DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ TRABAJO DE TITULACIÓN, PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ TEMA: “IMPLEMENTACIÓN E INVESTIGACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE OPERACIÓN DE UN VEHÍCULO ELÉCTRICO CON FRENO REGENERATIVO” AUTORES: RODRÍGUEZ ORTIZ, JOSÉ LUIS VASQUEZ GUAÑA, LUIS GALO DIRECTOR: ING. ERAZO LAVERDE, WASHIGTON GERMÁN LATACUNGA 2018 II DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ CERTIFICACIÓN Certifico que el trabajo de titulación, “IMPLEMENTACIÓN E INVESTIGACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE OPERACIÓN DE UN VEHÍCULO ELÉCTRICO CON FRENO REGENERATIVO” fue realizado por los señores José Luis Rodríguez Ortiz y Luis Galo Vasquez Guaña, el mismo que ha sido revisado en su totalidad, analizado por la herramienta de verificación de similitud de contenido, el mismo que cumple con los requisitos teóricos, técnicos, metodológicos y legales establecidos por la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE. Razón por la cual me permito autorizar a los señores para que lo sustente públicamente. Latacunga, 22 de noviembre del 2018 III DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ AUTORÍA DE RESPONSABILIDAD Nosotros, Rodríguez Ortiz José Luis con cedula de ciudadanía 1718977612 y Vasquez Guaña Luis Galo con cédula de ciudadanía 1723365811 declaramos que este trabajo de titulación “IMPLEMENTACIÓN E INVESTIGACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE OPERACIÓN DE UN VEHÍCULO ELÉCTRICO CON FRENO REGENERATIVO” es de nuestra autoría y responsabilidad cumpliendo con los requisitos teóricos, técnicos, metodológicos y legales establecidos por la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, respetando los derechos intelectuales de terceros referenciando en la mencionas bibliográficas. Consecuentemente el contenido de la investigación realizada nos declaramos responsables Latacunga 22 de noviembre del 2018 IV DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ AUTORIZACIÓN Nosotros, Rodríguez Ortiz José Luis con cedula de ciudadanía 1718977612 y Vasquez Guaña Luis Galo con cédula de ciudadanía 1723365811 autorizamos a la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE publicar el trabajo de titulación “IMPLEMENTACIÓN E INVESTIGACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE OPERACIÓN DE UN VEHÍCULO ELÉCTRICO CON FRENO REGENERATIVO” en el repositorio de la institución, cuyo contenido, ideas y criterios son de nuestra autoría y responsabilidad. V DEDICATORIA El presente trabajo de titulación dedico a mis padres por el apoyo constante en este camino a la culminación de mi carrera ya con ejemplos y consejos me han guiado a lo largo de esta etapa permitiéndome alcanzar y lograr una meta más A toda mi familia la cual estuvo siempre presente en todo momento dándome ánimos y apoyo, a mis sobrinos en los cuales encuentro la motivación para seguir adelante en todas las metas propuestas A todas las personas que estuvieron ahí en los momentos bueno y malos en el transcurso de esta etapa de vida. José Luis Rodríguez Ortiz VI DEDICATORIA Dedico el presente trabajo a mis padres por haberme dado el ejemplo de lucha y perseverancia en todos los años de mi instrucción, siendo un apoyo incondicional ayudándome a cumplir todas las metas. A mis hermanos por haberme brindado sus conocimientos, siendo mis instructores en los momentos en que más he necesitado siendo un gran apoyo en mi vida. A todos mis amigos, compañeros y las personas que me estuvieron cerca durante el transcurso de la vida como estudiante y personal. Luis Galo Vásquez Guaña VII AGRADECIMIENTO Agradezco especialmente a mis padres abuelitos y sobrinos los cuales, con ejemplo, concejos y muchos ánimos me motivan cada día para esforzarme y conseguir una meta más. José Luis Rodríguez Ortiz VIII AGRADECIMIENTO A mis padres y hermanos por haberme apoyado durante mi vida, brindándome la oportunidad de tener una profesión para defenderme en la vida. Luis Galo Vásquez Guaña IX ÍNDICE DE CONTENIDOS CARÁTULA CERTIFICACIÓN ............................................................................................... II AUTORÍA DE RESPONSABILIDAD ................................................................. III AUTORIZACIÓN ............................................................................................... IV DEDICATORIA ................................................................................................... V DEDICATORIA .................................................................................................. VI AGRADECIMIENTO ........................................................................................ VII AGRADECIMIENTO ....................................................................................... VIII ÍNDICE DE CONTENIDOS ................................................................................ IX ÍNDICE DE TABLAS ...................................................................................... XVI ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................... XIX ÍNDICE DE ECUACIONES........................................................................... XXIV RESUMEN ..................................................................................................... XXV ABSTRACT .................................................................................................. XXVI CAPÍTULO I MARCO METODOLÓGICO DE LA INVESTIGACIÓN 1.1 Antecedentes investigativos ................................................................ 27 1.2 Planteamiento del problema ................................................................ 29 X 1.3 Justificación e importancia ................................................................... 31 1.4 Objetivos .............................................................................................. 32 1.4.1 Objetivo general ................................................................................... 32 1.4.2 Objetivos específicos ........................................................................... 32 1.5 Metas ................................................................................................... 33 1.6 Hipótesis .............................................................................................. 33 1.7 Variable de investigación ..................................................................... 33 1.7.1 Variable independiente ........................................................................ 33 1.7.2 Variable dependiente ........................................................................... 33 1.8 Metodología de la investigación ........................................................... 35 CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 2.1 Matriz energética en el campo automotriz ........................................... 39 2.2 Aprovechamiento de energías renovables en Ecuador ....................... 39 2.3 Vehículo Eléctrico ................................................................................ 40 2.3.1 Ventajas de un vehículo eléctrico ........................................................ 42 2.3.2 Desventajas de un vehículo eléctrico ................................................... 44 2.4 Operación de un vehículo eléctrico ...................................................... 44 2.5 Clasificación de los vehículos eléctricos .............................................. 45 2.5.1 Clasificación por fuente de energía o repostaje ................................... 45 2.5.2 Clasificación por componentes ............................................................ 46 2.5.3 Categorías de vehículos eléctricos: por aplicaciones EV ..................... 46 2.5.4 Por fuente de energía o repostaje........................................................ 46 2.6 Monitoreo de vehículos eléctricos ........................................................ 49 XI 2.7 Componentes del vehículo eléctrico .................................................... 50 2.7.1 Convertidor de energía ........................................................................ 51 2.7.2 Tipos de Convertidores de energía ...................................................... 55 2.7.3 Conexiones de alto voltaje ................................................................... 58 2.7.4 Cables automotrices ............................................................................ 59 2.7.5 Conectores para vehículos eléctricos .................................................. 59 2.7.6 Unidad de control electrónico .............................................................. 63 2.7.7 Funciones de un controlador ............................................................... 65 2.7.8 Cargador a bordo ................................................................................. 67 2.7.9 Motor eléctrico ..................................................................................... 72 2.7.10 Batería (acumulador) ........................................................................... 78 2.7.11 Tipos de baterías ................................................................................. 79 2.7.12 Comparación de las prestaciones de los distintos tipos de baterías. ... 85 2.8 Costo de recarga de un vehículo eléctrico ........................................... 87 2.9 Cables eléctricos .................................................................................. 87 2.9.1 El alambre de PVC .............................................................................. 88 2.9.2 El alambre Reticulado .......................................................................... 88 2.10 Fuerza de tracción de un vehículo ....................................................... 90 2.10.3 Características aerodinámicas del vehículo ......................................... 95 2.11 Potencia requerida de un vehículo....................................................... 96 CAPÍTULO III LEVANTAMIENTO DE REQUERIMIENTOS E IMPLENTACIÓN DEL SISTEMA DE FRENO REGENENERATIVO 3.1 Predicción de prestaciones .................................................................. 97 XII 3.2 Requerimientos iniciales del vehículo .................................................. 97 3.3 Cálculo del área frontal del vehículo .................................................... 99 3.4 Fuerza de tracción total ....................................................................... 99 3.4.1 Fuerza de fricción entre los neumáticos y la superficie (Frr) ................ 99 3.4.2 La fuerza de resistencia al aire (Fad) .................................................... 99 3.4.3 Resistencia a la pendiente (Fhc) ......................................................... 101 3.5 Potencia requerida del vehículo ......................................................... 102 3.6 Selección del torque .......................................................................... 103 3.7 Componentes del Kit de conversión .................................................. 103 3.8 Selección del motor eléctrico ............................................................. 104 3.8.1 Parámetros de selección del motor eléctrico. .................................... 105 3.8.2 Especificaciones del motor Ac seleccionado ..................................... 107 3.8.3 Diagrama eléctrico motor AC ............................................................. 108 3.9 Selección del controlador ................................................................... 108 3.9.1 Especificaciones de controlador Enpower ......................................... 109 3.9.2 Diagrama eléctrico del controlador .................................................... 110 3.9.3 Pines de conexión .............................................................................. 111 3.9.4 Fallas en el controlador ...................................................................... 113 3.10 Selección del acelerador .................................................................... 114 3.10.1 Diagrama de conexión de acelerador ................................................ 115 3.11 Selección del interruptor .................................................................... 116 3.12 Parámetros de selección de cables ................................................... 116 3.13 Selección de conversor DC-DC ......................................................... 118 3.14 Selección del cargador de Baterías ................................................... 121 XIII 3.14.1 Diagrama de conexión cargador de baterías ..................................... 122 3.14.2 Fallas del cargador de baterías.......................................................... 124 3.15 Selección del generador de vacío ...................................................... 125 3.15.1 Diagrama de conexión de generador de vacío .................................. 126 3.16 Selección de reloj medidor de voltaje ................................................ 127 3.16.1 Diagrama de conexión. ...................................................................... 128 3.17 Selección del sistema de alto voltaje ................................................. 128 3.17.1 Diagrama de conexión de sistema de alto voltaje .............................. 131 3.18 Freno regenerativo ............................................................................. 131 3.19 Adaptación mecánica ......................................................................... 132 3.20 Ensamblaje e implementación del sistema de propulsión eléctrico. .. 134 3.20.1 Adaptador de motor hacia el volante de inercia ................................. 134 3.20.2 Búsqueda del estriado del motor. ...................................................... 137 3.20.3 Mecanizado del componente ............................................................. 138 3.20.4 Mecanizado del volante de inercia ..................................................... 140 3.20.5 Análisis del sistema de acoplamiento entre el motor eléctrico y la caja de cambios. ................................................................................ 141 3.21 Montaje del sistema de tracción al vehículo ...................................... 147 3.22 Soporte para las baterías de alto voltaje ............................................ 148 3.23 Fabricación del soporte de las baterías ............................................. 148 3.24 Ubicación del conector de recarga del vehículo ................................ 149 3.25 Esquema de ubicación de los componentes del kit de conversión eléctrico ............................................................................................. 150 XIV CAPÍTULO IV PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO 4.1 Prueba de Conversor DC/ DC............................................................ 153 4.1.1 Consumo de voltaje de conversor DC/ DC ........................................ 153 4.1.2 Consumo de tensión de batería de doce voltios ................................ 156 4.2 Medición de voltaje de las baterías cargadas .................................... 157 4.3 Pruebas de funcionamiento ............................................................... 158 4.3.1 Prueba de aceleración ....................................................................... 158 4.3.2 Prueba de carga de baterías ............................................................. 159 4.4 Pruebas de ruta ................................................................................. 161 4.4.1 Prueba en recta ................................................................................. 162 4.4.2 Prueba de freno regenerativo en pack de baterías (VDC ) .................. 164 4.4.3 Prueba de freno regenerativo desde el motor Ac .............................. 166 4.5 Prueba de autonomía ........................................................................ 168 4.5.1 Primera prueba .................................................................................. 169 4.5.2 Segunda Prueba ................................................................................ 172 4.5.3 Prueba en pendiente ascenso ........................................................... 180 4.6 Prueba de velocidad .......................................................................... 184 4.7 Determinación de potencia ................................................................ 186 4.8 Consumo de corriente en kwh ........................................................... 189 CAPITULO V MARCO ADMINISTRATIVO 5.1 Recursos ............................................................................................ 191 XV 5.1.1 Talento humano ................................................................................. 191 5.1.2 Recursos materiales .......................................................................... 191 5.1.3 Recursos tecnológicos ....................................................................... 193 5.1.4 Costo neto del proyecto ..................................................................... 193 CONCLUSIONES ........................................................................................... 195 RECOMENDACIONES .................................................................................. 199 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................... 200 XVI ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Operacionalización de la variable independiente. (Vehículo eléctrico) .. 34 Tabla 2 Operacionalización de la variable dependiente. (Energía limpia) ............ 34 Tabla 3 Metodología, instrumentación y laboratorios donde se llevará a cabo el proyecto. ................................................................................................ 37 Tabla 4 Características de vehículos con motor de combustión y vehículos de función eléctrica ..................................................................................... 41 Tabla 5 Características y tiempos de carga de vehículos eléctricos .................... 72 Tabla 6 Comparación de las prestaciones de los distintos tipos de baterías ....... 86 Tabla 7 Masa de los componentes del sistema a implementarse ....................... 98 Tabla 8 Parámetros de velocidad - resistencia al aire ........................................ 100 Tabla 9 Comparación de tres tipos de motores AC ............................................ 104 Tabla 10 Ponderación de cualidades ................................................................ 105 Tabla 11 Criterio de selección de motor Ac....................................................... 106 Tabla 12 Especificaciones técnicas del motor Ac ............................................. 107 Tabla 13 Selección del controlador ................................................................... 108 Tabla 14 Especificaciones técnicas de controlador ............................................ 109 Tabla 15 Diagnostico mediante señales audibles del controlador ..................... 114 Tabla 16 Especificaciones técnicas del acelerador ........................................... 115 Tabla 17 Características del cable automotriz .................................................. 117 Tabla 18 Selección de Convertidor de DC- DC ................................................. 118 Tabla 19 Criterio de selección del conversor DC/ DC ........................................ 119 XVII Tabla 20 Selección de cargador de baterías ...................................................... 121 Tabla 21 Criterio de selección de Cargador de baterías ................................... 121 Tabla 22 Características técnicas del cargador CH 4100-7220 ........................ 123 Tabla 23 Indicar de cargador de baterías ......................................................... 124 Tabla 24 Posibles fallas del cargador de baterías ............................................. 124 Tabla 25 Descripción de fallas de cargador de baterías ................................... 124 Tabla 26 Características técnicas generador de vacío ...................................... 126 Tabla 27 Características técnicas del reloj medidor de voltaje .......................... 127 Tabla 28 Selección de baterías ......................................................................... 130 Tabla 29 Criterio de selección de baterías ......................................................... 130 Tabla 30 Esfuerzos calculados .......................................................................... 137 Tabla 31 Datos técnicos de la manzana de Volkswagen gol modelo 2000 ....... 138 Tabla 32 Esfuerzos calculados del adaptador de la caja .................................. 144 Tabla 33 Consumo de voltaje del pack de baterías ........................................... 153 Tabla 34 Voltaje individual del pack de baterías ................................................ 157 Tabla 35 Parámetros de funcionamiento de Cargador de baterías .................... 160 Tabla 36 Tensión del pack de baterías cuando se encuentra conectado el cargador a bordo ............................................................................... 160 Tabla 37 Consumo de voltaje DC en una recta .................................................. 162 Tabla 38 Consumo de voltaje AC en una recta .................................................. 163 Tabla 39 Prueba de autonomía con freno regenerativo en la baterías .............. 165 Tabla 40 Regeneración de tensión y corriente AC en el motor eléctrico ............ 167 Tabla 41 Variación de tensión de baterías en ascenso ..................................... 170 XVIII Tabla 42 Consumo de corriente AC y voltaje (AC) en ascenso del motor AC ... 171 Tabla 43 Prueba de autonomía voltaje de baterías en 19.4 kilómetros de recorrido ............................................................................................ 173 Tabla 44 Consumo de voltaje AC – corriente AC en 20 kilómetros .................... 176 Tabla 45 Prueba en ascenso del vehículo, consumo de tensión del pack de baterías .............................................................................................. 181 Tabla 46 Consumo de corriente y tensión Ac en ascenso de 55º ...................... 182 Tabla 47 Prueba de consumo de corriente- distancia recorrida ......................... 185 Tabla 48 Potencia que genera el motor en una pendiente de 55º en ascenso .. 187 Tabla 49 Comparación de recorrido con gasolina vs electricidad ...................... 189 Tabla 50 Recursos Humanos ............................................................................. 191 Tabla 51 Recursos Materiales ........................................................................... 191 Tabla 52 Recursos Tecnológicos ....................................................................... 193 Tabla 53 Costo total del proyecto ....................................................................... 193 XIX ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Árbol de problemas ............................................................................. 30 Figura 2 Metodología aplicada ......................................................................... 35 Figura 3: Vehículo eléctrico ............................................................................... 41 Figura 5: Impacto medioambiental .................................................................... 