diseÑo bÁsico del sistema propulsor elÉctrico para el … · 2012-05-30 · previa cesión a...

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

INGENIERO INDUSTRIAL

DISEÑO BÁSICO DEL SISTEMA PROPULSOR ELÉCTRICO PARA EL FUTURO VEHÍCULO DE FÓRMULA

SAE.

Autor: David Alonso Fuentes

Director: Juan de Norverto Moríñigo

Madrid

Mayo 2012

II

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS



III




AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN ACCESO

ABIERTO (RESTRINGIDO) DE DOCUMENTACIÓN

1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.

El autor D. DAVID ALONSO FUENTES, como ESTUDIANTE de la UNIVERSIDAD

PONTIFICIA COMILLAS (COMILLAS), DECLARA que es el titular de los derechos de

propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en relación con la obra PROYECTO

FINAL DE CARRERA: Diseño básico sistema propulsor eléctrico para el futuro vehículo

formula SAE, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el

sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual como titular único o cotitular de la

obra.

En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el

consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de

previa cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que

tiene la oportuna autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta

cesión o bien que retiene la facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la

presente cesión y así lo acredita.

2º. Objeto y fines de la cesión.

Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio

institucional de la Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita

(con las limitaciones que más adelante se detallan) por todos los usuarios del

repositorio y del portal e-ciencia, el autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de

forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo legal y con ámbito universal, los

derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de distribución, de

comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica, tal y

como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se

cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente.

IV




3º. Condiciones de la cesión.

Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la

cesión de derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá:

(a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a

internet; realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la obra en formatos

electrónicos, así como incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e

incorporar “marcas de agua” o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.

(b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos

electrónica, incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a

los efectos de garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato. .

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto

institucional, accesible de modo libre y gratuito a través de internet.

(d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital.

4º. Derechos del autor.

El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la

Universidad por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a:

a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario

de los derechos del documento.

b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a

través de cualquier medio.

c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá

ponerse en contacto con el vicerrector/a de investigación

([email protected]).

d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites

necesarios para la obtención del ISBN.

V




d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular

terceras personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a

los derechos de propiedad intelectual sobre ella.

5º. Deberes del autor.

El autor se compromete a:

a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no

infringe ningún derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o

cualquier otro.

b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la

intimidad y a la imagen de terceros.

c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por

daños, que pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran

infringidos sus derechos e intereses a causa de la cesión.

d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por

infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.

6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.

La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y

respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y

con fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la

Universidad asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:

a) Deberes del repositorio Institucional:

- La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no

garantiza ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan

un uso posterior de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior,

más allá de la copia privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría,

que no se obtenga beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas.

- La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá

bajo la responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones

VI




legales en nombre del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad

intelectual derivados del depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier

reclamación frente a la Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente

en que los usuarios hagan uso de las obras.

- La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en

un futuro.

b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en

él registradas:

- retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente justificados,

o en caso de reclamaciones de terceros.

Madrid, a 23 de Mayo de 2012.

ACEPTA

Fdo. David Alonso Fuentes

VII




Proyecto realizado por el alumno/a:

David Alonso Fuentes

Fdo.: …………………Fecha: ……/……/……

Autorizada la entrega del proyecto cuya información no es de carácter confidencial

EL DIRECTOR DEL PROYECTO

Juan Norverto Moriñigo

Fdo.: …………………Fecha: ……/……/……

Vº Bº del Coordinador de Proyectos

José Ignacio Linares Hurtado

Fdo.: ……………Fecha: ……/……/……

VIII




IX






DISEÑO BÁSICO DEL SISTEMA PROPULSOR ELÉCTRICO PARA EL FUTURO VEHÍCULO DE FÓRMULA

SAE.

Autor: David Alonso Fuentes

Director: Juan de Norverto Moríñigo

Madrid

Mayo 2012

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XI




DISEÑO BÁSICO DEL SISTEMA DE PROPULSIÓN ELÉCTRICO

PARA EL FUTURO VEHÍCULO DE FÓRMULA SAE.

Autor: Alonso Fuentes, David.

Director: Norverto Moríñigo, Juan.

Entidad colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.

RESUMEN DEL PROYECTO

La Fórmula SAE es una competición entre equipos de universidades en la cual

deben construir un monoplaza para superar diferentes eventos que pondrán a prueba

todos los elementos del vehículo desde el sistema de propulsión, estructura, sistema de

frenado, suspensiones, etc. Cada evento repartirá diferentes puntuaciones con lo que

finalmente habrá un equipo ganador.

Dado el ambiente internacional y profesional que envuelve el mundo de la

Fórmula SAE, se pretende desde la Universidad Pontificia Comillas estudiar las

posibilidades de formar un equipo propio. Observadores de grandes fabricantes de

automóviles así como empresas dedicadas a la ingeniería tienen en muy buena

consideración a los participantes de esta competición por lo que plantea como una

verdadera motivación para los estudiantes que busquen un perfil ingenieril dentro del

mundo de la automoción en un ambiente internacional.

Este proyecto se ha realizado con vistas a ser implantado en un vehículo de

Fórmula SAE que presumiblemente podría ser construido en años venideros en la

Universidad Pontificia Comillas. Los objetivos perseguidos para el diseño de este

sistema de propulsión han sido conseguir determinar los componentes que hagan capaz

al coche realizar el evento endurance completo así como el de aceleración. Estos

componentes son principalmente el motor (tipo, número, potencia, etc.), sistema de

almacenamiento de energía (capacidad, potencia, autonomía) y por último el sistema de

control (intensidad, admisión o no de frenada regenerativa).

XII




Para conseguir esto se ha partido de las velocidades y los tiempos obtenidos de

una vuelta al circuito en el que se realizaría la prueba. Estos datos se consideraron

buenos en su día cuando los llevó a cabo un vehículo con motor de combustión. Por lo

tanto se pretende, al menos, conseguir dar una vuelta igual de buena. Con estos datos se

determinarán los esfuerzos que debe vencer el vehículo en todo momento. A partir de

estos esfuerzos se han obtenido las potencias necesarias para superarlos en el tiempo y a

la velocidad requerida. Estas potencias serán los requerimientos mínimos a superar ya

que son por efectos físicos externos. Sin embargo será necesario aumentarlas aplicando

un rendimiento de la cadena cinemática a través de la cual se disipará energía en forma

de calor así como del motor.

Una vez se tiene un perfil de potencias que se debe superar se realiza un estudio

de los componentes disponibles en el mercado para elegir aquellos que presenten tanto

mejores prestaciones como mejores cualidades al vehículo como un todo. Se han tenido

en consideración parámetros como el peso o el tamaño, además de los requisitos de

potencia, tensión o capacidad de almacenamiento de energía, para la elección de los

principales componentes. Para completar el diseño de la planta de propulsión será

necesaria la instalación de los componentes de seguridad requeridos por la normativa,

los cuales también se detallan así como la configuración completa de la planta.

Tanto el diseño final del sistema completo como los componentes principales se

han elegido pensando en la realización de un proyecto simple ya que sería la primera

vez que la Universidad Pontificia Comillas participase en la competición. Por ello prima

esta simplicidad para obtener con más seguridad un funcionamiento correcto de toda la

planta. Se planteará para un futuro posibles modificaciones de la misma con el objetivo

de mejorarla y poder competir de forma más ambiciosa.

Para cerciorarse de que los componentes elegidos funcionan como se esperaba

cumpliendo las expectativas se ha realizado un modelo en la herramienta de simulación

de Matlab, Simulink. Con este modelo se pretende asegurar que el motor es capaz de

entregar las potencias calculadas anteriormente con los cambios de velocidad

requeridos, utilizando los datos específicos de cada componente. Este modelo no se

ajusta exactamente a la realidad en la medida en que utiliza unos controladores para

ajustar la velocidad a la referencia teniendo en cuenta también el par que debe entregar.

En el vehículo real, este control no existe sino que será el propio piloto el que a través

del acelerador indique al sistema de control la demanda del piloto. La función de este

XIII




sistema de control será aplicar al motor la tensión necesaria para obtener la intensidad y

por tanto el par y velocidad requeridos por el piloto en función de la posición del

acelerador. El modelo finalmente no solo asegurará que el sistema responderá

correctamente a los requerimientos de una vuelta sino que también lo hará frente a los

requerimientos del evento de aceleración. Estos requerimientos vendrán impuestos por

normativa para superar el evento.

Se determinará pues que el sistema elegido funcionará correctamente,

comentando varias conclusiones. Se verá la importancia determinante de varios

parámetros a la hora de simular como puedan ser la frecuencia de cálculo en la

simulación o la elección del puente de diodos para el control de la tensión del motor, ya

que el motor elegido habrá sido de corriente continua. También será tenida en cuenta la

importancia en el dimensionamiento del sistema las posibles sobredimensiones,

teniendo en cuenta hasta qué punto merecen la pena según rendimiento o prestaciones.

Esto es especialmente importante a la hora de elegir tanto las baterías en las que se

deberá vigilar el State Of Charge para que el rendimiento no descienda por debajo de

unos límites preestablecidos, como en el motor el cual funcionará cercano a su potencia

nominal la mayoría del tiempo. Los picos de potencia que podrá entregar el motor serán

también importantes, ya que según el modelo elegido estos serán mayores, influyendo

notablemente en el precio.

Finalmente se hará una breve indicación de los costes totales estimados para el

sistema completo basándose en los precios proporcionados por los distribuidores y

fabricantes especializados que han sido consultados.

XIV




BASIC ELECTRICAL PROPULSION SYSTEM DESIGN FOR A

FORMULA SAE VEHICLE.

Project summary.

Formula SAE is a competition between teams made up of students from

different universities who have to build a vehicle in order to overcome several events.

These events will test all the components including the propulsion system, structure,

braking system or suspension. Every event will give punctuation so at the end will be a

winner team.

Due to the international and professional atmosphere involving Formula SAE,

“Pontifical Comillas” University wants to examine if it is possible to have its own team.

Headhunters who belong to car manufacturers or engineering companies appreciate

quite well to candidates who have work on it. Therefore, this motivates students who

want to develop their career as automobile engineers in an international atmosphere.

This project has been developed in order to be implemented in a Formula SAE

vehicle that could be built by “Pontifical Comillas” University next years. The main

objectives have been to choose components in order to pass the endurance and

acceleration event. Principal components are the electric motor (type, number of them,

power), energy storage (capacity, power, autonomy) and control system (current,

regenerative braking or not).

To get this, the starting point has been the speed and time for a typical lap on the

circuit. These data was considered to be correct for a vehicle with thermic engine. Thus,

the aim is to get at least these results. Speed and time will determine the efforts that the

vehicle must overcome, and then, power will be obtained. This will be the minimum

power required in order to overcome physical efforts. However, it will be necessary to

apply a coefficient to represent heat loses through the cinematic chain.

Once the power needed is obtained, components available in the market will be

examined to choose the ones that offer the best characteristics as well as the best

qualities. Parameters as weight or size has been taken into account in addition to

requirements as power, voltage or capacity to store energy, focused to choose main

XV




components. Installation of security components will be mandatory as a requirement of

security official rules. These components will be specified as well as the complete

propulsion system.

As a first experience of “Pontifical Comillas” University in Formula SAE

competition, final system design and components have been chosen aimed to perform a

simple project. This simplicity is very important to ensure that the propulsion system

works properly. Some modifications are proposed to be implemented in the future in

order to be more ambitious and improve the propulsion system.

To be sure that main components work as they are expected, a model has been

developed in Simulink, the simulation tool provided by Matlab. This model will test if

the motor gives the power calculated and if it is able to vary speed as fast as required.

Specific parameters of main components will be introduced. The model uses PI

controllers to adjust the speed to reference taking into account the torque required. In

the real vehicle these controllers do not exist, the driver will control speed and torque

giving orders to a control system through the throttle. This control system will apply

different voltage to the motor to obtain current and then torque depending on the

requirements of the driver. Finally, the model not only will ensure the correct

performance of the propulsion system during a lap, but also will ensure a correct

performance during the acceleration event. These minimum requirements of

acceleration will be imposed by official rules.

At the end, a correct performance of the system will be determined, explaining

several conclusions. As the motor chosen will be a DC motor, the great importance of

frequency in calculations or the four diodes bridge used to control the voltage applied to

the motor will be explained en deep. In addition, it will be checked when it is useful to

over dimension some of the components taking into account prices, characteristics or

efficiency. This will be important to choose the battery for example, because the State of

Charge should not be under a certain value and then, the capacity should have a

minimum value. Peaks of power given by different models of motor will be also

determinant to choose the final one; the price is very different depending on the model.

Finally a brief indication of final costs based on prices offered by specialized

manufacturers will be shown.

XVI




XVII




Índice de la memoria

Parte I Memoria .......................................................................................... 5

Capítulo 1 Introducción .................................................................................... 7

1.1 Estudio de los trabajos existentes / tecnologías existentes .................................... 10

1.2 Motivación del proyecto .......................................................................................... 17

1.3 Objetivos ................................................................................................................... 18

1.4 Metodología / Solución desarrollada ...................................................................... 18

1.5 Recursos / herramientas empleadas ....................................................................... 19

Capítulo 2 Dimensionado del sistema de propulsión. ................................... 21

2.1 Cálculos realizados. ................................................................................................. 22

2.1.1 Esfuerzos a vencer. Ecuaciones. .............................................................................................. 22

2.1.2 Comportamiento del vehículo. ................................................................................................. 27

2.1.3 Potencias y energía. ................................................................................................................. 31

2.1.4 Consideraciones previas a los cálculos. ................................................................................... 32

2.1.5 Resultados. ............................................................................................................................... 34

2.2 Elección de componentes ......................................................................................... 37

2.2.1 Elección del motor ................................................................................................................... 37

2.2.2 Elección del sistema de almacenamiento de energía. ............................................................... 43

2.2.3 Elección del sistema de control. ............................................................................................... 47

2.2.4 Otros componentes. .................................................................................................................. 49

2.2.5 Configuración de la planta y montaje. ..................................................................................... 55

2.3 Modelo en Simulink. ................................................................................................ 58

2.3.1 Explicación del modelo. ........................................................................................................... 58

Capítulo 3 Resultados/Experimentos ............................................................. 67

3.1 Respuesta al escalón................................................................................................. 68

3.2 Simulación de una vuelta completa al circuito. ..................................................... 70

XVIII




3.3 Simulación del evento de Aceleración. ................................................................... 83

3.4 Análisis de sensibilidad. ........................................................................................... 85

Capítulo 4 Conclusiones ................................................................................. 89

Capítulo 5 Futuros desarrollos ....................................................................... 93

Bibliografía 94

Parte II Estudio económico ........................................................................ 97

Capítulo 1 Presupuesto Económico. .............................................................. 99

Parte III Datasheets ................................................................................... 101

ÍNDICE DE TABLAS

- 1 -




Índice de figuras

Figura 1: Recorrido de la prueba skid-pad [FSAE12]. ............................................ 9

Figura 2: Funcionamiento de un motor DC [EHSA10]. ....................................... 11

Figura 3: Funcionamiento de motor de inducción [EHSA10]. ............................. 11

Figura 4: Sección de un motor BLDC [EHSA10]. ................................................ 12

Figura 5: Líneas de flujo en un motor SRM [EHSA10]........................................ 13

Figura 6: Sección de dos SRM, izqda. 6/4 polos, derecha 8/6 polos [EHSA10]. . 13

Figura 7: Resumen de tipos de motores [EHSA10]. ............................................. 14

Figura 8: Rendimiento de baterías según SOC [EHSA10]. .................................. 16

Figura 9: Esquema de esfuerzos que debe superar un vehículo [EHSA10]. ......... 23

Figura 10: Esfuerzo de rodadura por la deformación del neumático [EHSA10]. . 24

Figura 11: Diferencia de presiones que generan el esfuerzo aerodinámico

[EHSA10]. ............................................................................................................. 26

Figura 12: Características par-velocidad y potencia-velocidad óptimas [EHSA10].

