Caracterizacin de las fuerzas del vehculo elctrico visto desde
su dinmica para su optimizacin
Characterization of the forces of the
electric vehicle seen from its dynamics for its optimization
Caracterizao das foras do veculo eltrico
vistas desde sua dinmica para sua otimizao
Jairo Edison Guasumba Maila I jguasumba@tecnoecuatoriano.edu.ec https://orcid.org/0000-0002-0533-0397 Vctor Alfonso Garay Cisneros II vgaray@tecnoecuatoriano.edu.ec https://orcid.org/0000-0001-6739-9309
Cordovez Nogales Steeven
Joselito III steevencordovez1997@gmail.com https://orcid.org/0000-0003-3189-074X Cuenca
Jaramillo William Andrs III williamlumia93@hotmail.com https://orcid.org/0000-0002-6178-983X
Correspondencia: jguasumba@tecnoecuatoriano.edu.ec
Ciencias de la Tcnicas y Aplicadas
Artculos de investigacin
*Recibido: 16
de julio de 2021 *Aceptado: 30 de agosto
de 2021 * Publicado: 08 de septiembre
de 2021
I.
Magster en Diseo Mecnico, Docente
Investigador, Coordinador de Carrera de Mecnica y Electromecnica Automotriz,
Instituto Superior Tecnolgico Tecnoecuatoriano, Ecuador.
II.
Magister en Educacin Mencin Gestin
del Aprendizaje. Mediado por Tic, Docente investigador.
Director de Vinculacin con la sociedad, Miembro del Consejo Acadmico Superior
ISTTE, Instituto Superior Tecnolgico Tecnoecuatoriano,
Ecuador.
III.
Participante Investigador, Estudiante Tecnologa Superior en Electromecnica Automotriz, Instituto
Superior Tecnolgico Tecnoecuatoriano, Ecuador.
IV.
Participante Investigador, Estudiante
Tecnologa Superior en Electromecnica Automotriz, Instituto Superior
Tecnolgico Tecnoecuatoriano, Ecuador.
Resumen
En la
actualidad, un sistema de propulsin elctrico debe estar bien diseado para
minimizar la prdida de energa y, en ltima instancia, aumentar su autonoma
sin aumentar el peso de la batera. Para reducir el tiempo y los costos de
diseo, se puede utilizar un enfoque de diseo basado en modelos. Por este
motivo se expone varias variables en relacin con el modelo de vehculo
elctrico que se adecue a las necesidad geogrficas y topogrficas de la
localidad a implementarse sin dejar de perder de vita la eficiencia de los
sistemas elctricos para su mayor durabilidad. En conclusin, el modelo
dinmico de las fuerzas que tienen interaccin en el vehculo se evala para la
aproximacin de la energa, potencia, par y velocidad necesarios de nuestro
vehculo elctrico que depender de los sistemas y las prdidas que aparezcan
en el modelo propuesto para conseguir un diseo lo ms eficiente posible para
una movilidad sostenible.
Palabras
clave: Dinmica de vehculos; arquitectura de transmisin
de vehculos elctricos; vehculo elctrico; equilibrio de fuerzas; tren de
potencia elctrico.
Abstract
Today, an electric powertrain must
be well designed to minimize power loss and ultimately increase its
range without increasing the weight of the battery. To reduce design time and
costs, a model-based design approach can be used. For
this reason, several variables are exposed in relation
to the electric vehicle model that adapts to the geographical and topographic
needs of the locality to be implemented without ceasing to lose the efficiency
of the electrical systems for their greater durability. In conclusion, the
dynamic model of the forces that interact in the vehicle is
evaluated to approximate the energy, power, torque, and speed necessary
for our electric vehicle, which will depend on the systems and losses that
appear in the proposed model to achieve a design as efficient as possible for
sustainable mobility.
Keywords: Vehicle dynamics; electric-vehicle drivetrain
architecture; electric vehicle; balance of forces; electric powertrain.