43 Figura 6: Carga Inalámbrica de un vehículo eléctrico ........................................ 47 Figura 7: Carga con energía solar de un vehículo eléctrico............................... 48 Figura 8: Arquitectura del sistema de propulsión modular ................................. 51 Figura 9: Esquema general del convertidor ....................................................... 52 Figura 10: Funcionamiento del convertidor bidireccional en (a) modo boost (b) buck ................................................................................................... 53 Figura 11: (b) IGBT en ON, (c) IGBT en OFF .................................................... 54 Figura 12: Convertidor bidireccional Fuente:(Oropeza & Suárez, 2004) .......... 55 Figura 13: Convertidor bidireccional Flyback ....................................................... 56 Figura 14: Convertidor DC- DC ........................................................................... 57 Figura 15: Conexiones de alto voltaje ................................................................. 58 Figura 16: Conector Schuko ................................................................................ 60 Figura 17: Conector tipo 1 ................................................................................... 61 Figura 18: Conector tipo 1 ................................................................................... 62 Figura 19: Conector tipo 3 ................................................................................... 63 Figura 20: Unidad de control del tren de fuerza del vehículo eléctrico ................ 64 XX Figura 21: Modelado del motor de CC con el circuito del inducido alimentado por una batería .................................................................................. 65 Figura 22: Operación del cargador de batería integrado con la máquina de CA: (a) modo de propulsión; (b) modo de carga....................................... 68 Figura 23: Cargador de batería multifuncional ..................................................... 69 Figura 24: Relación de consumo- tiempo de recarga .......................................... 70 Figura 24: Tipos de carga para un VE ................................................................. 71 Figura 25: Motor con imanes montados en la superficie del rotor ..................... 74 Figura 26: Motor con imanes insertos en el rotor ................................................ 75 Figura 27: Rotor - Stator ...................................................................................... 77 Figura 28: Baterías de litio ................................................................................... 84 Figura 29 Diagrama de un vehículo en una pendiente ........................................ 92 Figura 30 Coeficiente de resistencia a la rodadura .............................................. 93 Figura 31 Coeficiente de penetración .................................................................. 94 Figura 32 Efecto de la fuerza de resistencia al aire - velocidad ........................ 100 Figura 33 Sistema de conversión de vehículo eléctrico ..................................... 104 Figura 34 Motor eléctrico AC ............................................................................. 107 Figura 35 Diagrama de conexión de motor AC .................................................. 108 Figura 36 Controlador Enpower ......................................................................... 109 Figura 37 Conexión eléctrica de Controlador .................................................... 110 Figura 37 Terminales con pernos de controlador .............................................. 111 Figura 39 Conexión de freno regenerativo......................................................... 113 Figura 40 Acelerador electrónico ...................................................................... 115 XXI Figura 41 Diagrama de conexión Acelerador electrónico ................................. 115 Figura 42 Cortacorriente .................................................................................... 116 Figura 43 Conversor DC/ DC ............................................................................ 119 Figura 44 Dimensionamiento de conversor DC/ DC .......................................... 120 Figura 45 Diagrama eléctrico del convertidor DC/ DC ....................................... 120 Figura 46 Cargador de baterías de alto voltaje .................................................. 122 Figura 47 Diagrama eléctrico de Cargador de baterías de alto voltaje ............. 122 Figura 48 Generador de vacío ........................................................................... 125 Figura 49 Diagrama de conexión de generador de vacío .................................. 126 Figura 50 Dimensionamiento de conversor DC/ DC .......................................... 127 Figura 51 Diagrama de conexión de reloj medidor ............................................ 128 Figura 52 Ciclo de vida de una batería plomo- ácido ......................................... 129 Figura 53 Diagrama de conexión de sistema de alto voltaje.............................. 131 Figura 54 Análisis de Von Mises ........................................................................ 135 Figura 55 Análisis de Desplazamiento ............................................................... 135 Figura 56 Análisis de Factor de seguridad........................................................ 136 Figura 57 Manzana de rueda Volkswagen gol ................................................... 138 Figura 58 Acople de motor eléctrico .................................................................. 139 Figura 59 Mecanizado de acople de motor eléctrico ......................................... 139 Figura 60 Volante de inercia San Remo ............................................................ 140 Figura 61 Mecanizado de volante de inercia ..................................................... 141 Figura 62 Análisis de Von Mises ........................................................................ 142 Figura 63 Análisis de desplazamiento ............................................................... 143 XXII Figura 64 Análisis de factor de seguridad .......................................................... 143 Figura 65 Corte de plancha de acople ............................................................... 145 Figura 66 Prueba de acoples y mecanizado ...................................................... 145 Figura 67 Sistema de embrague y acoples........................................................ 146 Figura 68 Sistema de tracción del vehículo san remo ....................................... 146 Figura 69 Montaje de motor en el vehículo ........................................................ 147 Figura 70 Bases de motor eléctrico ................................................................... 148 Figura 71 Vista de las base de las baterías ....................................................... 149 Figura 72 Punto de conexión para carga de baterías ........................................ 150 Figura 73 Esquema de ubicación de los componentes del vehículo ................. 151 Figura 74 Esquema de conexión de los componentes del vehículo .................. 152 Figura 75 Voltaje del pack de baterías .............................................................. 154 Figura 76 Descarga del pack de baterías .......................................................... 154 Figura 77 Carga de batería de 12 voltios ........................................................... 155 Figura 78 Carga de batería de 12 voltios ........................................................... 156 Figura 79 Tensión individual del pack de baterías ............................................. 156 Figura 80 Tensión individual del pack de baterías ............................................. 157 Figura 81 Proceso de carga del pack de baterías ............................................. 161 Figura 82 Recorrido de vehículo ........................................................................ 163 Figura 83. Recorrido del vehículo en una recta ................................................. 164 Figura 84. Recorrido de vehículo en descenso y plano. .................................... 165 Figura 85 Prueba de Freno regenerativo del vehículo descenso y plano. ......... 166 Figura 86 Tensión y corriente en la prueba de freno regenerativo del vehículo 167 XXIII Figura 87 Prueba de ruta 1 ................................................................................ 170 Figura 88 Prueba de ruta sin freno regenerativo ............................................... 171 Figura 89 Prueba de ruta sin freno regenerativo ............................................... 172 Figura 90 Prueba de ruta ................................................................................... 173 Figura 91 Voltaje consumido del pack de baterías en el recorrido del vehículo 175 Figura 92 Valores obtenidos en Ruta de prueba dos ......................................... 177 Figura 93 Ruta de prueba dos ........................................................................... 179 Figura 94 Potencia generada en la ruta ............................................................. 180 Figura 95 Prueba en ascenso de 55º ................................................................. 181 Figura 96 Prueba de pendiente en ascenso ...................................................... 182 Figura 97 Parámetros de funcionamiento de motor en pendiente ..................... 183 Figura 98 Parámetros de funcionamiento del motor y baterías en pendiente .... 184 Figura 99 Variación de velocidad con respecto a la calzada ............................ 185 Figura 100 Prueba de consumo de corriente en motor AC ................................ 186 Figura 101 Potencia generada por el vehículo .................................................. 188 Figura 102 Comparación de consumo de gasolina vs electricidad .................... 190 XXIV ÍNDICE DE ECUACIONES Ecuación 1 . Fuerza total ..................................................................................... 91 Ecuación 2 . Fuerza de resistencia del aire ......................................................... 92 Ecuación 3 . Fuerza de resistencia del aire ......................................................... 94 Ecuación 4 . Área frontal del vehículo ................................................................. 95 Ecuación 5 . Fuerzas causada por la inclinación del plano de la carretera ......... 95 Ecuación 6 .Potencia Necesaria .......................................................................... 96 Ecuación 7 . Potencia real ................................................................................... 96 Ecuación 8 . Área frontal del vehículo ................................................................. 99 Ecuación 9 . Fuerza de tracción ........................................................................ 101 Ecuación 10 .Potencia Requerida ..................................................................... 102 Ecuación 11 .Torque necesario ......................................................................... 103 Ecuación 12 .Selección de cables ..................................................................... 116 Ecuación 13 .Intensidad de baterías ................................................................. 128 Ecuación 14 .Factor de seguridad ..................................................................... 136 Ecuación 15 Velocidad máxima del vehículo .................................................... 158 Ecuación 16 Aceleración del vehículo ............................................................... 159 Ecuación 17 Tiempo de autonomía ................................................................... 168 Ecuación 18 Autonomía en Km ......................................................................... 169 Ecuación 19 Potencia generada por el motor.................................................... 187 XXV RESUMEN Los combustibles fósiles son la principal fuente de energía en el campo automotriz, pero a su vez este tipo de combustibles luego de combustionares en el motor genera gases de efecto invernadero, ante este problema la generación de nuevas alternativas para la movilización con ayuda de la electricidad se ha ido desarrollando en los últimos años. Esta investigación tiene el objetivo determinar los parámetros de operación de un vehículo eléctrico con frenado regenerativo para propender al uso de energías limpias La presente investigación está comprendida por 5 capítulos: En el estudio previo se determinó una causa importa en el medio ambiente, buscando una alternativa que sea sustentable y minimice la utilización de combustibles fósiles que permita brindar mejor calidad de vida, se vio la necesidad de implementar un sistema de movilidad que pueda adaptarse a las circunstancias cotidianas, que sea más amigable con el planeta. Los componentes de un vehículo eléctrico son parte fundamental en la investigación, cumpliendo con las especificaciones obtenidas de los cálculos realizados, ya que en la implementación en un vehículo convencional son de estos accesorios los que se desea adquirir parámetros necesarios que permiten verificar los valores de consumo, potencia y autonomía que pueden llegar a alcanzar considerando también los factores geográficos a los que van a ser sometidos. Las pruebas en los que se verifican los parámetros esenciales se realizaron conforme a los datos obtenidos del vehículo en el que se adaptó el motor eléctrico, exigiendo sus máximas capacidades de prestación para obtener los datos, para realizar un análisis de resultados obteniendo una comparación con un vehículo equipado con motor de combustión interna. PALABRAS CLAVE  VEHÍCULO ELÉCTRICO  FRENOS REGENERATIVOS  ENERGÍAS RENOVABLES XXVI ABSTRACT Fossil fuels are the main source of energy in the automotive field but in turn this type of fuel after combustion in the engine generates greenhouse gases, in view of this problem the generation of new alternatives for mobilization with the help of electricity. Has been developing in recent years. This investigation has the objective to determine the operating parameters of an electric vehicle with regenerative braking to tend to the use of clean energies, the same one that is destined for future investigations of the University of the Armed Forces ESPE. The present investigation is comprised of 5 chapters: In the previous study an important cause was determined in the environment, looking for an alternative that is sustainable and minimizes the use of fossil fuels that allows providing a better quality of life, it was necessary to implement a mobility system that can be adapted to the Everyday circumstances, make it more friendly to the planet. The components of an electric vehicle are a fundamental part of the research, complying with the specifications obtained from the calculations made, since in the implementation of a conventional vehicle these accessories are those that want to acquire necessary parameters that allow to verify the consumption values, power and autonomy that can reach to reach considering also the geographic factors to which they are going to be submitted. The tests in which the essential parameters are verified were made according to the data obtained from the vehicle in which the electric motor was adapted, demanding its maximum performance capabilities to obtain the data, to perform an analysis of results obtaining a comparison with a Vehicle equipped with internal combustion engine. KEYWORDS:  ELECTRIC VEHICLE  REGENERATIVE BRAKES  RENEWABLE ENERGY 27 CAPÍTULO I MARCO METODOLÓGICO DE LA INVESTIGACIÓN 1.1 Antecedentes investigativos Las emisiones de gases de vehículos de combustión interna son la mayor fuente de contaminación medio ambiental y estos gases son causantes principales del efecto invernadero. (Kreuzer & Wilmsmeier, 2004) afirma: El agotamiento progresivo del petróleo limitado de nuestro planeta recursos y la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, son el factor de impulso en la adopción de vehículos eléctricos en todo el mundo. Esta tendencia también está respaldada por el deseo de reducir la dependencia de fuentes de combustible importadas. (p.10) Debido a la creciente contaminación atmosférica en las grandes ciudades y la crisis del petróleo, el sector automotriz tuvo un renovado interés por los vehículos eléctricos. El punto débil de los vehículos eléctricos siempre ha sido la fuente de energía de la cual depende, dando así limitaciones a la autonomía y prestaciones, pero en los últimos años se han generado nuevas tecnologías en la fuentes de almacenamiento que son las baterías, que hace algún tiempo atrás se utilizaban las baterías tradicionales de ácido/ plomo que a más de generar alto margen de contaminación ambiental sus proporciones no permite optimizar la independencia del 28 vehículo, con la mejora de las prestaciones tanto en tamaño como en eficiencia de baterías, la electrónica de potencia y el freno regenerativo han permitido a nuevos vehículos eléctricos seguir ganando terreno frente a los vehículos de combustión interna. (Rezvani, Jansson, & Bodin, 2015) afirman: Los vehículos eléctricos se están introduciendo actualmente como una solución para el problema de dependencia de combustibles fósiles, el aumento de las emisiones de dióxido de carbono (CO2) y otros problemas ambientales. El transporte por carretera contribuye a casi una quinta parte de las emisiones totales de la (Unión Europea) UE de CO2, el principal gas de efecto invernadero. Además, las emisiones de CO2 del transporte por carretera aumentaron aproximadamente un 23% entre 1990 y 2010 y siguen aumentando en la UE. Los vehículos livianos, automóviles y furgonetas (p.4). En los últimos años los vehículos eléctricos han dejado de ser considerados una quimera para convertirse en una prometedora realidad. A finales de 2010 alrededor de una treintena de modelos de este tipo de vehículos estaban listos para circular por las calles y a carreteas de diversos países, las expectativas son que esta cifra se incremente hasta cerca de setenta este mismo año y a algo más de un centenar el próximo. (Marcos et al., 2011, p.10). Mientras que los vehículos eléctricos (VE) han recibido una importante inversión de los gobiernos para apoyar el desarrollo tecnológico y las pruebas en condiciones reales, los niveles de captación hasta ahora han estado por debajo de las expectativas. Se reconoce ampliamente que esto se debe a una variedad de inquietudes que tienen 29 los posibles usuarios, incluidos el costo, el alcance, la confiabilidad y la disponibilidad para su uso.(Knowles, 2013, p.1). La tecnología ha tenido que evolucionar mucho para poder alimentar a los automóviles eléctricos a largas distancias y el proceso aún no ha terminado. En esta carrera por la evolución y la eficiencia, hay muchas preguntas que aún permanecen abiertas y una de ellas es lo que sucede al final del ciclo de vida de una batería y un motor eléctrico. A medida que aumente el número de automóviles eléctricos vendidos, también aumentará la cantidad de motores eléctricos y el desperdicio de la batería, lo que generará un mayor impacto en el medio ambiente.(Racz, Muntean, & Stan, 2015, p.1). 1.2 Planteamiento del problema El uso exagerado de combustibles fósiles, motores de combustión interna poco eficientes generan gases de efecto invernadero y contaminación ambiental esto conlleva a la búsqueda de nuevas tecnologías como los vehículos eléctricos que son un gran beneficio para el medio ambiente, con el cambio de la matriz productiva tiende al uso de energías limpias obtenidas de las hidroeléctricas que a través de instalaciones adecuadas pueden ser utilizadas por los vehículos eléctricos. Los vehículos con motores de combustión interna son los principal fuente de elementos contaminantes que afectan al medio ambiente, gases contaminantes como CO, NOx, por esta causa se desea implementar nuevas tecnologías que son amigables con el medio ambiente, una de ellas es el vehículo eléctrico que tenga las mismas prestaciones que un vehículo con motor de combustión interna para eliminar las 30 emisiones de gases y conseguir con más sustentables y a un futuro cercano el desplazamiento de los vehículos con motores que funcionen con combustibles fósiles. Figura 1: Árbol de problemas El futuro de los vehículos eléctricos depende tanto de decisiones gubernamentales que son la conservación del medio ambiente, impacto social, economía, leyes e intereses de la industria automotriz que conlleva a desarrollar nuevas tecnologías, pero al alcance del usuario. Los vehículos eléctricos son un tema de actualidad por lo que el problema a investigar es “LOS PÁRAMETROS DE OPERACIÓN DE UN VEHÍCULO ELÉCTRICO CON FRENADO REGENERATIVO” 31 1.3 Justificación e importancia La industria automotriz se ha ido actualizando considerablemente con la finalidad de mejorar su eficiencia y disminuir la contaminación ambiental, debido a esto se generó la necesidad de construir vehículos que funcionen con energías alternativas. El cambio de la matriz productiva del país incursiona en el uso de energía limpia a través de nuevas hidroeléctricas con las que cuenta el país, la industria automotriz ha desarrollado el vehículo eléctrico para aprovechar y potenciar esta ventaja al usar energía de bajo costo y a la vez minimice la contaminación ambiental para tratar de llegar a un punto de cero emisiones con la mejor y más óptima autonomía. Dadas las circunstancias se implementa motores eléctricos en los vehículos con el fin de reducir en su totalidad el uso y necesidad del motor de combustión interna que lleguen a obtener características técnicas parecidas o mejores de los motores de combustión donde aparece la necesidad y tendencia de la construcción de vehículos totalmente eléctricos, disminuyendo las emisiones de gases invernaderos al medio ambiente. La evolución de la tecnología automotriz en vehículos eléctricos a nivel mundial ha conllevado a que el país se involucre en avances tecnológicos y concientización al usar vehículos cuya fuente principal de accionamiento sean combustibles fósiles, debido a su alto nivel de contaminación y elevado costo al momento de obtener dichos combustibles ha conllevado a la industria automotriz a buscar nuevas fuentes de energía para 32 movilizar un vehículo reduciendo los niveles de gases de efecto invernadero gracias a nuevos avances tecnológicos que se ha desarrollado en el ámbito automotriz. 1.4 Objetivos 1.4.1 Objetivo general  Investigar los parámetros de operación de un vehículo eléctrico con frenado regenerativo para propender al uso de energías limpias. 1.4.2 Objetivos específicos  Obtener información y documentación confiable referente a vehículos eléctricos.  Determinar requerimientos básicos de componentes del vehículo eléctrico.  Seleccionar componentes eléctricos y electrónicos para el vehículo.  Realizar pruebas de funcionamiento de los componentes eléctricos y electrónicos del vehículo.  Realizar las pruebas de desplazamiento, consumo de corriente y voltaje.  Determinar los parámetros de eficiencia y carga del motor eléctrico en modo de freno regenerativo.  