............................................................................................................................... 28

Figura 13: Intersección de la curva del motor con la curva de resistencia a la

pendiente [EHSA10]. ............................................................................................ 29

Figura 14: Característica par-velocidad para distintas relaciones x [EHSA10]. ... 30

Figura 15: Potencia instantánea requerida por esfuerzos externos. ....................... 35

Figura 16: Potencia instantánea entregada por las baterías. .................................. 35

Figura 17: Variación de energía del vehículo durante la vuelta. ........................... 36

Figura 18: Motor de inducción ALREN. ............................................................... 39

Figura 19: Respuesta de par del conjunto de los dos LEM-200 D135RAG. ........ 41

Figura 20: Lynch LEM200 D135RAG ................................................................. 42

ÍNDICE DE TABLAS

- 2 -




Figura 21: Características de los LEM 200. .......................................................... 42

Figura 22: Paquete de baterías, BMS y cargador. ................................................. 45

Figura 23: Kelly Controller KDH09501A. ............................................................ 48

Figura 24: Interruptores. ........................................................................................ 50

Figura 25: Setas de emergencia. ............................................................................ 50

Figura 26: Interruptores de inercia. ....................................................................... 51

Figura 27: IMD recomendado por la normativa. ................................................... 51

Figura 28: Brake over-travel switch. ..................................................................... 51

Figura 29: Relés de protección. ............................................................................. 52

Figura 30: Fusible. ................................................................................................. 52

Figura 31: Paquete de baterías GBS. ..................................................................... 53

Figura 32: Pedal de acelerador. ............................................................................. 53

Figura 33: Diferencial de Torsen Traction. ........................................................... 54

Figura 34: Escobillas para motores LEM200. ....................................................... 54

Figura 35: Cables para zona de tracción y de control. ........................................ 54

Figura 36: Circuito de control impuesto por la normativa [FSAE12]. .................. 56

Figura 37: Configuración del sistema de tracción [EHSA10]. .............................. 57

Figura 38: Configuración general del sistema de propulsión. ............................... 57

Figura 39: Bloque de cálculo de potencias. ........................................................... 58

Figura 40: Modelo Simulink. ................................................................................ 59

Figura 41: Bloques de ciclos y cálculos iniciales. ................................................. 60

Figura 42: Ciclo de velocidad en Simulink. .......................................................... 60

Figura 43: Calculo de par, potencia y velocidad requeridos por el motor. ........... 61

Figura 44: Bloque motor en Simulink. .................................................................. 62

Figura 45: Esquema del bloque motor de la biblioteca SimPowerSystems. ......... 63

Figura 46: Generación de pulsos con dientes de sierra. ........................................ 64

Figura 47: Demux. ................................................................................................. 65

ÍNDICE DE TABLAS

- 3 -




Figura 48: Escalón de velocidad. .......................................................................... 68

Figura 49: Escalón de par. ..................................................................................... 69

Figura 50: Comparación de pares en. Simulink. ................................................... 70

Figura 51: Comparación de pares (Nm) a alta frecuencia. .................................... 71

Figura 52: Par (Nm) entregado a baja frecuencia. ................................................. 71

Figura 53: Comparativa de velocidades (rpm) en Simulink. ................................. 72

Figura 54: Influencia del par (Nm) en el perfil de velocidades (rpm). ................. 73

Figura 55: Diferencia de velocidades (rpm) entre la de referencia y la entregada

por el motor. .......................................................................................................... 74

Figura 56: Pico máximo de diferencia de velocidades (rpm). ............................... 75

Figura 57: Par entregado (Nm) durante el pico máximo de diferencia de

velocidades. ........................................................................................................... 75

Figura 58: Comparación de potencias (kW) real y calculada. .............................. 76

Figura 59: Distribución de potencias (W) según esfuerzos. ................................. 78

Figura 60: Aceleraciones requeridas (m/s2). ......................................................... 79

Figura 61: Energía consumida (kWh). .................................................................. 80

Figura 62: Energía disponible de frenadas (kWh). ................................................ 81

Figura 63: Energía (kWh) instantánea con 100% de frenada regenerativa. .......... 82

Figura 64: Par (Nm) para evento de Aceleración. ................................................. 83

Figura 65: Velocidad (rpm) en el evento de Aceleración. .................................... 84

Figura 66: Potencia (kW) durante el evento de Aceleración. ................................ 84

Figura 67: Potencia entregada por el motor (kW) con 400 kg. ............................. 85

Figura 68: Coeficiente de resistencia a rodadura en función de la velocidad

(km/h). ................................................................................................................... 86

Figura 69: Potencia (kW) más desfavorable. ........................................................ 87

ÍNDICE DE TABLAS

- 4 -




Índice de tablas

Tabla 1: Valores típicos del coeficiente de resistencia a la rodadura [EHSA10]. . 25

Tabla 2: Resumen de parámetros utilizados. ......................................................... 33

Tabla 3: Velocidades y tiempos de una vuelta al circuito con un monoplaza de F.

SAE. ...................................................................................................................... 34

Tabla 4: Resumen de requisitos para componentes ............................................... 38

Tabla 5: Resumen motores trifásicos. ................................................................... 38

Tabla 6: Comparativa de posibles motores de DC. ............................................... 40

Tabla 7: Parámetros de diseño de las baterías. ...................................................... 43

Tabla 8: Comparativa de tipos de baterías. ........................................................... 44

Tabla 9: Características técnicas de las baterías (elitepowersolutions.com). ........ 46

Tabla 10: Controladores posibles. ......................................................................... 47

Tabla 11: Controladores finales. ........................................................................... 48

Tabla 12: Lista de componentes secundarios. ....................................................... 49

Tabla 13: Precio de los componentes y precio total. ............................................. 99

MEMORIA

- 5 -




Parte I MEMORIA

MEMORIA

- 6 -




MEMORIA

- 7 -




Capítulo 1 INTRODUCCIÓN

La Fórmula SAE es una competición entre universidades cuyo objetivo es la

construcción de un pequeño monoplaza de carreras. Esta competición está organizada

por la SAE International (Society of Automotive Engineers).

La Fórmula SAE nace en los años 80, cuando estudiantes en la Universidad de

Texas en Austin, Estados Unidos, surge la idea de organizar una competición parecida a

la Mini-Indy pero con nuevos cambios. Las nuevas reglas serían menos estrictas y se

permitiría, no solo el diseño del chasis sino también de motores y demás componentes

del vehículo. Fue entonces cuando se recurrió a la SAE para su organización,

adquiriendo así el nombre actual.

Hoy en día, la competición se ha extendido mucho, llegando a ser reconocida

internacionalmente. Actualmente, además de en Estados Unidos, se pueden encontrar

competiciones con pequeñas variaciones en su correspondiente normativa en Brasil,

Australia, Italia, Reino Unido y Alemania.

Como dice la SAE International1, el concepto que hay detrás de la Fórmula SAE

es que una compañía de fabricación contrata a un equipo de diseño para desarrollar este

monoplaza. Se evaluará el potencial de este producto para su fabricación. Para ello el

equipo de diseño, el que formarán las distintas universidades competidoras, debe

diseñar, construir y testear el monoplaza según unas reglas impuestas por la

organización con el objetivo tanto de mantener unas normas de seguridad comunes para

todos los equipos, como de asegurar la resolución de ciertos problemas planteados para

cumplir con una serie de eventos.

La Fórmula SAE lanza a muchos ingenieros al sector de la automoción, ya que

en la competición durante el proyecto se trabaja sobre temas de este sector como diseño,

testeo, fabricación, marketing, financiación o su viabilidad económica. Es una manera

de sacar a los estudiantes de las clases para aplicar sus conocimientos teóricos

adquiridos durante sus estudios.

En 2006, la universidad estadounidense Dartmouth College, participante de

F.SAE, creó por primera vez el concepto de Fórmula SAE híbrida, con vehículos con

motores eléctricos y de combustión. Pero no fue hasta 2010 cuando en la competición

organizada en Alemania propuso utilizar solamente motores eléctricos, dando así lugar a

la Fórmula SAE eléctrica.

1 www.students.sae.org

MEMORIA

- 8 -




Durante la competición, los equipos deberán superar dos tipos de eventos,

estáticos y dinámicos, descritos por la normativa, los cuales serán puntuados según la

misma. El objetivo es sumar el mayor número de puntos posible, resultando equipo

ganador el que más consiga sumando los obtenidos en todas las pruebas.

Los eventos estáticos constan de cuatro pruebas. Los equipos deberán superar un

evento de costes y fabricación, de presentación y de diseño, y una inspección técnica

para comprobar que el monoplaza se adecúa a la normativa. Se comprueba que el

vehículo está correctamente equipado con sus medidas de seguridad, neumáticos

correctos, requerimientos estructurales, etc. Este último evento no puntúa. Para el

evento de costes y fabricación se deberá presentar un informe que incluya costes fijos,

variables, listas de materiales, procesos de fabricación, implantación de lean

manufacturing, diseños de fabricación y ensamblado, componentes comprados, etc. El

objetivo de este evento es enseñar a los participantes la importancia de los costes y

presupuestos a la hora de realizar un proyecto, coger experiencia creando listas de

materiales y entender los principios del lean manufacturing. En cuanto al evento de

presentación, su objetivo es evaluar la capacidad y la habilidad de un equipo para

convencer a los ejecutivos, representados por los jueces de la competición, de una

compañía de que su proyecto es el que mejor se ajusta a la demanda. Por último, el

evento de diseño pretende evaluar el esfuerzo de los ingenieros por adecuar su diseño a

la demanda del mercado. Se tendrá en cuenta el mejor entendimiento del diseño por

parte de los ingenieros, y solamente se evaluarán los componentes propiamente

diseñados, no los adquiridos como productos acabados. El informe a presentar deberá

incluir conceptos del diseño, planos, listas de análisis y técnicas de testeo.

En los eventos dinámicos, como su nombre indica, sí se evaluará el

funcionamiento del vehículo. Se deberán superar eventos de aceleración, skid-pad,

autocross, endurance y eficiencia energética. Para superar la prueba de aceleración, el

monoplaza deberá ser capaz de recorrer 75 m. en menos de 5,8 s. partiendo de parado. A

partir de este tiempo, la puntuación aumentará. Cabe destacar que existe un margen en

el caso probable de que el coche inicialmente derrape debido al alto par inicial. Este

margen se tendrá en cuenta en el momento de la salida situando las ruedas motrices 30

cm por detrás de la línea de start. Hasta que las ruedas motrices no superen esta línea no

comienza a medirse el tiempo de la prueba. Respecto a la prueba de skid-pad, tratará de

mostrar la respuesta de cada vehículo a aceleraciones laterales. Para ello cada

monoplaza deberá realizar una vuelta a una curva de radio constante. En la Figura 1 se

puede ver el recorrido propuesto por la organización para la Formula Student Germany

2012.

MEMORIA

- 9 -




Figura 1: Recorrido de la prueba skid-pad [FSAE12].

Se medirá el tiempo que tarda el monoplaza en realizar el recorrido. Llegados a

este punto es momento de probar el coche en una vuelta real al circuito de manera

individual, sin el obstáculo de otros monoplazas en pista. En esto consiste el evento de

autocross. Para terminar se deberán superar los eventos de endurance y eficiencia. Pese

a que ambos eventos se desarrollan de manera simultánea ya que se mide la eficiencia

durante la prueba endurance, son dos eventos diferentes con puntuaciones por separado.

El objetivo de la prueba endurance es probar la durabilidad del coche sometido a

esfuerzos durante un tiempo prolongado. Esta prueba también exigirá pilotos con

destreza ya que podrán estar en pista hasta cuatro monoplazas al mismo tiempo. En

cuanto a la eficiencia simplemente se puntuará según la energía consumida en función

de las vueltas dadas y teniendo en cuenta el tiempo por vuelta. Pueden verse los cálculos

exactos de las puntuaciones de cada prueba en “Formula Student Electric Rules 2012”.

Introducido ya en el mundo de competición de la Fórmula SAE, el lector se

encontrará en el contexto adecuado para entender los términos específicos de esta

competición que se utilizarán a lo largo del presente proyecto.

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- 10 -




1.1 ESTUDIO DE LOS TRABAJOS EXISTENTES / TECNOLOGÍAS

EXISTENTES

Es la primera vez que se plantea la formación de un equipo de Fórmula SE en la

Universidad Pontifica Comillas por lo que se empezará el diseño desde el principio. No

obstante existen otros equipos en España los cuales son un referente. Se ha tenido la

oportunidad de visitar las instalaciones del equipo de la Universidad Politécnica de

Madrid para una primera toma de contacto con el ambiente de un equipo de Fórmula SE

real. Allí se han obtenido unas primeras directrices tanto de parámetros como

componentes. Hablaban de un peso del coche en vacío entorno a los 270 kg, de los

cuales algo más de un 10% se aprovecha nada más que en baterías, hablaban también de

un área frontal de algo menos de 1 m2

y de coeficientes aerodinámicos del orden de

0,35. Estos datos son interesantes para tener un primer orden de magnitud para hacer un

dimensionado inicial. Su experiencia ha servido para saber que en el mercado actual de

motores eléctricos los más frecuentes y los más fácil y rápidamente suministrados son

los motores de imanes permanentes. Esta facilidad y rapidez se hace necesaria a la hora

de cumplir fechas para entrar en la competición, pero esto se verá más en detalle

posteriormente. Como presupuesto rápido del vehículo completo dieron una cifra de

15000 € dedicando alrededor de dos terceras partes al sistema de propulsión, facilitando

además algunos de sus proveedores. Todos estos datos y algunos más, como ya se ha

dicho, sirven para confeccionar el marco en el que nos vamos a mover, antes de

meternos en profundidad a realizar el proyecto.

Entrando en materia, en este apartado se va a hablar de motores eléctricos,

sistemas de almacenamiento de energía como baterías o sus respectivos sistemas de

regulación. Existen muchas variedades de estos componentes, los cuales se presentarán

a continuación. Dado que el objetivo de este proyecto, como se concretará más adelante,

es el dimensionado del sistema de propulsión completo, con los elementos que se

acaban de nombrar, se explicará a continuación el estado actual de estas tecnologías. En

última instancia, con los resultados encima de la mesa y con las especificaciones

requeridas para un óptimo funcionamiento del monoplaza, se procederá a la elección de

estos componentes.

Se comenzará con los distintos tipos de motores eléctricos existentes. En primer

lugar se encuentran con los Motores de Corriente Continua (MCC, Figura 2). La

tecnología madura de estos motores unida a la sencillez en el control de velocidades han

hecho e estos motores una apuesta fácil para aplicaciones de propulsión. Sin embargo,

su principal problema es la presencia de las escobillas para transmitir la potencia al

rotor, ya que los costes de mantenimiento pueden dispararse y no se consiguen alcanzar

regímenes de velocidad deseados.

En la actualidad, se han desarrollado ya motores que no necesitan de estas

escobillas ni de un conmutador consiguiendo aumentar la eficiencia, la densidad de

MEMORIA

- 11 -




potencia y los costes de mantenimiento. Por ello se han ido convirtiendo este tipo de

motores en una alternativa más atractiva a los MCC. Los Motores de Inducción (MI,

Figura 3) son el ejemplo más frecuente de motores sin escobillas. Estos MI pueden

presentar dos tipos de rotores, rotor bobinado o de jaula de ardilla. Este último se

presenta como la opción más adecuada para aplicaciones en sistemas de propulsión.

Figura 2: Funcionamiento de un motor DC [EHSA10].

Figura 3: Funcionamiento de motor de inducción [EHSA10].

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Si se sustituye el bobinado que genera el campo por Imanes Permanentes (IP),

además de eliminar escobillas, eliminamos las pérdidas en el cobre y los anillos de

deslizamiento. Este tipo de motores son fundamentalmente Motores Síncronos (MS) y

dada su alta densidad de potencia y su alta eficiencia se han convertido en una opción

con gran potencial para aplicaciones de propulsión.

Existe la opción también de invertir el rotor y el estator de estos motores

obteniendo los que se conocen como motores BLDC (Brushless DC motors, Figura 4).

Se llaman así pese a no funcionar con corriente continua sino con alterna rectangular, lo

que les da su principal característica, la entrega de pares muy grandes. En este caso los

imanes permanentes se encuentran en el rotor que gira debido al campo magnético

creado por la corriente rectangular del estator. Pese a presentar ventajas como la

compacidad, alta eficiencia, o sencillez en control y refrigeración, temas como su

seguridad, el rango de velocidades o la desmagnetización pueden ser la causa de que

estos motores no acaben de ser la alternativa. Existen varios materiales para la

fabricación de los imanes permanentes, pero es un tema en el que no se va a entrar en

detalle ya que depende del fabricante.

Figura 4: Sección de un motor BLDC [EHSA10].

Existe una última opción dentro de los motores más frecuentes, los Motores de

Reluctancia Conmutada (SRM, Switched Reluctance Motors, Figura 5 y Figura 6). Son

baratos, sencillos y presentan unas características par-velocidad muy adecuadas para las

aplicaciones en sistemas de propulsión. Sin embargo, su sistema de control es

complicado dados los sensores de posición que utiliza. Estos son sensibles a vibraciones

y sometimientos mecánicos, a la temperatura y la suciedad por lo que es el principal

problema de este tipo de motores.

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Figura 5: Líneas de flujo en un motor SRM [EHSA10].

Figura 6: Sección de dos SRM, izqda. 6/4 polos, derecha 8/6 polos [EHSA10].

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- 14 -




Figura 7: Resumen de tipos de motores [EHSA10].

Ya se han visto los tipos de motores que más se utilizan en sistemas de

propulsión como pueden ser el actual proyecto, cuyo resumen puede encontrarse en la

Figura 7. Toca ahora hablar de los sistemas de almacenmiento de energía.

Para ello se van a introducir primero dos conceptos en los cuales se basarán las

decisiones a la hora de elegir los componentes. El primero es la energía específica

(Wh/kg), es la energía que podemos almacenar con nuestro componente por unidad de

masa de éste. El segundo es la potencia específica (W/kg), es la potencia que será capaz

de entregar nuestro sistema de almacenamiento de energía por unidad de masa que

tengamos de éste. Estos conceptos irán unidos cada uno a un sistema de

almacenamiento de energía distinto. Las baterías se caracterizarán por tener una energía

específica elevada mientras que serán los supercondensadres los que podrán

proporcionar las mejores prestaciones en cuanto a potencia específica. Existe un tercer

componente que sería interesante estudiar si no se tratase de una aplicación para un

vehículo en movimiento, nos referimos a los volantes de inercia. Estos sistemas

presentan principalmente dos problemas para poder aplicarlos en vehículos eléctricos.

El primero es el efecto giroscópico generado sumando los efectos del giro a alto

régimen del volante de inercia con los esfuerzos en el vehículo a la hora de desviarse de

cualquier trayectoria plana y recta. Esto mermaría notablemente la maniobrabilidad del

coche. El segundo problema que presentan los volantes de inercia es de seguridad. Dado

su alto régimen de giro, si este sistema fallase, toda la energía almacenada en él deberá

disiparse de alguna manera, escapándose a nuestro control. Esto podría producir graves

daños en el vehículo y lo que es peor, en el conductor. Se centrará el estudio por tanto

en los dos sistemas comentados en primer lugar.

Las baterías son sistemas de almacenamiento de energía química. Transforman

la energía eléctrica de la carga en energia química y posteriormente la vuelven a

transformar en energía eléctrica en la descarga. Para definir una batería, los fabricantes

las especifican según su capacidad (en Amperios hora [Ah]) y su tasa de descarga (horas

[h]). Existen otros parámetros importantes cuando se habla de baterias, el SOC (State Of

Charge) que se define como el ratio entre la capacidad restante y la capacidad nominal;

y la eficiencia definida en cada punto como la tensión de operación entre la tensión

termodinámica (entregada según la reacción química).

