diseÑo de una arquitectura de tren de potenica para
TRANSCRIPT
DISEÑO DE UNA ARQUITECTURA DE TREN DE POTENICA PARA CONVERTIR UN VEHÍCULO
CON MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA EN UN VEHÍCULO ELÉCTRICO
DIANA CAROLINA SUESCÚN VERA
201114613
Profesor Asesor
ANDRÉS LEONARDO GONZÁLEZ MANCERA
Proyecto de Grado para optar al título de Ingeniera Mecánica
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
Bogotá, Colombia
2016
Contenido 1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................... 3
2. OBJETIVOS ................................................................................................................................... 7
2.1. Objetivo general ................................................................................................................. 7
2.2. Objetivos específicos .......................................................................................................... 7
3. METODOLOGIA ........................................................................................................................... 9
4. MARCO TEÓRICO ...................................................................................................................... 11
4.1. Tren de potencia carro de combustión interna ............................................................... 11
4.2. Sistema de frenos ............................................................................................................. 12
4.3. Sistema de dirección hidráulica ....................................................................................... 13
4.4. Sistema de aire acondicionado ........................................................................................ 14
4.5. Características carro ......................................................................................................... 15
4.6. Motor eléctrico ................................................................................................................. 16
4.7. Modelo de dinámica longitudinal .................................................................................... 17
4.7.1. Modelo del rendimiento del vehículo...................................................................... 17
4.7.2. Modelo de la autonomía del vehículo ..................................................................... 21
4.8. Intercambiador de calor ................................................................................................... 22
5. RESULTADOS ............................................................................................................................. 27
5.1. Selección motor ................................................................................................................ 27
5.2. Diseño Intercambiador ..................................................................................................... 31
5.2.1. Selección de la bomba y el ventilador ..................................................................... 33
5.3. Adaptador del motor a la caja de cambios ...................................................................... 35
5.4. Sistema de Frenos ............................................................................................................. 39
5.5. Dirección hidráulica .......................................................................................................... 40
5.6. Sistema de aire acondicionado ........................................................................................ 42
5.7. Paquete de baterías .......................................................................................................... 43
5.8. Arquitectura propuesta .................................................................................................... 44
5.9. Consumo de energético del Spark ................................................................................... 45
5.10. Costo del KIT ..................................................................................................................... 46
6. DEFINICIÓN DEL KIT DE CONVERSIÓN COMO PRODUCTO ...................................................... 47
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................................... 49
2
8. BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................... 51
3
1. INTRODUCCIÓN
En los últimos años se ha presentado una creciente preocupación producto del cambio climático y
el deterioro del medio ambiente, en un modelo de consumo que se está haciendo cada vez más
insostenible. Por tal razón, nos enfrentamos al reto de reducir y eliminar las emisiones de gases de
efecto invernadero, a través del uso de fuentes de energía alternativas.
Ilustración 1. Consumo energético global [1]
La ilustración 1, muestra el consumo energético global a partir del año 1850. Para el caso del carbón
y petróleo se ve un aumento progresivo después de la aparición del motor de combustión interna,
por su parte la energía hidráulica, la biomasa y la energía tienen un papel secundario sumando
apenas el 22% de energía utilizada durante las últimas décadas y otras fuentes de energía
renovables son apenas visibles en la gráfica.
Es claro que para garantizar un futuro sostenible se necesitan hacer cambios radicales e inmediatos,
que deben estar soportados por investigación en la transformación eficiente de energía y en
energías renovables, así como en políticas que incentiven el uso de las mismas. Con esta motivación,
algunos países tales como EEUU y otros en Europa han optado por establecer reglas de juego con
estrictas normativas, que han hecho eco en la industria automotriz mediante el desarrollado de
tecnologías que ayudan a reducir al máximo la emisión de gases de efecto invernadero.
Una medida tomada para mitigar el impacto ambiental y en la que se ve una gran alternativa
ecológica es el uso de carros eléctricos, que además de eliminar la emisión de gases contaminantes
4
ofrecen robustez. Adicionalmente, como se muestra en la ilustración 2 esta alternativa le podría dar
la independencia energética a países tales como Colombia, donde aproximadamente el 70% de la
gasolina que se importa es destinada al sector del transporte. Por lo tanto, si se mantiene la
producción de energía a través de fuentes renovables habría un impacto en el consumo energético
nacional.
Ilustración 2. Consumo energético de Colombia 2013 [2]
En el mercado existe una gran variedad de vehículos eléctricos, actualmente Tesla Motors ha
tomado el liderazgo en el desarrollo de los mismos y a esta empresa se han sumado otras tales como
Mercedes Benz, Renault y BMW.
Sin embargo, los vehículos eléctricos no siempre han sido como hoy los conocemos, su historia data
del siglo XIX cuando sentaron las bases de la industria automotriz con ayuda del empresario escocés
Robert Anderson quien inventa el primer vehículo eléctrico en 1839, a este se le empiezan a hacer
una serie de mejorías en los acumuladores por los franceses Gaston Plante y Camille Faure, lo que
incrementa rápidamente el número de vehículos eléctricos en Gran Bretaña y Francia.
No fue sino hasta 1907 cuando la Detroit Electric Car comienza a producir este tipo de vehículos
propulsados por baterías de plomo-acido recargables, más tarde en esta industria también invierten
Henry Ford y Thomas Edison quien incorpora baterías de níquel-hierro a los vehículos en
producción. Sin embargo, este entusiasmo no duro mucho, durante la segunda guerra mundial los
vehículos eléctricos fueron rápidamente desplazados por carros con motor de combustión interna,
donde la autonomía y la potencia eran fundamentales para ganar la guerra, de esta forma se creó
una nueva tendencia en EEUU que después se extendió al resto del mundo.
No fue sino hasta la década de los 90´s que los vehículos eléctricos entraron nuevamente al
mercado, pero esta vez se debe considerar que el desarrollo que han tenido desde su creación ha
avanzado tanto en baterías que son capaces de almacenar mayor energía y tienen mayor vida útil,
como en motores eléctricos que son capaces de proveer mayor torque al vehículo, lo que se ve
reflejado en su desempeño que llega a ser igual o incluso superior al de sus equivalentes con motor
de combustión interna.
5
Ahora bien, aunque cada vez hay un mayor número de carros eléctricos en la ciudad, no se propone
ninguna solución en materia ambiental para los vehículos antiguos y los que ya circulan en el
mercado. De esta forma, han surgido Start Ups como evWest o evDrive que se dedican al desarrollo
de una arquitectura de tren de potencia y la hacen comercial a través de kits de conversión.
Por los motivos expuestos anteriormente, este proyecto de grado pretende desarrollar una
arquitectura de tren de potencia, que permita transformar un carro con motor de combustión
interna en uno eléctrico. Para este problema se trabajará con el Spark que se encuentra en el
laboratorio de dinámica vehicular y se utilizara un ciclo de conducción que refleje los patrones
típicos de conducción en una ciudad, este será el ciclo LA-14 o FTP-72 con el que se va a evaluar el
desempeño dinámico del vehículo, desarrollando modelos que permitan evaluar los componentes
seleccionados.
Por otro lado, se pretende que este vehículo sea de uso urbano, apto para que las personas vayan
y vuelvan de sus trabajos, de acuerdo a las estadísticas de Bogotá se estima que en promedio una
persona debe recorrer 30 km diarios para ir y volver de sus trabajos [3] y como criterio de diseño se
establece que las baterías deben ser recargadas día de por medio, por lo que se diseñara un sistema
que tenga una autonomía de 70 km.
6
7
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo general Diseñar una arquitectura que permita reemplazar el tren de potencia de un vehículo terrestre con
combustión interna por un tren de potencia con motor eléctrico.
