléctrico con un ralentí, pero no es recomendable ya que éste le quita potencia y energía al vehículo. Otra solución existente para los frenos asistidos, es la incorporación de una pequeña 29
•
•
bomba de vacío, la cual permite mantener la presión necesaria en el sistema de frenos. Otra posibilidad, es el cambio del tipo de frenos, si se coloca un freno no asistido que sea compatible con el modelo del vehículo. Se recomienda utilizar los frenos originales del vehículo, puesto que fueron diseñados ad-hoc. Como el peso del vehículo aumenta, es importante mantener los frenos en buenas condiciones, ya sean originales o adaptados, con el objeto de evitar futuros accidentes. Tipo de Tracción: Otro dato importante es qué tipo de tracción tiene el vehículo, es decir, si su tracción es trasera o delantera. Para tracción trasera, el motor debe ser instalado en línea a lo largo del vehículo, esto es, conectado en forma directa a la caja de cambios, que a su vez está unida a través de un eje al diferencial trasero. Si se tiene un vehículo con tracción delantera, el motor deberá ser instalado en forma transversal a lo largo del vehículo, y conectado en forma directa a la caja de cambios que también está en forma transversal. Se debe aclarar que la conversión de vehículos con tracción delantera es más difícil que con tracción trasera, razón por la cual es más recomendable esta última. Tamaño y Firmeza del Vehículo: Se debe tener en cuenta el tamaño del vehículo, el cual debe tener el espacio suficiente para la instalación de todas las baterías. Otra consideración importante es la firmeza del chasis del vehículo, ya que al instalar el peso de las baterías en el vehículo convertido, este chasis se puede quebrar, romper o sufrir daños estructurales.
En esta memoria se eligió un Dodge 1500, año 1976, el que posee un peso tara de una tonelada, que por su tamaño no es tan pesado. Éste es un vehículo semicompacto que tiene un tamaño adecuado para colocar las baterías, y no tiene dirección ni frenos asistidos, lo cual facilita la conversión. Tiene tracción trasera, utiliza una caja de cambios mecánica de 4 velocidades y también tiene un chasis fuerte para soportar el peso de las baterías. Este vehículo por haber tenido su motor en malas condiciones, permitió su adquisición en forma económica, lo que constituye una ventaja para la conversión. B.
Motor
Es necesario decidir qué motor utilizar. Existen dos alternativas posibles que son las más utilizadas, el motor de corriente continua y el motor de inducción trifásico. La siguiente tabla muestra las ventajas y desventajas de cada uno de los tipos de motores:
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Tabla 5: Tabla comparativa entre los tipos de motores
Motor de Corriente Continua Es fácil controlarlo Tamaño mediano Difícil construcción Precio mediano Gran consumo de corriente Varían entre 8 HP y 30 HP Controlador de bajo precio Mantenimiento y confiabilidad buena
Motor de Inducción Trifásico Es difícil controlarlo Tamaño pequeño Fácil construcción Precio bajo Gran consumo de corriente, pero dividido en las tres fases Varían entre 8 HP y 50 HP (con peaks de 200 HP) Controlador Complejo y Costoso Mantenimiento y confiabilidad excelente
Al observar la tabla comparativa se puede deducir que en teoría, desde el punto de vista de precio, potencia y tamaño, los motores de inducción trifásica son una mejor alternativa para estos vehículos. Sin embargo, el diseño de un controlador para este tipo de motor es muy complicado y costoso, lo que constituye una desventaja significativa. Por lo tanto, para un vehículo de nivel amauter, la mejor alternativa es el motor de corriente continua. Si se desea algo más profesional, lo recomendable es un motor de inducción trifásico. Para efectos de esta memoria se escogió un motor de corriente continua, por la facilidad de utilización y compra del motor y sus componentes. Luego de seleccionar el tipo de motor que se utiliza, es necesario elegir la potencia del motor. Los factores para escoger la potencia del motor son los siguientes: 1. Peso y Tamaño del vehículo seleccionado: El peso del vehículo influye en la selección de potencia del motor, debido a que es fundamental establecer la potencia necesaria para poder mover el vehículo en las condiciones normales de conducción. El tamaño también es un factor importante, porque debe existir el espacio suficiente para colocar el motor y el banco de baterías que requiere el motor para su voltaje de operación. 2. Velocidad máxima deseada: El motor influye en la velocidad máxima deseada, debido a que la potencia del motor está directamente relacionada a la velocidad máxima del vehículo. También la velocidad depende de la aerodinámica del vehículo, que es importante si se desea lograr altas velocidades. Los motores utilizados frecuentemente en los autos eléctricos, tienen características de potencia entre 10 HP y 30 HP, que permiten desarrollar una velocidad máxima de 100 Km/Hr aproximadamente. Si el 31
vehículo además es liviano y aerodinámico, es posible alcanzar velocidades del orden de 120 Km/Hr. 3. Peaks de potencia y autonomía deseada: La Potencia del motor determina los peaks de potencia que el motor puede solicitar. Mientras más altos sean los valores de los peaks, mejor es el comportamiento cinemático del vehículo. Sin embargo, el aumento de potencia del motor influye en la autonomía del vehículo y en las corrientes peaks del sistema. Por esta razón, se deben considerar estos peaks para la selección de los cables y el controlador, ya que estas corrientes pueden provocar daños en los componentes eléctricos. Esto se debe a que el motor utiliza una mayor potencia instantánea, lo que provoca un mayor consumo de energía y corriente. Existen dos tipos de motor de corriente continua: los con y sin imán permanente. Para los motores que no poseen imán permanente, pueden ser conectados en serie, paralelo o compound. La mejor forma de aprovechar la potencia de este motor es una conexión en serie, debido a que se aprovecha toda la corriente que pasa por el motor. Los motores con imán permanente permiten incorporar en forma fácil el freno regenerativo y tienen un solo tipo de conexión. Los motores con imán permanente no utilizan ningún sistema de carbones o escobillas, ya que generalmente, el propio rotor es el imán permanente, lo que permite que el motor dure más tiempo sin mantenimiento. En este trabajo de título, se selecciona un Motor Kostov sin imán permanente y conexión en serie de 16 HP y 72 Volts. Los motivos porque se elige este motor son: • Al tener un vehículo de una masa aproximada de 1 tonelada tara, que una vez convertido, se estima en 1.35 tonelada (350 Kilogramos de masa de las baterías), hace que se requiera un motor con una potencia que sea capaz de mover el vehículo en forma adecuada, lo que aproximadamente equivale a 16 HP. Además se desea tener una razonable autonomía para el uso en cuidad, que corresponde a 40 Km. La selección del motor de 16 HP logra consumir la energía en forma paulatina, ya que no es de una gran potencia. •
El voltaje del motor debe ser elegido por los siguientes factores: o Potencia del motor: El voltaje depende de la potencia del motor, ya que define las corrientes que existen en los cables de alta corriente. Se debe elegir un nivel de corriente no muy alto para evitar los sobrecalentamientos en los cables. Hay que aclarar que mientras mayor sea la potencia del motor, mayor debe ser su voltaje nominal. 32
Este voltaje está definido por el motor escogido, ya que están diseñados para operar en sus valores nominales. o
C.
Cantidad y tipo de Baterías: Según el voltaje y potencia del motor elegido se tiene que decidir la cantidad y tipo de baterías. El voltaje del motor seleccionado determina la cantidad de baterías. A su vez, la potencia del motor define los niveles de corriente que existen en el sistema, lo que define el tipo de baterías, que debe entregar la corriente que el motor solicite para funcionar correctamente. Baterías
La cantidad mínima de baterías es determinada por el voltaje nominal del motor seleccionado. La potencia máxima y la autonomía dependen directamente de esta cantidad. La cantidad de baterías define el peso y volumen agregado al vehículo y a su vez el tipo de baterías condiciona la autonomía del vehículo. Mientras más baterías se utilicen, mayor es la potencia que se le puede entregar al motor y una mayor autonomía (depende del tipo de conexión). Si se utiliza una conexión en serie, se aumenta el voltaje, pero se reduce su duración. En cambio la conexión en paralelo aumenta su duración. Existen diversos tipos de baterías que se diferencian por su densidad de energía, esto significa, la relación que existe entre la energía almacenada y su peso. Idealmente se necesitan baterías que tengan una gran capacidad de energía, bajo peso y pequeño volumen. Actualmente no existen baterías de este tipo que se vendan en forma comercial. Las existentes que cumplen este requisito son baterías que están aún en desarrollo, las cuales son llamadas “baterías del futuro” y utilizan Litio. El tipo de baterías más usado y accesible en el mundo, es la batería de plomo-ácido de ciclo profundo. Esta batería no es como la convencional, debido a que esta soporta descargas casi totales. La principal ventaja de la batería de plomo-ácido de ciclo profundo es su bajo precio, en relación con otros tipos de baterías, y son accesibles en casi todo el mundo. A continuación de la selección de la cantidad y tipo de baterías, se debe decidir donde se colocarán físicamente en el vehículo. El tipo de vehículo es determinante para el posicionamiento de las baterías. Si es un vehículo sedán de pasajeros, éstas deben ser repartidas en la zona delantera y trasera del vehículo, para así mantener el equilibrio en el peso del vehículo. De no ser un vehículo sedán, como por ejemplo una camioneta, pueden ser colocadas en el pick up. En general, las baterías se deben repartir en la zona trasera y delantera con el objeto de mantener el equilibrio del vehículo. 33
Otro punto importante de las baterías son sus bornes. Existen tres tipos de bornes, los cuales se diferencian por las distintas características eléctricas. El borne, en general, depende del área efectiva de contacto con el terminal del cable. El tipo de borne de la batería determina la resistencia introducida en el circuito y por tal motivo se pueden producir alzas de temperatura no deseadas. Los tres tipos de bornes son los siguientes: Borne automotriz típico: Este es el borne que tienen las típicas baterías para automóviles. Este borne tiene una gran área de contacto, por lo tanto, es uno de los mejores bornes que existe, ya que se aprovecha de la mejor forma posible la mayor área posible de contacto. El mayor inconveniente de este borne es el alto costo de los terminales para los cables.
Figura 6: Borne Automotriz Típico
Borne Universal: Este es el borne que tienen la mayoría de las baterías típicas que se utilizan en los carros de Golf Eléctricos. Este borne tiene un área de contacto reducido y por lo tanto no es recomendable para altas corrientes, ya que puede producir problemas de temperatura. A pesar de su baja área de contacto, este borne funciona satisfactoriamente para el propósito de esta conversión.
Figura 7: Borne Universal
Borne en “L”: Este es el borne que tiene una buena área de contacto y es el preferido por los constructores de autos eléctricos, ya que sus terminales son de un precio razonable y permite tener un buen desempeño. Figura 8: Borne en “L”
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En la conversión del “ Lüjke I ”, se decide utilizar baterías de plomo-ácido de 6 Volts, peso de 30 Kg y una capacidad de 220 Ah cada una. Estas baterías tienen bornes universales que no son los recomendados, sin embargo tiene el desempeño adecuado a la necesidad de este circuito. Como el motor opera a 72 Volts, se utilizan 12 baterías de este tipo, que se reparten físicamente en 6 baterías en la parte delantera y 6 en la trasera. Este banco de baterías permite almacenar una energía total de 15.8 kWh. D.
Controlador
La selección de este dispositivo se realiza según el tipo de motor, voltaje y corriente de operación. Los diferentes tipos de controladores de los motores se explican, en forma general, en el Capítulo 2. Frecuentemente, para los motores de corriente continua se utiliza un controlador PWM (Pulse Width Module), el cual interactúa con el conductor mediante una resistencia variable que funciona como acelerador. Esto es, dependiendo de la posición de la resistencia variable es la potencia que se desea transmitir al motor. Si se utiliza un motor de Inducción Trifásico, se recomienda un controlador/inversor trifásico, que está compuesto por 3 fuentes de voltajes de onda cuadrada, donde se varía la frecuencia de la señal, para así controlar la velocidad y potencia del motor. Esta frecuencia es controlada a su vez por una resistencia variable conectada como acelerador. En este trabajo se utiliza un controlador comercial de marca ALLTRAX INC. Este controlador fue diseñado para un motor de corriente continua en serie de 72 Volts con peaks de 450 Amperes de corriente. Por este motivo el controlador cumple las necesidades requeridas por el motor que utiliza “ Lüfke I ”. Este controlador tiene incorporado un sistema de programación que se comunica vía conexión RS-232 (Serial), la que permite programar, entre otras cosas, la relación que tiene la resistencia del acelerador con la potencia entregada al motor, lo que permite crear relaciones no lineales entre estos, si es necesario. También incorpora un sistema de monitoreo en línea, que permite medir las corrientes, voltajes y temperatura del controlador. E.
Cables
Para la selección de los cables se debe tener en cuenta su aislamiento, que depende de la temperatura, corriente y voltaje de operación. Si no se tiene certeza de las especificaciones del cable, se deben realizar algunas pruebas de corriente, para tener seguridad de su correcta operación en un uso normal. Estas pruebas se deben realizar como se señala a continuación: Se hace circular por el cable una corriente constante que sea igual a la nominal del motor por un tiempo prolongado que 35
corresponde aproximadamente a una hora. Luego se observa su temperatura y sus condiciones de aislamiento. Si la temperatura del cable se mantiene a una temperatura menor o igual a 70°, significa que es apto para ser usado en el vehículo. Las especificaciones de cada cable son presentadas posteriormente. F.
Sistemas Auxiliares
Los dispositivos auxiliares son los artefactos que no se utilizan en forma constante, tales como las luces, limpia parabrisas, radio, etc. Para alimentar estos dispositivos existen dos alternativas, la primera es la utilización de una batería auxiliar de 12 Volts y la segunda es un convertidor DC/DC. La batería debe soportar una descarga de hasta su 80% de su capacidad. La batería que se recomienda para este propósito es una batería de plomo ácido de ciclo profundo de 12 Volts, que no necesita una gran capacidad. El convertidor DC/DC, es la alternativa que permite utilizar el banco de baterías para este propósito, esto quiere decir que se utiliza un convertidor de voltaje del banco a 12 Volts. Este convertidor debe ser conectado al banco completo, no sólo a una parte de éste, debido a que es recomendable que las baterías se descarguen todas de manera uniforme para no producir desbalances en la carga de las baterías. Cada una de estas alternativas tiene sus inconvenientes, una de ellas es que la batería extra agrega un peso adicional al vehículo, sin embargo no consume energía de las baterías que fueron destinadas a la tracción. Además, para el caso de la batería extra se debe agregar un cargador especial, que adiciona peso y utiliza espacio innecesariamente. Para el caso del “ Lüfke I ”, se destina una batería extra de 12 Volts, marca Aquarium, plomo-ácido de ciclo profundo, para los dispositivos auxiliares. 3.1.2.2
Planificación de Conversión
Para realizar en forma correcta la conversión se debe hacer una planificación de esta, para tal efecto, se debe hacer una lista de tareas a realizar. También se deben confeccionar los planos de la posible conexión del motor y la caja de cambios. Adicionalmente se deben realizar los planos tentativos de la ubicación de las baterías y el circuito eléctrico de baja y alta corriente. Se recomienda utilizar cables de diferentes colores en el circuito de baja corriente, para así poder identificar la función de cada cable en forma más fácil y ordenada. Para el plano de ubicación de las baterías se debe hacer con exactitud, puesto que esta distribución define las interconexiones.
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El plano de la distribución de las baterías del “ Lüfke I ” se muestra en la figura 6:
Batería Auxiliar
Banco de Baterías 6x6
Banco de Baterías 6x6
Figura 9: Plano de Baterías
Se puede observar que se colocan 6 baterías en la parte trasera y 6 en la parte delantera. Las 6 baterías de la zona delantera están sobre el motor, porque queda el espacio suficiente puesto que se ha eliminado el motor de combustión. En la parte trasera, específicamente en el maletero del vehículo, se ubican las 6 baterías restantes. En este caso, lo ideal es colocar las 6 baterías en línea, sin embargo el ancho del vehículo no lo permite, por lo que se tiene que poner una batería frente a las que se encuentran en línea. El circuito eléctrico de alta corriente es el siguiente:
Figura 10: Circuito de Potencia del Vehículo o de Alta Corriente
Este es el circuito diseñado para el vehículo, el que incluye la disposición de las baterías, interruptores, controlador y motor. Este circuito es esencial para la conversión del vehículo, ya que muestra una idea esquemática de la ubicación en el vehículo de los componentes y permite realizar una prueba de montaje las partes. 37
Figura 11: Circuito de Sistemas Auxiliares o de baja corriente.
3.2
ADAPTACIÓN MECÁNICA
Para poder concretar esta conversión, se necesita llevar a cabo rigurosamente el procedimiento determinado. Para ejecutar esta etapa se recomienda tener un lugar amplio de trabajo, ya sea un galpón o un lugar abierto junto con algunas herramientas. 3.2.1 Herramientas Las herramientas necesarias son las siguientes: Plumilla con Tecle o Hidráulica: Esta es una grúa triciclo con un tecle o bombona hidráulica que permite levantar el motor o las partes pesadas del vehículo.
Figura 12: Pluma Hidráulica
Llaves Punta-Corona y de Dados: Estas llaves son utilizadas para destornillar tuercas y pernos en los vehículos. Las medidas más usadas son las llaves de 10, 11, 12, 13, 14, 20, 21 milímetros. Lo recomendable es tener un juego de llaves con varias medidas.
Figura 13: Llaves Punta Corona
Figura 14: Llave de Dados
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Taladro: El taladro se utiliza para realizar los diferentes agujeros que sean necesarios para fijar las partes que se están agregando. Este puede ser un taladro hogareño. Se recomienda utilizar un taladro de pedestal, que tiene una mayor precisión.
Figura 15: Taladro hogareño
Figura 16: Taladro de Pedestal
3.2.2 Procedimiento Para la conversión se debe seguir el siguiente procedimiento con las precauciones que se mencionan a continuación: 1.
Para comenzar se debe medir la altura del vehículo respecto al suelo. Esto significa medir en las cuatro ruedas la altura que existe entre el tapa barros y el suelo. Es importante que esta medida H se haga en la parte central de la rueda, como se indica en la siguiente figura:
Figura 17: Medición de Altura del Vehículo
Esta medida para el “ Lüfke I ” es de 640 Milímetros, o sea 64 centímetros. 2.
Se deben desmontar todas las partes del vehículo que no serán utilizadas posteriormente en la conversión. Por este motivo se eliminan el Rievador, Sistema de calefacción y filtro de Aire. Se recomienda retirar el Capó para aumentar el área de trabajo.