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Efciencia de carga:

Eficiencia de descarga:

Lo que realmente resultará interesante es la relación entre la eficiencia en la carga y la

descarga en función del nivel del SOC. Esto puede apreciarse fácilmente en la Figura 8.

En la actualidad existen varias tecnologías maduras y viables a la hora de

fabricar una batería. La primera que se verá son las baterías de ácido-plomo. Sus

principales ventajas son el precio y la relativamente alta potencia específica. Sin

embargo, debido al alto peso molecular del plomo la energía específica es baja; presenta

problemas de rendimiento a temperaturas por debajo de los 10ºC y problemas

medioambientales al final de su vida útil ya que estamos tratando con electrodos de

plomo. Cabe mencionar la importancia de los rendimientos a temperaturas por debajo

de los 10ºC ya que la competición se desarrolla en Alemania, cuyo clima no permite que

la temperatura exceda demasiado este límite en ciertas estaciones del año.

El siguiente grupo son las baterías base-níquel. Dentro de este grupo se

encuentran las baterías níquel-hierro, las cuales todavía no han entrado con fuerza en el

mercado. Estas baterías son más caras y complicadas que las de plomo, además de tener

también problemas con los rendimientos a bajas temperaturas, aunque no tanto como las

anteriores. Su principal ventaja es la alta vida útil.

Las baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) han mejorado mucho sus características

con los últimos avances tecnológicos. Los únicos problemas que presentan son el alto

coste inicial, el hecho de que el cadmio es cancerígeno con las consecuencias de salud y

medioambientales que pueden surgir y la baja tensión unitaria por celda.

MEMORIA

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Figura 8: Rendimiento de baterías según SOC [EHSA10].

Dentro del grupo de baterías base-níquel, se encuentran también las de base

níquel-hidruro metálico (Ni-MH), que presentan características muy similares a las de

Ni-Cd. El hidruro metálico hace la función del cadmio como electrodo negativo. Es por

esta razón que las Ni-MH están sustituyendo a las de cadmio ya que no presentan los

problemas de toxicidad de este metal pesado y que además la energía específica de estas

baterías es mayor. Tanto es así que fabricantes como Toyota y Honda están

incorporando a sus modelos híbridos estas baterías Ni-MH.

Por último, cabe hablar de las baterías de base-litio. Dentro de este grupo se

encuentran las baterías de polímero de litio (Li-P). Sus principales ventajas son la naja

tasa de auto-descarga, la flexibilidad de tamaños y formas en que puede fabricarse

gracias a la versatilidad del polímero. Sin embargo no trabaja bien a temperaturas bajas

debido a la influencia de la temperatura en la conductividad del metal. Para terminar, las

baterías de iones de litio (Li-I) son cada vez más aceptadas en el mundo del

automovilismo ya que se consideran las baterías recargables más prometedoras para el

futuro.

Como se comentaba antes, los supercondensadores son el segundo sistema de

almacenamiento de energía que se van a estudiar. Estos componentes apenas alcanzan

unos pocos Wh/kg de energía específica, sin embargo pueden llegar a entregar cerca de

3 kW/kg. Dada su baja energía específica, se hace muy complicada la utilización de

estos componentes como sistemas de almacenamiento de energía sin el apoyo de otros

que puedan aportar esta característica de la que ellos carecen. En este caso será

interesante la composición de un sistema híbrido de baterías y supercondensadores. Con

este sistema, cada componente nos aporta sus mejores características obteniendo tanto

potencia como energía específica elevadas. Además, se mejora el aguante y vida útil de

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la batería así como la energía disponible. Esto es debido a que gracias al

supercondensador se mejora notablemente tanto las descargas de energía como la

energía aprovechable disponible en la frenada regenerativa, ya que es capaz de absorber

grandes cantidades de energía en poco tiempo dada su elevada potencia específica.

En lo que al sistema de control se refiere, existen múltiples opciones dependiendo

del motor que se vaya a utilizar. Sin embargo, existen componentes capaces de controlar

cualquier sistema de motor y baterías, simplemente con una buena programación.

Además, existen varias restricciones y varios componentes de seguridad en la

normativa, así como esquemas obligatorios a seguir, con lo que el sistema de control,

salvo en la programación, en lo que al hardware se refiere, se puede decir que es

relativamente fijo. Hablaremos más despacio de él y de cómo se dispondrá finalmente

cuando hablemos de los componentes elegidos.

1.2 MOTIVACIÓN DEL PROYECTO

En la actualidad los automóviles con motores eléctricos están adquiriendo cada

vez más fuerza. La necesidad de reducción de emisiones en las áreas urbanas hace que

los fabricantes de automóviles que construyen este tipo de vehículos sean cada vez más.

Es por ello que incluso el mundo de la Formula Student se une a esta corriente

para implantar motores eléctricos en sus monoplazas, ya que es tendencia natural el

desarrollo de tecnologías en competición para su posterior implantación en vehículos de

venta al público. Es en este contexto donde los jóvenes ingenieros, además de la

experiencia adquirida en el desarrollo de su proyecto de Formula Student, consiguen

abrir sus puertas para un futuro ya que en el caso de Alemania, observadores de las

grandes compañías de este sector van en busca de nuevos talentos a este tipo de eventos.

Dado este panorama, de competición, trabajo en equipo, desarrollo de nuevas

tecnologías y oportunidades profesionales, se pretende desde ICAI crear un equipo que

pueda participar en esta competición. Un estudio de viabilidad ya ha demostrado que

medios no le faltan a ICAI para el desarrollo de un monoplaza por lo que puede ser este

diseño de su motor eléctrico el comienzo de un gran equipo.

MEMORIA

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1.3 OBJETIVOS

A continuación se muestran los objetivos principales de este proyecto:

Elección y dimensionado del motor eléctrico que sustituirá al motor de

combustión que actualmente utilizan los monoplazas de Formula SAE.

Elección y dimensionado de las baterías que aportarán la energía al motor, así

como su situación en el monoplaza ya que serán una de los componentes más

pesados del mismo.

Elección del sistema de regulación y control del motor para un adecuado

desarrollo durante la competición así como proporcionar una adecuada respuesta

a las exigencias del piloto.

De manera secundaria se pretende conseguir lo siguiente:

Reducción de emisiones de manera local al hacer el cambio de motor de

combustión a motor eléctrico.

Desarrollar un modelo que pueda servir de base para un futuro desarrollo de

motores eléctricos en el mundo de la competición.

Afianzar el uso de motores eléctricos en aplicaciones automóviles como

verdadera alternativa a los motores de combustión.

1.4 METODOLOGÍA / SOLUCIÓN DESARROLLADA

Para la consecución de estos objetivos y la correcta realización del proyecto se

seguirán los siguientes pasos:

Recopilación de información, tanto de proyectos similares como del mundo en

el que nos vamos a mover, teniendo en cuenta las reglas que se imponen para la

competición.

Lectura y estudio de la materia en cuestión. Bibliografías de vehículos

eléctricos, incluyendo desde las ecuaciones que regirán el comportamiento del

motor, los esfuerzos a los que se somete el vehículo, hasta los distintos

componentes como los diferentes tipos motores eléctricos y baterías.

Definición clara de objetivos que marquen el camino a seguir para su correcta

consecución.

Planificación de las tareas necesarias para su consecución, estableciendo fechas

límite.

Análisis de requisitos para establecer un punto de partida. Incluirá un cálculo

orientativo de la potencia necesaria en el motor para un dimensionamiento

inicial.

MEMORIA

- 19 -




Análisis de resultados, comparando con los datos calculados y extrayendo la

información necesaria para el dimensionado del sistema propulsor.

Selección de los componentes (motores, baterías y sistema de regulación) según

la información obtenida. Correspondientes costes y presupuesto.

Optimización del modelo inicial mediante simulación introduciendo datos

(velocidades, tiempos, etc.) obtenidos de un monoplaza de motor térmico con

características similares.

Análisis de riesgos. Se comentarán los principales como puede ser el aislamiento

del sistema eléctrico del resto del coche y sus componentes metálicos.

Conclusión final. Se presentará el sistema de propulsor elegido con sus

características.

1.5 RECURSOS / HERRAMIENTAS EMPLEADAS

Se utilizarán como recursos los apuntes de la plataforma SIFO de las asignaturas

relevantes como pueden ser Motores de Combustión Interna Alternativa, Máquinas

Eléctricas o Regulación Automática.

Esta información será necesaria ampliarla con bibliografías recomendadas para

tal fin, como son las relativas a vehículos tanto térmicos como eléctricos, y baterías.

Se recurrirá a páginas especializadas en componentes eléctricos a la hora de la

selección de estos, tanto del motor como de las baterías.

Como herramientas de cálculo se emplearán hojas de cálculo Microsoft Office

Excel así como para la obtención de gráficos en el apartado de cálculos previos

orientativos.

Para los cálculos posteriores utilizaremos Matlab aprovechando su módulo de

simulación, Simulink.

Para la redacción final del proyecto se empleará Microsoft Office Word.

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MEMORIA

- 21 -




Capítulo 2 DIMENSIONADO DEL SISTEMA DE

PROPULSIÓN.

Como se acaba de ver, existen múltiples opciones en lo que al dimensionado de

un sistema de propulsión se refiere. Es por tanto necesario discernir entre los distintos

componentes para finalmente obtener un sistema óptimo, no solo mecánica o

eléctricamente, sino también vistas a ser viable si fuera a ser aplicado en un equipo de

fórmula SAE real. Esto es, habrá que tener en cuenta tiempos de entrega, precios,

cumplir con especificaciones de la normativa y, por supuesto, cumplir con los

requerimientos físicos para poder superar tanto las pruebas a las que será sometido por

la organización como la posterior carrera.

En este apartado se va a entrar ya en materia de cálculo. En primer lugar se

explicarán los esfuerzos que debe vencer un vehículo en su movimiento, planteando las

fórmulas que permiten su cálculo y cuyos resultados serán los que posteriormente se

utilicen para el dimensionado del sistema de propulsión, tanto del motor como de las

baterías. Se hablará también de temas como la adhesión del neumático al suelo, de los

esfuerzos de tracción, de la velocidad del vehículo, del comportamiento durante la

aceleración y de los esfuerzos de frenado, particularizando todas estas características a

un vehículo eléctrico. Más adelante se mostrarán los resultados obtenidos con los cuales

se procederá a la elección de los componentes, procediendo posteriormente a montar la

planta en Simulink2 teniendo en cuenta sus especificaciones. Se finalizará este capítulo

con un esquema de la configuración de la planta con las restricciones e imposiciones de

la normativa.

2 Se partirá de un modelo previo. Adaptación de quad convencional a eléctrico para su empleo en

ecoaventuras, Juan Miguel Morell López.

MEMORIA

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2.1 CÁLCULOS REALIZADOS.

2.1.1 ESFUERZOS A VENCER. ECUACIONES.

Determinar completamente el comportamiento de un vehículo requiere un

estudio muy minucioso de la mecánica que aplica en este tema. Por simplificación, en

este proyecto se van a considerar solamente esfuerzos en una sola dirección, por lo que

se empezará planteando la segunda ley de Newton,

∑ ∑

donde la V es la velocidad del vehículo, Ft son los esfuerzos de tracción del vehículo, Fr

los esfuerzos resistentes a vencer, M la masa del vehículo y el factor de masa

equivalente que nos permite incluir las inercias de los componentes rotatorios como una

masa translacional. A grandes rasgos, el objetivo será determinar los esfuerzos de

tracción según unas aceleraciones que se querrán conseguir, una masa que vendrá

prácticamente determinada y unos esfuerzos resistentes que vendrán definidos a partir

de la geometría del vehículo y las condiciones de viento y del terreno. En la Figura 9 se

pueden observar todos los esfuerzos que se tendrán en cuenta a la hora de realizar

nuestros cálculos, así como las distancias relevantes para los mismos.

Los esfuerzos resistentes con los que se van a trabajar son tres: resistencia a la

rodadura, resistencia aerodinámica y resistencia a la pendiente del terreno. Véanse más

en detalle a continuación.

MEMORIA

- 23 -




Figura 9: Esquema de esfuerzos que debe superar un vehículo [EHSA10].

Resistencia a la rodadura: estos esfuerzos resistentes aparecen como

resultado de la deformación del neumático en su rodadura, dado que se

produce un efecto de histéresis en la goma. Este fenómeno hace que la parte

delantera del neumático se cargue más que la trasera, por lo que como se

puede ver en la Figura 10, la resultante por acción y reacción de la fuerza P

no queda alineada con el centro del neumático, donde está aplicada

inicialmente esta fuerza. Esto origina un momento en sentido contrario al de

la rodadura, el cual será el causante de nuestro esfuerzo resistente. Cabría

destacar qué ocurriría si el terreno no fuera rígido como el asfalto, terrenos

como grava o arena, pero se sale completamente del campo de estudio de

este proyecto ya que el vehículo del cual se está diseñando el sistema de

propulsión competirá sobre asfalto.

El momento resistente que se origina es Tr y es igual a

MEMORIA

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Figura 10: Esfuerzo de rodadura por la deformación del neumático [EHSA10].

por lo que la fuerza F deberá equilibrar este momento,

Ecuación 1

donde a fr se le denomina coeficiente de resistencia a la rodadura. Los

valores de este coeficiente dependen del material del neumático, su

estructura, su temperatura, su presión, su geometría, y del material y

rugosidad del terreno. Se pueden ver algunos de sus valores típicamente

utilizados en la Tabla 1. En el caso de estar rodando en un terreno con

pendiente la Ecuación 1 pasa a ser:

donde el ángulo α representa la inclinación del terreno (ver Figura 9).

MEMORIA

- 25 -




Tabla 1: Valores típicos del coeficiente de resistencia a la rodadura [EHSA10].

Resistencia aerodinámica: es el esfuerzo resistente con el que se encuentra

un vehículo en su avance a través de una masa de aire. Esta resistencia

incluye esfuerzos sufridos debidos a la forma del automóvil y debidos al

rozamiento superficial con el aire.

Esfuerzos debidos a la forma: estos esfuerzos son debidos a la

diferencia de presiones generada por el avance del vehículo. Al

empujar aire con la zona delantera se generan zonas del alta presión

mientras que en la zona trasera se deja un vacío que el aire no es

capaz de rellenar instantáneamente, con lo que se genera la zona de

baja presión. Esta explicación puede intuirse fácilmente de la Figura

11.

Esfuerzos debidos al rozamiento superficial: dado que el automóvil

se está moviendo inmerso en una masa de aire, en su desplazamiento

se produce un rozamiento con dicha masa de gas.

Estos esfuerzos se pueden resumir en la siguiente expresión.

( )

Ecuación 2

MEMORIA

- 26 -




Figura 11: Diferencia de presiones que generan el esfuerzo aerodinámico [EHSA10].

El significado de cada variable es el siguiente. El área frontal del vehículo

queda denominada como Af, ρ es la densidad del aire atmosférico, el

coeficiente CD es el coeficiente aerodinámico de arrastre el cual depende de

la forma del coche, y finalmente tenemos V y Vw que representan la

velocidad del automóvil y del viento en la dirección de avance del coche,

respectivamente. Si el sentido de la velocidad del viento fuese a favor del

movimiento, la expresión cambiaría, pasaría a ser la suma de velocidades.

Resistencia a la pendiente del terreno: estos esfuerzos se deben básicamente

a la resistencia al avance que opone el propio peso del vehículo en un terreno

inclinado. Se calcula fácilmente a partir de la siguiente expresión.

( ) Ecuación 3

Se ha estado hablando de los esfuerzos que hay que vencer, los cuales llevarán

asociados una potencia que se deberá vencer. Pero además hay que añadir la potencia

necesaria para alcanzar la velocidad objetivo a la que se quiere ir en cada instante de la

vuelta. Para este fin se tendrá en cuenta la expresión que permite calcular la energía

cinética instantánea, permitiéndo saber las diferencias energéticas entre cortos periodos

de tiempo. Estas diferencias serán las variaciones de energía provocadas por

aceleraciones o frenadas, según sean positivas o negativas. Habrá que estudiar cuánta de

esta energía disipada en la frenada es posible recuperar en las baterías para volver a

utilizarla.

MEMORIA

- 27 -




Ecuación 4

2.1.2 COMPORTAMIENTO DEL VEHÍCULO.

En las aplicaciones para automóviles, la característica ideal de potencia-

velocidad es una potencia constante en todo el rango de velocidades. Esto hace que la

característica par-velocidad siga una ley hiperbólica (ver Figura 12). Sin embargo, esto

presentaría problemas de tracción para velocidades bajas, ya que el par entregado sería

demasiado alto. Por ello se limita a un valor constante de par a velocidades bajas, para

que no sobrepase el máximo, que viene impuesto por la adherencia entre el neumático y

el terreno.

( ) Ecuación 5

Como se acaba de ver, si se entrega un valor de par por encima del límite las

ruedas motrices derraparían, con lo que se estaría perdiendo potencia en forma de calor

en los neumáticos, así como desgastando los mismos. Además de esta limitación

impuesta sobre par y potencia, es necesario un riguroso control de tracción para evitar

derrapes en arrancada, ya que aunque dependiendo del motor, por norma general estos

valores de par constante a bajas revoluciones siguen siendo demasiado altos.

Realizada esta modificación, par constante a velocidades bajas, se consigue

optimizar las aceleraciones con un valor de par adecuado para evitar derrapar,

manteniendo valores de potencia constante. Con ello se consigue proveer al vehículo de

velocidades altas adecuadas una vez el vehículo está en marcha. Es importante

comprender bien el funcionamiento que se espera de un motor para poder estudiar

correctamente el comportamiento del vehículo.

MEMORIA

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Figura 12: Características par-velocidad y potencia-velocidad óptimas [EHSA10].