Obtener parámetros de operación del sistema de alta tensión, sistema de propulsión, sistema de conversión y sistema de carga.  Analizar resultados obtenidos para verificar la factibilidad de implementación en base a parámetros de pruebas físicas, tales como consumo de corriente, tiempo de autonomía en condiciones reales de vía. 33 1.5 Metas  Obtener un prototipo de vehículo eléctrico para lograr una eficiencia energética.  Estimar los costos de operación del vehículo en función al consumo de energía eléctrica.  Reducir los costos de uso de energía en un 30% en relación de un vehículo convencional de las mismas características  Verificar los consumos de corriente y voltaje para estimar costos de desplazamiento del vehículo eléctrico.  Obtener los parámetros de operación y funcionamiento del motor eléctrico tanto en su estado de propulsión como en su estado de freno regenerativo en un vehículo liviano.  Determinar la factibilidad de implementación de este tipo de proyectos. 1.6 Hipótesis La implementación de un sistema de prototipo de vehículo eléctrico permitirá reducir las emisiones, consumo de combustibles fósiles y propender al uso de energías limpias. 1.7 Variable de investigación 1.7.1 Variable independiente Vehículo eléctrico 1.7.2 Variable dependiente Energía limpia 34 Tabla 1 Operacionalización de la variable independiente. (Vehículo eléctrico) Concepto Categorías Indicadores Indicador Instrumentos Es un vehículo propulsado por motores eléctricos, usando energía eléctrica almacena en baterías recargables, las cuales la transforman en energía cinética Académico Tecnológico Consumo de voltaje Voltios Guías Protocolos Hoja de datos Pruebas Ecuación Académico Tecnológico Autonomía Tiempo Horas Guías Protocolos Pruebas Ecuación Encuestas Académico Tecnológico Frenado. Voltaje Guías Protocolos Pruebas Académico Tecnológico Potencia Kw Guías Protocolos Pruebas Ecuación Tabla 2 Operacionalización de la variable dependiente. (Energía limpia) Concepto Categoría Indicadores Indicador Instrumento Es un sistema de producción que no intervienen elementos contaminantes que sean peligrosos para el planeta tierra. Académico Tecnológico Consumo de voltaje Medición Experimentación Guías Protocolos Pruebas Ecuación Académico Tecnológico Costos Kw/ h Guías Protocolos Pruebas Ecuación 35 Académico Tecnológico Batería de alta tensión Voltios Hoja de datos Académico Tecnológico Costos de operación Medición Experimentación Guías Protocolos Consumo de corriente Amperio/ hora Protocolo Hoja de datos 1.8 Metodología de la investigación METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN DEL PROYECTO MÉTODO DEDUCTIVO MÉTODO INDUCTIVO MÉTODO COMPARATIVO MÉTODO EXPERIMENTAL MÉTODO DE MEDICIÓN MÉTODO DE MATEMATIZACIÓN Figura 2 Metodología aplicada  Método Inductivo Este método permitió determinar los parámetros de funcionamiento de cada uno de los componentes del sistema del vehículo eléctrico a través de equipos de tecnología 36 para establecer una base de datos del comportamiento energético de cada elemento eléctrico y electrónico.  Método Deductivo Con el análisis deductivo se obtuvo parámetros de voltaje - corriente características de los componentes en buen estado del sistema de alta tensión, inversor, sistema de propulsión, sistema de carga y se estableció conclusiones para el buen manejo del vehículo eléctrico. Método Comparativo Con la aplicación de este método se realizó la comparación de contaminación, gastos de adquisición de un vehículo convencional con un vehículo equipado con kit de conversión eléctrico para determinar si es factible el proyecto.  Método experimental. Con la ayuda del método experimental se realizó pruebas para obtener parámetros finales con ayuda de los equipos automotrices de cada componente electrónico o eléctrico de vehículo, para poseer información de voltajes, corrientes que necesitan los elementos para su funcionamiento.  Métodos de Medición A través del método de medición se obtuvo valores de voltajes, tiempos que requieren los sistemas para realizar su trabajo, el equipo de medición en circuitos electrónicos se utiliza para observar el comportamiento de un componente o circuito 37 bajo prueba. Este método se establece gracias a los equipos automotrices que se dispone en el laboratorio de Autotrónica.  Método de matematización. Una vez adquirido los resultados de la investigación, se calculó parámetros que se requiera para continuar y justificar de una forma científica las características que tenga cada componente eléctrico o electrónico a instalarse en el vehículo. Tabla 3 Metodología, instrumentación y laboratorios donde se llevará a cabo el proyecto. Táctica/Método Descripción Instrumento/Equipo Laboratorio Método Inductivo Este método se determinó los parámetros de funcionamiento de cada uno de los componentes del sistema del vehículo eléctrico a través de equipos de tecnología y se estableció una base de datos del comportamiento energético de cada elemento eléctrico y electrónico  Baterías, Inversor, motor, cargador  Computador Portátil Multímetro Automotriz.  Software  Laboratorio de Autotrónica Método Deductivo Con el análisis se obtuvo parámetros de voltaje - corriente características de los componentes en buen estado del sistema de alta tensión, inversor, sistema de propulsión, sistema de carga y se estableció conclusiones para el buen manejo del vehículo eléctrico.  Baterías, Inversor, motor, cargador  Computador Portátil Multímetro Automotriz.  Software  Laboratorio de Autotrónica Método Es experimental porque se  Baterías, Inversor, motor, cargador ●  Laboratorio de Autotrónica 38 experimental. necesitó realizar pruebas para obtener parámetros finales con ayuda de los equipos automotrices de cada componente electrónico o eléctrico de vehículo, para poseer información de voltajes, corrientes que necesitan los elementos para su funcionamiento.  Computador Portátil Multímetro Automotriz.  Software Método de Medición A través del método de medición se obtuvo valores de voltajes, tiempos que necesiten los sistemas para realizar su trabajo, El equipo de medición en circuitos electrónicos se utilizó para observar el comportamiento de un componente o circuito bajo prueba. Este método se establece gracias a los equipos automotrices que se dispone en el laboratorio de Autotrónica.  Baterías, Inversor, motor, cargador  Computador Portátil Multímetro Automotriz.  Software ●  Laboratorio de Autotrónica Método de matematización. Una vez adquirido los resultados de la investigación, se calculó parámetros que se requiera para continuar y justificar de una forma científica las características que tenga cada componente eléctrico o electrónico a instalarse en el vehículo.  Baterías, Inversor, motor, cargador  Computador Portátil Multímetro Automotriz.  Software  Laboratorio de Autotrónica 39 2. CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 2.1 Matriz energética en el campo automotriz De acuerdo (Betancourt, 2016) afirma que: “La Arconel sumando esfuerzos en la transformación de la matriz energética, sustituyendo el consumo de combustibles fósiles por el de energía limpia y renovable, realizó una socialización sobre el Modelo de gestión y esquema tarifario para vehículos eléctricos, con el fin de ir definiendo los parámetros normativos y tarifarios sobre los cuales se trabaja en conjunto con el Ministerio de Electricidad y Energía Renovable –MEER y el Ministerio Coordinador de la Producción, Empleo y Competitividad –MCPEC. El año pasado el Presidente de la República generó el compromiso presidencial donde se habla de todo el apoyo para la producción de vehículos 100% eléctricos; al hablar de la producción, hablamos no solo de incorporar vehículos eléctricos a circular sino también de generar la suficiente masa crítica para que esos vehículos eléctricos, en lo posible, puedan ser ensamblados, diseñados y fabricados en nuestro país, allá va este proceso” (p.3) 2.2 Aprovechamiento de energías renovables en Ecuador Según (Erazo, 2018) menciona: “La gran importancia de impulsar en el Ecuador el uso y desarrollo de energías renovables (solar, eólica, biomasa, mareomotriz, automotriz, geotérmica, micro hidráulica, energía azul, etc.), como alternativas a un desarrollo económico, social y ambiental sostenibles, nos induce a promover estos proyectos en el sector Público, Privado, Gremios de Profesionales, la Academia y otras Organizaciones en general.” (p.1) 40 En Ecuador se empezó a comercializar vehículos eléctricos desde el 26 de enero del presente año, sin embargo, existen limitantes para su adquisición, entre las más importantes está el rango de autonomía que poseen (la distancia que puede recorrer hasta su próxima recarga). Estudios del Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables (INER), al analizar vehículos de varias marcas se determinó una autonomía promedio de 147 km, cabe recalcar que dicha autonomía depende de las condiciones a las que estén sometidos, que tiene que ver con el tipo de conducción y su sistema particular. Aunque, tomando en cuenta el ritmo con el que se está innovando en este sector, es seguro que se podrá superar cualquier tipo de limitante a corto y mediano plazo.(Guamán, 2017 p.5) 2.3 Vehículo Eléctrico Se entiende por EVs aquel que utiliza uno o varios motores eléctricos para su tracción a partir de la energía eléctrica almacenada en baterías o acumuladores que se recargan desde la red eléctrica, en las baterías se almacena la energía de forma química que se transforma en energía eléctrica y posteriormente, a través del motor eléctrico, se convierte en energía mecánica. Para recargar las baterías, el EVs necesita conectarse a una toma de corriente eléctrica, ya sea de baja intensidad de corriente (recarga lenta) o de alta intensidad (recarga rápida). Entre sus principales características, el EV se destaca por su nula contaminación en los entornos urbanos. También cabe comentar su inexistente 41 contaminación acústica, así como los menores costos de uso y mantenimiento.(Ribas, 2012 p.1). Figura 3: Vehículo eléctrico Fuente:(Ecuavisa, 2015) Tabla 4 Características de vehículos con motor de combustión y vehículos de función eléctrica Los motores de combustión tienen una eficiencia entre un 15 al 20 %. Esto representa el aprovechamiento de la energía de solo 3- 4 litros de gasolina de cada 20 cargadas, el resto se pierde en el aire Vehículo con motor de combustión Vehículo de función eléctrico Eficiencia energética 15- 20% 75% Perfomance/ torque No lineal Lineal/ instantáneo Autonomía 450- 600 km 350km (actualmente en aumento) Posibilidad de recargar en casa No Si Posibilidad de recargar en la ruta Es lo usual toma 5 minutos Carga rápida y recambio de baterías (2014) 42 Acceso a fuentes de recarga Solo en estaciones de combustible Número de partes/ Costo de mantenimiento Alto Bajo Nivel de emisiones directas Alto Cero Fuente:(Gonzalez, 2015) 2.3.1 Ventajas de un vehículo eléctrico Los vehículos eléctricos son más eficientes que los convencionales propulsados por motores de combustión interna. Así lo indican los numerosos, estudios e informes técnicos que comparan el rendimiento de ambas tecnologías. Analizando los rendimientos ‘Desde el tanque a la rueda’ (Tank to Wheel), el rendimiento del VE (en este caso, sería desde las baterías a las ruedas) es notablemente superior al convencional (desde el depósito de combustible a las ruedas). En concreto, y enfocando la comparativa al ámbito habitual de funcionamiento de las flotas urbanas/ metropolitanas, el rendimiento de los VE es del orden del 83% mientras que en los motores diésel modernos de mejor tecnología disponible (EuroV, con stop-start, frenado regenerativo y otras mejoras de eficiencia), su eficiencia se sitúa alrededor del 33%. (Ribas, 2012 p.13). a) Impacto medio ambiental de un vehículo eléctrico. Los vehículos eléctricos no emiten ningún tipo de gases contaminantes durante su funcionamiento. Al igual que ocurre cuando hablamos de eficiencia energética, en el proceso ‘Tank to Wheel’ (del tanque a la rueda), el vehículo eléctrico muestra esta otra sustancial ventaja respecto a los vehículos de motor de combustión interna. Y no sólo en lo que al CO2 se refiere principal gas de emisión causante del calentamiento global 43 del planeta-, sino también de otros gases y partículas contaminantes nocivas para la salud de los habitantes de las ciudades y para el medio ambiente. Según estimaciones realizadas, con la introducción de 1.000 vehículos eléctricos en una ciudad se dejarían de emitir más 30.000 kg anuales de gases contaminantes (incluyendo CO, NOx, HC…) y más de 2 toneladas de CO2. (Ribas, 2012 p13). Figura 4: Impacto medioambiental Fuente: (Ribas, 2012) b) Impacto acústico de un vehículo eléctrico Junto a la polución provocada por los vehículos con motores de combustión interna, otro de los problemas asociados al tráfico de estos vehículos, sobre todo en entornos urbanos, es la contaminación acústica. En este capítulo, el vehículo eléctrico cuenta con una enorme ventaja: no emite prácticamente ruido alguno, aparte del ruido producido por la rodadura del propio vehículo, los motores eléctricos emiten muy pocos decibelios, apenas perceptibles. De esta forma, la implantación de los VE en las ciudades 44 transformaría las calles en un entorno mucho más amable y agradable para los peatones (Ribas, 2012 p 13). 2.3.2 Desventajas de un vehículo eléctrico (Ribas, 2012 p 14) Afirma: La ausencia de ruido provocado por los VE también es motivo de preocupación, ya que puede hacerlos imperceptibles para algunos vehículos como las motos, bicicletas o peatones que cruzan calles ‘de oído’. Estas críticas han hecho que algunos fabricantes estén estudiando la incorporación de algún tipo de sonido a sus futuros vehículos eléctricos, sobre todo en su circulación a bajas velocidades (por debajo de unos 20 o 30 km/h, enfocado especialmente para zonas de uso peatonal compartido. No es de sorprender que la invención y comercialización de EV fuera anterior a la de los vehículos con motor de combustión interna (ICE). La invención de ICE se remonta a 1860, hace más de 150 años, y los vehículos de ICE se comercializaron ampliamente en 1900. (p. 14). 2.4 Operación de un vehículo eléctrico Un vehículo eléctrico funciona de forma diferente a un vehículo con un motor C.I. Un vehículo totalmente eléctrico es alimentado por electricidad con una gran batería recargable, un motor eléctrico, un controlador que envía electricidad al motor desde el pedal del acelerador del conductor y un sistema de carga. Estas partes de un vehículo eléctrico reemplazan el motor CI, el tanque de combustible, la línea de combustible y el sistema de escape de una manera tradicional. Mientras que el motor de CI es 45 fundamental para el funcionamiento de un vehículo tradicional, la batería recargable que es fundamental para el funcionamiento de un vehículo eléctrico. Todos los vehículos eléctricos recargan sus baterías conectándolos a un tomacorriente doméstico o una estación de carga especial (Canis, 2013 p. 5) 2.5 Clasificación de los vehículos eléctricos Dependiendo de la fuente de energía / método de repostaje, los componentes específicos de EV mencionados anteriormente, y varias aplicaciones, los EV se pueden clasificar en muchas categorías, como se explicará en el siguiendo: 2.5.1 Clasificación por fuente de energía o repostaje Uno de los puntos de referencia de la clasificación EV es la fuente de energía o el método de reabastecimiento de energía, tales como reabastecimiento de combustible externo y generadores a bordo.  EVs de potencia alámbrica.  EVs de energía inalámbrica (WEV)  EVs solares / RF-accionados  EVs con intercambio de batería (BSEV)  Vehículos eléctricos con motor ICE. ICE a bordo  Transferencia de energía inalámbrica para vehículos eléctricos y dispositivos móviles EVs alimentados por celdas de combustible  Vehículos eléctricos de propulsión nuclear 46 2.5.2 Clasificación por componentes  Batería.  Supercap  Volante  Almacenamiento de energía híbrida  Inversor-motor AC  Chopper-DC motor. 2.5.3 Categorías de vehículos eléctricos: por aplicaciones EV  Se pueden clasificar en aplicaciones como vehículos eléctricos terrestres, aéreos, marítimos (navales / submarinos) y espaciales. (Rim & Mi, 2017, p. 45-47) 2.5.4 Por fuente de energía o repostaje a. EVs de potencia alámbrica. (Rios & García, 2010) afirma que “Utilizados principalmente en trenes, estos sistemas absorben la energía eléctrica (SisDis) y son utilizados para abastecer la demanda de potencia de los sistemas eléctricos de transporte masivo (SETM). Por su parte, el metro, el tren de cercanías y el tranvía constituyen sistemas alternativos para la movilidad de pasajeros en centros urbanos. Sin embargo, su desarrollo implica grandes exigencias a los SisDis en cuanto a requerimientos de capacidad de suministro eléctrico. La potencia consumida por un vehículo tipo tren, metro o tranvía depende de la velocidad y aceleración que tengan en cada instante de tiempo. Las construcciones 47 de estas curvas están relacionadas con el esfuerzo de tracción, el volumen de pasajeros en las estaciones y las distancias entre estaciones de pasajeros.” (p. 8-9) b. EVs de energía inalámbrica (WEV) Vehículos eléctricos inalámbricos (WEV) que utilizan energía inalámbrica sistemas de transferencia (WPTS), que se clasifican en vehículos eléctricos propulsados por carretera (RPEV), también mencionados como vehículos eléctricos de carga dinámica, y estacionario carga de vehículos eléctricos (SCEV), han estado recientemente en el centro de atención como alternativas atractivas a la combustión interna vehículos (ICV). (Su Y. ChoP & Chun T. Rim, 2015, p. 1). Figura 5: Carga Inalámbrica de un vehículo eléctrico Fuente: Mario A. Ríosa, & Gabriel García b, 2010) c. EVs solares / RF-accionados El beneficio de la utilización de la energía solar para vehículos estimando la generación de electricidad por suministro solar, instalando en un PHV. El plug-in actual Prius está equipado con baterías de iones de litio de 4.4kWh y tiene la energía eléctrica 48 una tasa de consumo de 8,8 km / kWh que se basa en el JC08 ciclo de prueba japonés y verificado por el Ministerio de Tierras e Infraestructura, Transporte y Turismo de Japón (MLIT), pero se predice que la tasa se mejorará a 17,0 km / kWh por principalmente reduciendo el peso de un vehículo de 1410 kg a 600 kg en el futuro. Para proteger y evitar errores de las baterías en Prius, tenemos que agregar una batería adicional sistema de control para cargar por el SM. (Masuda T Kenji K, & et, 2016, p. 1) Figura 6: Carga con energía solar de un vehículo eléctrico Fuente: (Masuda T Kenji K, & et, 2016, p. 1) d. EVs con intercambio de batería (BSEV) Este es un caso especial de un método de reabastecimiento de combustible, donde la batería descargada se reemplaza con una batería cargada, generalmente por robots. Los deméritos de esto BSEV son costos de batería adicionales y costosos 49 sistemas de intercambio de robots, mientras que los méritos son un tiempo de recarga rápido y una vida útil más larga de las baterías debido a una carga lenta optimizada. (Rim & Mi, 2017, p. 45) e. Vehículos eléctricos de propulsión nuclear El desarrollo de la energía nuclear buque de carga y pasajeros N.S.Savannah era la responsabilidad conjunta de la Administración Marítima y la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos. La maquinaria de propulsión en la sabana consiste en un engranaje de 20,000 hp unidad de turbina de vapor impulsando una sola hélice y suministrado con vapor de dos generadores de vapor principales que se calientan por el agua de refrigeración de una sola nuclear reactor del tipo de agua presurizada, la planta de maquinaria ha sido diseñada específicamente para condiciones de vapor de 480 libras por pulgada cuadrada (psi) y 467 grados Fahrenheit (F). (E. A. GEARY, 1962, p. 183) 2.6 Monitoreo de vehículos eléctricos (Santamarta, 2009) menciona que: “Baterías de plomo ácido, baterías de NiCd y otras sustancias químicas las células se usan en tracción. Para una energía efectiva utilización del conocimiento de los valores de operación reales y se requiere un historial de uso de celda de concreto, esto sistema de monitoreo permite medir y calcula el: voltaje, corriente, potencia, tiempo, carga, temperatura, velocidad y un supuesto radio de acción. 