2.2. Objetivos específicos Revisar el estado del arte sobre sistemas de propulsión tradicionales y eléctricos.
Desarrollar un modelo dinámico que permita evaluar el desempeño de los elementos
seleccionados.
Selección de elementos y diseño de accesorios.
Definición del producto para un plan de negocios.
8
9
3. METODOLOGIA
Este proyecto incluye el proceso de planeación y el desarrollo del modelo conceptual de una
arquitectura que transforme un carro con un motor de combustión interna en un carro totalmente
eléctrico. Para esto se propone el siguiente modelo que consta de cinco fases [4], mostradas en la
ilustración 3.
Ilustración 3. Proceso de diseño
En la definición del sistema se realiza el proceso de investigación que abarca una revisión
bibliográfica del tren de potencia de carros con motor de combustión interna, la norma SAE,
soluciones conocidas de problemas similares y particularidades técnicas del carro a transformar,
todo esto con el fin de elaborar una lista de las restricciones del problema.
Ahora bien, dado que el proyecto abarca un sistema complejo y multi-variable, se desarrolla una
lista de restricciones donde se enfatiza en lo general. Entre las restricciones del sistema
encontramos la norma SAE, la geometría del carro, disposición del tren del potencia y
especificaciones técnicas del mismo tales como masa máxima admitida.
Se identifica además la función principal alrededor de la cual giran todas las variables del sistema,
donde a partir de un análisis del problema se determina que es el motor. Como se desarrollara en
las siguientes secciones, remover el motor de combustión interna no solo tiene implicaciones
directas sobre el tren de potencia sino también sobre otros sistemas del vehículo que se ven
asistidos por el mismo.
Una vez se tiene la lista de requerimientos, se desarrollan los modelos del sistema que permitirán
determinar el desempeño de los componentes seleccionados, estos se basan en un desarrollo de la
dinámica longitudinal del vehículo.
10
Cabe aclarar que la selección de componentes no solo incluye la de aquellos que irán en el tren de
potencia, también se deben incluir los componentes que compensan la falta del motor de
combustión interna sobre otros sistemas del vehículo.
Finalmente, se plantea una arquitectura y se itera sobre los componentes seleccionados, con el fin
de que estos cumplan con la lista de restricciones y con los criterios de diseño establecidos para el
Spark convertido.
11
4. MARCO TEÓRICO
4.1. Tren de potencia carro de combustión interna Convencionalmente el tren de potencia de estos carros consiste en el motor al cual van unidos la
caja de cambios y el diferencial, para finalmente transferir el movimiento a las llantas. Su
configuración suele ser con el motor en la parte frontal y tracción en las ruedas delanteras.
Ilustración 4. Arquitectura tren de potencia, con motor adelante y tracción delantera. [5]
La ilustración 4, muestra al detalle cuales son los componentes que conforman el tren de potencia.
Motor
Es la fuente de potencia de propulsión del vehículo. Como se muestra en la ilustración 5, estos
vienen caracterizados por una curva de torque contra velocidad angular, para los motores de
gasolina estos usualmente alcanzan un rango de 6000 rpm y el torque pico aproximadamente a la
mitad del rango de velocidad angular máxima [6]. Esto se logra gracias al sistema de inyección, el
cual es cada vez más usado en vehículos comerciales.
Ilustración 5. Curva de desempeño del motor del Spark primera generación. [7]
12
Embrague
Es el elemento intermedio entre el motor y la caja de cambios, como se muestra en la ilustración 6
se trata de dos discos planos, uno de ellos es la parte posterior del volante de inercia del motor y el
otro es el disco de presión, que está unido al volante a través de uniones mecánicas.
Ilustración 6. Embrague [7]
El embrague actúa durante esos procesos en los que la velocidad del vehículo no concuerda con la
velocidad del motor y este último debe ser desconectado del tren de potencia. Para los casos en los
que el motor está conectado al tren de potencia, el torque que entra es igual al que sale.
Caja de Cambios
La caja de cambios recibe la potencia mecánica proveniente del motor a una velocidad 𝜔1 y un
torque 𝑇1 y los transforma a una velocidad diferente 𝜔2 y un torque 𝑇2, esto de acuerdo a la relación
de engranajes. Ahora, esta afirmación es cierta si la eficiencia de la caja es de 100%, siendo esto
poco realista. Las pérdidas de la caja usualmente dependen de la velocidad, carga del vehículo,
temperatura, entre otros. Sin embargo, sus eficiencias son altas estando entre un rango de 0.95 a
0.97 [8].
Diferencial
Cuando el vehículo toma una curva, las ruedas de la derecha e izquierda del mismo deben girar a
velocidades diferentes, de esta forma, el diferencial cambia la dirección de potencia e incrementa
el torque reduciendo la velocidad. Esto lo logra a partir de unos engranajes planetarios.
4.2. Sistema de frenos Se debe resaltar que el funcionamiento de algunos subsistemas del vehículo son asistidos por el
motor de combustión interna, tal es el caso del sistema de frenos, donde el vacío generado por el
motor ayuda a amplificar la fuerza que ejerce el conductor al pedal del freno. Su funcionamiento es
el siguiente.
La ilustración 7 muestra el Booster antes y después de pisar el pedal de freno, se trata de dos
cámaras separadas por un diafragma, en el centro del diafragma se encuentra la varilla de empuje
que se une a un extremo al pedal del freno y al otro al cilindro maestro.
13
En una situación de operación normal, las compuertas C y B que están conectadas a la fuente de
vacío se encuentran abiertas, de esta forma las dos cámaras del Booster tienen la misma presión.
Adicionalmente, entre estas y el motor que es la fuente de vacío se encuentra una válvula de un
solo sentido con el fin de que se pueda succionar el aire de las cámaras, esta válvula a su vez previene
que entre aire por las compuertas C y B.
Ilustración 7. Booster antes y después de pisar el pedal de freno. [9]
Una vez se pisa el pedal de freno, se cierra la compuerta B y se abre la admisión de aire a presión
atmosférica, esta diferencia de presión empuja el diafragma por lo que ayuda a mover la varilla de
empuje que está conectada al cilindro maestro, aumentado el esfuerzo que hace el conductor al
aplicar presión al pedal de freno.
4.3. Sistema de dirección hidráulica El sistema de dirección permite que las ruedas giren hacia la derecha o hacia la izquierda, con el fin
de dirigir el vehículo. La ilustración 8 muestra los componentes de la misma, el volante se une a una
columna de dirección que en su inferior se une a un tornillo sin fin que forma parte del engranaje
de dirección. Una vez se gira el volante, el engranaje de la dirección hace que el brazo de mando de
la dirección se desplace a la derecha o a la izquierda. Este brazo, a su vez empuja las barras de
acopamiento que se conectan a los brazos de los ejes delanteros, pivotando o dirigiendo así las
ruedas para dirigir el vehículo.
Ilustración 8. Componentes de la dirección. [10]
14
El sistema hidráulico asiste el brazo de mando de la dirección con el fin que el conductor no deba
hacer mayor esfuerzo al girar el volante, los componentes que comprenden este sistema usan la
diferencia de presión. La ilustración 9 muestra el funcionamiento del mismo donde todo empieza y
termina con el reservorio que almacena el fluido, se encuentra también la bomba que se une al
motor a través de una correa y envía el fluido a la válvula de control, que es el corazón del sistema.
Ilustración 9. Sistema hidráulico. [11]
Cuando el conductor usa el timón, la válvula de control envía fluido desde el reservorio a alguno de
los lados del cilindro, este mueve el pistón que ésta conectado al brazo de mando de la dirección,
convirtiendo la presión hidráulica en fuerza mecánica moviendo las ruedas en la dirección deseada.