3.
Se debe marcar con mucho cuidado el sistema eléctrico del vehículo ya existente, esto se hace para no perder las conexiones de los dispositivos auxiliares del vehículo, tales como las luces, radio, ventilador de calefacción, chapa, y, luces de freno y reversa. Para esto, se deben marcar las siguientes conexiones más importantes: 39
i. ii. iii. iv.
Cables del Alternador (Se elimina) Conexión del Distribuidor (Se elimina) Conexiones del Motor de Partida (Se elimina) Cable de Energía General (Se mantiene)
4.
Se debe marcar la piola del acelerador y el bulbo de temperatura del agua. La piola del acelerador puede ser utilizado, si está en buen estado. Si no es el caso, se debe cambiar e intentar mantener la misma ubicación actual. El bulbo de Temperatura debe ser eliminado.
5.
Se sustrae la batería del automóvil y marcar los cables de alimentación general, que pueden ser utilizados posteriormente.
6.
Se deben desmontar y desconectar todas las partes que componen el motor y que utilizan espacio en forma innecesaria. Estas partes son el carburador, sistema de aire, tuberías de agua y de aire, distribuidor y tuberías de bencina.
7.
A continuación, se procede a desmontar todo el sistema de escape del vehículo. Esta comprende desde el múltiple de escape (conexión con el motor) hasta el silenciador (parte final del sistema de escape). Primero se debe desconectar el múltiple de escape, para luego desmontar el tubo de escape que se encuentra en la parte inferior del vehículo desde la parte delantera hasta el silenciador.
8.
Se debe medir la distancia existente entre la caja de cambio y algún punto de referencia de la carrocería, generalmente, se utiliza algún punto sobre la caja de cambios. Esto es importante, ya que permite posteriormente colocar la caja de cambios nuevamente en su posición original. Con esto se evitan posibles vibraciones parásitas a futuro debido a la mala ubicación de la caja de cambios. En la siguiente foto se muestra como se recomienda medir esta distancia:
40
Figura 18: Medida de Posición de Caja de Cambios [31]
La distancia entre la caja de cambios y el punto referencia para “ Lüfke I ” es de 190 milímetros o 19 centímetros. 9.
Se desmonta y elimina el motor de partida, junto con todo su cableado eléctrico.
10. Se debe sustraer el sistema de alimentación de combustible. Esto significa desmontar las mangueras conectadas al motor, las tuberías hacia el estanque, el filtro, la bomba y el estanque de bencina. Lo principal en esta etapa, es la eliminación de todas las partes relacionadas con la alimentación de bencina. Así se deja libre la zona del motor y disminuye el peso del auto. 11. Posteriormente, se procede a sacar el motor del vehículo. Se recomienda inspeccionar que el motor esté totalmente desconectado, para asegurar que la extracción no tenga inconvenientes. La extracción del motor se hace mediante una pluma con Tecle o bombona hidráulica que permite levantar y transportar el motor sin mayor problema ya que su peso es de aproximadamente 200 Kg. Este motor puede ser vendido a alguna desarmaduría, puede ser dejado en algún cementerio de automóviles o en algún lugar para chatarra. Se recomienda no dejar este motor abandonado en cualquier lugar, ya que provoca contaminación innecesariamente. Es importante, también, tener en cuenta que el embrague se encuentra aún colocado en el motor, por lo que se debe desmontar. Se sugiere vender este motor, cuando el motor eléctrico ya esté montado en el vehículo, y así asegurar que no falten piezas que se utilizan en la conversión. 41
12. Antes de extraer el volante motor del motor a combustión interna se debe tomar la medida existente entre el volante y el motor. Esto se realiza puesto que esto define el correcto funcionamiento del sistema de embrague. Esta medida es de referencia en la instalación futura del motor eléctrico. En el “ Lüfke I ” esta distancia entre la sercha y la base del motor es de 18 milímetros.
Figura 19: Toma de Medida existente entre el Motor y el Volante Motor [31]
13. Luego se desmonta la caja de cambios que se debe realizar con cuidado, para la posterior unión entre el motor eléctrico y la caja de cambios. Cuando la caja de cambios está desmontada, es recomendable revisar su estado y su limpieza que asegure su correcto funcionamiento. Adicionalmente, se sugiere revisar que los engranajes y coronas internas de la caja estén en un correcto estado y posición. Esta revisión debe ser realizada por una persona experta en el tema, ya que después de la revisión, la caja debe ser rearmada nuevamente y quedar en funcionamiento. En general, estas cajas se pueden enviar a un servicio autorizado donde las desarman, revisan, limpian y rearman sin problemas. En Chile cualquier empresa que esté vinculada con la mecánica automotriz, tal como un taller mecánico, está facultado para realizar este trabajo. 14. En este instante, se tienen todas las partes mecánicas importantes del vehículo desmontadas. Ahora, se debe diseñar el flanche que conectará el motor eléctrico y la caja de cambios, lo cual constituye una de las etapas más complicadas de la conversión. Para tal efecto, se debe desmontar el embrague del motor a combustión, si es que no se ha realizado. 42
15. A estas alturas, se procede a diseñar una solución para el acoplamiento entre la caja de cambios y el motor eléctrico, por lo que se recomienda leer la sección de diseño de flanche expuesto posteriormente. 16. Por último, luego de realizar el diseño y construcción de esta solución, se procede a conectar el embrague con el motor eléctrico. Esta conexión debe ser realizada con cautela y bien planificada, ya que el motor y el embrague deben quedar bien alineadas para minimizar las vibraciones y problemas inherentes a las vibraciones. Luego de asegurar un buen montaje, se debe probar la caja de cambios junto con el motor eléctrico y lograr la seguridad que están en correcta operación. Es importante agregar que al desarmar todas las partes del vehículo se deben guardar todos los pernos correspondientes a la unión del motor con la caja, como también los pernos de sujeción de la caja y el motor. Su importancia reside en el hecho de que algunas medidas de estos pernos son específicas y no necesariamente fáciles de conseguir. Por consiguiente, conviene guardar todo el material extraído del auto que puede ser reutilizable en la conversión. 3.2.3 Conexión de Motor y Caja de Cambios 3.2.3.1
Diseño Flanche de Motor-Caja de Cambios
Con el objetivo de crear los planos de diseño de esta pieza importante de la conversión, se necesita seguir los siguientes pasos: 1. En primer lugar se debe observar el antiguo motor bencinero para extraer la forma del nuevo flanche. Si no se dispone del motor, se puede realizar utilizando la forma de la caja de cambios. 2. El diseño de esta pieza se basa en la forma de la parte del motor que se conecta con la caja de cambios. Luego de tener la forma externa del flanche, se procede a marcar los orificios de los pernos que fijan el flanche en la caja de cambios. Después, se marca la perforación de la salida del eje del embrague, tomando las medidas desde el eje de la caja de cambios o motor a combustión (dependiendo de donde se basa la forma del flanche) hasta algunos puntos de referencia, como por ejemplo las perforaciones de fijación. Posteriormente, con estas medidas se puede determinar en forma exacta la posición de la perforación que se hace para el eje del embrague, lo que se debe realizar lo más exacto posible, ya que define la alineación del embrague con respecto al motor. 43
3. Luego de tener el diseño, se deben agregar las perforaciones necesarias para fijar el motor eléctrico con el flanche. Esto se realiza tomando como referencia la perforación central y las perforaciones de fijación. 4. Para seleccionar el material del flanche, se debe decidir de tal forma que soporte los esfuerzos mecánicos que existirán en esa posición. Se recomienda utilizar el material de la pieza original o con características similares. El material utilizado en “ Lufke I”, es una plancha de aluminio de espesor de 16 Milímetros. Este material es recomendable, puesto que soportará los esfuerzos que existirán en ese lugar. Un dato necesario para el diseño es la disposición de los agujeros de fijación del motor eléctrico, la que se puede obtener de la hoja de datos del motor. El motor utilizado en esta memoria, tiene las siguientes fijaciones:
Figura 20: Vista Frontal del Motor
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El diseño del flanche utilizado en esta memoria, es el que se muestra a continuación:
Figura 21: Plano de Flanche de Motor
3.2.3.2
Diseño Pieza de Unión entre Motor y Volante Motor de Embrague
Esta pieza, también es una parte importante de la conversión. Esta pieza debe estar bien construida y debe ser diseñada con el objeto de alinear en forma perfecta el eje del motor con el embrague, ya que define el centro del volante motor y así evitar vibraciones en el sistema de tracción del vehículo. Además, esta pieza tiene el objetivo de traspasar la fuerza motriz y el torque desde el eje del motor hacia el volante motor del embrague. Por este motivo, esta pieza es importante para el correcto funcionamiento del vehículo convertido. En este sentido, se debe fabricar una pieza de tal forma de permitir una unión al volante motor y una fijación al eje del motor, lo más fuerte y robusto posible. El material recomendado para este tipo de piezas es el acero SAE4140 (42 Cromo 4), el que es un acero diseñado para piezas de maquinarias y tiene una alta resistencia a torsiones. Existen dos diseños posibles para esta pieza, las cuales son: Pieza Chavetera: Esta es una sola pieza que permite unir el eje del motor y el volante motor. La pieza se une al eje del motor por medio de un chaveta común en el eje y se une al volante motor mediante pernos. Para lograr la
Figura 22: Forma de Pieza Chavetera
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unión y fijación del eje y la pieza, se utilizan, por lo menos, dos pernos prisioneros de fijación en la chaveta. Esta pieza termina con un plato que permite fijar el volante motor del embrague a la pieza mediante pernos y, por ende, se une al eje del motor. Para el diseño de esta pieza se deben conocer las formas y medidas del volante motor, como también las del eje del motor eléctrico. Pieza Central y Pieza de Unión: Aquí se utilizan dos piezas, la pieza de unión y la pieza central. La pieza de unión permite unir la pieza central con el eje del motor, la que tiene una forma especial que permite acceder a una fácil alineación entre el volante motor y el motor. Esta pieza de unión permite variar la inclinación del volante motor, lo que facilita la tarea de alineación. Estas piezas van colocadas en línea, las que son complementarias, esto es, las dos funcionan en forma conjunta. Para el diseño de estas piezas se utilizan las dimensiones del volante motor y el eje del motor eléctrico. El diseño de estas piezas se muestra en las figuras adjuntas. 3.2.3.3
Figura 23: Pieza Central
Figura 24: Pieza de Unión
Construcción
Para construir el flanche se utiliza una fresadora o alguna máquina que permita cortar el tipo de material utilizado. Luego de tener cortada la pieza, con el plano del diseño, se deben marcar las perforaciones que se realizarán. Es importante tener el tamaño de las perforaciones y su forma. Para estas perforaciones es recomendable 46
utilizar un taladro de pedestal, el que permite perforar con una posición y ángulo precisos. Para estas perforaciones, se necesitan brocas del tamaño necesario para los pernos utilizados y es importante que sean de un material que soporte esta tarea. Para el agujero principal del eje del embrague, se recomienda utilizar una fresadora o alguna herramienta ad-hoc. Luego de construir el flanche o placa, de acuerdo a los planos de diseño, se recomienda que sea probada con las otras piezas, para verificar su correcta fabricación y sus cambios si es necesario. Cuando se tiene la certeza de su correcta fabricación, se procede a su instalación. Se debe destacar que esta placa o flanche puede ser comprada en locales que realicen este tipo de trabajos, como por ejemplo EVParts. Otra posibilidad es que esta pieza sea enviada a fabricar en alguna empresa facultada para esto, como por ejemplo empresas que construyan piezas de este tipo o que trabaje con este tipo de materiales. Si se desea comprar el adaptador, se recomienda cerciorarse que esté diseñado para el modelo de caja de cambios y motor que se está utilizando. Se debe considerar que existe la alternativa de cambiar la caja de cambios. Para esto, se debe diseñar o comprar el flanche correspondiente a la nueva caja de cambios y tener la seguridad que el nuevo adaptador que une la nueva caja y el eje del diferencial sea de buena calidad, y por consiguiente evitar problemas en el futuro. Para construir las piezas que unen el volante motor y el eje del motor se recomienda utilizar un torno. Un torno permite construir piezas con forma cilíndrica y que a su vez sean balanceadas. Es indispensable que estas piezas se construyan lo más equilibradas y balanceadas posibles, lo que facilita la instalación y alineación. Estas piezas pueden ser fabricadas por alguna empresa especializada. 3.2.3.4
Instalación
Para lograr la instalación de estas piezas, se requiere utilizar la mayor precisión posible. Esta instalación se procede de la siguiente forma: Primero, se une el motor con el embrague utilizando las piezas ya construidas y se realiza, en primer lugar, la unión del volante motor y el eje del motor eléctrico, con el uso de las piezas correspondientes. Y luego se ensambla el embrague en el volante motor. Para lograr este trabajo correctamente, se necesita utilizar el motor eléctrico, la chaveta y la pieza chavetera o piezas de unión y central. Estas piezas van ensambladas como se muestra a continuación, dependiendo de la pieza que se use:
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A.
Pieza Chavetera:
Figura 25: Ensamblaje utilizando Pieza Chavetera
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B.
Pieza Central y de Unión:
Figura 26: Ensamble utilizando Pieza Central y de Unión
Para entender mejor el ensamblaje, se explica la instalación en detalle, apoyándose en las imágenes anteriores. Para ello, se deben seguir los siguientes pasos: 1. En primer lugar se debe instalar la pieza que une el eje del motor eléctrico con el volante motor. Esta instalación debe ser de tal forma que esta pieza quede alineada con el eje de manera firme, ya que esta pieza recibe toda la fuerza del embrague. Por este motivo, la fijación de esta pieza se realiza mediante dos pernos prisioneros de alta resistencia, que permiten una correcta fijación y son claves para lograrlo. 2. Luego de tener alineada y fijada la pieza para la unión del volante y el motor, se coloca el volante motor, el que debe ser fijado con seis pernos, de tal forma de soportar las altas torsiones que existen en esa posición. Esta fijación es importante, puesto que es una de las partes importantes de esta transformación y determina la tracción del vehículo. Esta instalación debe respetar la distancia que debe existir entre el volante motor y el flanche, la que es medida en la etapa de desarme del vehículo. Se recomienda mantener o aumentar en un 50% esta distancia, con el objeto de minimizar las posibles fallas en este sistema. 3. Posteriormente de la instalación del volante motor, se instala el sistema de embrague propiamente tal, esto corresponde al disco de embrague y el piola 49
del pedal. Esto se realiza al colocar el disco de embrague en forma alineada con el volante motor. Esta fase de la instalación es más simple que la anterior y se necesita ubicar el embrague en su posición original. 4. Luego de tener el embrague instalado junto con el motor, se procede a unir el embrague y la caja de cambios utilizando el flanche de motor. Para esto, lo primero que se hace es instalar el flanche de motor, en el motor eléctrico. Cuando ya está colocado, se procede a instalar el sistema motor-embrague en la caja de cambios. Esto se realiza al ubicar el eje sobresaliente del embrague en la posición correspondiente en la caja de cambios. Cuando ya se une el embrague y la caja de cambios, se fija el flanche en la caja por medio de los pernos correspondientes, el cual es su ubicación definitiva. Todo esto se realiza fuera del automóvil, puesto que debe quedar bien instalado y para tener la seguridad de su correcta instalación. 5. Por último, luego de terminar la unión del Motor-Caja de Cambios, se procede a instalar este sistema en el automóvil. Para esto se necesita tener construido los soportes de motor, para la fijación. 3.2.4 Sistema de Sujeción del Motor Existen diversas formas de fijar el motor en el vehículo, las cuales tienen la misma base de diseño. En primer lugar, este sistema debe fijar el motor en su posición correspondiente, de tal manera de eliminar los movimientos axiales y ubicar la caja de cambios en su posición original. En segundo lugar, el sistema de sujeción debe contra-restar las fuerzas angulares provocadas por el giro del motor que mueve el vehículo. En general, estos soportes se ubican en las perforaciones del vehículo que utilizaba el motor a combustión original. De esta forma, se tiene la seguridad de estar anclando los soportes del motor en un lugar diseñado para este objetivo. También se recomienda utilizar las mismas gomas de amortiguación de vibraciones que utilizaba el motor original. Estas gomas son importantes, puesto que amortigua y minimiza la transferencia de vibración a la carrocería. Los diseños posibles que pueden ser utilizados para este objetivo, son los que se exponen a continuación:
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Sistema de Abrazadera y Barra de Torsión: Este sistema consiste en fijar el motor mediante una abrazadera, que permite mantener el motor siempre en su posición. Como esta abrazadera no contrarresta la fuerza angular del motor, esto es, que no gire, se debe utilizar una barra de torsión que fija y contrarrestar estas fuerzas efectuadas por el motor al mover el vehículo [31].
Figura 27: Soporte de Motor de abrazadera y barra de torsión
Sistema de Soporte Directo: Este sistema consiste en fijar el motor mediante dos piezas de soporte colocadas en forma directa al motor. Esta pieza cumple las dos funciones en forma directa, esto significa que mantiene el motor en su posición correcta y permite que el motor no rote en su propio eje. Se ubica una pieza a cada lado del motor.