50 Comprende una unidad maestra y hasta dos unidades esclavas. El número de unidades esclavas depende de un número de celdas de batería. Unidades esclavas miden celda voltaje y temperatura de la batería. Una de las unidades esclavas mide una corriente de batería de tracción.” (p.6) 2.7 Componentes del vehículo eléctrico La reducción inevitable de los gases de efecto invernadero y la contaminación del aire que amenaza la salud en las zonas urbanas es principales impulsores para la extinción de los motores de combustión y el aumento de las unidades eléctricas como componente clave para cualquier futuro transporte. Para hacer que este desarrollo sea económicamente factible es necesario aumentar la eficiencia, reducir los costos y peso de los componentes y, mientras tanto, mejorar el conjunto fiabilidad del sistema de propulsión, la mayoría de las arquitecturas de trenes de transmisión eléctrica exhiben una sola batería de alto voltaje con más de 100 células en serie resultando en una clasificación de voltaje nominal de aproximadamente 400 V. La batería de alto voltaje está conectada directamente a la unidad inversor Para habilitar la carga doméstica de la batería, un cargador unidireccional monofásico aislado galvánicamente es instalado dentro del vehículo. Esta arquitectura tiene el inconveniente que la tensión de la batería y la tensión del enlace de CC del convertidor de frecuencia están atados el uno al otro. (Stippich et al., 2017, p.1-3) 51 Figura 7: Arquitectura del sistema de propulsión modular Fuente:(Stippich et al., 2017) 2.7.1 Convertidor de energía Todos estos motivos llevan a la necesidad de desacoplar la tensión de las baterías de la del sistema. Por otro lado, si las baterías están acopladas directamente al accionamiento, las prestaciones del vehículo se ven afectadas con las variaciones de tensión de las mismas, muestran como se ve afectada la zona de trabajo del accionamiento, fundamentalmente en la zona de debilitamiento de campo en función del estado de carga de las baterías. Otra característica que debe cumplir el convertidor a emplear es la de ser bidireccional, esto es debido a que cuando el vehículo es impulsado, el accionamiento funciona como motor y el convertidor transfiere energía desde las baterías hacia la MCC del accionamiento. Cuando el vehículo frena, el accionamiento trabaja como generador, reinyectando energía en las baterías (frenado regenerativo). El sistema de 52 control propuesto emplea un único controlador para los distintos modos de operación y sentido de los flujos de energía. Para ello se utiliza un control de corriente, que es más efectivo que realizar un único control de tensión, lo cual necesitaría mayor número de controladores, uno para cada modo de operación y sentido de flujo de energía. (Morichetti, O, Bossio, De Angelo, & García, 2002, p. 2) Figura 8: Esquema general del convertidor Fuente: (Morichetti, et al., 2002) a. Arquitectura del convertidor de energía (Morichetti, O, Bossio, De Angelo, & García, 2002)afirma que: “La mayor demanda de energía de la máquina ocurrirá durante la aceleración y la demanda de potencia de la batería será comparativamente menor cuando el EV esté funcionando a velocidad constante. Para proporcionar la alta potencia requerida para la aceleración, se deben usar baterías con alta capacidad, lo que también aumenta el peso del vehículo mientras 53 ocupa un espacio más grande, se puede sugerir una solución usando un supercondensador.” (p.5) Figura 9: Funcionamiento del convertidor bidireccional en (a) modo boost (b) buck Fuente: (Herath, et al, 2017) La topología no aislada en el diagrama esquemático permite la conversión de nivel controlada de la potencia de cd en ambas direcciones sin ningún transformador debido al voltaje de las fuentes. Además, esta topología admite conversiones de alta potencia tal como lo requieren los EV. Los elementos de almacenamiento de energía se cargarán y descargarán durante el modo buck y el modo boost respectivamente. (Binduhewa, H, Samaranayake E, & Longo, 2017, p. 1-3), 54 b. Funcionamiento en Modo Buck (Moreno, 2004) afirma que: “Produce en la salida un voltaje medio menor que el voltaje en la entrada, en la operación del convertidor buck se pueden distinguir dos estados, eso es con IGBT en modo de conducción y con IGBT apagado. Al activarse el IGBT la corriente pasa a través de este y de la inductancia (L) en el sentido de las flechas, en ese instante, parte de la energía se transfiere a los ultra capacitores, una fracción de esta se disipa en las resistencias y en el semiconductor y otra parte se carga en la inductancia L. cuando se abre el IGBT la energía que se cargó en la inductancia L se descarga en los ultra capacitores a través del diodo, obligando a la corriente a continuar en la dirección IL.” (p.6) Figura 10: (b) IGBT en ON, (c) IGBT en OFF Fuente: (Moreno, 2004) 55 2.7.2 Tipos de Convertidores de energía a. Convertidor bidireccional sin aislamiento galvánico El ejemplo más sencillo de convertidor bidireccional sin aislamiento galvánico se explica con el convertidor reductor "Buck" ya que al sustituir el diodo de libre circulación D1 por un MOSFET M2, y controlar los disparos de ambos interruptores complementariamente (d1 y d2), se obtiene un convertidor bidireccional. En este convertidor bidireccional, si la corriente circula de VC hacia VB se transfiriere energía como en un convertidor reductor, si la corriente circula de VB hacia VC la energía se transfiere como en un convertidor elevador "Boost". Una de las aplicaciones que tiene este convertidor bidireccional, dependiendo de las tensiones de alimentación y de salida al igual que de la potencia, es de un cargador/descargador de batería para sistemas de satélite. Este convertidor también es muy utilizado para aplicaciones de automoción en el sistema dual de baterías. (Oropeza & Suárez, 2004, p. 26-28) Figura 11: Convertidor bidireccional Fuente:(Oropeza & Suárez, 2004) 56 b. Convertidor bidireccional con aislamiento galvánico Al igual que en el convertidor reductor, el ejemplo más sencillo con el que se ilustra el concepto de bidireccionalidad en los convertidores con aislamiento galvánico, se aplica al convertidor de retroceso "Flyback". En este convertidor al igual que en el convertidor reductor, basta con sustituir el diodo rectificador DF por un transistor MF para conseguir la bidireccionalidad. Un convertidor de retroceso normal, y un convertidor de retroceso bidireccional respectivamente. En este caso, tanto para transferir energía de VC a VB como de VB a VC, el convertidor que resulta es un convertidor de retroceso "Flyback". (Oropeza & Suárez, 2004, p. 26-28) Figura 12: Convertidor bidireccional Flyback Fuente:(Oropeza & Suárez, 2004) c. Convertidor DC-DC Para dc-dc no aislado galvánicamente convertidores que interconectan una batería de alto voltaje a, p. 400 V, y el convertidor de frecuencia en una tensión de CC de hasta 800 V. Muestra una alta eficiencia en todo el rango de potencia de salida cuando se 57 aplica un cambio inteligente de fase y sombreado de fase que muestra una gráfica de eficiencia típica para una fase múltiple enfoque con y sin sombreado de fase. Especialmente en condiciones de carga ligera, la eficiencia puede aumentarse significativamente si se desactivan varias fases correspondientes a la potencia de salida requerida. Como los trenes de accionamiento eléctrico en los vehículos eléctricos se operan a menudo con carga parcial, la eficiencia de la carga liviana es un criterio de diseño importante de dichos sistemas de conversión de potencia. Por un lado, el enfoque multifase es perfecto adecuado para convertidores de potencia modulares ya que la potencia de salida es escalable seleccionando el número de fases requeridas. Además, la paralelización puede conducir a economías de escala mejoradas Por otro lado, las fases múltiples dan como resultado un mayor control complejidad y mayores costos para los circuitos adicionales del conductor y sensores. Además, debe tenerse en cuenta el volumen ocupado por los sensores de corriente y los controladores de puerta. (Stippich et al., 2017, p. 250-251) Figura 13: Convertidor DC- DC Fuente:(Oropeza & Suárez, 2004) 58 2.7.3 Conexiones de alto voltaje Permite el suministro de electricidad comenzando de la batería de alto voltaje, la instalación eléctrica para la propulsión funciona con 500 V, hay otra instalación de 12 V para los demás elementos eléctricos del coche. Para reducir peso (y precio) la red de cables de alta tensión no es de cobre, sino de aluminio. Hay sensores que cortan instantáneamente la corriente en caso de accidente o de cortocircuito. (Tenesaca, S & Jiménez T, 2018) Figura 14: Conexiones de alto voltaje Fuente:(Tenesaca et al., 2018) 59 2.7.4 Cables automotrices  Tipos de Calibre del cable Automotriz Según (Fernandez, 2016) afirma: “Es importante saber con respecto al tamaño calibre del cable, cuanto menor sea el número, más grueso es el alambre; y cuanto mayor sea el número de calibre, más claro será el alambre. El alambre de calibre 22 es súper ligero, mientras que el calibre 2 es mucho más pesado. Regularmente, el alambre está etiquetado o se hace referencia con un número de calibre, seguido por las siglas "GTE", estas letras representan "American Wire Gauge." El sistema de indexación del número de calibre se estableció inicialmente para indicar el número de veces que un hilo de cobre sólido se pasa a través de una matriz de estirado. Con cada paso, el diámetro del hilo disminuye.” (p.1) 2.7.5 Conectores para vehículos eléctricos  El Conector Schuko Con respecto a los conectores (Jarrín, 2015) dice que: “El conector Schuko es un estándar europeo para la conexión de aparatos eléctricos en baja tensión con corrientes monofásicas. Son los enchufes habituales que se encuentra en los hogares, y constan de dos polos principales (la fase y el neutro) y un contacto adicional para la toma de tierra. 60 Están diseñados para soportar corrientes de hasta 16A durante periodos cortos de tiempo, por lo que se utiliza cargadores portátiles o cables de recarga con este conector, no se podrá pasar de 10A, 12A o 13 A. Figura 15: Conector Schuko Fuente: (Jarrín, 2015)  Conector Tipo 1 (SAE J1772) Este conector es el adoptado por los mercados asiáticos y americanos. Originario de Japón (donde también se le denomina Yazaki) es el conector que montan vehículos eléctricos como el Nissan Leaf, Nissan ENV200, Opel Ampera, Mitsubishi Outlander, Mitsubishi iMiev, Peugeot iON, Citröen C-Zero, Renault Kangoo ZE (tipo 1), KIA SOUL EV, Ford Focus electric o el Toyota Prius Plug in. El conector de Tipo 1 dispone de los mismos contactos que una clavija schuko, típicos de un conector monofásico de baja tensión: fase, neutro y tierra. Adicionalmente, dispone de dos contactos destinados para la comunicación entre el cargador externo y el vehículo. Además dispone de un dispositivo de bloqueo que impide la desconexión del conector durante la recarga. 61 La máxima intensidad a la que puede operar es de 32 A en baja tensión monofásica, lo que permite una potencia máxima de recarga de 7,4 kW. Figura 16: Conector tipo 1 Fuente: (Jarrín, 2015)  Conector tipo 2 (IEC 62196-2) Este conector es actualmente el conector homologado como estándar europeo. Se conoce también como conector Mennekes, que es el nombre del primer fabricante de este tipo de conectores. El conector Mennekes o de tipo 2 es un conector de corriente alterna que se puede encontrar en los modelos de vehículos eléctricos europeos, como Audi A3 E-tron, BMW i3, i8, Renault Zoe, Tesla Model S, Mercedes S500 plug-in, Porsche Panamera, Renault Kangoo ZE, VW Golf plug-in hybrid, VW E-up o Volvo V60 plug-in hybrid. El conector Tipo 2 o Mennekes permite realizar cargas monofásicas desde 16 A hasta cargas trifásicas 400V y 63 A, lo que significa poder trabajar con recargas de corriente alterna en potencias desde 3,7 kW hasta 44 kW. 62 Dispone de 7 contactos, dos más que los disponibles en el conector Tipo 1, y corresponden a 3 contactos de fase (para cargas trifásicas), un neutro, una toma de tierra, y los dos contactos para establecer comunicaciones entre cargador y vehículo. Figura 17: Conector tipo 1 Fuente: (Jarrín, 2015)  Conector tipo 3 Este conector apareció en 2010, una época aun de indefinición de estándares de conectividad para la recarga de vehículos eléctricos, por la asociación EV Plug Alliance. Este tipo de conector, dispone de dos variantes, la 3A y la 3C. La variante 3A está preparada para soportar cargas monofásicas a 16A, y dispone de 4 contactos: fase, neutro, tierra y comunicaciones. La variante 3C permite cargas monofásicas o trifásicas a 32A, y dispone de 7 contactos, al igual que el conector Mennekes: 3 fases, neutro, tierra, control y presencia. La potencia máxima a la que se puede recargar con este conector es de 22 kW.” (p. 4-6) 63 Figura 18: Conector tipo 3 Fuente: (Jarrín, 2015) 2.7.6 Unidad de control electrónico Al igual que con los vehículos de combustión, los vehículos eléctricos tienen varias unidades de control, cuya función es procesar la información que recibe de los diferentes sensores del vehículo para emitir una señal de salida a los actuadores y controlar apropiadamente el funcionamiento del vehículo. La unidad de control de un EV tiene como función más importante el cálculo del torque que debe ser aplicado por el motor eléctrico para lo cual depende de la posición del pedal del acelerados, la velocidad actual y otras condiciones de la conducción, cuando se requiera de aceleración el torque es positivo y si es torque negativo significa que se requiere recuperación por medio de algún sistema de regeneración.(Tenesaca S, & Jiménez T, 2018, p. 33-35) 64 Figura 19: Unidad de control del tren de fuerza del vehículo eléctrico Fuente:(Tenesaca et al., 2018) (Chang & Chakraborty, 2016, p. 286)menciona: “Se considera un motor de CC funcionando en el modo de control de velocidad, se supone que el controlador opera el motor a varias velocidades según la entrada del conductor o los requisitos ambientales. V es la tensión de CC proporcionada por el paquete de batería. R y L son resistencia e inductancia en el circuito de la armadura. e es la fuerza electromotriz trasera (EMF) del motor. El transistor bipolar de compuerta aislada (IGBT) funciona como un interruptor controlado por señales de modulación por ancho de pulso (PWM) en la compuerta, cuando el interruptor está encendido, V se aplica al circuito de la armadura, cuando el interruptor está apagado, el diodo fluye a la corriente restante en el motor y, por lo tanto, el voltaje aplicado es equivalente a cero.” (p. 286) 65 Figura 20: Modelado del motor de CC con el circuito del inducido alimentado por una batería Fuente: (Chang & Chakraborty, 2016) 2.7.7 Funciones de un controlador a. Función de acelerador. El controlador recibe la señal del pedal acelerador (throtle pedal) y, en función del ángulo que presente (más o menos pisado), envía electricidad al motor. Imaginen que no tuviéramos controlador. Toda la corriente que necesitamos para mover al motor habría de pasar por el acelerador que debería contar con un potenciómetro variable. Eso significaría que, por un lado, ese potenciómetro debería ser muy robusto y pesado (para que no se queme), con alta posibilidad de que salten chispas en cuanto hubiera algo de separación y, además, consumiría muchísima corriente inútilmente. Solo por esta función, el controlador para el auto eléctrico se hace imprescindible. Un controlador básico hace esta función simplemente.(Jácome, 2015 p. 9) 66 b. Función de limitación de revoluciones del motor. Muchos controladores en el mercado permiten programación (los controladores pueden conectarse a una computadora externa) para limitar el régimen máximo de giro del motor, evitando que éste sufra daños. (Jácome, 2015 p.1) c. Función de cuenta revoluciones. Relacionada con la anterior, pueden tener salida para un indicador de revoluciones que podemos llevar a nuestro cuadro de instrumentos. (Jácome, 2015 p.1 ) d. Función contra sobrecalentamiento. Cuando la temperatura del controlador excede un determinado límite, éste reduce la potencia empleada para evitar quemarse. Los controladores para autos eléctricos de potencias medias y altas llevan refrigeración líquida (lo que exige instalar un radiador específico y un ventilador). Los más básicos tienen que instalarse en lugares donde puedan evacuar el calor fácilmente. (Jácome, 2015 p.1) e. Función de protección de las baterías. Como ya saben nuestros lectores de este blog, las baterías de auto eléctrico no deben descargarse por debajo de unos niveles. Si lo hicieran, se dañarían irreversiblemente. Para evitar este efecto, se debe programar el controlador para que disminuya el gasto cuando se acerque ese punto e impida seguir circulando cuando se alcance (o, al menos, que lo advierta) (Jácome, 2015 p.2) 67 f. Función anti-arranque si se pisa el acelerador antes de conectar el vehículo. En caso contrario, el auto saldría acelerando al conectarlo (o sea, al girar la llave de contacto, si estamos pisando el acelerador, el auto saldría inmediatamente lo que puede ser peligroso) (Jácome, 2015 p.2) 2.7.8 Cargador a bordo (Shi, T, & Khaligh, 2017, p. 2-3). Manifiesta: “El cargador incorporado integrado monofásico se realiza cerca conectando un puente de diodo complementario muy pequeño entre uno de terminales de fase de la máquina, y el terminal negativo de la dc- link del convertidor de tracción, el esquema propuesto es aplicable para cualquier máquina trifásica de sistema de propulsión con el único acceso factible a la máquina terminales de fase (a, b, c) y no hay necesidad de tener acceso a el punto neutral de enrollamiento o el punto medio de los devanados. En el modo de propulsión, la batería proporciona el poder de propulsión a través del convertidor de tracción trifásico, y el puente de diodos adicional no tiene influencia en la operación del convertidor de tracción. En modo de carga, el voltaje de línea de la red CA es rectificado por el diodo puente y los devanados de la máquina de propulsión junto con él, el convertidor de tracción desarrolla un impulso intercalado de dos canales convertidor, que se utiliza para PFC y voltaje / corriente de salida regulación.” (p. 2-3). 68 Figura 21: Operación del cargador de batería integrado con la máquina de CA: (a) modo de propulsión; (b) modo de carga. Fuente:(Shi et al., 2017) En función I: OBC y G2V Carga de la batería de propulsión a través de la red eléctrica: una de las funciones importantes de OBC es cargar el batería de propulsión conectándose a la red. En función II: V2G Descarga de la batería de propulsión la rejilla: descarga de la batería de propulsión para suministrar excedente la energía para la red es también uno de los roles importantes de OBC. Función III: LDC Carga de batería auxiliar usando el batería de propulsión: el interruptor selectivo (M) se conecta a terminal a. BE-FBC genera tensión de enlace de 69 cc mediante reducción conversión dc-to-dc. Entonces, FE-FBC baja el voltaje del enlace de CC para cargar la batería auxiliar. Como se menciona anteriormente, FE-FBC actúa como PFC AC-DC convertidor, inversor de CC a CA y convertidor reductor. FE-FBC logra tres operaciones diferentes mediante el uso de los mismos interruptores e inductores. BE-FBC funciona de forma bidireccional para cargar y descargar la batería de propulsión de acuerdo con el operación de FE-FBC.(Kim & Kang, 2015, p. 2-3) Figura 22: Cargador de batería multifuncional Fuente:(Kim & Kang, 2015) a) Formas de recarga (González, 2012) afirma: “La forma usual de cargar un VE es en hogar conectado a cualquier toma con un régimen de consumo desde 2 Kw. También se puede realizar en infraestructuras públicas tarifadas o gratuitas en forma lenta y próximamente la opción rápida. 70 Los modos de recarga, definidos en la norma IEC 61851 (desarrollada por la “International Electrotechnical Commission”), que emplearán los vehículos eléctricos se pueden clasificar en cuatro niveles de carga. Modo 1. Carga en base de toma de corriente de uso no exclusivo: conexión del. VE a la red de corriente alterna con una intensidad máxima de hasta 16 A. Modo 2. Base de toma de corriente estándar de uso no exclusivo con protección incluida en el cable: conexión del VE a la red de corriente alterna con una intensidad máxima de recarga permitida de hasta 32 A. Modo 3. Toma de corriente especial para uso exclusivo a la recarga del vehículo eléctrico: conexión del VE a la red de corriente alterna con una intensidad máxima de recarga permitida de hasta 32 A (posiblemente ampliable a 64 A) Modo 4. Conexión de corriente continua: este modelo está pensado para la recarga rápida, con intensidades de corriente de hasta 400 A.” (p.31) Figura 23: Relación de consumo- tiempo de recarga Fuente: (González, 2012) 71 b) Diferencias entre recarga con AC y DC Las principales diferencias entre ambos son: los tiempos de recarga, de 15 a 30 minutos en el sistema rápido y de 5 a 8 horas en el sistema lento; potencia necesaria, de 50Kw en el primer caso a 3,7kW en el segundo y el coste, un equipo de recarga rápida pueda estar por encima de los 25.000 dólares, en cambio, la recarga lenta necesita inversiones mucho más modestas. Figura 24: Tipos de carga para un VE Fuente: (González, 2012) Según: (González, 2012): “Actualmente existen pocos sistemas de recarga rápida, el más conocido y empleado por los fabricantes de puntos de recarga y vehículos es el conocido como Chademo, creado en Japón. Aunque existen otras iniciativas a nivel europeo y chino como, el “Combo Coupler” y el “Chinese Standard”, respectivamente.” (p. 33) 72 Tabla 5 Características y tiempos de carga de vehículos eléctricos Plug in Stella (SUBARU) IMIEV (Mitsubishi) LEAF (Nissan) Autonomía 90 km 120 km 160 km Tiempo de carga Carga Normal 5 h (100%) 7 h (100%) 8 h (100%) Carga rápida 15 min (80%) 30 min (80%) 30 min (80%) Corriente de carga 15 A 15 A 15 A Batería Tipo Litium- ion Litium- ion Litium- ion Energía Total 9 kwh 16 kwh 24 kwh Motor Potencia Max. 47 kW 47 kW 80 kW Velocidad Max. 110 km/h 130 Km/h 140 km/h Fuente: (González, 2012) 2.7.9 Motor eléctrico a) Motores síncronos de imanes permanentes Con su alta eficiencia, alta densidad de potencia y diseño compacto, peso ligero y suave, permanente Las unidades de motores síncronos magnéticos (PMSM) están recibiendo más popular en una amplia gama de aplicaciones tales como robótica manipuladores, compresores de aire acondicionado, eléctricos vehículos, etc. (Lei, 2017 p. 4) En muchas unidades PMSM de velocidad variable de alto rendimiento, control de vectores se utiliza. Muchos investigadores han intentado por controlando la corriente del eje d forzándolo a cero. (Lei, 2017 p. 4) 73 Sin embargo, este enfoque no utiliza de manera eficiente el par electromagnético especialmente de un interior permanente motor síncrono de imán (IPMSM). El torque máximo por amperio (MTPA) método de control proporciona una relación de torque / corriente máxima, aumentando así la eficiencia del accionamiento PMSM. (Lei, 2017 p. 4) En la mayoría de los métodos MTPA propuestos, el diseño del controlador resultante es difícil de implementar debido a la no linealidad inherente. Recientemente, varios controles MTPA métodos han sido propuestos Estos métodos se pueden dividir en tres grupos: enfoques basados en la tabla de búsqueda, en línea estimación basada en la identificación de parámetros o adaptativo algoritmo de búsqueda [5] y seguimiento de punto MTPA basado en inyección de señal adicional [6]. En aplicaciones prácticas, la estrategia basada en la tabla de búsqueda es el método más utilizado. (Lei, 2017 p. 4)  Imanes montados en la superficie del rotor (Surface-mounted magnets)  Imanes insertos en el rotor (Buried Magnets) b) Motor con imanes montados en la superficie del rotor En la industria automotriz y aeroespacial, reduciendo el peso y el volumen del tren de transmisión es una cuestión de vital importancia. Así, máquinas síncronas de imanes permanentes (PMSM) son elección preferible debido a su superioridad con respecto al torque y densidades de potencia. Para maximizar la utilización del conducir, es esencial controlar la temperatura de la máquina en tiempo real. El funcionamiento de los PMSM por encima de sus límites térmicos tiene dramáticos efectos negativos. En el rotor, 74 temperatura excesiva puede conducir a la desmagnetización permanente de los imanes. Sobre el Por otro lado, excediendo las limitaciones térmicas de los bobinados del estator puede dañar su revestimiento de aislamiento que puede conducir a descarga, reducción de la vida útil o incluso falla. (Gaona W, & Böcker, 2017 p. 21) En algunas aplicaciones, sensores de temperatura de bobinados y los devanados finales generalmente se pueden ubicar dentro de la máquina. Sin embargo, representan un costo adicional y su intrincado la ubicación complica las operaciones de calibración y mantenimiento.(Gaona W, & Böcker, 2017 p. 21) Figura 25: Motor con imanes montados en la superficie del rotor Fuente:(Gaona et al., 2017) c) Motor con imanes insertos en el rotor Al insertar adecuadamente los imanes de ferrita en el rotor de un motor de reluctancia sincrónica (SynRM), se sabe que el los factores de potencia y las salidas de par de este SynRM se pueden mejorar. Con estructuras de rotor específicas para 75 acomodar esas ferritas, muchas de estas permanentes Los motores de reluctancia síncronos asistidos por imanes (PMA-SynRM) tienen propuesto para cumplir con los objetivos operativos esperados. Para construcción conveniencia, las ferritas que se insertan en las barreras de flujo de estos PMA-SynRM generalmente tienen formas rectangulares, por lo tanto, algunos ajustes en las barreras de flujo del rotor y se requerirán puentes adicionales. Tal los cambios inevitablemente afectarán el rendimiento del original optimizado SynRMs, y estos intercambios deben ser recuperados por partes de aquellos ferritas adoptadas.(C. Liu et al., 2017 p. 8) Figura 26: Motor con imanes insertos en el rotor Fuente:(C. Liu et al., 2017) 76 d) Motores De Flujo Axial (C.