������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������������������������

 

Caracterizaci�n de las fuerzas del veh�culo el�ctrico visto desde su din�mica para su optimizaci�n

 

Characterization of the forces of the electric vehicle seen from its dynamics for its optimization

 

Caracteriza��o das for�as do ve�culo el�trico vistas desde sua din�mica para sua otimiza��o

 

Jairo Edison Guasumba Maila I jguasumba@tecnoecuatoriano.edu.ec https://orcid.org/0000-0002-0533-0397

V�ctor 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 Andr�s III williamlumia93@hotmail.com https://orcid.org/0000-0002-6178-983X

 

 

 

 

Correspondencia: jguasumba@tecnoecuatoriano.edu.ec

Ciencias de la T�cnicas y Aplicadas

Art�culos de investigaci�n

 

 

*Recibido: 16 de julio de 2021 *Aceptado: 30 de agosto de 2021 * Publicado: 08 de septiembre de 2021

 

       I.            Mag�ster en Dise�o Mec�nico, Docente Investigador, Coordinador de Carrera de Mec�nica y Electromec�nica Automotriz, Instituto Superior Tecnol�gico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

    II.            Magister en Educaci�n Menci�n Gesti�n del Aprendizaje. Mediado por Tic, Docente investigador. Director de Vinculaci�n con la sociedad, Miembro del Consejo Acad�mico Superior ISTTE, Instituto Superior Tecnol�gico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

�III.            Participante Investigador, Estudiante Tecnolog�a Superior en Electromec�nica Automotriz, Instituto Superior Tecnol�gico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

�IV.            Participante Investigador, Estudiante Tecnolog�a Superior en Electromec�nica Automotriz, Instituto Superior Tecnol�gico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

Resumen

En la actualidad, un sistema de propulsi�n el�ctrico debe estar bien dise�ado para minimizar la p�rdida de energ�a y, en �ltima instancia, aumentar su autonom�a sin aumentar el peso de la bater�a. Para reducir el tiempo y los costos de dise�o, se puede utilizar un enfoque de dise�o basado en modelos. Por este motivo se expone varias variables en relaci�n con el modelo de veh�culo el�ctrico que se adecue a las necesidad geogr�ficas y topogr�ficas de la localidad a implementarse sin dejar de perder de vita la eficiencia de los sistemas el�ctricos para su mayor durabilidad. En conclusi�n, el modelo din�mico de las fuerzas que tienen interacci�n en el veh�culo se eval�a para la aproximaci�n de la energ�a, potencia, par y velocidad necesarios de nuestro veh�culo el�ctrico que depender� de los sistemas y las p�rdidas que aparezcan en el modelo propuesto para conseguir un dise�o lo m�s eficiente posible para una movilidad sostenible.

Palabras clave: Din�mica de veh�culos; arquitectura de transmisi�n de veh�culos el�ctricos; veh�culo el�ctrico; equilibrio de fuerzas; tren de potencia el�ctrico.

 

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 for�a el�trico 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, v�rias vari�veis ​​est�o expostas em rela��o ao modelo do ve�culo el�trico que se adapta �s necessidades geogr�ficas e topogr�ficas da localidade a ser implementado sem deixar de perder a efici�ncia dos sistemas el�tricos pela sua maior durabilidade. Em conclus�o, o modelo din�mico das for�as que interagem no ve�culo � avaliado para aproximar a energia, pot�ncia, torque e velocidade necess�rios para o nosso ve�culo el�trico, que depender� dos sistemas e perdas que aparecem no modelo proposto para alcan�ar um projeto t�o eficiente quanto poss�vel para uma mobilidade sustent�vel

Palavras-chave: Din�mica do ve�culo; arquitetura de transmiss�o de ve�culos el�tricos; ve�culo el�trico; equil�brio de poder; trem de for�a el�trica.