Figura 28: Soporte de Motor Directo
Los dos soportes antes expuestos se ubican en las perforaciones de los soportes del motor a combustión y se recomienda utilizar los pernos originales, ya que son pernos especialmente diseñados para el soporte de motores. Estas perforaciones se utilizan por su buena ubicación y diseño. Se recomienda tener la certeza de colocar los soportes en su correcta posición y afirmar correctamente el motor. El material recomendado para estos soportes es Acero C45 de 6 Mm. de espesor, el cual permite fijar el motor en una forma adecuada y soportar las exigencias necesarias. 3.3
INSTALACIÓN ELÉCTRICA
La instalación eléctrica debe estar basada en el circuito propuesto en la sección de diseño 3.1.2, al llevar a cabo todas las conexiones señaladas. Un punto importante de esta instalación es el tipo de conectores que se usan, los que deben ser de tal forma de soportar los niveles de corriente y temperatura que se utilizan. Para esto, generalmente, se usan pernos pasados de 12 milímetros con terminales de paleta 51
perforada, los cuales permiten una buena transferencia de corriente con una baja resistividad y alta resistencia a temperaturas elevadas. Para empezar con la instalación eléctrica, se debe determinar en que lugar se ubicarán los componentes eléctricos. Se recomienda presentar las partes en su ubicación física propuesta, mientras el motor está en su posición final, lo que logra verificar si las posiciones son las correctas y óptimas. 3.3.1 Baterías Se recomienda empezar con la ubicación e instalación de las baterías. Para esto, se deben diseñar los contenedores de las baterías, los que tienen que cumplir las restricciones físicas debido a las posiciones seleccionadas. En general, se recomienda el uso de contenedores cerrados con una ventilación especial, que permita la evacuación de los gases liberados por las baterías, evitando el contacto con los pasajeros. Estos contenedores, usualmente son recubiertos internamente con un revestimiento de goma resistente a estos gases. En el caso de las baterías de plomo-ácido, los gases liberados son hidrógeno, dióxido de Sulfuro, Trióxido de Sulfuro y vapor de ácido sulfúrico. Por este motivo, el contenedor de las baterías siempre debe estar ventilado y en forma especial en el momento de la recarga, ya que es el instante donde más se liberan esos gases. También, es recomendable ventilar después de algún viaje largo o complicado, puesto que las baterías cuando elevan su temperatura, producen estos gases. Si se utiliza otro tipo de batería, se debe averiguar el tipo de gases que libera y puede que no sea imprescindible su ventilación. Generalmente los otros tipos de baterías no liberan ningún tipo de gases. Esta ventilación también cumple el objetivo de refrigerar las baterías, lo que logra mantener las baterías a una temperatura adecuada. Los contenedores pueden ser construidos de cualquier material que soporte el peso de las baterías, y puede ser metálica o de madera. Frecuentemente se utiliza una estructura metálica con cubierta externa de madera y cubierta interna de goma, que lo protege de la corrosión producida por los gases emitidos por las baterías. Otra forma de ventilación es dejar espacios o perforaciones especiales en el contenedor, lo que logra producir una buena ventilación cuando el vehículo esta en movimiento. También, se puede dejar la estructura metálica sin ningún tipo de cubierta, pero es recomendable su uso para minimizar la corrosión y aumentar la vida útil del contenedor. Para este vehículo se usaron estructuras metálicas sin cubierta diseñadas para las baterías Trojan 105D, de tal forma ventilarlas en todo momento. Los contenedores diseñados y utilizados en “ Lüfke I” son los que se muestran a continuación: 52
Figura 29: Contenedor Banco de Baterías 6x6 Delantero
Figura 30: Contenedor de Banco de Baterías 6x6 Trasero
Es importante que los contenedores y las baterías estén fijos al vehículo para no tener problemas de derrames de líquido o vuelco de baterías, los que pueden provocar corto-circuitos o corrosión. Además, la fijación y ubicación de las baterías debe ser de tal forma que sus bornes sean accesibles por el conductor, para las posibles mantenciones y/o reparaciones futuras. Luego de tener instalados los contenedores, se procede a verificar la mejor forma de ubicar y conectar las baterías. Se recomienda utilizar la ubicación e interconexión diseñada en la preparación de la conversión. Si se hacen cambios en el diseño original, se recomienda una evaluación previa de la nueva conexión y evaluar todas las alternativas, para seleccionar la mejor. 53
3.3.2 Componentes Luego de tener instaladas las baterías se comienza a definir las posiciones de los componentes eléctricos, las que son el interruptor general, fusibles, convertidor DC-DC, bombas de vacío, potenciómetro de acelerador, etc., de manera que estén ubicadas en buenas posiciones. Se deben definir las posiciones de los componentes en forma exacta y se realiza presentando cada parte en su posición física, para luego definir cuál es su mejor posición. Después de presentar todo el sistema, se comienzan a optimizar sus posiciones, intentando dejarlas en su mejor posición. Si se tienen más componentes que lo común, tales como bomba de vacío, bomba para frenos o dirección, se tienen que ubicar en las posiciones más cercanas de los componentes con que trabajará. Por ejemplo, la bomba de vacío de frenos debe quedar lo más cerca posible del sistema asistido de frenos, como también la bomba de dirección debe estar lo más cerca del sistema dirección. Los lugares recomendados para cada componente son: •
•
•
•
•
Interruptor General: Este interruptor debe estar dentro de la cabina del vehículo, de manera que sea de fácil acceso para el conductor mientras maneja. Generalmente este interruptor se ubica al frente del asiento del copiloto o al lado de la pedalera del conductor. Esto debe ser así para superar cualquier inconveniente en forma rápida. Fusibles: Los fusibles se colocan generalmente en las conexiones entre las baterías, que permite protegerlas de las altas corrientes destructivas. Estos fusibles son muy utilizados, puesto que protege las baterías, las que son una de las componentes más costosas del sistema. El fusible general, a menudo, se ubica en la salida del cable positivo del banco de baterías. Convertidor DC-DC: Esta componente se posiciona, generalmente, en el maletero del auto, ya que es el lugar donde hay más espacio. Es recomendable, si existe el espacio para su ubicación, ponerlo en la parte delantera del vehículo, puesto que se tiene acceso fácilmente a los bornes del banco de baterías. Bomba de Vacío: La bomba de vacío debe ser puesta lo más cerca posible del sistema de frenos asistidos. Esta bomba debe estar ventilada y debe llevar un controlador que la apague y encienda cuando sea necesario. Potenciómetro de Acelerador: Este es uno de los componentes más importantes, porque es la referencia que utiliza el controlador para la aceleración del vehículo. Este potenciómetro debe estar ubicado necesariamente frente a la piola del acelerador, lo que es importante para la unión de esta piola con el brazo del potenciómetro. Otro aspecto importante 54
es que el potenciómetro debe tener el mayor recorrido posible, esto es, dejar un buen recorrido de trabajo en el acelerador, el que definirá el funcionamiento del vehículo. 3.3.3 Controlador El controlador del motor debe estar cerca del motor y sus bornes no deben estar en contacto con partes conductoras que pueden producir cortos circuitos en el sistema. La cercanía es recomendada para disminuir el largo de los cables, lo que permite reducir la resistencia asociada a los cables. Luego de seleccionar la mejor ubicación para el controlador, se debe comenzar a preparar su instalación. Para esto se debe tener en cuenta: 1. El controlador debe tener una buena ventilación, que sirve para impedir que la temperatura se eleve. Generalmente, el controlador se ubica en lugares donde el aire circula libremente y si es necesario, se debe instalar una ventilación forzada. 2. Otra consideración importante es que la base del controlador esté en contacto con algún material que permita disipar calor y se recomienda que tenga por lo menos un área igual o mayor al doble de su base, esto se hace así para tener un buen disipador. Para esto, es recomendable utilizar una placa de aluminio de 14 milímetros de espesor, con un tamaño más grande que la base. Otra alternativa es adosar un disipador con un área grande de disipación. Si la ubicación del controlador no permite que existan flujos de aire para su enfriamiento, se recomienda la instalación de un sistema de refrigeración especial, el que puede ser un ventilador. 3. Se sugiere que los bornes del controlador no estén cerca de algún material que pueda ocasionar algún problema eléctrico y se recomienda que al final de toda la instalación, se aíslen los bornes y las partes conductoras que puedan fallar con huincha aisladora de goma. Adicionalmente, se debe conectar mediante un cable de instrumentación, el controlador con el potenciómetro. Este cable permite que el potenciómetro esté conectado con el controlador y darle la función de acelerador. Además, el controlador debe tener conectado los cables de alimentación del sistema, esto significa, los cables que posee el voltaje del banco de baterías. También se deben conectar los cables que van hacia el motor, o sea, los cables que conectan el motor con el controlador, con el objetivo de instalar el sistema de tracción. 55
3.3.4 Cables Luego de haber instalado todas las componentes del sistema, se debe proceder a instalar los cables. Es importante haber diseñado algún bosquejo antes de las trayectorias, ya que esto permitirá tener los planos del sistema eléctrico para reparaciones o simplemente para duplicar el sistema en otro vehículo. El diseño que se elaboró anteriormente fue realizado en forma tentativa, por lo que se necesita verificar si las trayectorias propuestas son factibles de implementar. Se sugiere definir, en el auto, cuáles son las trayectorias definitivas, para implementarlas. En el proceso de la definición de las trayectorias de los cables se debe tomar en cuenta que no es recomendable que los cables con polaridad diferente vayan por trayectorias cercanas entre sí, puesto que en el caso de cualquier accidente o pérdida de material aislador, se pueden producir corto circuitos. También se debe seleccionar el tipo de cable que es necesario para el circuito, el que se debe decidir calculando las corrientes que fluyen por él. Los cables recomendados para los diferentes niveles de corriente son los que se muestran a continuación: Tipo de Cable AWG 2/0 AWG 3/0 AWG 4/0
Corriente 200 Amp 300 Amp 400 Amp
Tabla 6: Tipo de Cable vs. Corriente [31]
Algo recomendable, es el uso de aislador en los cables, lo que se puede lograr aislando los recorridos de los cables y las zonas potenciales de corto circuito, desde atrás del vehículo a adelante. Otro método es entubar los cables en un material aislador eléctrico, lo que permite disminuir la posibilidad de tener fallas. También conviene que el cable se coloque dentro de un tuvo de PVC flexible o simplemente utilizar cables de alta corriente. Estos cables de alta corriente son hechos con alambres de cobre más finos y con un aislador más grueso que el cable común. Cuando ya se tiene claro cuales son las trayectorias de los cables, se puede proceder a instalar los cables. Para esto se deben tener las siguientes precauciones: 1. Los cables no deben tener problemas de aislamiento, si este es el caso se recomienda reemplazar o reforzar el asilamiento. En la instalación de los cables, hay que asegurarse que no sufran alteraciones o pérdidas del material aislador, puesto que pueden producir corto circuitos con la carrocería u otro cable que se encuentre cerca. Por este motivo, en las perforaciones de la 56
carrocería por donde pasan los cables, se recomienda utilizar un revestimiento de goma aislante para proteger al cable de las posibles pérdidas de material aislador o peladuras por el roce con las partes filosas de la perforación. 2. Los pernos utilizados para la conexión de los cables deben ser del largo exacto para este objetivo, de tal forma de no producir problemas con sus zonas sobresalientes. Se recomienda que todos los bornes de las conexiones sean aislados con alguna huincha aislante de goma que soporte los niveles de voltaje y temperatura al que operará el sistema. 3. Se recomienda utilizar terminales adecuados y compatibles con los bornes de las componentes que se están utilizando. En general se usan los terminales de paleta perforada. No se recomienda soldar en forma convencional los terminales por ningún motivo, puesto que es complicado y como los terminales se calientan pueden provocar problemas. También conviene revestir los terminales con huincha aisladora para evitar contactos no deseados y revestir la conexión con pasta anti-corrosión, tal como la grasa.
Figura 31: Terminal Perforado
Luego de tener ubicadas las componentes del sistema de alta corriente e interconectada, se necesita revisar que el circuito implementado esté correctamente y debe ser igual al que se diseñó. Para esto, se recomienda utilizar un multímetro, el que permite verificar si los puntos deseados están conectados en forma física. Luego de verificar la integridad y correctitud del circuito se debe proceder a probar el sistema completo de alta corriente. Lo primero que se realiza es activar el interruptor general, luego se debe verificar que no hayan corto circuitos y que el sistema esta funcionando sin problemas. Cuando se haya verificado que está funcionando correctamente, se debe revisar que el voltaje entre los cables que llegan al controlador tenga un valor correcto. Cuando ya se verificó, se debe revisar que el controlador tenga prendida la luz de encendido (si la tiene) y verificar que el controlador está correctamente alimentado. 57
Luego de tener todos los voltajes y conexiones revisados, se procede a probar el motor en vacío. Para esto, se sugiere mover el acelerador en forma lenta, para estar atentos a lo que pueda ocurrir. Si al mover el acelerador se produce algún problema, se recomienda desactivar el interruptor y revisar todo el circuito nuevamente. Esto es importante, por que hay corrientes muy elevadas y peligrosas en el sistema. Cuando el motor está funcionando en vacío con el acelerador activado, se debe verificar que el funcionamiento del motor y controlador sea el correcto, esto significa, revisar la temperatura del controlador y motor, velocidad del motor, sonido del motor, etc. Después de probar el motor y el controlador, se puede a modo de prueba, mover el acelerador como si se estuviera en forma normal, observando todas las variables de preocupación del sistema. Luego de esto, se debe asegurar que el motor y el controlador están en buen estado. Luego de tener el motor en funcionamiento, se debe proceder a probar el vehículo en su totalidad. Para esto, se debe empezar moviendo el vehículo con el motor eléctrico y con cuidado, puesto que se quiere que el controlador, motor y la caja no se dañen si hay algún problema. Cuando el vehículo se comienza a desplazar con un funcionamiento correcto, se puede decir que ha pasado la primera prueba. Luego de esta prueba, se debe verificar que el controlador y otros componentes están en buen estado, esto significa temperatura y estado físico. Cuando ya se realiza la primera prueba, se puede proceder a realizar la segunda prueba del sistema. Se sugiere que esta prueba se haga dando una vuelta a la cuadra, puesto que no conviene ir a lugares muy alejados por la posible falla del sistema. Luego de probar el sistema y verificar que todos los componentes están en buen estado, se puede aseverar que el vehículo está funcionando según los requerimientos. 3.3.5 Sistema de Monitoreo y Control Para este objetivo, existen diversas soluciones, las que dependen del tipo de instrumento que se utiliza. En el mercado existen diversos tipos de instrumentos, los que son fundamentalmente analógicos y digitales. Los instrumentos más usados son los analógicos, ya que son fáciles de instalar y mantienen el estilo de instrumentación de la mayoría de los vehículos antiguos, además de ser más económicos. Los sistemas de monitoreo, como se explicó en el capítulo dos, son los siguientes: 58
Voltímetro: El voltímetro es un sólo instrumento que mide voltaje, el que puede ser en forma analógica o digital. Este sistema de medición debe ir conectado a los bornes donde se desea medir el voltaje. Este instrumento puede encontrarse a una gran distancia del lugar de medición, que es conectado a través de un cable de baja corriente para medir donde se desee (puesto que no moverá grandes corrientes, mide sólo voltaje).
Figura 32: Conexión para voltímetro (paralelo)
Existen distintos tipos de amperímetros, los cuales son amperímetro de Resistencia Shunt y Efecto Hall. Resistencia Shunt: El amperímetro basado en resistencia Shunt, funciona mediante un voltímetro que mide la caída de tensión existente en la resistencia, la que es proporcional a los niveles de corriente, según la ley de Ohm. Esta proporcionalidad no siempre se mantiene en las resistencias comunes, debido a que existen factores como la inductancia del cable y temperaturas que la hacen variar. En cambio, las resistencias Shunt minimizan el efecto de estos factores en la proporcionalidad. Para poder medir mediante este sistema se necesita colocar la resistencia Shunt en serie con el circuito. Esta resistencia es de un valor pequeño, por lo tanto no altera el circuito eléctrico general. Por esto lo anterior, este sistema de medición no es perfecto, pero permite tener una muy buena estimación de las corrientes que están pasando por el sistema.
Figura 33: Conexión para Amperímetro de Resistencia Shunt (Serie)
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Efecto Hall: El sistema de efecto hall permite medir las corrientes sin tener que intervenir el circuito eléctrico, esto significa que este sistema mide la corriente mediante la interacción magnética, permitiendo medir las corrientes sin necesidad de colocar dispositivos en serie o en paralelo en el circuito. Una de las cosas importantes de este sistema, es que necesariamente deben existir variaciones de la corriente, puesta que el efecto magnético sólo se manifiesta cuando existen variaciones en la corriente, esto quiere decir que este sistema no funcionará para medir corrientes continuas en el sistema.
Figura 34: Conexión para Amperímetro de Efecto Hall
Estos sistemas de monitoreo pueden ser instalados antes o después de las pruebas preliminares. Estos sistemas de monitoreo permiten observar las variables eléctricas y mecánicas del vehículo, que estén en los valores esperados. 3.4
PRUEBAS FINALES
Cuando el sistema de monitoreo esté funcionando correctamente, se recomienda utilizar el vehículo por lo menos por un semana en marcha blanca, esto significa, movilizarse cerca de la casa a modo de prueba. Entre las pruebas recomendables a realizar son las aceleraciones bruscas, mantener una velocidad constante por un tiempo de 5 minutos o más, probar los frenos, probar la dirección, etc. Luego de hacer todas estas pruebas, se debe verificar el buen estado de todos los componentes del vehículo. La semana de prueba, también permitirá regular y revisar el estado de las partes mecánicas, sirviendo de ajuste del vehículo. Cuando el vehículo ya ha sido ajustado y el conductor tiene la confianza para su utilización final, se puede proceder a utilizar el vehículo en forma normal, finalizando la construcción del vehículo.