Resumo
Hoje, um trem de fora eltrico deve ser bem projetado
para minimizar a perda de energia e, por fim, aumentar seu alcance sem aumentar
o peso da bateria. Para reduzir o tempo e os custos de design, uma abordagem de
design baseada em modelo pode ser usada. Por este motivo, vrias variveis
esto expostas em relao ao modelo do veculo eltrico que se
adapta s necessidades geogrficas e topogrficas da localidade a ser implementado sem deixar de perder a eficincia dos sistemas
eltricos pela sua maior durabilidade. Em concluso, o modelo dinmico das
foras que interagem no veculo avaliado para aproximar a energia, potncia,
torque e velocidade necessrios para o nosso veculo eltrico, que depender
dos sistemas e perdas que aparecem no modelo proposto para alcanar um projeto
to eficiente quanto possvel para uma mobilidade sustentvel
Palavras-chave: Dinmica do veculo; arquitetura de transmisso de
veculos eltricos; veculo eltrico; equilbrio de poder; trem de fora
eltrica.
Introduccin
El impacto de los vehculos elctricos (VE) se est disparando
progresivamente en la vida diaria. Este impacto est abriendo el camino para
los esfuerzos de investigacin relacionados con cada componente de los sistemas
de propulsin de los vehculos elctricos, es decir, el motor elctrico, el
paquete de bateras y el sistema electrnico de potencia (Gmez Vilchez &
Jochem, 2019). Los combustibles lquidos ms actuales y populares son los
combustibles fsiles; sin embargo, incluso segn estimaciones conservadoras, el
agotamiento de las reservas de petrleo se producir en los prximos 35 aos
(stn et al., 2018). Para lograr la hoja de ruta energtica europea 2050 [1]
La UE se compromete a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero
(GEI) a un 80-95% por debajo de los niveles de 1990 para 2050 en el contexto de
las reducciones necesarias por parte de los pases desarrollados como grupo.
En el sector del transporte, los vehculos elctricos (VE) son un medio
importante para asegurar los objetivos de reduccin de emisiones de GEI. sin
embargo, el aumento de las inversiones en energa renovable desafos en los
sistemas de energa debido a la intermitente recursos (Hu et al., 2016)
La demanda de movilidad sostenible y respetuosa con el medio ambiente
est ejerciendo presin sobre la industria automotriz para que avance hacia
vehculos ms limpios y eficientes desde el punto de vista energtico. Las
arquitecturas actuales de vehculos de combustin interna (ICEV) se estresan en
todos los niveles para lograr mejoras; sin embargo, las barreras tecnolgicas
son cada vez ms se estn reduciendo, y eventualmente avances significativos y,
por lo tanto, nuevas soluciones. Los vehculos elctricos (EV) se ajustan mejor
al objetivo futuro de las `` ciudades ecolgicas '' debido a factores como la
movilidad sin contaminacin, pero surgen grandes preocupaciones con respecto a
las infraestructuras de carga, la disponibilidad de energa de fuentes
renovables, el reciclaje de bateras y el alcance del cliente (Holjevac et al.,
2020) Por todas las razones anteriores, el mercado de la automocin est
impulsando cada vez ms vehculos elctricos, hbridos o totalmente elctricos
(Bayar, 2020)
La optimizacin del diseo es un mtodo para mejorar el diseo de
productos futuros bajo restricciones agravadas como la disminucin de los
tiempos del ciclo de vida del producto, el aumento del nmero de derivados o el
aumento de la complejidad de los productos. La investigacin a nivel de
componentes a menudo conduce a resultados que sugieren un determinado concepto
de propulsin, que puede tener ventajas con respecto a un determinado
componente (motor, transmisin, inversor,) o una determinada propiedad
(eficiencia, coste, peso,) (Angerer et al., 2018). La gestin de la energa
entre los diferentes componentes del vehculo es particularmente crucial, la
potencia a bordo de la fuente debe proporcionar al mismo tiempo suficiente
energa para autonoma del vehculo y entregan una potencia significativa
durante fases transitorias correspondientes a aceleracin o frenado. La
presencia de un sistema de almacenamiento de energa a bordo. el vehculo puede
permitir la recuperacin de la energa de frenado (Bejaoui et al., 2020). Al
elegir el motor de accionamiento para el vehculo elctrico, se deben tener en
cuenta una serie de factores para ver el par mximo necesario y estos son la
resistencia a la rodadura, la resistencia a la gradiente y la resistencia
aerodinmica; la suma de estos factores da como resultado el factor total.