El comportamiento de un vehículo viene definido con sus características de

aceleración, velocidad máxima y pendiente máxima que es capaz de superar a una

velocidad determinada. Esta última característica, dado que la competición de Fórmula

SAE se desarrolla en un terreno plano, no va a ser relevante por lo que no se estudiará

en profundidad. Será por tanto a partir de las ecuaciones anteriormente explicadas y de

las consideraciones que más adelante se explicarán de donde se podrá seguir el cálculo

de la aceleración y de la velocidad máxima. A continuación se verán cada una de estas

características más en detalle.

Velocidad máxima.

La velocidad máxima de un vehículo se define como la velocidad que puede

alcanzar el mismo con su motor funcionando a plena carga en un terreno llano. Para

determinarla será necesario plantear el equilibrio entre los esfuerzos de tracción

máximos y los esfuerzos resistentes, resultando la siguiente expresión.

( )

Salvo Tw, par tractor en las ruedas, y rd, radio de las ruedas de tracción, el resto

de elementos ya es conocido. Cabe destacar que con esta expresión es posible calcular

MEMORIA

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la velocidad en cualquier instante según sea el par Tw que entrega el motor. Hay que

tener en cuenta que es necesario introducir una caja de cambios para reducir el par, ya

que el necesario en las ruedas es demasiado alto para el motor. De esta manera se

consigue a la vez aumentar la velocidad de giro del motor consiguiendo las velocidades

deseadas con la mejor respuesta en potencia. Se tiene por tanto,

siendo el par de tracción que da el motor Tp, ρ la relación de transmisión y η el

rendimiento de la cadena cinemática.

Figura 13: Intersección de la curva del motor con la curva de resistencia a la pendiente

[EHSA10].

En la Figura 13 se puede apreciar como la velocidad máxima resulta de la

intersección entre la curva de los esfuerzos de tracción con la curva de los esfuerzos

resistentes para una pendiente plana (0º de inclinación).

En los motores eléctricos existe una característica denominada proporción de

velocidades, x. Se define como la proporción entre la velocidad máxima y la velocidad

base de dicho motor. Suele ser una característica que viene dada por construcción según

sea el tipo de motor, siendo x < 2 para motores de imanes permanentes, x = 6 para

motores de reluctancia conmutada y x = 4 para motores de inducción (ver Figura 14).

MEMORIA

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Se aprecia fácilmente que para valores de x altos el rango de velocidades en el

que se obtiene potencia constante es mayor, así como el valor máximo de par que es

capaz de entregar el motor. De esta manera se consiguen mejores prestaciones para un

vehículo en aceleración y el valor de la máxima pendiente que es capaz de superar.

Figura 14: Característica par-velocidad para distintas relaciones x [EHSA10].

Aceleración.

El comportamiento del vehículo durante su aceleración se define por el tiempo y

distancia recorrida al pasar de velocidad inicial nula a una velocidad elevada

previamente fijada. En este proyecto, dado que se debe superar el evento de

Aceleración, los parámetros irán fijados con el objetivo de superar esta prueba. Para el

cálculo de la aceleración se aplicará la segunda Ley de Newton.

Ecuación 6

Para la obtención del tiempo y distancia será necesario integrar esta expresión, y

dado que el par de tracción viene determinado por la velocidad del motor y por tanto del

propio vehículo, se hace complicado resolver la expresión de manera convencional. Sin

embargo, y dado que se quiere superar el evento de Aceleración, estos valores vienen

MEMORIA

- 31 -




impuestos por normativa. Deberán recorrerse 75 m en menos de 5,8 s para superar esta

prueba. Impuestos estos valores, es sencillo un primer cálculo de la aceleración.

Posteriormente, una vez se tenga la característica par-velocidad de los posibles motores

será posible realizar una simulación para obtener valores más precisos de la aceleración

del monoplaza.

2.1.3 POTENCIAS Y ENERGÍA.

Una vez conocidos el comportamiento de nuestro vehículo y los esfuerzos que

debe superar, y haciendo unas simplificaciones3 es sencillo determinar qué potencia de

tracción deberá desarrollar la planta motora para acelerar el vehículo desde cero hasta

una velocidad final Vf en un tiempo ta,

(

)

Ecuación 7

(donde Vb es la velocidad base del motor y Vf es igual a la aceleración por el tiempo ta),

qué potencia se consume en cada instante una vez que el vehículo ha adquirido una

velocidad, y por tanto, qué potencia de salida deben proporcionar las baterías,

( ( )

)

y si fuera el caso, qué potencia es posible recuperar mediante frenada regenerativa.

( ( )

)

El coeficiente β indicará el porcentaje de energía disipada durante la frenada que se va a

ser capaz de recuperar. En el caso de la frenada, tanto la inclinación α como dV/dt

podrán tomar valores negativos.

3 Para verlas en detalle acudir a [EHSA10].

MEMORIA

- 32 -




Finalmente, conocidas todas las potencias el cálculo de la energía consumida y

regenerada si fuera el caso es inmediato.

∫ ∫

2.1.4 CONSIDERACIONES PREVIAS A LOS CÁLCULOS.

El objetivo de los cálculos será determinar la energía necesaria por vuelta para

poder realizar un número determinado de vueltas, así como determinar qué potencia

sería la idónea para el motor según requieran los esfuerzos comentados anteriormente.

Para ello se partirá de unas medidas de tiempos, distancias y velocidades de lo que se

consideraría una vuelta completa. Una vez determinadas potencia y energía necesaria,

dado que ya se conocen los esfuerzos, será posible determinar los parámetros

indicadores del comportamiento del vehículo como su aceleración o su velocidad

máxima. Para ello habrá que ver qué condiciones deben cumplirse para superar el

evento de aceleración y así conseguir una respuesta adecuada del sistema de propulsión

propuesto. Habrá que tener también en cuenta los valores del esfuerzo de tracción

máximo para minimizar derrapes cuando se parte de parado.

A la hora de determinar la energía final necesaria para realizar las vueltas que se

precisen, habrá que tener en cuenta además la energía necesaria que se debe aportar al

monoplaza para adquirir una velocidad inicial. Esto es necesario ya que las medidas de

las que se dispone son de una vuelta lanzada, con lo que no se tiene en cuenta este

aporte inicial de energía.

A continuación se muestra una tabla donde se pueden encontrar los valores de

los parámetros utilizados para los cálculos explicados anteriormente.

MEMORIA

- 33 -




Parámetro Valor estimado

M 270 kg + 80 kg = 350 kg

P 3,434 kN

fr 0,013

α 0º

ρ 1.18 g/cm3

Af 0.9 m

CD 0.35

Vw 0 m/s

g 9.81 m/s2

rd 0,2 m

δ 110%

Vf 30 m/s

Vb 20 m/s

ta <5.8s

Sa 75m

β 5%

η 0,9

µ 0,85

Tabla 2: Resumen de parámetros utilizados.

MEMORIA

- 34 -




2.1.5 RESULTADOS.

Como punto de partida para los cálculos se tienen las velocidades y los tiempos

de una vuelta al circuito, recogidos en parte en la siguiente tabla:

Tiempo Velocidad

[km/h] 0.00 31.404 0.25 31.499 0.50 31.149 0.75 31.067 1.00 31.226 1.25 31.399 1.50 30.798 1.75 30.298 2.00 29.894 2.25 27.785

… …

Tabla 3: Velocidades y tiempos de una vuelta al circuito con un monoplaza de F. SAE.

A partir de aquí, con los valores de la Tabla 2 y con el uso de la Ecuación1,

Ecuación 2 y Ecuación 3 se obtienen los esfuerzos que debe superar el vehículo en cada

momento. Sumando a esta potencia necesaria, obtenida multiplicando esfuerzos y

velocidad en cada instante, el término de la potencia necesaria para la variación de

energía cinética, ya se tienen todos los elementos necesarios para el cálculo de un perfil

de la potencia necesaria en cada punto del circuito. En la Figura 15 y Figura 16 se puede

apreciar la potencia necesaria para vencer esfuerzos externos y la potencia que necesitan

entregar las baterías, ya que esta última será ligeramente superior debido al rendimiento

de la cadena cinemática.

De estas gráficas ya se pueden empezar a extraer conclusiones interesantes. Para

empezar, se observa como el motor en ningún momento va a superar los 40 kW por lo

que se tiene un gran margen para la elección de este componente ya que la normativa

establece el límite de potencia del motor en 85 kW. También es destacable la existencia

de tramos en los que se aprecia potencia negativa lo que da una idea de que podría

usarse frenada regenerativa. Para conocer con más exactitud esta energía disponible se

ha sacado un perfil que nos indica la variación de energía total que sufre el vehículo a lo

largo de la vuelta.

MEMORIA

- 35 -




Figura 15: Potencia instantánea requerida por esfuerzos externos.

Figura 16: Potencia instantánea entregada por las baterías.

-35-30-25-20-15-10

-505

10152025303540

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

Po

ten

cia

(kW

)

Tiempo de vuelta (s)

Potencia BATERÍAS (kW)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

Po

ten

cia

(kW

)


Potencia instantánea (kW)

MEMORIA

- 36 -




Figura 17: Variación de energía del vehículo durante la vuelta.

Haciendo los cálculos oportunos finalmente se obtienen tanto la energía

necesaria en tramos de aceleración como la energía que disipamos en frenadas,

cifrándose estas en 0,101 kWh y 0,074 kWh por vuelta respectivamente. Proyectando

esta cantidad a los 22 km equivalentes de la prueba endurance, en total se necesitarán

3,02kWh y se disiparán 2,217 kWh. Estas energías han sido calculadas teniendo en

cuenta tanto rendimientos de la cadena cinemática como el coeficiente δ que incluye en

el término másico la masa equivalente de la inercia de los elementos rotativos del

motor. Con estos datos se dimensionarán las baterías, las cuales deben entregar esta

energía aunque en sí mismo el motor consuma menos.

Hasta ahora se han obtenido los datos necesarios para que el vehículo realice una

prueba endurance aceptable en cuanto a potencia y energía necesaria. Pero se debe tener

en cuenta también que se debe superar el evento de aceleración. Para ello se ha

procedido de la siguiente manera. Se deben superar 75 m en menos de 5,8 segundos, por

tanto se requiere una aceleración mínima de 4,46 m/s2. Buscando superar el objetivo de

manera algo más holgada se establece un tiempo de aceleración de 5 s., por lo que la

aceleración necesaria pasa a ser 6 m/s2 y la velocidad final de este tramo 30 m/s. De la

Ecuación 5 se saca por tanto la potencia máxima necesaria para este evento resultando

ser 54,44 kW, mientras que de la Ecuación 6 se saca el par máximo necesario que

deberá entregar el motor, en este caso 112 Nm. Para todos estos cálculos se ha tenido

además en cuenta una relación de transmisión de 5 para aumentar la velocidad de

trabajo del motor y reducir el par que debe entregar, ya que de no ser así el

0,0000,0010,0020,0030,0040,0050,0060,0070,0080,0090,0100,0110,0120,0130,0140,0150,016

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

Ene

rgía

inst

antá

nea

en

un

a vu

elta

(kW

h)


Variaciones de energía en una vuelta (kWh)

MEMORIA

- 37 -




funcionamiento del motor no sería óptimo al trabajar en zonas de par mucho más altas

de las nominales mientras que lo haría a muy baja velocidad.

La última restricción que tendremos en la planta motora se dará durante la

arrancada. Teniendo en cuenta la Ecuación 5 y que el peso del vehículo se reparte entre

las 4 ruedas, el esfuerzo máximo de tracción por rueda resulta ser 0,730 kN. Esto

implica que el par máximo por rueda para que no derrape en el momento de arranque es

de 145,9 Nm. Reduciendo este par con la relación de transmisión a la zona de trabajo

del motor y sabiendo que tenemos dos ruedas motrices (multiplica este par por 2)

resulta finalmente un par máximo de 58,4 Nm.

Ya se tienen los parámetros necesarios para la elección del motor, baterías y por

tanto sistema de control. A continuación se mostrará el proceso seguido para la elección

de estos componentes.

2.2 ELECCIÓN DE COMPONENTES

2.2.1 ELECCIÓN DEL MOTOR

Las tablas mostradas a continuación muestran un resumen de los requerimientos

que se acaban de ver para los componentes.

Potencias (kW) Máxima por

requerimientos externos por vuelta

Necesaria de aceleración

Máxima de la batería por vuelta

31,036 54,44 39,104

Par (Nm) Máximo de

tracción Máximo necesario para aceleración

58,4 112

MEMORIA

- 38 -




Energía (kWh) Mínima por

vuelta Mínima para endurance

0,101 3,02

Tabla 4: Resumen de requisitos para componentes

El motor será el primer componente que se elija. La potencia será el principal

parámetro que nos indique qué motor es el adecuado, pero será necesario también tener

en cuenta el par que es capaz de entregar lo que a su vez definirá la velocidad y tensión

nominal del componente.

Tras una larga recopilación de los tipos de motores que existen en el mercado,

los primeros en ser descartados son los motores de inducción así como los asíncronos.

El principal motivo de este descarte es el peso el cual es excesivo para nuestra

aplicación haciendo a este tipo de motores inviable. A esto habría que sumarle el hecho

de ser trifásicos lo cual complica tanto el control de velocidad como el montaje, al ser

necesario un inversor para transformar de continua a alterna haciendo todavía más

pesado al conjunto. En la tabla que se muestra a continuación pueden verse algunos de

los modelos encontrados con sus características básicas.

Motor Régimen

(rpm) Tensión

(V) Potencia

(kW) Par (Nm)

Intensidad (A)

MOTOR ELECTRICO ELEKTRIM TRIFASICO 3000 RPM B3 230/400 V 30 KW

3000 230 400 30 95,5 75,3 43,3

MOTOR ELECTRICO ALREN TRIFASICO 3000 RPM B3 400/690 V 30 KW

3000 400 690 30 95,5 43,3 25,1

MOTOR ELECTRICO SIEMENS TRIFASICO 1500 RPM B3 400/690 V 30 KW

1500 400 690 30 191,0 43,3 25,1


1000 230 400 30 286,5 75,3 43,3


750 230 400 30 382,0 75,3 43,3

Tabla 5: Resumen motores trifásicos.

http://www.motores-electricos.es/FichaArticulo.aspx?IDArticulo=1177










MEMORIA

- 39 -




Figura 18: Motor de inducción ALREN.

En todos ellos, el orden de magnitud del peso supera los 50 kg, alcanzando

algunos de ellos los 100 kg. Es destacable además la tensión nominal de estos motores,

considerablemente más alta que la que va a entregar una batería (del orden de los

110V). Por último cabe añadir también las dimensiones de estos modelos de inducción,

ya que de nuevo su tamaño tampoco ayuda a su elección. Solo la longitud de estos

motores para la potencia que se requiere está alrededor de los 70cm. Definitivamente el

uso de estos motores no es viable para el montaje del sistema de propulsión de un

vehículo de Fórmula SAE. Aún así, ya se puede ir viendo el orden de magnitud de los

pares entregados en función de la velocidad para motores de 30 kW observándose que

se va a tener que trabajar con velocidades superiores a las 3000 rpm.

Los motores de reluctancia conmutada (SRM motor) son los siguientes en ser

descartados dada la tremenda complicación de encontrar un proveedor que distribuya

este tipo de motores. Esta complicación es debida a que los motores de reluctancia

conmutada son aún muy escasos pese a que cada vez estén adquiriendo mayor

importancia por sus prestaciones. Se pasa por tanto a buscar motores de corriente

continua.

Inicialmente los únicos motores de corriente continua encontrados a la venta con

aplicaciones en automoción iban destinados como motores de bombas para el líquido

limpiaparabrisas o para el ventilador del aire acondicionado. Estos motores no son

válidos ya que su potencia apenas alcanza los 5 kW en muchos de los casos. Pero

finalmente se encuentra lo que se andaba buscando. Son principalmente tres los motores

candidatos a ser elegidos como propulsores del monoplaza, tanto por sus prestaciones

como por su reducido peso (alrededor de 12 kg cada uno). A continuación se muestra

una tabla comparativa de los tres modelos, pudiendo encontrar al final del proyecto sus

hojas completas de características técnicas.

MEMORIA

- 40 -




Motor Potencia

nominal (kW)

Par nominal

(Nm)

Velocidad nominal

(rpm)

Corriente nominal

(A)

Tensión nominal

(VDC)

AGNI 95R 15 30 4900 230 72

Lynch LEMCO LEM-200 D135RAG

16,84 39,88 4032 200 96

PMS 156 14 29,71 4500 - 96

Tabla 6: Comparativa de posibles motores de DC.

Cabe destacar que en todos ellos es necesario el uso de escobillas lo cual puede

restar atractivo a estos motores. Sin embargo, no se han encontrado motores que

ofrezcan potencias suficientemente altas para poder ser utilizados en un vehículo de

F.SAE. Por tanto, desde este momento se asume un mantenimiento más exhaustivo de

estas escobillas con la ventaja de obtener las potencias deseadas.

El modelo PMS 156 es un motor tipo BLDC, por lo que en realidad es un motor

síncrono. Pese a ser síncrono, puede funcionar con alimentación por batería de hasta 96

VDC. Sin embargo, para nuestra aplicación serían necesarios al menos dos de estos

motores ya que uno solo no alcanza la potencia requerida. Por ello este modelo será el

primero de los tres en ser descartado. Para elegir finalmente uno de los dos modelos

restantes será necesario estudiar los requerimientos más en profundidad ya que, aunque

el LEM-200 presenta mejores prestaciones, el precio es también considerablemente

mayor.

