UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FSICAS Y MATEMTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELCTRICA LFKE I: AUTO RECICLADO CON TRACCIN ELCTRICA PARA LA CIUDAD DE SANTIAGO DE CHILE VCTOR ANTONIO CASTAEDA ZEMAN 2005UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FSICAS Y MATEMTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELCTRICA LFKE I: AUTO RECICLADO CON TRACCIN ELCTRICA PARA LA CIUDAD DE SANTIAGO DE CHILE VCTOR ANTONIO CASTAEDA ZEMAN COMISIN EXAMINADORACALIFICACIONES NOTA(N)(LETRAS)FIRMA PROFESOR GUA: DR. RODRIGO PALMA B.: ...... PROFESOR CO-GUA: SR. ALFREDO MUOZ R.: ...... PROFESOR CO-GUA: SR. JORGE ROMO.: ...... PROFESOR INTEGRANTE: SR. EFRAIN ASENJO: ...... NOTA FINAL EXAMEN DE TTULO: .......... MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA SANTIAGO DE CHILE ABRIL 2005 A mi Familia A mi padre que me ense a trabajar A mi madre que me ense la constancia A mi hermano que me abri el camino A mi hermana que me ense a querer A Dios y Jess que me ensearon a amar, agradecer y perdonar AGRADECIMIENTOS Quieroagradeceratodosaquellosquemeayudaronaforjarestesueoque sehaconvertidoenrealidad.Quieroagradecerparticularmenteamisprofesores RodrigoPalma,AlfredoMuoz,EfranAsenjo,OscarMoyayJorgeRomo,porel apoyo,conocimientosyayudaentregada.Quieroagradeceramifamiliaqueme apoyaronentodoycreyeronenm,amisamigosquevivieronestemaravilloso proceso conmigo. En especial quiero agradecer a mis amigos de Ingeniera Elctrica que me ayudaron y apoyaron, como tambin a mi pastoral CPJ SS.CC. que me ense a ordenar el tiempo. Quiero agradecer a mis familiares que me ayudaron a ser mejor persona. Quiero agradecer a Dios y a Jess por haberme regalado esta oportunidad devida,quelapudeconcretarconsuayudayespecialmente,porelDondeamar esta profesin. Quiero agradecer a la Universidad de Chile y la Escuela de Ingeniera que me dieron todas las herramientas para lograr esta profesin. En especial agradezco al departamentodeIngenieraElctrica,queatravsdeaosdeesfuerzome entregaron todos sus conocimientos y lograron que me enamorara de esta carrera. En fin, gracias a todos por el apoyo, amor y nimo que me entregaron, los que semarcaronenmicorazn,comounrecuerdoindelebledeestaetapademivida, que siempre permanecer presente RESUMEN DEL INFORME FINAL PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA POR: VCTOR CASTAEDA ZEMAN FECHA: ABRIL 2005 PROF. GUA: SR. RODRIGO PALMA B. Lfke I: Auto Reciclado con Traccin Elctrica para la Ciudad de Santiago de ChileActualmente,losvehculoselctricosylastecnologasasociadas,seencuentranenunnuevo procesodedesarrollo,motivadoprincipalmenteporlasexpectativasdeabastecimientodecombustible fsily problemas ambientales. Eneste contexto, esta memoria pretendemostrar una forma factibley real de colaborar con esta tendencia mundial a travs de un fomento del reciclaje de vehculos convencionales mediantelaconversinatraccinelctrica.Paraello,seutilizacomopuntodepartidalaexperiencia adquirida porelestudiante al participar activamenteenel proyectode conversindenominado Lfke I, llevado a cabo en el rea de Energa del Departamento de Ingeniera Elctrica de la Universidad de Chile. Estamemoriaincluyeenprimerlugarunarecopilacindedatosdelestadodelartedelos vehculos elctricos y sus tecnologas, el que identifica los tipos de componentes necesarios en la creacin, construccin y conversin de vehculos elctricos. Esta recopilacin bibliogrfica constituye la base sobre lacualseproponeunmanualdeconversinatraccinelctricadevehculos,destinadoadocumentar todos los conocimientos y experiencias adquiridos en el proyecto Lfke I. Este manual permite observar las alternativas y formas de proceder en la conversin, enfatizando las precauciones y cuidados debidos. Unasegundaetapadeestetrabajoconstituyeelestudiodelfuncionamientoelctricoymecnico delvehculoelctricoconvertido.Elestudiodelfuncionamientoelctricosefocalizaenexplicarun fenmenodesobrevoltajeobservadoenlaetapadepruebasdelsistema.Elestudiodelfuncionamiento elctricoincluyelamodelacindelcircuitodetraccinelctricadelvehculo,elqueincluyeelbancode bateras, motor, controlador de potencia y conexiones asociadas. El modelo es integrado a un ambiente de simulacin computacional, permitiendo su validacin y sintonizacin con lo observado en la prctica. Por su parte, el estudio del funcionamiento mecnico se basa en un modelo mecnico cinemtico bsico, capaz desimularsuoperacinydetectarlimitacionestcnicas,talescomosuvelocidadmximaypendiente lmite. Elestudiodelcomportamientoelctricodelvehculopermitiestablecerconclaridadlascausas del sobrevoltaje, recrear el fenmeno experimentalmente y sugerir las medidas a tomar en una conversin con el fin de evitar su aparicin. El estudio del funcionamiento mecnico fue validado experimentalmente, lograndoentregarantecedentessobreeldesempeoeconmicodelvehculo.Losmodelosdesarrollados, documentados en detalle, sirven de base para futuros estudios y propuestas de diseo en torno a este tema. Finalmente,comotrabajosfuturosenestembito,seproponelamejorayoptimizacindel vehculoLfkeI,enrelacinasucircuitoelctrico(minimizandoprdidas),resistenciamecnica (reduciendopesoyaumentandoaerodinmica),eincluyendofrenoregenerativo,sistemasdecontroly monitoreoconuncomportamientointeligente.Estosdesarrollospermitirnofrecerunaalternativade conversin para una ciudad con las caractersticas de Santiago de Chile. iTABLA DE CONTENIDOS 1 INTRODUCCIN............................................................................................................................. 11.1MOTIVACIN..................................................................................................................... 1 1.2OBJETIVOS.......................................................................................................................... 1 1.3ALCANCE ............................................................................................................................ 1 1.4ESTRUCTURA DEL TRABAJO......................................................................................... 3 2 EL AUTO ELCTRICO Y SU DESARROLLO.............................................................................. 42.1HISTORIA DEL AUTO ELCTRICO................................................................................ 4 2.1.1HISTORIA............................................................................................................................. 4 2.1.2LNEA DE TIEMPO ................................................................................................................ 5 2.2AUTO ELCTRICO HOY................................................................................................... 7 2.2.1TIPOS DE VEHCULOS ELCTRICOS....................................................................................... 7 2.2.2EMPRESAS DE VEHCULOS ELCTRICOS ............................................................................... 9 2.3COMPONENTES DE UN VEHCULO ELCTRICO...................................................... 14 2.3.1SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGA.................................................................... 15 2.3.2SISTEMA DE PROPULSIN................................................................................................... 20 2.3.3SISTEMA DE CONTROL....................................................................................................... 21 2.3.4SISTEMA DE RECARGA....................................................................................................... 23 2.3.5SISTEMA DE INSTRUMENTACIN (MONITOREO Y CONTROL AUTOMTICO) ........................ 26 2.3.6SISTEMAS DE SEGURIDAD Y ACCESORIOS .......................................................................... 26 2.4ENFOQUE DEL ESTUDIO................................................................................................ 27 3 CONVERSIN DE AUTO CONVENCIONAL A ELCTRICO................................................. 283.1ESTUDIO YDESARROLLO PREVIO ............................................................................. 28 3.1.1INVESTIGACIN Y PREPARACIN DE LA CONVERSIN......................................................... 28 3.1.2PLANIFICACIN DE CONVERSIN ....................................................................................... 28 3.2ADAPTACIN MECNICA............................................................................................. 38 3.2.1HERRAMIENTAS................................................................................................................. 38 3.2.2PROCEDIMIENTO................................................................................................................ 39 3.2.3CONEXIN DE MOTOR Y CAJA DE CAMBIOS....................................................................... 43 3.2.4SISTEMA DE SUJECIN DEL MOTOR.................................................................................... 50 3.3INSTALACIN ELCTRICA........................................................................................... 51 3.3.1BATERAS .......................................................................................................................... 52 3.3.2COMPONENTES .................................................................................................................. 54 3.3.3CONTROLADOR.................................................................................................................. 55 3.3.4CABLES ............................................................................................................................. 56 3.3.5SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROL................................................................................ 58 3.4PRUEBAS FINALES.......................................................................................................... 60 4 ESTUDIO DE FUNCIONAMIENTO............................................................................................. 614.1ESTUDIO DE FUNCIONAMIENTO ELCTRICO......................................................... 61 4.1.1MODELO ELCTRICO DE LAS COMPONENTES...................................................................... 61 ii4.1.2MODELOYSIMULACINELCTRICADELCIRCUITOSIMPLIFICADO(CONFENMENODE SOBREVOLTAJE) ........................................................................................................................ 70 4.1.3MODELOYSIMULACINDECIRCUITOCOMPLETO(CONELFENMENODESOBREVOLTAJE)80 4.1.4MODELO Y SIMULACIN DE CIRCUITO COMPLETO (SIN EL FENMENO DE SOBREVOLTAJE) 83 4.1.5MEDICIN REAL DE CIRCUITO ELCTRICO 1 (CON EL FENMENO DE SOBREVOLTAJE)........ 85 4.1.6MEDICIN REAL DE CIRCUITO ELCTRICO 2 (SIN EL FENMENO DE SOBREVOLTAJE) ......... 86 4.2ESTUDIO DE FUNCIONAMIENTO MECNICO.......................................................... 88 4.2.1FUERZAS DE RESISTENCIAS AL MOVIMIENTO..................................................................... 88 4.2.2FUERZAS DE EMPUJE.......................................................................................................... 91 4.2.3ANLISIS DE FUERZAS ....................................................................................................... 92 4.2.4CONSIDERACIONES ............................................................................................................ 