(Ganesh Murali et al., 2021). Sin embargo, la difusin de estos sistemas de
propulsin alternativos (especialmente elctricos) se est ralentizando debido
a su autonoma, ya que todava no es comparable a un vehculo tradicional de
combustible lquido. De hecho, a pesar del considerable avance en la tecnologa
de las bateras, la densidad de energa (relacin energa / peso) de las
bateras de litio an est lejos de ser competitiva con la gasolina o el
disel (Sandrini et al., 2021). El
objetivo final es evitar que el conductor aplique demasiado par a las ruedas
motrices y pierda traccin longitudinal (Bohl et al., 2014). Por otro lado, se
estn siguiendo varios enfoques para montar el tren motriz elctrico como el
tipo pndulo convencional, con o sin base, motores comunes o diferentes y
montajes de caja elctrica, etc. El tren motriz elctrico se diferencia del
tren motriz convencional en trminos de pesos, momento de inercia de masa, par
, requisitos de NVH como Key in Key off, ralent, vibraciones de baja
frecuencia, etc., (Rane & Deshmukh, 2020).
En este trabajo utiliza el mtodo analtico y bibliogrfico con el fin
de comprender la dinmica del vehculo elctrico y poder elegir controlador y
motor adecuado. Para ello se ha dividido la investigacin enfocndose en los
parmetros que influyen en la seleccin del motor elctrico y su controlador
electrnico que se mencionan continuacin: Modelo dinmico del vehculo;
Potencia, Torque, Velocidad; Parmetros del vehculo elctrico; Resultados y
seleccin del motor y controlador. Una vez establecido los grupos se plantea
las siguientes interrogantes de investigacin. Caractersticas de los
diferentes modelos dinmicos?, Frmulas matemticas?, Cmo aporta al
dimensionamientos y parmetros del vehculo?
Modelados del vehculo y sus fuerzas de
trabajo
En esta parte se obtiene el modelo de la parte mecnica del VE, la cual
se entender como el conjunto formado por: la transmisin, las ruedas, y la
masa total de sus componentes (bateras, convertidores electrnicos, motor/generador
elctrico, transmisin, carrocera, chasis, etc.). Como entrada a este sistema
se considera el par desarrollado por el motor, y como salida la velocidad del
VE. (Durn, Guerrero y Claudio, 2009)
Figura 1: Fuerzas
actuantes sobre el VE en una pendiente
Por lo tanto, el modelo matemtico de la parte mecnica puede servir
para dos fines: Evaluar la aceleracin y velocidad mximas del VE, a partir del
par desarrollado por el motor elctrico; Conocer el par requerido para que el
VE desarrolle un determinado patrn de velocidad. Se utiliza dicho modelo con
el fin de determinar las caractersticas del motor elctrico que impulsara al
VE. Para modelar la parte mecnica del VE es necesario determinar la ecuacin
diferencial relacionada con las fuerzas actuantes en el VE y su velocidad, y
tambin es necesario conocer las ecuaciones que modelan la transmisin del VE
(Durn, Guerrero y Claudio, 2009).
La fuerza de friccin Frr entre los neumticos y la superficie sobre la
cual se mueve el vehculo est dada por la ecuacin 1.
Donde μrr es el coeficiente de friccin, m es la masa del vehculo
en kg, g = 9.8 m/s2 es la aceleracin debida a la gravedad, ψ es el ngulo
de inclinacin de la pendiente, v es la velocidad lineal del VE en m/s y la
funcin sign(v) est definida por:
La fuerza de friccin con el viento es, donde ρ = 1.25 kg/m3 es la
densidad del aire, A es el rea frontal del VE en m2 y Cd es el coeficiente
aerodinmico.