El fluido es bombeado al cilindro de potencia mientras se gira el volante y la válvula de seguridad
previene que no haya algún exceso de presión en el sistema. Mientras el conductor gira el manubrio
el pistón sigue comprimido, una vez el timón llega a una posición neutral, el sistema hidráulico
también lo hace y el fluido que entra a la válvula de control es devuelto al reservorio.
4.4. Sistema de aire acondicionado La ilustración 10 muestra los elementos que componen el sistema de aire acondicionado, donde el
compresor está unido al motor de combustión interna a través de una polea y a diferencia del
sistema de dirección hidráulica esta polea gira sin necesidad de darle potencia al compresor. Esto
se debe a que a la polea se une un embrague cerca del cual hay un electroimán, de esta forma,
cuando se aplica voltaje se activa el electroimán produciendo un campo magnético a través del eje
del embrague.
Debido a que tanto el eje que une el embrague al compresor, como el que lo une a la polea son de
hierro estos se unen una vez son magnetizados, de esta forma se logra transferir la potencia del
motor al compresor. Una vez se desactiva el electroimán, los ejes vuelven a su posición inicial
desconectando el motor del sistema de aire acondicionado.
15
Ilustración 10. Componentes sistema de aire acondicionado. [7]
4.5. Características carro A continuación se presentan algunas características técnicas del Spark de primera generación
ubicado en el laboratorio de dinámica vehicular, más adelante estas cobraran importancia en el
desarrollo de los modelos dinámicos del vehículo. Por otro lado, también se encuentra la restricción
de masa, valor que debe ser superior a la masa del vehículo transformado que incluye los elementos
que se deben adicionar al Spark.
Tabla 1. Características generales del Spark primera generación [7]
Velocidad máxima [km/h] 144
Cilindraje [cc] 796
Par máximo [Nm] 68.6 (a 4600 rpm)
Potencia máxima [kW] 37.5 (a 6000 rpm)
Capacidad bomba gasolina [Lph] 90-133
capacidad Tanque [L] 38
Tipo Flujo - Cruzado
Largo [mm] 458
Alto [mm] 295
Ancho [mm] 27
Caja de cambios Automática
Velocidades 5
Primera marcha 3.82
Segunda marcha 2.21
Tercera marcha 1.42
Cuarta marcha 1.03
Quinta marcha 0.84
Reducción final 4.44
Peso sin conductor [kg] 725
GVWR [kg] 1210
Carga [kg] 485
Radiador
Tanque Gasolina
Características generales
Caja de cambios
Pesos
16
4.6. Motor eléctrico Los motores eléctricos son dispositivos que convierten energía eléctrica en energía mecánica. En los
vehículos convencionales con motor de combustión interna, encontramos el motor de arranque y
el alternador que convierte la energía mecánica del motor en energía eléctrica con el fin de
mantener cargada la batería de 12 V. En los vehículos eléctricos estos motores son los protagonistas,
cumpliendo dos funciones básicas: la primera es proveer el torque necesario para que el vehículo
pueda andar y la segunda es recuperar la potencia mecánica que llega al tren de potencia durante
la frenada.
Su funcionamiento es posible debido a la interacción de los campos magnéticos producidos tanto
en el estator como en el rotor, que está conectado al eje de salida transmitiendo potencia al
vehículo.
Los motores eléctricos se dividen en dos grandes categorías:
Motores AC
En estos motores un campo magnético es generado en el estator, debido a la aplicación de voltaje
en el mismo. La dirección de este campo está variando constantemente debido al signo de la
corriente que fluye a través del embobinado, generando la rotación del campo magnético. Estos
motores se dividen de la siguiente forma:
Síncronos: El rotor opera a la misma velocidad que el campo magnético del estator, esto se
logra magnetizando permanentemente el rotor por lo que este genera su propio campo
magnético. La interacción de ambos campos magnéticos causa la rotación del rotor.
Asíncronos: También llamados motores de inducción, tienen un arreglo de jaula de ardilla.
En estos motores la fuerza electromagnética y la corriente es inducida en el rotor, debido a
la interacción de los conductores con el campo magnético del estator. El rotor se vuelve
entonces un electro magneto con polos alternantes, atraído por los polos del estator. Con
el fin de producir el torque, la velocidad rotor es diferente a la del campo magnético del
estator.
Motores DC
Como consecuencia de la aplicación de voltaje al bobinado del rotor, se crea un campo magnético
cuya polaridad varia constantemente debido a la conmutación del contacto mecánico entre las
escobillas y el colector. Por su parte en el estator se genera un campo magnético fijo a través de
imanes permanentes o bobinados. De esta forma la interacción de los campos magnéticos produce
la rotación del rotor.
Con el fin de obtener la mayor eficiencia en la transformación de energía y una buena relación peso
potencia, lo más recomendable para los vehículos eléctricos es el uso de motores AC en conjunto
con un transformador DC/AC. En cuanto al control del motor, se utiliza un controlador que define la
corriente y el voltaje que debe ser enviado, con el fin de controlar la velocidad angular y el torque
respectivamente del motor.
17
4.7. Modelo de dinámica longitudinal Para la validación del motor es necesario hacer un modelo matemático tanto del rendimiento como
de autonomía del vehículo, a partir de este se determinará cómo el peso, la marcha, entre otras
variables, afectan el desempeño del vehículo.
Para el primer parámetro que es el rendimiento, se tiene como variable de salida la velocidad del
vehículo, su aceleración y deslizamiento. En este caso, se realiza un modelo dinámico del vehículo
que tenga en cuenta las fuerzas resistivas sobre el mismo.
Para el segundo parámetro que es la autonomía, se determina cual es la distancia que puede
recorrer el vehículo antes de que se descargue la batería. Para este caso, se aplicara el mismo
modelo de dinámica longitudinal del vehículo para un ciclo de conducción determinado y partir de
este se estima cuanta energía debe ser almacenada por la batería, a partir de este modelo también
se valida si el motor seleccionado es capaz de proveer al carro el torque necesario para el miso ciclo
de conducción.
4.7.1. Modelo del rendimiento del vehículo Este modelo se basa en el análisis que hace James Larminie en su libro [12]. Para este modelo
tendremos que determinar una ecuación para la fuerza de tracción, la cual se trata de la fuerza que
hace el vehículo para moverse y es transmitida al suelo a través de las ruedas. Para esto se tiene en
cuanta las siguientes fuerzas que actúan sobre el vehículo:
Fuerza de resistencia a la rodadura
La resistencia a la rodadura es dada por la fricción entre las ruedas y el suelo, acá también se tiene
en cuenta la fricción generada por el sistema de transmisión. A continuación se presenta la ecuación
que la modela:
𝐹𝑟𝑟 = 𝜇𝑟𝑟𝑚𝑔 Ecuación 1
Donde
𝜇𝑟𝑟 Es el coeficiente de resistencia a la rodadura
𝑚 Masa del vehículo, para este caso tendremos en cuenta la masa de los pasajeros. [𝑘𝑔]
𝑔 Gravedad. [𝑚
𝑠2]
El valor del coeficiente puede variar de acuerdo a la presión, la temperatura de la llanta y la
velocidad del vehículo, sin embargo para el modelo que se desarrollara en este proyecto se asumirá
como constante y se determinara con ayuda de la siguiente tabla
18
Ilustración 11. Valores de coeficiente constante de resistencia a la rodadura. [7]
Dado que este proyecto esta enfoca para un Spark primera generación, como tipo de vehículo se
seleccionará carro de pasajeros y como superficie se selecciona el concreto.