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4 ESTUDIO DE FUNCIONAMIENTO 4.1
ESTUDIO DE FUNCIONAMIENTO ELÉCTRICO
En este estudio se explican las conexiones eléctricas utilizadas en el vehículo y el funcionamiento asociado. Además, se muestra el modelo eléctrico del circuito de tracción del vehículo, que expone su funcionamiento e incluye la explicación del fenómeno de sobrevoltaje surgido en la fase de pruebas de “ Lüfke I ”. Para crear este modelo se necesita representar cada componente del circuito de tracción o alta corriente del vehículo, que permite mostrar las diferencias que se presentan al cambiar algunas conexiones. 4.1.1 Modelo Eléctrico de las Componentes Para el modelo eléctrico del circuito de alta corriente, primero es necesario crear los modelos de las diferentes partes que componen el circuito, entre ellas, el motor, cables, controlador, etc. 4.1.1.1
Modelo de Cables
Para los cables existen variados modelos, los que se diferencian por su nivel de complejidad y capacidad de representación de efectos transitorios. A continuación se presentan tres alternativas de modelación de este tipo de elementos. A. Modelo Resistivo Inductivo Serie El modelo RL serie permite mostrar los efectos inductivos y resistivos que introduce un cable. Para simplificar el modelo, se toma en cuenta sólo su auto-inductancia, mostrando el efecto del propio cable sin considerar las demás influencias. Este modelo es de la siguiente forma:
Figura 35: Modelo RL serie para Cable
Este modelo permite simplificar las simulaciones y resaltar los efectos de las inductancias en serie de los cables, que es el parámetro más relevante en la mayoría de los circuitos, junto con la resistencia en serie. La resistencia e inductancia en serie permiten incorporar las caídas de tensión que existen en los cables debido a las corrientes que circulan en el cable. En esta memoria se utiliza este modelo con el fin de lograr una descripción general de la influencia de los cables o conductores en los fenómenos estudiados. 61
B. Modelo T El modelo T es usado en la representación de líneas de transmisión. Este modelo incorpora la resistencia e inductancia, igual que en el caso anterior, pero además introduce los efectos de las capacidades parásitas que existen entre los cables. Para esto, el modelo incorpora un condensador conectado entre el cable y tierra. A pesar de esto, para los fenómenos estudiados, este modelo no introduce mejoras significativas al sistema, puesto que estas capacidades presentan valores pequeños. Para este modelo se necesita medir las resistencias e inductancias de los cables, al igual que el caso anterior. Este modelo es de la siguiente forma:
Figura 36: Modelo T para cables y líneas de Transmisión
C. Modelo PI El modelo PI también es muy usado en la representación de líneas de transmisión. Este modelo también incorpora la resistencia e inductancia serie, al igual que en el caso anterior, pero divide las capacidades en dos, una en cada extremo del cable. Este modelo es más complejo que el anterior, pero permite introducir el efecto capacitivo en los extremos del cable. A pesar de eso, el modelo no introduce mejoras considerables al sistema, producto de su pequeño valor. Para este modelo se necesitan medir las resistencias e inductancias de los cables, al igual que en el caso anterior. Este modelo es de la siguiente forma:
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Figura 37: Modelo PI para cables y líneas de Transmisión
Al observar el modelo, se puede ver la influencia de las diferentes partes. La representación puede ser mejorada al colocar varios de estos modelos PI en serie o cascada. Con esto se agrega una mayor complejidad en el circuito, lo que a su vez permite que se acerque más a la realidad del fenómeno estudiado. Para los dos modelos anteriores, se necesita medir o estimar el valor de la resistencia e inductancia de los cables. Medir la resistencia de los cables es complicado, puesto que tienen un valor pequeño, del orden de los mOhms. Existen instrumentos que pueden medir hasta esos niveles, pero como esta resistencia es tan pequeña, siempre existirá un error considerable en la medición, que aumenta para cables de poca longitud. Si se desea medir esta resistencia en forma más exacta, se recomienda utilizar un trozo largo de cable (más de 10 metros), que permite que esta resistencia pueda ser medida con mayor precisión, para después obtener la resistencia eléctrica por metro de cable. También se puede calcular teóricamente el valor de la resistencia del cable, para tener un valor más cercano al real. Para esto, se necesita saber el diámetro y material del cable. El caso de la inductancia, es similar al de la resistencia, por lo que es recomendado calcular la auto-inductancia del cable en el vacío en forma teórica. Las ecuaciones que rigen la resistencia y la inductancia propia en un cable de sección redonda de radio r y largo l son las siguientes [33]: l [ ] r 2 donde = Resistividad [ m] l = Largo [m] r = Radio [m]
R =
y
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2l 3 7 L = 2 l ln 10 [H] r 4 donde l = Largo [m] r = Radio [m]
Las ecuaciones anteriores permiten calcular estos parámetros fundamentales de forma simple y cercana a la realidad, lo que ayuda a lograr un buen modelo de estos cables. Las capacidades del modelo T y PI deben ser medidas en forma directa, puesto que su cálculo teórico es complejo y depende de muchos factores. Esta medición puede ser realizada mediante un multímetro, el cual muestra el orden de magnitud de estas capacidades. La capacidad medida, no es la que aparece en el modelo PI, si no, es la del modelo T. Para calcular las capacidades del modelo PI, se puede aproximar como la mitad de capacidad del modelo T, que corresponden a la capacidad de cada extremo del cable, como lo muestra la figura que está a continuación:
Figura 38: Transformación de Modelo T a PI
Por lo tanto, las capacidades parásitas del circuito se miden con respecto a la tierra del circuito y luego se transforma si se utiliza el modelo PI. En general, estas capacidades son del orden de pico-Farad, lo cual permite que puedan ser despreciados en el modelo. El cable que se utiliza en este vehículo es un cable de cobre AWG 4/0, con un diámetro de 11.7 milímetros, y por lo tanto un radio de 5.85 milímetros. Con estos valores, se obtienen los valores de resistencia e inductancia mutua de un metro de cable que se exponen a continuación: R = 0.155 [m] y L = 1.01 [µ H]
El detalle de los cálculos se presenta en el anexo 8.2.1. Las dimensiones de los cables utilizados son los siguientes: • • •
2 cables de largo de 7 metros aproximadamente. 2 cables de largo de 1 metro aproximadamente. 1 cable de largo de 2 metros aproximadamente. 64
Los parámetros de cada uno de los cables calculados (R y L) y medidos (C) son los que se muestran a continuación: • Cable de 7 metros: R = 1.05 [ m] , L = 9.8 [ µ H] y C = 607 [pF] • Cable de 2 metros: R = 0.15 [ m] , L = 1.01 [µ H] y C = 68 [pF] • Cable de 3 metros: R = 0.3 [ m] , L = 2.3 [ µ H] y C = 30 [pF] 4.1.1.2
Modelo de Motor
El modelo de Motor utilizado, Kostov de 16 HP y 72 Volts, es de primer orden, el cual incorpora la dinámica eléctrica y mecánica del motor. Este modelo es el comúnmente usado, por su cercanía a la realidad y facilidad de trabajo [36]. El modelo de un motor de corriente continua es el siguiente:
Figura 39: Esquemático de un motor de corriente continua
Se rige según las siguientes ecuaciones: V A = R A I A + L A I & A + E V C = RC I C + LC I &C & = (T MOTOR T CARGA ) B J E = G I C T MOTOR = G I A I C
65
Voltaje de Armadura [V] Resistencia de Armadura [] Inductancia de Armadura [H] Corriente de Armadura [A] Voltaje de Campo [V] Resistencia de Campo [] Inductancia de Campo [H] Corriente de Campo [A] FEM Generada en Armadura [V ] Momento de Inercia del Rotor y masas acopladas [Kg m 2 ] rad = Velocidad de Giro del Motor s G = Inductancia de Rotación [H] B = Coeficiente de Fricción [ Nm s] T CARGA = Torque de Carga Mecánica [ Nm] T MOTOR = Torque de Motor [ Nm]
donde V A = R A = L A = I A = V C = RC = LC = I A = E = J =
Este modelo permite relacionar las variables eléctricas con sus variables mecánicas, logrando unir el modelo eléctrico del motor con el modelo mecánico. Asimismo, el modelo permite ver las respuestas eléctricas y mecánicas del motor cuando varía alguna variable eléctrica o mecánica, como por ejemplo, el torque de carga. En el caso estudiado, el motor es de conexión serie, por lo que la corriente de armadura y de campo son iguales, I A = I C = I , simplificándose las ecuaciones de la siguiente forma: V = ( R A + RC ) I + ( L A + LC ) I & + E & = (T MOTOR T CARGA ) B J E = G I T MOTOR = G I 2
Los parámetros del modelo de motor son R A, LA, R C, LC, G, J y B. Estos parámetros se miden de la siguiente forma: • Resistencia de Campo y Armadura R A y R C: Se mide mediante un puente de Wheastone. Los valores medidos son los siguientes: R A=0.055 [`], R C=0.082 [`]. • Inductancia de Campo y Armadura L A+LC: Se calcula mediante una prueba de rotor bloqueado, aprovechando el freno del auto y el control de corriente (corriente constante) a través del conversor DC-DC (controlador). Esto permite que el sistema presente una corriente de 66
funcionamiento pero con velocidad nula. Luego de esto, se establece un voltaje de operación nulo, de tal forma que exista una caída de corriente que tiene una constante de tiempo determinada, producto del efecto de las inductancias del circuito. Al utilizar la ecuación del motor en serie, que relaciona el voltaje y la corriente y las condiciones antes expuestas, se deduce la siguiente ecuación V = ( R A + RC ) I + ( L A + LC ) I & + G I . Para este caso, en el momento de la existencia de la caída de corriente, se tiene el siguiente circuito:
Figura 40: Circuito Resultante en el momento que la corriente está cayendo
En este circuito se tiene que w=0 y V=0, por consiguiente, queda un sistema de primer orden con condición inicial igual a la corriente de régimen permanente que se tenía. Por lo tanto, la ecuación de primer orden que define la caída de la corriente, en este caso particular, es la siguiente: I & = R I . Por una propiedad de los sistemas de primer orden, L
se tiene que el tiempo que existe entre el 100% y 1% se puede estimar como 4 o 5 veces a (a=constante de tiempo del sistema). Esta constante de tiempo está definida como = L [34]. Para este cálculo se necesita R
•
conocer el circuito en el cual la corriente está fluyendo. Utilizando los parámetros de los cables, ya conocidos, se obtiene L A + LC = 2 10 5 [H] . El detalle de los cálculos se encuentra en el anexo 8.2.2. Inductancia Rotacional G: Se obtiene utilizando las curvas del fabricante del motor. Las curvas que se manipulan son las de corriente, voltaje, velocidad angular vs. torque. Las ecuaciones base para el cálculo de este parámetro son las siguientes: T = G I 2 y E = G I . Por lo tanto, con estas ecuaciones, se puede determinar este parámetro. Se necesita tener una cantidad de puntos que permitan interpolar una recta, para así poder obtener la pendiente de las rectas, que se relacionan directamente con el parámetro G. Este cálculo se encuentra en detalle en el anexo 8.2.2. El valor de G seleccionado es G=0.00022. 67
•
Momento de Inercia J y Coeficiente de Fricción B: Se utilizó la ecuación mecánica de primer orden del motor. Esta ecuación es: & = B + (T E T M ) , donde es la velocidad angular, T E es el torque J eléctrico y T M es el torque mecánico de carga. Para estimar los valores de B y J se necesita hacer dos pruebas. La primera prueba, consiste en tener torque mecánico de carga cero, en otras palabras, en vacío, a una velocidad constante. Si se tiene el motor en régimen permanente a velocidad constante, se mide la corriente y la velocidad del motor. Así, se puede calcular el torque eléctrico y . Con esto, se tiene el valor de B, puesto que la ecuación resultante es T E B = 0 . La segunda prueba consiste en medir la constante de tiempo asociada a la disminución de la velocidad del motor. La ecuación que rige esta caída en la velocidad es B & = , debido a que se mide cuando ya la corriente es cero y en vacío. J
Como se trata de un sistema de primer orden, se tiene que t = 5 = J B
[34]. Por lo tanto, se tiene el valor de J y B, que son parte de la modelación del motor desde el punto de vista mecánico. Los valores de J y B son J=0.00048 y B=0.0003. El detalle de los cálculos se puede observar en el anexo 8.2.2. 4.1.1.3
Modelo del Controlador
El modelo utilizado para el controlador, es un modelo genérico de los controladores “Chopper” de motores de corriente continua. El modelo del controlador es el siguiente:
Figura 41: Modelo Eléctrico de Controlador
Este controlador tiene un condensador en la alimentación, que permite filtrar las altas frecuencias del voltaje, manteniéndolo lo más constante posible. Este voltaje sirve para alimentar los circuitos internos del controlador y el condensador permite alimentar con el menor ruido posible. Por tal motivo, estos condensadores son de 68
gran capacidad, menguando de mejor forma las variaciones. Los controladores, en general, tienen varios condensadores en paralelo generando una gran capacidad y permitiendo distribuir las corrientes en varios de ellos, evitando que estos se dañen. La resistencia R, es la resistencia interna del condensador, de bajo valor y que se coloca para mejorar el modelo. En general, los controladores usan un número grande de MOSFET en paralelo (alrededor de 40), para satisfacer los requerimientos de corriente. Esto se debe a que un MOSFET de alta corriente es más costoso. Por este motivo, la técnica de varios MOSFET en paralelo, es una alternativa más económica y reduce pérdidas. Sin embargo, los dispositivos en paralelo son más complicados de manipular, ya que se deben encender y apagar simultáneamente. Además, el MOSFET tiene incorporado un diodo en inversa, que permite el paso de corrientes inversas sin dañar el MOSFET. En general, este diodo viene incorporado en forma interna en el MOSFET. Adicionalmente se suele colocar un diodo en inversa en el motor, el que sirve para las corrientes inversas que se producen al cambiar en forma brusca el voltaje aplicado, el cual se puede representar como una inductancia. Esto significa, que las corrientes producidas por la inductancia del motor, al intentar mantener el voltaje constante, se oponen a la rápida variación del voltaje. Los parámetros de los componentes del controlador, han sido estimados por dispositivos de similares propiedades de velocidad y corriente, esto significa, se que se utilizan los parámetros de un MOSFET y un diodo de propiedades similares. Este controlador utiliza un banco de condensadores de 6800 bF para mantener el voltaje constante, información recibida del fabricante. La resistencia interna del banco de condensadores estima en 0.001 `. Como este controlador tiene varios MOSFET en paralelo, para simplificar este modelo, se utiliza un sólo MOSFET con las propiedades requeridas por el circuito. El MOSFET equivalente que se utiliza es el IRF1607 que permite manipular 142 A y 75 Volts. Este dispositivo tiene las siguientes propiedades: R=0.0075 `, Lon=10nH y condensadores parásitos del orden de 500pF. Los parámetros de su diodo en inversa son R=0.0075 `, V=1.3 V, con respuestas del orden de nanosegundos. El diodo que se coloca en inversa en el motor fue modelado como el dispositivo 60EPU06, que corresponde a un diodo Ultra Fast Recovery de 600 V y 40 A de la empresa IRF. Este dispositivo tiene los siguientes parámetros: R=0.02 `, capacidades parásitas del orden de los pF y velocidad de respuesta de 35 ns, por consiguiente cumple con los requerimientos del modelo del controlador.
69
4.1.1.4
Modelo Batería
El modelo de la batería es simple y está compuesto por una fuente de voltaje ideal y una resistencia interna. Este modelo es el comúnmente utilizado en las fuentes de voltajes en los circuitos eléctricos. El modelo general es el siguiente:
Figura 42: Modelo Batería
En la mayoría de los vehículos eléctricos se utilizan varias baterías en serie o en paralelo, el que forma un banco de baterías. Este banco puede ser modelado como una sola batería, al utilizar un voltaje V y una resistencia interna R que represente el banco, es decir, el voltaje V es igual al voltaje completo del banco y la resistencia R es igual a la suma de las resistencias internas de las baterías. El valor de la resistencia interna de cada batería puede ser calculado mediante algunas pruebas de corriente. En el caso de las baterías del “ Lüfke i”, se estima con un valor típico en los bancos de baterías igual a R=0.05 [ `] [32]. 4.1.2 Modelo y Simulación Eléctrica del Circuito Simplificado (con fenómeno de sobrevoltaje) Al utilizar los modelos expuestos, se construye el circuito eléctrico que modela el funcionamiento eléctrico del vehículo. A modo de simplificar el modelo, el circuito que genera el PWM, ha sido representado como una fuente de voltaje PWM ideal, el que deja de lado el circuito analógico relacionado con su generación. Para comenzar la construcción de este modelo, se determina un circuito básico del sistema eléctrico de potencia del vehículo, el cual se muestra a continuación:
Figura 43: Circuito de Potencia
70
El circuito mostrado en la figura 38 es el modelo del circuito de alta corriente del vehículo eléctrico “ Lüfke I ”. A continuación, se muestra el circuito anterior en forma simplificada para realizar de mejor manera el estudio teórico, donde se utilizan los cables como resistencias puras, se eliminan algunos cables y el MOSFET se representa como un interruptor.
Figura 44: Circuito Simplificado de Alta Potencia
A modo de facilitar el entendimiento, este circuito se puede dividir en dos estados fundamentales de régimen permanente, que dependen de la posición del interruptor (o MOSFET). Los dos estados del circuito son: el MOSFET (interruptor) está activado o desactivado, los que se muestran a continuación:
Figura 45: Estado 1, MOSFET conectado
Figura 46: Estado 2, MOSFET desconectado
El estado 1 muestra que el motor está conectado a la fuente de voltaje (baterías) y por consiguiente el motor está alimentado. Se observa que las inductancias del motor y el condensador del controlador se están cargando para llegar al voltaje V. El estado 2 muestra un circuito especial, el que permite a las inductancias del motor se descarguen utilizando las resistencias R y Rm. A continuación se realiza un análisis en régimen permanente, el que analiza los voltajes y corrientes en los dispositivos del sistema. Al realizar un estudio de régimen permanente, se tiene que el voltaje medio en un período en la inductancia del motor es cero. Por lo tanto, la forma de onda del voltaje de la inductancia, en forma aproximada, es la que se muestra a continuación [35]: 71
Figura 47: Forma de Onda de Corriente y Voltaje en Lm
La ecuación que expresa el voltaje medio en la inductancia es la siguiente: (V V R int V Rm ) t ON + (V V R int V Rm V C ) t OFF = 0
Al desarrollar la ecuación anterior, al utilizar que el período es T S = t ON + t OFF y al
t ON , se tiene que: T S V C T S 1 = = V V RmV R int t OFF 1 D V Rm I Lm Rint I V V C = 1 D 1 D
definir a D como el factor de trabajo D =
Como D es el factor de trabajo, se tiene que D [0,1] y por consiguiente V C es mayor que V V Rm . Si se desprecia el valor de R m, se tiene que en V C existe un sobrevoltaje que depende solamente del ancho del pulso o factor de trabajo D. Al observar la ecuación, se tiene que V Rm y V R int influyen en la cantidad en que aumenta el voltaje V C. Sin embargo, como R m y R int son de un valor pequeño, no influyen mayormente en el estudio realizado. No obstante, como el circuito tiene pérdidas (resistencias de los cables), se tiene que a partir de un valor de D, al seguir el aumento D, el voltaje disminuye. También se observa que la corriente en la inductancia depende principalmente de la frecuencia de la señal, puesto que el período define cuánto tiempo posee la inductancia para disminuir su corriente. Por lo tanto, en régimen normal, se tiene que el motor no disminuye su corriente a cero, 72
es decir, siempre mantiene la corriente distinta de cero, lo que provoca que exista una componente continua en la corriente. Al observar el circuito, se puede distinguir que los valores de R int y R definen la constante de tiempo de carga y descarga del condensador en el estado 1, y que los valores de R y R m definen la constante de tiempo de carga y descarga del condensador en el estado 2. Por consiguiente, el valor de R es fundamental en el efecto de sobrevoltaje, ya que esta resistencia define la velocidad de reacción del condensador y la inductancia. Si la constante de tiempo de carga y descarga es menor que la velocidad del PWM que gatilla el MOSFET, se tiene que el condensador varía en gran medida su voltaje, de tal forma de contrarrestar el efecto de la inductancia. En cambio, si la constante de tiempo del condensador es mayor que la velocidad del PWM se tiene que el condensador intenta cargarse hasta el valor del sobrevoltaje, lo que provoca que el condensador se mantenga con un valor alto de voltaje, produciendo el fenómeno de sobrevoltaje. La simulación del circuito antes mencionado se muestra a continuación:
Figura 48: Modelo de Circuito Simplificado para Simulación, Circuito Eléctrico 1
La figura 43 muestra el modelo del circuito simplificado para ls simulación, el que es realizado en Simulink-MatLab y utiliza el ToolBox PowerSim. Este circuito es probado para diferentes valores de D, con los valores reales del motor, esto es, V = 72 [V], R int = 2 [ m`], R m = 0.15 [`], Lm = 2 [mH] y C=6800 [ bF] a una frecuencia del PWM de 20 kHz. Las simulaciones se muestran a continuación:
73
•
D = 0.1 (10%) y R = 1 [`]
Figura 49: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
En el gráfico anterior, se observa que para un valor de R=1 [ `] y D=0.1, se tiene un sobrevoltaje de 7 volts aproximadamente, esto significa que se tiene un voltaje en el PWM de 79 Volts. Al calcular el sobrevoltaje en forma teórica, utilizando la ecuación descubierta, se tiene un sobrevoltaje de 8 volts (72/0.9=80). La diferencia observada entre el valor teórico y simulado, se explica porque la ecuación no considera las pérdidas existentes en las resistencias R m y R int. •
D = 0.5 (50%) y R = 1 [`]
Figura 50: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
74
En el gráfico anterior se observa que para un valor de R=1 [ `] y D=0.5, se tiene un sobrevoltaje de 43 volts aproximadamente, esto significa que se tiene un voltaje de 115 Volts en el PWM. Al utilizar la ecuación teórica, se tiene un sobrevoltaje de 72 volts y un voltaje en el PWM de 144 Volts (72/0.5=144). La diferencia observada entre el valor teórico y simulado, se explica debido a que la ecuación teórica no considera las pérdidas en las resistencias. Esta diferencia aumento debido a que la corriente en el circuito aumentó. •
D = 0.9 (90%) y R = 1 [`]
Figura 51: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
El gráfico anterior muestra que para un valor de R=1 [ `] y D=0.9, se tiene un sobrevoltaje de 38 Volts aproximadamente y un voltaje de 110 Volts en el PWM. Al calcular este valor teóricamente se tiene un sobrevoltaje de 648 Volts y un voltaje de 720 Volts en el PWM (72/0.1=720). La gran diferencia presentada entre el valor teórico y simulado, existe debido a que la corriente aumentó en forma apreciable.