La fuerza Fhc es la componente del peso del VE a lo largo de la
pendiente,
Aplicando la segunda ley de Newton al VE, con el fin de desarrollar el
modelo matemtico que represente la dinmica del vehculo, se realiza un
balance de fuerzas. Sea Vv(t) la velocidad del VE, mv su masa total, Ft(t) la
fuerza de traccin generada por el contacto de las llantas con el camino y
Fp(t) la fuerza de perturbacin debida al arrastre aerodinmico, la friccin de
rodamiento y la gravedad. Estas fuerzas se muestran en la figura 1 (Durn,
Guerrero y Claudio, 2009).
Donde a es la aceleracin del VE en m/s2 y Fte es la fuerza de traccin
proporcionada por el motor elctrico a travs de la transmisin. Despejando Fte
en (4) y sustituyendo (1), (2) y (3), se obtiene la ecuacin diferencial que
relaciona la Fte con la velocidad.
Esta ecuacin es til para determinar la fuerza necesaria de traccin
para obtener un patrn de velocidad y aceleracin deseadas para el VE. (Durn,
Guerrero y Claudio, 2009)
De la ecuacin 6, es claro que el motor elctrico del vehculo,
juntamente con el sistema de transmisin debe ser capaz de vencer las fuerzas
debidas a la gravedad, el viento, la friccin y los efectos inerciales (Amaya,
Guerrero, Muoz, Mino y Saynes, 2012). Aplicando la segunda ley de Newton, se
obtiene la ecuacin diferencial que relaciona la fuerza de traccin Ft(t) con
la velocidad Vv del vehculo:
(6)
Donde
(7)
Cd es el coeficiente aerodinmico de arrastre, Cr es el coeficiente de
friccin de rodamiento, Af representa el rea frontal del vehculo, ρa la
densidad del aire a 20o C y θ el ngulo de la pendiente. La fuerza Ft es
generada por el motor elctrico, cuyo par generado est en funcin de la
corriente que fluye a travs de sus devanados y su velocidad de rotacin, como
se aprecia en la figura 2.
Figura 2: Diagrama de
fuerzas actuando sobre el VE en una pendiente
Los modelos coinciden de la parte dinmica, y cronolgicamente antes de
poder seleccionar un motor para el tren motriz, se debi calcular el torque
necesario para poder impulsar el vehculo, y la potencia requerida para
mantener al vehculo a velocidad mxima con carga mxima (stn et al., 2018).
La fuerza de traccin requerida (𝐹𝑇) se obtiene mediante la sumatoria de las fuerzas de resistencia del
vehculo; la fuerza de resistencia al rodamient0, la fuerza de resistencia
aerodinmica o y la fuerza de resistencia a la pendiente, las cuales pueden ser
observadas en la Figura 3. (Vzquez, Valenzuela y Ponce, 2015)
(8)
Fuerza de Resistencia al Rodamiento, donde P es la carga normal actuando
en el centro de la rueda, 𝑓𝑟 es el coeficiente de resistencia a la rodadura y α es el ngulo
del camino en grados.
(9)
Fuerza de Resistencia Aerodinmica, donde 𝜌 es la densidad del aire, 𝐶𝑑 es el coeficiente de arrastre aerodinmico, 𝐴𝐹 es el rea frontal del automvil o el rea proyectada en el sentido de
la direccin en que el vehculo se mueve, 𝑉 es la velocidad longitudinal del coche y 𝑉𝑊 es la velocidad del viento (positiva para el viento en contra y
negativa para el viento a favor).
(10)
La Fuerza de Resistencia a la Pendiente, donde 𝑚 es la masa del vehculo, 𝑔 es la
constante de aceleracin gravitacional y α es el ngulo del camino en
grados.