Fuerza de arrastre aerodinámico
La fuerza de arrastre se da por la fricción del vehículo moviéndose a través del aire. Su ecuación es
la siguiente
𝐹𝑎𝑎 =1
2𝜌𝐴𝐶𝑑𝑣2 Ecuación 2
Donde
𝜌 Densidad del aire [𝑘𝑔
𝑚3]
𝐴 Área frontal del vehículo [𝑚2]
El área frontal se determina de acuerdo a la norma SAE J1263 [13] en la cual se dispone la siguiente
formula
𝐴 = 0.8(𝐻101) ∙ (𝑊103)
De acuerdo a la norma SAE J1100 [13]
H101 La distancia vertical desde el suelo hasta el punto más alto del vehículo, omitiendo cualquier
antena.
W103 La distancia lateral máxima entre los puntos más anchos del vehículo, a excepción de los
espejos.
Para determinar el coeficiente de arrastre se utiliza un valor típico para vehículos de pasajeros 0.3.
[8]
Fuerza de escalada
Se trata de la fuerza necesaria para que el vehículo suba una cuesta. Para determinarla solo se tiene
en cuenta la componente del peso del vehículo que actúa a lo largo de la pendiente, su ecuación es
la siguiente:
𝐹ℎ𝑐 = 𝑚𝑔𝑠𝑖𝑛(𝜃) Ecuación 3
Donde
19
𝜃 Es el ángulo de inclinación de la cuesta [rad]
Cabe aclarar que esta ecuación asume que no hay pérdidas por fricción y que el vehículo es capaz
de moverse a una velocidad constante.
Fuerza de aceleración
Dado que la velocidad del vehículo no siempre es constante y varia con respecto al tiempo, se debe
determinar también la aceleración lineal del vehículo la cual está dada por la segunda ley de
Newton.
𝐹𝑎𝑙 = 𝑚𝑎 Ecuación 4
Fuerza inercial
Ya hemos considerado la aceleración lineal, sin embargo también se debe tener en cuenta la fuerza
causada por la aceleración angular, especialmente para carros con motores eléctricos, pues estos
manejan altas velocidades angulares. Estas fuerzas suelen disminuir el torque del motor dado que
se debe acelerar la inercia de los componentes rotantes. [7]
Para determinar esta fuerza partimos de la definición de fuerza de tracción, esta es equivalente al
torque del eje de transmisión sobre el radio de la rueda.
𝑇𝑒𝑗𝑒 = 𝐹𝑡𝑟
Despejando la ecuación anterior y usando la reducción G para determinar el torque que sale del
motor se obtiene la siguiente expresión.
𝑇 =𝐹𝑡𝑒𝑟
𝐺
También cabe anotar la velocidad angular del eje que viene dada por la siguiente ecuación.
𝜔𝑒𝑗𝑒 =𝑣
𝑟
𝑟𝑎𝑑
𝑠
Y la velocidad angular del motor, vista desde el sistema de transmisión
𝜔 = 𝐺𝑣
𝑟
Con el fin de determinar la aceleración angular del motor se deriva la ecuación presentada
anteriormente
�̇� = 𝐺𝑎
𝑟 𝑟𝑎𝑑
𝑠
Se determina además el torque requerido para esta aceleración, teniendo en cuenta la inercia del
rotor del motor
𝑇 = 𝐼𝐺𝑎
𝑟
20
Con la ecuación anterior y con la ecuación de fuerza de tracción se puede determinar la fuerza que
las llantas necesitan para proveer la aceleración angular.
𝐹𝑤𝑎 =𝐺
𝑟𝐼𝐺
𝑎
𝑟= 𝐼
𝐺2
𝑟2𝑎
Ahora bien, una vez determinada esta fuerza cabe resaltar que estamos asumiendo que el sistema
de transmisión tiene una eficiencia del 100%, sin embargo para hacer un modelo más realista es
necesario considerar la eficiencia del sistema de transmisión, para este proyecto se tomara un valor
común para carros de pasajeros 95%. La ecuación queda entonces de la siguiente forma.
𝐹𝑤𝑎 = 𝐼𝑎𝐺2
𝑟2𝜂𝑔𝑟
Ahora bien, usualmente es difícil conseguir algunos datos del motor, tales como la inercia del rotor,
por esta razón en lugar de la inercia utilizaremos la masa equivalente de los componentes rotantes.
𝑀𝑟 = (0.04 + 0.0025𝐺2) ∙ 𝑚 ∙ 𝑟2 [6]
Es así que la ecuación para 𝐹𝑤𝑎 queda de la siguiente forma
𝐹𝑤𝑎 = 𝑀𝑟𝑎𝐺2
𝜂𝑔𝑓𝑟2 (5)
Considerando todas las fuerzas que influyen sobre el vehículo determinamos ahora el esfuerzo de
tracción
𝐹𝑡𝑒 = 𝐹𝑟𝑟 + 𝐹𝑎𝑎 + 𝐹ℎ𝑐 + 𝐹𝑎𝑙 + 𝐹𝑤𝑎 Ecuación 6
Cabe resaltar que la fuerza de aceleración lineal 𝐹𝑎𝑙 y la fuerza 𝐹𝑤𝑎 serán negativos si el vehículo
está frenando. Así mismo 𝐹ℎ𝑐 será negativo si el vehículo está bajando por una cuesta.
A partir de la ecuación 6, se deduce una ecuación diferencial para conocer la velocidad del vehículo
en cada instante de tiempo t, así mismo se pretende saber la posición del mismo y el deslizamiento
de la llanta.
𝐺
𝑟𝑇 = 𝜇𝑟𝑟𝑚𝑔 + 0.5𝐶𝑑𝐴𝜌𝑣2 + 𝑚𝑔𝑠𝑖𝑛(𝜃) + 𝑚𝑎 + 𝑀𝑟𝑎
𝐺2
𝜂𝑔𝑓𝑟2
Reemplazando 𝑎 =𝑑𝑣
𝑑𝑡 tenemos la siguiente expresión
𝐺
𝑟𝑇 = 𝜇𝑟𝑟𝑚𝑔 + 𝑚𝑔𝑠𝑖𝑛(𝜃) + 0.5𝐶𝑑𝐴𝜌𝑣2 + (𝑚 + 𝑀𝑟
𝐺2
𝜂𝑔𝑓𝑟2)𝑑𝑣
𝑑𝑡 Ecuación 7
Tenemos ahora una ecuación diferencial, para la cual se tendrá la velocidad del vehículo.
21
4.7.2. Modelo de la autonomía del vehículo Este modelo no solo servirá para determinar cuanta energía se debe almacenar en el banco de
baterías para lograr un rango de autonomía aceptable en un ciclo urbano. También servirá para
validar el motor seleccionado a partir del análisis planteado en el modelo de desempeño. Al igual
que el modelo anterior, este sentara sus bases en el análisis desarrollado por James Larminie [12].
El procedimiento utilizado es el siguiente:
A partir del ciclo de conducción, se determina la velocidad angular de la llanta
𝜔𝑙𝑙𝑎𝑛𝑡𝑎 =𝑉𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜
𝑟
Y de acuerdo a la reducción de la caja de cambios se determina la velocidad angular del motor.
𝜔𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝜔𝑙𝑙𝑎𝑛𝑡𝑎 ∙ 𝐺60
2𝜋
Por otro lado, a partir del análisis de dinámica longitudinal, se determina la fuerza de tracción para
cada instante de tiempo en el ciclo de conducción y con esta, la potencia de tracción.
𝑃𝑡𝑒 = 𝐹𝑡𝑒 ∙ 𝑣 Ecuación 8
Dadas las eficiencias de la caja de reducción y del motor, se determina la potencia que entra al
motor eléctrico. Las siguientes ecuaciones solo aplican si el motor le está dando la propulsión al
vehículo.