 

Introducci�n

El impacto de los veh�culos el�ctricos (VE) se est� disparando progresivamente en la vida diaria. Este impacto est� abriendo el camino para los esfuerzos de investigaci�n relacionados con cada componente de los sistemas de propulsi�n de los veh�culos el�ctricos, es decir, el motor el�ctrico, el paquete de bater�as y el sistema electr�nico de potencia (G�mez Vilchez & Jochem, 2019). Los combustibles l�quidos m�s actuales y populares son los combustibles f�siles; sin embargo, incluso seg�n estimaciones conservadoras, el agotamiento de las reservas de petr�leo se producir� en los pr�ximos 35 a�os (�st�n et al., 2018). Para lograr la hoja de ruta energ�tica 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 pa�ses desarrollados como grupo�. En el sector del transporte, los veh�culos el�ctricos (VE) son un medio importante para asegurar los objetivos de reducci�n de emisiones de GEI. sin embargo, el aumento de las inversiones en energ�a renovable desaf�os en los sistemas de energ�a debido a la intermitente recursos (Hu et al., 2016)

La demanda de movilidad sostenible y respetuosa con el medio ambiente est� ejerciendo presi�n sobre la industria automotriz para que avance hacia veh�culos m�s limpios y eficientes desde el punto de vista energ�tico. Las arquitecturas actuales de veh�culos de combusti�n interna (ICEV) se estresan en todos los niveles para lograr mejoras; sin embargo, las barreras tecnol�gicas son cada vez m�s se est�n reduciendo, y eventualmente avances significativos y, por lo tanto, nuevas soluciones. Los veh�culos el�ctricos (EV) se ajustan mejor al objetivo futuro de las `` ciudades ecol�gicas '' debido a factores como la movilidad sin contaminaci�n, pero surgen grandes preocupaciones con respecto a las infraestructuras de carga, la disponibilidad de energ�a de fuentes renovables, el reciclaje de bater�as y el alcance del cliente (Holjevac et al., 2020) Por todas las razones anteriores, el mercado de la automoci�n est� impulsando cada vez m�s veh�culos el�ctricos, h�bridos o totalmente el�ctricos (Bayar, 2020)

La optimizaci�n del dise�o es un m�todo para mejorar el dise�o de productos futuros bajo restricciones agravadas como la disminuci�n de los tiempos del ciclo de vida del producto, el aumento del n�mero de derivados o el aumento de la complejidad de los productos. La investigaci�n a nivel de componentes a menudo conduce a resultados que sugieren un determinado concepto de propulsi�n, que puede tener ventajas con respecto a un determinado componente (motor, transmisi�n, inversor,�) o una determinada propiedad (eficiencia, coste, peso,�) (Angerer et al., 2018). La gesti�n de la energ�a entre los diferentes componentes del veh�culo es particularmente crucial, la potencia a bordo de la fuente debe proporcionar al mismo tiempo suficiente energ�a para autonom�a del veh�culo y entregan una potencia significativa durante fases transitorias correspondientes a aceleraci�n o frenado. La presencia de un sistema de almacenamiento de energ�a a bordo. el veh�culo puede permitir la recuperaci�n de la energ�a de frenado (Bejaoui et al., 2020). Al elegir el motor de accionamiento para el veh�culo el�ctrico, se deben tener en cuenta una serie de factores para ver el par m�ximo necesario y estos son la resistencia a la rodadura, la resistencia a la gradiente y la resistencia aerodin�mica; la suma de estos factores da como resultado el factor total. (Ganesh Murali et al., 2021). Sin embargo, la difusi�n de estos sistemas de propulsi�n alternativos (especialmente el�ctricos) se est� ralentizando debido a su autonom�a, ya que todav�a no es comparable a un veh�culo tradicional de combustible l�quido. De hecho, a pesar del considerable avance en la tecnolog�a de las bater�as, la densidad de energ�a (relaci�n energ�a / peso) de las bater�as de litio a�n est� lejos de ser competitiva con la gasolina o el di�sel� (Sandrini et al., 2021). El objetivo final es evitar que el conductor aplique demasiado par a las ruedas motrices y pierda tracci�n longitudinal (Bohl et al., 2014). Por otro lado, se est�n siguiendo varios enfoques para montar el tren motriz el�ctrico como el tipo p�ndulo convencional, con o sin base, motores comunes o diferentes y montajes de caja el�ctrica, etc. El tren motriz el�ctrico se diferencia del tren motriz convencional en t�rminos 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 m�todo anal�tico y bibliogr�fico con el fin de comprender la din�mica del veh�culo el�ctrico y poder elegir controlador y motor adecuado. Para ello se ha dividido la investigaci�n enfoc�ndose en los par�metros que influyen en la selecci�n del motor el�ctrico y su controlador electr�nico que se mencionan continuaci�n: Modelo din�mico del veh�culo; Potencia, Torque, Velocidad; Par�metros del veh�culo el�ctrico; Resultados y selecci�n del motor y controlador. Una vez establecido los grupos se plantea las siguientes interrogantes de investigaci�n. �Caracter�sticas de los diferentes modelos din�micos?, �F�rmulas matem�ticas?, �C�mo aporta al dimensionamientos y par�metros del veh�culo?