92 4.2.5PRUEBAS PARA CLCULO DE PARMETROS ....................................................................... 93 4.2.6MODELO DEL VEHCULO.................................................................................................... 95 4.2.7PENDIENTE MXIMA DE OPERACIN ............................................................................... 100 4.2.8RENDIMIENTO.................................................................................................................. 101 5 OPTIMIZACIONES PROPUESTAS Y MEJORAS.................................................................... 1025.1FRENO REGENERATIVO.............................................................................................. 102 5.2SISTEMA DE SUPERVISIN......................................................................................... 103 5.3INTEGRACIN DE INTELIGENCIA............................................................................ 105 5.4CONTROLADOR DE CAMBIOS YVELOCIDAD........................................................ 105 6 CONCLUSIONES Y COMENTARIOS ....................................................................................... 1067 BIBLIOGRAFA........................................................................................................................... 1088 ANEXOS........................................................................................................................................ 1118.1CLCULO DE PARMETROS MECNICOS DEL VEHCULO................................ 111 8.1.1REA FRONTAL ............................................................................................................... 111 8.1.2RADIO RUEDA.................................................................................................................. 111 8.1.3COEFICIENTES DE RODADO Y ROCE DEL AIRE.................................................................. 113 8.2CLCULO DE PARMETROS ELCTRICOS ............................................................ 113 8.2.1PARMETROS DE CABLES ................................................................................................ 113 8.2.2PARMETROS DE MOTOR................................................................................................. 114 8.3SIMULACIONES REALIZADAS.................................................................................... 120 8.3.1MODELO SIMPLIFICADO DE CIRCUITO ELCTRICO 1 (CON EL FENMENO DE SOBREVOLTAJE)120 8.3.2MODELO COMPLETO DE CIRCUITO ELCTRICO 1 (CON EL FENMENO DE SOBREVOLTAJE)139 8.3.3MODELO COMPLETO DE CIRCUITO ELCTRICO 2 (SIN EL FENMENO DE SOBREVOLTAJE). 144 8.3.4SIMULACIN DE MODELO MECNICO.............................................................................. 147 8.4MEDICIONES REALIZADAS EN EL VEHCULO....................................................... 156 8.4.1CIRCUITO ELCTRICO 1 (CON EL FENMENO DE SOBREVOLTAJE)..................................... 156 8.4.2CIRCUITO ELCTRICO 2 (SIN EL FENMENO DE SOBREVOLTAJE) ...................................... 171 8.5FOTOS DEL VEHCULO LFKE I............................................................................. 178 11 INTRODUCCIN 1.1MOTIVACIN Actualmente,losvehculoselctricossonunabuenaalternativaparadisponerde unamovilizacinlimpiaenunaciudadcontaminadacomoSantiago.Elusode traccinelctricaparalosautomviles,contribuyealadisminucindela contaminacinambiental,enparticularlacontaminacindelaireyacstica.Esta disminucindelacontaminacinesimportanteenelcontextodelproblemadel calentamiento global que enfrenta el planeta. Asimismo, la utilizacin de transporte limpio contribuye a unmejoramiento dela calidad devida enla ciudad. Con estas ideaspresentes,estetrabajobuscacontribuiraldesarrollodesoluciones tecnolgicasparaeltransportealutilizarenergaelctricayalmismotiempo considerar restricciones presupuestarias y ambientales. 1.2OBJETIVOS Elobjetivogeneraldeestetrabajoeselestudiodelfuncionamientoyposibles optimizacionesdeunvehculoelctricotransformadoapartirdeunvehculo convencional. En este contexto, se distinguen los siguientes objetivos especficos: Recopilacin de datos del estado del arte en torno al tema. Desarrollo de manual de conversin de vehculo convencional a elctrico. Estudio de las caractersticas de funcionamiento elctrico del vehculo. Estudiodefenmenodesobrevoltajesurgidoenlaconstruccindel vehculo. Estudio de las caractersticas mecnicas de funcionamiento del vehculo. Presentacindepropuestasparaoptimizacinymejorasdevehculo elctrico. 1.3ALCANCE La presente memoria contiene unmanual de conversin, el cual expone la mayora delasalternativasdeconversinexistentes.Sinembargo,nosepresentan explicacionesdetalladasdelfuncionamientoyaspectosconstructivosdecadauna delos componentes(motor, controladorybateras)involucrados en el proceso. Se explican,tambin,lasdiferentesformasdeinstalacineinterconexin.Elmanual incluyealgunosplanos,conunniveldedetalleintermedio,delaspiezasquese 2utilizanregularmenteenlasconversiones.Elanlisisdelosaspectosrelacionados conlamecnicaautomotriznoestratadoenformaacabada,limitndosealusode una terminologa genrica. Elestudiodelfuncionamientoelctricopresentadoenestamemoria,constatanto deunmodeloelctricocompleto(detallado),comodeunaversinsimplificada para la representacin del circuito de traccin. El modelo utilizado para el motor de corriente continua es un modelo dinmico de primer orden, el cual modela su parte elctricaymecnica.Paraloscablesseutilizarondiversosmodelosdependiendo del nivel de complejidad deseado (modelos PI y resistivo puro). El controlador fue modelado en forma bsica, en que se enfatiza la representacin de los componentes deelectrnicadepotenciaysesuponeuncomportamientoidealdelassealesde control.Enelmodelodelasbaterasnoseconsideraronlascaractersticas parsitas,talescomocapacitanciaseinductancias.Esteestudiotambincontiene resultadosyanlisis,tantodesimulacionesdelosmodeloselctricos,como tambin de las mediciones tomadas al circuito elctrico de Lfke I. El anlisis del ajusteobtenidoentreelmodeloyelsistemarealserealizaalcompararlos resultadosdeunconjuntoacotadodecasos.Esteestudiotambinincluyeun estudio deunfenmeno de sobrevoltaje surgido en las pruebas del sistema, el cual esexplicadomedianteunanlisisdergimenpermanenteysimulaciones.Este anlisispermiteobservarengrandesrasgossucomportamiento.Sinembargo,el estudiono estableceuna expresin analtica para describir este comportamiento en forma exacta. El anlisis del funcionamiento mecnico se realiza mediante un modelo cinemtico bsico,queincluyelaresistenciadelaireyrodadodelvehculo.Losmodelos utilizadossonlosmsfrecuentesparaestetipodeestudios,alserutilizadosen simuladoresdeconduccin,juegos,etc.Adems,seincluyelasimulacin mecnicadelvehculoyelclculodesuslimitacionestcnicas,talescomo pendiente mxima y velocidad mxima.En los dos estudios anteriores no se realiza una validacin rigurosa de los modelos, debido a que se tieneinstrumentacinlimitada para este propsito. Slo se efecta unacomparacinentrelosgrficosobtenidos,loquepermitededucirsilos modelos se aproximan o no a la realidad. Porotrolado,elalcanceestablecidoparaesteestudioselimitaamencionaren forma general algunas posibles mejoras y optimizaciones para el vehculo. 31.4ESTRUCTURA DEL TRABAJO Estetrabajoestestructuradoenseiscaptulostemticos.Acontinuacinse presenta una breve resea de cada uno de ellos. Loscaptulosunoydossondecarcterintroductorio,queintentanmostrarlas tecnologasytendenciasactualesdelmercadoautomotriz.Elcaptulounodetalla losobjetivosdeltrabajo,lamotivacinyalcances.Elsegundocaptulomuestrala mayorpartedelastecnologasactualesenlaconversindevehculos convencionalesatraccinelctrica,queindicanlasdiferentestecnologasdecada componente.Estecaptulo,tambin,muestralastendenciasdeinvestigacinylas diferentesderivacionesdelautilizacindeenergaelctricaenlosautomviles. Asimismo,seexhibenlasactualestecnologasdelosvehculoselctricos comerciales,entreelloslosqueactualmenteestnalaventaylosproyectos relacionados con este tema, tanto en Chile como en el extranjero. Eltercercaptulocorrespondeaunmanualtcnicodeconversin,queest orientadoaservirdeguaylibrodeconsulta,quemuestraenformaclaralos cuidadosyformasdeprocederenlasdistintasetapasdeltrabajo.Estemanual contienediferentessolucionesparacadaetapadelaconversin,queinformaal lectorlosconocimientosnecesariosparaquestepuedadisearsuspropias soluciones. El cuarto captulo contiene un anlisis elctrico y mecnico del auto elctrico, en el que se muestran los modelos encontrados para cada componente del vehculo, junto consudesarrollotericoyfundamentos.Elmodeloelctricohasidosimplificado para ser analizado tericamente y a travs de simulaciones. Tambin se exponen las simplificaciones que se utilizaron para tener un buen entendimiento de los modelos. Este captulorealiza el estudio deunfenmeno de sobrevoltaje que se present en el circuito elctrico del vehculo, en que se muestran las causas y las consecuencias que este puede tener. Elcaptulocincoproponeoptimizacionesymejorasquesepuedenrealizarenel vehculo Lfke I. En este captulo se deja expuesto en detallelas definiciones de lasposiblesmejorasycmosepodranllevaracabo.Estasmejorassonelfreno regenerativo,sistemadesupervisin,integracindeinteligenciaycontroladorde cambios y velocidad. El captulo seis expone las conclusiones y comentarios del trabajo. Finalmente, los captulossieteyochopresentanlasfuentesbibliogrficasylosanexos, respectivamente. Los anexos contienen el detalle de los clculos y los grficos que sustentan los anlisis presentados en el cuerpo del trabajo. 42 EL AUTO ELCTRICO Y SU DESARROLLO 2.1HISTORIA DEL AUTO ELCTRICO A continuacin,amododeintroduccintemticasepresentaunresumendela historia y desarrollo de los vehculos con traccin elctrica [1,2]. 2.1.1Historia Enlosaosde1890,losautoselctricosestabanenunaproporcinde10:1 respectodelosvehculosacombustin,quedominaronpormuchotiempolos caminos y elmercado de esa poca. Esto indica que en esos tiempos losvehculos elctricosseestabandesarrollandocomounadelastecnologasmsnovedosasy popularesdelapoca.Apartirde1910,losautosacombustiningresaron paulatinamentealmercadoconmayorfuerza,puestoqueensumayora,eran fabricadosaldesarrollarelusodelneasdeensamblaje.Estenuevosistemade produccinprcticamenteelimindelmercadoatodoslosotrosantiguos constructoresdevehculos,tantoelctricoscomoacombustin,debidoauna disminucinsustancialdeloscostosdeproduccin,loqueprovocquelas compaasindependientesquenotenanaccesoaestanuevatecnologa desaparecieran. Luegoquelosvehculosacombustincomenzaronadominarelmercadoporsus bajosprecios,empezaronasurgirunamayorcantidaddefactoresqueeliminaron casitotalmenteeldesarrollodelosvehculoselctricos.Algunosdeestosfactores fueronquelainfraestructuraelctricaenesapocaeracasiinexistenteenlas afueras de las ciudades, por lo que los autos elctricos, debido a las dificultades del almacenamientoenbancosdebateras,estabanlimitadosatransitardentrodelas ciudades. Otro factor importante de la disminucin del uso de automviles elctricos, fue que en esos tiempos la energa elctrica era ms cara que el combustible, adems de que eracomplicadoencontrarunlugarpararecargarelsistemadealmacenamientode energaelctrica.Porestosfactores,parafinesdelaprimeraguerramundial,la produccindevehculoselctricossedetuvototalmente.Enlosaos60y70, impulsadoporlacontaminacinatmosfricaylacantidadlimitadadepetrleo disponible en el mercado, se observ un renacimiento del vehculo elctrico, como concepto de transporte masivo. 