𝑃𝑚𝑜𝑢𝑡=
𝑃𝑡𝑒
𝜂𝑔
𝑃𝑚𝑖𝑛=
𝑃𝑚𝑜𝑢𝑡
𝜂𝑚
Para el caso en el que el motor está actuando como generador, la eficiencia del mismo actúa en el
sentido contrario, por lo que la potencia eléctrica que entra y sale del motor se determina con las
siguientes ecuaciones. Cabe resaltar que la potencia de tracción hallada en el ciclo se debe
multiplicar por el factor de regeneración, el cual suele ser 0.3. [8]
𝑃𝑚𝑜𝑢𝑡= 0.3 ∙ 𝑃𝑡𝑒 ∙ 𝜂𝑔
𝑃𝑚𝑖𝑛= 𝑃𝑚𝑜𝑢𝑡
∙ 𝜂𝑚
Adicional a la potencia requerida por el motor, también se deben considerar los demás sistemas
eléctricos del vehículo, tales como luces, accesorios, testigos, entre otros, por lo que se debe
determinar un promedio de la potencia consumida por los mismos, para poder determinar la
potencia total que debe ser suministrada por la batería.
𝑃𝑏𝑎𝑡 = 𝑃𝑚𝑖𝑛+ 𝑃𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠
Una vez calculada la potencia de la batería, se integra la potencia en función del tiempo para
determinar la energía que debe ser almacenada por el paquete de baterías.
22
𝐸𝑏𝑎𝑡 = ∫ 𝑃𝑏𝑎𝑡 𝑑𝑡 Ecuación 9
Con el fin de seleccionar el motor, se determina el torque requerido por el vehículo en un ciclo de
conducción para compararlo con el torque continuo que es capaz de proveer el motor.
𝑇 = 𝑃𝑚𝑜𝑢𝑡∙ 𝜔
4.8. Intercambiador de calor El sistema de enfriamiento del motor y el controlador en un vehículo eléctrico es similar al usado en
un carro con motor de combustión interna. De esta forma el calor disipado es transferido a un
intercambiador de calor similar al radiador del carro.
Usualmente los intercambiadores utilizados en los vehículos son de flujo cruzado, es decir que los
fluidos se mueven de forma perpendicular uno con respecto al otro. No obstante, de acuerdo a su
aplicación existen intercambiadores de flujo paralelo, donde los fluidos se mueven en la misma
dirección y salen por el mismo lugar o de contraflujo, donde los fluidos entran y se mueven en
dirección opuesta.
Los intercambiadores de flujo cruzado pueden tener o no aletas que fuerzan el fluido a pasar a través
del espacio entre las mismas con el fin de garantizar un movimiento perpendicular del fluido con
respecto a los tubos. Por su parte, en los intercambiadores que no tienen aletas el fluido se puede
mover en forma transversal a los tubos, por lo que el hecho de tener un fluido mezclado o no tiene
gran influencia sobre el desempeño del intercambiador.
Aunque los radiadores de los carros suelen ser intercambiadores de flujo cruzado con los dos fluidos
sin mezclarse, el motor eléctrico que reemplazara al motor de combustión interna tiene una
eficiencia considerablemente más alta por lo tanto el calor que disipa es más bajo, por otro lado las
pérdidas del controlador también suelen ser bajas, por lo que un intercambiador de flujo cruzado
sin aletas podría tener un desempeño adecuado.
Con el fin de hacer un diseño apropiado del intercambiador, se debe determina cual es la máxima
potencia que disipa el sistema del motor-controlador, para saber cuánto calor debe disipar el
intercambiador, se aplica la siguiente expresión
�̇�𝐼 = 𝑄𝑚 +̇ 𝑄𝑐𝑜𝑛̇
Donde
𝑄𝐼̇ = 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒̇ 𝑐𝑝,𝑎𝑖𝑟𝑒(𝑇𝑜,𝑎𝑖𝑟𝑒 − 𝑇𝑖,𝑎𝑖𝑟𝑒) = 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎̇ 𝑐𝑝,𝑎𝑔𝑢𝑎(𝑇𝑜,𝑎𝑔𝑢𝑎 − 𝑇𝑖,𝑎𝑔𝑢𝑎) Ecuación 10
Para diseñar el intercambiador, es necesario relacionar el calor a disipar con el área superficial y
coeficiente global de transferencia de calor. Entre los métodos más utilizados para determinar el
tamaño del intercambiador se encuentra el de la temperatura media logarítmica, el cual se aplica
cuando son conocidas las temperaturas de entrada y de salida del sistema, sin embargo, si solo se
conocen las temperaturas de entrada del sistema este método se vuelve iterativo.
Otro método, que simplifica el análisis del intercambiador de calor es el del NTU, el cual se basa en
la efectividad, un parámetro adimensional definido de la siguiente forma. [14]
23
𝜀 =𝑞
𝑞𝑚𝑎𝑥 Ecuación 11
Donde
𝑞𝑚𝑎𝑥 = 𝐶𝑚𝑖𝑛(𝑇ℎ,𝑖 − 𝑇𝑐,𝑖)
𝐶𝑚𝑖𝑛 = 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒̇ 𝑐𝑝,𝑎𝑖𝑟𝑒
Siendo
𝑇ℎ,𝑖 Temperatura del fluido caliente a la entrada del intercambiador
𝑇𝑐,𝑖 Temperatura del fluido frio a la entrada del intercambiador
Para cualquier intercambiador de calor, el NTU es función de la efectividad, para los de flujo cruzado
con 𝐶𝑚𝑖𝑛 mezclado y 𝐶𝑚𝑎𝑥 sin mezclarse la relación es la siguiente. [14]
𝑁𝑇𝑈 = − (1
𝐶𝑟) 𝑙𝑛[𝐶𝑟ln(1 − 𝜀) + 1] Ecuación 12
Siendo
𝐶𝑟 =𝐶𝑚𝑖𝑛
𝐶𝑚𝑎𝑥
Y
𝐶𝑚𝑎𝑥 = 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎̇ 𝑐𝑝,𝑎𝑔𝑢𝑎
El número de unidades transferidas NTU, es también un parámetro adimensional definido de la
siguiente forma
𝑁𝑇𝑈 =𝑈𝐴
𝐶𝑚𝑖𝑛 Ecuación 13
Para determinar el coeficiente de transferencia global del sistema 𝑈 se tienen en cuenta las
resistencias del fluido dentro y fuera de los tubos del intercambiador
1
𝑈=
1
ℎ𝑜𝑢𝑡+
1
ℎ𝑖𝑛 Ecuación 14
Donde
ℎ𝑜𝑢𝑡 Coeficiente de convección externo
ℎ𝑖𝑛 Coeficiente de convección interno
Coeficiente de convección interno
El coeficiente de convección interna viene dado por la siguiente expresión
ℎ =𝑘
𝐷𝑁𝑢𝐷 Ecuación 15
Para determinar el número de Nusselt, en un flujo turbulento completamente desarrollado en un
tubo circular con el siguiente rango de condiciones para las que aplica esta ecuación es
24
0.7 ≤ 𝑃𝑟 ≤ 16.700
𝑅𝑒 ≥ 10.000
La ecuación que aplica es la siguiente
𝑁𝑢𝐷 = 0.023𝑅𝑒𝐷4 5⁄
𝑃𝑟0.3
Esta, debe ser usada para una diferencia de temperatura pequeña o moderada.
Coeficiente de convección externo
El coeficiente de convección externo, al igual que en el caso anterior viene dado por la ecuación 15.
Donde para determinar Nusselt, se aplica la siguiente expresión
𝑁𝑢𝐷 = 𝐶1𝑅𝑒𝐷,𝑚𝑎𝑥𝑚 𝑃𝑟0.36 (
𝑃𝑟
𝑃𝑟𝑠)
14⁄
La cual aplica para las siguientes condiciones
𝑁𝐿 ≥ 20
0.7 ≤ 𝑃𝑟 ≤ 500
10 ≤ 𝑅𝑒 ≤ 2𝑋106
Siendo
𝑁𝐿 Filas de tubos
𝑃𝑟𝑠 Prandtl en la superficie del tubo
Las constantes 𝐶1 y 𝑚 viene dada por la configuración de los tubos, sea está alineada o escalonada.