 

Modelados del veh�culo y sus fuerzas de trabajo

En esta parte se obtiene el modelo de la parte mec�nica del VE, la cual se entender� como el conjunto formado por: la transmisi�n, las ruedas, y la masa total de sus componentes (bater�as, convertidores electr�nicos, motor/generador el�ctrico, transmisi�n, carrocer�a, chasis, etc.). Como entrada a este sistema se considera el par desarrollado por el motor, y como salida la velocidad del VE. (Dur�n, Guerrero y Claudio, 2009)

 

Figura 1: Fuerzas actuantes sobre el VE en una pendiente

 

Por lo tanto, el modelo matem�tico de la parte mec�nica puede servir para dos fines: Evaluar la aceleraci�n y velocidad m�ximas del VE, a partir del par desarrollado por el motor el�ctrico; Conocer el par requerido para que el VE desarrolle un determinado patr�n de velocidad. Se utiliza dicho modelo con el fin de determinar las caracter�sticas del motor el�ctrico que impulsara al VE. Para modelar la parte mec�nica del VE es necesario determinar la ecuaci�n diferencial relacionada con las fuerzas actuantes en el VE y su velocidad, y tambi�n es necesario conocer las ecuaciones que modelan la transmisi�n del VE (Dur�n, Guerrero y Claudio, 2009).

 

La fuerza de fricci�n Frr entre los neum�ticos y la superficie sobre la cual se mueve el veh�culo est� dada por la ecuaci�n 1.

�

Donde μrr es el coeficiente de fricci�n, m es la masa del veh�culo en kg, g = 9.8 m/s2 es la aceleraci�n debida a la gravedad, ψ es el �ngulo de inclinaci�n de la pendiente, v es la velocidad lineal del VE en m/s y la funci�n sign(v) est� definida por:

La fuerza de fricci�n 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 aerodin�mico.

�

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 matem�tico que represente la din�mica del veh�culo, se realiza un balance de fuerzas. Sea Vv(t) la velocidad del VE, mv su masa total, Ft(t) la fuerza de tracci�n generada por el contacto de las � llantas con el camino y Fp(t) la fuerza de perturbaci�n debida al arrastre aerodin�mico, la fricci�n de rodamiento y la gravedad. Estas fuerzas se muestran en la figura 1 (Dur�n, Guerrero y Claudio, 2009).

 

Donde a es la aceleraci�n del VE en m/s2 y Fte es la fuerza de tracci�n proporcionada por el motor el�ctrico a trav�s de la transmisi�n. Despejando Fte en (4) y sustituyendo (1), (2) y (3), se obtiene la ecuaci�n diferencial que relaciona la Fte con la velocidad.

�

Esta ecuaci�n es �til para determinar la fuerza necesaria de tracci�n para obtener un patr�n de velocidad y aceleraci�n deseadas para el VE. (Dur�n, Guerrero y Claudio, 2009)

De la ecuaci�n 6, es claro que el motor el�ctrico del veh�culo, juntamente con el sistema de transmisi�n debe ser capaz de vencer las fuerzas debidas a la gravedad, el viento, la fricci�n y los efectos inerciales (Amaya, Guerrero, Mu�oz, Mino y Saynes, 2012). Aplicando la segunda ley de Newton, se obtiene la ecuaci�n diferencial que relaciona la fuerza de tracci�n Ft(t) con la velocidad Vv del veh�culo:

����������� �� (6)

 

Donde

����������� ������ (7)

Cd es el coeficiente aerodin�mico de arrastre, Cr es el coeficiente de fricci�n de rodamiento, Af representa el �rea frontal del veh�culo, ρa la densidad del aire a 20o C y θ el �ngulo de la pendiente. La fuerza Ft es generada por el motor el�ctrico, cuyo par generado est� en funci�n de la corriente que fluye a trav�s de sus devanados y su velocidad de rotaci�n, 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 din�mica, y cronol�gicamente antes de poder seleccionar un motor para el tren motriz, se debi� calcular el torque necesario para poder impulsar el veh�culo, y la potencia requerida para mantener al veh�culo a velocidad m�xima con carga m�xima (�st�n et al., 2018). La fuerza de tracci�n requerida (𝐹𝑇) se obtiene mediante la sumatoria de las fuerzas de resistencia del veh�culo; la fuerza de resistencia al rodamient0, la fuerza de resistencia aerodin�mica o y la fuerza de resistencia a la pendiente, las cuales pueden ser observadas en la Figura 3. (V�zquez, 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 Aerodin�mica, donde 𝜌 es la densidad del aire, 𝐶𝑑 es el coeficiente de arrastre aerodin�mico, 𝐴𝐹 es el �rea frontal del autom�vil o el �rea proyectada en el sentido de la direcci�n en que el veh�culo 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 veh�culo, 𝑔 es la constante de aceleraci�n gravitacional y α es el �ngulo del camino en grados.