5Enlosaos90,lasgrandesmarcasdeautomvilesreanudaronlaproduccinde vehculoshbridosy/oelctricos,loquehasidoimpulsado,porejemplo,por iniciativastalescomoelMandatodeVehculosdeEmisinCero(ZEV,Zero Emisin Vehicle) emitido en California. Los Automviles Elctricos fabricados por losprecursoresfueronproducidosesencialmenteenpequeosvolmenes,a pedidosyhechosamano.Sinembargo,comoelMandatoZEVsedebilital transcurrirlosaos,lasgrandesmarcasdetuvieronlaproduccindeAutomviles Elctricos. 2.1.2Lnea de Tiempo Enlasiguientetablasepresentaunresumenenformadelneadetiempodelos desarrollosyhechoshistricosrelevantesdelosvehculoscontraccinelctrica [1,2]. 1834ThomasDavenportinventalabateraparaunautoelctrico,las cuales no son recargables. 1859Gaston Plante invent las bateras de Plomo-cido recargables. 1889Thomas Edison construye un auto elctrico usando bateras Nquel-Alcalina. 1895PrimeracarreradeautosenNorte-Amrica,fueganadaporun vehculo elctrico. 1896PrimeravendedoradeAutomvilesenEstadosUnidos,lacual venda vehculos elctricos. 1897Primer vehculo elctrico con direccin servo-asistida, ste tena un sistemaauto-encendidoelctrico,elcualveinteaosdespusse usaron en los vehculos a gasolina. 1898En la ciudad de Nueva York, los vehculos elctricos son los nicos capacesdemovilizarseenloscaminosdentrodeunaTormentade Nieve.1900GranProblemadecontaminacinenlaCiudaddeNuevaYork. staesproducidaporloscaballos,dejando1.1toneladasde excremento,230.000litrosdeorinadiariamenteenlascalles; 15.000 caballos muertos son retirados de las calles cada ao. 1900Losvehculosproducidosfueron:33%Vehculosavapor,33% Vehculos Elctricos y 33% Vehculos a Gasolina. 1903Primeramultadeexcesodevelocidad,stafuecursadaaun Vehculo Elctrico.1908HenryFordlecompraasuesposaunVehculoElctrico.LaAlta Sociedad de ese tiempo entreg un elogiador apoyo a los Vehculos Elctricos: Este vehculo nunca me falla 61910Fbricadevehculosproduceautosacombustininternaen volumen, reduciendo el costo por vehculo. 1912Hay38.842VehculosElctricosenlascalles.Loscamiones cisternas entregan gasolina a las estaciones. 1913Auto-encendidoparaautosagasolina.(10aosdespusqueel Modelo T) 1956Sistema Nacional de Autopistas Interestatales. Consolidado el 90% en los estados y 90% en el Gobierno Federal. 1957Sputnik(SatliteSovitico)eslanzado.Elprogramadeespacio estadounidense inicia la investigacin y desarrollo de una avanzada batera. 1966GranExpectacinporque36millonesdepersonasestnrealmente interesadasenVehculosElctricos.Hastaesafechalosautos elctricostienenunavelocidadmximade60Km/hr,yuna autonoma de 80 Km. 1967Walter Laski funda la Asociacin de Autos Elctricos. 1968-1978 Congreso aprueba estatutos regulatorios ms exigentes enfncados a disminuir los riegos de salud a los usuarios de los autos: colisiones, aire contaminado. 1972Primer Rally Anualde Autos Elctricos de la EAA1974DebutaCityCarenelSimposiodeVehculosElctricosen WashingtonDC.En1975,lamarcadeCityCaresvanguardista, siendo la sexta marca de autos de los Estados Unidos. 1990CaliforniaestableceelMandatodelVehculodeEmisinCero, siendo el 2% de los vehculos en 1998 y el 10% para el 2003.1990GeneralMotorsmuestrasuinicioenlaproduccindeAuto Elctricos,conelmodeloImpact.Despusesteesrenombrado como EV-1. 1990El Gobierno de Estados Unidos gast $194 Millones de Dlares en investigacindesistemasdeenergaeficiente.Estainversinfue mucho menos que un billn de Dlares que cuesta un simple da en laTormentadelDesierto,ounbillndeDlaresquesalepor semana en el Conflicto de Irak (2003). 1993GeneralMotorsestimquetomara3mesesespecificarlos nombres de las 5000 personas interesadas en el modelo EV-1. Esto slo tom una semana. 1995Renaissance Cars, Inc comienza la produccin del modelo Tropica. 1996EAA ayuda en la investigacin en los Autos Elctricos a la empresa CALSTART en Alameda, California. 1996General Motors comienza la produccin del EV-1. 1997ToyotaPrius,vehculohbrido(gasolina-elctrico)mostradoenel 7evento Tokio Auto Show. 2002Toyota RAV4-EV venta por pedido. Se estim que se agotara en 2 aos, pero se agot en 8 meses. 2003El Mandato de ZEV (Vehculo de Emisin Cero) debilit la entrega decrditosparalaconstruccindeZEV.Toyotadetuvola produccindelRAV4-EV,HondadetuvosunuevomodeloEV-Plus y GM hace el mismo EV-1.200331RallyEAAEVAnualenPaloAlto,California.Compitieron sobre30vehculos:VehculosElctricosConvertidos,de Produccin, hbridos y Vehculos personales. 2003ElvehculotZerodeACPropulsinganelChallengeMichelin Bibendumdealtogrado,y;tZerotienelassiguiente especificaciones:480Kmsporcarga,0-96Km/hren3.6segundos, 160 Km/hr como velocidad mxima. 2.2AUTO ELCTRICO HOY A continuacinseexponeelestadodelarteactualquetienenlosvehculoscon traccinelctrica.Paraempezarsemuestraunadefinicindelosnombresdelas diferentes tecnologas actuales, junto con explicar su funcionamiento bsico. Luego sepresentaunaexplicacindeloscomponentesdeunvehculoelctricoconsus diferentes tecnologas. 2.2.1Tipos de Vehculos Elctricos Enlaactualidad,existenbsicamentetrestiposdevehculoselctricos:vehculo hbrido,deceldadecombustibleyelctricoabasedebateras.Acontinuacinse detalla cada uno de estos tipos [3-6]. 2.2.1.1Vehculo Hbrido Lamayorcantidaddelosvehculoshbridosusanuna combinacin eficiente entre unmotordecombustininternayunmotorelctrico.Porejemplo,enelcasode que el sistema de bateras est cargado, cuando el automvil llega a una luz roja en unsemforo,elmotoragasolinaesautomticamenteapagadoparaprevenirla emisindegasescontaminantes.Cuandounautomvilcomienzaamoverse, despusquecambiaalaluzverde,elmotorelctricocomienzaamoverel vehculo,apoyandoelencendidodelmotoragasolina[3].Elmotorelctrico permite reducir la carga del motor a gasolina cuando el vehculo acelera (el motor a 8combustinoperaencondicionescercanasalanominal),haciendoqueelauto emitamenosgasescontaminantes.Japnhasidoelldermundialenlatecnologa hbrida,alexportarungrannmerodeestosvehculos.Losmodelosque actualmenteestndisponiblesenelmercadodelospasesdesarrolladosson,entre otros,elToyotaPriusyelHondaCivicHbrido,losprimerosmodelosllegarona Chile durante el ao 2004. Toyotaha proyectado suinsercin almercadonacional para la segunda mitad del ao 2005 [4]. Existen dos tipos de vehculos hbridos, los cuales se diferencian en la conexin existente entre el motor de combustin interna y lamquinaelctrica.Lostiposdeconexionessonenserieyenparalelo.Enla conexin en serie, elmotor de combustin interna est conectado enforma directa a lamquina elctrica(producela energaelctrica),la cualpuede ser almacenada o utilizadaparaalimentarotramquinaelctricaqueimpulsaelvehculo.La conexin en paralelo, se realiza de tal manera que el motor de combustin interna y lamquina elctrica estn conectados enforma conjunta al sistema de traccin del vehculo.Estetipodevehculofuncionaalcombinarlaspotenciasentregadaspor ambosmotores,detalformadeoptimizarsufuncionamientoyreduciralmximo las emisiones de gases contaminantes. 2.2.1.2Vehculo Celda de Combustible Elvehculo de celdade combustible queha sidollamadola ltimageneracin de vehculo ecolgico, el cual an est en desarrollo. Este tipo de vehculos trabaja en basealaconversindirectadeenergaqumicaenelctrica,atravsdeuna reaccinelectroqumicadenominadacombustincataltica.Estetipode combustinproduceelectricidadcomoproductoprimarioycomosubproducto calor y vapor de agua. Uno de los problemas de este sistema es la manipulacin del hidrgeno,debidoasualtoriesgodeexplosinencondicionesambientales normales,juntoconlosproblemasdealmacenamientoyseguridad.Actualmente, todaslasgrandes empresas automotrices poseen su prototipo basados en celdas de combustibles,peroconcostoselevados,porlocualenunfuturoprximonose pronostica su insercin en forma masiva al mercado. Las tendencias indican que los primerosvehculosdeestetipoutilizarnmetanol,gasnaturaloalgntipode alcoholcomocombustibleproveedordehidrgeno.Laventajadeestetipode vehculoesquelasemisionescontaminantessereducenconsiderablementecon respecto a los vehculos de combustin interna, adicionalmente que el hidrgeno se proyectacomounsustitutoaloscombustiblesderivadosdelpetrleo.Unodelos mayoresinconvenientesdelainsercindeestetipodevehculos,ademsdesu costo,eslainexistenciadeinfraestructuraquepermitalageneracindehidrgeno en forma econmica. 92.2.1.3Vehculo Elctrico Puro EstnconstituidosesencialmenteporunSistemadePropulsin(motorelctrico), unSistemadeControl(controlador),unSistemadeAlmacenamientodeEnerga (bateras)yunSistemadeRecarga(cargador).Estosautomvilesnoutilizan ningntipodecombustibleespecfico,porloquenoemitencontaminantes atmosfricos.Estetipodevehculotieneunaautonomaaproximadade80 kilmetros, potencias desde 10 HP hasta 88 HP, aceleracin de 0-100 km/hr que va desde los 12.7 segundos hasta 30 segundos o ms, y, los tiempos de recarga varan entre 2 y 12 horas dependiendo del tipo de bateras y tipo de banco utilizado. Estos vehculos, engeneral, sonms pesados que los convencionales por el alto pesode cada batera. En la actualidad este tipo de vehculos se vende en forma comercial en algunospases,losquesonutilizadospreferentementecomovehculosdeciudad. Particularmente,enJapn,seutilizanestosvehculoscomoautoscomunitarios. Estosvehculoscomunitariossonusadosporcualquierpersonaquedesee movilizarsedentrodelaciudad,detalformaqueseestacionenenlugares predeterminados,dondelosvehculossonenchufadosaunaredespecialpara cargarlasbateras.Deestaforma,losvehculossoncargadosmientrasestn estacionadosyasquedanoperativosparaotrousuario.Estesistemajaponsha tenidomuchoxito,graciasaquepermiteuntransportebarato,comunitarioyno contaminante. 2.2.2Empresas de Vehculos Elctricos 2.2.2.1Desarrollos Nacionales EnChilenoexistenempresasquetrabajenenautomvileselctricosurbanosaun nivel comercial. Se constata la comercializacin de vehculos elctricos de pequeo tamao,loscualescorrespondenavehculosdecarga(hasta500kg.,velocidad mximade30km/hr),carrosdeGolfycarrosdepasajerospararecorridos reducidos, por parte de la empresa Eco Car Electric S.A. [7]. En el pas se realizan algunos estudios relacionados con la conversin de vehculos convencionalesaelctricos.Lasinstitucionesqueestnohantrabajadoeneste tema, sonla Universidad de Chile,la Pontificia Universidad Catlica, Universidad Tcnica Federico Santa Mara, INACAP y USACH. Asimismo, en los ltimos aos sehanincorporadodistintasiniciativasdeestudiantescomoconsecuenciadela creacindelconcursoFrmula-i[16].Especficamente,sepuedenmencionarlos siguientes desarrollos: 10Universidad de Chile. Se han desarrollado diversos trabajos de ttulo en el mbito detraccinelctricaenlosDepartamentosdeIngenieraElctricayMecnica.En elmarco deuno de estos trabajos se dise enformantegraunvehculo elctrico de carga. Sus caractersticas son las de un vehculo utilitario [8]. PontificiaUniversidadCatlica.Enestauniversidadsehandesarrollado proyectosFondecyt a cargo delProfesor Juan Dixon.En elmarco deuno de estos proyectossehacreadounvehculocamionetaChevroletmodelo"LUV"dedoble cabina,lacual,comovehculoelctrico,hademostradoseraltamenteconfiabley eficiente. El vehculo cuenta con instrumentacin digital y posee tres procesadores: unoparaelcontroldelmotor,otroparalainstrumentacinyunterceroparala cargadelasbateras[9].Tambinsehandesarrolladovariasmemoriasdettuloy tesis. UniversidadTcnicaFedericoSantaMara.Enestauniversidadserealizun trabajodettulo,queanaliztericamenteunVehculoElctrico.Suresultadofue eldiseodeunvehculoelctricoysusistemadecontrol.Enestauniversidad tambin existen diversos trabajos en el rea [10-15]. Noexisteninstitucionesempresarialesenelpasquedesarrollenproductos relacionados con los vehculos elctricos. 