-T. Liu & Chiang, 2004) afirma que: “El motor de imán permanente de flujo radial de flujo axial a lo largo con un segmento de suspensión magnética pasiva, se ha desarrollado para aplicaciones de ventiladores de refrigeración de pequeña potencia. Este motor está equipado con un solo conjunto de estator axial devanado que puede suministrar el flujo radial deseado a través de diseño adecuado del polo del estator, y tal estructura plana es bastante prometedor para aplicaciones con espacios limitados. Los flujos magnéticos generado por el bobinado del estator del motor fluirá primero a través de su eje central del estator, saliendo del poste del estator pares en su parte superior / inferior, y luego volver a los pares de polos del estator de la parte inferior / superior después de atravesar el imán del rotor correspondientes. Con los pares de polos en el estator las partes superior e inferior son perpendiculares entre sí, fuerzas de vibración no deseadas generadas principalmente en el motor radial dirección será exhibida. Las fricciones resultantes aplicadas sobre sistema de cojinete del motor sin duda generarán calor extra y pérdidas de energía, y así reducir la fiabilidad y la vida útil de este motor.” (p.5) 77 Figura 27: Rotor - Stator Fuente:(C.-T. Liu & Chiang, 2004) e) Carga eléctrica Hoy podemos ver en las carreteras muchos vehículos eléctricos (EV), su número crece cada año. Las personas tienden a elegir este transporte en lugar de los motores de combustión interna no solo porque es más limpio ecológicamente, sino también debido a su menor consumo de energía. Sin embargo, a pesar de que la eficiencia de la transformación de energía en accionamientos eléctricos es mejor que en los motores de combustión interna, aún puede mejorarse. (Trinchuk, 2017 p. 20) Como fuente de alimentación las unidades de vehículo eléctrico generalmente utilizan Baterías acumuladoras de Li-Ion, que tienen uno de las mejores energías por índices de masa de su tipo. En cuanto a la transformación de energía electromecánica, los motores de inducción a menudo están en uso. Estos últimos tienen una alta eficiencia y son muy confiables. Desafortunadamente, eso no se puede decir acerca de 78 los acumuladores de Li-Ion. No solo son muy vulnerables a las altas corrientes, sino que también tienen una alta impedancia que causa pérdidas adicionales de calor en la batería. Ambos inconvenientes pueden mejorarse al incluir en el sistema de suministro de energía un supercondensador en paralelo al acumulador.(Trinchuk, 2017 p. 20) 2.7.10 Batería (acumulador) La electricidad hoy en día tiene innumerables aplicaciones, esto es debido a la facilidad con que se transforma en otras formas de energía, como mecánica, química o térmica. (Peña, 2011 p. 10) El principal suministro de energía eléctrica se realiza a través de la red eléctrica, sin embargo, hay muchas ocasiones en las que se necesita disponer de energía eléctrica sin poder adquirirla de la red eléctrica. (Peña, 2011 p. 10) Uno de los principales problemas de la energía eléctrica, es la dificultad a la hora de su almacenamiento. Las baterías son una de las pocas formas fiables de almacenar la energía eléctrica, convirtiendo la energía eléctrica, en energía química y viceversa. De esta manera podemos disponer de energía eléctrica cuando deseemos sin depender de la red.(Peña, 2011 p. 10) f) Parámetros que caracterizan a una batería. • Celda: El menor elemento que forma una batería, pueden ser asociada en serie o en paralelo con otras, con el objetivo de conseguir los valores de corriente o de tensión deseados.(MIT Electric Vehicle Team, 2008 p. 17) 79 • Estado de carga (SOC) %: Expresión que indica el estado de carga de la batería de manera porcentual, respecto al cien por cien de la capacidad cuando la batería está completamente cargada.(MIT Electric Vehicle Team, 2008 p. 17) • Profundidad de descarga: Relación entre la capacidad en amperios-hora (Ah) entregada por una batería durante su descarga y la capacidad nominal de la misma. DOD (Depth Of Discharge).(MIT Electric Vehicle Team, 2008 p. 17) • Tensión en vacío (Eo): La tensión que una batería tiene entre sus terminales, cuando no se cierra un circuito a través de ellos, su valor depende de la naturaleza de la química que se utilice.(MIT Electric Vehicle Team, 2008 p. 17) • Tensión en circuito cerrado (E): Tensión que aparece entre los terminales de una batería cuando está conectada a una carga. Cuando una batería suministra energía a una carga, su tensión disminuye tanto o más, cuanto mayor sea la corriente de descarga.(MIT Electric Vehicle Team, 2008 p. 17) • Resistencia interna: Se define como un concepto que ayuda a modelar las consecuencias eléctricas de las complejas reacciones químicas que se producen dentro de una batería.(MIT Electric Vehicle Team, 2008 p. 17) 2.7.11 Tipos de baterías a) Baterías de plomo Las baterías de plomo son un tipo de baterías no híbridos. Suelen ser de 6 y 12v Constituyen una parte importante del mercado mundial de baterías, tanto primarias como secundarias. (Peña, 2011 p. 25) 80 Poseen una gran capacidad de descarga durante un breve periodo de tiempo las hace ideales para el arranque de motores de combustión. Su forma más conocida es la batería de automóvil. Están formadas por un depósito de ácido sulfúrico y en su interior una serie de placas de plomo dispuestas alternadamente. (Peña, 2011 p. 25) Una de las ventajas fundamentales que aporta esta tecnología es la posibilidad de recombinación de los gases producidos durante las reacciones de sobrecarga, cuando la batería se encuentra próxima a su estado de plena carga. De esta forma se evita la pérdida de electrólito en forma de gases y se reducen las necesidades de mantenimiento de la batería. Es por ello que a este tipo de batería se le denomina “batería libre de mantenimiento” o “batería de recombinación de gases”. También se emplea el término “batería de plomo-ácido sellada” porque para conseguir la recombinación de los gases en el interior de la batería, el contenedor debe estar completamente cerrado y solo permitir el intercambio con el exterior a través de una válvula que abre cuando la presión interior excede determinados límites. Las reacciones electroquímicas que se producen durante la sobrecarga en una batería de plomo-ácido de válvula regulada, se basan fundamentalmente en el principio de la recombinación.(Peña, 2011 p. 26) En cuanto a la reducción del tiempo de recarga, la aplicación de carga rápida presenta serias dificultades, ya que la velocidad del proceso de recombinación no garantiza la reducción del gas que se produce de forma temprana en el interior de la batería. En estos casos se fuerza la apertura de la válvula de seguridad y el exceso de gas se expulsa al exterior con la consiguiente pérdida de electrólito. Las razones 81 fundamentales que mantienen a esta tecnología como una de las más empleadas, son su coste extremadamente bajo con respecto al resto de tecnologías y un proceso de reciclado fácil una vez que termina su vida útil. (Peña, 2011 p. 26) b) Baterías de Níquel-Cadmio Módulo de sistema de almacenamiento de energía basado en níquel cadmio, en el prototipo experimental de HPS se incluyen baterías con electrodos de placa tubular (placa tubular NCB). Junto con las ventajas de NCB (alta energía específica, alta capacidad, larga vida útil, etc.), su amplia aplicación en las fuentes de alimentación de los consumidores rusos limitó el alto costo de los materiales usados y la complejidad de la fabricación. Este tipo de baterías son fabricadas por la empresa alemana y se utilizan en Rusia en trenes de alta velocidad. Electrodos de batería realizados en los sustratos poliméricos metalizados por metalización química preliminar, aumenta el costo y la seguridad ambiental. ( Sosnina, Muynts, & Kryukov, 2016 p. 11) La tecnología de producción de placa tubular NCB fue desarrollado por científicos de NNSTU, permite significativamente reducir el costo de los electrodos, mientras que la electricidad específica las características son altas, y para que su producción sea más respetuosa con el medio ambiente. El costo unitario de la batería es 1.5 - 2 veces más bajo que los análogos con la misma eficiencia energética, el uso de electrodos de placa tubular permite crear una batería de níquel-cadmio operable en una amplia gama de densidades y temperaturas de corriente de carga y descarga.( Sosnina, Muynts, & Kryukov, 2016 p. 11) 82 c) Características funcionales de las baterías de níquel-cadmio. (Peña, 2011 p. 27) afirma que: “Desde el punto de vista funcional, las baterías de níquel-cadmio superan en sus prestaciones a la tecnología de plomo-ácido Ventajas  Tecnología muy establecida.  Buen comportamiento en un amplio margen de temperaturas (-40 º C ÷ 60 º C).  Admiten sobrecargas, se pueden seguir cargando cuando ya no admiten más carga, aunque no la almacenan.  Vida cíclica larga (superior a los 1.500 ciclos, de dos a tres veces lo alcanzado por la tecnología de plomo-ácido).  Gran robustez ante abusos eléctricos y mecánicos.  Gran fiabilidad, no fallan de forma repentina como las baterías de plomo-ácido. A pesar de las ventajas de esta tecnología de batería existen inconvenientes que han frenado su uso más generalizado. (p.27) Desventajas  Dentro de los componentes utilizados en la fabricación de estas baterías se encuentra el cadmio, elemento altamente contaminante y que obliga a aumentar la eficiencia en el reciclado de estas baterías, una vez que quedan fuera de servicio. En la actualidad existen técnicas para el reciclado total de este tipo de baterías y los esfuerzos encaminados en este sentido están apoyados de forma conjunta por los gobiernos y los grandes fabricantes de baterías. (Peña, 2011 p. 27) 83  Actualmente ya no se fabrican en muchos de los países desarrollados.  Auto descarga de un 10% mensual.  La tensión nominal es de 1,2 V/celda, un valor bastante bajo por celda, lo que requiere la conexión en serie de un mayor número de celdas para alcanzar una determinada tensión. Efecto memoria muy alto.  Sufren envejecimiento prematuro con el calor. (Peña, 2011 p. 27) d) Baterías de litio Una alta especificación, electroquímica portátil fuentes de energía durante los últimos 20 años, impulsado por la introducción de hgh-value, microelectronics based productos tipificados por las 'tres C' teléfonos celulares, computadoras portátiles y videocámaras ha sido una buena noticia para los fabricantes de baterías de litio. (Vincent, 1999 p. 6) En 1997, el ingreso mundial para el mercado de baterías de litio superó los 4,000 millones, En una etapa de desarrollo son baterías de litio para alta capacidad aplicaciones, especialmente para el crecimiento mercado de vehículos eléctricos (EV), que tienen requisitos técnicos que no pueden ser cumplido por los sistemas de batería establecidos. (Vincent, 1999 p. 6) El litio es el metal más ligero y tiene uno de los electrodos estándar más altos potenciales. La combinación de estas dos características le da al elemento un particular contenido de energía favorable, con una capacidad teórica específica de 3860 Ahkg en comparación con 820 Ah / kg de zinc y 260 Ah / kg para plomo. A la baja, la reactividad hgh de lithum impide el electrolitos utilizados en baterías convencionales, necesitando 84 precauciones de seguridad estrictas tanto para la fabricación de células y su uso.(Vincent, 1999 p. 6) Figura 28: Baterías de litio Fuente:(C.-T. Liu & Chiang, 2004) e) Baterías de níquel-hidruro metálico. El hidruro metálico de níquel (NiMH) se introdujo comercialmente en la última década del siglo XX. Tiene un rendimiento similar al de la batería de NiCd, siendo la principal diferencia que en la batería de NiMH utiliza un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de una aleación de hidruro metálico, que las hacen libre de cadmio, lo que conlleva una ventaja considerable. Estas ventajas se centran básicamente en un aumento de la capacidad, una disminución del peso y un menor efecto memoria. (Peña, 2011 p. 28) 85 f) Características funcionales de las baterías de níquel-hidruro metálico. La tecnología de níquel-hidruro metálico tiene características eléctricas similares a la tecnología de níquel-cadmio. La tensión nominal por celda es 1,2V y las curvas de carga y descarga son bastante parecidas. Al igual que en las baterías de NiCd es el efecto “delta peak” el utilizado para marcar el fin de carga en las baterías. (Peña, 2011 p. 28) Ventajas:  Una mayor densidad energética y mayor energía específica, que el NiCd.  Tecnología libre de cadmio (menos contaminante).  Pueden ser cargadas con un cargador convencional.  Seguras. (Peña, 2011) Desventajas:  Alta razón de autodescarga, entre un 15 a un 20% por mes.  Menor fiabilidad que las baterías Ni-Cd,  No soportan fuertes descargas. • Voltaje bajo de 1,2V por celda.  Vida media de aproximadamente 300-500 ciclos de carga (en función del fabricante)  Tiempos de carga superiores al Ni-Cd. (Peña, 2011). 2.7.12 Comparación de las prestaciones de los distintos tipos de baterías. A continuación, se muestran las principales características que definen una batería. Estas características serán las que determinen que tipo de baterías es más 86 adecuada en función de su uso. Recordar que este proyecto nace de la necesidad de buscar documentación para ampliar el conocimiento sobre las baterías actuales en el mercado. En concreto para su aplicación en una moto de competición eléctrica. Tabla 6 Comparación de las prestaciones de los distintos tipos de baterías Tecnología Parámetros Pb- ácido Ni-Cd Ni- MH Li-ión LiFe Li-PO Voltaje (V/celda) 2 v 1.2 v 1.2 v 3.6- 3.7 v 3.3 v 3.7 v Autodescarga (%/mes) 3%- 20% 10% 30% 8% - 5% Descarga en continua 10c 8c 1c 26c 20-45c Descarga por picos - - - - 52c 30-90c Mantenimiento Bueno Malo Regular Fácil Bueno Fácil Ciclo de vida 500-800 1500- 2000 300-500 400-1200 2000 >1000 Densidad energética Kw/l 60-75 50-150 140-300 250-360 220 300 Energía específica wh/kg 180 150 250-1000 250-340 3000 7100 Corriente carga rápida [c] 0.4 1-2 1-2 1 4 1-2 Eficiencia Carg./Desca 50%-92 70%-90% 66% 80%-90% - 99.8% 87 Tolerancias de sobrecargas - M. buena Media M. mala Mala M. mala Robustez a impactos Buena M. buena Buena M. mala Mala M. mala Altas temperaturas Media M. buena Media M. mala Mala M. mala Problema de ecualización No No No Si Si Si Seguridad M. buena M. buena M. buena M. buena M. buena Buena Formato - Cilindro Cilindro Prisma Pris/Cilin. Prisma Fuente: (Bayo & Sanchis, 2014) 2.8 Costo de recarga de un vehículo eléctrico Según (González, 2012) “En promedio un VE consume unos USD 2,5 cada 100 km. Si la comparación es con uno similar a combustión, resulta de 4 a 6 veces menos al mes. En tráfico urbano con muchas paradas y arranques el consumo puede llegar a ser 10 veces menor. En vehículos a combustión que realizan circuitos urbanos la referencia de 8 km/L se compara con un consumo del eléctrico de 7,5 km/KWh. Según estudios, Nissan dice que 82 kilovatios hora de electricidad son el equivalente de un galón de gasolina para un 100% eléctrico Nissan Leaf (21 Kw por litro de gasolina)”. (p. 13). 2.9 Cables eléctricos (Fernandez, 2016b) comenta: Hay tres (3) tipos básicos de alambre aislado utilizados en aplicaciones automotrices, ellos son: PVC, reticulado y polietileno. 88 2.9.1 El alambre de PVC Cuenta con un aislamiento que se aplica mientras se ejecuta a través de un troquel en el paquete de hilo de alambre. Una vez expuesto al calor de funcionamiento, este aislamiento se funde más fácilmente. Existen tres tipos básicos de alambre de PVC: GPT (utilizado para el cableado del circuito general y una clasificación de 176 grados Fahrenheit). TWP (sin plomo, alambre de paredes finas con una capacidad de 221 grados F) HDT (cable heavywall una clasificación de 176 grados F). 2.9.2 El alambre Reticulado Es diseñado para manejar temperaturas más elevadas. Este tipo de alambre se crea mediante la extracción del material de aislamiento a través de un tubo bajo calor y presión que recubre las moléculas del material de aislamiento, lo que resulta mucho más estable para las aplicaciones de mayores temperaturas y más conveniente para el uso del automóvil. Asimismo, el alambre reticulado tiene una potencia de 257 grados F. Los cuatro (4) tipos más comunes de alambre reticulado incluyen: 89 a) Alambre TXL Cuenta con el aislamiento más delgado y más claro. Comúnmente utilizado por los concesionarios fabricantes. Se encuentran disponibles desde 18 hasta calibres 12. b) Alambre GXL Es el aislamiento ligeramente más grueso que el TXL. Comúnmente disponibles desde 18 hasta 14 calibres. c) Alambre SXL Tiene un aislamiento ligeramente más grueso que GXL. Esto proporciona protección contra la abrasión añadida para cables de calibre fuertes, por lo general, se encuentran disponibles desde 12 a 8 calibres. d) Alambre GX Cuenta el aislamiento más grueso en la familia del alambre reticulado, especialmente apropiado para cables de baterías. Por otro lado, para aplicaciones de cables de baterías, los tres (3) tipos más utilizados incluyen SGT,SGX y STX. Estos son presentados a continuación: 90 e) Alambre SGT Cuenta con aislamiento de PVC, mientras que SGX y STX cuentan con aislamiento reticulado. Para cables de la batería, STX ofrece un aislamiento más delgado, útil para el encaminamiento en espacios reducidos. Por otro lado, se debe tener en cuenta que, los diferentes aislamientos (fabricante, tipo de aislamiento, entre otros.) pueden variar. Por lo que, medir el diámetro del aislamiento resultaría una pérdida de tiempo. Sin embargo, para aquellos que deseen tener la información, este mide exactamente 0,100 pulgadas. (p. 2) Según: (Cañizares, Sebastián, Barros, & Xavier, 2014) “El cableado de un vehículo eléctrico es muy importante y a veces se pasa por alto su correcto cálculo durante el diseño de la instalación. Si la selección del cable es inferior a la necesaria obtendremos el recalentamiento de los terminales y disminuiremos la vida útil del controlador.” Los cables son catalogados con una numeración en base a su grosor. Estos calibres varían de acuerdo a la corriente (Amperios) y el voltaje de trabajo (Voltios). Otros factores para el dimensionamiento de un cable son la temperatura, humedad, y uso del cable. El número más grande corresponde a un cable de menor espesor. (p. 46) 2.10 Fuerza de tracción de un vehículo La fuerza de tracción total es la fuerza mínima que el motor eléctrico requiere para desplazar al vehículo. 91 Viene expresada en la siguiente fórmula: Fte − Frr − Fad − Fhc = m ∗ a Ecuación 1 . Fuerza total Fuente: (Larminie & Lowry, 2003) Dónde: Fte: Fuerza de tracción total Frr: Fuerza de fricción entre los neumáticos y la superficie Fad: La fuerza de resistencia al aire Fhc: Resistencia a la pendiente 2.10.1 Fuerza de fricción entre los neumáticos y la superficie (Frr) Según (Curtosi, Zitelli, & Arechaga, 2016) afirma: “La resistencia a la rodadura está definida como la energía que consume un neumático por unidad de distancia recorrida. En un automóvil la energía es suministrada por el combustible, por lo tanto, tiene una relación directa con el consumo del mismo. Si consideramos el amplio espectro de vehículos que hay actualmente en el mercado, podemos decir que reduciendo la resistencia a la rodadura un 30% llevaría a obtener una reducción entre un 3 y 6% del consumo de combustible.” (p. 917). 92 Cuando el vehículo se mueve en una pendiente es donde se necesita mayor esfuerzo del motor se debe realizar se debe calcular: Figura 29 Diagrama de un vehículo en una pendiente Fuente: (Durán & Guerrero-Ramírez, 2009) 𝐹𝑟𝑟 = 𝑈𝑟𝑟𝑚𝑔 ∗ 𝑐𝑜𝑠ᴪ ∗ 𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑣) Ecuación 2 . Fuerza de resistencia del aire Fuente: (Larminie & Lowry, 2003) En donde Frr: Fuerza de fricción Urr: Coeficiente de fricción entre el neumático (caucho) y la superficie (asfalto) M: masa del vehículo ᴪ: ángulo de inclinación de la pendiente v: velocidad lineal del vehículo 93 sign (v): 1 v>0 0 v=0 -1 v<0 Los datos obtenidos de la Urr del manual de mecánica automotriz matemática aplicada GTZ en donde la resistencia a la rodadura en el asfalto es de 0.02 Figura 30 Coeficiente de resistencia a la rodadura Fuente: GTZ 2.10.2 La fuerza de resistencia al aire (Fad) En el estudio de la resistencia aerodinámica (Taipe & Oswaldo, 2014) expresan que: “Es la fuerza aerodinámica que se opone al avance. Depende especialmente de la máxima velocidad alcanzada V, además tiene una relación directamente proporcional con el área frontal y el coeficiente aerodinámico. (p. 26- 27) 94 Esta fuerza actúa al lado contrario del sentido de movimiento del vehículo oponiéndose al deslizamiento, por esta razón se considera a A como el área frontal en m2. 𝐹𝑎𝑑 = 1 2 𝜌 ∗ 𝐴 ∗ 𝐶𝑑 ∗ 𝑣 2 Ecuación 3 . Fuerza de resistencia del aire Fuente: (Larminie & Lowry, 2003) Dónde: Fad: Fuerza de resistencia al aire [N] ρ: Densidad del aire a 20 ºC que es la temperatura ambiente de la zona que es de 1.30 [kg/ m3 ] A: Área frontal del vehículo [m2] Cd: Coeficiente aerodinámico de penetración o resistencia al aire. Como el vehículo se asemeja a un turismo se va a tomar un valor promedio entre 0.30 y 0.80 que se obtiene estos datos del libro GTZ. V: está dada en m/s y depende del deslizamiento del vehículo Figura 31 Coeficiente de penetración Fuente: GTZ 95 V: velocidad del vehículo. El vehículo al ser urbano va a alcanzar una velocidad de 50 km/h 2.10.3 Características aerodinámicas del vehículo Según (Wong, 2014) afirma: “El área frontal del vehículo se puede determinar a partir del plano, pero también existe una fórmula aproximada basada en bases de datos de vehículos que nos permiten determinar el área frontal como: Af = 1.6 + 0.00056 ∗ (𝑚𝑣 − 765) Ecuación 4 . Área frontal del vehículo Fuente: (Larminie & Lowry, 2003) Dónde: Mv: Masa del vehículo 2.10.4 Resistencia a la pendiente (Fhc) Como lo menciona (Taipe & Oswaldo, 2014) “La fuerza resistente Fp causada por la pendiente del plano de la carretera, es igual a la componente de la fuerza del peso en la dirección del vehículo. 𝐹𝑝 = 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ 𝑠𝑖𝑛 ∝ Ecuación 5 . Fuerzas causadas por la inclinación del plano de la carretera Fuente: (Taipe & Oswaldo, 2014) 96 Dónde: α representa la inclinación del plano de la carretera (°). m, representa la masa del vehículo (kg). g, representa a la gravedad (𝑚/𝑠2)” (p. 28-29). 2.11 Potencia requerida de un vehículo (Larminie & Lowry, 2003) Afirma: La potencia es igual al esfuerzo de tracción multiplicado por la velocidad. Usando las diversas eficiencias en el diagrama de flujo de energía, la energía requerida para moverse, se calcula el vehículo por un segundo. 𝑃𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑎 = 𝐹𝑡𝑒 ∗ 𝑣𝑚𝑎𝑥 Ecuación 6 .Potencia Necesaria Fuente: (Larminie & Lowry, 2003) Las ineficiencias del motor, el controlador y el sistema de engranajes significan que la potencia del motor no es la misma que la potencia de tracción, y la potencia eléctrica requerida por el motor es mayor que la potencia de salida mecánica (p. 211) 𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝑃𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑎 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 Ecuación 7 . Potencia real Fuente: (Larminie & Lowry, 2003) 97 3. CAPÍTULO III LEVANTAMIENTO DE REQUERIMIENTOS E IMPLENTACIÓN DEL SISTEMA DE FRENO REGENENERATIVO. En este capítulo se determinan las características que deben tener los componentes del sistema de propulsión, así como modificaciones necesarias para la implementación del kit de conversión, de esta manera garantizar su óptimo desempeño al momento de realizar las pruebas de funcionamiento, recolección de datos en condiciones óptimas y adversas de rutas pre establecidas. 