 

(11)

 

�

 

Figura 3 Fuerzas que act�an sobre un veh�culo al subir una pendiente (Gao y Ehsani et al., 2009)

 

Adem�s, la ecuaci�n de movimiento se obtiene de la siguiente manera:

(12)

Donde FT es la fuerza de tracci�n 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 aerodin�mica; meq es la masa equivalente; y α es la longitudinal aceleraci�n (Martinez, Cortes, Munoz y Yamamoto, 2016). El objetivo de analizar un modelo din�mico de un veh�culo es para poder analizar todas las fuerzas que van a intervenir en el desplazamiento del veh�culo haciendo �nfasis en determinar la fuerza de tracci�n de nuestro modelo aplicando c�lculos matem�ticos.

 

Figura 4. Diagrama de cuerpo libre del veh�culo.

 

Se muestran el potencial de la vectorizaci�n de par con respecto a la estabilidad y la agilidad. Tambi�n se demuestra que la vectorizaci�n de par en direcci�n lateral influye en el comportamiento din�mico de conducci�n, mientras que un cambio de par en direcci�n longitudinal solo lo afecta en condiciones cercanas al l�mite con valores de deslizamiento elevados. Adem�s se muestran c�mo el comportamiento din�mico del veh�culo puede verse influido positivamente mediante la distribuci�n 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 neum�ticos (frr) se obtiene a partir de los datos adquiridos durante la prueba de descenso del veh�culo 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 aerodin�mica y resistencia a la rodadura. Las pruebas fueron realizadas en un d�a tranquilo para eliminar el efecto de la fluctuaci�n 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 veh�culo en neutral, Fxf y Fxr pueden ignorarse (Buggaveeti et al., 2017).

 

Figura 5. Gr�fico 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 dise�o es la definici�n de un dise�o geom�trico de todo el veh�culo con el fin de derivar un modelo din�mico de las fuerzas que tienen interacci�n en el veh�culo. Luego, se realiza un procesamiento computacional de este modelo considerando varios requisitos iniciales. Finalmente, se obtiene una aproximaci�n de la potencia, energ�a y par necesarios a partir de una ejecuci�n de simulaci�n en Matlab (Mart�nez, Cortes, Mu�oz y Yamamoto, 2016).

 

Torque: Una vez obtenido la fuerza de tracci�n, �sta se multiplica por el radio din�mico de la rueda para encontrar el torque de tracci�n, es decir, el torque necesario para impulsar el veh�culo.

(13)

El torque el�ctrico (τt) desarrollado por el motor el�ctrico, produce la fuerza de tracci�n (Ft) del VE, a trav�s de la relaci�n de transmisi�n (G) establecida, en conjunto al radio del neum�tico (r), la velocidad angular del neum�tico (ωn), obteniendo la velocidad lineal (v) del veh�culo (Alcal� et al., 2014; Rocha et al., 2017), como se presenta en la Figura 3, y expresada en (14).

���������������������������������������������������������������������� (14)

Potencia: El c�lculo de potencia necesaria en el VE se considera la velocidad m�xima en pendiente, para prolongar la autonom�a, como se presenta en las siguientes ecuaciones (14) y (15):

(15)

Se considera, adem�s 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 operaci�n, mediante la expresi�n (16) (Dawei et al., 2014).

(16)

Ya que el torque puede ser modificado f�cilmente con una transmisi�n, se busc� la potencia que requerir�a el motor a la velocidad m�xima del veh�culo. Para obtener la potencia requerida se debe multiplicar la velocidad angular por el torque de tracci�n obtenido a dicha velocidad angular. Por lo que la potencia requerida se obtiene con la siguiente ecuaci�n 17 (Rane & Deshmukh, 2020).