2.2.2.2Desarrollos Internacionales Lasempresaslderesinternacionalesenlaconversindevehculosdecombustin interna a traccin elctrica son las siguientes [17]: Electric Vehicles System Lalnea dela empresa esla conversin de vehculos agasolinaypetrleo a vehculo con traccin elctrica, ms limpios y eficientes. Adems la empresa ofrece servicio de reparacin para todo tipo de vehculos elctricos.Direccin: 34 Paine St.,Worcester, Massachussets, Estados Unidos.Telfono: 1-508-799-5650 Pgina Web: http://electricvehiclesystems.com/ Solectria Corporation of WoburnSolectriadiseayfabricasistemasdepropulsinymediosdetransporte limpios, eficientes y sustentables. Esta empresa ofrece servicios de ingeniera parasistemasdevehculos,generacindeenergaelctricayprocesos tecnolgicos. 11Direccin: 9 Forbes Road Woburn, Massachusetts, Estados Unidos. Telfono: 781-932-9009 Pgina Web: http://www.solectria.com EV Parts Esta empresa provee componentes para sistemas de Corriente Continua, tales comoMotores,Controladores,Cargadores,Bateras,Cables,Conectoresy convierte autos elctricos especiales. Direccin: 108-B Business ParkLoop, Sequim, Washington98382,Estados Unidos. Telfono: 1-360-582-1271, 1-888-387-2787 Pgina Web: http://www.evparts.com/ Cloud Electric Vehicles Estaempresaproveecomponentesparasistemasdecorrientecontinua,tales comomotores,controladores,cargadores,bateras,cables,conectoresy convierteautoselctricosespeciales.Estaempresatieneexperienciaenel temadesdelosaos80,enlaconversindevehculosylaconstruccinde botes elctricos de carrera, vehculos de carrera, scooters.Direccin:1942866thAve.SOUnitQ-112Kent,Washington,Estados Unidos. Telfono: 1-425-251-6380 Pgina Web: http://www.cloudelectric.com/ Electro AutomotiveEsta empresa fue fundada en 1979, la cual fue creada para cubrir el mercado delasconversioneselctricas.Estaempresatieneaosdeexperiencia profesionalenlaindustriaautomotriz,altrabajarenautosfamiliaresyde carrera.SusloganesNoexisteotraempresadevehculoselctricoscon tanta experiencia en conversiones y conocimientos de partes de vehculos. Direccin: POB 1113-W, Felton, California, Estados Unidos Telfono: 1-831-429-1989 Pgina Web: http://www.electricauto.com/ Apollo Energy Systems, Inc. Esteesunagranempresaquediselossistemasdeenergaparael transbordador Apollo. Esta tiene dos lugares de investigacin, una en Estados UnidosyotraenChina.Lalneadenegociosdeestaempresaesel 12desarrollo,produccin,comercializacinyventadelicenciasdenuevos sistemasyproductosdeenerga.Unosdelossistemasdeenergadiseados es el sistema de propulsin elctrica Apollo, el cual combina la utilizacin de Celdas Alcalinas de Combustibles Apollo, bateras de Plomo-Cobalto, motor elctrico de propulsin y controlador electrnico. Este sistema utiliza la celda de combustible para cargar las bateras, sin necesidad de usar un cargador de bateras. Direccin:2301N.W.33rdCourt,Bldg115,PompanoBeach,Florida, Estados Unidos. Telfono: 954-969-7755 Pgina Web: http://www.electricauto.com/Lasempresasmostradasanteriormenteutilizanmotoresdecorrientecontinuay motoresdeinduccintrifsicosconnivelesdepotenciaquevaranentre10HPy 30HPdepotencianominal,llegandoaentregarenalgunoscasoshasta200HP comopeakdepotencia.Operanconunsistemaenelquelapersonainteresada, lleva suvehculo alas instalaciones de laempresa ylo deja por algn tiempo para realizarunaevaluacinpreliminardecadavehculoconelfindedeterminarla factibilidadtcnica,mostrarlasalternativasdekitsparalaconversinyformular una cotizacin del producto final. Las empresas lderes en la construccin de vehculos ecolgicos, tanto comerciales como prototipos, son expuestas a continuacin [17]: Toyota.CuentaconelmodeloPrius.Esteesunvehculohbridotiposedn familiar,especialmentediseadoparalograrunamenorcontaminacinyun rendimientosuperior.Desdesuprimeraaparicinpblica,en1997,harecibido numerosospremiosyhavendidomsde120.000ejemplaresentodoelmundo, aunqueelmayordesusmercadosesporlejosEstadosUnidos,conalrededorde 70.000unidades.En5aosToyotaesperavenderhasta300.000unidadesdel modelo y ya se han presentado otros con el mismo sistema [18]. El vehculo emplea dosmotores,unodegasolinade1,5litroy77CVyotroelctricode68CV.El conductorpuedeseleccionarelpropulsorquequiereutilizarconslopulsarun botnsituadoenelpaneldeinstrumentos,loquepermiteelusoexclusivodel motorelctrico,momentoenelquenogeneraemisinalguna[18].Sisedesea lograrelrendimientomximo,elmotordegasolinaactacomofuenteprincipaly elelctricoentoncescomoauxiliar,lograndounaaceleracinde0a100km/hen menos de 11 segundos [18]. El viernes 1 de octubre de 2004 se estren oficialmente enChileelprimerautodetraccinhbridaenelmercadolocalyaunquenoseha definidoelprecio,esbastanteclaroquesermscaroqueunvehculodesimilar 13tamaoypotenciamovidosloporgasolina.ClaudioIsgut,deToyotaChile, espera que se site en torno a los 17 o 18 millones de pesos [18]. General Motors. Esta marca desarroll el EV1, el cual es considerado como uno de losvehculoselctricosdemejorcalidadconstruido.Setratadeunvehculo elctricoimpulsadoporbateras,queofrecelascomodidadesdelosvehculos comunes del mercado, convirtindose as en uno de los vehculos ms cotizados. Se vendieronmsde1.100deestosvehculosentre1995y1999.Actualmente,se encuentra en desarrollo un modelo llamado GM Hy-Wire, el cual, no es ms que un prototipodeloquepodraserelautomvildelfuturo.Setratadeunautode conceptoreal,quefuncionayquesemueveconlaceldadecombustible,que mediantehidrgenoproduceelectricidadparamoverelvehculoyaguacomo desecho.NosesabesirealmenteelHy-Wirellegaraseralgndaproducidoen serie, pero s es una apuesta muy real que demuestra que la celda de combustible es una realidad palpable y muestra hacia donde se encamina la industria del automvil en estos momentos, en donde General Motors aparece como uno de los fabricantes ms avanzados en investigacin [19]. Ford. Esta marca tiene su modelo EcoStar, el cual es un vehculo elctrico hbrido, quetieneunhidro-generador.Estemodelofuedescontinuado,peroahoraestpor salirsunuevomodeloEscapeHbrido,elcualesunvehculoSub-Urbanoytodo terreno. Este vehculo todo terreno es uno de los pocos de este tipo elctricos. Honda.Estamarcadevehculosjaponesestienedosmodelosecolgicos:elCivic HbridoyelEVPlus.Esteltimoesunvehculoelctricoabaterasquese encuentraenetapadeprototipoadiferenciadelmodeloCivicHbrido,elcualse encuentrahoydadentrodelosproductosdestacadosdeHonda.ElmodeloCivic Hbrido, fue introducido en Chile el 6 de Octubre de 2004, luego de hacer oficial la homologacindelvehculoquedeberaentraralmercadonacionalapartirdel 2005. El precio de este vehculo (de transmisin automtica) suele ser un 20% ms altoqueelhabitual,porloqueseesperaque,enestecaso,seacerquealos14 millones de pesos [20]. LasmarcasPeugeot(106Electric),Nissan(FEV-II,Altra),Daihatsu(EV-H)y Mitsubishi(Libero,Canter)tambinestnincursionadoenlaconstruccinde vehculos elctricos e hbridos. En la siguiente tabla se presentan los modelos ms relevantes que se encuentran, ya sea en etapa de prototipo o bien comercial. 14Tabla 1: Caractersticas de cada modelo de Vehculos Elctricos [21-27] Marca/Modelo Tipo Potencia Rendimiento 0-100 km/hr (seg) Estado Recarga (Hrs) Precio ($USD)Toyota Prius Hbrido 110 HP 26 kms/lt 10.5Comercial- $ 21.000Honda Civic Hbrido 93 HP 21 kms/lt 11.6 Comercial- $ 20.000GM EV1 Puro 137 HP 5.3 km/kWh 9 Prototipo 6-8 $ 34.000Mitsubishi Libero EV Puro 134 HP - - Prototipo - -Peugeot 106 Puro 27 HP 5 km/kWh - Pre-Comercial 7 -Toyota Estima o Sienna Hbrido 270 HP 18 km/lt 8 Comercial - $ 27.000Honda Insight Hbrido 73 HP 26 km/lt 9 Comercial - $ 19.000Ford Escape Hbrido 155 HP 16 km/lt 10 Comercial - $ 27.000Lexus RX 400h Hbrido 270 HP 12 km/lt 120-500 Litio-Polmero100100-500 Nquel-Cadmio5620065500 Nquel-Acero5513060500 Nquel-Metal Hidruro80200651500 Nquel-Zinc8015065500 Sulfuro de Sodio100120851000 Zinc-Aire12012060 Zinc-Bromo7010065500 Cromo-Flor-Litio200500651100 202.3.2Sistema de Propulsin A continuacin se exponen las tecnologas de los Sistemas de Propulsin, las cuales dan una idea de las diferentes alternativas que se tienen hoy en da [29]. El sistema de propulsin de un vehculo elctrico realiza las mismas funciones que elmotordeunvehculoconvencional,altransmitirenergamecnicaalasruedas quepermiteelmovimientodelvehculo.Loscomponentesutilizadosenun automvilelctricosonmuydiferentesalosquetieneunvehculoestndar,por ejemplo,enunvehculoelctriconoesnecesariotenerunacajadecambios.La cajadecambiosenlosvehculosestndaresseutilizanparadaralvehculo diferentes niveles de torque o energa a ciertas velocidades, que permite cambiar la relacin de torque entre la entrada y la salida del engranaje dentro de la caja. En el casodelosmotoreselctricos,esteobjetivosepuedealcanzaratravsdelcontrol delaenergaentregadaalmotoralutilizarconversoresDC-DCovariadoresde frecuencia. Existendiversossistemasdetraccinelctricaenusoenlaactualidad,entreellos, los vehculos con un motor elctrico de alta potencia, acoplado al diferencial de las ruedasposteriores,demanerasimilaralaarquitecturatpicadelosvehculos convencionales.Existenotrosdiseosmscomplejosqueutilizandosmotoresde menorpotencia,loscualesaccionancadaunadelasruedasporseparado,queson controlados de talforma que permite simular un diferencial, con elfin de asegurar el desplazamiento seguro y estable del vehculo. Existendostiposdemotoreselctricos,elmotordecorrientecontinua(DC)yel motor de corriente alterna(AC),los cuales sonusados para entregar potencia aun vehculo elctrico. Un motor de corriente continua tiene tres componentes principales: 1.Un sistema de bobinas de campo alrededor del permetro del motor que crea fuerzas electromagnticas que proporcionan el torque. 2.Unrotorounaarmaduramontadaenelcentrodelmotorquegiraproducto de la interaccin electromagntica entre el rotor y la bobina de campo.3.Escobillasocarbonesquepermitenentregarenergaalrotormientrasste gira. Elmotordecorrientealternayelmotordecorrientecontinuacuentanconun sistema de bobinas de campoy rotor.A priori,unmotorno puede ser considerado 21superior a otro, ya que ambos tienenventajas y desventajas, las que se presentan a continuacin: Tabla 3: Tabla Comparativa entre los motores AC y DC [29] Motor de Corriente Alterna (AC)Motor de Corriente Continua (DC) Diseo para velocidad nicaDiseo para Multi-Velocidad Baja relacin peso/potencia (livianos)Alta relacin peso/potencia (pesados) Bajo costoMediano costo 95% de eficiencia a carga completa85-95% de eficiencia a carga completa Controlador complejo y de alto costoControlador simple y de bajo costo Sistema Motor-Controlador-Inversor de alto costo Sistema Motor-Controlador de bajo costo Las caractersticas de los motores AC y DC se muestran a continuacin: Tabla 4: Tabla Comparativa entre los motores AC y DC [29] CaractersticasMotor DC c/escobillas Motor DC s/escobillas (con imn permanente) Motor de Induccin AC Eficiencia85-89%95-97%94-95% Eficiencia con el 10% de Carga80-87%73-82%93-94% Mxima RPM4000-60004000-100009000-15000 Costo por HP en ejeUS$ 100-150US$ 100-130US$ 50-75 RelacinCostoControlador/Costo motor 1 3-56-8 2.3.3Sistema de Control Elsistemadecontrolesunaparteimportantedelosvehculoselctricos,porque funcionacomouncerebro,elqueproporcionainteligenciaalsistema.Esta componente maneja la propulsin del vehculo y otras partes, y se preocupa de que su funcionamiento sea el correcto [29,30]. 