(11)
Figura 3 Fuerzas que actan
sobre un vehculo al subir una pendiente (Gao y Ehsani et al., 2009)
Adems, la ecuacin de movimiento se obtiene de la siguiente manera:
(12)
Donde FT es la fuerza de traccin total; FG es el longitudinal
componente de la fuerza gravitacional; Froll es la total fuerza de resistencia
a la rodadura; FD es la fuerza de arrastre aerodinmica; meq es la masa
equivalente; y α es la longitudinal aceleracin (Martinez, Cortes, Munoz y
Yamamoto, 2016). El objetivo de analizar un modelo dinmico de un vehculo es
para poder analizar todas las fuerzas que van a intervenir en el desplazamiento
del vehculo haciendo nfasis en determinar la fuerza de traccin de nuestro
modelo aplicando clculos matemticos.
Figura 4. Diagrama
de cuerpo libre del vehculo.
Se muestran el potencial de la vectorizacin de par con respecto a la
estabilidad y la agilidad. Tambin se demuestra que la vectorizacin de par en
direccin lateral influye en el comportamiento dinmico de conduccin, mientras
que un cambio de par en direccin longitudinal solo lo afecta en condiciones
cercanas al lmite con valores de deslizamiento elevados. Adems se muestran
cmo el comportamiento dinmico del vehculo puede verse influido positivamente
mediante la distribucin individual del par a las ruedas individuales en
diferentes estrategias de control (Angerer et al., 2018)
El coeficiente de resistencia a la rodadura de los neumticos (frr) se
obtiene a partir de los datos adquiridos durante la prueba de descenso del
vehculo en una carretera plana. Durante la prueba, el Prius se acelera a una
velocidad de 70 km / h y se le permite desacelerar a una velocidad de 25 km / h
mediante las fuerzas de carga de la carretera que consisten en resistencia
aerodinmica y resistencia a la rodadura. Las pruebas fueron realizadas en un
da tranquilo para eliminar el efecto de la fluctuacin de la velocidad del
viento. Este procedimiento se repite durante 6 ejecuciones. A medida que se
suelta el acelerador durante la marcha por inercia mientras se mantiene el vehculo
en neutral, Fxf y Fxr pueden ignorarse (Buggaveeti et al., 2017).
Figura 5. Grfico de
coeficientes de resistencia a la rodadura (frr) para 6 carreras diferentes
(Buggaveeti et al., 2017)
Variables para seleccionar el motor para
nuestro tren motriz
El primer paso de este diseo es la definicin de un diseo geomtrico
de todo el vehculo con el fin de derivar un modelo dinmico de las fuerzas que
tienen interaccin en el vehculo. Luego, se realiza un procesamiento
computacional de este modelo considerando varios requisitos iniciales.
Finalmente, se obtiene una aproximacin de la potencia, energa y par
necesarios a partir de una ejecucin de simulacin en Matlab (Martnez, Cortes,
Muoz y Yamamoto, 2016).
Torque: Una vez obtenido la fuerza de traccin, sta se multiplica por
el radio dinmico de la rueda para encontrar el torque de traccin, es decir,
el torque necesario para impulsar el vehculo.
(13)
El torque elctrico (τt) desarrollado por el motor elctrico,
produce la fuerza de traccin (Ft) del VE, a travs de la relacin de
transmisin (G) establecida, en conjunto al radio del neumtico (r), la
velocidad angular del neumtico (ωn), obteniendo la velocidad lineal (v)
del vehculo (Alcal et al., 2014; Rocha et al., 2017), como se presenta en la
Figura 3, y expresada en (14).
(14)
Potencia: El clculo de potencia necesaria en el VE se considera la
velocidad mxima en pendiente, para prolongar la autonoma, como se presenta en
las siguientes ecuaciones (14) y (15):
(15)
Se considera, adems un 90% de eficiencia del motor de corriente
continua (ηm), del tipo de imanes permanentes con escobillas, y garantizar
su trabajo en las distintas condiciones de operacin, mediante la expresin
(16) (Dawei et al., 2014).