(17)

Para convertir la velocidad lineal a velocidad angular se puede utilizar la ecuaci�n 18:

����������������������� (18)

Donde 𝜔 es la velocidad angular del neum�tico dado en rad/seg, 𝑉 es la velocidad lineal del veh�culo en m/s y 𝑟𝑑 es el radio din�mico del neum�tico en metros. Existen diferentes tipos de motores el�ctricos, cada uno con curvas caracter�sticas diferentes por lo que para obtener el motor �ptimo se recomienda que las curvas caracter�sticas se asemejen lo m�s posibles a la curva ideal para veh�culos de tracci�n, la cual puede ser observada en la Figura 3. (V�zquez, Valenzuela y Ponce, 2015)

�

Figura 6. Caracter�sticas ideales para la planta de potencia de un veh�culo (Gao y Ehsani, 2009)

 

Cuando ya se ha establecido el modelo din�mico del veh�culo se encuentra la fuerza de tracci�n, en base a esta fuerza se procede al c�lculo de la potencia, torque, velocidad para poder seleccionar correctamente el motor el�ctrico. Existen procesos computacionales a partir del modelo considerando varios requisitos iniciales. Finalmente, se obtiene una aproximaci�n de la potencia, energ�a y par necesarios a partir de una ejecuci�n de simulaci�n.

 

Optimizaci�n de par�metros del veh�culo el�ctrico

Existe diferentes diagramas din�micos que se presenta el sistema de tracci�n y los respectivos par�metros que variaran el dise�o del veh�culo

 

 

 

 

 

Figura 7. Diferentes arquitecturas para VE (Gao y Ehsani, 2009)

 

De acuerdo con el modelo despu�s haber analizado el diagrama din�mico se presenta el sistema de tracci�n y los respectivos par�metros determinados de acuerdo con el dise�o del veh�culo. En la figura 6 se muestra un diagrama de la tracci�n el�ctrica, el cual se puede subdividir en una parte el�ctrica/electr�nica y en una parte mec�nica (Amjadi & Williamson, 2011)El motor de inducci�n (MI) forma parte tanto de la parte el�ctrica como de la mec�nica debido a que en este dispositivo se realiza la conversi�n de energ�a de el�ctrica a mec�nica y viceversa (Dur�n, Aguilera, Guerrero, Claudio, Vela y Gudi�o, 2010).

 

Figura 8. Diagrama del sistema de tracci�n el�ctrica (Dur�n, Aguilera, Guerrero, Claudio, Vela y Gudi�o, 2010)

 

Transmisi�n y neum�ticos, para el conjunto transmisi�n�neum�ticos se considera como entrada el par electromagn�tico generado por el motor y como salida la fuerza de tracci�n en los neum�ticos. Si se considera una transmisi�n simple, representada en la figura 3, donde r es el radio del

�

Figura 9. Representaci�n de la transmisi�n

 

Los neum�ticos en metros, ηg es la eficiencia de la transmisi�n, G es el cociente de reducci�n de velocidad angular, τ es el par proporcionado por el motor el�ctrico en Newtons�metro y Fte es la fuerza de tracci�n en Newtons. Con las ecuaciones obtenidas a partir del modelo din�mico, se realizaron las simulaciones del funcionamiento del VE en lazo abierto utilizando simulink�, donde se ha logrado establecer los par�metros del veh�culo el�ctrico que se presentan a continuaci�n en la tabla 1:

 

Tabla 1 Par�metros del VE

 

Por otro lado de acuerdo con el siguiente modelo despu�s haber analizado el diagrama din�mico se presenta el sistema de tracci�n y los respectivos par�metros determinados de acuerdo con el dise�o del veh�culo.� La figura 8 muestra cada uno de los componentes y subsistemas que conforman el VE y de los cuales el modelo matem�tico fue obtenido con el objetivo de implementar el simulador computacional. En los siguientes apartados se da una descripci�n de los elementos y se presenta el modelo matem�tico de cada uno de ellos (Trinidad, Guerrero, Hern�ndez, Mino y Saynes, 2012).

�

Figura 10. Subsistemas que componen el veh�culo el�ctrico

Con el fin de verificar el funcionamiento correcto del simulador desarrollado en este trabajo, el cual fue realizado en MATLAB/Simulink, se presenta a continuaci�n una simulaci�n. Los par�metros utilizados en la simulaci�n se muestran en las Tablas 2 donde se especifica las caracter�sticas de entrada desde la parte el�ctrica del sistema del veh�culo el�ctrico y la tabla 3 describe los valores mec�nicos de trabajo para el VE (Trinidad, Guerrero, Hern�ndez, Mino y Saynes, 2012).