2.3.3.1Control de un motor DC Existendiferentesconfiguracioneselectrnicasutilizadasparaelcontrolde velocidaddelmotorDC,basadaenlaaplicacindedistintosnivelesdetensinal motor.Enelpasado,dadaunafuentedevoltajefija,lanicamanerade proporcionarunnivelmsbajodetensineraalutilizarunrestato(resistencia variable).Estemtodoesineficientedebidoalascuantiosasprdidasresistivas (trmicas), las cuales tienen un claro impacto sobre la autonoma del vehculo.22El descubrimiento de los semiconductores ha dejado de lado la solucin reosttica, dandopasoalasdenominadasaplicacionesdeelectrnicadepotencia, especialmente a los conversores DC/DC. Loscontroladoresmodernosajustanlavelocidadyaceleracindelmotorde corrientecontinuapormediodeunprocesoelectrnicollamadoModulacinpor AnchodePulsooPWM(PulseWidthModulation).Estamodulacinlogra proporcionaruncontrolsobreelniveldevoltajeaplicadoalmotorsinincurriren prdidascomoeraelcasodelsistemareostticoutilizadoantiguamente.Esta regulacinsebasaenelrecortecclicodelvoltajecontinuo,proporcionadoporel banco de bateras, que logra un voltaje acorde con los requerimientos de velocidad o aceleracin. Configuraciones: Chopper(Trozador):Estaconfiguracinpermiteproporcionarunvoltaje promedioinferioralproporcionadoporlafuentedealimentacin.Estose lograalrecortarelvoltajedelafuente,asproporcionaunvoltajepulsante. Elcontroloperadirectamentesobreelinterruptorsemiconductor,eltiempo deencendidoyapagadomediantelatcnicaPWM.Conestetrozadorse logra el control de velocidad, pero no se logra invertir el sentido de giro. MediopuenteH:Estaconfiguracinestconformadapordosinterruptores quefuncionanconlamismatcnicaPWM,similaralcasoanterior.Al utilizar en forma inteligente estos dos interruptores se logra utilizar el motor, nosolamentecomofrenoelctrico,sinoadems,comogeneradorque obtieneunflujodeenergadesdeelmotorhaciaelbancodebateras.Esta operacin se denomina freno regenerativo. PuenteH:Estaconfiguracinconstadecuatrointerruptores semiconductorescontroladosporPWM.Unsistemadecontrolinteligentey mscomplejoqueelanteriorpermiteoperarelfrenoregenerativoy adicionalmente,cambiarelsentidodegirodelmotor.Enambossentidosse tiene freno regenerativo. LosinterruptoresutilizadosfrecuentementeenestasaplicacionessonIGBT (InsulatedGateBipolarTransistor)oMOSFET(MetalOxideSolidFieldEffect Transistor). 232.3.3.2Control de un motor de induccin Engeneral, losmotores de Induccin Trifsicos cuentan con eficiencias superiores a losmotoresdecorrientecontinua.Elcontrolpresentadistintosdesafos tecnolgicos para poder proporcionar un suministro energtico alterno y trifsico a partir de una fuente de corriente continua (banco de bateras). Esto se logra, gracias a otrosistemabasadoenelectrnicadepotenciadenominadoinversortrifsico. Adicionalmente, este inversor debe operarcomo variador de frecuencia para poder manejarelmotordeinduccincorrectamente,esdecir,queaprovechaelmximo desempeodelmotorsinfallas.Paramaximizarlascualidadesdelmotorde induccintrifsico,esnecesarioqueelvariadordefrecuenciapermitaelcontrol tanto de la frecuencia como de la amplitud del voltaje. La relacin ms simple que uneelcontroldevelocidaddeestosmotoreses:voltaje/frecuencia=constante (relacin necesaria para evitar saturar el ncleo del motor). El control de velocidad esunadelasaplicacionesmsusadasenelmanejodemotoresdeinduccin,sin embargo,existenvariadoresdefrecuenciamuchomscomplejosorientadosal control de torque mediante la tecnologa denominada vectorial. Estosdispositivos,engeneral,necesitanunprocesamientoelectrnicodeseales quepermitamanejarycoordinar,elencendidoyapagadodelosseisinterruptores depotencia(IGBToMOSFET)quegeneranelvoltajetrifsico.Hoyendaesta tarealadesempeaunDSP(DigitalSignalProcessor),quepermiteprocesargran cantidad de informacin de control en poco tiempo, que permite coordinar en forma correcta estas complejas secuencias de encendido y apagado de los interruptores. 2.3.4Sistema de Recarga Sistemaquepermiterecargarlaenergaenelbancodebateras.Elprocesode recarga de energa se debe realizar en base a criterios tcnicos de mantenimiento de lasbateras.Estosignificaproporcionarlaenerganecesariaparaprovocarla reaccin electroqumica inversa en la batera, sin comprometer los materiales que la constituyen, que logra su recarga. Los cargadores de bateras son dispositivos electrnicos que permitenuna correcta cargadelasbateras.Estossistemaspuedenseralimentadosmediantelared pblica(220V@50Hz)oalgnotrosistemaquegenereenergaelctrica.Hayque destacar que es factible incorporar otros sistemas de carga, que no sean cargadores propiamentetal,comoporejemplofrenoregenerativo,celdassolares,celdasde combustible,siempreycuandosemantenganloscriteriosdecargadadoporel fabricante de la batera. 24Las tcnicas para cargar bateras se sealan a continuacin, que son bsicamente las que se utilizan hoy en da [29]. 2.3.4.1Cargador de Voltaje Constante Alaplicarunvoltajeconstantesuperioral voltajeelectrolticodelasceldasdela batera,seproduceunflujodecorriente haciasta.Silabateraseencuentra descargada presenta una resistividad interna baja, la que genera altas corrientes de carga. A medidaquelabaterasecarga,la resistividadinternadestaaumenta,loque provocaquelacorrientedisminuya.Tal comportamientosepuedeapreciarenel grficoadjunto.Loscargadoresdevoltaje constantepresentanunlimitadorde corrienteparaevitarcorrientesdemasiado altas,enelcasodebaterasmuy descargadas.Estoscargadoresson relativamentesimples,porloquenoson muy caros. Figura 2: Transitorio de Corriente y Voltaje para un Cargador de V. C. 2.3.4.2Cargador de Corriente Constante Enestecargador,comosunombrelo indica,seutilizaunacorrienteconstantede carga hasta que la batera alcance su voltaje decargacompleta.Generalmente,estetipo decargadoresmsrpidoqueelanterior. Lossistemaselectrnicossonunpocoms complejosyunpocomscarosqueel anterior.Estecargadortieneel inconvenientedeentregarcorrientesaltas cuandolabateraalcanzasucapacidad mxima,haciendo quela batera se caliente indebidamenteconesteexcesodecorriente elctrica. Figura 3: Transitorio del cargador de C. C. 252.3.4.3Cargador de una Combinacin de Corriente/Voltaje ConstanteEstecargadortieneunciclodecargaque comienzaconunaaltayconstantecorriente decargaqueelevaelvoltajedelabatera. Cuandosellegaaunvalordefinido,estese cambia a un cargador de voltaje constante.Estesistemaesmssofisticadoy generalmenteincrementalavidatildelas bateras que permite reducir el calor generado durante el proceso de carga. Con esto se logra un cargador que tiene un mejor rendimiento y extiende la vida til de la batera. Figura 4: Transitorio en el cargador combinado. 2.3.4.4Cargador de Pulsos Este es uno de los mtodos ms avanzados de carga,siendomuyparecidoalcargadorde corrienteovoltajeconstante,conla diferenciaqueenvezdeserunvalor constanteseentregauntrendepulsos.Este utilizauntrendepulsosdecorrientey/o voltaje(ocombinacionesdeestas)queson aplicadosalabatera,queprovocan corrientes queingresan ala batera.Este tren de pulsos define las corrientes instantneas de carga,comotambinlavelocidaddecarga. Lamayorventajadeestecargadoresque existeunareduccinimportanteenel calentamiento de la batera debido a la carga, yaquetienelaposibilidaddereducirlas corrientescuandolabateraestapuntode completar su carga. Figura 5: Forma de Onda del Cargador de Pulsos Esta reduccin de calentamiento de la batera logra una disminucin en las prdidas de energa del sistema por calor. Por lo tanto, se tiene un sistema que logra reducir los tiempos de carga y disminuir la energa utilizada. Hay que destacar que el ancho delpulsoylafrecuenciautilizadainfluyenenlapotenciaqueseleentregaala batera y por ende en la velocidad de carga. 262.3.5Sistema de Instrumentacin (Monitoreo y Control Automtico) Esteeselsistemaquepermitemonitorearyregistrarlasvariablesmecnicasy elctricas del vehculo, que permiten que el conductor conozca el estado del motor y delvehculo,talescomo,CorrientedeMotor(Ampermetro),Corrientedelas Bateras (Ampermetro), Voltaje de las Bateras (Voltmetro), Velocidad de giro del Motor(Tacmetro),VelocidaddelVehculo(Velocmetro)yTemperatura.Todas estas variables pueden ser mostradas y medidas de diferentes formas. Existen diferentes maneras de medir la corriente, entre las que se pueden mencionar elusodeunaresistenciaShuntybobinasdeEfectoHall.Lasvariablesdebenser todasmostradasalconductormediantealgnindicador,quepuedeserunsistema analgico o digital. En el mercado existe una amplia oferta de sistemas de monitoreo. El desafo actual se concentra en centralizar toda la informacin de monitoreo y control e integrarla a unsistemadesupervisindelauto.Elsistemadesupervisinpermitegenerar alarmas,registraryprocesarinformacinhistrica,estableceraccionesautnomas en respuesta al estado observado. En este contexto, la eleccin de un sistema bsico flexibledeadquisicinyprocesamientodelainformacinpermitencrear aplicaciones especficas en el mbito de los vehculos elctricos. 2.3.6Sistemas de Seguridad y Accesorios Este es el sistema encargado de velar por la integridad de los componentes y de los pasajeros del vehculo [29]. Paraesto,losvehculoselctricosincorporanuninterruptorgeneralquepermite apagar o encender el sistema de potenciaspor el conductor. Esteinterruptor puede ser activado, por ejemploporun aumentoexcesivo dela corriente, el cual permite quenoserecalientenloscomponentes.Ademsdecolocarelinterruptorgeneral, estosvehculosincorporanfusiblesdeseguridadenlasbateras,estosehacepara quecuandolacorrientedelasbaterasaumentedemasiado,elfusiblesecortey dejeelsistemaapagado.Otrosvehculostambintienenestosfusiblescolocados entrelasbateras,parainterrumpirelcircuitocuandoseanecesario.Adems, existenotrosquetienenintegradounfusibleenlaalimentacingeneral,que desconectaelsistemaelctricogeneralcuandoexistaalgnexcesodecorriente. Para la seguridad del sistema, generalmente, el controlador incluye un limitador de corrienteyunsupresordevoltaje.Conesto,elcontroladorseapagacuando observaquelacorrienteaumentaindebidamenteocuandoexistenpeligrosos 27sobrevoltajes. Otros tambin incluyen un sistema de proteccin de temperatura, que seactivacuandolatemperaturadelcontroladorseelevamsdelopermitido.Por consiguiente,elcontroladorseapagainmediatamenteynoseencenderhastaque la temperatura disminuya hasta un valor permitido. Estos sistemas de proteccin de sobrevoltajes y sobrecorrientes, pueden formar parte del controlador o pueden venir agregados como un sistema de proteccin aparte. Existensistemasanlogosydigitalesqueindicanlavelocidadquedebetenerel motor(acelerador).Estosenvanunasealalsistemadecontrolparaactuarenla electrnicaquemanipulalosvoltajesenelmotoryas,obtenercontrolsobrela velocidaddeste.Estassealespuedenserpresentadasalconductormediante indicadoresanalgicosodigitalesparainformarelestadodefuncionamientodel vehculo. 