Lo primero que se puede ver es que la potencia nominal de ambos motores no es

suficiente en principio ni siquiera para realizar una vuelta. Pero si se mira con

detenimiento, durante una vuelta es muy poco el tiempo que se rueda por encima de los

15 kW por lo que ambos motores serían capaces de ofrecer esa diferencia de potencia ya

que admiten picos de corriente durante periodos cortos de tiempo. Aunque en este punto

el AGNI ya empieza a tener problemas para superar los breves picos existentes por

encima de los 30 kW dado que la máxima potencia pico que ofrece es de 26 kW. Sin

embargo, si se tiene en cuenta el recorrido de los 22 km completo de la prueba

endurance cabe preguntarse si esta es la mejor opción. Pese a que los motores acepten

estos picos de corriente y potencia, esto supone aumentos de la temperatura que hacen

disminuir el rendimiento del motor y puede empeorar el funcionamiento, así como

suponer un riesgo en los componentes del sistema si no se refrigera correctamente. Hay

que añadir la necesidad de los 54,44 kW mínimos para superar el evento de aceleración

por lo que ninguno de los dos motores alcanza dicho pico de potencia. A priori habría

que buscar otro tipo de motor que llegase a ofrecer la potencia que se requiere, pero es

en este punto donde el fabricante Lynch se desmarca de AGNI. Los motores Lynch

LEMCO están fabricados de tal manera que se posibilita el acoplamiento en el mismo

eje de dos de sus modelos permitiendo por tanto doblar el par entregado así como la

potencia. Teniendo en cuenta que la potencia pico de un LEM-200 D135RAG es de

MEMORIA

- 41 -




34,32 kW, con esta opción la potencia total disponible es de 68,64 kW, superando

ampliamente la necesaria para el evento de aceleración. La potencia nominal también la

hemos visto aumentada al doble, alcanzando los 33,68 kW. De esta manera se consigue

también mejorar el funcionamiento durante una vuelta y la prueba endurance al

necesitar picos de potencia considerablemente menores, superando en apenas 7 kW la

potencia nominal teniendo un margen de potencia pico de 35 kW.

En cuanto al par, acoplando los dos motores alcanzamos un par nominal de 79,6

Nm. Esta cifra supera el máximo par de tracción necesario para que el monoplaza no

derrape en la arrancada (ver Tabla 4). Se requerirá por tanto un riguroso control en la

entrega de par, y por tanto de corriente, a bajas vueltas para evitar o minimizar este

efecto. Esto será especialmente importante en el evento de aceleración dado que el

requerimiento de acelerar rápidamente implica una alta demanda de potencia y par del

piloto, lo cual hará que el pico de demanda inicial sea alto, aumentando las

posibilidades de derrape. En cuanto a los 112 Nm máximos necesarios para desarrollar

esta prueba tampoco son problema ya que el par nominal se entrega a una corriente

nominal de 200 A, y la máxima corriente pico admitida es de 400 A. Así que teniendo

en cuenta que en un motor de corriente continua el par en función de la corriente es

directamente proporcional (en nuestro caso 0,207 Nm/A), los 112 Nm los alcanzaremos

con una corriente de 270 A por motor, muy por debajo de la máxima admitida. A

continuación en la Figura 19 se puede ver la respuesta del conjunto de los dos motores

en función de la corriente suministrada.

Queda por tanto hecha la elección del motor siendo esta la siguiente: 2 motores

Lynch LEMCO LEM-200 D135RAG (Figura 20) acoplados en el mismo eje, con una

caja de cambios de una marcha con relación de transmisión 1/5 para conseguir trabajar

en un rango de velocidades cercano a la velocidad nominal del motor en función de las

velocidades que se alcanzarán durante una vuelta al circuito.

Figura 19: Respuesta de par del conjunto de los dos LEM-200 D135RAG.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 100 200 300 400 500

Par

(N

m)

Corriente (A)

MEMORIA

- 42 -




Las características principales del motor elegido pueden encontrarse en la Figura

21.

Figura 20: Lynch LEM200 D135RAG

Figura 21: Características de los LEM 200.

MEMORIA

- 43 -




2.2.2 ELECCIÓN DEL SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA.

Como siguiente paso se procederá a la elección de los sistemas de

almacenamiento de energía. En este caso se tendrán como principales parámetros de

diseño la energía necesaria para completar la prueba endurance y la tensión nominal del

motor. Esta tensión es importante ya que la velocidad de los motores de corriente

continua se controla con la tensión de alimentación, dependiendo una de otra de manera

proporcional (en nuestro caso 42 rpm/V). Por tanto será necesaria por parte de la fuente

una tensión mayor que la nominal para que a través del controlador sea posible que el

motor gire en los momentos que se requiera a una velocidad mayor de la nominal. En la

Tabla 7 se encuentran por tanto los valores buscados.

Parámetros de baterías

Energía mínima para endurance (kWh)

Tensión nominal del motor (VDC)

3,02 96

Tabla 7: Parámetros de diseño de las baterías.

Al margen de estos valores, teniendo en cuenta que se está hablando del sistema

de propulsión de un monoplaza cuyo objetivo final es competir, otro parámetro esencial

es el peso. Se deberá buscar aquel sistema de almacenamiento de energía que nos

proporciona la mayor cantidad de energía con el menor peso.

En el capítulo anterior se hablaba de la existencia de supercondensadores que

permiten aumentar notablemente la potencia específica del sistema de almacenamiento

de energía, pero que por sí mismos no son suficientes para dar autonomía al vehículo. El

uso de estos componentes podría ser por tanto de interés no tanto a la hora de entregar

potencia, ya que el rango de potencias en el que se está trabajando es perfectamente

válido para el uso de baterías, sino a la hora de absorber la energía proveniente de la

frenada, obteniendo así frenada regenerativa. Sin embargo, y dado que este es un

proyecto piloto en la Universidad Pontificia Comillas, el principal objetivo es conseguir

un sistema de propulsión simple que funcione correctamente y cumpla los requisitos

mínimos para superar las pruebas. Por tanto los supercondensadores no serán utilizados

en este primer proyecto en el sistema de almacenamiento de energía por la complicación

que supone su montaje. Sí se hablará de la energía disponible final para esta

regeneración a partir de la ya comentada energía de frenada, e incluso se verá la

influencia de esta regeneración en los resultados de la simulación con Matlab y

Simulink.

Habrá por tanto que realizar un estudio de qué tipos de baterías existen y cuál es

el más conveniente.

MEMORIA

- 44 -




Tipo de batería Energía específica

[Wh/kg]

Ácido-plomo 35-50

Ni-Hierro 50-60

Ni-Cd 50-60

Ni-NH 70-95

Li-P 155

Li-I 80-130

Tabla 8: Comparativa de tipos de baterías.

En la Tabla 8 encontramos una comparativa de los tipos de baterías más usuales

en el mercado. Buscando minimizar el peso, queda claro que las más indicadas para

nuestra aplicación van a ser las baterías de polímero de litio (Li-P) y de iones de litio

(Li-I) ya que son las que más kWh son capaces de almacenar por unidad de peso.

Dentro de este tipo de baterías existen varias marcas como GBS, GWL o

ThunderSky. Sin embargo, en páginas especializadas en convertir aplicaciones en

aplicaciones con motores y baterías eléctricas como ev-propulsion.com, y distribuidores

de estos componentes como Electric Autosports Inc. (EAS), Elite Power Solutions o

Electricmotorsport, las más recomendadas en todos los aspectos, por su seguridad, su

respuesta y su diseño para acoplar mejor el Battery Management System (BMS) son las

baterías GBS. Falta determinar por tanto qué tensión tendrán y qué capacidad, y

comprobar que podrán entregar la potencia requerida en cada momento por el motor.

Sabiendo la energía que debemos almacenar y la tensión de alimentación del

motor (Tabla 7) la capacidad en Ah mínima necesaria es directa, 31,5 Ah. Las

capacidades nominales que suministra la marca GBS son 20, 40, 60 y 100Ah entre otras

fuera de nuestro rango de interés. Por tanto en principio parece que con celdas de 40 Ah

será suficiente. Para llegar a los 96V será necesario juntar 8 paquetes de 4 celdas con

tensión nominal 12,8V cada paquete, colocándolos en serie. Este formato formado por 4

celdas por paquete es el estándar de venta de este tipo de baterías. Sin embargo hay que

tener en cuenta que si se instalan baterías con capacidad de 40 Ah, el SOC al final de la

prueba endurance va a marcar niveles demasiado bajos. Esto es:

MEMORIA

- 45 -




Haciendo referencia a la Figura 8, se observa que el rendimiento en la descarga

de la batería disminuiría hasta situarse por debajo del 85% si disponemos de baterías

con capacidad de 40Ah resultando un SOC al final de la prueba del 21%. Se establecerá

por tanto como objetivo que el rendimiento en la descarga, dado que es lo que interesa

para asegurar la mínima disipación de energía mientras el vehículo está funcionando, no

baje en ningún momento del 90%. Para ello será necesario que el SOC no baje al

finalizar la prueba del 35%. Esto se consigue fácilmente si se instalan baterías con

capacidad nominal de 60Ah.

Este sobredimensionamiento permite también asegurar que el vehículo es capaz

de llegar por sí mismo a la posición de salida así como volver a boxes al terminar la

prueba.

Sabiendo ya qué parámetros de las baterías necesitamos para elegirlas (96V y

60Ah) se buscará en las páginas de los distribuidores mencionados anteriormente las

ofertas para baterías con estas características. Se debe comprobar también que las

baterías serán capaces de entregar la potencia necesaria por el motor. Esto enseguida

deja de ser un problema al ver que el distribuidor Elite Power Solutions asegura que

para un sistema de baterías de estas características se tendrá disponible una potencia

máxima de 82,8 hp (61,8 kW), suficiente para superar tanto la prueba endurance como

la de aceleración. En la página de este distribuidor se encuentran también ofertas que

incluyen tanto el paquete de baterías completo como el cargador y el BMS necesarios, y

dado que estos elementos son necesarios también a la hora del montaje en el vehículo se

compara con ofertas de los otros distribuidores mencionados obteniéndose precios muy

similares.

Figura 22: Paquete de baterías, BMS y cargador.

MEMORIA

- 46 -




En la Figura 22 se aprecian los componentes que serán comprados, el paquete de

baterías GBS LFMP 60Ah, el cargador en este caso un EMC 96-10 y el sistema de

gestión de baterías EMS-32.

Hay que añadir que aunque se venda como paquete de 96V, las tensiones de

trabajo pueden variar como muestra la Tabla 9. Por tanto según el distribuidor la energía

disponible pasa a ser 6,14 kWh, algo mayor que la calculada anteriormente. De esta

manera se asegura una mejora en el rendimiento al aumentar el porcentaje del SOC al

final de la prueba endurance.

En lo que respecta a los otros dos componentes incluidos en el paquete, la

tensión de entrada del cargador es de 110V con un peso de 3,06 kg. Y en cuanto al

BMS, se ha comentado su necesidad, debida a las siguientes razones. En los sistemas de

baterías el control de la temperatura es primordial para un correcto funcionamiento así

como para evitar faltas, por lo que en el caso de las baterías de litio que se están

utilizando la temperatura debe mantenerse en un rango entre -20ºC y 60ºC. Además el

BMS controla la tensión de las baterías ya que en la medida en que estas se descargan,

la tensión ofrecida disminuye. Ofrece también la posibilidad de visualizar el SOC y

controlar los procesos de carga y descarga, con lo que completa así con control riguroso

de los parámetros para que el sistema funcione correctamente.

Battery Model GBS-LFMP60AH Cell Capacity (Ah) 60

No. of Cells 32 Total Capacity (kWh) 6.14

Max Power (hp) 82.8 Max Voltage (V) 115.8

Nominal Voltage (V) 102.4 Min Voltage (V) 89.6

Battery Weight (kg) 73

Tabla 9: Características técnicas de las baterías (elitepowersolutions.com).

MEMORIA

- 47 -




2.2.3 ELECCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL.

Respecto al sistema de control, una vez que se conocen el motor y la batería que

van a ser utilizados, los grados de libertad para su elección son muy reducidos. Existen

varios fabricantes de estos componentes como Kelly o Alltrax, pero desde la

Universidad Politécnica de Madrid se aconseja el uso de los Kelly Cotroller, conocidos

y utilizados ampliamente en el mundo de la Fórmula SAE. Este fabricante de

controladores ofrece un amplio rango de controladores en función de la aplicación, el

tipo de motor, si es de imanes permanentes o no, si es con o sin escobillas etc. Por tanto

se permite la total personalización de este componente para la aplicación en la que se

está trabajando.

La primera distinción que hace es sobre motores de inducción, motores de

continua con escobillas y motores de continua sin escobillas. Dentro de los motores DC

con escobillas existen dos tipos de controladores que se ajustan a los rangos de corriente

que requerirá el motor, los modelos KDZ y PM ambos recomendados para motores de

imanes permanentes de potencia media. El rango de intensidades del modelo PM pese a

ajustarse a los requerimientos da mucho menos margen de funcionamiento, esta puede

ser la razón por la que el distribuidor de componentes eléctricos Cloud Electric

recomiende para los LEM200 los KDZ. Dentro de este modelo existen aún más tipos de

controlador en función de nuevo del rango de intensidades y de si el controlador acepta

regeneración en la frenada o no. Como ya se comentó, el principal objetivo de este

proyecto es conseguir un sistema de propulsión simple y fiable por lo que inicialmente

no se contempla incluir frenada regenerativa, aunque si se hagan los cálculos sobre la

energía disponible que se tendría. Con lo que se ha hablado hasta este punto, aplicando

los filtros comentados, queda elegir entre los controladores indicados en la Tabla 10.

Controlador Kelly

Pico de corriente admitido durante 1min(A)

Corriente nominal (A)

Tensión (V)

Regeneración disponible Precios

KDZ72400 400A 160A 24V-72V No $319.00

KDZ72401 400A 160A 24V-72V Yes $379.00

KDZ72550 550A 220A 24V-72V No $399.00

KDZ72551 550A 220A 24V-72V Yes $459.00

Tabla 10: Controladores posibles.

Los modelos de la serie 7240- admiten un pico de corriente del mismo valor que

el motor, por lo que con ellos se aseguraría que en ningún momento se van a superar los

400A y por tanto este no sufrirá ningún daño. Sin embargo la corriente nominal es más

baja que la del motor por lo que al estar funcionando normalmente con valores cercanos

a 200A, aunque con picos superiores e inferiores, cabe la posibilidad de que el

controlador sufra al trabajar durante la mayoría del tiempo por encima de sus valores

nominales. A los modelos de la serie 7255- les pasa lo contrario. La corriente nominal

http://kellycontroller.com/kdz7240024v-72v400aseriespm-p-963.html

http://kellycontroller.com/kdz7240124v-72v400apm-with-regen-p-964.html

http://kellycontroller.com/kdz7255024v-72v550aseriespm-p-965.html

http://kellycontroller.com/kdz7255124v-72v550apm-with-regen-p-966.html

MEMORIA

- 48 -




es ligeramente superior que la del motor por lo que no habría problema en este aspecto.

Aquí el problema está relacionado con la corriente de pico admisible, al ser un 25%

superior a la nominal. En este caso habría que asegurar con el programa del controlador

que no se pasará en ningún momento de estos 400A. Sin embargo, ninguna de las dos

series alcanza la tensión de las baterías (96V para alimentar al motor) así que se decide

aprovechar la alta personalización que permite el distribuidor Kelly y buscar un modelo

que se ajuste de manera óptima a nuestros requerimientos.

De esta manera se realiza un pequeño estudio comparando las intensidades que

soportan los distintos controladores teniendo en cuenta también la tensión de trabajo. El

resultado de este estudio se encuentra en la Tabla 11.

Controlador Kelly

Pico de corriente admitido durante 1min(A)

Corriente nominal (A)

Tensión (V)

Regeneración disponible Precios

KDH09500A 400A 200A 24-96V No $669.00

KDH09501A 400A 200A 24-96V Yes $799.00

Tabla 11: Controladores finales.

Vista la situación, se decide optar por el modelo KDH09501A de Kelly (Figura

23), ya que se ajusta perfectamente a los valores de corriente del motor, y con su tensión

se permite trabajar en un rango entre los 18V y los 120V, según la página del fabricante.

Con vistas al futuro se apuesta también por la elección de un modelo que admita la

regeneración, de esta manera se ahorran costes futuros.

Figura 23: Kelly Controller KDH09501A.

MEMORIA

- 49 -




El fabricante Kelly ofrece también un complemento para hacer al controlador

resistente al agua por $38. Esta opción es interesante ya que durante la competición

habrá que superar un test de funcionamiento bajo condiciones de lluvia. Cabe destacar

también que es necesario el uso de una fuente de alimentación de 200mA a 12V, o 2,5W

para que el controlador funcione.

2.2.4 OTROS COMPONENTES.

Ya se han visto los componentes principales necesarios para el sistema de

propulsión para un vehículo de Fórmula SAE. Sin embargo, para el montaje completo y

cumplir con las especificaciones de la normativa, son necesarios varios componentes

más correspondientes a la seguridad, aislamiento, accionamiento, etc. En la Tabla 12 se

puede ver la lista de estos componentes.

Componente Cantidad Disponible

Interruptores de accionamiento

2 -

Setas de emergencia 3 -

Interruptor de inercia 1 -

BMS 1 sí

Interruptor de freno de emergencia

1 -

IMD 1 -

Relé 2 -

Fusible 1 -

Fuente de alimentación de baja tensión

1 -

Escobillas del motor 2x8 -

Tabla 12: Lista de componentes secundarios.

El único componente del que ya se dispone es el BMS, incluido en el paquete de

baterías elegido. Se procederá por lo tanto a la elección de estos componentes. Más

adelante se mostrará el esquema de la planta completa, con todos sus componentes en

él.

De nuevo la distribuidora Cloud Electric nos da acceso fácilmente a cantidad de

componentes para el montaje de circuitos eléctricos. Todos estos componentes irán

implementados en un circuito de baja tensión de 12V, el cual controlará el

MEMORIA

- 50 -




funcionamiento de los relés que a su vez darán paso a la corriente en el sistema de

tracción, este sí a la tensión de trabajo del motor.