(16)
Ya que el torque puede ser modificado fcilmente con una transmisin, se
busc la potencia que requerira el motor a la velocidad mxima del vehculo.
Para obtener la potencia requerida se debe multiplicar la velocidad angular por
el torque de traccin obtenido a dicha velocidad angular. Por lo que la
potencia requerida se obtiene con la siguiente ecuacin 17 (Rane &
Deshmukh, 2020).
(17)
Para convertir la velocidad lineal a velocidad angular se puede utilizar
la ecuacin 18:
(18)
Donde 𝜔 es la velocidad angular del neumtico dado en rad/seg, 𝑉 es la velocidad lineal del vehculo en m/s y 𝑟𝑑 es el radio dinmico del neumtico en metros. Existen diferentes tipos
de motores elctricos, cada uno con curvas caractersticas diferentes por lo
que para obtener el motor ptimo se recomienda que las curvas caractersticas
se asemejen lo ms posibles a la curva ideal para vehculos de traccin, la
cual puede ser observada en la Figura 3. (Vzquez, Valenzuela y Ponce, 2015)
Figura 6.
Caractersticas ideales para la planta de potencia de un vehculo (Gao y
Ehsani, 2009)
Cuando ya se ha establecido el modelo dinmico del vehculo se encuentra
la fuerza de traccin, en base a esta fuerza se procede al clculo de la
potencia, torque, velocidad para poder seleccionar correctamente el motor
elctrico. Existen procesos computacionales a partir del modelo considerando
varios requisitos iniciales. Finalmente, se obtiene una aproximacin de la
potencia, energa y par necesarios a partir de una ejecucin de simulacin.
Optimizacin de parmetros del vehculo
elctrico
Existe diferentes diagramas dinmicos que se presenta el sistema de
traccin y los respectivos parmetros que variaran el diseo del vehculo
Figura 7. Diferentes
arquitecturas para VE (Gao y Ehsani, 2009)
De acuerdo con el modelo despus haber analizado el diagrama dinmico se
presenta el sistema de traccin y los respectivos parmetros determinados de
acuerdo con el diseo del vehculo. En la figura 6 se muestra un diagrama de la
traccin elctrica, el cual se puede subdividir en una parte
elctrica/electrnica y en una parte mecnica (Amjadi & Williamson, 2011)El
motor de induccin (MI) forma parte tanto de la parte elctrica como de la
mecnica debido a que en este dispositivo se realiza la conversin de energa
de elctrica a mecnica y viceversa (Durn, Aguilera, Guerrero, Claudio, Vela y
Gudio, 2010).
Figura 8. Diagrama
del sistema de traccin elctrica (Durn, Aguilera, Guerrero, Claudio, Vela y
Gudio, 2010)
Transmisin y neumticos, para el conjunto transmisinneumticos se
considera como entrada el par electromagntico generado por el motor y como
salida la fuerza de traccin en los neumticos. Si se considera una transmisin
simple, representada en la figura 3, donde r es el radio del
Figura 9. Representacin de
la transmisin
Los neumticos en metros, ηg es la eficiencia de la transmisin, G
es el cociente de reduccin de velocidad angular, τ es el par
proporcionado por el motor elctrico en Newtonsmetro y Fte es la fuerza de
traccin en Newtons. Con las ecuaciones obtenidas a partir del modelo dinmico,
se realizaron las simulaciones del funcionamiento del VE en lazo abierto
utilizando simulink, donde se ha logrado establecer los parmetros del
vehculo elctrico que se presentan a continuacin en la tabla 1:
Tabla 1 Parmetros del VE
Por otro lado de acuerdo con el siguiente modelo despus haber analizado
el diagrama dinmico se presenta el sistema de traccin y los respectivos
parmetros determinados de acuerdo con el diseo del vehculo. La figura 8 muestra cada uno de los componentes
y subsistemas que conforman el VE y de los cuales el modelo matemtico fue
obtenido con el objetivo de implementar el simulador computacional. En los
siguientes apartados se da una descripcin de los elementos y se presenta el
modelo matemtico de cada uno de ellos (Trinidad, Guerrero, Hernndez, Mino y
Saynes, 2012).