2.4ENFOQUE DEL ESTUDIO Loantesexpuestomuestralascaractersticasmsusadasenlosvehculos elctricos,queesunainformacinrelevanteparaeldesarrollodeuno.Esta memoriadesarrollaunmanualtcnicoparalaconversindevehculos convencionalesatraccinelctrica.Elmanualmuestraloscomponentesms usadosparaestepropsito,ademsdeindicarlaspiezasqueseutilizan,los cuidadosylosmaterialesutilizados.Estosignificaquecontienetodolonecesario para un manual, siendo una gua para la persona que desee realizar la conversin. A continuacin se desarrolla un modelo para el circuito elctrico y unmodelo para el sistema dinmico del vehculo. La parte elctrica consta de la modelacin de las diferentespartesdelcircuitoelctrico,entreellas,elcontrolador,motorycables. Conestosmodelosserealizaunmodelocircuitalparaelsistemaelctrico,que analizasufuncionamientopormediodesimulaciones.Ademsseestudia particularmenteuncasoespecficoqueespeligrosoparaelsistemaalexistirun sobrevoltaje no deseado. Este estudio contiene una justificacin del problema y las acciones recomendadas para su eliminacin. Elestudiodelfuncionamientodinmicoincorporaunmodelodinmicodel vehculo,estoes,unmodeloquerepresentalasresistenciasdinmicasdeun vehculo, tales como el viento y el rodado. Para tal efecto, tambin se debe modelar el funcionamiento mecnico del motor y su relacin con el circuito elctrico.283 CONVERSIN DE AUTO CONVENCIONAL A ELCTRICO Laconversindelvehculoconvencionalatraccinelctricaconstadediferentes etapas que permiten lograr una correcta transformacin y funcionamiento. A modo deejemplounodelosaspectosmsimportantesquesedebenconsiderarenesta conversin, es la robustez del chasis del vehculo, el cual fue elegido para soportar lasexigenciasmecnicasquedebetenerunavezconvertido,debidoalpeso agregadoporlasbateras.Hayquetenercuidadoconlosfuncionamientosdelos sistemasdesuspensinyfrenosdespusdelaconversin,puestoquepuedenser exigidosmsalldesuslmitestcnicos.Portalesmotivos,sedeberealizarun estudio y desarrollo previo de la transformacin, para no ser exigido ms all de sus lmites.Esteprocedimientoesexplicadomsadelanteporcompleto,almostrar todaslasconsideracionesycuidadosnecesarios.Acontinuacin,semuestrauna metodologa para efectuar la conversin [31]. 3.1ESTUDIO Y DESARROLLO PREVIO Lo primero que se debe realizar es una planificacin de trabajo, que consta deuna investigacinypreparacindelaconversin,juntoaunaplanificacindela conversin. 3.1.1Investigacin y Preparacin de la conversin Secomienzaconunainvestigacinsobreeltema,yaquelaconversindeun vehculorequieredeconocimientosespecficos,talescomolastecnologasque existenactualmente.Enestaetapasedebeninvestigarlasdiferentestecnologas existentesysusfuncionamientos,paraaspoderrealizarunaplanificacinde construccinyunaseleccindecomponentesadecuada.Enestamemoria,se realizaunestudioexhaustivodelastecnologasactuales,normativasy funcionamientos,lasquesepresentanenelCaptulo2,denominadoElauto elctrico y su desarrollo. 3.1.2Planificacin de Conversin Esta etapa consta de la seleccin de componentes y la planificacin de los tiempos de trabajo de esta conversin. 293.1.2.1Seleccin de Componentes Enestafaseseseleccionanloscomponentes,loqueconstituyeunaetapa importante,yaqueestoscomponentesdefinensufuncionamientoyrendimiento final. Los componentes de una conversin son las siguientes: A.Vehculo: Para elegir el vehculo es necesario considerar los siguientes aspectos: Peso:Serecomiendaqueelvehculonoseadeunaaltamasa,parapoder obtener una mejor aceleracin. El peso del vehculo es un factor importante para la posterior seleccin del motor, por lo que debe ser tomado en cuenta. CajadeCambios:Elvehculopuedetenerunacajadecambiosmecnicao automtica. Se prefiere tener una caja de cambios mecnica, puesto que las cajas decambiosautomticasnecesitanqueelmotorestesiempreenmovimiento, porquedebenmantenerlapresininternadellquidodecaja.Generalmentela presindelacajadecambiosautomticaesmantenidaporelralentdelmotor (revoluciones del motor cuando el vehculo est esttico). Si se desea realizar la conversin en un vehculo con caja de cambios automtica, se debe agregar una pequeabombaquedebemantenerlapresinnecesaria.Estainstalacines complejaynoexistensolucionessencillasparaesteproblemaenlaactualidad. Porlotanto,serecomiendaunvehculoconlacajadecambiosmecnica,ya que es fcil de trabajar y no necesita ningn dispositivo externo para su correcto funcionamiento. Frenos:Losfrenossonunaparteimportantedelvehculo,puestoqueesun elemento de seguridad e imprescindible para un vehculo. Por tal motivo se debe tenerconocimientosielvehculotienefrenosservo-asistidosohidrulicos(sin asistencia). Esto es importante puesto que los frenos servo-asistidos utilizan una bombaespecialqueentregalaasistenciaalconductor,quemejorasu rendimientoyeficaciaalmomentodefrenar.Encambiolosfrenosnormales dependendelconductor,debidoaquedependedelafuerzaaplicadaalpedal. Parareconocerquetipodefrenosutilizaelvehculosedebeobservarsiexiste alguna conexin entrela bomba defreno y el sistema devaco, lo que significa que el vehculo tiene frenos servo-asistidos. Si el vehculo no tiene frenos servo-asistidosyseencuentraenbuenascondiciones,sepuedenmantenerlosfrenos originalesdelvehculo.Enunvehculoelctrico,queutilicefrenosservo-asistidos, existe la alternativa de mantener el motor elctrico con un ralent, pero noesrecomendableyaquestelequitapotenciayenergaalvehculo.Otra solucin existente paralosfrenos asistidos, es laincorporacindeuna pequea 30bomba devaco,la cual permitemantenerlapresinnecesaria en el sistema de frenos. Otra posibilidad, es el cambio del tipo de frenos, si se coloca un freno no asistidoqueseacompatibleconelmodelodelvehculo.Serecomiendautilizar los frenos originales del vehculo, puesto que fueron diseados ad-hoc. Como el pesodelvehculoaumenta,esimportantemantenerlosfrenosenbuenas condiciones,yaseanoriginalesoadaptados,conelobjetodeevitarfuturos accidentes. TipodeTraccin:Otrodatoimportanteesqutipodetraccintieneel vehculo,esdecir,sisutraccinestraseraodelantera.Paratraccintrasera,el motordebeserinstaladoenlneaalolargodelvehculo,estoes,conectadoen forma directa a la caja de cambios, que a su vez est unida a travs de un eje al diferencialtrasero.Sisetieneunvehculocontraccindelantera,elmotor deber ser instalado en forma transversal a lo largo del vehculo, y conectado en formadirectaalacajadecambiosquetambinestenformatransversal.Se debe aclarar que la conversin de vehculos con traccin delantera es ms difcil que con traccin trasera, razn por la cual es ms recomendable esta ltima. TamaoyFirmezadelVehculo:Se debetenerencuentaeltamaodel vehculo, el cual debe tener el espacio suficiente para la instalacin de todas las bateras. Otra consideracin importante es la firmeza del chasis del vehculo, ya quealinstalarelpesodelasbaterasenelvehculoconvertido,estechasisse puede quebrar, romper o sufrir daos estructurales. En estamemoria se eligiun Dodge 1500, ao 1976, elque poseeun peso tara de unatonelada,queporsutamaonoestanpesado.steesunvehculosemi-compactoquetieneuntamaoadecuadoparacolocarlasbateras,ynotiene direccinnifrenosasistidos,locualfacilitalaconversin.Tienetraccintrasera, utilizaunacajadecambiosmecnicade4velocidadesytambintieneunchasis fuerte para soportar el peso de las bateras. Este vehculo por haber tenido su motor enmalascondiciones,permitisuadquisicinenformaeconmica,loque constituye una ventaja para la conversin. B.Motor Esnecesariodecidirqumotorutilizar.Existendosalternativasposiblesqueson las ms utilizadas, el motor de corriente continua y el motor de induccin trifsico. Lasiguientetablamuestralasventajasydesventajasdecadaunodelostiposde motores: 31Tabla 5: Tabla comparativa entre los tipos de motores Motor de Corriente ContinuaMotor de Induccin Trifsico Es fcil controlarloEs difcil controlarlo Tamao medianoTamao pequeo Difcil construccinFcil construccin Precio medianoPrecio bajo Gran consumo de corrienteGranconsumodecorriente,pero dividido en las tres fases Varan entre 8 HP y 30 HPVaran entre 8 HP y 50 HP (con peaks de 200 HP) Controlador de bajo precioControlador Complejo y Costoso Mantenimiento y confiabilidad buenaMantenimientoyconfiabilidad excelente Al observar la tabla comparativa se puede deducir que en teora, desde el punto de vista de precio, potencia y tamao, los motores de induccin trifsica son una mejor alternativa para estos vehculos. Sin embargo, el diseo de un controlador para este tipodemotoresmuycomplicadoycostoso,loqueconstituyeunadesventaja significativa. Por lo tanto, para un vehculo de nivel amauter, la mejor alternativa es elmotordecorrientecontinua.Sisedeseaalgomsprofesional,lorecomendable esunmotordeinduccintrifsico.Paraefectosdeestamemoriaseescogiun motordecorrientecontinua,porlafacilidaddeutilizacinycompradelmotory sus componentes. Luego de seleccionar el tipo de motor que se utiliza, es necesario elegir la potencia del motor. Los factores para escoger la potencia del motor son los siguientes: 1.Peso y Tamaodel vehculo seleccionado: El peso delvehculoinfluye en la seleccin de potencia del motor, debido a que es fundamental establecer la potencia necesaria para poder mover el vehculo en las condiciones normales deconduccin.Eltamaotambinesunfactorimportante,porquedebe existir el espacio suficiente para colocar elmotory el banco debateras que requiere el motor para su voltaje de operacin. 2.Velocidadmximadeseada:Elmotorinfluyeenlavelocidadmxima deseada,debidoaquelapotenciadelmotorestdirectamenterelacionadaa lavelocidadmximadelvehculo.Tambinlavelocidaddependedela aerodinmicadelvehculo,queesimportantesisedesealograraltas velocidades.Losmotoresutilizadosfrecuentementeenlosautoselctricos, tienencaractersticasdepotenciaentre10HPy30HP,quepermiten desarrollarunavelocidadmximade100Km/Hraproximadamente.Siel 32vehculoademseslivianoyaerodinmico,esposiblealcanzarvelocidades del orden de 120 Km/Hr. 3.Peaks de potencia y autonoma deseada: La Potencia delmotor determina lospeaksdepotenciaqueelmotorpuedesolicitar.Mientrasmsaltossean losvaloresdelospeaks,mejoreselcomportamientocinemticodel vehculo.Sinembargo,elaumentodepotenciadelmotorinfluyeenla autonoma del vehculo y en las corrientes peaks del sistema. Por esta razn, sedebenconsiderarestospeaksparalaseleccindeloscablesyel controlador,yaqueestascorrientespuedenprovocardaosenlos componenteselctricos.Estosedebeaqueelmotorutilizaunamayor potenciainstantnea,loqueprovocaunmayorconsumodeenergay corriente. Existendostiposdemotordecorrientecontinua:losconysinimnpermanente. Paralosmotores quenoposeenimn permanente, pueden ser conectados en serie, paraleloocompound.Lamejorformadeaprovecharlapotenciadeestemotores una conexin en serie, debido a que se aprovecha todala corriente que pasa por el motor.Losmotoresconimnpermanentepermitenincorporarenformafcilel frenoregenerativoytienenunsolotipodeconexin.Losmotoresconimn permanentenoutilizanningnsistemadecarbonesoescobillas,yaque generalmente,elpropiorotoreselimnpermanente,loquepermitequeelmotor dure ms tiempo sin mantenimiento. Enestetrabajodettulo,seseleccionaunMotorKostovsinimnpermanentey conexin en serie de 16 HP y 72 Volts. Los motivos porque se elige este motor son: Al tener un vehculo de una masa aproximada de 1 tonelada tara, que una vez convertido,seestimaen1.35tonelada(350Kilogramosdemasadelas bateras),hacequeserequieraunmotorconunapotenciaqueseacapazde mover el vehculo en forma adecuada, lo que aproximadamente equivale a 16 HP.Ademssedeseatenerunarazonableautonomaparaelusoencuidad, que corresponde a40Km.La seleccin delmotorde 16HPlogra consumir la energa en forma paulatina, ya que no es de una gran potencia. El voltaje del motor debe ser elegido por los siguientes factores: o Potenciadelmotor:Elvoltajedependedelapotenciadelmotor,ya que define las corrientes que existen en los cables de alta corriente. Se debeelegirunniveldecorrientenomuyaltoparaevitarlos sobrecalentamientosenloscables.Hayqueaclararquemientras mayorsealapotenciadelmotor,mayordebesersuvoltajenominal. 