3.1 Predicción de prestaciones Previo al estudio de adaptación del kit de conversión se debe conocer las fuerzas que actúan sobre la masa del cuerpo analizado (vehículo) y solventar la potencia que se requiere para vencer su inercia. Se analizó los parámetros de conservación de energía en diversas condiciones de manejo y aceleración en una ruta establecida, dicha ruta contiene pendientes pronunciadas y rectas. Las baterías dependen de las necesidades y especificaciones del vehículo prediseñado para la implementación del sistema de propulsión eléctrica. 3.2 Requerimientos iniciales del vehículo Los parámetros principales que se deben tomar en cuenta para implementar el sistema de propulsión eléctrica en el vehículo se describen a continuación: 98 Tabla 7 Masa de los componentes del sistema a implementarse La masa de la carrocería está considerada sin los componentes que originalmente se encuentra equipado como: sistema de enfriamiento, motor de combustión, sistema de arranque, sistema de carga, etc. La estructura nueva que se va a adaptar en el vehículo se encuentra constituida por el adaptador de caja, acople de caja de cambios, componentes de sujeción de motor, controlador y baterías que van a tener un peso aproximado de 50 kg. Componentes Masa Kg Vehículo (carrocería) 680 Masa del ocupante 75 Motor eléctrico 45 Baterías 150 Cargador de baterías 2 Conversor DC/ DC 2 Generador de vacío 2 Estructura 50 Cableado 25 Total 896 99 3.3 Cálculo del área frontal del vehículo 𝐴 = 𝐴𝑙𝑡𝑜 ∗ 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 Ecuación 8 .Área frontal del vehículo 𝐴 = 1.48 ∗ 1.39 𝐴 = 2.05 𝑚2 3.4 Fuerza de tracción total Según ecuación 1 La fuerza de tracción total es la fuerza mínima que el motor eléctrico requiere para desplazar al vehículo. Viene expresada en la siguiente fórmula: Fte − Frr − Fad − Fhc = m ∗ a 3.4.1 Fuerza de fricción entre los neumáticos y la superficie (Frr) 𝐹𝑟𝑟 = 𝑈𝑟𝑟𝑚𝑔 ∗ 𝑐𝑜𝑠ᴪ ∗ 𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑣) 𝐹𝑟𝑟 = 0.02 ∗ 896 ∗ 9.8 𝑚 𝑠2 ∗ 𝑐𝑜𝑠10º ∗ 1 𝐹𝑟𝑟 = 172.94 𝑁 3.4.2 La fuerza de resistencia al aire (Fad) Esta fuerza actúa al lado contrario del sentido de movimiento del vehículo oponiéndose al deslizamiento, por esta razón se considera a A como el área frontal en m2. 100 𝐹𝑎𝑑 = 1 2 𝜌 ∗ 𝐴 ∗ 𝐶𝑑 ∗ 𝑣 2 𝐹𝑎𝑑 = 1 2 (1.30)(2.05)(0.55)(𝑉2) Tabla 8 Parámetros de velocidad - resistencia al aire Figura 32 Efecto de la fuerza de resistencia al aire - velocidad 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 2,77 6,94 13,88 22,22 Fu e rz ad e r e si st e n ci a al a ir e ( N ) Velocidad (m/s) Velocidad - Fad V [Km/H] V [m/s] Fad [N] 0 0 0 10 2,77 5.62 25 6,94 35.29 50 13,88 141.19 80 22,22 361.84 101 En la figura 32 con los resultados adquiridos de la resistencia al aire se interpreta que a una velocidad de 50 km/h se va a tener una fuerza de resistencia de 141.19 N y para una velocidad sobre estimada de 80 km/h la resistencia se incrementa a 361. 84 N. 3.4.3 Resistencia a la pendiente (Fhc) Para obtener este parámetro se debe considerar la masa del vehículo (896 kg), la gravedad (9.8 m/s2) y el ángulo de la pendiente (10º) y se aplica la siguiente ecuación: 𝐹𝑝 = 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ 𝑠𝑖𝑛 ∝ 𝐹𝑝 = 896 ∗ 9.8 ∗ sin (10) 𝐹𝑝 = 1524.76 𝑁 Cálculo de la fuerza de tracción total del vehículo De la ecuación (1) se debe despejar Fte para obtener la fuerza total requerida por el motor eléctrico. Al tratarse de un vehículo de turismo nos interesa mantener una aceleración baja alcanzado una velocidad de 50 km/h y poder obtener autonomía. 𝐹𝑡𝑒 = (𝑚 ∗ 𝑎) + 𝐹𝑟𝑟 + 𝐹𝑎𝑑 + 𝐹ℎ𝑐 Ecuación 9 .Fuerza de tracción 𝐹𝑡𝑒 = (𝑚 ∗ 𝑎) + 𝐹𝑟𝑟 + 𝐹𝑎𝑑 + 𝐹ℎ𝑐 𝐹𝑡𝑒 = (896 ∗ 0.06) + 172.94 + 141.19 + 1524.76 𝑁 𝐹𝑡𝑒 = 1892.65 𝑁 102 3.5 Potencia requerida del vehículo El motor eléctrico que se requiere para implementar en el vehículo debe presentar las especificaciones mínimas requeridas, y para determinar la potencia requerida se debe aplicar la ecuación: 𝑃𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑎 = 𝐹𝑡𝑒 ∗ 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑃𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑎 = 1892.65 𝑁 ∗ 13.88 𝑚/𝑠 2 𝑃𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑎 = 26269.98 𝑊 Al tener pérdidas por eficiencia del motor y otros componentes la potencia del motor viene dada: 𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝑃𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑎 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 Ecuación 10 .Potencia Requerida Los nuevos motores de corriente alterna tienen una eficiencia de 85% (Vernis, 2016) para lo cual va a ser una referencia para el cálculo de la potencia del motor eléctrico. 𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 26269.98 0.90 𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 29.18 𝐾𝑤 103 3.6 Selección del torque El torque que se genera en el vehículo por acción de la fuerza de tracción se calcula con la siguiente ecuación 11: 𝑇𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎 = 𝐹𝑡𝑒 ∗ 𝑟𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎 Ecuación 11 .Torque necesario Dónde: Trueda: Torque generado en un rueda Fte: Fuerza aplicada a la rueda rrueda: Radio de la rueda 𝑇𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎 = 1892.65 ∗ 0.27 𝑇𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎 = 511 𝑁𝑚 3.7 Componentes del Kit de conversión A continuación, se detallará los elementos eléctricos y electrónicos que se requiere para implementar el sistema de propulsión eléctrica a un prototipo equipado con motor de combustión interna y los cálculos para determinar teóricamente las prestaciones que debe tener cada uno de los componentes. 104 Figura 33 Sistema de conversión de vehículo eléctrico Fuente: (González, s. f.) 3.8 Selección del motor eléctrico Una vez conocida la potencia necesaria para implementar un motor eléctrico al vehículo se analiza los diferentes tipos de motores que existen en el mercado considerando peso, potencia y eficiencia. Tabla 9 Comparación de tres tipos de motores AC Marca HEPU MONTENERGY MONTENERGY Modelo HPQ7.5-72-22W ME0709 ME1004 Imanes permanentes Voltaje de operación (V) 72 Ac 96 Dc 72 Dc KIT DE CONVERSIÓN 1. Motor Ac 2. Adaptador de motor a transmisión 3. Banco de baterías de alto voltaje 4. Cargador de baterías 5. Conversor DC- DC 6. Batería para accesorios 7. Acelerador electrónico 8. Controlador 9. Relay para conexión y desconexión 105 Potencia (Kw) 30 21.6 26 Torque (Lb-in) 110 180 150 Mantenimiento Libre de mantenimiento Libre de mantenimiento Libre de mantenimiento Protección Carcasa de aluminio Peso (kg) 45 36.3 86 Refrigeración Aire aire aire Revoluciones rpm 6800 5000 6000 Amperaje (A) 400 300 200 Eficiencia (%) 90 85 85 Precio ($) 1000 630 850 3.8.1 Parámetros de selección del motor eléctrico. La siguiente tabla se selecciona el motor eléctrico en base a criterios técnicos como son voltaje, eficiencia, peso y potencia. Para tener un motor con las mejores prestaciones vs costo conveniente. Se usará la siguiente tabla para dar una ponderación a cada criterio que se describe. Tabla 10 Ponderación de cualidades Calificación Ponderación Regular 1 Buena 2 Muy buena 3 106 Tabla 11 Criterio de selección de motor Ac Criterio de selección Ponderación HPQ7.5-72-22W ME0709 MONTENERGY Peso 0.25 2 0.5 3 0.75 1 0.25 Voltaje de operación 0.2 3 0.6 1 0.2 2 0.4 Eficiencia 0.1 3 0.3 2 0.2 2 0.2 Potencia 0.25 3 0.75 1 0.25 2 0.2 Precio 0.2 2 0.4 3 0.2 2 0.4 Resultado 1 2.55 1.6 1.75 En base a fundamentos matemáticos descritos anteriormente, ponderación de mejores prestaciones y costo – beneficio se seleccionó el motor de HEPU HPQ7.5-72- 22W ya que cumple las características necesarias para adaptarse al vehículo seleccionado. Al no disponer de escobillas este motor brinda mayores beneficios tal es así que su mantenimiento tiene un precio asequible y al trabajar con corriente alterna permite tener una mejor eficiencia. 107 3.8.2 Especificaciones del motor Ac seleccionado Figura 34 Motor eléctrico AC Tabla 12 Especificaciones técnicas del motor Ac Marca HEPU HPQ7.5-72-22W Voltaje de operación (V) 72 Ac Freno regenerativo Si Corriente de fase (A) 400 Corriente máxima en dos minutos (A) 550 Peso (Kg) 45 Precio ($) 1000 Eficiencia (%) 90 Refrigeración Aire Torque 110 lb/pie 13.55 Nm 108 3.8.3 Diagrama eléctrico motor AC Figura 35 Diagrama de conexión de motor AC 3.9 Selección del controlador El controlador es el encargado de transformar la corriente continua de las baterías a corriente alterna para mover al motor AC. También posee un acelerador electrónico que permite acelerar al motor de una forma eficiente. Tabla 13 Selección del controlador Criterio de selección Ponderación Internacional Power ME0709 MONTENERGY Corriente 0.3 2 0.6 3 0.9 1 0.3 Peso 0.2 3 0.6 1 0.2 2 0.6 Precio 0.2 3 0.6 2 0.4 2 0.4 Eficiencia 0.3 3 0.9 1 0.3 2 0.6 Total 1 2.7 1.8 1.9 109 El controlador seleccionado es International enpower MC3336- 7240, debido a que se acopla perfectamente al motor seleccionado y comercialmente el conjunto motor - controlador se dispone bajo especificaciones del mismo fabricante que permite desarrollar el trabajo de forma más eficiente. Figura 36 Controlador Enpower 3.9.1 Especificaciones de controlador Enpower Tabla 14 Especificaciones técnicas de controlador Marca International enpower MC3336- 7240 Voltaje de operación (V) 72 Ac Freno regenerativo Si Corriente max. De salida (A) 350- 400 110 Corriente máxima en dos minutos (A) 550 Peso (Kg) 5 kg Rango de temperatura (ºC) -30 - 50 Controlador de inicio Tensión ( VDC) 48 Eficiencia 90 % Refrigeración Ventilador Potencia de salida (Kw) 30 3.9.2 Diagrama eléctrico del controlador Figura 37 Conexión eléctrica de Controlador Los terminales positivo (+) y negativo (-) del controlador se encuentran conectados a los polos positivo y negativo del banco de baterías de alto voltaje respectivamente, estos símbolos se encuentran gravados en la superficie del controlador. Los terminales W, V, U, son terminales que van conectados a través de cables #4 al motor trifásico. 111 Figura 38 Terminales con pernos de controlador Los siete pernos que posee el controlador están fabricados de acero inoxidable para evitar corrosión en los mismos, según especificaciones del fabricante estos deben ser apretados a 30 N/m, caso contrario estarán sometidos a recalentamiento de los componentes. 3.9.3 Pines de conexión 1 entrada de señal al controlador (72 v), actúa como un switch interno del controlador. a) Conexión del acelerador  19 posición del switch  8 cable de poder +  20 cable de señal  31 masa 112 b) Encoder  6 Cable de poder 5 v+  17 Señal A  29 Cable de poder 5 v -  18 Señal B c) Sensor de temperatura Va conectado al motor AC para determinar el rango de temperatura para posibles sobrecalentamientos y se proteja cuando exista esta falla.  30 Temperatura +  7 Temperatura – d) Freno regenerativo. Esta conexión permite conectar directamente al interruptor del freno del vehículo, va alimentado a 12 voltios. Cuando se activa el freno de pedal el motor deja de funcionar en forma de motor Ac y se convierte en un generador de corriente permitiendo que se carguen las baterías cuando el pedal de freno se active en un descenso o desaceleración. 113 Figura 39 Conexión de freno regenerativo  26 Entrada de voltaje de 12 v positivo  27 Entrada de masa de la batería del vehículo. El controlador viene equipado con un ventilador que permite enfriar al componente, es un socket que funciona con un voltaje de 12 voltios y va conectarse con la señal del switch del vehículo. 3.9.4 Fallas en el controlador Con la ayuda de una alarma sonora que posee la estructura del equipo, ayuda a diagnosticar problemas de funcionamiento del controlador. 114 Tabla 15 Diagnostico mediante señales audibles del controlador Número Sonido Descripción 0 Sin sonido Sin fallo 1 Sonido continuo No hay salida de señal, cuando pisa el pedal y enciende llave contacto; Revise conexión, Pedal mal o mal señal al controlador. 2 1 largo 2 cortos Llave de contacto mal, intente otra vez. 3 1 largo 3 cortos Sobre corriente (motor o cable del motor en cortocircuito, conexión floja o señal mala del encoder). 4 1 largo 4 cortos Sobrecalentamiento del controlador, parar y esperar que enfríe. 5 1 largo 5 cortos Relé no funciona o no conectado en B + (comprobar la tensión entre B + y B- del controlador, que debe ser igual al voltaje de la batería). 6 1 largo 6 cortos Detectada falla de Corriente (reparación en depósito o recambio) 7 1 largo 7 cortos 20% excedido Límite máximo del vehículo (reiniciar) 8 1 largo 8 cortos Fallo del BMS (en vehículos con BMS de baterías de Litio). 9 1 largo 9 cortos Voltaje bajo (chequear voltaje total de las baterías). 10 1 largo 10 cortos Voltaje muy alto (chequear voltaje total de las baterías) 11 1 largo 11 cortos Sobre temperatura del motor (parar para enfriar o revisar termistor del motor) 12 1 largo 13 cortos Pedal acelerador mal funcionamiento. Fuente: (González, 2015) 3.10 Selección del acelerador El acelerador de pie 72 v, es un componente que permite enviar la señal al controlador, para variar las revoluciones del motor AC según la posición del pedal. 115 Figura 40 Acelerador electrónico Tabla 16 Especificaciones técnicas del acelerador Especificaciones técnicas Voltaje de trabajo 72 voltios Resistencia nominal 5 ohm Número de conectores 4 conectores Corriente 4 A 3.10.1 Diagrama de conexión de acelerador Figura 41 Diagrama de conexión Acelerador electrónico 116 3.11 Selección del interruptor El interruptor principal es un cortacorriente de accionamiento mecánico que permite desconectar el paso de corriente desde el polo positivo de la batería hacia los componentes, cumpliendo con los requerimientos que son voltaje de trabajo de 72 v y corriente máxima de 400 A, con la ayuda de este componente permite cortar la energía a todo el sistema en caso de una emergencia o cuando el vehículo permanezca estacionado. Figura 42 Cortacorriente 3.12 Parámetros de selección de cables La resistencia que tiene los cables utilizados AWG 4/0 se detalla a continuación. 𝑅 = 𝜌 ∗ 𝑙 𝜋 ∗ 𝑟2 [Ω] Ecuación 12 .Selección de cables 117 Dónde: R: Resistencia Ρ: resistividad [Ω*m] L: Longitud [m] R: radio [m] El cable elegido para la conexión de alto voltaje es AWG 4/0 𝑅 = 1.67 ∗ 10−8 ∗ 1 𝑚 𝜋 ∗ 0.005852 [Ω] 𝑅 = 1.55 ∗ 10−5 Ω El cable AWG 4/0 es un conductor constituido de cobre suave flexible, con un recubrimiento termoplástico. Tabla 17 Características del cable automotriz Amperaje que soportan los cables de cobre Nivel de temperatura: 60 ºC 75 ºC 90ºC 60ºC Tipo de aislante TW RHW, THW, THWN THHN, XHHW-2, THWN-2 SPT Medida / calibre del cable Amperaje soportado Medida/ calibre del cable Amperaje soportado 14 AWG 15 A 15 A 15 A 20 AWG 2A 12 AWG 20 A 20 A 20 A 118 10 AWG 30 A 30 A 30 A 18 AWG 10ª 8 AWG 40 A 50 A 55 A 6 AWG 55 A 65 A 75 A 16 AWG 13ª 4 AWG 70 A 85 A 95 A 3 AWG 85 A 100 A 115 A 14 AWG 18ª 2 AWG 95 A 115 A 130 A 1 AWG 110 A 130 A 145 A 12 AWG 25ª 1/0 AWG 125 A 150 A 170 A 2/0 AWG 145 A 175 A 195 A 3/0 AWG 165 A 200 A 225 A 4/0 AWG 195 A 230 A 260 A Fuente: (Mas voltatje, 2016) 3.13 Selección de conversor DC-DC El conversor DC- DC convierte la corriente continua de una tensión a otra más baja, ingresando un voltaje desde 72 voltios, dando a su salida una tensión regulada de 13.8 VDC Tabla 18 Selección de Convertidor de DC- DC Marca International Enpower SEVCOM GBS Modelo 72 V GEM 4 GBS Voltaje de entrada- salida (CC) 72 – 13.8 V Dc 72- 13.8 V Dc 72- 12.8 V Dc Eficiencia 90 95 90 Protección Polaridad inversa 220 Litio- hierro- fosfato Peso (kg) 5 3.50 12.9 Temperatura de operación (ºC) -20 a 50 60 -3 – 60 Ciclo de vida (recargas) 1000 630 2000 119 Tabla 19 Criterio de selección del conversor DC/ DC Criterio de selección Ponderación Internacional Power ME0709 MONTENERGY Peso 0.2 3 0.6 1 0.2 2 0.4 Precio 0.3 1 0.3 2 0.6 3 0.9 Eficiencia 0.3 2 0.6 1 0.3 1 0.3 Dimensiones 0.2 3 0.6 3 0.6 1 0.2 Total 2.1 1.7 1.8 Se seleccionó la primera opción, un conversor DC/ DC de 72 voltios a 13.8 v con un peso de 5 kg, una eficiencia de 90 %. Figura 43 Conversor DC/ DC 120 Figura 44 Dimensionamiento de conversor DC/ DC Fuente: (González, 2012) Figura 45 Diagrama eléctrico del convertidor DC/ DC 121 3.14 Selección del cargador de Baterías Tabla 20 Selección de cargador de baterías Marca Elite power THUNDERSTRUCK Motors Modelo CH 4100 CARBAT T023 Voltaje de entrada (VCA) 110-220 110-220 Voltaje de salida (VCD) 72 85 Eficiencia 92 95 Protección Polaridad inversa Polaridad inversa Peso (kg) 2.7 4.98 Enfriamiento Aire ventilación forzada Aire Factor de potencia (%) 99 99 Dimensiones (cm) 24.5*1.3.3*7 168*227*78 Precio 500 480 Amperaje (A) 10 25 Tabla 21 Criterio de selección de Cargador de baterías Criterio de selección Ponderación Internacional Power ME0709 Peso 0.3 3 0.9 2 0.6 Precio 0.2 1 0.2 2 0.4 Eficiencia 0.1 2 0.2 3 0.3 Dimensiones 0.4 3 1.2 2 0.8 Total 2.5 2.1 El cargador seleccionado es el international power Ch 4100, a más de tener las características antes mencionadas se encuentra equipado con una luz led que permite 122 verificar el estado de carga, con la ayuda del indicador lumínico que dependiendo del estado de carga va a encenderse un color de led. Figura 46 Cargador de baterías de alto voltaje 3.14.1 Diagrama de conexión cargador de baterías Figura 47 Diagrama eléctrico de Cargador de baterías de alto voltaje 123 Tabla 22 Características técnicas del cargador CH 4100-7220 2 Descripción Valores 1 Tensión nominal de entrada: 105- 220VAC 50 / 60Hz 2 Rango de tensión de entrada: 85 ~ 265VAC (Nota: Cuando la tensión de entrada es inferior a 185VAC, la potencia de salida se limitará a 1,5 KW) 3 Factor de energía: ≥ 0.99 @ entrada 220VAC, salida de potencia total 4 Armónica Total actual ≤ 5% de entrada @ 220VAC, salida de potencia total 5 Tensión de salida nominal 48 a144V (según programación de fábrica) 6 Máxima tensión de salida: 180V 7 Corriente de salida nominal 15A 8 Precisión Regulación de voltaje ≤ 0,5% 9 Actual exactitud regulación ≤ 2% 10 La eficiencia de conversión ≥ 95% de entrada @ 220VAC, salida de potencia total 11 Ruido audible ≤ 40 dB 12 Temperatura de almacenamiento - 40 ~ 80 ° C 13 Certificados de reconocimiento CE SGS se asegurará de salida 2KW a 60 ° C. Fuente: (González, 2015) El cargador se encuentra equipado con una luz testigo que indica las condiciones de carga a través tres luces led que según sea la situación va a encenderse, a continuación, se detalla los diferentes estados de carga mediante la señal luminosa. 124 Tabla 23 Indicar de cargador de baterías 3.14.2 Fallas del cargador de baterías Tabla 24 Posibles fallas del cargador de baterías Situación Indicador 1 Batería baja R--- 2 Batería cargada al 80% R- 3 Batería entre el 80% y 90% A- 4 Batería entre el 90% y 100% V- 5 Carga completa Luz verde fija 6 Alerta sensor de temperatura Verde – (3 segundos) Amarillo (1/2 segundo) Fuente: (González, 2015) Tabla 25 Descripción de fallas de cargador de baterías Descripción Indicador 1 Batería no conectada R- V--- 2 Cargador recalentado R- V- A- 3 Entrada o fusible mal R- V- A- A- 4 Tiempo excedido de carga R- V- A- A- A- 5 Batería fuera de tensión R-V-A-A-A-A- 6 Excede tiempo de precarga R-V-A-A-A-A-A--- 7 Error de temperatura R-V-A-A-A-A-A-A--- 8 Error voltaje de salida R-V-A-A-A-A-A-A-A--- 9 T. ambiente -20C, el cargador tomará 2 minutos para comenzar: R-V-A-A-A-A-A-A-A-A--- 10 Cortocircuito en salida R-A--- Fuente: (González, 2015) Luz Led Indicador Roja R Amarilla A Verde V 125 “-” Representa un lapso de tiempo de medio segundo entre cada color del led. 3.15 Selección del generador de vacío El kit de conversión se encuentra equipado con un generador de vacío que sirve para conectar al servofreno facilitando así la modificación del sistema de frenado del vehículo. El generador de vacío viene con un deposito, un motor generador de vacío y cañerías para poder acoplar al servofreno. Trabaja con un voltaje de 12 voltios. Figura 48 Generador de vacío 126 Tabla 26 Características técnicas generador de vacío Generador de vacío Voltaje de trabajo 12 Voltios DC Resistencia 3 ohm Número de cables 2 3.15.1 Diagrama de conexión de generador de vacío Figura 49 Diagrama de conexión de generador de vacío El generador de vació se encuentra constituido por dos partes: La primera parte es el motor generador de vacío que va a tener una conexión de 12 VDC y se va a activar con la llave del switch, la segunda parte del generador consta de un 127 tanque de almacenamiento de vacío que permite mantener una presión de depresión estable para el uso del servofreno. 3.16 Selección de reloj medidor de voltaje El kit de conversión viene incluido con un medidor de voltaje, que permite monitorear en tiempo real el voltaje del pack de baterías de alto voltaje. Tabla 27 Características técnicas del reloj medidor de voltaje Medidor EMPower Voltaje de trabajo 72 Voltios Resistencia 5 ohm Número de cables 3 Figura 50 Dimensionamiento de conversor DC/ DC Fuente: (Gonzalez, s. f.) 128 3.16.1 Diagrama de conexión. Figura 51 Diagrama de conexión de reloj medidor 3.17 Selección del sistema de alto voltaje Las baterías no deben descargarse por completo ya que de suceder esto, estas llegan a deteriorarse prematuramente, así que la descarga de las baterías debe ser hasta un 80% de su capacidad. El motor elegido anteriormente será de 72 voltios y entrega una potencia de 10 kw cuando comienza a mover el vehículo, una eficiencia del 90%, la capacidad del banco de baterías que consta de 6 baterías de 12 voltios que se conectan en serie para lograr dicho voltaje. La capacidad especifica de las baterías de denotara por la siguiente fórmula: Ibaterias = Pmotor ∗ nmotor Vbanco ∗ (% descargar) Ecuación 13 .Intensidad de baterías Ibaterias = 10000 ∗ 0.85 72 ∗ 0.8 129 Ibaterias = 127.56 Ah Se necesita baterías de 115 Ah para su utilización, descargarlas hasta un 80 % de la capacidad nominal de las baterías, la desventaja que se tiene es el incremento el peso del vehículo ya que cada batería pesa 30 kg, es decir el peso total por 6 baterías está estimado en 180 kg. Figura 52 Ciclo de vida de una batería plomo- ácido Fuente: https://www.mobasolar.com/wp-content/uploads/2018/04/Battery-UCG100-12-min.pdf 130 Tabla 28 Selección de baterías Marca Baterías Pl- acido Baterías Pl ácido ciclo profundo Baterías de Litio Modelo 30 H RA12-100 GBS Voltaje nominal (V) 12 12 12.8 Capacidad nominal (Ah) 115 100 140 Química Plomo- ácido Plomo - acido Litio- hierro- fosfato Peso (kg) 30 33 12.9 Corriente de recarga máxima (C) 160 3 Ciclo de vida (recargas) 500- 800 350-700  2000 Temperatura de operación (ºC) -18- 60 25 -20 a 65 Tabla 29 Criterio de selección de baterías Criterio de selección Ponderación Baterías Pl- ácido Ciclo profundo Baterías litio Peso 0.4 2 0.8 1 0.4 3 1.2 Precio 0.4 3 1.2 2 0.8 1 0.4 Eficiencia 0.1 2 0.2 3 0.3 3 0.3 Dimensiones 0.1 2 0.2 3 0.3 3 0.3 Total 2.4 1.8 2.2 Las baterías tienen una capacidad de 115 Ah, siendo más baja la capacidad de lo que se obtuvo en el cálculo anterior, pero el controlador y el motor viene equipado con freno regenerativo compensando de esta manera la capacidad calculada. Así se puede aprovechar el freno regenerativo en los descensos y desaceleraciones para que el motor cargue a las baterías permitiendo que no se descarguen menos del 80% de la capacidad de las baterías, elevando el ciclo de vida del sistema. 