En la página de este distribuidor encontramos en primer lugar los interruptores,

capaces de cortar y establecer corrientes de 200A a 12V (Figura 24). Dado que vamos a

funcionar a esta tensión y que los componentes de todo este circuito de control apenas

consumen potencia, estos 200A dan margen suficiente para cortar la corriente.

Figura 24: Interruptores.

Las setas de emergencia también están disponibles, siendo de nuevo válidas con

una intensidad nominal de corte de 250A, capaces de interrumpir hasta 1000A en

cortocircuito.

Figura 25: Setas de emergencia.

Para los interruptores de inercia (Figura 26), en este caso se acude al fabricante

recomendado por la organización, Sensata. La función de estos interruptores es

simplemente desconectar el sistema en caso de accidente, evitando así riesgos de

incendio o de contacto con elementos eléctricos de alta tensión.

MEMORIA

- 51 -




Figura 26: Interruptores de inercia.

El IMD también viene dado por la normativa, en la cual recomiendan el uso del

modelo Bender A-ISOMETER ® iso-F1 IR155-3203 (Figura 27); así como el interruptor

de freno (Figura 28).

Figura 27: IMD recomendado por la normativa.

Figura 28: Brake over-travel switch.

MEMORIA

- 52 -




Los relés, serán necesarios dos, uno a la salida y otro a la entrada del conjunto de

las baterías. Serán los encargados de cortar el paso de corriente en el sistema de

tracción. Para ello se han elegido GWL/Power Contactor DC, de ev-power.eu (Figura

29), con tensión nominal de 12VDC y capaz de cortar hasta 400A.

Figura 29: Relés de protección.

Se elegirá un fusible que sea capaz de cortar a partir de 400A para asegurar que

el motor no correrá peligro.

Figura 30: Fusible.

En cuanto al sistema de alimentación del circuito de baja tensión, se elegirá una

batería de 12VDC la cual alimentará todo este circuito de control. Dado que ya se

dispone de cargador para el conjunto de baterías del sistema de tracción, se aprovechará

para elegir por tanto un paquete de celdas del fabricante GBS de nuevo (Figura 31), 4

celdas que entregan 12,8V@40Ah. Con ellas se tendrá energía más que suficiente para

superar el evento endurance en varias ocasiones ya que los únicos componentes que

consumen una energía considerable son el Kelly y el BMS, siendo esta energía

MEMORIA

- 53 -




consumida del orden de 100 veces menor que la energía almacenada en este paquete de

celdas.

Figura 31: Paquete de baterías GBS.

A continuación se muestra el acelerador elegido (Figura 32), recomendado por

Cloud Electric para su uso con controladores como el Kelly, y en último lugar el

diferencial elegido (Figura 33), del fabricante Torsen Traction, que incorpora una

relación de velocidades 5:1 requerida como se explicó anteriormente.

Figura 32: Pedal de acelerador.

MEMORIA

- 54 -




Figura 33: Diferencial de Torsen Traction.

En último lugar se mostrarán las escobillas de repuesto necesarias para el motor.

Serán necesarias en total 8 escobillas por motor. El distribuidor Evparts.com vende

estas escobillas (Figura 34) específicas para los LEM200.

Figura 34: Escobillas para motores LEM200.

Los cables elegidos los proporcionará Cloudelectric, tomando diámetros de

11,684 mm (4/0) para el circuito de tracción, y de 4,115 mm de diámetro (6 gauges)

para el circuito de control. Se tomarán 10 m de cada tipo para no tener problemas con

faltas de cable en ningún momento.

Figura 35: Cables para zona de tracción y de control.

MEMORIA

- 55 -




2.2.5 CONFIGURACIÓN DE LA PLANTA Y MONTAJE.

Ya conocidos todos los componentes necesarios, se va a proceder a ilustrar la

configuración de todos ellos, tanto del circuito de control como del de tracción, con la

disposición de los motores incluida. Todo lo que respecta al circuito de control viene

impuesto por normativa para cerciorarse de que todos los equipos cumplirán un mínimo

de seguridad en sus vehículos. Este esquema puede verse con detalle en la Figura 36.

Con los motores elegidos, se hace necesario el uso de una reductora que permita

incrementar el par entregado en las ruedas reduciendo a la vez la velocidad de giro del

motor para adecuarla a la velocidad que se pretende conseguir del vehículo. Por

simplicidad a la hora de controlar cada motor, y aprovechando la opción de los Lynch

LEM200 de poner hasta dos motores acoplados en el mismo eje, la configuración

elegida se muestra en la Figura 37.

Esta configuración completaría la Figura 36 donde indica “Tractive System”. En

la parte que indica “Control System” simplemente habría que añadir el sistema Kelly y

el acelerador. El Kelly iría conectado al motor mediante un circuito de control, el cual

alimentará al mismo en función de la demanda que sufra por parte del piloto a través del

acelerador. El esquema completo de la planta puede encontrarse en la Figura 38.

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Figura 36: Circuito de control impuesto por la normativa [FSAE12].

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Figura 37: Configuración del sistema de tracción [EHSA10].

Figura 38: Configuración general del sistema de propulsión.

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- 58 -




2.3 MODELO EN SIMULINK.

2.3.1 EXPLICACIÓN DEL MODELO.

En este apartado se explicará con detalle el modelo planteado en Simulink para

comprobar el comportamiento del motor, asegurando que es capaz de entregar el par a

la velocidad requerida, comprobando la potencia en cada instante y la energía total

consumida al final de una vuelta. Este modelo se establecerá con los parámetros

concretos de los componentes ya elegidos, es decir, la tensión nominal de motor y

baterías, capacidad de baterías y parámetros internos del motor encontrados en la Figura

21, tanto potencia como velocidad nominal así como los valores de la resistencia e

inductancia interna de la armadura.

El modelo del que se parte utiliza un motor de inducción por lo que es necesario

el cambio a uno de corriente continua, editando por tanto un nuevo modelo. La Figura

40 muestra un esquema general de lo que es la planta diseñada en base Simulink,

explicando en adelante cada bloque en profundidad.

Se empezará explicando el bloque que calcula la potencia requerida en cada

instante por el vehículo (Figura 39) a partir de los datos de velocidad y tiempo de una

vuelta, de manera similar a lo que inicialmente se hizo en Excel para determinar los

componentes.

Figura 39: Bloque de cálculo de potencias.

En el interior de este bloque se encuentran dos más como muestra la Figura 41.

El bloque “Ciclo de velocidad” nos permite introducir los datos de la vuelta tiempo y

velocidad, haciendo unos primeros cálculos de la aceleración necesaria y la distancia

recorrida en cada instante. El bloque “Cálculo de par y velocidad requeridos al motor”

realizará estos primeros cálculos de potencias, incluyendo ya el peso, área frontal y

coeficiente de penetración y todos los demás parámetros necesarios.

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- 59 -




Figura 40: Modelo Simulink.

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Figura 41: Bloques de ciclos y cálculos iniciales.

Viendo en profundidad cada bloque, se empezará explicando el bloque “Ciclo de

velocidad”, desplegado detalladamente en la Figura 42.

Figura 42: Ciclo de velocidad en Simulink.

Simplemente a partir de las velocidades y tiempos se hace un cálculo sencillo de

la aceleración, derivando el perfil de velocidades y de la distancia recorrida integrando

dicho perfil. Así se consigue para empezar a la salida de este bloque estos tres

parámetros.

El bloque de “Cálculo de par y velocidad requeridos por el motor” puede verse

en la Figura 43.

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Figura 43: Calculo de par, potencia y velocidad requeridos por el motor.

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Se observan de izquierda a derecha en primer lugar los bloques de cálculo de

esfuerzos y potencias de rodadura, aerodinámica, gravitatoria y por requerimientos de

aceleración, a partir de la velocidad, pendiente del terreno en nuestro caso nula y peso

del vehículo con piloto incluido. Justo en la parte superior de esta columna se encuentra

una ganancia que transforma la velocidad del vehículo a revoluciones por minuto en

función del radio de la rueda y la relación de transmisión establecida.

Después del bloque sumador de todas las potencias, aparte de realizar unas

medidas de potencia y energía integrando ésta, se realiza el cálculo con la velocidad del

motor para obtener el par necesario, incluyendo una ganancia que represente las

pérdidas en la cadena cinemática. Finalmente las salidas útiles de este bloque serán la

velocidad del motor en rad/s y el par en Nm.

El siguiente bloque a estudiar es el bloque del motor que se corresponde con el

mostrado en la Figura 44.

Figura 44: Bloque motor en Simulink.

Este bloque viene incluido en la biblioteca de Simulink SimPowerSystems.

Incluye el motor, el puente de diodos IGBT para controlar la tensión de alimentación y

los controles PI necesarios para el correcto funcionamiento. Es necesario comprender

perfectamente el funcionamiento de este bloque para conseguir que su respuesta se

adecúe de manera óptima al funcionamiento buscado. Se va a aprovechar el esquema de

funcionamiento proporcionado por la “Ayuda” del programa, el cual puede encontrarse

en la Figura 45, para explicar el funcionamiento de dicho bloque.

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- 63 -




Figura 45: Esquema del bloque motor de la biblioteca SimPowerSystems.

En primer lugar se elige la configuración del puente de 4 diodos en lugar de 1 o

2, ya que con 4 se permite una mayor variación de la tensión consiguiendo más margen

de maniobra, siendo además esta configuración la ampliamente utilizada en el control

de estos motores. De hecho, tras haber realizado varias simulaciones se ha comprobado

que solamente con el uso del puente de 4 diodos se consigue seguir el perfil de

velocidad. La función de los diodos IGBT es similar a la de un interruptor que se abre y

cierra con una frecuencia dada por unos pulsos. Su objetivo es obtener una tensión

media que se adecue a la requerida por el usuario.

Antes de explicar cómo se consiguen estos pulsos, veamos el funcionamiento

aguas arriba siguiendo el esquema de la Figura 45. Existen dos tipos de regulación, por

velocidad o por par. En el primer caso se medirá la velocidad del motor y se comparará

en el primer controlador PI con la velocidad de referencia. Esta velocidad de referencia

es el perfil de velocidades que se quiere que siga el motor. Este primer controlador PI

proporcionará a la salida una corriente de referencia la cual será la necesaria para que el

motor entregue el par que a su vez haga alcanzar al motor la velocidad referencia. A

partir de esta corriente de referencia se comparará con la corriente medida en el motor

en otro controlador PI. La salida se comparará con un generador de dientes de sierra,

consiguiendo así los pulsos necesarios según esta señal de salida se encuentre por

encima o por debajo de estos dientes de sierra. Esto puede entenderse claramente

observando la Figura 46.

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Figura 46: Generación de pulsos con dientes de sierra.

El segundo tipo de controlador, mediante el par, es más simple. En este caso lo

que se tiene por referencia es un perfil de par que debe seguir el motor. De aquí se saca

la corriente de referencia que entra en el segundo PI, funcionando lo demás igual que en

el primer caso. Sin embargo, para nuestro caso lo que se pretende seguir es el perfil de

velocidad teniendo como input mecánico el par en el motor, por lo que se trabajará con

el control de velocidad.

Para el establecimiento de los parámetros de los controladores PI se ha hecho

por partes. En primer lugar, con control por par, se ha diseñado el controlador de

corriente teniendo como entrada un escalón de par. De esta manera es fácilmente

observable el sobrepaso, regulado con la ganancia proporcional, y el error, reducido con

la integral. Una vez se consiguió una respuesta al escalón al par deseada, se procedió al

diseño de los parámetros del controlador PI de velocidad, procediendo de la misma

manera.

De esta manera se generan los pulsos necesarios para que los IGBT

proporcionen la tensión necesaria al motor para seguir el perfil de velocidades y

entregar el par requerido. Cabe comentar que la frecuencia de generación de los dientes

de sierra debe ser menor que la frecuencia de cálculo el modelo para que los cálculos se

hagan de manera correcta. La frecuencia de cálculo del sistema deberá ser del orden de

100 veces mayor que la de generación de los dientes de sierra, por debajo de este valor

no se han conseguido resultados adecuados. Además, cuanta más alta es la frecuencia de

generación de los dientes de sierra más preciso es el modelo, sin embargo, los tiempos

de simulación se disparan.

El último bloque que aún no ha sido explicado simplemente consiste en tomar

las salidas del motor, controlador y puente de diodos para permitir al usuario establecer

MEMORIA

- 65 -




qué salidas considera necesarias y verlas posteriormente en los osciloscopios. Puede

distinguirse este bloque con los osciloscopios en la Figura 47.

Figura 47: Demux.

Los demás elementos del modelo simplemente hacen cálculos sencillos para

calcular la energía y potencia reales consumidas por el motor.

Comprendido ya el funcionamiento del modelo se procederá a mostrar los

resultados de las simulaciones.

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Capítulo 3 RESULTADOS/EXPERIMENTOS

En este capítulo se expondrán los resultados de las simulaciones finales del

modelo presentado utilizando los datos de partida mostrados en la Tabla 2.

En primer lugar se mostrará la respuesta al escalón del sistema para explicar el

por qué de esa respuesta. A continuación se mostrarán los resultados de las

simulaciones con las entradas requeridas para completar una vuelta. Posteriormente se

realizará un análisis de sensibilidad variando algunos de ellos para ver su influencia en

el modelo.

El objetivo de estas simulaciones es confirmar que el sistema de propulsión

diseñado responde como se esperaba frente a los requerimientos de velocidad, par,

potencia y energía.

Como aclaración, todas las gráficas que se muestran como resultado de

simulaciones tienen en el eje horizontal segundos como unidades, representando el

tiempo de vuelta. En el eje vertical se tendrá la unidad de la magnitud que se esté

tratando la cual será especificada en cada caso.

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- 68 -




3.1 RESPUESTA AL ESCALÓN.

Se trata de someter al sistema a un escalón en la entrada de par así como en la

velocidad de referencia. Inicialmente se le aplicará un escalón de 1500 rpm para que

adquiera una velocidad inicial. Después en el segundo 4 se le aplicará un escalón de

50Nm para ver tanto su reacción a la entrega del par como su influencia en la velocidad.

Figura 48: Escalón de velocidad.

En la Figura 48 puede apreciarse perfectamente el escalón de velocidad en el

segundo 1 hasta las 1500rpm. El sobrepaso supera levemente las 1600rpm, pero hay que

tener en cuenta que el escalón ha sido de 0 a 1500rpm directamente, cosa que no

ocurrirá en el modelo. El perfil de velocidad requerido demanda variaciones de

velocidad mucho más suaves. Lo mismo ocurre en el segundo 4 cuando se aplica el

escalón de par. La velocidad baja ligeramente de las 1200rpm para recuperar la

referencia en algo más de medio segundo. En el modelo estos escalones de par serán

también más graduales, por lo que en general el seguimiento de velocidad se considera

válido.

En la Figura 49 se aprecia el seguimiento del escalón de par. En el segundo 1

puede verse como es necesaria una entrega de par durante un tiempo muy breve para

poder adquirir esa velocidad inicial. Esto en el modelo apenas se apreciará ya que como

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- 69 -




Figura 49: Escalón de par.

se dijo antes, estos escalones serán más graduales, e irán conjuntas las demanda de par

con las aceleraciones y por tanto los incrementos de velocidad. A partir del segundo 4 se

produce el escalón siguiéndolo con muy poco error y un sobrepaso de 10Nm aceptable.

La aparente mala resolución es debida a la frecuencia de cálculo. Ésta está establecida

en 50kHz para ser suficientemente mayor, 100 veces exactamente, a la frecuencia de

generación de los dientes de sierra. Para mejorar esta resolución es necesario aumentar

esta frecuencia de cálculo y de generación de pulsos a 500kHz y 5kHz respectivamente,

sin embargo cuando se realiza este cambio no es posible acceder a los osciloscopios por

fallo de memoria. Con los ordenadores disponibles en la universidad no ha sido posible

conseguir de manera asidua resultados con estos parámetros mejorados. Pero sabiendo

que esta es la razón de esta falta de resolución se concluye que el resultado es

perfectamente válido.

Vista que la respuesta al escalón ha alcanzado unos mínimos para considerarse

válida, modificando para ello los parámetros de los controladores PI, se procederá a

continuación a ver la respuesta del sistema a los requerimientos reales.

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- 70 -




3.2 SIMULACIÓN DE UNA VUELTA COMPLETA AL CIRCUITO.

Ya se tienen todos los parámetros del sistema establecidos para obtener una

respuesta aceptable. Se acaban de fijar los valores de los controladores PI y se tienen los

valores nominales del motor y baterías según sus fabricantes. Se verán poco a poco los

resultados obtenidos y se compararán con los calculados manualmente y los teóricos de

entrada al motor calculados por Matlab.

Se comienza comparando el par requerido por el motor y el par entregado por el

mismo. Esta comparación se lleva a cabo mediante la Figura 50 cuyas unidades están en

Nm.

Figura 50: Comparación de pares en. Simulink.

Como puede observarse, no hay ningún problema en que el motor siga el perfil

de par requerido por el circuito. Cabe comentar la diferencia de 10Nm en término medio

entre los picos de la referencia y los entregados. Esta diferencia se puede deberse a la

resolución comentada con anterioridad, reduciéndose si se aumenta la frecuencia de

cálculo y de generación de pulsos. Para evitar los problemas de memoria y ver el efecto

real si se aumenta esta frecuencia del cálculo se han simulado 7s, suficientes para ver las

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- 71 -




primeras curvas de par requerido, con 500kHz y 5kHz en la frecuencia de generación,

comparándose por lo tanto estos 7 primeros segundos en ambos casos.

Figura 51: Comparación de pares (Nm) a alta frecuencia.

Figura 52: Par (Nm) entregado a baja frecuencia.