75
•
D = 0.1 (10%) y R = 0.1 [`]
Figura 52: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
En el gráfico anterior se observa que para un valor de R=0.1 [ `] y D=0.1, se tiene un sobrevoltaje de 3 volts aproximadamente y un voltaje en el PWM de 75 Volts. Como valor de R es pequeño, no se puede utilizar la ecuación teórica para lograr una predicción, ya que la constante de tiempo del condensador es pequeña, lo que hace que el condensador se mueva más rápido haciendo que el fenómeno de sobrevoltaje sea despreciable. •
D = 0.5 (50%) y R = 0.1 [`]
Figura 53: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
76
En el gráfico anterior se observa que para un valor de R=0.1 [ `] y D=0.5, se tiene un sobrevoltaje de 8 volts aproximadamente y un voltaje de 80 Volts. Se observa que el sobrevoltaje existente no es apreciable, ya que, como el valor de R es pequeño, el condensador reacciona a mayor velocidad, lo que provoca que no exista sobrevoltaje apreciable. •
D = 0.9 (90%) y R = 0.1 [`]
Figura 54: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
En el gráfico anterior se observa que para un valor de R=0.1 [ `] y D=0.9, se tiene un sobrevoltaje de 2 volts aproximadamente y un voltaje de 74 Volts. En este caso las pérdidas en las resistencias son grandes, ya que la corriente es apreciable, lo que hace que para un valor grande de D se tenga un menor voltaje. Se observa que las corrientes que cargan y descargan el condensador son de 100 Amperes para D=0.5 y de 50 para D=0.9, y hace que el condensador compense de mejor forma los cambios bruscos de voltaje en la inductancia.
77
•
D = 0.1 (10%) y R = 0.0001 [ `]
Figura 55: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
En el gráfico anterior se observa que para un valor de R=0.0001 [ `] y D=0.1, se tiene que el fenómeno de sobrevoltaje desaparece y el voltaje en el PWM disminuye por efecto de las pérdidas en las resistencias. El fenómeno de sobrevoltaje desaparece, debido a que R es de un valor pequeño, lo que provoca que el condensador se cargue y descargue en forma rápida y permite que el valor de la corriente aumente a valores grandes. En este caso, la corriente por el condensador es de aproximadamente 350 Amperes. • D = 0.5 (50%) y R = 0.0001 [ `]
Figura 56: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
78
En el gráfico anterior se observa que para un valor de R=0.0001 [ `] y D=0.5, el fenómeno de sobrevoltaje no desaparece. Para esto, la variación del voltaje en el condensador debe ser de mayor velocidad, ya que la constante de tiempo es pequeña, lo que permite mantener su voltaje lo más constante posible. Como el condensador intenta mantener el voltaje constante, la corriente aumenta grandemente, pero como R es pequeño el sobre voltaje disminuye con respecto a utilizar una resistencia mayor. El sobrevoltaje aún existe debido a que el valor de R no es tan pequeño y gracias al ancho de pulso que muestra un sobrevoltaje. •
D = 0.9 (90%) y R = 0.0001 [ `]
Figura 57: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
En el gráfico anterior se observa que para un valor de R=0.0001 [ `] y D=0.9, existe un sobrevoltaje, debido a que las pérdidas son de gran tamaño y el valor R, aunque es pequeño, el valor del ancho del pulso provoca que el fenómeno aparece. Se observa que el condensador se carga y se descarga a su constante de tiempo y que depende, en gran medida, de la resistencia R. Después de observar todos los gráficos anteriores, se puede concluir que la inductancia del motor genera un voltaje para evitar el cambio en la corriente, lo que hace que el voltaje en el condensador aumente. El valor de R es fundamental para el fenómeno de sobrevoltaje, puesto que define la constante de tiempo del condensador e inductancia. Por lo tanto para un valor de R mayor, se tiene un voltaje mayor en el condensador. El valor límite de R para que se produzca el fenómeno de sobrevoltaje, observado por medio de las simulaciones, es de R=0.089 [`], el que depende del valor de D. 79
4.1.3 Modelo y Simulación de Circuito Completo (Con el fenómeno de sobrevoltaje) El circuito completo utilizado es el mostrado a continuación:
Figura 58: Circuito Eléctrico de Alta Potencia 1
En este circuito se observan los diversos cables que componen el circuito eléctrico de alta corriente. Los cables que conectan la parte trasera y delantera del vehículo tienen aproximadamente 6 metros de largo. Por otro lado, los cables de corta longitud tienen entre uno y dos metros de largo. Se debe destacar que esta alternativa de interconexión, une directamente el cable de voltaje positivo con el motor, para luego conectar el borne B+ del controlador. El modelo para la simulación de esta alternativa de conexión es la mostrada en la figura 54.
Figura 59: Modelo Eléctrico Simplificado en Simulink-Matlab de Circuito de Auto Eléctrico 1
80
El circuito mostrado, para los cables, utiliza el modelo PI, que permite una mejor representación de la realidad. Estas simulaciones muestran la influencia del cable que se coloca entre el motor y el controlador, lo que equivale a la resistencia R del circuito simplificado. Si se desea que el fenómeno de sobrevoltaje aparezca en este circuito se debe tener una resistencia mayor que 0.89 [ `]. Si el valor de esta resistencia es menor que 0.89, el fenómeno de sobrevoltaje desaparece (se mostró en el circuito simplificado). La resistencia de este cable es de aproximadamente de 0.1 [m`] y por consiguiente en condiciones normales el fenómeno de sobrevoltaje no surge. Como este valor de la resistencia no existe en forma natural, éste debe ser producido por algún error de conexión, tal como una golilla inadecuada o una conexión mal hecha. Por ende, se recomienda eliminar el uso de golillas inadecuadas (material de alta resistividad) entre las uniones de los terminales de las conexiones y revisar todas las conexiones. A continuación, se muestran las simulaciones más relevantes, que son para D=0.06 y R=0.3, y, D=0.3 y R=0.6: •
D=0.06 y R=0.3
Figura 60: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
81
•
D=0.3 y R=0.6
Figura 61: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
En estos gráficos observa que para las resistencias utilizadas, R=0.3 y R=0.6, el fenómeno de sobrevoltaje se presenta en forma clara. El voltaje de alimentación que se utiliza es de 76 Volts, el cual representa el voltaje de las baterías cargadas. El fenómeno de sobrevoltaje surge en forma elocuente entre los bornes B+ y M-. Para el caso de D=0.3, se tiene un sobrevoltaje mayor que para D=0.06, y se explica por el mayor ancho de pulso, esto significa que para un D más grande se tiene un voltaje mayor. Se observa que para un valor de R mayor, el voltaje aumenta. Por último, se observa que la utilización de este tipo de conexión junto con los problemas de la conexión, induce un fenómeno de sobrevoltaje, que hace que el controlador tenga un voltaje mayor entre B+ y B-, lo que puede provocar daños, por tal motivo este circuito no es recomendable.
82
4.1.4 Modelo y Simulación de Circuito Completo (Sin el fenómeno de sobrevoltaje) Esta alternativa de conexión es básicamente igual a la anterior, pero con la diferencia que el cable voltaje positivo se conecta primero al controlador y después al borne del motor. Este circuito es el mostrado a continuación:
Figura 62: Circuito Eléctrico de Alta Potencia 2
En este circuito no se presenta el fenómeno de sobrevoltaje, debido a que la resistencia R es cero, gracias al cambio de conexión efectuado. El modelo de este circuito es el expuesto a continuación:
Figura 63: Modelo Eléctrico Completo en Simulink-Matlab de Circuito de Auto Eléctrico 2
En este modelo también se utilizan el modelo PI para los cables, lo que permite representar la realidad de mejor manera. A continuación se muestran las simulaciones más relevantes, las que son para D=0.06 y D=0.3. 83
•
D=0.06
Figura 64: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo •
D=0.3
Figura 65: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
El voltaje de alimentación utilizado en estas simulaciones es de 76 volts, el que corresponde al voltaje del banco de baterías cargado. Las simulaciones muestran que este circuito tiene un funcionamiento normal y que el voltaje no supera el valor del voltaje del banco de baterías, y por consiguiente el fenómeno de sobrevoltaje no existe. 84
4.1.5 Medición Real de Circuito Eléctrico 1 (Con el fenómeno de sobrevoltaje) En esta sección se muestran las mediciones más relevantes que se realizaron en el vehículo eléctrico “ Lüfke I ” y son las medidas en el controlador entre los bornes B+ y M-. Los voltajes medidos en el circuito y que presentan el fenómeno de sobrevoltaje, se muestran a continuación: •
D=0.06 y R=0.3
Figura 66: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo 20 V/div, 1 us/div, ( W>) Tierra
85
•
D=0.3 y R=0.6
Figura 67: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo 20 V/div, 2.5 us/div, ( W>) Tierra
Si se comparan las formas de onda del modelo y de las mediciones, se tiene que son similares, las que varían por un pequeño valor. Estas diferencias se deben a que la simulación no recrea la variación que introducen los MOSFET en paralelo, por lo que no simula la oscilación inicial. Adicionalmente, las simulaciones tienen una pequeña diferencia en la primera etapa, que se debe a la posición del interruptor. En el circuito real esto no se mide, ya que es minimizado por el efecto oscilatorio del MOSFET. Esto significa que si se incluye este efecto oscilatorio en el modelo, esta diferencia entre la simulación y la medición disminuye. En estas mediciones es posible observar el fenómeno de sobrevoltaje en forma elocuente y apoya la teoría de la influencia del valor R en este fenómeno. 4.1.6 Medición Real de Circuito Eléctrico 2 (Sin el fenómeno de sobrevoltaje) En esta sección se muestran las mediciones más importantes realizadas en el circuito del vehículo eléctrico “ Lüfke I ”. Estas mediciones son el voltaje en el controlador entre los bornes B+ y M-. El voltaje medido para el circuito no presenta el fenómeno de sobrevoltaje y se muestra a continuación:
86
•
D=0.06
Figura 68: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo 20 V/div, 1 us/div, ( W>) Tierra •
D=0.3
Figura 69: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo 20 V/div, 2.5 us/div, ( W>) Tierra
87
Al comparar las formas de onda del modelo y las mediciones, se observa que son parecidas y varían en una pequeña medida. La simulación no incluye la oscilación introducida por los MOSFET, por consiguiente la simulación no muestra esta oscilación inicial. La diferencia entre la medición y la simulación, se debe a la no representación del efecto oscilatorio del MOSFET. Se observa que para este caso, el fenómeno de sobrevoltaje no aparece, ya que el valor de R es cero. Lo anterior permite deducir en forma clara, que el fenómeno de sobrevoltaje se produce gracias a la existencia de la resistencia parásita R. 4.2
ESTUDIO DE FUNCIONAMIENTO MECÁNICO
Para realizar este estudio de funcionamiento mecánico se necesita crear un modelo que represente la mayor parte de las influencias mecánicas existentes en el vehículo. Esto se realiza mediante la herramienta Simulink-Matlab. Por tal motivo se necesita estudiar el comportamiento dinámico cinemático del vehículo y enlazarlo con las características del motor eléctrico [32,8]. Este modelo se basa en las ecuaciones de cinemática de los objetos, por lo que se deben considerar todos los factores que influyen en el movimiento del vehículo. Los factores que interactúan con el vehículo son la resistencia del aire, resistencia de rodado, inclinación, caja de cambios, diferencial y el motor eléctrico. A continuación se explica cada factor: 4.2.1 Fuerzas de Resistencias al Movimiento 4.2.1.1
Resistencia del Aire
La resistencia del aire es la fuerza en contra del movimiento ejercida por el aire, debido al desplazamiento del aire que se encuentra al frente del vehículo por efecto de su movimiento. Esta resistencia depende de la aerodinámica, diseño, velocidad del viento, área frontal y velocidad del vehículo. La relación que existe entre la velocidad del vehículo y la resistencia del aire es cuadrática, esto quiere decir, que la variación de velocidad modifica en forma importante la resistencia del aire, y es de tal forma que mientras más rápido se mueva el automóvil, mayor es la resistencia del aire. La ecuación que representa esta fuerza depende de otros factores, los que son la densidad del aire, el área frontal, la velocidad y un coeficiente de resistencia. La ecuación es la siguiente [32]: F AIRE = C d
(V AUTO
±
2
88
V VIENTO ) 2
A
donde F AIRE = Fuerza Resistiva del Aire [ N] C d = Coeficiente de Resistencia [ ] Kg = Densidad del Aire 3 m A = Aire Frontal [m 2 ] m Velocidad del Viento (Positivo para el viento en contra) s m = Velocidad del Vehículo s
V VIENTO V AUTO
=
Esta ecuación representa la fuerza ejercida por el aire y el viento, la que puede ser en contra o a favor del movimiento del vehículo, ya que depende de la dirección del viento, esto significa si está a favor o en contra del movimiento. El coeficiente de resistencia depende de la aerodinámica del vehículo, es decir, representa el factor que determina cómo influye la resistencia del aire en el automóvil. Este coeficiente no es entregado por el fabricante, por lo que se debe estimar mediante unas pruebas especiales, las cuales se explican en la sección 4.2.5. 4.2.1.2
Resistencia de Rodado
La resistencia de rodado es la fuerza mecánica provocada por el roce existente entre las partes mecánicas, la inercia y el roce de los neumáticos con el pavimento. Esto quiere decir que esta resistencia incluiye todas las pérdidas cinemáticas relacionadas con las partes mecánicas. Además, esta resistencia incorpora el costo asociado a poner en movimiento un objeto de un peso determinado desde una velocidad nula y se incluye todo el roce que efectúan los neumáticos al transitar por el pavimento. La resistencia de los neumáticos varía según su presión, tipo de neumático y tipo de pavimento, debido a que a una menor presión en los neumáticos, se genera una mayor fuerza de roce. Por lo anterior, se puede deducir que la ecuación que lo represente debe tener un valor constante y un valor que dependa de la velocidad del vehículo, puesto que a mayor velocidad, las resistencias y los roces se hacen más notorios. La ecuación propuesta para modelar todos estos efectos resistivos por el rodado, es la que se muestra a continuación [32]: F RODADO
=
m g ( K 0 + K 1 V AUTO )
89
donde F RODADO = Fuerza Resistiva de Rodado [ N] m = Masa Total del Vehículo [Kg ] m g = Aceleración de Gravedad 2 s K 0 = Constante Inicial a Velocidad Cero [ ] s Constante de Rodadura de Velocidad m m V AUTO = Velocidad del Vehículo s
K 1
=
La ecuación anterior representa la fuerza de rodado, la que ha sido modelada como una función lineal de la velocidad del vehículo y que depende de su peso. Los coeficientes K 0 y K 1 dependen principalmente de las características mecánicas del vehículo, ya que son parámetros que modelan las fuerzas resistivas que tienen sus partes mecánicas internas. Además estos parámetros dependen de otros factores, tales como tipo de pavimento, la presión y tipo de neumáticos, los que varían en tamaño, condición y calidad de tracción. Estos parámetros se miden mediante la misma prueba que se utiliza para determinar el parámetro de la resistencia del aire, explicado en la sección 4.2.5. 4.2.1.3
Fuerza de Inclinación
La fuerza de inclinación representa el efecto de la fuerza de gravedad que existe sobre el vehículo cuando está transitando en un camino con pendiente no nula, ya sea de subida o de bajada. Esta fuerza depende del ángulo de la inclinación del camino, masa del vehículo y aceleración de gravedad. Para calcular la función involucrada a esta fuerza, se realiza una descomposición de la fuerza de gravedad en los distintos ejes de referencia. Al hacer esto, se obtiene la siguiente ecuación [8]: F INCLINACIO N = m g sen ( ) donde F INCLINACIO N = Fuerza Resistiva de Inclinación [ N] m = Masa Total del Vehículo [Kg ] m g = Aceleración de Gravedad 2 s = Ángulo de Inclinación [rad ]
Esta fuerza puede estar en contra o a favor del movimiento, la que depende si el vehículo se encuentra en una subida o en una bajada respectivamente. El ángulo de 90
inclinación puede ser medido en radianes o en grados y depende del método de cálculo de la función trigonométrica seno. 4.2.2 Fuerzas de Empuje La única fuerza que genera el movimiento en el vehículo, sin considerar la del viento e inclinación, es la fuerza del motor. Esta fuerza se calcula en función del voltaje y la corriente del motor, la que depende del torque del motor, el radio de la rueda, las relaciones de caja de cambios y diferencial. Las ecuaciones dinámicas del motor en el vehículo, son las siguientes [32]: F MOTOR
=
T MOTOR GTOTAL R RUEDA
donde F MOTOR = Fuerza del Motor [ N] T MOTOR = Torque del Motor [ Nm] GTOTAL = Relación Total de Caja de Cambio y Diferencial [ ] R RUEDA = Radio de la Rueda [m]
Esta ecuación muestra que el cálculo de la fuerza del motor necesita el valor del torque del motor. Existen diferentes formas de estimar el valor del torque del motor, los cuales son mediante un modelo lineal que represente el funcionamiento del torque en función del voltaje y la corriente, y el utilizar un modelo de dinámico del motor, el que permite simular su comportamiento eléctrico asociado. 4.2.2.1
Modelo Lineal de Torque