131 Las baterías de 100 Ah hora posee una capacidad baja permitiendo que se descarguen prematuramente, causando molestias al usuario, incrementando las paradas para poder cargar al vehículo y también disminuyendo la vida útil de las baterías. Luego de este análisis se seleccionó las baterías Hi Tech extrema Titanium de 115 Ah, 12 voltios nominales, pesando cada una 30 kg, en una cantidad de 6 baterías se obtiene un peso total de 180 kg adicionales al vehículo. 3.17.1 Diagrama de conexión de sistema de alto voltaje Figura 53 Diagrama de conexión de sistema de alto voltaje 3.18 Freno regenerativo El motor que se implementó en el vehículo tiene dos formas de funcionamiento: La primera cuando se presiona el acelerador transforma la energía eléctrica que suministra las baterías de alto voltaje en energía cinética; la segunda forma de funcionamiento es la regeneración de corriente durante el proceso de frenado y 132 desaceleración, tiene como finalidad recuperar corriente mediante la energía cinética y volver a transformarla en energía eléctrica para devolver a las baterías de alto voltaje, permitiendo que se carguen elevando la autonomía del vehículo. El funcionamiento del freno regenerativo es mediante la conexión eléctrica al actuador del freno de servicio, cuando el vehículo se encuentra en movimiento, se presiona el freno de servicio y se activa el freno regenerativo actuando el motor como un alternador permitiendo que se carguen las baterías. 3.19 Adaptación mecánica Para la conversión del vehículo con motor de combustión a eléctrico se debe seguir el siguiente procedimiento. Identificar los diferentes sistemas eléctricos inherentes en el motor de combustión interna, tales como sistema de encendido, sistema de carga, sistema de arranque y sistema de enfriamiento, a ser desmontados con la correspondiente identificación de componentes y cables a desconectarse. Identificar los diferentes sistemas mecánicos a ser desmontados, como son conjunto motor, sistema de enfriamiento (radiador, mangueras, ventilador), sistema de admisión y escape, sistema mecánico de encendido, ductos de calefacción y aire acondicionado.  Se debe desmontar los componentes del vehículo que resulte innecesario luego de la conversión como: motor de combustión, radiador, mangueras, cables que no se utilicen, sistema de escape. 133  Marcar los cables del sistema eléctrico los que son positivos y negativos para no perder las conexiones de los dispositivos correspondientes. Los cables a eliminarse son: cables del alternador. Cables del motor de arranque, cables de bobina, cables de distribuidor, sensores.  Se sustrae el cable del acelerador, el pedal del acelerador, el sistema de calefacción, el tanque de combustible y tuberías de alimentación de combustible.  La caja de cambios dispone de una base que permite la sujeción entre este mecanismo y el compacto del vehículo, esto nos ayuda al momento de volver a acoplar la caja con el motor eléctrico sin que se pierda la distancia de posición original.  A continuación, se debe extraer el motor de combustión, primeramente, verificar que no siga conectado ningún elemento eléctrico, comprobar que los pernos de sujeción entre la caja de cambios y el motor, las bases del motor. El embrague va a estar acoplado aun en el motor ya que posteriormente se debe desacoplar del volante de inercia para poder fabricar el acople entre el motor eléctrico y volante de inercia.  La caja de cambios se encuentra sujeta por la base, es recomendable desmontarla del vehículo para realizar un mantenimiento, limpieza y verificaciones de los piñones para evitar problemas futuros por causa de un elemento interno en mal estado.  Se tiene todos los componentes mecánicos desmontados, es momento de diseñar los componentes de acoplamiento o adaptación entre la caja de cambios y el 134 motor eléctrico, pero conservando el embrague, este procedimiento es el más complicado al momento de realizar la conversión.  Se procede a diseñar los elementos que va a servir de acoplamiento, primeramente, mediante la simulación en un software para luego realizar el mecanizado de los componentes. 3.20 Ensamblaje e implementación del sistema de propulsión eléctrico. 3.20.1 Adaptador de motor hacia el volante de inercia Primero se hizo un análisis del funcionamiento que tiene el sistema de embrague, el cual permite acoplar y desacoplar la caja de cambios con el motor de combustión interna para sincronizar un cambio, debido a que el motor de combustión siempre se encuentra en movimiento. Al momento de realizar una conversión de motores, el sistema de embrague se puede dejar de utilizar, pero se decidió dejarlo como originalmente está estructurado. Por esta razón se debe realizar un acople que sujete tanto al volante de inercia como al eje del motor eléctrico. a) Análisis del acople mediante software Con la ayuda de software de diseño Inventor se realizó cada uno de los componentes, sometiéndoles a análisis de torsión, desplazamiento angular y factor de seguridad. 135 Figura 54 Análisis de Von Mises Figura 55 Análisis de Desplazamiento 136 Figura 56 Análisis de Factor de seguridad El componente fue comprado en un almacén de repuestos automotrices, se investigó el material del cual se realizan las manzanas de los vehículos y el más común es el AISI 4130 con su límite elástico de 590 Mpa Factor de seguridad 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 = 𝜎𝑙í𝑚𝑖𝑡𝑒 𝜎𝑉𝑜𝑛 𝑚𝑖𝑠𝑒𝑠 Ecuación 14 .factor de seguridad Donde σlímite: Límite elástico del material (Mpa) 590 Mpa σVon mises: esfuerzo calculado de Von mises 137 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 = 760 37.85 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 = 15.58 Tabla 30 Esfuerzos calculados Esfuerzos calculados DETALLE VALORES Esfuerzo de Von mises calculado 37.85 Mpa Número de elementos 1 Desplazamiento máximo 0.012 mm Factor de seguridad 9.24 Peso 0.743 kg 3.20.2 Búsqueda del estriado del motor. Descripción El estriado del motor viene dado por 22 estrías alrededor del eje, con un diámetro exterior de 24 mm e interior de 22 mm. Con estas características se pudo adquirir una manzana de rueda de un vehículo Volkswagen gol modelo 2000 que se acopla de una manera exitosa al eje del motor eléctrico. 138 Figura 57 Manzana de rueda Volkswagen gol Tabla 31 Datos técnicos de la manzana de Volkswagen gol modelo 2000 Descripción Dimensión Número de estrías 22 u Diámetro exterior del estriado 24 mm Diámetro interior del estriado 22 mm Largo total del componente 49 mm Diámetro total del componente 92 mm 3.20.3 Mecanizado del componente Pulido en el torno de la superficie frontal para el acoplamiento del volante de inercia. Aseguramiento del acople contra el eje del motor, para esto se realizó dos agujeros roscados en donde ingresa el eje para luego ser ajustados con pernos tipo prisioneros. 139 Figura 58 Acople de motor eléctrico Se realizó los agujeros para el acoplamiento del volante. Figura 59 Mecanizado de acople de motor eléctrico 140 En la figura 59 se muestra el componente, cual es encargado de sujetar al volante de inercia va acoplado en el eje del nuevo motor AC y a más de esto se mecanizó un bocín de bronce para el acoplamiento del motriz de la caja que ingresa al acople nuevo centrando el motriz con el volante de inercia. 3.20.4 Mecanizado del volante de inercia El volante de inercia está constituido por dos partes, la primera es la corona que permite girar al cigüeñal cuando se enciende el vehículo mediante el motor de arranque. La segunda parte es el cuerpo o volante que es el encargado de almacenar energía cinética para estabilizar el movimiento angular cuando existe aceleraciones bruscas. Se puede eliminar la parte de la corona del volante de inercia debido a que ya no se utiliza el motor de arranque, también se eliminó masa del volante de inercia para disminuir el peso que tiene y evitar que el motor consuma demasiada corriente cuando inicie el movimiento del vehículo. Figura 60 Volante de inercia San Remo 141 El volante de inercia original tiene un peso de 12.2 Kg La parte frontal que se observa en la figura 53 no se debe realizar ningún cambio o mecanizado debido a que se acopla el sistema de embrague y al modificarlo el embrague puede funcionar de una forma incorrecta. Figura 61 Mecanizado de volante de inercia El volante de inercia modificado va a tener un peso de 11.3 kg disminuyendo así el esfuerzo que requiere el motor eléctrico para iniciar el movimiento del vehículo. 3.20.5 Análisis del sistema de acoplamiento entre el motor eléctrico y la caja de cambios. a) Análisis por software del acoplamiento entre motor y la caja de cambios Análisis de Von mises Una vez hecha las simulaciones del acople analizamos bajo el criterio de diseño de Von mises, («2010 Ayuda de SOLIDWORKS - Criterio de máxima tensión de von 142 Mises», s. f.) Afirma: “La teoría expone que un material dúctil comienza a ceder en una ubicación cuando la tensión de von Mises es igual al límite de tensión. En la mayoría de los casos, el límite elástico se utiliza como el límite de tensión. Sin embargo, el software le permite utilizar el límite de tensión de tracción/ruptura o establecer su propio límite de tensión.” (p.1) Figura 62 Análisis de Von Mises 143 Figura 63 Análisis de desplazamiento Figura 64 Análisis de factor de seguridad 144 Tabla 32 Esfuerzos calculados del adaptador de la caja DETALLE VALORES Esfuerzo de Von mises calculado 0.59 Mpa Número de elementos 3 Desplazamiento máximo 2.321e-04 mm Factor de seguridad 415 b) Factor de seguridad 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 = 𝜎𝑙í𝑚𝑖𝑡𝑒 𝜎𝑉𝑜𝑛 𝑚𝑖𝑠𝑒𝑠 Donde σlímite: Límite elástico del material (AISI 1010 245.16 Mpa) σVon mises: esfuerzo calculad de Von mises 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 = 245.16 0.59 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 = 415 c) Construcción del sistema de acoplamiento Para acoplar el motor eléctrico y la caja de cambios se realizó en un plancha de acero 1020 de 10 mm de espesor, fue cortada de acuerdo al contorno que tiene la caja de cambios en la parte exterior, perforando los agujeros para sujetar a la caja y la plancha, en la parte interior de la plancha se cortó de acuerdo al diámetro del volante de inercia ya modificado 145 Figura 65 Corte de plancha de acople En la figura 65 se muestra el proceso de cortado de la plancha que corresponde a la caja de cambios. Figura 66 Prueba de acoples y mecanizado En la figura 66 se muestra el acople del motor eléctrico y perforaciones para la sujeción del mismo. 146 Figura 67 Sistema de embrague y acoples Figura 68 Sistema de tracción del vehículo san remo En la figura 67 y figura 68 se muestra el proceso de acoplamiento del motor eléctrico y la caja de cambios. 147 3.21 Montaje del sistema de tracción al vehículo Se procede a la instalación del sistema de tracción del vehículo en el habitáculo donde antes estaba el motor de combustión interna, en la figura 68 muestra la disposición como va acoplado el motor. Figura 69 Montaje de motor en el vehículo Con la sujeción de la caja de cambios en la base tenemos listo un punto de referencia para realizar las bases que va sostener al motor en el compacto del vehículo, utilizando las mismas bases que tenía el motor de combustión. 148 Figura 70 Bases de motor eléctrico 3.22 Soporte para las baterías de alto voltaje El soporte se ubicará en la parte superior del motor AC del vehículo por motivo de espacio, tiene un sistema de sujeción para evitar que las baterías se muevan de su sitio, anclado mediante pernos al compacto del vehículo. 3.23 Fabricación del soporte de las baterías Las baterías se encuentran ubicadas en la parte superior del motor eléctrico de tracción, para las cuales se realizó una base para para las seis baterías, la base se encuentra sujeta mediante pernos en cuatro lugares para evitar q se mueva las baterías. 149 Figura 71 Vista de las base de las baterías 3.24 Ubicación del conector de recarga del vehículo El vehículo se encuentra equipado con un conector en la parte posterior en donde antes se encontraba la tapa del tanque de combustible. Puede ser conectado a la red de conexión domestica ya sea 110 o 220 VAC. 150 Figura 72 Punto de conexión para carga de baterías La línea de conducción de VAC se encuentra equipado con dos breaker de 16 Amperios para proteger al sistema de carga de una sobre carga o un cortocircuito. Garantizando la seguridad al momento de cargar las baterías. 3.25 Esquema de ubicación de los componentes del kit de conversión eléctrico Lo primero que se realiza es un esquema de la ubicación de los componentes de acuerdo al espacio que disponemos, tratando de mantener equilibrado el peso. Para los estudiantes que a futuro manipulen el vehículo es de una gran ayuda la forma de conexión del circuito de alto voltaje y también que sepan en donde se encuentra cada dispositivo para evitar daños o solucionar problemas causados. 151 Figura 73 Esquema de ubicación de los componentes del vehículo 152 Figura 74 Esquema de conexión de los componentes del vehículo 153 4. CAPÍTULO IV PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO 4.1 Prueba de Conversor DC/ DC Esta prueba se realizó comprobando la entrada de voltaje que es suministrado por baterías principales del vehículo las cuales dan un voltaje de 78.8 VDC, este conversor tiene un rango de entrada de voltaje que va desde los 76 VDC hasta un máximo de 96 VDC, dando una salida de 13,4 VDC que permite cargar la batería que tiene el vehículo, para la utilización de los accesorios como son luces, limpia vidrios, bomba de vacío, etc. Voltaje de entrada: 76.3- 95.2 VDC Voltaje de salida: 13.4 VDC 4.1.1 Consumo de voltaje de conversor DC/ DC Tabla 33 Consumo de voltaje del pack de baterías Tiempo (minutos) Voltaje Pack (VDC) Voltaje de la batería (VDC) 0 89.40 2.70 5 88.60 12.30 10 88.00 12.40 20 86.30 12.70 30 85.70 12.70 40 85.10 12.80 50 84.6 12.80 60 84.2 12.80 70 83.9 12.90 80 83.7 19.90 90 83.5 13 100 83.2 13 110 83 13 120 82.9 13.01 154 Figura 75 Voltaje del pack de baterías En la figura 75, se puede observar la descarga del pack de baterías para cargar la batería de 12 voltios que permite el funcionamiento de los accesorios eléctricos del vehículo. Figura 76 Descarga del pack de baterías 78 80 82 84 86 88 90 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Te n si ó n ( V D C ) Tensión del pack - Tiempo de carga 78 80 82 84 86 88 90 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Te n si ó n ( V D C ) Tensión del pack -Tiempo 155 En la figura 76, se puede observar que el proceso de carga de una batería convencional de 12 voltios, el pack de baterías cede un 7.27% de su capacidad durante dos horas, tomando en cuenta que la batería convencional poseía su carga inicial de 2 voltios. Figura 77 Carga de batería de 12 voltios 0 2 4 6 8 10 12 14 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Te n si ó n ( V D C ) Tiempo (minutos) Tensión de bateria - Tiempo 156 Figura 78 Carga de batería de 12 voltios En la figura 77 y 78 se puede observar que la carga de la batería convencional que inicia en 2 voltios, llega hasta 13,8 voltios y 15 amperios durante 120 minutos que alcanza su carga máxima. 4.1.2 Consumo de tensión de batería de doce voltios Figura 79 Tensión individual del pack de baterías 0 2 4 6 8 10 12 14 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Te n si ó n ( V D C ) Tiempo (minutos) Tensión de bateria - Tiempo 0 2 4 6 8 10 12 14 78 80 82 84 86 88 90 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Te n si ó n ( V D C ) Tiempo ( Minutos) Tensión de carga- Tensión descarga- Tiempo PACK BATERIA 157 En los primeros cinco minutos de funcionamiento del conversor DC/DC se puede observar como descarga las baterías de alto voltaje y carga a la batería convencional llegando, luego de este tiempo se estabiliza tanto la descarga como la carga de la batería llegando a comportarse de una manera estable. 4.2 Medición de voltaje de las baterías cargadas Tabla 34 Voltaje individual del pack de baterías Baterías Voltaje (V) 1 13.01 2 13.0 3 13.0 4 13.1 5 13.6 6 13.1 Figura 80 Tensión individual del pack de baterías 12,7 12,8 12,9 13 13,1 13,2 13,3 13,4 13,5 13,6 1 2 3 4 5 6 Te n si ó n ( V D C ) Tensión de baterias 158 En la figura 80, se observa que las 6 baterías que conforman el pack de baterías de alto voltaje, se encuentran en un rango de voltaje de 13 voltios y no sobre pasa al 20% del límite de tolerancia máxima de la batería, por lo tanto, son óptimas para implementar en el vehículo. 4.3 Pruebas de funcionamiento 4.3.1 Prueba de aceleración La prueba se realiza en un tramo recto, el cual consiste en determinar el tiempo que tarda del vehículo en recorrer una distancia de 200 metros, empezando desde el reposo. Tiempo realizado: 19.68 s 𝑉𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 𝑑 𝑡 Ecuación 15 Velocidad máxima del vehículo Dónde: .d: Distancia recorrida .t: Tiempo recorrido del vehículo 𝑉𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 200 𝑚 19.68 𝑠 𝑉𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 10.16 𝑚 𝑠 = 36.57 𝑘𝑚/ℎ 159 La velocidad se determinó con ayuda del tiempo que recorrió el vehículo en una distancia de 200 metros. Aceleración 𝑎 = 𝑉𝑓 − 𝑉𝑜 𝑡𝑓 − 𝑡𝑜 Ecuación 16 Aceleración del vehículo Dónde: Vf: Velocidad final Vo: Velocidad inicial 𝑎 = 10.16 𝑚/𝑠 − 0 19.68 𝑠 − 0 𝑎 = 0.51 ( 𝑚 𝑠2 ) Con los valores obtenidos anteriormente se puede determinar la aceleración del vehículo cuando recorre 200 m el cual es de 0.51 m/s2. 4.3.2 Prueba de carga de baterías Luego de realizar un recorrido en el que se descargó las baterías considerando que para mantener la vida útil de la batería se debe descargar máximo el 20% de su carga total, las baterías se someten a un proceso de carga para reabastecer el voltaje y amperaje consumido con el funcionamiento del motor. 160 Tabla 35 Parámetros de funcionamiento de Cargador de baterías Parámetros del cargador Valores Tensión de entrada 123,2 VAC Frecuencia de entrada 59.96 Hz Tensión de salida mínimo 76.3 VDC Tensión de salida máximo 95.2 VDC Cuando las baterías tienen un voltaje total de 57,6 voltios, se encuentran con un 80% de su capacidad total, llegando ser la capacidad mínima del pack de baterías para mover el vehículo, entonces se utiliza el cargador abordo que entrega un voltaje máximo de 95.2 voltios y una corriente de 20 A. El tiempo estimado de carga de las baterías es de 3 horas con 20 minutos a temperatura ambiente de 23 ºC. Tabla 36 Tensión del pack de baterías cuando se encuentra conectado el cargador a bordo Voltaje de las baterías (VDC) Tiempo (minutos) Voltaje de las baterías (VDC) Tiempo (minutos) 58,3 0 80,2 100 62,8 10 82,1 110 64,8 20 83,5 120 67,2 30 86,6 130 71,7 40 87 140 73,5 50 93,3 150 161 Figura 81 Proceso de carga del pack de baterías En la figura 81, se puede observar la carga de las baterías en un lapso de tiempo 190 minutos (3 horas con 10 minutos), llegando a un voltaje estable de 87.7 VDC y un consumo de 3 kwh que se pudo observar en el medidor de luz. 4.4 Pruebas de ruta Las pruebas de ruta que se ejecutó en este capítulo fue con una carga adicional de 150 kg que corresponde a dos personas, en una superficie totalmente de asfalto a excepción de la ruta de ascenso (50º) 500 metros que se lo realizó en una vía adoquinada. Con la finalidad de tener una buena autonomía se debe tener el sistema de alto voltaje cargado al 100% y obtener valores reales. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 Te n si ó n ( V D C ) Tiempo (minutos) Tensión de carga - Tiempo 76,5 60 94,3 160 77,9 70 94,7 170 78,9 80 95 180 79,5 90 95,2 190 162 4.4.1 Prueba en recta La prueba en recta se realizó en una ruta de calzada plana para recolectar datos de consumo de voltaje y corriente en una distancia de 6.2 km. Los datos expuestos son la lectura de los equipos de medición que se utilizaron como la pinza amperimétrica, voltímetro y un velocímetro. Los datos recolectados desde las baterías hasta el controlador son valores que se obtienen en corriente continua. Tabla 37 Consumo de voltaje DC en una recta Distancia (tiempo min) Tensión (VDC) Velocidad (km/h) 0 78.9 0 1 67.2 57 3 66.3 43 4 67.6 45 5 66.8 48 6 63.9 47 163 Figura 82 Recorrido de vehículo En la figura 82, se puede observar el consumo de voltaje en un trayecto de una recta de aproximadamente 6 minutos donde se puede apreciar que en el primer minuto el consumo de voltaje es mayor debido a que se inicia el movimiento, luego de este tiempo el voltaje se mantiene en un valor aproximado de 67 voltios DC y una velocidad promedio de 47 km/h Para los datos obtenidos de desde el controlador hasta el motor AC se maneja corriente alterna. Tabla 38 Consumo de voltaje AC en una recta Distancia (tiempo min) Voltaje (VAC) Velocidad (km/h) 0 50.4 0 1 48.2 57 3 46.5 43 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1 2 3 4 5 6 Te n si ó n ( V D C ) Tiempo (minutos) Tensión- Velocidad- Tiempo recorrido Voltaje (V) Velocidad (km/h) 164 4 45.5 45 5 44.4 48 6 30.4 47 Figura 83. Recorrido del vehículo en una recta La ruta de prueba de autonomía del freno regenerativo tiene las siguientes características: Distancia: 6,2 km Descenso (pendiente 15º): 4 km 4.4.2 Prueba de freno regenerativo en pack de baterías (VDC ) Con la ayuda de un voltímetro y extensiones de cable que salen de los terminales positivo y negativo del pack de baterías se realiza la prueba en la provincia de Pichincha, cantón Cayambe en la Panamericana Norte E-35 Vía Cayambe en un 165 trayecto comprendido desde la Parroquia Otón hasta la parroquia Sta. Rosa de Cuzubamba el cual es de 6.2 km en descenso y plano. Figura 84. Recorrido de vehículo en descenso y plano. Tabla 39 Prueba de autonomía con freno regenerativo en la baterías Distancia (Km) Voltaje (VDC) 0 62.8 1 71.2 2 72.4 4 73.5 6.2 74.4 166 Figura 85 Prueba de Freno regenerativo del vehículo descenso y plano. En la figura 85 se puede observar la carga del pack de baterías con un recorrido de 6.2 km, el voltaje varía desde 62.8 VDC hasta 74.4 VDC a una velocidad aproximada de 50 km/h. llegando a la recuperación de 12 VDC aproximadamente gracias al freno regenerativo. 4.4.3 Prueba de freno regenerativo desde el motor Ac Para realizar la prueba del freno regenerativo se obtiene valores de la carga e intensidad que suministra el motor al funcionar como generador, proporcionando una recarga hacia las baterías. 55 60 65 70 75 80 0 1 2 4 6,2 Te n si ó n d e l p ac k Distancia en km Regeneración - Distancia 167 Tabla 40 Regeneración de tensión y corriente AC en el motor eléctrico Distancia (Km) Corriente(AAC) Voltaje (VAC) 0 50 43.3 1 52.8 43.3 2 52.7 29.5 4 40.8 33.8 6.2 52.1 38.2 Figura 86 Tensión y corriente en la prueba de freno regenerativo del vehículo En la figura 86 se observa la generación de corriente y tensión por parte del motor AC, en el instrumento de medida de corriente se puede observar el signo negativo en los valores, esto se debe a que el motor se convierte en generador de carga permitiendo que genere corriente. Retornando al controlador para que rectifique y lo convierta en corriente continua para que pueda cargar a las baterías. 