 

Tabla 2 Par�metros del MI

Tabla 3 Par�metros del VE y sistema de tracci�n

 

Adem�s, en cuanto a la arquitectura seleccionada para el dise�o, se observa que requiere de dos motores, y con ello el doble de corriente para impulsar el veh�culo, lo que se traduce en la necesidad de una bater�a con una alta capacidad (V�zquez, Valenzuela, y Ponce, 2015). Mediante un an�lisis en Matlab se determin� los siguientes par�metros.

 

Tabla 4 Valores asignados a cada variable (V�zquez, Valenzuela, y Ponce, 2015).

 

Tabla 5 Caracter�sticas del reductor dise�ado

Tabla 6 Caracter�sticas del tren motriz dise�ado

 

En suma, a este an�lisis, los par�metros mec�nicos se definieron en base a un dise�o geom�trico obtenido despu�s de varias iteraciones de dise�o considerando los puntos de vista mec�nico y el�ctrico. Tambi�n se tuvieron en cuenta los par�metros de los motores preseleccionados. En el primer escenario, el modelo de din�mica longitudinal, y se estima el consumo de energ�a mec�nica. Los par�metros mec�nicos del escenario propuesto se presentan en la Tabla 7. En este caso, se supone que los neum�ticos tendr�an un coeficiente de tracci�n 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 transmisi�n de ntf = 0,9. Finalmente, este veh�culo est� dise�ado 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 Par�metros mec�nicos

En este contexto, la configuraci�n del tren motriz seleccionada para esta aplicaci�n 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 Gesti�n de Energ�a (EMS) capaz de controlar el flujo de energ�a para equilibrar ambas partes del tren motriz a 100 kW (Martinez, Cortes, Munoz, y Yamamoto, 2016).

 

Figura 11. Diagrama de distribuci�n del veh�culo el�ctrico (M=motor, C=DC-DC conversor, UC= Ultra capacitor)

Desde otra perspectiva, para transferir la energ�a de una fuente de voltaje CC a una carga a trav�s de un mecanismo de conmutaci�n basado principalmente en un transistor de efecto de campo semiconductor de �xido met�lico (MOSFET), se necesitan convertidores CC-CC. Cabe se�alar que la gesti�n y el intercambio de energ�a entre las diferentes partes del sistema en particular entre la fuente principal (bater�a o pila de combustible) y el paquete supercapacitor a trav�s de los dos convertidores DC-DC. Adem�s, en este sistema la bater�a se utiliza para emular la pila de combustible (Bejaoui et al., 2020)

 

Figura 12. Diagrama de trabajo actual de VE

Casos de selecci�n del motor y controlador

La metodolog�a del proceso de an�lisis jer�rquico se utiliz� para la selecci�n del motor m�s adecuado en base a las especificaciones de dise�o, teniendo que, para este an�lisis, se emple� el software �Super Decisions�, versi�n gratuita provista por internet (V�zquez, Valenzuela, y Ponce, 2015).

En la Figura 11 se muestra el diagrama jer�rquico empleado en la etapa final de la selecci�n de motores, los valores asignados a la comparaci�n entre criterios y a la comparaci�n entre motores seg�n cada criterio se desarrolla de acuerdo la necesidad (V�zquez, Valenzuela, y Ponce, 2015).

 

Figura 13. Diagrama jer�rquico utilizada para la selecci�n del motor

En la Figura 12 se pueden ver los resultados del proceso de an�lisis jer�rquico. En base a dichos resultados se eligi� el motor de inducci�n Curtis AC 12 6501 sobre los motores Brushless, esto debido a que no se contaba con las curvas caracter�sticas de los motores Brushless, al contrario del motor de inducci�n del cual se ten�a informaci�n m�s detallada. Otra ventaja era que el motor de inducci�n seleccionado ya inclu�a el controlador 1238-6501 marca Curtis, el cual funciona por modulaci�n de pulso del tipo IFO (Indirect Field Orientation) (V�zquez, Valenzuela y Ponce, 2015)

 

Figura 14 Resultados del proceso de an�lisis jer�rquico para la selecci�n del motor

Por otro lado en base a los resultados de simulaci�n obtenidos en la secci�n, es posible realizar la selecci�n del motor el�ctrico que impulsara al VE, cuyos par�metros son capaces de desarrollar los ciclos de conducci�n SAE J227a-C, SAE J227a-D, FUDS, SFUDS y ECE-15 es necesario contar con un motor el�ctrico que re�na las siguientes caracter�sticas: Una velocidad m�xima 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 N�m, por tanto el par nominal del motor debe superar este valor, Un par m�ximo superior a 132.37 N�m (ciclo FUDS), La potencia a velocidad crucero de 20 m/s (ciclo SAE J227a-D) es de 7.45 kW, que es el valor m�nimo de la potencia nominal del motor, Una potencia m�xima de al menos 35.05 kW (ciclo SAE J227a-D) (Dur�n et al., 2009).