La configuración de los tubos, se caracteriza por el paso transversal 𝑆𝑇 y el paso longitudinal 𝑆𝐿, los
cuales se miden desde el centro de los tubos. Para garantizar una transferencia de calor eficiente,
se debe asegurar la siguiente relación
𝑆𝑇
𝑆𝐿> 0.7
Una vez diseñado el intercambiador de calor y con el fin de asistir la transferencia de calor entre los
fluidos que interactúan en el mismo se debe seleccionar un ventilador que pueda proveer al sistema
el flujo másico de aire deseado, esto se hace determinando la presión estática del sistema. [15]
Ilustración 12. Esquema ventilador – intercambiador
25
Para esto se hace un análisis a partir del teorema de Bernoulli entre los estados 1 ,2 ,3 y 4,
basándonos en el esquema de la ilustración 12.
1 − 2
𝑃2 − 𝑃1 = 𝑓(𝑄)
Donde 𝑓(𝑄), viene dada por la función de presión estática contra caudal que da el proveedor del
ventilador.
2 − 3
𝑃3
𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒+
𝑉32
2=
𝑃2
𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒+
𝑉22
2
3 − 4
𝑃3 − 𝑃4 = 𝑘𝑅𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒
𝑉32
2
Donde
𝑃4 = 𝑃1 = 𝑃𝑎𝑡𝑚
𝑉1 = 𝑉2
A partir de las suposiciones planteadas se desarrolla la siguiente expresión
𝑃1 − 𝑃4 = (𝑃1 − 𝑃2) + (𝑃2 − 𝑃3) + (𝑃3 − 𝑃4) = 0
Reemplazando el análisis de Bernoulli se determina cual es la presión estática del sistema
𝑓(𝑄) = (𝑉2
2
2−
𝑉32
2) 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 + 𝑘𝑅𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒
𝑉32
2
Para que esta expresión este en función del caudal se reemplaza los siguientes términos en la
función 𝑓(𝑄)
𝑉2 =𝑄
𝐴2 y 𝑉3 =
𝑄
𝐴3
𝑓(𝑄) = ((
𝑄
𝐴2)
2
2−
(𝑄
𝐴3)
2
2) 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 + 𝑘𝑅𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒
(𝑄
𝐴3)
2
2 Ecuación 15
De esta forma queda definido el caudal de aire a través del sistema, en función de la configuración
del sistema. Para esto se espera que el �̇� supuesto en los cálculos del disipador de calor sea mayor
o igual al encontrado.
Finalmente, se selecciona una bomba para transportar el fluido refrigerante a través del sistema,
para esto se hace el cálculo de la cabeza estática determinando las pérdidas de energía asociadas al
fluido dentro de los tubos del intercambiador, así como las pérdidas que podría tener el fluido a
través del motor y del controlador. La caída de presión de estos últimos deberá estar especificada
en la ficha técnica del proveedor.
26
Para calcular la caída de presión en el disipador se aplica el principio de Bernoulli a la entrada y
salida del mismo.
Ilustración 13. Esquema de flujo de agua del intercambiador
𝑉12
2+
𝑃1
𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎+ 𝑔𝑍1 =
𝑉22
2+
𝑃2
𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎+ 𝑔𝑍2 + ∑ 𝑃𝑒𝑟, 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛
Dado que la velocidad de entrada y de salida del fluido es la misma, así como las alturas 𝑍1y𝑍2, la
expresión queda de la siguiente forma.
∆𝑃 = 𝑓𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎𝑉𝑚
2 𝐿
2𝐷 Ecuación 16
Para determinar la caída de presión causada por cada componente del sistema se utiliza la siguiente
ecuación. Donde 𝑘 es el coeficiente de perdidas.
∆𝑃 = 𝑘𝑄𝑎𝑔𝑢𝑎2
Una vez determinado esto, la caída de presión de todo el sistema se modela de la siguiente forma
∆𝑃 = (𝑘𝐼 + 𝑘𝑚 + 𝑘𝑐𝑜𝑛)𝑄𝑎𝑔𝑢𝑎2 Ecuación 17
27
5. RESULTADOS En el desarrollo de esta arquitectura de tren de potencia se utiliza un ciclo de conducción que
representa los patrones típicos de conducción y es presentado por un set de datos donde se
encuentra la velocidad del vehículo y el tiempo transcurrido. Estos ciclos son usados para hacer
pruebas de emisión de gases contaminantes y certificar que la empresa manufacturera cumple con
la legislación que le aplica, sin embargo, otro uso que se les da es la evaluación del desempeño del
vehículo, el desarrollo de productos y la evaluación del uso de nuevas tecnologías.
Alrededor del mundo existe una gran cantidad de ciclos de conducción, esto se debe a que las
empresas manufactureras de carros suelen hacer sus propios ciclos, así como hay otros que reflejan
las particularidades de ciertas ciudades tanto para el caso urbano como para el extra-urbano,
haciendo ésta diferenciación, para este proyecto se seleccionara un ciclo que refleje un patrón de
conducción propio de una ciudad transitada, este ciclo es el FTP-72 o LA-14 que simula una ruta
urbana de 12.07 kilómetros con frecuentes paradas durante un lapso de 1369 segundos. La
velocidad máxima es de 91.25 km/h y la velocidad promedio es de 31.5 km/h [16].
Ilustración 14. Ciclo de conducción LA-14
Este ciclo además tiene un porcentaje de tiempo de tracción de 86.9%, lo que es conveniente para el modelamiento del motor eléctrico y bastantes periodos de frenada, lo que favorece particularmente los carros eléctricos dado que estos cuentan con frenado regenerativo.
5.1. Selección motor Para seleccionar el motor se parte de las restricciones geométricas dadas por el chasis del carro y
sus especificaciones técnicas entre las cuales se encuentra el rendimiento del vehículo, es así que el
motor eléctrico le deberá proveer al vehículo como mínimo la velocidad y torque que le podría dar
el motor de combustión interna.
28
La tabla 2 muestra la comparación entre tres diferentes alternativas, los motores Yasa y Remy por
su lado cuentan con un torque tres veces superior al del Emrax, sin embargo su tamaño así como su
peso dificultan la adaptación del motor al sistema. Por su lado el Emrax cuenta con una buena
relación peso-potencia y un tamaño ideal para su posterior acople a la caja de cambios.
Tabla 2. Características de los posibles motores
Para estos tres motores se determina si dado el ciclo de conducción LA-14, pueden proveer el
vehículo el torque requerido. Esto se hará a partir del modelo de dinámica longitudinal del vehículo,
como masa se asumirá 900 kg, conociendo de antemano que la masa del carro sin pasajeros es de
750 kg, estimando que la masa de las baterías es de 148 kg, que la masa que se retira del sistema
proveniente del motor de combustión interna es de 100 kg y el de los demás componentes del kit
es de 100kg.
Por otro lado, dado que el torque requerido por el ciclo también depende de la reducción de la caja
de cambios, se corre el modelo para la quinta marcha, pues desde el inicio los motores eléctricos
dan su torque máximo, lo que implica que no es necesario el uso de la caja de cambios para que el
vehículo arranque.
A partir del análisis de dinámica longitudinal se determina que entre más alta sea la marcha, el
motor trabajara en un régimen tal en donde requiere menor energía de las baterías, esto se debe a
que se reduce el torque que debe proveer el motor debido a que disminuye el valor de las fuerzas
inerciales del sistema.