Este modelo lineal permite calcular el torque que entrega un típico motor de corriente continua de manera aproximada. Este modelo es simplemente una aproximación lineal que tiene el motor en su punto de operación típico y es obtenida por medio de las curvas de torque del fabricante. Con esto, se obtiene una ecuación lineal, que relaciona la corriente y el torque del motor. 4.2.2.2
Modelo Dinámico del Motor DC
Se puede utilizar cualquier modelo dinámico del motor DC, ya sea de primer o mayor orden. Con el objeto de simplificar el sistema, se recomienda utilizar un modelo de primer orden. Este tipo de modelo, representa el funcionamiento mecánico y eléctrico del motor, lo que permite observar el comportamiento de la corriente, voltaje, potencia y torque del motor. El modelo utilizado es el construido en el estudio de funcionamiento eléctrico. 91
4.2.3 Análisis de Fuerzas En este análisis se efectúa un diagrama de fuerzas que muestra todas las direcciones y sentidos de las fuerzas involucradas en este sistema. Las fuerzas involucradas en el vehículo son la resistencia del aire, resistencia de rodado, fuerza de gravedad, fuerza de motor y la normal del suelo. El diagrama de fuerzas de este sistema inercial es mostrado a continuación:
Figura 70: Diagrama de Fuerzas
Para generar las ecuaciones de fuerzas que rigen en el vehículo, se realizan sumas de fuerzas, según los ejes X e Y. Estas ecuaciones son las siguientes: ! F X : F MOTOR F AIRE F RODADO m g sen ( ) = m a ! F Y : N m g cos( ) = 0
La sumatoria de fuerzas en el eje X determina el movimiento del vehículo, la que es representada por la aceleración a del vehículo. En este eje, se tiene una fuerza en contra del movimiento, que son las fuerzas resistivas y la fuerza del motor. En el eje Y se tiene que la normal se iguala a la componente de la fuerza de gravedad en esa dirección. Por estos motivos, las fuerzas que definen el movimiento del vehículo y deben ser consideradas en el modelo son las fuerzas resistivas y la fuerza entregada por el motor. 4.2.4 Consideraciones En la simulación se deben considerar algunos aspectos importantes, los cuales son la relación que existe entre la velocidad del motor y la velocidad del vehículo, como también, la disminución del voltaje de las baterías debido a su resistencia interna. Las ecuaciones que toman en cuenta estas consideraciones son las siguientes: 92
VVEHICULO
donde VVEHICULO
=
=
MOTOR R RUEDA
GTOTAL
m Velocidad del Vehículo s
rad s GTOTAL = Relación Total de Caja de Cambio y Diferencial [ ] R RUEDA = Radio de la Rueda [m] MOTOR
=
Velocidad del Giro del Motor
V BAT = V NOMINAL R BAT I BAT donde V BAT = V NOMINAL R BAT = I BAT =
=
Voltaje en bornes de Baterías [V] Voltaje Nominal de las Baterías [V] Resistencia Interna de las Baterías [] Corriente de Baterías [m]
4.2.5 Pruebas para Cálculo de Parámetros Para calcular los parámetros del modelo se deben hacer algunas pruebas especiales, con el objeto de adaptar esta representación al vehículo que se está estudiando. Para lograr esto, se deben medir los parámetros del motor y las fuerzas resistivas. Estas pruebas se muestran a continuación: 4.2.5.1
Parámetros de Motor
El método para calcular estos parámetros se muestran en la sección 4.1.1.2 y el detalle de los cálculos en el anexo 8.2.2. 4.2.5.2
Parámetros Dinámicos del Vehículo
Para el cálculo de estos parámetros, se deben realizar una prueba especial al vehículo, la que corresponde a una prueba empírica. Esta prueba se basa en la siguiente ecuación: F RESISTENCI A TOTAL
=
C d
(V AUTO
±
V VIENTO ) 2
2
93
A + m g ( K 0 + K 1 V AUTO )
En la ecuación anterior se observan los diferentes parámetros que están involucrados en esta fuerza resistiva, en que algunas pueden ser medidas o calculadas. En cambio, existen otros parámetros que deben ser estimados con esta prueba. Los parámetros que pueden ser medidos son los mostrados a continuación: - A: El área frontal del Vehículo - ': Densidad del Aire - m: Masa del Vehículo - g: Aceleración de Gravedad Por otro lado, los parámetros del vehículo que deben ser estimados, que representan las diferentes características entre los automóviles son C d, K 0 y K 1. Por consiguiente, se tiene una ecuación que relaciona la velocidad y la fuerza resistiva del vehículo. Esta ecuación es la expuesta a continuación: F RESISTENCI A TOTAL = C d C 1 (V AUTO ) 2 + K 1 C 0 V AUTO + C 0 K 0 A donde C 1 = y C 0 = m g 2
Al observar la ecuación anterior, se puede aseverar que es una función cuadrática respecto a la velocidad del auto y representa la fuerza resistiva al movimiento. Esta ecuación tiene como coeficientes a C 1·Cd, C0·K 1 y C0·K 0, donde C0, C1 y C2 son constantes conocidas. Con esta ecuación se observa que el método de estimación de estos parámetros se realiza mediante la función que existe entre el frenado y la velocidad del vehículo. Para este objetivo se efectúa la siguiente prueba: En un comienzo se debe mover el vehículo a una velocidad de 60 u 80 Km/Hr. Cuando se tiene esta velocidad, se debe dejar el vehículo en neutro, porque se desea sólo que actúen las fuerzas resistivas. Se recomienda que esta prueba se realice en un lugar sin inclinación y sin viento. Si se realizan con otras condiciones, se deben anotar para así incorporarlas en las ecuaciones y determinar correctamente sus parámetros. Cuando el vehículo ya está en neutro, se debe medir su velocidad cada 30 segundos o un tiempo menor. Por lo tanto, se tendrá una colección de datos que representará la disminución de velocidad en función del tiempo, o sea, la desaceleración del vehículo. Luego se deben calcular los datos de la fuerza en función de la velocidad del automóvil. Después de tener estos datos, se le debe ajustar una ecuación cuadrática, obteniendo los coeficientes de la ecuación que representa esta fuerza. Con esto se realiza un pareo de coeficientes, y se tendrán, entonces, los valores de los parámetros que se buscaban.
94
A continuación se mostrarán las ecuaciones que representan lo antes expuesto y los valores obtenidos: F = a2 V 2 + a1 V + a 0 Ecuación ajustada a 2 a2 C d C 1 = a 2 C d = 2 = = 0.4 C 1 A a a K 1 C 1 = a1 K 1 = 1 = 1 = 0.001 C 0 mg a a K 0 C 0 = a0 K 0 = 0 = 0 = 0.001 C 0 mg
Todos los cálculos realizados se encuentran en detalle en el anexo. Con estas ecuaciones se pueden estimar todos los parámetros del vehículo, obteniendo el modelo deseado. 4.2.6 Modelo del Vehículo El modelo del vehículo se construyó en Simulink-Matlab, en el cual se utilizaron todas las ecuaciones antes mencionadas. Este modelo es el que se muestra a continuación:
Figura 71: Modelo de Vehículo Eléctrico
95
La figura anterior muestra el modelo creado. Se pueden distinguir dos zonas importantes y delimitadas, la parte superior e inferior. En la parte superior se puede observar el modelo que representa el circuito eléctrico. En particular, se utiliza el modelo de motor de corriente continua conexión serie utilizado en la simulación del circuito eléctrico. En este modelo se pueden cambiar los diferentes parámetros del motor y circuito. En la parte inferior está el modelo mecánico del vehículo, incluyendo las fuerzas resistivas y sistema de cambios. A continuación se verá en detalle la modelación de la caja de cambios y de las fuerzas resistivas del sistema. En primer lugar se encuentra el modelo de la caja de cambios y diferencial, y en segundo lugar está el modelo de las fuerzas resistivas. 4.2.6.1
Modelo de Caja de Cambios y Diferencial
Este modelo de la caja de cambios y diferencial realiza la correspondiente reducción de velocidad de giro del motor, esto es, cuando la velocidad del motor es traspasado a través de la caja de cambios y el diferencial, existe una reducción de esta velocidad por efecto de éstas, reduciendo la velocidad que verá el eje de las ruedas. Por lo tanto, la velocidad angular de las ruedas depende de la velocidad de giro del motor y del cambio en que se encuentre. A continuación se muestra el modelo utilizado:
Figura 72: Modelación de la Caja de Cambios y diferencial
El cambio en que operará el vehículo, en el modelo, puede ser modificado por una señal de entrada, la que puede ser constante o variar.
96
4.2.6.2
Modelo de Fuerzas Resistivas
En este modelo se incorporan las ecuaciones de resistencia del aire, resistencia de rodado y la resistencia efectuada por la gravedad. Además también se incorpora el efecto de la caja de cambios en el torque. Esto se puede ver de dos formas diferentes, la primera es un aumento del torque del motor a las ruedas o una reducción del torque resistivo al motor, todo esto por efecto de la caja de cambios y, por supuesto, depende que cambio se esté utilizando. A continuación se muestra el modelo elaborado:
Figura 73: Modelo del Sistema Mecánico y Dinámico del Vehículo
4.2.6.3
Simulación
A continuación se mostrará la simulación para los cuatro cambios del vehículo eléctrico, mostrando la corriente, torque eléctrico y resistivo, la velocidad y aceleración del vehículo. Las simulaciones para un ambiente sin velocidad del viento y sin inclinación, son las que se muestran a continuación:
97
•
Cambio 1
Figura 74: Corriente de Motor vs. Tiempo •
Cambio 2
Figura 75: Velocidad del Vehículo vs. Tiempo
98
•
Cambio 3
Figura 76: Velocidad del Vehículo vs. Tiempo •
Cambio 4
Figura 77: Velocidad del Vehículo vs. Tiempo
Con los gráficos anteriores se puede observar que las velocidades máximas de cada cambio está dado por la potencia que consume el motor y por lo niveles de corriente. En estas simulaciones no se tomaron en cuenta esas restricciones, por eso para el cambio 1 su velocidad máxima teórica es de 70 km/hr, pero eso no quiere 99
decir que en la realidad se llegue a esa velocidad. También se debe tomar en cuenta que la diferencia de los torque va disminuyendo a medida que los cambios aumentan, pero en todos los cambios se tienen buenas aceleraciones que dependen fuertemente de las corrientes máximas que son permitidas por el controlador. 4.2.7 Pendiente Máxima de Operación Los caminos con pendiente se traducen en una fuerza, que puede ser resistiva o a favor al movimiento del vehículo, y es tal que a mayor inclinación, mayor es la fuerza. Un aspecto importante en un vehículo eléctrico es, cuál es la mayor pendiente que puede subir. Esto se debe a que el motor que se utiliza siempre es de una potencia moderada, reduciendo su capacidad de subir pendientes. La condición para que un vehículo pueda subir una pendiente determinada es que la fuerza total que puede entregar el motor sea mayor que la resistiva. La inclinación máxima de operación es la pendiente máxima que puede subir el vehículo sin problemas de que se detenga en la subida. Esta inclinación se calcula utilizando el modelo, esto significa que se deben encontrar, para los diferentes cambios del vehículo, cuáles son sus pendientes máximas. Esto se realiza encontrando la inclinación en que la fuerza resistiva se iguala con la del motor. Con este modelo se encontraron las siguientes pendientes máximas: Cambio
Inclinación Máxima (º)
1
27.59 °
2
16.46 °
3
11.02 °
4
8.02 °
Estos cálculos también se pueden realizar igualando la fuerza de motor máxima, la que corresponde al torque máximo del motor, que en este caso son 100 Nm y la fuerza ejercida por la gravedad debido a la inclinación. Al efectuar esta igualdad en la ecuación, se tiene el valor de la inclinación, la que corresponde a la máxima, puesto que al existir esta igualdad se provoca una situación límite. La ecuación que representa lo anteriormente descrito es: m g sen( ) = F MOTOR = T MOTOR GTOTAL R RUEDA T G R sen( ) = MOTOR TOTAL RUEDA , donde T MOTOR = 100 Nm m g
100
4.2.8 Rendimiento Para calcular el rendimiento del vehículo se realizó una toma de datos para un viaje normal en ciudad, para poder tener una estimación del consumo de la energía del vehículo. Se midió la distancia con el odómetro del vehículo y se medió la energía consumida en las recargas del vehículo. Tomando datos por una semana, esto es, 5 días seguidos se obtuvo la siguiente tabla: Distancia Recorrida Energía Recargada (Km) (kWh) 30 13 20 9 25 11 18 8 22 10 23 10.2 Con estos datos, se tiene que el rendimiento es de 2.25 km , el cual es equivalente KWh
a un rendimiento de 20.4 km , en un vehículo convencional (Cálculo hecho a un lt
valor de $500 pesos por litro de bencina y $55 pesos por KWh de energía eléctrica).
101
5 OPTIMIZACIONES PROPUESTAS Y MEJORAS 5.1 FRENO REGENERATIVO Freno regenerativo significa frenar un vehículo utilizando una máquina eléctrica, ya sea de corriente alterna o de corriente continua, como generador. Esto significa que la máquina eléctrica opera como generador, produciendo un torque negativo para frenar el vehículo. Con esto, se aprovecha la energía generada para recargar las baterías, permitiendo una mejor de autonomía. Esto significa aprovechar de mejor forma la energía, puesto que en vez de utilizar los antiguos sistemas de frenos, que transforman la energía cinética en calor, este nuevo sistema transforma la energía cinética en eléctrica. Los controladores en la mayoría de los vehículos que utilizan freno regenerativo, el motor es usado como generador para recargar las baterías. Durante un frenado normal la energía cinética es absorbida por los frenos y transformada en calor, por lo tanto, al utilizar freno regenerativo, parte de esa energía cinética será transformada en energía eléctrica y almacenada. Sin embargo, el freno regenerativo no puede ser utilizado sólo, puesto que no satisface los requerimientos de frenado de un automóvil. Por ende, este sistema debe ser acompañado por un sistema hidráulico convencional de frenos. En consecuencia, parte de la energía cinética se transforma en calor y la otra parte es aprovechada y almacenada. La integración de estos sistemas requiere de la construcción de un sistema computacional dedicado a mantener coordinado todo el tiempo ambos sistemas de frenado, de modo que la acción del conductor se reparta de manera adecuada y eficiente entre ambos sistemas, de manera de ser transparente para el conductor. Por lo tanto, el aumento en el rango de un vehículo eléctrico alcanza entre el 5% y 10%. Junto con esto, se reduce el desgaste de los frenos y por consiguiente, se reducen los costos de mantenimiento. La energía regenerada queda expresada por la siguiente ecuación: E REGENERADA
= REGENERADO
e
P REGENERADA
=
1 1 mV 2 mV 02 2 2
dE REGENERADA dt
102
e
= REGENERADO
m V a
donde P REGENERADA = Potencia Regenerada [W ] E REGENERADA = Energía Regenerada [J ] m = Masa Total del Vehículo [Kg] m a = Aceleración del vehículo 2 s m V = Velocidad del Vehículo s m V 0 = Velocidad Incial s e REGENERADO = Eficiencia de Regeneración
Estas ecuaciones expresan cuánta energía se puede regenerar al pasar de una velocidad V 0 a una velocidad V. Además se puede calcular cuál es la potencia que se está regenerando en cada instante mediante su velocidad y desaceleración. A modo de ejemplo, se calculará cuánta energía se puede regenerar al frenar un vehículo desde una velocidad de 60 Km/hr hasta 20 Km/hr, que es lo usual al utilizar un vehículo. La energía de este frenado para el vehículo de esta memoria es de 41.128 [W hr], esto se calculó considerando una masa total del vehículo de 1500 [Kg] y una eficiencia del 80%. Esta energía es considerable si se piensa que en una ciudad se realizan varias veces este tipo de frenado. Por lo tanto, si se consideran 20 de estos frenados diarios, se puede deducir que se pueden recuperar 0.822 [kW hr] en un día. Ahora, si en la conducción diaria se incorpora algún plano inclinado, se puede generar aún más, puesto que la energía potencial gravitatoria se transformaría a energía eléctrica mediante el frenado regenerativo. Con lo anterior se puede decir que es un buen comienzo para su optimización y mejoramiento de rendimiento y autonomía. 5.2 SISTEMA DE SUPERVISIÓN Como cualquier sistema, un vehículo eléctrico debe ser capaz de proveer información al conductor. Esta información debe ser lo más precisa, rápida y confiable que se pueda lograr. A continuación, se muestran las variables de interés para un conductor: • Velocidad: El objetivo de ésta, es simplemente entregar la rapidez de desplazamiento del vehículo. Existe el velocímetro original del vehículo y generalmente es el que se mantiene. • Carga en la Batería: Su función es dar a conocer la cantidad de energía disponible en las baterías del vehículo. Esto se hace mediante una analogía 103
•
•
•
con un automóvil convencional y corresponde al nivel del estanque de bencina. Esta medición aún no ha sido implementada en el vehículo Lüfke I. Corriente: La medición de esta variable permite al conductor saber los niveles de corriente que se están utilizando y con esto también se puede estimar la potencia y energía consumida. Este sistema existe sólo en el controlador, pero no es informado debidamente al conductor y no se ha implementado para el Lüfke I. Temperatura del Motor: Esta medida tiene un carácter de seguridad, ya que, cuando un motor sobrepasa una cierta temperatura pierde efectividad, vida útil y hasta se puede dañar gravemente. Esta medida actualmente no existe y es importante crear un sistema de medición que permita mantener informado al conductor. RPM del Motor: Su función es saber a cuantas revoluciones por minuto se encuentra el motor, lo que equivale a un tacómetro. Esto puede servir como otra variable de eficiencia, ya que, a mayor RPM, mayor es el voltaje, luego menor es la corriente. Además no se debe sobrepasar la máxima velocidad del motor, puesto que puede sufrir daños. Este sistema no ha sido aún implementado en el Lüfke I.