En las Figura 51 y Figura 52 puede apreciarse claramente el efecto comentado

de la frecuencia de cálculo. En la Figura 52 se muestra el par entregado por el motor con

una frecuencia de cálculo de 50kHz mientras que en la Figura 51 se muestra mediante

cálculos a 500kHz y la referencia. Pese a mejorar la resolución, se ve que los 10Nm de

MEMORIA

- 72 -




diferencia entre los picos de par entregado por el sistema y la referencia no han

desaparecido. Se concluye finalmente que estos picos son debidos al sobrepaso del

controlador PI. Sin embargo no suponen un problema ya que se demuestra que el motor

es capaz de entregar algo más de par del requerido que se traducirá posteriormente en

aceleraciones superiores. Para el modelo por lo tanto se determina que es válida esta

diferencia.

Cabe comentar en último lugar los picos que aparecen en el entorno de 0,1s.

Estos picos se deben al escalón inicial de velocidad al que se somete el sistema, ya que

en los datos de entrada del modelo se ha introducido la velocidad como si el monoplaza

estuviera en una vuelta lanzada, por lo que la velocidad inicial no es nula. Por ello

aparece una entrega de par inicial para establecer esta velocidad, efecto similar al

observado cuando se sometió al sistema a una respuesta al escalón.

Habiendo comprobado que la entrega de par por parte del modelo es válida se

pasa a comprobar si lo es también la entrega de velocidad.

Figura 53: Comparativa de velocidades (rpm) en Simulink.

MEMORIA

- 73 -




Como puede observarse en la Figura 53 el perfil de velocidades se sigue sin

ningún problema, superando solamente la velocidad nominal del motor en dos

ocasiones en no más de un 15% lo que confirma la correcta elección de la relación de

transmisión 5:1. Sin embargo cabe destacar la existencia de crestas en los picos del

perfil, así como pequeños escalones en los tramos de aceleración. Para estudiar a qué es

debido este fenómeno se va a ver con detenimiento el tramos de los 10 primeros

segundos el cual comprende todas las situaciones posibles durante el perfil completo,

tanto aceleraciones como deceleraciones.

Figura 54: Influencia del par (Nm) en el perfil de velocidades (rpm).

En la Figura 54 se ve perfectamente como coinciden los tramos de entrega de

par con los tramos de aceleración. Esto no es de extrañar si además se tiene en cuenta

que el modelo para realizar los cálculos resuelve la Ecuación 8.

Ecuación 8

A parte, las crestas y escalones a los que se hacía referencia con anterioridad, se

deben al mismo efecto explicado en el apartado 3.1. Las variaciones de par afectan al

perfil de velocidad ya que al existir necesidad de modificar la intensidad para modificar

el par, la tensión por tanto también debe variar. Sin embargo, con un adecuado control

como el que se ha conseguido, esas influencias apenas son apreciables. Para quitar

MEMORIA

- 74 -




cualquier duda que pueda quedar sobre el seguimiento del perfil de velocidades del

modelo en la Figura 53 se muestra la diferencia de velocidades en cualquier instante

entre la velocidad del motor y la de referencia.

Figura 55: Diferencia de velocidades (rpm) entre la de referencia y la entregada por el motor.

Los picos con valores positivos corresponden a puntos en los que la derivada de

la velocidad pasa de negativa a positiva, mientras que los picos negativos corresponden

a puntos en los que ocurre lo contrario, la aceleración pasa de positiva a negativa.

Dichas diferencias se corresponden a momentos en los que existe una variación de par

en el motor, por lo que la velocidad requiere de un tiempo mínimo de recuperación para

volver a alcanzar la referencia. Se observa que el pico máximo en valor absoluto no es

de más de 400rpm.

En la Figura 56, que muestra el máximo pico negativo de la Figura 55, se vuelve

a observar el efecto del par en el perfil de velocidad, observándose que es la causa de

esta diferencia de velocidades ya que en los tramos de deceleración la diferencia de

velocidades es nula. Con la Figura 57 queda perfectamente aclarado que en la

deceleración no hay entrega de par confirmando la razón de que en ese tramo la

diferencia de velocidades sea nula.

MEMORIA

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Figura 56: Pico máximo de diferencia de velocidades (rpm).

Figura 57: Par entregado (Nm) durante el pico máximo de diferencia de velocidades.

Otra medida de interés que nos da el modelo es la potencia entregada por el

motor. Este perfil de potencia será comparado con la potencia calculada previamente

que sirvió para la elección de los motores. Será interesante ver también las potencias

asociadas a cada tipo de esfuerzo por separado y comprobar cómo siguen las leyes de la

física impuestas.

En primer lugar, en la Figura 58 se comparan la potencia calculada teóricamente

con la entregada por el motor. Este gráfico de potencia teórica se corresponde con el de

la Figura 16, ya que en el modelo se ha incluido el rendimiento de la cadena cinemática

requiriendo al motor esta entrega ligeramente superior.

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Figura 58: Comparación de potencias (kW) real y calculada.

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Cabe destacar una gran diferencia entre ambos perfiles mostrados en la Figura

58, la potencia negativa que aparece en los cálculos teóricos y no en la entregada por el

motor. Esta potencia negativa sería la correspondiente a potencia de frenada y dado que

no se está considerando frenada regenerativa, toda esta potencia deberá entregarla un

sistema de frenado adicional. Por tanto el sistema motor solo debe entregar potencias y

por tanto pares positivos. Sin embargo, más adelante cuando se hable sobre la energía

consumida por el modelo se comentará cuánta energía de frenada se tiene disponible y

cuánta se estima aprovechable.

Queda visto pues cómo el motor no tiene ningún problema en entregar la

potencia necesaria para completar una vuelta al circuito con una diferencia

prácticamente nula frente a la teórica.

En cuanto a la potencia asociada a los distintos esfuerzos, se puede encontrar

esta distribución en la Figura 59. Es muy destacable que de los esfuerzos considerados,

la más influyente es la potencia necesaria para variar la aceleración del vehículo,

representando del orden del 90% de la potencia total requerida. Relativo a la potencia

aerodinámica y la de rodadura se distingue una gran similitud entre estos perfiles y el

perfil de velocidades, lo cual encaja sabiendo que estas potencias dependen de manera

directamente proporcional de la velocidad la de rodadura y de la velocidad al cubo la

aerodinámica. Esto explica las ligeras diferencias entre ambos perfiles de potencias.

Para terminar con las potencias relativas a los esfuerzos de la Figura 59, se

concretará porqué la potencia ascensional y la llamada “potencia constante” son cero.

La primera, como se concretó en el punto 2.1.4, es nula ya que se ha considerado que el

circuito se encuentra en una zona sin desnivel, plana. Por tanto no se requiere ninguna

potencia para superar ninguna variación de alturas. La segunda, se refiere a elementos

que pudieran ir conectados a las baterías como elementos de iluminación. Dado que los

pocos elementos de este tipo existentes se encuentran en el circuito de control y los que

no, se sugiere alimentarlos con las baterías de baja ya que se dispone de mucha más

energía de la necesaria y su tensión se considera suficiente, esta potencia denominada

“Potencia constante” queda con valor nulo durante toda la vuelta.

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Figura 59: Distribución de potencias (W) según esfuerzos.

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Antes de comentar la energía consumida y realizar las explicaciones pertinentes

se va a hablar brevemente de las aceleraciones requeridas. En la Figura 60 se puede

encontrar el valor de las aceleraciones requeridas en función de la variación de

velocidades de la entrada.

Figura 60: Aceleraciones requeridas (m/s2).

Estas aceleraciones servirán para el cálculo de la potencia necesaria para la

variación de velocidad, comentado anteriormente que es la potencia más representativa

respecto a la potencia total a entregar. Como se vio en la Figura 50, el seguimiento de

par se realiza sin problema por lo que estas aceleraciones se alcanzan perfectamente.

La máxima aceleración se alcanza a los 22s con un valor de 5,17 m/s ofreciendo

una potencia en este punto de 37,5kW. Si se compara con los valores requeridos por el

evento de Aceleración, 6m/s2 a 54,44 kW, puede verse que esta diferencia en los valores

de aceleración no es significativa y que según los valores del motor existe aún potencia

disponible antes de llegar a la potencia pico que es capaz de ofrecer. Sin embargo,

cuando se simula el evento de Aceleración según los parámetros establecidos

inicialmente, resulta que la potencia máxima requerida es de 72 kW. Esta potencia es

superior a los 68 kW sumados por los dos motores de potencia pico por lo que es

necesario o limitar electrónicamente el motor a 68 kW o reducir los valores impuestos

de diseño (t=5s y a=6m/s2). Esta diferencia entre la potencia calculada y la obtenida es

debida a que el cálculo fue realizado siguiendo la Ecuación 7 que requiere un parámetro

Vb referente a la velocidad base de un motor de inducción. Dado que inicialmente no se

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- 80 -




sabía qué tipo de motor en concreto se utilizaría, esta ecuación se dio por válida, pero al

haber elegido finalmente un motor de corriente continua el valor resultante de la misma

no es válido, siéndolo el resultado obtenido en la simulación. Más adelante, en el punto

3.3 se realizará una simulación del evento de Aceleración para ver exactamente la

respuesta del sistema.

Para acabar este apartado se verán la energía consumida así como la energía

disponible durante la frenada y cuánta de esta energía se considera útil.

Figura 61: Energía consumida (kWh).

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Figura 62: Energía disponible de frenadas (kWh).

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En la Figura 61 y Figura 62 se muestran la energía consumida en una vuelta y la

energía disponible en frenadas respectivamente. De la energía consumida se comprueba

que el resultado obtenido, 0,0948 kWh consumidos, solamente difiere de la calculada

teóricamente en 0,0066 kWh. Por lo tanto el modelo y tipo de baterías elegido

funcionará correctamente y tendrá la capacidad suficiente para completar el evento

endurance. En cuanto a la energía disponible en frenadas, 0,0816 kWh, corresponde al

86% de la energía consumida. Esto a priori dejaría a la frenada regenerativa como una

muy buena opción para recuperar y ahorrar energía. La Figura 63 muestra la energía

instantánea y final que tendría el sistema si toda la energía de frenada pudiera ser

absorbida por el sistema de baterías.

Figura 63: Energía (kWh) instantánea con 100% de frenada regenerativa.

MEMORIA

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Al final de una vuelta, el vehículo podría tener 0,0133kWh, 10 veces menos que sin

considerar que se puede absorber el 100% de la energía mediante frenada regenerativa.

Con estas consideraciones podría mejorarse sensiblemente los sistemas de

almacenamiento de energía, abaratando además el coste final del vehículo así como

reduciendo su peso.

El problema está en que las baterías no son capaces de absorber la energía a la

velocidad que esta se disipa en las frenadas, es decir, podría asimilarse a que la potencia

de absorción de una batería está muy limitada. De hecho, se estima que con sistemas de

almacenamiento basados en baterías el porcentaje de energía que podría recuperarse

apenas llegaría al 5% de la disponible en frenadas. Esta es la razón principal por la que

se ha decidido no implementar en este primer proyecto un sistema de frenada

regenerativa, ya que la complicación en el diseño y modelado no son amortizados si

solamente se aspira a obtener un 5% de la energía disipada.

3.3 SIMULACIÓN DEL EVENTO DE ACELERACIÓN.

Para obtener por tanto una potencia adecuada al sistema propulsor diseñado y

poder realizar a su vez el evento de Aceleración con éxito se han reducido ligeramente

las exigencias iniciales estando dentro aún de los valores mínimos para realizar la

prueba. Estas nuevas exigencias son: 5m/s2 en un tiempo de 5,47s. Con estos nuevos

valores se pueden encontrar los nuevos resultados de potencia en la Figura 66, de par en

la Figura 64 y de velocidad en la Figura 65.

Figura 64: Par (Nm) para evento de Aceleración.

MEMORIA

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Figura 65: Velocidad (rpm) en el evento de Aceleración.

Figura 66: Potencia (kW) durante el evento de Aceleración.

Con estos nuevos valores se ha obtenido fácilmente una respuesta adecuada

dentro del rango de valores de trabajo del motor. La potencia apenas supera los 60kW,

la velocidad supera la nominal durante algo más de 1s y el par entregado es de 112Nm,

igual que el calculado previamente, por lo que entra dentro de lo esperado. Por lo tanto

queda confirmado que el sistema de propulsión diseñado es capaz de superar el evento

de Aceleración con un margen suficiente.

MEMORIA

- 85 -




3.4 ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD.

En este apartado se pretende observar la influencia de parámetros estimados

inicialmente como el peso o el área frontal del vehículo en el modelo con el fin de

confirmar la validez del sistema elegido frente a posibles variaciones de estos

parámetros.

La primera modificación que se ha realizado ha sido establecer el peso en 400 kg

en lugar de 350kg. Este margen añadido se ha realizado pensando en el peso de los

distintos pilotos así como en añadir más margen de maniobra al equipo que en su caso

diseñase la estructura del coche. Ésta será realizada de acero por lo que será el

componente del coche que más pese añada. Con un peso de 400 kg nos situamos en un

límite más que razonable en el que puedan trabajar los demás equipos de diseño. En

cuanto a la respuesta del sistema de propulsión, podemos ver la entrega de potencia por

parte del motor en la Figura 67.

Figura 67: Potencia entregada por el motor (kW) con 400 kg.

Se observa que la potencia apenas supera los 40 kW en solamente dos ocasiones

con lo que el aumento de potencia requerido no es importante, quedando siempre muy

por debajo de los 68 kW pico capaces de ser entregados por el motor. Dado que la

potencia no ha sufrido un aumento considerable, la energía tampoco lo ha hecho siendo

suficiente la capacidad inicial de 60Ah.

Para comprobar los límites del modelo se irán añadiendo adversidades al mismo,

por lo que para la próxima suposición se mantendrán los 400 kg. Esta vez se ha

aumentado el área frontal del vehículo a 1 m2 aumentando consecuentemente el

MEMORIA

- 86 -




coeficiente de penetración Cx hasta un valor de 0,4. La razón de que estos aumentos no

sean sustanciales se debe a que ya inicialmente los parámetros con los que se ha

modelado y calculado eran desfavorables, por lo que lo único que se está haciendo es

llevarlos a un límite el cual por diseño no va a ser superado en ningún caso.

Después de realizar la simulación con las nuevas consideraciones se observa que

la potencia apenas si ha sufrido un aumento, por lo que al no aportar nada nuevo con

respecto a la Figura 67 no se incluye este perfil de potencias.

El único parámetro que falta por modificar, y este no depende de las condiciones

de diseño si no de las condiciones del asfalto es el coeficiente fr. inicialmente se fijo este

coeficiente en un valor de 0,013 pero el rango posible de valores es bastante amplio

dependiendo del tipo de pavimento, si es asfalto u hormigón y las condiciones del

mismo. Este valor de 0,013 se estableció a partir de la Tabla 1. Si se tiene en cuenta la

Figura 68 dependiendo del neumático que se elija, este valor puede aumentar hasta

alcanzar los 0,020 si el vehículo alcanza los 100 km/h.

Figura 68: Coeficiente de resistencia a rodadura en función de la velocidad (km/h).

La velocidad máxima que se alcanza durante una vuelta es de 63,95 km/h por lo

que realmente, aunque se ruede con neumáticos diagonales, el valor de fr no alcanzará

en ningún momento los 0,02. Si establecemos este valor como más desfavorable y lo

introducimos en el modelo, la potencia entregada por el mismo la encontramos en la

Figura 69.

MEMORIA

- 87 -




Figura 69: Potencia (kW) más desfavorable.

Como puede verse, con todos los parámetros desfavorables, la potencia máxima

que el motor tendría que entregar es de 45,5 kW en el segundo 67,75, siendo esta como

ya se ha comentado inferior a los 68 kW que es capaz de ofrecer el motor.

Después de este análisis paramétrico se puede concluir que el sistema elegido va

a ser capaz de superar los esfuerzos y situaciones incluso en los casos más

desfavorables.

MEMORIA

- 88 -




MEMORIA

- 89 -




Capítulo 4 CONCLUSIONES

El proyecto realizado ha cumplido los objetivos previstos, determinando un

sistema de propulsión eléctrico completo para un vehículo de Fórmula SAE, incluyendo

el motor, el sistema de almacenamiento de energía y el controlador, así como el circuito

de control y de seguridad. Además se ha conseguido proponer un modelo válido

mediante Matlab-Simulink para testear los resultados sirviendo de base para futuros

trabajos y desarrollos de esta planta motora.

Se ha visto como un sistema eléctrico, de propulsión en este caso, es capaz de

trabajar por encima de sus valores nominales funcionando correctamente siempre y

cuando se mantengan por debajo e unos valores máximos de corriente.

El proceso llevado a cabo no podría haber sido de otra manera, habiendo

resultado necesario el cálculo previo de las potencias requeridas por el sistema, la

posterior elección de los componentes y, finalmente, el establecimiento de un modelo

con los parámetros de esos componentes. De esta manera se consigue que la respuesta

del modelo se ajuste a la realidad lo máximo posible al trabajar con parámetros reales.

En cuanto a los resultados obtenidos se han sacado varias conclusiones. En

primer lugar se ha visto qué factores son los que influyen de manera notable frente a los

demás. Esto ha sido observado en el análisis paramétrico donde los factores

determinantes han sido básicamente la velocidad y el tiempo como datos de entrada ya

que han determinado las aceleraciones necesarias responsables como se ha visto, del

90% de la potencia necesaria. Dado que se está tratando con un vehículo que será

utilizado en competición, estas potencias y valores de energía obtenidos no podrán ser

reducidos si se quiere ser competente. No solo eso, sino que en la medida de lo posible

se debe tender a aumentar la potencia que es capaz de entregar el monoplaza. Entra aquí

por lo tanto en juego las potencias responsables del 10% restante. En un mundo de

competición, cualquier kW de más siempre es bienvenido. Esto justifica que se realicen

diseños con estudios complejos de aerodinámica, rendimientos y adherencia para

conseguir optimizar los resultados.