Existen diferentes tipos de motores el�ctricos, por ejemplo, de corriente directa con escobillas, de corriente directa sin escobillas, de inducci�n, s�ncrono y de reluctancia variable por mencionar algunos. Para nuestro caso se emple� un motor de inducci�n trif�sico tipo jaula de ardilla, debido a su bajo costo, buen desempe�o, gran disponibilidad en el mercado y necesidad de poco mantenimiento (Dur�n et al., 2009) (Sz�nt� & Sz�ki, 2020)

 

Conclusiones y recomendaciones

Se debe ha identificado las propiedades principales del veh�culo para la optimizaci�n integral del dise�o de los trenes de potencia de los veh�culos el�ctricos como din�mica longitudinal, din�mica lateral, rendimiento todoterreno, eficiencia econ�mica, Sostenibilidad ecol�gica y la ubicaci�n de la bater�a que podr�a tener un impacto en el desarrollo de nuestros veh�culos.

Se han discutido varios tipos de montaje del tren motriz el�ctrico, 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 transformaci�n de u

n veh�culo con montaje de tren motriz convencional y su conversi�n a tren motriz el�ctrico.

A partir del modelo din�mico de las fuerzas que tienen interacci�n en el veh�culo, se desarrolla la aproximaci�n de la energ�a, potencia, par y velocidad necesarios de nuestro veh�culo el�ctrico que depender� de los sistemas y las p�rdidas que aparezcan en el modelo propuesto para conseguir un dise�o lo mas eficiente posible para una movilidad sustentable.

 

 

Referencias

1.      Amjadi, Z., & Williamson, S. S. (2011). Modeling, simulation, and control of an advanced Luo converter for plug-in hybrid electric vehicle energy-storage system. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 60(1), 64�75. https://doi.org/10.1109/TVT.2010.2088146

2.      Angerer, C., Krapf, S., Bu�, A., & Lienkamp, M. (2018). Holistic modeling and optimization of electric vehicle powertrains considering longitudinal performance, vehicle dynamics, costs and energy consumption. Proceedings of the ASME Design Engineering Technical Conference, 3. https://doi.org/10.1115/DETC2018-85430

3.      Bayar, K. (2020). Performance comparison of electric-vehicle drivetrain architectures from a vehicle dynamics perspective. In Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering (Vol. 234, Issue 4, pp. 915�935). https://doi.org/10.1177/0954407019867491

4.      Bejaoui, F., Mechmeche, C., Tlili, A. S., & Yahoui, H. (2020). Design and implementation of a hybrid control for the energy management system in electric traction. In Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part I: Journal of Systems and Control Engineering (Vol. 234, Issue 10, pp. 1075�1087). https://doi.org/10.1177/0959651820932677

5.      Bohl, D., Kariotoglou, N., Hempel, A. B., Goulart, P. J., & Lygeros, J. (2014). Model-based current limiting for traction control of an electric four-wheel drive race car. 2014 European Control Conference, ECC 2014, 1981�1986. https://doi.org/10.1109/ECC.2014.6862532

6.      Buggaveeti, S., Batra, M., McPhee, J., & Azad, N. (2017). Longitudinal Vehicle Dynamics Modeling and Parameter Estimation for Plug-in Hybrid Electric Vehicle. SAE International Journal of Vehicle Dynamics, Stability, and NVH, 1(2), 289�297. https://doi.org/10.4271/2017-01-1574

7.      Dawei, M., Yu, Z., Meilan, Z., & Xiaochen, T. (2014). Research on Energy Flow Optimization of Compound Storage System in Pure Electric Vehicle with Longitudinal Dynamics. International Journal of Control and Automation, 7(12), 261�268. https://doi.org/10.14257/ijca.2014.7.12.24

8.      G�mez Vilchez, J. J., & Jochem, P. (2019). Simulating vehicle fleet composition: A review of system dynamics models. In Renewable and Sustainable Energy Reviews (Vol. 115). https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109367

9.      Holjevac, N., Cheli, F., & Gobbi, M. (2020). Multi-objective vehicle optimization: Comparison of combustion engine, hybrid and electric powertrains. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 234(2�3), 469�487. https://doi.org/10.1177/0954407019860364