Este vehículo tiene algunos sistemas de medición funcionando correctamente, pero otros no lo están. Por lo tanto, existe la propuesta de generar nuevos sistemas de medición confiables que permitan informar al conductor de todas las variables del vehículo. Además de esto, actualmente la interfaz utilizada con el usuario es un computador portátil que fue colocado debajo del asiento del copiloto, el cual está conectado con el controlador y permite observar el estado de algunas variables. En general, una interfaz es la forma de mostrar diferentes mediciones y variables al conductor. Otra propuesta es la generación de un sistema novedoso y tecnológico de mostrar estos datos, ya sean procesados o en bruto. Este sistema permitiría realizar futuros controles automáticos y/o formas más eficientes de mostrar los datos al conductor del vehículo. Además se pueden incorporar alarmas, los cuales pueden avisar al conductor de posibles problemas o fallas, o quizás, simplemente los malos usos del vehículo.
104
5.3 INTEGRACIÓN DE INTELIGENCIA La integración de inteligencia es muy importante en este tipo de vehículo, puesto que, a veces, la intuitividad no es certera. Por lo tanto, siempre conviene incorporar sistemas con inteligencia, que permitan tomar decisiones para el buen funcionamiento y/o para la vida del sistema eléctrico, en forma rápida. Dentro de esta inteligencia, está lo antes mencionado, el procesamiento de datos y alarmas. Estas alarmas pueden ser muy útiles para el conductor, permitiendo mejorar el funcionamiento y vida del vehículo. Otra forma de inteligencia inteligencia es la integración de sistemas de control automático en el vehículo, el cual puede tomar decisiones importantes en el vehículo, ya sean de carácter eléctrico o mecánico. Estos sistemas de control permitirían manipular o proteger las partes del vehículo, evitando su excesivo uso en los puntos de operación. Además se pueden incorporar formas de interacción con el conductor, como por ejemplo la programación de los sistemas o simplemente que permita consultar algunas variables especiales. Dentro de la programación se pueden incluir sistemas preprogramados, ya sea en como se muestran los datos al conductor o en los sistemas de control. control. Otra parte importante de estos sistemas de inteligencia es la incorporación de sistemas de ayuda a la conducción, las cuales pueden aconsejar al conductor sobre la mejor ruta de viaje, rutas despejadas, rutas congestionadas o simplemente indicar su posición en un mapa de la ciudad. Es decir, este sistema serviría de apoyo para el conductor, pudiendo buscar direcciones para mejorar la ubicación del conductor, mejorando la rapidez para llegar a los diferentes d iferentes lugares. En fin, todos estos sistemas de inteligencia son para ayudar y mejorar la conducción, como también sus tiempos de viajes en la ciudad y evitando congestiones que malhumoran y estresan. 5.4 CONTROLADOR DE CAMBIOS Y VELOCIDAD Uno de los ámbitos más importante en el auto eléctrico es optimizar el consumo y maximizar el rendimiento. Desde este punto de vista, la creación de un control óptimo de los cambios del vehículo y de velocidad está enfocada a optimizar el funcionamiento del vehículo. Estos controladores pueden ser diseñados según las técnicas de control automático, tales como control difuso, control neuronal, control adoptivo, etc.
105
6 CONC CONCLUS LUSION IONES ES Y COM COMENTAR ENTARIO IOSS En este trabajo se ha abordado el estudio del funcionamiento y posibles optimizaciones de un vehículo eléctrico transformado a partir de un automóvil convencional. Este desarrollo se enmarca en los esfuerzos para el desarrollo de alternativas de transporte amigables con el medioambiente y de uso eficiente de la energía. El trabajo entrega una recopilación de información que permite establecer el estado del arte en torno al desarrollo de las distintas familias de vehículos eléctricos. Un resultado central en este trabajo corresponde a la redacción de un manual de conversión, el que contiene la mayor parte de la información necesaria para la conversión de un vehículo convencional a tracción eléctrica, el que incorpora las experiencias adquiridas en la construcción de “ “ Lüfke I” unido con los conocimientos de otros autores del tema. Este manual se sustenta en el capítulo del estado del arte presentado previamente, lo que permite tener presente las tecnologías actuales asociadas el tema del vehículo eléctrico. Este manual sirve de guía en las conversiones, mostrando las precauciones y cuidados que deben estar presentes en el momento de su ejecución. Como tercera etapa del trabajo se desarrolló un modelo eléctrico del circuito de tracción del vehículo, el cual fue validado y sintonizado a través de mediciones reales, permitiendo tener una nueva herramienta para trabajos futuros en el ámbito de diseño de nuevas mejoras al sistema de conversión. Este circuito cumple un papel primordial en estas conversiones, puesto que definirá la calidad de su funcionamiento y eficiencia. e ficiencia. Otro factor crítico en la conversión es la forma de interconexión de sus componentes. En esta memoria se muestra específicamente un error de funcionamiento en el circuito que se produjo por la interacción de un tipo de conexión (cableado) (cableado) y una resistencia res istencia parásita. El error de funcionamiento consistió en un fenómeno de sobrevoltaje observado en las fases de pruebas de “ Lüfke “ Lüfke I ”. ”. La resistencia parásita resultó, muy probablemente, corresponder al uso de una golilla inadecuada en una conexión al banco de baterías. El modelo eléctrico desarrollado en la memoria permite representar en forma cercana el comportamiento de las distintas variables eléctricas. Las diferencias 106
observadas entre el modelo y el funcionamiento real se explican con algunas simplificaciones realizadas en la representación de algunos componentes. El modelo mecánico construido en la memoria simula el funcionamiento mecánico del vehículo, mostrando la velocidad, aceleración y variables mecánicas del motor. Este modelo permite concluir que la velocidad máxima teórica del vehículo eléctrico es de aproximadamente 70 Km/Hr y la pendiente límite de subida es de 27.6º. Si este modelo se compara con el comportamiento real del vehículo, se puede constatar un error insignificante. Finalmente, se concluye que la conversión de vehículos convencionales a tracción eléctrica es una alternativa factible y, posiblemente podrá ser más eficiente, económica y tal vez masiva, utilizando las futuras tecnologías, ya sea en el contexto de un vehículo eléctrico puro o bien un vehículo híbrido. Estas tecnologías se encuentran en pleno desarrollo, invitando a la creación de nuevos trabajos en el Área de Energía de la Universidad de Chile. Desde este punto de vista queda mucho trabajo por emprender después de esta memoria, siendo fundamental el desarrollo de un sistema para la utilización de freno regenerativo, permitiendo mejorar la autonomía y el rendimiento del vehículo. Otro tema importante es el desarrollo de nuevos sistemas y partes para la optimización y mejoramiento de su funcionamiento, entre los que destaca un sistema de monitoreo y control, la fabricación de interruptores eficientes y la utilización de nuevos materiales de bajo peso y alta rigidez.
107
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110
8 ANEXOS 8.1 CÁLCULO DE PARÁMETROS MECÁNICOS DEL VEHÍCULO 8.1.1 Área Frontal
Figura 78: Foto de frontal del Vehículo Lüfke I
Para calcular el área frontal, se debe tomar el área efectiva que impacta con el aire y no se debe considerar considerar el espacio entre entre el suelo y el vehículo. vehículo. Por lo tanto tanto el área es: A = L arg o Ancho
Para este caso:
A = 1.5 (0.55 + 0.45) m 2
=
1.5 m 2
8.1.2 Radio Rueda El cálculo del radio de las ruedas se s e puede realizar de dos formas: 1. Medir en forma directa el diámetro d iámetro de la rueda 2. Calcular teóricamente utilizando el modelo del neumático. A continuación se explicará explicará la segunda forma, la cual es la que requiere requiere teoría. En primer lugar se debe entender el código del neumático, el cual es de la siguiente forma: 111
Figura 79: Código de Neumático Neumático
Donde: 1. Ancho de Neumático: Estos tres dígitos se refieren al ancho del neumático en milímetros. 2. Razón de Aspecto: Es la relación en % que existe entre el ancho y alto del neumático. Mientras más grande es el número, mayor es la altura del neumático. 3. Grado primario de Velocidad: Es la velocidad máxima del neumático especificada por el fabricante para la máxima carga. Este indicador se mueve entre las letras A (lento) ( lento) y Z (rápido). 4. Radial: La letra R significa Radial e indica que la construcción es del tipo radial-ply. La letra D significa diagonal e indica que la construcción es del tipo bias-ply. La letra B significa encintado e indica que la construcción es del tipo belted bias-ply. 5. Diámetro de Llanta: Este número indica sobre que tamaño de llanta se coloca el neumático. Se mide en pulgadas. 6. Carga Nominal: Es una escala relativa que indica cuál es el peso máximo que soporta el neumático cuando está inflado al máximo. 7. Barro y Nieve: La letra M (Mud-Barro) y S (Snow-Nieve) indican que esto neumáticos están certificados por el estándar de la Asociación de Fabricantes de Neumáticos para su uso en barro y nieve. Con esto, este vehículo tiene neumáticos 175/70R13, esto significa que su radio es 13 R = Altura Neumático + Radio Llanta = (0.175 0.7 ) + 0.0254 = 0.2876 [m] 2
El diámetro medido en el vehículo es de 0.54 [m], por lo cual el radio es de 0.27 [m]. Esto muestra que estos valores se parecen. En las simulaciones se utilizó en valor teórico de 0.2876 [m]. 112
8.1.3 Coeficientes de Rodado y Roce del Aire Las medidas tomadas en el vehículo son las que se muestran a continuación: Tiempo
Velocidad Tiempo
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
60 47 39 30 25 21 17 15 13 11
Aceleracion
2,5 7,5 12,5 17,5 22,5 27,5 32,5 37,5 42,5
Velocidad
-0,72222222 -0,44444444 -0,5 -0,27777778 -0,22222222 -0,22222222 -0,11111111 -0,11111111 -0,11111111
16,66666667 13,05555556 10,83333333 8,333333333 6,944444444 5,833333333 4,722222222 4,166666667 3,611111111
Con esto, se puede ajustar una cuadrática entre la aceleración y la velocidad del vehículo, obteniendo la siguiente ecuación: a = 0.0004 V 2 0.0378 V 0.0465 C d = 0.53, K 1 = 0.00378, K 0 = 0.00465 Estimando error en las mediciones se tiene que : C d = 0.4, K 1 = 0.001, K 0 = 0.001
8.2 CÁLCULO DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS 8.2.1 Parámetros de Cables Los cálculos de los parámetros de los cables utilizados AWG 4/0 se muestran a continuación: • Resistencia para cable AWG 4/0 de un metro de largo 1.67 10 8 [m] 1 [m] 4 R = = 1.55 10 [ ] 2 2 0.00585 [m ] •
Resistencia Cable 1: R = 7 1.55 10 4 = 1.085 10 3 []
•
Resistencia Cable 2: R = 1.55 10 4 []
•
Resistencia Cable 3: R = 2 1.55 10 4 = 3.1 10 4 []
•
Inductancia Cable 1: L = 2 7 ln 2 7
•
Inductancia Cable 2: L = 2 1 ln 2 1
3 7 10 [H] = 9.8 [ µ H] 0.00585 4
3 7 10 [H] = 1.01 [ µ H] 0.00585 4
113
•
Inductancia Cable 3: L = 2 2 ln 2 2
3 7 10 [H] = 2.3 [ µ H] 0.00585 4
8.2.2 Parámetros de Motor Los parámetros de motor son R A, LA, R C, LC, G, J y B. Estos parámetros se midieron de la siguiente forma: •
Resistencia de Armadura y Campo, R A y R C se midieron mediante un puente de Wheastone. Los valores medidos son los siguientes: R A=0.055 [`], R C=0.082 [`].
•
Inductancia de Armadura y Campo, L A+LC se calculó mediante una prueba de corriente. El circuito que se tiene es el mostrado en la Figura siguiente. El modelo de los cables seleccionados para este análisis, son una resistencia y una inductancia en serie. El circuito que se tiene es:
Figura 80: Circuito de Descarga del Sistema
Figura 81: Modelo del Circuito de Descarga del Sistema
La ecuación del sistema de primer orden de la Figura es el siguiente: R I & = I L
donde w=0 y V=0, y L=Suma de Inductancias, R=Suma de Resistencias. La constante de tiempo que existe entre el 100% y 1% de la corriente son entre 4 y 5 veces a. Esta constante de tiempo esta definida como 114
=
L R .
Entonces, se tiene que
t = 5 = 5
L R .
L = LCABLE 2 + LCABLE 3 + L A + LC Donde R = RCABLE 2 + RCABLE 3 + R A + RC
Para este método se necesita medir la curva de la corriente cuando se elimina el voltaje. Para esto, se aplicó voltaje con rotor bloqueado y con una corriente razonable (no sobre su nominal), para luego soltar el acelerador y hacer que el voltaje sea cero. Luego se observa la caída de la corriente. Para mejorar la estimación se recomienda cambiar el valor de R o de L del sistema corroborando que el valor obtenido es consistente. Las mediciones obtenidas son las siguientes:
164 195 108.5
90.8 ms
Figura 82: Medición de Corriente para Sistema
Figura 83: Medición de Corriente para Sistema con Inductancia Extra en Serie
En la Figura de la izquierda se muestra la corriente inicial y el tiempo que se demora en retornarla a cero para el circuito original. En la Figura de la derecha se le agregó una inductancia serie de 32 [ bH], la cual cambió levemente el tiempo de caída. El cálculo de la inductancia es el siguiente: • Caso 1: L + LCABLE 3 + L A + LC L L 90.8ms = 5 90.8 10 3 = 5 CABLE 2 R R RCABLE 2 + RCABLE 3 + R A + RC 90.8 10 3 ( RCABLE 2 + RCABLE 3 + R A + RC ) ( L A + LC ) = ( LCABLE 2 + LCABLE 3 ) 5 t = 5 = 5
115
90.8 10 3 (1.55 10 4 + 3.1 10 4 + 0.055 + 0.082 ) ( L A + LC ) = (1.01 + 2.3) 10 6 [H] 5 3 90.8 10 0.137465 ( L A + LC ) = 3.31 10 6 [H] 5 3 ( L A + LC ) = 2.49 10 [H] = 2.49 [mH]
•
Caso 2:
L L 108.5ms = 5 108.5 10 3 R R LCABLE 2 + LCABLE 3 + L A + LC + L EXTRA = 5 RCABLE 2 + RCABLE 3 + R A + RC 108.5 10 3 ( RCABLE 2 + RCABLE 3 + R A + RC ) ( L A + LC ) = ( LCABLE 2 + LCABLE 3 + L EXTRA ) 5 108.5 10 3 (1.55 10 4 + 3.110 4 + 0.055 + 0.082 ) ( L A + LC ) = 5 6 (1.01 + 2.3 + 32) 10 [H] 108.5 10 3 0.137465 ( L A + LC ) = 35.31 10 6 [H] 5 3 ( L A + LC ) = 2.94 10 [H] = 2.94 [mH] t = 5 = 5
Por lo tanto, la inductancia de motor es de aproximadamente 2.5 [mH]. Para calcular el valor de la Inductancia Rotacional G, se estimó obteniendo los datos de las curvas del fabricante. Los datos obtenidos y las ecuaciones utilizadas son: T = G I 2 y E = G I
116
La curva de datos del fabricante es la que se muestra a continuación:
Figura 84: Curva de datos del Fabricante
La tabla utilizada para este cálculo es: Torque (Kg*m) I (A) 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
I^2 (A^2)
E (V) w (RPM) I (A)
200 233 268 300 329 360 388 417 445 469 493 518 540 563 583 607 628
40000 54289 71824 90000 108372,64 129600 150156,25 173555,56 198025 220336,36 243049 268324 291600 316969 339889 368449 394384
67,1 66,1 65,5 64,4 64 63,8 62,5 61,9 61,4 60,5 60,1 60 59,1 58,6 58 57,6 57,2
G=
0,000221841
5200 4822 4555,5 4322,2 4144,4 4000 3811,1 3655,5 3511 3389 3267 3144 3055 2944 2844 2745 2657
200 233 268 300 329 360 388 417 445 469 493 518 540 563 583 607 628
-108908,5453 -117655,3676 -127849,6263 -135785,9177 -142872,9821 -150796,4474 -154650,2653 -159475,7568 -163613,6218 -166587,8304 -168664,8839 -170545,7554 -172756,18 -173570,062 -173630,7994 -174485,6268 -174734,9645
G=
0,00013988
Figura 85: Tabla de datos para cálculo de G
117
w*I (rad*A)
Con esto, se observa que los resultados de G varían un poco entre ellos, pero se tiene una buena estimación del orden de magnitud de este parámetro. Se decidió usar el parámetro G=0.000222 • Momento de Inercia J y Coeficiente de Fricción B: Se utilizó la ecuación mecánica de primer orden del motor. Esta ecuación es: J & = B + (T E T M ) , donde w es la velocidad angular, TE es el torque eléctrico y TM es el torque mecánico de carga. La primera prueba consiste en colocar un toque mecánico de carga cero (en vacío) y una velocidad constante. Si se tiene el motor en régimen permanente a velocidad constante, se debe medir la corriente y la velocidad del motor. Así, se tiene el torque eléctrico y la velocidad angular w. Con esto, se tiene el valor de B, puesto que la ecuación resultante es T E B = 0 . Las mediciones obtenidas se muestran a continuación y se calculó el valor de B para dos casos: - Caso 1:
15 A
30 ms
Figura 86: Corriente de Motor vs. Tiempo
Figura 87: Velocidad de Motor vs. Tiempo
Por lo tanto, I = 15 A, G = 0.000222, T E = 0.000222 152 = 0.04995 f =
1 30ms
=
33.33 Hz = 209.4
T rad B = E s w
118
=
0.04995 = 0.00024 209.4
- Caso 2:
22 A
40 ms
Por lo tanto, I = 22 A, G = 0.000222, T E = 0.000222 22 2 = 0.1074 f =
1 20ms
=
50 Hz = 314.1
T rad B = E s w
=
0.1074 = 0.00034 314.1
Por lo tanto, el valor de B se puede estimar en 0.0003. Se toma el valor de B como B=0.0003. Segunda prueba consiste en medir la constante de tiempo asociada a la disminución de la velocidad del motor. La ecuación que rige esta caída en la velocidad es & = B , puesto que se mide cuando ya la corriente es cero y J
en vacío. Así, se tendrá que t = 5 = J , por la teoría de sistemas lineales de B
primer orden. El tiempo asociado a esta caída en la velocidad del motor es de 8 segundos, desde una velocidad de 2000 RPM a 2 RPM (100% ->1%) aproximadamente. t = 8 seg = 5 =
J J 8 0.0003 8 = 5 J = = 0.00048 B 0.0003 5
119
8.3 SIMULACIONES REALIZADAS 8.3.1 Modelo Simplificado de Circuito Eléctrico 1 (Con el fenómeno de Sobrevoltaje) Las simulaciones realizadas con el modelo simplificado del circuito eléctrico 1, fueron realizadas para dos valores de R, R=1 [ `] y R=0.6 [`]. El modelo utilizado es el mostrado a continuación:
Figura 88: Modelo de Circuito Simplificado para Simulación
Este es el modelo del circuito simplificado para la simulación, el cual fue realizado en Simulink-MatLab, utilizando el ToolBox PowerSim. Este circuito será probado para diferentes valores de D, con los valores reales del motor, esto es, V = 72 [V], R int = 2 [ m`], R m = 0.15 [`], Lm = 2 [mH] y C=6800 [ bF] a una frecuencia para el PWM de 20 kHz, los cuales se muestran a continuación:
120
8.3.1.1
D = 0.1 0.1 (10% (10%)) y R = 1 [ P ]
Figura 89: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
Figura 90: Gráfico de Voltaje en el Condensador vs. Tiempo
121
Figura 91: Voltaje de Motor vs. Tiempo
Figura 92: Voltaje R vs. Tiempo
En los gráficos anteriores se puede observar que para un valor de R=1 [ `] y D=0.1, se tiene un sobrevoltaje de 7 volts aproximadamente, esto es, se tiene un voltaje en el PWM de 79 Volts. Con el cálculo teórico se tendrá un sobre voltaje de 8 volts (72/0.9=80). La diferencia entre el valor teórico y simulado se debe a que la ecuación no está considerando las pérdidas en las resistencias.