33Estevoltajeestdefinidoporelmotorescogido,yaqueestn diseados para operar en sus valores nominales. o CantidadytipodeBateras:Segnelvoltajeypotenciadelmotor elegidosetienequedecidirlacantidadytipodebateras.Elvoltaje del motor seleccionado determina la cantidad de bateras. A su vez, la potenciadelmotordefinelosnivelesdecorrientequeexistenenel sistema, lo que define el tipo de bateras, que debe entregar la corriente que el motor solicite para funcionar correctamente. C.Bateras Lacantidadmnimadebaterasesdeterminadaporelvoltajenominaldelmotor seleccionado.Lapotenciamximaylaautonomadependendirectamentedeesta cantidad. La cantidad de bateras define el peso y volumen agregado al vehculo y a suvezeltipodebaterascondicionalaautonomadelvehculo.Mientrasms baterasseutilicen,mayoreslapotenciaqueselepuedeentregaralmotoryuna mayorautonoma(dependedeltipodeconexin).Siseutilizaunaconexinen serie, se aumenta elvoltaje, pero se reduce su duracin. En cambio la conexin en paralelo aumenta su duracin. Existen diversos tipos de bateras que se diferencian porsudensidaddeenerga,estosignifica,larelacinqueexisteentrelaenerga almacenadaysupeso.Idealmentesenecesitanbaterasquetenganunagran capacidaddeenerga,bajopesoypequeovolumen.Actualmentenoexisten bateras de este tipo que se vendan en forma comercial. Las existentes que cumplen esterequisitosonbaterasqueestnanendesarrollo,lascualessonllamadas bateras del futuro y utilizan Litio. El tipo de bateras ms usado y accesible en el mundo, es la batera de plomo-cido de ciclo profundo. Esta baterano es comola convencional, debido a que esta soporta descargas casi totales. La principal ventaja delabateradeplomo-cidodecicloprofundoessubajoprecio,enrelacincon otros tipos de bateras, y son accesibles en casi todo el mundo. A continuacin de la seleccindelacantidadytipodebateras,sedebedecidirdondesecolocarn fsicamenteenelvehculo.Eltipodevehculoesdeterminanteparael posicionamientodelasbateras.Siesunvehculosedndepasajeros,stasdeben serrepartidasenlazonadelanteraytraseradelvehculo,paraasmantenerel equilibrio en el peso delvehculo. De no ser unvehculo sedn, como por ejemplo unacamioneta,puedensercolocadasenelpickup.Engeneral,lasbaterasse deben repartir en la zona trasera y delantera con el objeto de mantener el equilibrio del vehculo. 34Otropuntoimportantedelasbaterassonsusbornes.Existentrestiposdebornes, loscualessediferencianporlasdistintascaractersticaselctricas.Elborne,en general, depende del rea efectiva de contacto con el terminal del cable. El tipo de bornedelabateradeterminalaresistenciaintroducidaenelcircuitoyportal motivosepuedenproduciralzasdetemperaturanodeseadas.Lostrestiposde bornes son los siguientes: Borne automotriztpico: Este es el bornequetienenlastpicasbateras paraautomviles.Estebornetiene unagranreadecontacto,porlo tanto,esunodelosmejoresbornes que existe, ya que se aprovecha de la mejorformaposiblelamayorrea posibledecontacto.Elmayor inconvenientedeesteborneesel altocostodelosterminalesparalos cables. Figura 6: Borne Automotriz Tpico BorneUniversal:Esteeselborne que tienenlamayora delas bateras tpicasqueseutilizanenloscarros deGolfElctricos.Estebornetiene un rea de contacto reducido y por lo tantonoesrecomendableparaaltas corrientes,yaquepuedeproducir problemasdetemperatura.Apesar desubajareadecontacto,este bornefuncionasatisfactoriamente para el propsito de esta conversin. Figura 7: Borne Universal BorneenL:Esteeselborneque tiene una buena rea de contacto y es elpreferidoporlosconstructoresde autoselctricos,yaquesus terminalessondeunprecio razonableypermitetenerunbuen desempeo. Figura 8: Borne en L 35EnlaconversindelLjkeI,sedecideutilizarbaterasdeplomo-cidode6 Volts,pesode30Kgyunacapacidadde220Ahcadauna.Estasbaterastienen bornesuniversalesquenosonlosrecomendados,sinembargotieneeldesempeo adecuadoalanecesidaddeestecircuito.Comoelmotoroperaa72Volts,se utilizan 12 bateras de este tipo, que se reparten fsicamente en 6 bateras en la parte delanteray6enlatrasera.Estebancodebateraspermitealmacenarunaenerga total de 15.8 kWh. D.Controlador Laseleccindeestedispositivoserealizasegneltipodemotor,voltajey corrientedeoperacin.Losdiferentestiposdecontroladoresdelosmotoresse explican,enformageneral,enelCaptulo2.Frecuentemente,paralosmotoresde corrientecontinuaseutilizauncontroladorPWM(PulseWidthModule),elcual interactaconelconductormedianteunaresistenciavariablequefuncionacomo acelerador.Estoes,dependiendodelaposicindelaresistenciavariableesla potenciaquesedeseatransmitiralmotor.SiseutilizaunmotordeInduccin Trifsico,serecomiendauncontrolador/inversortrifsico,queestcompuestopor 3 fuentesdevoltajesdeondacuadrada,dondesevaralafrecuenciadelaseal, para as controlar la velocidad y potencia del motor. Esta frecuencia es controlada a suvezporunaresistenciavariableconectadacomoacelerador.Enestetrabajose utilizauncontroladorcomercialdemarcaALLTRAXINC.Estecontroladorfue diseado para un motor de corriente continua en serie de 72 Volts con peaks de 450 Amperesdecorriente.Porestemotivoelcontroladorcumplelasnecesidades requeridas por el motor que utiliza Lfke I. Este controlador tiene incorporado un sistemadeprogramacinquesecomunicavaconexinRS-232(Serial),laque permiteprogramar,entreotrascosas,larelacinquetienelaresistenciadel aceleradorconlapotenciaentregadaalmotor,loquepermitecrearrelacionesno lineales entre estos, si es necesario. Tambin incorpora un sistema de monitoreo en lnea, que permite medir las corrientes, voltajes y temperatura del controlador. E.Cables Para la seleccin de los cables se debe tener en cuenta su aislamiento, que depende delatemperatura,corrienteyvoltajedeoperacin.Sinosetienecertezadelas especificacionesdelcable,sedebenrealizaralgunaspruebasdecorriente,para tener seguridad de su correcta operacin en un uso normal. Estas pruebas se deben realizar como se seala a continuacin: Sehace circular por el cableuna corriente constantequeseaigualalanominaldelmotorporuntiempoprolongadoque 36correspondeaproximadamenteaunahora.Luegoseobservasutemperaturaysus condicionesdeaislamiento.Silatemperaturadelcablesemantieneauna temperaturamenoroiguala70,significaqueesaptoparaserusadoenel vehculo. Las especificaciones de cada cable son presentadas posteriormente. F.Sistemas Auxiliares Los dispositivos auxiliares son los artefactos que no se utilizan en forma constante, tales como las luces, limpia parabrisas, radio, etc. Para alimentar estos dispositivos existendosalternativas,laprimeraeslautilizacindeunabateraauxiliarde12 Volts y la segunda es un convertidor DC/DC. La batera debe soportar una descarga de hasta su 80% de su capacidad. La batera que se recomienda para este propsito esunabateradeplomocidodecicloprofundode12Volts,quenonecesitauna grancapacidad.ElconvertidorDC/DC,eslaalternativaquepermiteutilizarel banco de bateras para este propsito, esto quiere decir que se utiliza un convertidor devoltajedelbancoa12Volts.Esteconvertidordebeserconectadoalbanco completo,nosloaunapartedeste,debidoaqueesrecomendablequelas baterassedescarguentodasdemanerauniformeparanoproducirdesbalancesen la carga de las bateras. Cada una de estas alternativas tiene sus inconvenientes, una de ellas es que la batera extra agrega un peso adicional al vehculo, sin embargo no consumeenergadelasbaterasquefuerondestinadasalatraccin.Adems,para el caso de la batera extra se debe agregar un cargador especial, que adiciona peso y utilizaespacioinnecesariamente.ParaelcasodelLfkeI,sedestinaunabatera extrade12Volts,marcaAquarium,plomo-cidodecicloprofundo,paralos dispositivos auxiliares. 3.1.2.2Planificacin de Conversin Pararealizarenformacorrectalaconversinsedebehacerunaplanificacinde esta, para tal efecto, se debehacerunalista de tareas a realizar. Tambin se deben confeccionarlosplanosdelaposibleconexindelmotorylacajadecambios. Adicionalmentesedebenrealizarlosplanostentativosdelaubicacindelas bateras y el circuito elctrico de baja y alta corriente.Se recomiendautilizar cables de diferentes colores en el circuito de baja corriente, paraaspoderidentificarlafuncindecadacableenformamsfcilyordenada. Paraelplanodeubicacindelasbaterassedebehacerconexactitud,puestoque esta distribucin define las interconexiones. 37El plano de la distribucin de las bateras del Lfke I se muestra en la figura 6: Figura 9: Plano de Bateras Sepuedeobservarquesecolocan6baterasenlapartetraseray6enlaparte delantera. Las 6 bateras de la zona delantera estn sobre el motor, porque queda el espacio suficiente puesto que seha eliminado elmotorde combustin. Enla parte trasera,especficamenteenelmaleterodelvehculo,seubicanlas6bateras restantes.Enestecaso,loidealescolocarlas6baterasenlnea,sinembargoel ancho del vehculo no lo permite, por lo que se tiene que poner una batera frente a las que se encuentran en lnea. El circuito elctrico de alta corriente es el siguiente: Figura 10: Circuito de Potencia del Vehculo o de Alta Corriente Esteeselcircuitodiseadoparaelvehculo,elqueincluyeladisposicindelas bateras,interruptores,controladorymotor.Estecircuitoesesencialparala conversin del vehculo, ya que muestra una idea esquemtica de la ubicacin en el vehculo de los componentes y permite realizar una prueba de montaje las partes. Bancode Bateras 6x6 Bancode Bateras 6x6 Batera Auxiliar 38Figura 11: Circuito de Sistemas Auxiliares o de baja corriente. 3.2ADAPTACIN MECNICA Parapoderconcretarestaconversin,senecesitallevaracaborigurosamenteel procedimientodeterminado.Paraejecutarestaetapaserecomiendatenerunlugar ampliodetrabajo,yaseaungalpnounlugarabiertojuntoconalgunas herramientas. 3.2.1Herramientas Las herramientas necesarias son las siguientes: PlumillaconTecleoHidrulica: Esta es una gra triciclo con un tecle o bombonahidrulicaquepermite levantarelmotorolaspartes pesadas del vehculo. Figura 12: Pluma Hidrulica LlavesPunta-CoronaydeDados: Estasllavessonutilizadaspara destornillartuercasypernosenlos vehculos.Lasmedidasmsusadas sonlasllavesde10,11,12,13,14, 20,21milmetros.Lorecomendable estenerunjuegodellavescon varias medidas. Figura 13: Llaves Punta Corona Figura 14: Llave de Dados 39Taladro:Eltaladroseutilizapara realizarlosdiferentesagujerosque seannecesariosparafijarlaspartes queseestnagregando.Estepuede seruntaladrohogareo.Se recomiendautilizaruntaladrode pedestal,quetieneunamayor precisin. Figura 15: Taladro hogareo Figura 16: Taladro de Pedestal 3.2.2Procedimiento Paralaconversinsedebeseguirelsiguienteprocedimientoconlasprecauciones que se mencionan a continuacin: 1.Para comenzar sedebemedirla altura delvehculorespecto al suelo. Esto significa medir en las cuatro ruedas la altura que existe entre el tapa barros y el suelo. Es importante que esta medida H se haga en la parte central de la rueda, como se indica en la siguiente figura: Figura 17: Medicin de Altura del Vehculo Esta medida para el Lfke I es de 640 Milmetros, o sea 64 centmetros. 2.Sedebendesmontartodaslaspartesdelvehculoquenosernutilizadas posteriormenteenlaconversin.PorestemotivoseeliminanelRievador, Sistema de calefaccin y filtro de Aire. Se recomienda retirar el Cap para aumentar el rea de trabajo. 