Figura 10.
Subsistemas que componen el vehculo elctrico
Con el fin de verificar el funcionamiento correcto del simulador
desarrollado en este trabajo, el cual fue realizado en MATLAB/Simulink, se
presenta a continuacin una simulacin. Los parmetros utilizados en la
simulacin se muestran en las Tablas 2 donde se especifica las caractersticas
de entrada desde la parte elctrica del sistema del vehculo elctrico y la
tabla 3 describe los valores mecnicos de trabajo para el VE (Trinidad,
Guerrero, Hernndez, Mino y Saynes, 2012).
Tabla 2 Parmetros del MI
Tabla 3 Parmetros del VE
y sistema de traccin
Adems, en cuanto a la arquitectura seleccionada para el diseo, se
observa que requiere de dos motores, y con ello el doble de corriente para
impulsar el vehculo, lo que se traduce en la necesidad de una batera con una
alta capacidad (Vzquez, Valenzuela, y Ponce, 2015). Mediante un anlisis en
Matlab se determin los siguientes parmetros.
Tabla 4 Valores asignados
a cada variable (Vzquez, Valenzuela, y Ponce, 2015).
Tabla 5 Caractersticas del
reductor diseado
Tabla 6 Caractersticas
del tren motriz diseado
En suma, a este anlisis, los parmetros mecnicos se definieron en base
a un diseo geomtrico obtenido despus de varias iteraciones de diseo
considerando los puntos de vista mecnico y elctrico. Tambin se tuvieron en
cuenta los parmetros de los motores preseleccionados. En el primer escenario,
el modelo de dinmica longitudinal, y se estima el consumo de energa mecnica.
Los parmetros mecnicos del escenario propuesto se presentan en la Tabla 7. En
este caso, se supone que los neumticos tendran un coeficiente de traccin lo
suficientemente alto como para transferir las fuerzas a la carretera con un
deslizamiento longitudinal promedio de menos del 5% y una total eficiencia de
transmisin de ntf = 0,9. Finalmente, este vehculo est diseado para
funcionar en las afueras de Bogot, Colombia, donde la densidad del aire es
aproximadamente p = 0,9 kg / m3., (Martinez, Cortes, Munoz, y Yamamoto, 2016).
Tabla 7 Parmetros
mecnicos
En este contexto, la configuracin del tren motriz seleccionada para
esta aplicacin est compuesta por un sistema de almacenamiento dividido en dos
partes. Cada parte tiene tres ultra condensadores conectados en serie que
alimentan un convertidor CC-CC de 100 kW. Cada convertidor DC-DC establece la
interfaz entre los tres ultra condensadores y los inversores de los dos motores
BLPM en la Figura 9. Ambas partes del sistema tienen un Sistema de Gestin de
Energa (EMS) capaz de controlar el flujo de energa para equilibrar ambas
partes del tren motriz a 100 kW (Martinez, Cortes, Munoz, y Yamamoto, 2016).
Figura 11. Diagrama
de distribucin del vehculo elctrico (M=motor, C=DC-DC conversor, UC= Ultra
capacitor)
Desde otra perspectiva, para transferir la energa de una fuente de
voltaje CC a una carga a travs de un mecanismo de conmutacin basado
principalmente en un transistor de efecto de campo semiconductor de xido
metlico (MOSFET), se necesitan convertidores CC-CC. Cabe sealar que la
gestin y el intercambio de energa entre las diferentes partes del sistema en
particular entre la fuente principal (batera o pila de combustible) y el
paquete supercapacitor a travs de los dos convertidores DC-DC. Adems, en este
sistema la batera se utiliza para emular la pila de combustible (Bejaoui et
al., 2020)
Figura 12. Diagrama
de trabajo actual de VE
Casos de seleccin del motor y controlador
La metodologa del proceso de anlisis jerrquico se utiliz para la
seleccin del motor ms adecuado en base a las especificaciones de diseo,
teniendo que, para este anlisis, se emple el software Super Decisions,
versin gratuita provista por internet (Vzquez, Valenzuela, y Ponce, 2015).