122
8.3.1.2
D = 0.5 0.5 (50% (50%)) y R = 1 [ P ]
Figura 93: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
Figura 94: Gráfico de Voltaje en el Condensador vs. Tiempo
123
Figura 95: Voltaje de Motor vs. Tiempo
Figura 96: Voltaje R vs. Tiempo
En los gráficos anteriores se observa que para un valor de R=1 [ `] y D=0.5, se tiene un sobrevoltaje de 43 volts aproximadamente, esto es, se tiene un voltaje de 115 Volts. Con el cálculo teórico se tendrá un sobre voltaje de 144 volts (72/0.5=144). La diferencia entre el valor teórico y simulado se debe a que la ecuación no está considerando las pérdidas en las resistencias. La diferencia entre estos valores aumenta debido al aumento de la corriente
124
8.3.1.3
D = 0.9 (90%) y R = 1 [ P ]
Figura 97: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
Figura 98: Gráfico de Voltaje en el Condensador vs. Tiempo
125
Figura 99: Voltaje de Motor vs. Tiempo
Figura 100: Voltaje R vs. Tiempo
En los gráficos anteriores se observa que para un valor de R=1 [ `] y D=0.9, se tiene un sobrevoltaje de 38 volts aproximadamente, esto es, se tiene un voltaje de 110 Volts. Con el cálculo teórico se tendrá un sobre voltaje de 720 volts (72/0.1=720). La diferencia entre el valor teórico y simulado se debe a que la ecuación no está considerando las pérdidas en las resistencias. En este caso las pérdidas son muy grandes, puesto que la corriente es grande. Se observa también que el condensador se carga y se descarga a su constante de tiempo, la cual depende, como se mencionó anteriormente, a la resistencia R principalmente.
126
8.3.1.4
D = 0.1 (10%) y R = 0.1 [ P ]
Figura 101: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
Figura 102: Gráfico de Voltaje en el Condensador vs. Tiempo
127
Figura 103: Voltaje de Motor vs. Tiempo
Figura 104: Voltaje R vs. Tiempo
En los gráficos anteriores se observa que para un valor de R=0.1 [ `] y D=0.1, se tiene un sobrevoltaje de 3 volts aproximadamente, esto es, se tiene un voltaje en el PWM de 75 Volts. Para este valor R no se puede utilizar la ecuación teórica, puesto que el valor de R es pequeño, por lo que la constante de tiempo del condensador es pequeña, haciendo que el condensador se mueva más rápido y permitiendo que las corrientes sean mayores.
128
8.3.1.5
D = 0.5 (50%) y R = 0.1 [ P ]
Figura 105: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
Figura 106: Gráfico de Voltaje en el Condensador vs. Tiempo
129
Figura 107: Voltaje de Motor vs. Tiempo
Figura 108: Voltaje R vs. Tiempo
En los gráficos anteriores se puede observar que para un valor de R=0.1 [ `] y D=0.5, se tiene un sobrevoltaje de 8 volts aproximadamente, esto es, se tiene un voltaje de 80 Volts. En estos gráficos, se puede ver que la variación de voltaje en el condensador es de mayor velocidad, puesto que la constante de tiempo es pequeña. Como el condensador intenta mantener el voltaje constante, la corriente aumenta grandemente, pero como R es pequeño el sobre voltaje disminuye con respecto a utilizar una resistencia mayor.
130
8.3.1.6 D = 0.9 (90%) y R = 0.1 [ P ]
Figura 109: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
Figura 110: Gráfico de Voltaje en el Condensador vs. Tiempo
131
Figura 111: Voltaje de Motor vs. Tiempo
Figura 112: Voltaje R vs. Tiempo
En los gráficos anteriores se observa que para un valor de R=0.1 [ `] y D=0.9, se tiene un sobrevoltaje de 2 volts aproximadamente, esto es, se tiene un voltaje de 74 Volts. En este caso las pérdidas son muy grandes, puesto que la corriente es grande, haciendo que para un valor grande de D se tenga un menor voltaje. Se observa también que el condensador se carga y descarga a su constante de tiempo, la que depende, como se mencionó anteriormente, a la resistencia R. Hay que observar que las corrientes que cargan y descargan al condensador son de 100 Amperes para D=0.5 y de 50 para D=0.9, haciendo que el condensador pueda compensar de mejor forma los cambios bruscos de voltaje en la inductancia. 132
8.3.1.7 D = 0.1 (10%) y R = 0.0001 [ P ]
Figura 113: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
Figura 114: Gráfico de Voltaje en el Condensador vs. Tiempo
133
Figura 115: Voltaje de Motor vs. Tiempo
Figura 116: Voltaje R vs. Tiempo
En los gráficos anteriores se observa que para un valor de R=0.0001 [ `] y D=0.1, ya no se tiene sobrevoltaje, esto es, el voltaje en el PWM baja por efecto de las resistencias. Para este valor de R se tiene que el efecto de sobrevoltaje desaparece, puesto que R es muy pequeño haciendo que el condensador pueda cargarse y descargarse en forma muy rápida, permitiendo que el valor de la corriente aumente a valores grandes. En este caso, la corriente por el condensador es de 350 Amperes.
134
8.3.1.8
D = 0.5 (50%) y R = 0.0001 [ P ]
Figura 117: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
Figura 118: Gráfico de Voltaje en el Condensador vs. Tiempo
135
Figura 119: Voltaje de Motor vs. Tiempo
Figura 120: Voltaje R vs. Tiempo
En los gráficos anteriores se puede observar que para un valor de R=0.0001 [ `] y D=0.5, reaparece el sobrevoltaje, pero no en forma significativa. En estos gráficos, se puede ver que la variación de voltaje en el condensador es de mayor velocidad, puesto que la constante de tiempo es pequeña y permite mantener su voltaje lo más constante posible. Como el condensador intenta mantener el voltaje constante, la corriente aumenta grandemente, pero como R es pequeño el sobre voltaje disminuye con respecto a utilizar una resistencia mayor.
136
8.3.1.9
D = 0.9 (90%) y R = 0.0001 [ P ]
Figura 121: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
Figura 122: Gráfico de Voltaje en el Condensador vs. Tiempo
137
Figura 123: Voltaje de Motor vs. Tiempo
Figura 124: Voltaje R vs. Tiempo
En los gráficos anteriores se puede observar que para un valor de R=0.0001 [ `] y D=0.9, sigue estando el sobrevoltaje. En este caso las pérdidas son muy grandes, puesto que la corriente es grande, haciendo que para un valor grande de D se tenga un menor voltaje. Se debe observar también que el condensador se carga y se descarga a su constante de tiempo, la cual depende, como se mencionó anteriormente, a la resistencia R principalmente.
138
8.3.2 Modelo Completo de Circuito Eléctrico 1 (Con el fenómeno de Sobrevoltaje) Las simulaciones realizadas con el modelo completo del circuito eléctrico 1, fueron realizadas para dos valores de R, R=0.3 [ `] y R=0.6 [`]. El modelo utilizado es el mostrado a continuación:
Figura 125: Modelo Eléctrico Simplificado en Simulink-Matlab de Circuito de Auto Eléctrico 1
Este es el modelo del circuito completo utilizado para la simulación, el que fue realizado en Simulink-MatLab y el ToolBox PowerSim. Este circuito es probado para diferentes valores de D, con los valores reales del motor, esto es, V = 76 [V], R int = 2 [ m`], R m = 0.15 [`], Lm = 2 [mH] y C=6800 [ bF] a una frecuencia para el PWM de 20 kHz, los cuales se muestran a continuación:
139
8.3.2.1
D = 0.06 (6%) y R = 0.3 [ P ]
Figura 126: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
8.3.2.2
D = 0.1 (10%) y R = 0.3 [ P ]
Figura 127: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
140
8.3.2.3
D = 0.2 (20%) y R = 0.3 [ P ]
Figura 128: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
8.3.2.4
D = 0.3 (30%) y R = 0.3 [ P ]
Figura 129: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
141
8.3.2.5
D = 0.06 (6%) y R = 0.6 [ P ]
Figura 130: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
8.3.2.6 D = 0.1 (10%) y R = 0.6 [ P ]
Figura 131: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
142
8.3.2.7 D = 0.2 (20%) y R = 0.6 [ P ]
Figura 132: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
8.3.2.8
D = 0.3 (30%) y R = 0.6 [ P ]
Figura 133: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
143
8.3.3 Modelo Completo de Circuito Eléctrico 2 (Sin el fenómeno de sobrevoltaje) Las simulaciones realizadas con el modelo completo del circuito eléctrico 2, fueron realizadas para distintos valores de D. El modelo utilizado es el mostrado a continuación:
Figura 134: Modelo Eléctrico Simplificado en Simulink-Matlab de Circuito de Auto Eléctrico 2
Este es el modelo del circuito completo utilizado para la simulación, el cual fue realizado en Simulink-MatLab y el ToolBox PowerSim. Este circuito será probado para diferentes valores de D, con los valores reales del motor, esto es, V = 76 [V], R int = 2 [ m`], R m = 0.15 [`], Lm = 2 [mH] y C=6800 [ bF] a una frecuencia para el PWM de 20 kHz, los cuales se muestran a continuación:
144
8.3.3.1
D = 0.06 (6%)
Figura 135: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
8.3.3.2
D = 0.1 (10%)
Figura 136: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
145
8.3.3.3
D = 0.2 (20%)
Figura 137: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
8.3.3.4
D = 0.3 (30%)
Figura 138: Gráfico de Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo
146
8.3.4 Simulación de Modelo Mecánico A continuación se muestran las simulaciones del modelo mecánico del vehículo, donde se exponen todas las variables relevantes del sistema y están divididas por cambio de velocidad. •
Cambio 1
Figura 139: Corriente de Motor vs. Tiempo
147
Figura 140: Potencia vs. Tiempo
Figura 141: Velocidad de Vehículo vs. Tiempo
148
Figura 142: Torque de Motor y Resistivo vs. Tiempo •
Cambio 2
Figura 143: Corriente de Motor vs. Tiempo
149
Figura 144: Potencia vs. Tiempo
Figura 145: Velocidad de Vehículo vs. Tiempo
150
Figura 146: Torque de Motor y Resistivo vs. Tiempo •
Cambio 3
Figura 147: Corriente de Motor vs. Tiempo
151
Figura 148: Potencia vs. Tiempo
Figura 149: Velocidad de Vehículo vs. Tiempo
152
Figura 150: Torque de Motor y Resistivo vs. Tiempo •
Cambio 4
Figura 151: Corriente de Motor vs. Tiempo
153
Figura 152: Potencia vs. Tiempo
Figura 153: Velocidad de Vehículo vs. Tiempo
154
Figura 154: Torque de Motor y Resistivo vs. Tiempo
Con los gráficos anteriores se puede observar que las velocidades máximas de cada cambio está dado por la máxima potencia que puede consumir el motor y por lo tanto los niveles de corriente. En estas simulaciones no se tomaron en cuenta esas restricciones, por eso para el cambio 1 su velocidad máxima teórica es de 70 km/hr, pero eso dice que en la realidad se llegue a esa velocidad. También se debe considerar que la diferencia del torque del motor y resistivo va disminuyendo a medida que los cambios aumentan. Sin embargo, en todos los cambios se tienen buenas aceleraciones que dependen fuertemente de las corrientes peaks máximas que son permitidas por el controlador.
155
8.4 MEDICIONES REALIZADAS EN EL VEHÍCULO 8.4.1 Circuito Eléctrico 1 (Con el fenómeno de Sobrevoltaje) Las mediciones realizadas en el vehículo con el circuito eléctrico 1, fueron realizadas para dos valores de R, R=0.3 [ `] y R=0.6 [`]. Las mediciones de cada caso son las que muestran a continuación: •
D=0.06 y R=0.3
Figura 155: Voltaje entre B+ y B-y Voltaje entre M- y B- vs. Tiempo, 20 V/div, 1 us/div, ( W>) Tierra
156
Figura 156: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo 20 V/div, 1 us/div, ( W>) Tierra
Figura 157: Corriente por B- y Batería vs. Tiempo 100 mV/div, 1 us/div, ( W>) Tierra
157
•
D=0.1 y R=0.3
Figura 158: Voltaje entre B+ y B-y Voltaje entre M- y B- vs. Tiempo 20 V/div, 2.5 us/div, ( W>) Tierra
Figura 159: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo 20 V/div, 2.5 us/div, ( W>) Tierra
158
Figura 160: Corriente por B- y Batería vs. Tiempo 100 mV/div, 2.5 us/div, ( W>) Tierra •
D=0.2 y R=0.3
Figura 161: Voltaje entre B+ y B-y Voltaje entre M- y B- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
159
Figura 162: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
Figura 163: Corriente por B- y Batería vs. Tiempo 100 mV/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
160
•
=0.3 y R=0.3
Figura 164: Voltaje entre B+ y B-y Voltaje entre M- y B- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
Figura 165: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
161
Figura 166: Corriente por B- y Batería vs. Tiempo 100 mV/div, 5 us/div, ( W>) Tierra •
D=0.4 y R=0.3
Figura 167: Voltaje entre B+ y B-y Voltaje entre M- y B- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
162
Figura 168: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
Figura 169: Corriente por B- y Batería vs. Tiempo 100 mV/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
163
•
D=0.06 y R=0.6
Figura 170: Voltaje entre B+ y B-y Voltaje entre M- y B- vs. Tiempo 20 V/div, 1 us/div, ( W>) Tierra
Figura 171: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo 20 V/div, 1 us/div, ( W>) Tierra
164
Figura 172: Corriente por B- y Batería vs. Tiempo 50 mV/div, 1 us/div, ( W>) Tierra •
D=0.1 y R=0.6
Figura 173: Voltaje entre B+ y B-y Voltaje entre M- y B- vs. Tiempo 20 V/div, 2.5 us/div, ( W>) Tierra
165
Figura 174: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo 20 V/div, 2.5 us/div, ( W>) Tierra
Figura 175: Corriente por B- y Batería vs. Tiempo 100 mV/div, 2.5 us/div, ( W>) Tierra
166
•
D=0.2 y R=0.6
Figura 176: Voltaje entre B+ y B-y Voltaje entre M- y B- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
Figura 177: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
167
Figura 178: Corriente por B- y Batería vs. Tiempo 100 mV/div, 5 us/div, ( W>) Tierra •
D=0.3 y R=0.6
Figura 179: Voltaje entre B+ y B-y Voltaje entre M- y B- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
168
Figura 180: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
Figura 181: Corriente por B- y Batería vs. Tiempo 100 mV/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
169
•
D=0.4 y R=0.6
Figura 182: Voltaje entre B+ y B-y Voltaje entre M- y B- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
Figura 183: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
170
Figura 184: Corriente por B- y Batería vs. Tiempo 100 mV/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
8.4.2 Circuito Eléctrico 2 (Sin el fenómeno de Sobrevoltaje) Las medidas tomadas en el vehículo con el circuito eléctrico 2 fueron tomadas para el motor en vacío y con el sistema funcionando correctamente. Las medidas tomadas son las que muestran a continuación co ntinuación::
171
•
D=0.06
Figura 185: Voltaje entre B+ y B-y Voltaje entre M- y B- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
Figura 186: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
172
Figura 187: Corriente por B- y Batería vs. Tiempo 50 mV/div, 5 us/div, ( W>) Tierra •
D=0.1
Figura 188: Voltaje entre B+ y B-y Voltaje entre M- y B- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
173
Figura 189: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
Figura 190: Corriente por B- y Batería vs. Tiempo 50 mV/div, 2.5 us/div, ( W>) Tierra
174
•
D=0.2
Figura 191: Voltaje entre B+ y B-y Voltaje entre M- y B- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
Figura 192: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
175
Figura 193: Corriente por B- y Batería vs. Tiempo 20 mV/div, 2.5 us/div, ( W>) Tierra •
D=0.3
Figura 194: Voltaje entre B+ y B-y Voltaje entre M- y B- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
176
Figura 195: Voltaje entre B+ y M- vs. Tiempo 20 V/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
Figura 196: Corriente por B- y Batería vs. Tiempo 50 mV/div, 5 us/div, ( W>) Tierra
177
8.5
FOTOS DEL VEHÍCULO “ LÜFKE I ”
Figura 197: Foto completa de “ Lüfke I ”
Figura 198: Foto del interior de “ Lüfke I ”
178