3.Sedebemarcarconmuchocuidadoelsistemaelctricodelvehculoya existente,estosehaceparanoperderlasconexionesdelosdispositivos auxiliaresdelvehculo,talescomolasluces,radio,ventiladorde calefaccin,chapa,y,lucesdefrenoyreversa.Paraesto,sedebenmarcar las siguientes conexiones ms importantes: 40i.Cables del Alternador (Se elimina) ii.Conexin del Distribuidor (Se elimina) iii.Conexiones del Motor de Partida (Se elimina) iv.Cable de Energa General (Se mantiene) 4.Se debemarcarla pioladel aceleradory el bulbo de temperatura del agua. La piola del acelerador puede ser utilizado, si est en buen estado. Si no es el caso, se debe cambiar eintentarmantener lamismaubicacin actual. El bulbo de Temperatura debe ser eliminado. 5.Sesustraelabateradelautomvilymarcarloscablesdealimentacin general, que pueden ser utilizados posteriormente. 6.Se deben desmontar y desconectar todas las partes que componen el motor y que utilizan espacio en forma innecesaria. Estas partes son el carburador, sistemadeaire,tuberasdeaguaydeaire,distribuidorytuberasde bencina. 7.A continuacin,seprocedeadesmontartodoelsistemadeescapedel vehculo.Estacomprendedesdeelmltipledeescape(conexinconel motor)hastaelsilenciador(partefinaldelsistemadeescape).Primerose debedesconectarelmltipledeescape,paraluegodesmontareltubode escapequeseencuentraenlaparteinferiordelvehculodesdelaparte delantera hasta el silenciador. 8.Se debemedirla distancia existente entrela caja de cambioy algn punto de referencia de la carrocera, generalmente, se utiliza algn punto sobre la caja de cambios. Esto es importante, ya que permite posteriormente colocar la caja de cambiosnuevamente en suposicin original. Con esto se evitan posibles vibraciones parsitas a futuro debido a la mala ubicacin de la caja de cambios. En la siguiente foto se muestra como se recomienda medir esta distancia: 41Figura 18: Medida de Posicin de Caja de Cambios [31] La distancia entre la caja de cambios y el punto referencia para Lfke I es de 190 milmetros o 19 centmetros. 9.Sedesmontayeliminaelmotordepartida,juntocontodosucableado elctrico. 10.Sedebesustraerelsistemadealimentacindecombustible.Estosignifica desmontarlasmanguerasconectadasalmotor,lastuberashaciael estanque, elfiltro,la bombay el estanquede bencina.Lo principal en esta etapa, es la eliminacin de todas las partes relacionadas con la alimentacin de bencina.Assedejalibrelazonadelmotorydisminuyeelpesodel auto. 11.Posteriormente,seprocedeasacarelmotordelvehculo.Serecomienda inspeccionar que elmotor est totalmentedesconectado, para asegurar que laextraccinnotengainconvenientes.Laextraccindelmotorsehace medianteuna pluma con Tecle obombonahidrulica que permitelevantar y transportarelmotorsinmayorproblemayaquesupesoesde aproximadamente200Kg.Estemotorpuedeservendidoaalguna desarmadura,puedeserdejadoenalgncementeriodeautomvilesoen algnlugarparachatarra.Serecomiendanodejarestemotorabandonado encualquierlugar,yaqueprovocacontaminacininnecesariamente.Es importante,tambin,tenerencuentaqueelembragueseencuentraan colocado en el motor, por lo que se debe desmontar. Se sugiere vender este motor,cuandoelmotorelctricoyaestmontadoenelvehculo,yas asegurar que no falten piezas que se utilizan en la conversin. 4212.Antesdeextraerelvolantemotordelmotoracombustininternasedebe tomar la medida existente entre el volante y el motor. Esto se realiza puesto queestodefineelcorrectofuncionamientodelsistemadeembrague.Esta medidaesdereferenciaenlainstalacinfuturadelmotorelctrico.Enel LfkeI estadistanciaentrelaserchaylabasedelmotoresde18 milmetros. Figura 19: Toma de Medida existente entre el Motor y el Volante Motor [31] 13.Luegosedesmontalacajadecambiosquesedeberealizarconcuidado, paralaposterioruninentreelmotorelctricoylacajadecambios. Cuandolacajadecambiosestdesmontada,esrecomendablerevisarsu estadoysulimpiezaqueaseguresucorrectofuncionamiento. Adicionalmente, se sugiere revisar que los engranajes y coronas internas de lacajaestnenuncorrectoestadoyposicin.Estarevisindebeser realizada por una persona experta en el tema, ya que despus de la revisin, lacajadebeserrearmadanuevamenteyquedarenfuncionamiento.En general,estascajassepuedenenviaraunservicioautorizadodondelas desarman,revisan,limpianyrearmansinproblemas.EnChilecualquier empresa que estvinculada conlamecnica automotriz, tal comountaller mecnico, est facultado para realizar este trabajo. 14.Enesteinstante,setienentodaslaspartesmecnicasimportantesdel vehculodesmontadas.Ahora,sedebedisearelflanchequeconectarel motorelctricoylacajadecambios,locualconstituyeunadelasetapas mscomplicadasdelaconversin.Paratalefecto,sedebedesmontarel embrague del motor a combustin, si es que no se ha realizado. 4315.A estasalturas,seprocedeadisearunasolucinparaelacoplamiento entre la caja de cambios y el motor elctrico, por lo que se recomienda leer la seccin de diseo de flanche expuesto posteriormente. 16.Porltimo,luegoderealizareldiseoyconstruccindeestasolucin,se procede a conectar el embrague con el motor elctrico. Esta conexin debe ser realizada con cautela y bien planificada, ya que elmotor y el embrague debenquedarbienalineadasparaminimizarlasvibracionesyproblemas inherentesalasvibraciones.Luegodeasegurarunbuenmontaje,sedebe probar la caja de cambios junto con el motor elctrico y lograr la seguridad que estn en correcta operacin. Esimportanteagregarquealdesarmartodaslaspartesdelvehculosedeben guardartodoslospernoscorrespondientesalaunindelmotorconlacaja,como tambinlospernosdesujecindelacajayelmotor.Suimportanciaresideenel hecho de que algunas medidas de estos pernos son especficas y no necesariamente fcilesdeconseguir.Porconsiguiente,convieneguardartodoelmaterialextrado del auto que puede ser reutilizable en la conversin. 3.2.3Conexin de Motor y Caja de Cambios 3.2.3.1Diseo Flanche de Motor-Caja de Cambios Conelobjetivodecrearlosplanosdediseodeestapiezaimportantedela conversin, se necesita seguir los siguientes pasos: 1.En primerlugar sedebe observar el antiguomotorbencinero para extraerla formadelnuevoflanche.Sinosedisponedelmotor,sepuederealizar utilizando la forma de la caja de cambios. 2.Eldiseodeestapiezasebasaenlaformadelapartedelmotorquese conecta con la caja de cambios. Luego de tener la forma externa del flanche, se procedeamarcarlosorificiosdelospernosquefijanelflancheenlacajade cambios.Despus,semarcalaperforacindelasalidadelejedelembrague, tomandolasmedidasdesdeelejedelacajadecambiosomotoracombustin (dependiendodedondesebasalaformadelflanche)hastaalgunospuntosde referencia, como por ejemplolas perforaciones defijacin. Posteriormente, con estas medidas se puede determinar en forma exacta la posicin de la perforacin quesehaceparaelejedelembrague,loquesedeberealizarlomsexacto posible, ya que define la alineacin del embrague con respecto al motor. 443.Luego de tener eldiseo, se deben agregar las perforacionesnecesarias para fijar elmotor elctrico con elflanche.Esto se realiza tomando como referencia la perforacin central y las perforaciones de fijacin. 4.Paraseleccionarelmaterialdelflanche,sedebedecidirdetalformaque soportelosesfuerzosmecnicosqueexistirnenesaposicin.Serecomienda utilizarelmaterialdelapiezaoriginaloconcaractersticassimilares.El materialutilizadoenLufkeI,esunaplanchadealuminiodeespesorde16 Milmetros.Estematerialesrecomendable,puestoquesoportarlosesfuerzos que existirn en ese lugar. Undatonecesarioparaeldiseoesladisposicindelosagujerosdefijacindel motorelctrico,laquesepuedeobtenerdelahojadedatosdelmotor.Elmotor utilizado en esta memoria, tiene las siguientes fijaciones: Figura 20: Vista Frontal del Motor 45Eldiseodelflancheutilizadoenestamemoria,eselquesemuestraa continuacin: Figura 21: Plano de Flanche de Motor 3.2.3.2Diseo Pieza de Unin entre Motor y Volante Motor de Embrague Esta pieza, tambin es una parte importante de la conversin. Esta pieza debe estar bien construida y debe ser diseada con el objeto de alinear en forma perfecta el eje delmotorconelembrague,yaquedefineelcentrodelvolantemotoryasevitar vibracionesenelsistemadetraccindelvehculo.Adems,estapiezatieneel objetivodetraspasarlafuerzamotrizyeltorquedesdeelejedelmotorhaciael volantemotordelembrague.Porestemotivo,estapiezaesimportanteparael correctofuncionamientodelvehculoconvertido.Enestesentido,sedebefabricar una pieza de talforma de permitirunaunin alvolantemotoryunafijacin al eje delmotor,lomsfuertey robusto posible. Elmaterial recomendado para este tipo depiezaseselaceroSAE4140(42Cromo4),elqueesunacerodiseadopara piezasdemaquinariasytieneunaaltaresistenciaatorsiones.Existendosdiseos posibles para esta pieza, las cuales son: PiezaChavetera:Estaesuna solapiezaquepermiteunireleje delmotoryelvolantemotor.La piezaseunealejedelmotorpor mediodeunchavetacomnenel ejeyseunealvolantemotor mediantepernos.Paralograrla Figura 22: Forma de Pieza Chavetera 46unin y fijacin del eje y la pieza, seutilizan,porlomenos,dos pernosprisionerosdefijacinen la chaveta. Esta pieza termina con unplatoquepermitefijarel volantemotordelembragueala piezamediantepernosy,por ende, se une al eje del motor. Para eldiseodeestapiezasedeben conocerlasformasymedidasdel volantemotor,comotambinlas del eje del motor elctrico. Figura 23: Pieza Central Pieza Central y Pieza de Unin: Aquseutilizandospiezas,la piezadeuninylapiezacentral. Lapiezadeuninpermiteunirla pieza central con el eje delmotor, laquetieneunaformaespecial quepermiteaccederaunafcil alineacinentreelvolantemotor y elmotor.Estapiezadeunin permitevariarlainclinacindel volantemotor,loquefacilitala tareadealineacin.Estaspiezas vancolocadasenlnea,lasque soncomplementarias,estoes,las dosfuncionanenformaconjunta. Paraeldiseodeestaspiezasse utilizanlasdimensionesdel volantemotoryelejedelmotor elctrico.Eldiseodeestas piezassemuestraenlasfiguras adjuntas. Figura 24: Pieza de Unin 3.2.3.3Construccin Paraconstruirelflancheseutilizaunafresadoraoalgunamquinaquepermita cortar el tipo de material utilizado. Luego de tener cortada la pieza, con el plano del diseo, se debenmarcarlas perforaciones que se realizarn. Esimportante tener el tamaodelasperforacionesysuforma.Paraestasperforacionesesrecomendable 47utilizaruntaladrodepedestal,elquepermiteperforarconunaposicinyngulo precisos.Paraestasperforaciones,senecesitanbrocasdeltamaonecesariopara los pernos utilizados y es importante que sean de un material que soporte esta tarea. Para el agujero principal del eje del embrague, se recomienda utilizar una fresadora o algunaherramientaad-hoc.Luegodeconstruirelflancheoplaca,deacuerdoa losplanosdediseo,serecomiendaqueseaprobadaconlasotraspiezas,para verificarsucorrectafabricacinysuscambiossiesnecesario.Cuandosetienela certeza de su correcta fabricacin, se procede a su instalacin. Sedebedestacarqueestaplacaoflanchepuedesercompradaenlocalesque realicenestetipodetrabajos,comoporejemploEVParts.Otraposibilidadesque estapiezaseaenviadaafabricarenalgunaempresafacultadaparaesto,comopor ejemplo empresas que construyan piezas de este tipo o que trabaje con este tipo de materiales.Sisedeseacomprareladaptador,serecomiendacerciorarsequeest diseado para el modelo de caja de cambios y motor que se est utilizando. Sedebeconsiderarqueexistelaalternativadecambiarlacajadecambios.Para esto,sedebedisearoco