En el modelo se tiene en cuenta también el frenado regenerativo, donde de acuerdo a la literatura
se establece que la energía que se recupera es el 30% [8], esto se logra debido a que el motor
eléctrico se reconecta como generador suministrándole energía al paquete de baterías.
Las gráficas obtenidas para los diferentes motores se muestran a continuación. La ilustración 15
muestra el desempeño del EMRAX 228, en azul se muestra el torque que debe proveer el motor
para el ciclo de conducción, en rojo se muestra el torque continuo del motor y en verde el torque
pico del mismo. En general el torque continuo del motor es superior al torque del ciclo y en algunos
casos el torque que debe proveer el motor es superior al continuo aunque inferior al torque pico.
En estos casos el periodo de tiempo es de unos pocos segundos, por lo tanto se valida el motor.
Peso [kg]Tamaño
[Diámetro / Largo]Torque pico [Nm] Ω max [rpm] Eficiencia
Yasa 24 310mm X 109.9mm 370 8000 0.96
Remy 57.2 314mm X 277mm 334 10000 0.95
Emrax 9.3 207mm X 85mm 120 6500 0.96
29
Ilustración 15. Torque EMRAX
Las ilustraciones 16 y 17 muestran el desempeño de los motores Yasa y Remy, donde se compara el
torque requerido para el ciclo de conducción con el torque continuo y pico del motor. Se establece
que el torque continuo del mismo es superior al del ciclo, validando así el desempeño de los dos
motores.
Ilustración 16. Torque Yasa
30
Ilustración 17. Torque Remy
De acuerdo a las ilustraciones presentadas se establece que todos los motores le dan el desempeño
deseado al vehículo. Resta entonces comparar entre las demás características de los motores a
partir de las cuales se establece que dado el tamaño y peso de los mismos el motor seleccionado
para el sistema es el EMRAX 228.
La ilustración 18 presenta las curvas características del motor seleccionado, donde está el torque
pico y continuo Vs la velocidad angular junto con las curvas de eficiencia. Cabe destacar que la
eficiencia máxima de este motor es 96%, un valor tres veces superior a la del motor de combustión
interna en velocidad crucero.
31
Ilustración 18. Mapa de eficiencia EMRAX 228
Una vez se selecciona el motor se determina si el que usará el vehículo es de bajo, medio o alto
voltaje. Para hacer una selección adecuada se tienen en cuenta las restricciones de voltaje de los
paquetes de baterías comerciales para vehículos eléctricos, donde se determina que entre mayor
sea el voltaje requerido mayor serán las dimensiones y el peso de la misma, por lo tanto se utilizara
un motor con voltaje medio, de acuerdo a esta selección y por sugerencia del proveedor el sistema
utilizara el controlador UNITEK BAMOCAR D3, que maneja un voltaje entre 400V a 700V.
Por otro lado, estos motores tienen tres formas de enfriamiento, estas son: enfriamiento por aire,
por agua o por aire y agua, de acuerdo a las especificaciones del proveedor se hace la selección de
enfriamiento por aire y agua dado que este motor será usado como inversor con el fin de asistir el
frenado regenerativo.
Una vez seleccionado el motor se determinan características como aceleración y velocidad máxima
del vehículo. Se establece entonces que la velocidad máxima alcanzada por el vehículo es de 144
km/h, siendo este valor igual al del carro con el motor de combustión interna, esto se debe a que
aunque hay un motor con mayor torque y eficiencia, se debe tener en cuenta que el peso del carro
sin pasajeros es mayor al de su equivalente mecánico.
En cuanto a la aceleración, el vehículo va de 0 a 100 km/h en 10 segundos, esto lo logra al arrancar
en quinta marcha donde se reducen al máximo las fuerzas inerciales del sistema.
5.2. Diseño Intercambiador Con el fin de diseñar el intercambiador del sistema, se plantea como primera instancia la posibilidad
de utilizar el radiador del carro, para esto se determina el calor que es capaz de disipar el radiador
y el que debe ser disipado por el sistema.
Se estima, que el Spark tiene una potencia máxima de 37.5 kW y que la eficiencia del motor en
velocidad crucero es de 30%. De acuerdo a la literatura, la mitad del calor generado en el motor se
32
disipa en los gases de combustión y la otra mitad debe ser disipada por el radiador del carro [17].
De esta forma se determina la potencia que maneja el radiador
𝑃 =37.5 ∙ (1 − 0.3)
2= 13.12 𝑘𝑊
De acuerdo a la norma SAE el caudal que maneja el radiador de un motor de 1L es de 88LPM [18].
Por otro lado se determina la potencia que debe ser disipada por el sistema controlador-motor y el
flujo que se debe manejar, la tabla 3 muestra las especificaciones técnicas del sistema.
Tabla 3. Especificaciones sistema motor-controlador
La potencia que deberá disipar el radiador es de 8 kW, asumiendo la pérdida máxima de potencia
del sistema motor-controlador. Este valor se determina a través del modelo de dinámica
longitudinal, donde la perdida máxima del motor para el ciclo de conducción seleccionado es de
5kW, para determinar la perdida de potencia en cada instante de tiempo se utiliza el mapa de
eficiencia del motor EMRAX 228 mostrado en la ilustración 18.
Para el caso del controlador, de acuerdo a la ficha técnica del proveedor la perdida máxima de
potencia del mismo es de 3kW. Por otro lado, el caudal que debe manejar el sistema es de 12 LPM
valor que viene dado por las fichas técnicas de los proveedores del motor y controlador.
Con lo expuesto anteriormente se establece que el radiador del carro está sobredimensionado para
enfriar el EMRAX 228, por lo que el gasto energético del mismo es alto en comparación al que
tendría un intercambiador diseñado de acuerdo a las especificaciones del sistema motor-
controlador.
Para iniciar el proceso de diseño se establece que el motor y el controlador estarán en serie, donde
el líquido refrigerante que será agua, pasa primero por el controlador dado que el rango de
temperaturas admisible por el mismo es inferior al rango de temperaturas admisibles por el motor.
Aplicando el método del NTU y con ayuda del software EES se diseña un intercambiador de flujo
cruzado tipo serpentín con las siguientes características.
Flujo de agua 8LPM
Temperatura de operación -30°C - 120°C
Temperatura refrigerante 40°C
Perdida de potencia 2kW
Presión Máxima 1.2 bar
Temperatura de operación -10°C - 45°C
Flujo de agua 12LPM
Perdida máxima de potencia 3kW
Presión Máxima 1.3 bar
Especificaciones motor
Especificaciones controlador
33
Ilustración 19. Especificaciones técnicas del intercambiador diseñado
5.2.1. Selección de la bomba y el ventilador De acuerdo a los datos obtenidos en la ilustración 19 se selecciona la bomba y el ventilador para el
intercambiador de calor.
En el proceso de selección de la bomba se calcula inicialmente la caída de presión del intercambiador
de calor aplicando la ecuación 16, el valor resultante es de 120 kPa. Por otro lado, dado que en las
fichas técnicas del motor y del controlador no se logra determinar cuál es la pérdida de presión del
sistema se multiplican las pérdidas del intercambiador por un factor de 1,3. De acuerdo a lo anterior
la bomba deberá proveer una presión superior a 160 kPa.
Una vez determinada la presión de descarga de la bomba, se selecciona el sistema motor eléctrico-
bomba INT-G7 070 presentado en la ilustración 20.
Ilustración 20. Sistema bomba-motor eléctrico INT-G7 070. [19]
Con el fin de validar la bomba seleccionada, se presenta la ilustración 21 con un comparativo entre
la caída de presión del sistema y la curva característica de la bomba, donde queda en evidencia que
esta es capaz de dar la presión necesaria al sistema de refrigeración del motor y el controlador.
Haciendo un cálculo más exacto e interpolando la curva dada por el proveedor se determina que la
presión de descarga de la bomba a 12 LPM es de 174 kPa.