Ha quedado clara también la importancia de un sistema de control que sea capaz

de proveer al motor de la tensión necesaria para alcanzar el perfil de velocidad

requerido. Se ha visto como este control de la tensión es necesario realizarlo con un

puente de 4 diodos ya que con menos no se conseguían las variaciones de tensión

adecuadas. En la misma línea cabe destacar la importancia de la generación de los

pulsos de referencia de dichos diodos. En el modelo se ha visto la importancia de esta

frecuencia de generación en la resolución de los resultados obtenidos. Y no solo eso,

esta frecuencia debe ser menor que la frecuencia de cálculo del modelo, de no ser así, de

MEMORIA

- 90 -




nuevo se pierde resolución. Esto es debido a que el modelo calcula más rápido de lo que

varía la tensión en el motor por lo que no se consigue la respuesta adecuada. Además se

debe asegurar que esta frecuencia es al menos 100 veces mayor que la de generación, de

lo contrario el modelo pierde precisión también saturando alguno de sus controladores.

No obstante el modelo y el sistema real difieren en lo que es el sistema de

regulación. El modelo de Simulink utiliza dos controladores PI para conseguir que la

señal de salida de velocidad del motor siga la referencia regulando a su vez la intensidad

de alimentación del motor. El uso de controladores PI se justifica por ser el tipo de

controladores más rápidos de los tres existentes (PD, PI, y PID) aunque sean los que

más error frente a la referencia introducen. En la aplicación que se está tratando cobra

mucha más importancia la rapidez de respuesta del sistema que el error en régimen

permanente ya que éste no tiene sentido en una vuelta a un circuito donde la referencia

cambia continuamente. A diferencia del modelo, en el sistema real esta regulación es

llevada a cabo por el piloto a través del pedal del acelerador. Mediante el acelerador el

piloto podrá demandar más o menos velocidad al motor sin seguir ninguna referencia,

por lo que en la realidad los sobrepasos provocados por los controladores PI no se darán

ya que simplemente no formarán parte del sistema. Esta ausencia de errores y sobrepaso

provocados por los controladores PI da aún más validez a las simulaciones realizadas ya

que como se ha visto, la mayor diferencia entre los resultados proporcionados por el

motor y la referencia eran estos sobrepasos en forma de crestas, por ejemplo, en el perfil

de velocidad. Otro sitio donde estos sobrepasos inquietarían sería en el evento de

aceleración ya que inicialmente producen velocidades negativas.

Sobre los componentes, haciendo especial hincapié en los principales, motor y

baterías, se extraen también varias conclusiones interesantes. Es cierto que sobre el

papel los motores SRM puedan ofrecer mejores prestaciones y ser más adecuados para

aplicaciones en la automoción, pero aún les queda mucho para ser realmente viables. La

complejidad de encontrar un proveedor que venda este tipo de motores ha sido tal que

ha determinado la no utilización de este tipo de motores. Además, en el mundo de la

Fórmula SAE tienen más complicado entrar ya que el uso de los controladores Kelly

está muy extendido y éstos están diseñados para funcionar con motores de continua ya

que su control de velocidades es mucho más simple. En cuanto a los motores de

inducción y síncronos, pueden presentar también mejores características en algunos

aspectos que los de continua, pero su peso es excesivo. Los motores de este tipo con la

potencia requerida por los esfuerzos externos que se han encontrado en varios

fabricantes tienen un peso en el entorno de los 100 kg en el mejor de los casos,

representando casi un tercio del peso total del vehículo incluyendo piloto, y casi la

mitad del peso total del vehículo vacío. Todos estos factores hacen que la opción más

llamativa, tanto por la relación potencia/peso como por la facilidad de controlar la

velocidad con un simple puente de diodos, sea el uso de motores de corriente continua.

Incluso a pesar de que sea necesario el uso de escobillas, lo cual requiere de un alto

mantenimiento sobre todo para alcanzar el alto régimen requerido por el evento de

Aceleración sin problemas. De las baterías no hay mucho que añadir, las baterías de litio

presentan una energía por unidad de peso de aproximadamente dos veces mayor que

otros tipos de batería como las de base níquel o base ácido-plomo. Si con el diseño

actual el peso de las mismas ya alcanza los 73 kg representando el elemento del

MEMORIA

- 91 -




monoplaza completo que más peso añade, se hace inviable una elección de baterías que

no sean de este tipo ya que nos encontraríamos en la misma situación que los motores,

un solo componente representaría cerca de la mitad del peso del vehículo.

El hecho de transformar un monoplaza de combustión a uno eléctrico presenta

varias ventajas. No solamente se consigue reducir emisiones locales así como

contaminación acústica, sino que también facilita tanto una simulación de

comprobación como una posible estrategia en carrera. La razón principal es la ausencia

de combustible. Al no haber gasolina, el peso del monoplaza se mantiene constante

facilitando la previsión de recarga, así como consiguiendo un funcionamiento regular

del vehículo sin que influya el peso del combustible restante. Esta ausencia de

transformación de energía de combustión en cinética hace a su vez que el rendimiento

del monoplaza sea mucho mayor ya que no hay emisiones de gases a alta temperatura,

se reducen los rozamientos internos y se necesita menos refrigeración, lo cual no solo

consume energía sino que da idea de que se está disipando en forma de calor en lugar de

ser transformada.

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- 92 -




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- 93 -




Capítulo 5 FUTUROS DESARROLLOS

Este proyecto podría ser completado en un futuro en todo lo que respecta a la

gestión de la energía. En primer lugar incorporando al sistema la posibilidad de absorber

energía mediante frenada regenerativa, cosa que se ha dejado abierta con el controlador

Kelly que se ha propuesto. Pero dado que, como se ha dicho, la potencia útil real con un

sistema de baterías es apenas un 5% de la energía total de frenada, para un mejor

aprovechamiento se propone como mejora en futuros modelos del sistema el uso de

supercondensadores junto con las baterías. De esta manera se conseguiría aumentar de

manera muy significativa este 5%, estimándose en un 25% la energía aprovechable en

este nuevo caso. Con esta energía aprovechable en las baterías será necesario un nuevo

estudio de la energía consumida ya que podría darse el caso de que con baterías de

capacidad de 40Ah fuera suficiente ya que en el caso actual ya lo es. Con esta

recuperación de energía podría conseguirse que el SOC de las baterías no se redujese

tanto obteniendo así un rendimiento aceptable con las nuevas baterías.

Dado que la normativa permite montar un sistema de propulsión de hasta 85 kW

y actualmente se tienen como máximo 68 kW, cabría realizar un estudio de posibles

aumentos de potencia, algo que posiblemente requiera un cambio en la configuración de

la planta. Se podrá estudiar la instalación de cuatro motores Lynch LEM200, dos por

rueda, pero de menor potencia cada uno, para que la suma total se acerque a los 85 kW,

de esta manera se podría ser más competitivo tanto en el evento endurance como en el

de Aceleración. La instalación de un sistema de ventilación para mejorar la

refrigeración de los motores podría conseguir a su vez ligeros aumentos de potencia.

Sería interesante ver la influencia de esta ventilación forzada ya que a su vez se

consumiría más potencia en los ventiladores. Habrá que ver hasta qué punto compensa.

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- 94 -




BIBLIOGRAFÍA

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Alternativos, Ecuaciones de tracción, 2009.

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vehicles_DB_en_20101202.pdf

[35] www.torsen.com

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- 96 -




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- 97 -




Parte II ESTUDIO

ECONÓMICO

MEMORIA

- 98 -




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- 99 -




Capítulo 1 PRESUPUESTO ECONÓMICO.

En este capítulo se concretará el precio de los componentes utilizados así como

posibles formas de financiación. La Tabla 13 muestra el precio de los componentes

elegidos así como la suma y el costo total del sistema propuesto.

Componente Cantidad Precio unitario Precio completo Fuente

Motor Lynch LEM200 D135RAG 2 $ 1.949,00 $ 3.898,00 Cloud electric

GBS 96V Package 60Ah 1 $ 4.378,00 $ 4.378,00 Electricmotorsport.com

Kelly Controller KDH09501A 1 $ 799,00 $ 799,00 Kelly Controls, LLc.

Interruptores de accionamiento 2 $ 14,81 $ 29,62 Cloud electric

Setas de emergencia 3 $ 39,95 $ 119,85 Cloud electric

Interruptor de inercia 1 $ 5,00 $ 5,00 Precio estimado

IMD 1 $ 25,00 $ 25,00 Benderbenelux.com

GBS 12V,4-cell, 40Ah 1 $ 245,00 $ 245,00 Electricmotorsport.com

Interruptor de freno de emergencia 1

$ 6,00 $ 6,00 Precio estimado

(fsae.com, spstswitch.com)

Relé 2 $ 58,80 $ 117,60 Eu-power.eu

Acelerador 1 $ 99,95 $ 99,95 Cloud electric

Diferencial 1 $ 415,00 $ 415,00 Torsen Traction

Escobillas 16 $ 14,65 $ 234,40 Evparts.com

Cable 4/0 10m $ 27,52 $ 275,20 Cloud electric

Cable 6 gauges 10m $ 4,88 $ 48,80 Cloud electric

Fusible 1 $ 5,95 $ 5,95 Cloud electric

TOTAL $ 10.702,37

TOTAL 8.240,82 €

Tabla 13: Precio de los componentes y precio total.

Este precio obtenido es razonable ya que, si se compara con el precio de

referencia obtenido en el INSIA para el vehículo completo, 15000€, solamente

representa la mitad teniendo incluidas ya varias de las partes más caras del monoplaza.

De este precio total del sistema de propulsión, habría que estudiar qué posibles

patrocinadores podrían aportar ayudas. Tanto Lynch, como Kelly o Torsen Traction

suelen vender muchos de sus productos a universidades competidoras en la Fórmula

MEMORIA

- 100 -




SAE por lo que no sería complicado obtener financiación suya en forma de publicidad.

Además, dado que la Fórmula SAE es un evento internacional, muchas empresas de

ingeniería y fabricantes de coches asisten a la competición, por lo que es una buena

oportunidad también tanto para ellas mismas con el fin de promocionarse o incluso

cooperar en algún desarrollo del vehículo, como para proveedores de componentes.

MEMORIA

- 101 -




Parte III DATASHEETS

MEMORIA

- 102 -




130 Table

Motor

No Load

Current

A

Torque

Constant

Nm/A

Speed

Constant

Rpm/V

Armature

Resistance DC

mΩ

Armature

Inductance @

15kHz μH

Armature

Inertia

Kgm^2

Peak

Power

kW

Peak

Efficiency

%

Peak

Current

A

Rated

Power

kW

Rated

Speed

Rpm

Rated

Voltage

V

Rated

Current

A

Rated

Torque

Nm

95 6 0.0631 138 32.5 14 0.0116 3 82 100 2.27 4968 36 75 4.35

95S 6 0.0631 138 32.5 14 0.0117 4 87 100 3.02 6624 48 75 4.35

170 Table

Motor

No Load

Current

A

Torque

Constant

Nm/A

Speed

Constant

Rpm/V

Armature

Resistance DC

mΩ

Armature

Inductance @

15kHz μH

Armature

Inertia

Kgm^2

Peak

Power

kW

Peak

Efficiency

%

Peak

Current

A

Rated

Power

kW

Rated

Speed

Rpm

Rated

Voltage

V

Rated

Current

A

Rated

Torque

Nm

126 18 0.055 140 185 8 0.0234 7 76 400 4.30 3360 24 240 12.2

127 5 0.12 68 24 23 0.0236 16 88 400 5.54 3264 48 140 16.2

D127 4 0.134 62 21 15 0.0236 21 88 400 7.10 3720 60 140 18.2

200 Table

Motor

No Load

Current

A

Torque

Constant

Nm/A

Speed

Constant

Rpm/V

Armature

Resistance DC

mΩ

Armature

Inductance @

15kHz μH

Armature

Inertia

Kgm^2

Peak

Power

kW

Peak

Efficiency

%

Peak

Current

A

Rated

Power

kW

Rated

Speed

Rpm

Rated

Voltage

V

Rated

Current

A

Rated

Torque

Nm

95 6 0.113 76 21.5 22 0.0238 18 89 400 6 3200 48 175 19

126 10 0.0737 105 175 6 0.0234 7.59 83 400 5.06 2520 24 270 19.2

127 5 0.15 54 22.5 23 0.0236 16.08 88 400 8.55 2592 48 215 31.5

D95B 6 0.14 66 20.5 11 0.0238 28.50 91 400 15.00 6000 72 200 30.0

D126 5 0.0748 100 138 5 0.0234 11.14 81 400 6.91 3600 36 250 18.3

D127 4 0.17 50 17.5 13 0.0236 25.38 90 400 12.56 3600 72 200 33.3

D135 3.5 0.185 45 16.75 16 0.0236 29.04 90 400 14.39 3780 84 200 36.4

D135RAG 7.36 0.207 42 16.95 16 0.0238 34.32 91 400 16.84 4032 96 200 39.88

D135RAGS 7.45 0.21 40 16.95 16 0.0238 36.00 91 400 18.00 4400 110 200 42.00

Any model of the LEM-200 can be made up into the 2X2 version this is 2 motors married together on a single shaft see installation drawing for details

ELECTRICMOTORSPORT

96V Battery Package - 32x GBS-LFMP cells 60Ah.

Description

GBS is a high-tech manufacturer who specializes in developing and manufacturing of

LiFeMnPO4 power battery packs. GBS owns a patented environmentally friendly

solvent binder (which replaces “PVDF”) and creates a unique scalable battery cell

design. GBS has developed more than 10 battery products with single cell capacities

ranging from 20AH to 400AH. They are the ideal energy sources not only for electric

bikes, scooters, hybrid electric vehicles (HEVs) and electric vehicles (EVs), but also for

energy storage devices used in solar and wind electricity generation applications and

other multi-power systems, as well as military use.

GBS packages are specially designed for electric golf cart, scooter and motorcycle

applications requiring minimal battery weight and extended range.

GBS Features

- 10% higher energy density by weight and by volume than Thundersky batteries.

- Superior safety performance due to patented new safety valve and pressure cap

designs.

- Batteries do not explode or catch fire when batteries are shorted or punctuated

resulting in internal shorts.

- Robust connection due to new electrode terminal design using four rivets or four

screws per terminal. This helps prevent loose connections caused by vibration.

- Reduced impedance due to improved electrode terminal design.

- Improved cycle life.

- New cell structure better facilitates BMS integration and battery pack formation, and

improves air circulation.

Specifications

Battery Pack:

- Capacity: 10.24 kWh

- Voltage range: 89.6-115.8 V

- Nominal Voltage: 102.4 V

- Nominal Capacity: 60 Ah

- No. of Cells: 32

- LiFeMnPO4 chemistry

- Battery Weight: 162 lbs

Charger:

- ElCon PFC Charger

BMS System:

- Battery management system with cell balancing feature.

- Interfaces with charger and controls charging process.

- Measures and controls individual cell voltages and temperatures, total pack current

and total pack voltage.

- Prevents individual cells from conditions of over-charging, over-discharging, over-

temp and excessive current draw.

- Programmable alarm configurations and balancing parameters.

- Includes SOC meter and alarm display.

- Daisy chain connection for balancing sample boards. Easy and simple connection.

- Comes with current sensor, SOC meter and alarm indicator, and LDC display

Warranty

1 year limited warranty included with package purchase.

KELLY CONTROLS, LLC.

KDH09501A, 24-96V, 500A PM with Regen

Kelly KDHA programmable high voltage series/PM motor controller provides efficient,

smooth and quite controls for electrical vehicles like golf cart, go-cart, electric

motorcycle, fork lift, hybrid vehicle, as well as electric boat and industry motor speed

control. Motor speed controller uses high power MOSFET, fast PWM to achieve

efficiency 99% in most cases. Powerful microprocessor brings in comprehensive and

precise control to brushed motor controllers. This programmable brushed motor

controller also allows users to set parameters, conduct tests, and obtain diagnostic

information quickly and easily.

Features: • Opto-isolated technology achieves stability.

• Intelligence with powerful microprocessor.

• Synchronous rectification, ultra low drop, and fast PWM to achieve very high

efficiency.

• Current limit and torque control.

• Low EMC.

• LED fault code.

• Voltage monitoring on voltage source 12V and 5V.

• Hardware over current protection.

• Hardware over voltage protection.

• Support torque mode, speed mode, and balanced mode operation.

• Configurable limit for motor current.

• Battery protection: current cutback, warning and shutdown at configurable high and

low battery voltage.

• Rugged aluminum housing for maximum heat dissipation and harsh environment.

• Rugged high current terminals, and rugged aviation connectors for small signal.

• Thermal protection: current cut back, warning and shutdown on high temperature.

• Configurable high pedal protection: Disable operation if power up with high throttle.

• PWMable Reverse Alarm.

• Brake Switch for regeneration.

• Analog Brake Input for continuous variable regeneration.

• Standard PC/Laptop computer to do programming. No special tools needed.

• User program provided. Easy to use. No cost to customers.

General Specifications: • Frequency of Operation: 16.6kHz.

• Standby Battery Current: < 0.5mA.

• Controller supply voltage range, PWR, 8 to 30V.

• Supply Current, 200mA @ 12V, or 2.5W.

• Configurable battery voltage range, B+, Max operating range: 18V to 120V.

• Analog Brake and Throttle Input: 0-5 Volts. Producing 0-5V signal with 3-wire pot.

• Reverse Alarm, Main Contactor Coil Driver, Meter.

• Full Power Temperature Range: 0℃ to 40℃ (controller case temperature).

• Operating Temperature Range: -30℃ to 90℃, 100℃ shutdown (controller case

temperature).

• Motor Current Limit, 10 seconds boost: 500A

• Motor Current Limit, 1 minutes: 400A

• Motor Current Limit, continuous: 200A

Optional Features: Optional Waterproof: The price is 38 U.S. dollars.

http://www.kellycontroller.com/product_info.php?cPath=25_58&products_id=498

diseÑo bÁsico del sistema propulsor elÉctrico para el … · 2012-05-30 · previa cesión a...

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