10.  Hu, J., Morais, H., Sousa, T., & Lind, M. (2016). Electric vehicle fleet management in smart grids: A review of services, optimization and control aspects. In Renewable and Sustainable Energy Reviews (Vol. 56, pp. 1207�1226). https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.12.014

11.  Rane, G., & Deshmukh, S. (2020). Development of Mount for Electric Powertrains-A Multi Degree of Freedom Optimization Approach. SAE Technical Papers, 2020-April(April). https://doi.org/10.4271/2020-01-0417

12.  Sandrini, G., Gadola, M., & Chindamo, D. (2021). Longitudinal dynamics simulation tool for hybrid apu and full electric vehicle. Energies, 14(4). https://doi.org/10.3390/en14041207

13.  Sz�nt�, A., & Sz�ki, G. �. (2020). Review of Modern Vehicle Powertrains and Their Modelling and Simulation in MATLAB/Simulink. International Journal of Engineering and Management Sciences, 5(2), 232�250. https://doi.org/10.21791/ijems.2020.2.29.

14.  �st�n, �., Tuncay, R. N., M�k�kcu, M. S., Kivan�, �. C., Tosun, G., G�k�e, C., & �akan, M. (2018). An integrated approach for the development of an electric vehicle powertrain: Design, analysis, and implementation. Turkish Journal of Electrical Engineering and Computer Sciences, 26(3), 1541�1554. https://doi.org/10.3906/elk-1701-136

15.  Duran, M., Ram�rez, G., Y Claudio, A. (2009). Determinaci�n de los requerimientos de par, velocidad angular y potencia para el motor de un veh�culo el�ctrico. 2-6. Recuperado de: http://amca.mx/memorias/amca2009/articulos/amca2009_54.pdf

16.  Dur�n, M., Gudi�o, J., Charre, S., y Alcal�, J. (2014). Modelado y Dise�o del Controlador para un Sistema de Tracci�n de un Veh�culo El�ctrico. Inf. tecnol, 25(6), 3. doi: 10.4067/S0718-07642014000600013

17.  Amaya-Trinidad, P., Guerrero-Castellanos, J. F., Munoz-Hern�ndez, G. A., Mino-Aguilar, G., & Saynes-Torres, J. (2012). Modelado, control y simulacion de un vehıculo el�ctrico. In Memorias del Congreso Nacional de Control Autom�tico (October 2012), Cd. del Carmen, Campeche, M�xico.

18.  V�zquez, E., Valenzuela, R., y Ponce, C. (2015). Dise�o de un tren de potencia de veh�culo el�ctrico para su aplicaci�n a un taxi. CULCyT, 57(1), 311-316. Recuperado de: http://erevistas.uacj.mx/ojs/index.php/culcyt/article/view/789/755

19.  Martinez, W., Cortes, C., Munoz, L., y Yamamoto, M. (2016). Dise�o de un tren de potencia el�ctrico de 200 kW para un veh�culo el�ctrico de alto desempe�o. Ing. Investig, 36(3), 67-70. doi: 10.15446/ing.investig.v36n3.53792

20.  Gao, Y., & Ehsani, M. (2009). Design and control methodology of plug-in hybrid electric vehicles. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 57(2), 633-640.

21.  Rocha-Hoyos, J., Tipanluisa, L. E., Reina, S. W., & Ayabaca, C. R. (2017). Evaluaci�n del Sistema de Tracci�n en un Veh�culo El�ctrico Biplaza de Estructura Tubular. Informaci�n tecnol�gica, 28(2), 29-36.

22.  Alcal�, I. y otros cuatro autores, Electric Vehicle Emulation Based on Inertial Flywheel and a Dc Machine, doi:dx.doi.org/10.15446/dyna.v81n183.31638, Dyna rev. fac. nac. minas, 81 (183), 86 - 96 (2014)�

23.  Trinidad, P., Guerrero, F., Hern�ndez, G., Mino, G., y Saynes, J. (2012). Modelado, control y simulaci�n de un veh�culo el�ctrico. D.R. � AMCA. 131-132. Recuperado de: https://www.researchgate.net/profile/Purificacion_Amaya_Trinidad2/publication/281870104_Model_simulation_and_control_of_an_electric_vehicle/links/55fc7cbb08aec948c4b6658b/Model-simulation-and-control-of-an-electric-vehicle.pdf

 

 

� 2021 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/)