20 25 30 35 40 45 50 55 0 1 2 4 6.2 Tn e si ó n V A C Distancia (km) Tensión AC- Intensidad - Distancia Voltaje (V) AC Corriente(A) 168 En el trayecto del kilómetro 2 al 4, es un trayecto plano por lo que se debe presionar el acelerador llegando a un consumo de tensión y corriente por parte del motor. La potencia que devuelve el motor Ac es de máximo 2757 watt. 4.5 Prueba de autonomía La autonomía del vehículo depende de las condiciones de manejo, como de las pendientes en donde se encuentra circulando el vehículo, si existe pendientes con ayuda del freno regenerativo va a cargar las baterías sin ninguna conexión al vehículo. 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚í𝑎 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 (𝐴ℎ) 𝐼 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 (𝐴) ∗ (𝑉𝑓𝑙𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 − 𝑉𝑚𝑖𝑛) 𝑉𝐹𝑙𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 Dónde: Carga (Ah): 100 Ah I carga (A): 15 A Vflotación: 77.7 V es el voltaje máximo que tiene el pack de baterías Vmin: 58.3 V es el voltaje mínimo que tiene el pack de las baterías. El voltaje mínimo viene dado por el 80% de carga que debe tener el pack. 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚í𝑎 = 115 𝐴ℎ 15 (𝐴) ∗ 77.7 − 58.3 𝑉 77.7 𝑉 Ecuación 17 Tiempo de autonomía 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚í𝑎 = 2.31 ℎ 169 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚í𝑎 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 (𝐴ℎ) ∗ 𝑉𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝐶𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 Ecuación 18 Autonomía en Km Autonomía en km del vehículo eléctrico 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚í𝑎 = 115 (𝐴ℎ) ∗ 30 𝑘𝑚/ℎ 115 𝐴ℎ 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚í𝑎 = 30 𝑘𝑚 El banco de baterías completamente cargada con un voltaje de 77,7 VDC recorre una distancia aproximada de 20 kilómetros retornando con un voltaje final de 71.4 VDc, permitiendo realizar un recorrido de 13 kilómetros antes de que las baterías se descarguen, cumpliendo con los valores calculados anteriormente. 4.5.1 Primera prueba La primera prueba se desarrolla en el trayecto en el cantón Cayambe en las Parroquias Sta. Rosa de Cuzubamba- Otón en la Panamericana Norte E-35 en el kilómetro 23 con una distancia de 6.2 km y además es una vía solo de ascenso por lo que no se utiliza el freno regenerativo. 170 Figura 87 Prueba de ruta 1 Recorrido de 6.2 Kilómetros recorridos sin utilizar freno regenerativo, con una velocidad máxima de 50 km/h. Tabla 41 Variación de tensión de baterías en ascenso Distancia (Km) Voltaje (VDC) 0 77.7 1 76.3 2 74.5 4 72.9 6.2 71.9 171 Figura 88 Prueba de ruta sin freno regenerativo En la figura 88 se observa la descarga de las baterías según la distancia recorrida, el voltaje varía desde 77.7 voltios al inicio de la prueba a 71.9 voltios culminado los 6.2 km recorridos en ascenso y con velocidades variables que van desde los 15 km/h por motivo del tráfico hasta los 50 km/ h que es la velocidad que se estimó en este proyecto. Tabla 42 Consumo de corriente AC y voltaje (AC) en ascenso del motor AC Distancia (Km) Corriente (AAC) Voltaje (VAC) 0 117,5 50,4 1 178,9 48,7 2 123,4 48,2 3 139,4 46,5 4 155,3 45,5 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 0 1 2 4 6,2 Te n si ó n ( V D C ) Distancia recorrida (km) Tensión - Distancia recorrida 172 5 169,4 44,4 6 51,98 30,4 Figura 89 Prueba de ruta sin freno regenerativo Las curvas de tensión y corriente se pueden apreciar en el trayecto del kilómetro uno hasta dos es donde el consumo de corriente es mayor debido a que el vehículo inicia el movimiento, luego de un trayecto los dos valores se estabilizan ya que alcanza un velocidad estable. 4.5.2 Segunda Prueba Recorrido Sta. Rosa de Cuzubamba – CRA (Centro de remediación ambiental ubicado a 9,7 km desde el punto de partida) Provincia de Pichincha, Catón Cayambe, ida y retorno completando un recorrido de 19.4 km a una velocidad máxima de 60 km, el trayecto se puede observar en la figura 82 0 10 20 30 40 50 60 0 50 100 150 200 1 2 3 4 5 6 7 C o n su m o d e c o rr ie n te ( A ) Distancia km Consumo de Corriente Ac - Voltaje Ac Corriente (AAC) Voltaje (VAC) 173 Figura 90 Prueba de ruta Tabla 43 Prueba de autonomía voltaje de baterías en 19.4 kilómetros de recorrido Tiempo (minutos) Voltaje (Voltios) Dc Destino 0 78,1 Inicio de trayecto 1 71 2 68 3 69,6 4 67,7 5 66,6 6 66,2 7 65,1 Llegada al mirador (Ascenso) 8 73,1 Inicio de descenso 9 73,4 10 74,5 10,43 72,6 10 73,2 174 11 61,6 12 71,1 13 62,5 14 64,1 15 71,9 Llegada a CRA 15,33 59,1 15 70,8 16 73 17 66,5 18 59,5 19 54,2 20 63,7 21 69,5 22 72 Llegada al mirador (Descenso) 23 73,1 24 71,3 25 70,7 26 73,8 27 71,4 Llegada al destino 175 Figura 91 Voltaje consumido del pack de baterías en el recorrido del vehículo En la figura 91 se aprecia las curvas de voltaje con forme varia las pendientes en un recorrido de 19.4 kilómetros, se puede identificar los valores de carga cuando se utiliza el freno regenerativo ya que es un recorrido con la calzada variable. Desde el minuto 16 hasta el minuto 20 se encuentra un ascenso de 40º de inclinación debido a esto se puede ver como las baterías se descargan hasta niveles críticos para luego de un tiempo comienza a estabilizarse el voltaje. 50 55 60 65 70 75 80 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 0 ,4 3 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 5 ,3 3 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 Te n si ó n d e l p ac k (V D C ) Tíempo recorrido (minutos) Tensión - Tiempo recorrido 176 Tabla 44 Consumo de voltaje AC – corriente AC en 20 kilómetros Tiempo (minutos) Voltaje (VAC) Corriente (AAC) Velocidad (Km/h) Destino 0 50,4 117,5 0 Inicio de trayecto 1 48,7 178,9 30 2 48,2 123,4 35 3 46,5 139,4 38 4 45,5 155,3 40 5 44,4 169,4 25 6 43,7 170,2 21 7 41,8 168 20 Llegada al mirador (Ascenso) 8 30,4 - 51,98 40 Inicio de descenso 9 34,4 -52,02 50 10 38,6 80,3 50 11 40,4 130,4 40 12 43,3 201,3 20 13 35,8 91,8 26 14 32,1 49,6 41 15 39,4 196,4 55 Llegada a CRA 16 26,8 -52,6 60 Retorno 17 30,7 80,2 35 18 38,8 105,2 28 19 43,3 130,5 23 20 43,3 91,3 25 21 37,7 122,2 23 177 22 39,5 80,2 30 Llegada al mirador (Descenso) 23 29,5 -52,8 43 24 33,8 -52,7 58 25 38,2 -52,1 60 26 37,5 -52 55 27 40,6 139,2 53 Llegada al destino Figura 92 Valores obtenidos en Ruta de prueba dos El recorrido de ruta establecida es de 19,4 kilómetros que se lo realiza en un tiempo aproximado de 29 minutos, obteniendo valores de tensión e intensidad con ayuda de los equipos de medición como el voltímetro Ac, pinza amperimétrica. Los valores negativos de la corriente que se visualizan en la gráfica se debe a que el motor en los 0 10 20 30 40 50 60 -100 -50 0 50 100 150 200 250 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27C o n su m o d e c o rr ie n te ( A ) Distancia (minutos) Intensidad Ac - Corriente Ac- Distancia Corriente (A) Ac Voltaje (Voltios) Ac T e n s ió n (V o ltio s A C ) 178 descensos o desaceleraciones se convierte en generador, entonces el motor entrega corriente al controlador para cargar a las baterías y elevar la autonomía del vehículo. 179 Figura 93 Ruta de prueba dos Cuando se inicia el movimiento del vehículo se puede observar en la figura 85 que la Intensidad AC aumenta, la tensión disminuye y también disminuye la tensión del controlador. Los valores máximos obtenidos en el trayecto se puede apreciar en el minuto 13 donde es el ascenso más pronunciado y a una marcha en tercera consume 201.3 A descendiendo considerablemente el voltaje de las baterías de 62.7 VDC llegando a ser peligroso debido a que la alarma del controlador se activa, auto protegiéndose llegando a apagarse el vehículo. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 -100 -50 0 50 100 150 200 250 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 C o rr ie n te ( A ) Distancia (minutos) Tensión DC- Tensión AC- Corriente Ac- Distancia Corriente (A) Ac Voltaje (Voltios) Ac Tensión DC 180 Figura 94 Potencia generada en la ruta La potencia que genera en el trayecto de 19.6 km varía debido al cambio de pendientes, la potencia máxima generada es de 12.06 KW. Cuando el vehículo se encuentra en descensos se puede apreciar que genera una potencia de carga a las baterías de 2.48 KW. Potencia depende no depende de la velocidad del vehículo, debido a la variación de la vía. 4.5.3 Prueba en pendiente ascenso La prueba de pendiente se ejecutó en una pendiente de 55º que es una pendiente sobre estimada para someter al vehículo a las más duras pruebas que se le pueden realizar ubicada en Sta. Rosa de Cuzubamba, cantón Cayambe provincia de Pichincha. -4,00 -2,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 0 10 20 30 40 50 60 70 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 V e lo ci d ad ( K m /h ) Distancia (minutos) Potencia- Velocidad- Distancia Velocidad (Km/h) Potencia ( Kw) 181 Figura 95 Prueba en ascenso de 55º Tabla 45 Prueba en ascenso del vehículo, consumo de tensión del pack de baterías Recorrido (m) Voltaje (VDC) 0 86,4 10 80,1 20 75,8 30 75,1 50 72,7 100 71,3 150 71,1 200 70,6 250 70,5 300 70,1 350 69,4 400 69,3 450 71,3 500 75,1 182 Figura 96 Prueba de pendiente en ascenso Como se puede observar en la figura 96 el vehículo consumo 10 voltios descendiendo desde los 82.4 voltios hasta los 72.4 para iniciar el movimiento, durante los 10 primeros metros de recorrido, estabilizándose las baterías en un voltaje de 66.6 voltios, culminando el trayecto de prueba deteniendo al vehículo se tiene un voltaje de 72.7 voltios, la velocidad máxima que alcanza el vehículo en la pendiente ascendente de 55º es de 20 km/h, llegando a consumir el 12.1% de la capacidad de la batería Tabla 46 Consumo de corriente y tensión Ac en ascenso de 55º Recorrido (m) Tensión (VAC) Intensidad (AAC) 0 0 0 10 12,9 160,9 20 29,4 203,7 30 50,6 175,1 40 48 181,4 60 65 70 75 80 85 90 0 10 20 30 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Te n si ó n ( V D C ) Distancia (metros) Tensión- Distancia Voltaje DC (V) 183 50 50,9 163,8 100 49,7 183,3 150 49,5 175,9 200 49,2 175,7 250 49 179,7 300 48,3 179 350 48,7 179,3 400 48,6 175,9 450 48,7 166,1 500 50,2 136,2 Los valores registrados en la tabla se encuentran promediados tomando en cuenta que se tiene tres fases, para la corriente se tomaron los valores de los tres cables y se realizó un promedio. Los valores de la tensión se realizó tomando en cuenta las conexiones W-U, U-V, V-W, los cuales tienen valores similares debido a que el motor tiene conexión en estrella sin neutro. Figura 97 Parámetros de funcionamiento de motor en pendiente 0 10 20 30 40 50 60 0 50 100 150 200 250 0 10 20 30 40 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 C o rr ie n te ( A C A ) Distancia (metros) Tensión- Intensidad- Distancia Corriente AC(A) Voltaje AC (V) 184 El consumo de intensidad es menor al voltaje debido a que el vehículo arranca en primera marcha y en el trayecto no se cambia la marcha de avance, manteniéndose estable en casi todo el trayecto tanto la intensidad como la tensión de consumo. Figura 98 Parámetros de funcionamiento del motor y baterías en pendiente El consumo de voltaje es inversamente proporcional al consumo de corriente, en los primeros metros de movimiento el motor consume la máxima corriente para iniciar el movimiento del vehículo, la corriente que se observa en los diez primeros metros solo son picos y no se mantiene. 4.6 Prueba de velocidad Con la ayuda la aplicación de celular velocímetro PRO se puede graficar las velocidades en un trayecto de 20 kilómetros con una calzada variable. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 50 100 150 200 250 0 10 20 30 40 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 In te n si d ad ( A A C ) Distancia (metros) Intensidad- Tensión- Distancia Corriente AC(A) Voltaje AC (V) Voltaje DC 185 Figura 99 Variación de velocidad con respecto a la calzada En la figura 99 se puede observar la variación de la velocidad del vehículo dependiendo el ángulo de inclinación de la calzada, llegando a una velocidad máxima de 66 km/h y una velocidad mínima de 15 km/h siendo esta velocidad registrada en un ascenso. a) Consumo de corriente con respecto a la velocidad Tabla 47 Prueba de consumo de corriente- distancia recorrida Marcha Velocidad Km/h AMP. *1 AMP *3 1ra 10 40,93 70,8089 2da 23 41,34 71,5182 3ra 35 50,38 87,1574 4ta 50 62,7 108,471 R 40,17 69,4941 186 Figura 100 Prueba de consumo de corriente en motor AC En la figura 100 se puede apreciar el consumo de corriente del vehículo con dos personas a bordo, los gráficos azules representa el consumo de corriente en una fase del motor, mientras que el gráfico de color rojo representa las sumatoria de las tres fases que tiene el motor. En cuanto al consumo de corriente más alto que se genera es cuando el vehículo alcanza una velocidad de 50 km/h llegando a consumir 108,4 A en el motor AC. La relación de transmisión depende mucho en cuanto al consumo de intensidad, la relación de transmisión es directamente proporcional al consumo de corriente. 4.7 Determinación de potencia Tomando los datos de la prueba de ascenso de 500 metros y sabiendo que el motor que se encuentra instalado en el vehículo tiene una conexión en estrella, es trifásico sin neutro se puede aplicar la siguiente fórmula. 0 20 40 60 80 100 120 Marcha 1ra 2da 3ra 4ta In te n si d ad ( A A C ) Marcha del vehículo Intensidad- Marcha del vehículo AMP. *1 AMP *3 187 𝑃 = √3 ∗ 𝑉𝑙 ∗ 𝐼𝑙 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝜑 Ecuación 19 Potencia generada por el motor Ecuación Dónde: P: Potencia del motor ac Vl: Voltaje de línea Il: Intensidad de línea Cos φ: Factor de potencia (0.8)(«formulas-para-calcular-la-seccion.pdf», s. f.) 𝑃 = √3 ∗ 29.4 𝑉𝑎𝑐 ∗ 203.7 𝐴 ∗ 0.7 𝑃 = 8298 𝐾𝑤 El motor de corriente alterna genera una potencia de 8.29 kw máxima llegando a una velocidad estimada de 20 km/h. Tabla 48 Potencia que genera el motor en una pendiente de 55º en ascenso Recorrido (m) Potencia (Kw) 0 0 10 2,8 20 8,2 30 12,2 40 12,0 50 11,5 100 12,6 188 150 12,0 200 11,9 250 12,1 300 11,9 350 12,0 400 11,8 450 11,1 500 9,4 Figura 101 Potencia generada por el vehículo En la figura 93 se puede observar que la potencia es directamente proporcional a la corriente consumida por el motor AC. 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 0 50 100 150 200 250 0 10 20 30 40 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 In te n si d aa d ( A A C ) Distnacia (metros) Intensidad- Tensión- Potencia Intensidad (AAC) Tensión (VAC) Potencia (Kw) 189 4.8 Consumo de corriente en kwh Para la prueba de consumo de corriente se determinó los valores obtenidos de voltaje y amperaje en el trayecto para obtener una potencia media estimada de consumo y dividirla por el tiempo que duro la prueba. Tabla 49 Comparación de recorrido con gasolina vs electricidad Distancia (Km) Motor de combustión interna Costo (USD) Conversión Costo (USD) Recorrido 1 0.09L 0.03 0.15 kw 0.012 Recorrido diario 20 0.60 0.24 Recorrido en un mes (30 días) 600 18 7.2 Costo al año 7200 216 86.4 Costo en 10 años 72000 2160 864 190 Figura 102 Comparación de consumo de gasolina vs electricidad En la figura 102 se puede apreciar el costo de gasolina y electricidad durante un año para realizar un recorrido de aproximadamente 7200 km se estima que cada día se puede recorrer 20 km a próximamente Se observa que el valor del costo de la gasolina se duplica con relación al costo de la electricidad. 0 50 100 150 200 250 Gasolina Electricidad C o st o ( U SD ) 7200 km Costo- Distancia 191 CAPITULO V MARCO ADMINISTRATIVO 5.1 Recursos 5.1.1 Talento humano El talento humano que intervendrá en la ejecución de la investigación es el siguiente: Tabla 50 Recursos Humanos Ord. Descripción Cantidad Función 1. José Rodríguez 1 Investigador 2. Luis Vásquez 1 Investigador 3. Ing. Germán Erazo 1 Director de proyecto de investigación 5.1.2 Recursos materiales Para el desarrollo de la investigación es necesario elementos y componentes que se presentan a continuación: Tabla 51 Recursos Materiales Ord. Cantidad Detalle Costos unitarios Costo total USD 1 1 Motor de inducción asincrónico sin escobillas 1900 1900 192 2 2 Controlador Enpower de 72 V y 500 Amp 800 800 3 1 Cargador de baterías de 2,5 Kw de potencia. 500 500 4 1 Convertidor DC/DC para mantener cargada la batería de 12V. 150 150 5 1 Medidor de voltaje de baterías 50 50 6 1 Acelerador electrónico de pie. 80 80 7 1 Bomba de freno 180 180 8 1 Acople de caja 250 250 9 1 Movilización 80 80 10 800 Copias e impresiones 0.02 160 11 Cables de conexión 90 90 12 6 Baterías 12 voltios 115 Ah 160 960 13 Adecuación de estructura 300 300 14 2 Luces de vehículo 20 20 17 1 Corta corriente 40 40 18 5 Relés 5 25 19 6 metros Cable Nº4 5 15 20 15 metros Cable Nº14 1 15 21 4 Fusiblera 5 20 22 8 Terminales de cables 3 24 23 1 Bomba de freno 120 120 24 1 Vehículo 2000 Total 7779 193 5.1.3 Recursos tecnológicos Para la realización correcta de la investigación es necesario contar con equipos tecnológicos que se mencionan a continuación: Tabla 52 Recursos Tecnológicos Ord. Detalle Cantidad Costo 1. Computador personal 1 500 2. Pinza amperimetrica 1 400 3. Multímetro 1 250 TOTAL $ 1150 5.1.4 Costo neto del proyecto El costo total del proyecto de titulación “IMPLEMENTACIÓN E INVESTIGACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE OPERACIÓN DE UN VEHÍCULO ELÉCTRICO CON FRENO REGENERATIVO”, tenemos la suma total de: $ 8929 Costo total del proyecto Tabla 53 Costo total del proyecto Descripción Costo USD Recursos materiales 7779 Recursos tecnológicos 1150 Total 8929 El proyecto tiene un costo total de $ 8929 194 195 CONCLUSIONES  Se investigó en bases digitales como Science Direct, google académico, Researchgate, IEEE, SAE. Las cuales fueron pautas para desarrollar el proyecto de investigación.  Se seleccionó cada uno de los dispositivos que conforman la conversión a tracción eléctrica, como son: cargador de baterías. Motor AC, controlador, conversor DC/ DC, baterías, entre otros. Por medio de tablas de selección en cada uno de los casos que ameritó.  Los equipos adquiridos cumplen con a la necesidad básica para realizar la conversión del vehículo que tiene motor de combustión interna a tracción eléctrica. El motor que se adquirió en un motor AC de 10 hp nominales marca International EnPower de 6500 rpm pico, trabaja con un voltaje de 72 voltios, sus características de toque es 90 Nm, la potencia de 45 hp con una intensidad de corriente de 500 Amp y con freno regenerativo, en conjunto con el motor viene equipado con un controlador marca Intenational EnPower MC 3336- 7240 que se acopla perfectamente con el motor AC, también se adquirió un cargador de baterías marca Intenational EnPower modelo CH 4100 que está diseñado para cargar los pack de baterías de vehículos con tracción eléctrica llegando un voltaje máximo de 95 voltios y 15 amperios.  Cada componente eléctrico y electrónico viene equipado con su propia protección a más de esto se implementó dispositivos de seguridad contra 196 sobrecargas o cortocircuitos que se puedan generar debido a la incorrecta manipulación o fallas no provocadas por el usuario.  Una de las principales metas de este proyecto es contribuir con el medio ambiente, buscando nuevas formas de transportarse de un lugar a otro disminuyendo la contaminación, por esta razón se comparó los gastos que se genera con el consumo de combustibles vs la recarga de energía llegando a duplicarse los gastos por adquisición de combustible.  Las baterías escogidas para mover al vehículo son Hi- Tech de 12 voltios, 115 Ah, el pack de alto voltaje se encuentra constituido por 6 baterías que suman un total de 72 voltios, llegando a una autonomía de 20 km de recorrido.  Las baterías que se utilizaron muestran una tensión constante dentro de un rango de funcionamiento, se aprecia que en los diferentes regímenes de conducción, pueden requerir tensiones o intensidades muy variables, siendo en ocasiones complicado el almacenar o extraer energía del sistema de acumuladores.  Luego de realizado las pruebas de funcionamiento en los trayectos antes mencionados, se puede determinar que el consumo promedio de corriente es aproximadamente 90 Amp, mientras en los descensos las baterías reciben 30 Amp de corriente.  El vehículo eléctrico es una solución para disminuir la contaminación ambiental y auditiva, sin embargo se reconoce que su ingreso en el mercado automotriz, es un proceso lento pues no existen infraestructuras para la recarga del vehículo, 197 siendo esto una desventaja para el cliente que tendría que esperar a su hogar para realizar una recarga de las baterías.  Al plantear una conversión tecnológica a través del reemplazo de un motor de combustión a gasolina con por un motor eléctrico, desde el punto de vista ambiental, es una alternativa de alta viabilidad, reduciendo notablemente los gases de efecto invernadero  Mediante las pruebas ejecutadas en la vía se estableció que la velocidad máxima alcanzada es de 50 km/h en condiciones normales.  La eficiencia del freno regenerativo nos muestra un incremento de 1 voltio por cada minuto que se desplaza en la pendiente sin presionar el acelerador, activándose el ciclo de carga de las baterías, aumentando la autonomía del vehículo.  Luego de recorrer una distancia de 23 km, las baterías se descargan hasta un voltaje de 58 voltios, con ayuda del cargador que se encuentra a bordo se somete a una carga de 15 A de corriente, durando un tiempo estimado de 3 horas con 10 minutos con un voltaje final de 95.2 voltios encendiéndose la luz testigo verde para posteriormente apagarse automáticamente el cargador.  El conversor DC/ DC convierte los 72 voltios del pack de baterías de alto voltaje a 13,8 voltios de voltaje continua a un amperaje de 25 A, manteniendo estable el voltaje durante el tiempo que permanezca conectada la llave del vehículo.  El controlador trabaja con un voltaje nominal de 72 voltios, una corriente máxima de 188 Amp. Por cada línea de corriente alterna, con un voltaje de 57 voltios el 198 controlador se desactiva cortando el paso de voltaje hacia el motor AC y encendiéndose la alarma sonora de voltaje mínimo. 199 RECOMENDACIONES  El controlador debe encontrarse lo más cerca posible al motor AC para disminuir la longitud de los cables de conducción eléctrica, tratando de no aumentar la resistencia asociada con los cables que pueden generar un recalentamiento en el sistema.  La autonomía del vehículo se puede aumentar, implementando baterías de plomo ácido de ciclo profundo, baterías de ión Litio o a su vez nuevas tecnologías de baterías que se encuentren en el mercado, que puede elevar la autonomía de 50 km hasta 100 km, sin embargo para el presente proyecto este tipo de acumuladores derivan demasiado costos llegando a duplicarse el costo del kit de conversión adquirido.  El uso prolongado del freno regenerativo puede provocar reducción de la vida útil de las baterías, ya que la composición de los acumuladores es de plomo ácido convencionales y estos no soportan amperajes de carga mayores a 30 amperios, llegando a evaporarse el líquido causando daños irreversibles.  Se recomienda para futuros proyectos el estudio e investigación de los parámetros de funcionamiento con baterías que tengan nuevas tecnologías y que permitan el aumento de la autonomía del vehículo. 200 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Bayo, L., & Sanchis, P. 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