En la Figura 11 se muestra el diagrama jerrquico empleado en la etapa
final de la seleccin de motores, los valores asignados a la comparacin entre
criterios y a la comparacin entre motores segn cada criterio se desarrolla de
acuerdo la necesidad (Vzquez, Valenzuela, y Ponce, 2015).
Figura 13. Diagrama
jerrquico utilizada para la seleccin del motor
En la Figura 12 se pueden ver los resultados del proceso de anlisis
jerrquico. En base a dichos resultados se eligi el motor de induccin Curtis
AC 12 6501 sobre los motores Brushless, esto debido a que no se contaba con las
curvas caractersticas de los motores Brushless, al contrario del motor de
induccin del cual se tena informacin ms detallada. Otra ventaja era que el
motor de induccin seleccionado ya inclua el controlador 1238-6501 marca
Curtis, el cual funciona por modulacin de pulso del tipo IFO (Indirect Field
Orientation) (Vzquez, Valenzuela y Ponce, 2015)
Figura 14 Resultados
del proceso de anlisis jerrquico para la seleccin del motor
Por otro lado en base a los resultados de simulacin obtenidos en la
seccin, es posible realizar la seleccin del motor elctrico que impulsara al
VE, cuyos parmetros son capaces de desarrollar los ciclos de conduccin SAE
J227a-C, SAE J227a-D, FUDS, SFUDS y ECE-15 es necesario contar con un motor
elctrico que rena las siguientes caractersticas: Una velocidad mxima
superior a 484.73 rad/s (ciclo FUDS), El par para desarrollar una velocidad
crucero de 20m/s (ciclo SAE J227a-D) es de 19.47 Nm, por tanto el par nominal
del motor debe superar este valor, Un par mximo superior a 132.37 Nm (ciclo
FUDS), La potencia a velocidad crucero de 20 m/s (ciclo SAE J227a-D) es de 7.45
kW, que es el valor mnimo de la potencia nominal del motor, Una potencia
mxima de al menos 35.05 kW (ciclo SAE J227a-D) (Durn et al., 2009).
Existen diferentes tipos de motores elctricos, por ejemplo, de
corriente directa con escobillas, de corriente directa sin escobillas, de
induccin, sncrono y de reluctancia variable por mencionar algunos. Para
nuestro caso se emple un motor de induccin trifsico tipo jaula de ardilla,
debido a su bajo costo, buen desempeo, gran disponibilidad en el mercado y
necesidad de poco mantenimiento (Durn et al., 2009) (Sznt & Szki, 2020)
Conclusiones y recomendaciones
Se debe ha identificado las propiedades principales del vehculo para la
optimizacin integral del diseo de los trenes de potencia de los vehculos
elctricos como dinmica longitudinal, dinmica lateral, rendimiento
todoterreno, eficiencia econmica, Sostenibilidad ecolgica y la ubicacin de
la batera que podra tener un impacto en el desarrollo de nuestros vehculos.
Se han discutido varios tipos de montaje del tren motriz elctrico,
dependiendo del esquema de montaje del tren motriz, se pueden usar diferentes
estrategias de trabajo para su funcionamiento donde se muestre la posibilidad
para el caso de la transformacin de u
n vehculo con montaje de tren motriz convencional y su conversin a
tren motriz elctrico.
A partir del modelo dinmico de las fuerzas que tienen interaccin en el
vehculo, se desarrolla la aproximacin de la energa, potencia, par y
velocidad necesarios de nuestro vehculo elctrico que depender de los
sistemas y las prdidas que aparezcan en el modelo propuesto para conseguir un
diseo lo mas eficiente posible para una movilidad sustentable.
Referencias
1.
Amjadi, Z., & Williamson, S.
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