Tipo Flujo Cruzado
Calor [kW] 8
Alto [mm] 255
Largo [mm] 318
Ancho [mm] 85
Arreglo Escalonado
Columnas 6
Filas 15
Numero tubos 90
Diámetro tubo [mm] 12.7
Especificaciones técnicas
34
Ilustración 21. Curva desempeño de la bomba
En el proceso de selección del ventilador, se determina la presión estática del intercambiador con
el fin de saber si el caudal de aire que maneja el ventilador seleccionado a esa presión es superior o
igual al caudal supuesto en los cálculos del intercambiador, este valor es de 0,8 𝑚3/𝑠.
Se aplicara entonces la ecuación 15, donde se hace visible que en su mayoría las expresiones y
constantes que se deben reemplazar dependen de ciertas características del ventilador, entre esas
esta su curva de presión estática vs caudal, por lo tanto este será un proceso iterativo.
Se selecciona finalmente el ventilador axial VA01-AP90/LL-79S presentado en la ilustración 22, este
ventilador de la marca Spal automotive está diseñado exclusivamente para su uso en autos y trabaja
a un voltaje de 12 V.
Ilustración 22. Ventilador axial VA01-AP90/LL-79S [20]
De acuerdo a la ecuación 15 que modela el sistema, se debe determinar la ecuación de la curva
característica del ventilador para lo cual se presenta la ilustración 23 con una aproximación
0
50
100
150
200
250
300
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Pre
sió
n [
kPa]
Caudal [lpm]
Sistema
Bomba
35
polinómica del comportamiento del ventilador. Adicionalmente, se debe determinar el área del
ventilador teniendo en cuenta que su diámetro es de 30.5 cm.
Ilustración 23. Curva característica del ventilador
Reemplazando los valores presentados anteriormente en la ecuación 15 se determina que la presión
estática del sistema es de 90Pa, por lo tanto el caudal que manejara es aproximadamente 0.9 𝑚3/𝑠.
El caudal hallado es superior al caudal supuesto en el diseño del intercambiador, por lo tanto se
valida el ventilador.
5.3. Adaptador del motor a la caja de cambios Con el fin de ensamblar el motor EMRAX 228 a la caja de cambios del Spark primera generación se
hace importante conocer el diseño de la misma, se muestra entonces en la ilustración 23 una foto
frontal y de perfil de la caja de cambios. A partir de esta, se hace todo el proceso de medición que
implica calcar su perfil y luego vectorizarlo en inventor con el fin de poder replicarlo fielmente.
Ilustración 24. Caja de cambios Spark primera generación
y = 76.558x2 - 610.84x + 531.25
0
100
200
300
400
500
600
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Pre
sió
n E
stát
ica
[Pa]
Caudal [m³/s]
36
Entre las particularidades que presenta esta caja de cambios se encuentran una serie de huecos en
todo su contorno, algunos de ellos pasantes y roscados que servirán para unir la caja de cambios al
adaptador. Por otro lado, tras comparar el perfil con las dimensiones del motor se hace evidente
que este cabe dentro de la caja, lo cual facilita el proceso de diseño de la pieza.
Una vez se conoce la pieza a la cual ira ensamblada el motor, es necesario saber los puntos de agarre
del motor. En el EMRAX 228 a diferencia de la gran mayoría de los motores eléctricos se mueven
tanto el rotor como el estator y solo una cara del motor en la cual están todas las conexiones al
controlador y al intercambiador permanece estática, esta cara es la opuesta a la que se une con el
eje de la caja de cambios. De acuerdo a lo expuesto anteriormente se diseña el adaptador expuesto
en la ilustración 25.
Ilustración 25. Adaptador del motor a la caja de cambios
El adaptador tendrá dos piezas, la primera de ellas presentada en la ilustración 26 ira unida a la caja
de cambios cumpliendo dos funciones. La primera es sellar la caja de cambios de tal forma que no
entre ningún agente que pueda dañar los engranajes, la segunda es contener una seria de pernos
por medio de seis cilindros huecos que estarán dispuestos alrededor del motor, estos huecos se
diseñaron especialmente con el fin de que alberguen pernos con diámetro nominal de 9/16 in
(1.04cm), este valor viene dado por el espacio disponible en la placa para ubicar los cilindros e
iterando sobre las simulación en ANSYS en las que se evidencio que es necesario el uso de pernos
gruesos con el fin de que no fallen.
Esta pieza se unirá a la caja de cambio a través de uniones mecánicas, para esto se disponen de los
5 agujeros pasantes de la caja de cambio por los cuales pasaran tornillos. Será manufacturada en el
material AISI 1045 por medio de fundición y los huecos por donde pasaran los tornillos y pernos, así
como el hueco por donde pasara el eje del motor serán mecanizados por medio de fresadora
Ilustración 26. Pieza unión caja de cambios
37
Con el fin de comprobar que las piezas del soporte podrán resistir la carga a la que estarán sometidas
se hace una simulación del sistema en ANSYS Workbench donde se somete el adaptador al torque
pico del EMRAX 228 que es de 250 Nm. Cabe resaltar que dada la geometría irregular del adaptador
no es posible la simulación de cada pieza por separado, por tal razón, en la simulación se tuvo
especial cuidado en el ensamblaje del adaptador en ANSYS con el fin de que el programa no arrojara
errores relacionados a los contactos entre las piezas.
Los resultados de esta simulación se presentaran para cada pieza por separado.
La ilustración 27 muestra los esfuerzos equivalentes que actúan sobre la pieza siendo el esfuerzo
máximo de 24 MPa lo que implica que la pieza no fallara ante una carga estática, sin embargo dado
que esta pieza estará sometida a ciclos carga y de descarga se hace un análisis de fatiga donde se
determina que la pieza tiene vida infinita.
Ilustración 27. Esfuerzo de Von Mises de la pieza de acople a la caja
Ilustración 28. Simulación de fatiga de la pieza de acople a la caja de cambios
La ilustración 29 muestra la segunda pieza que compone el adaptador, esta será la tapa que une la
pieza de la ilustración 26 al motor, para esto el fabricante ha destinado una serie de agujeros por
los cuales pasaran tornillos. Esta pieza será manufacturada en el material AISI 1045 por medio de
laminación con el fin de que su espesor sea de 3mm, su forma circular y los huecos se harán
mediante mecanizado.
38
Al igual que en el caso anterior se analizan los esfuerzos equivalentes que actúan sobre la pieza.
Como se muestra en la ilustración 29 el esfuerzo máximo es de 24 MPa, por lo tanto se determina
que la pieza no fallara bajo carga estática, por otro lado la ilustración 29 muestra el análisis de fatiga
que se hace sobre la pieza donde se determina que esta tendrá vida infinita.
Ilustración 29. Simulación esfuerzo de Von Mises a la pieza superior del adaptador
Ilustración 30. Simulación de fatiga a la pieza superior del adaptador.
Finalmente, dada la longitud de los pernos que pasaran por los cilindros huecos de la pieza que une
el adaptador a la caja de cambios que es de 12.4 cm, es necesario hacer un análisis de los mismos.
Para esto se determinara cual es el perno con la peor condición de carga, es decir el que soporte el
cortante causado por el torque del motor y el cortante causado por el peso del sistema, una vez se
determina el perno se estable a través de la simulación en ANSYS realizada anteriormente el valor
del esfuerzo equivalente que actúa sobre él.
Cabe aclarar que dado que no es posible la simulación de un perno grado 5 en ANSYS, se selecciona
un material cuyo esfuerzo de fluencia sea inferior o igual. Para este caso se seleccionó el Titanio.
39
Ilustración 31. Simulación estática en ANSYS para el perno con la peor condición de carga.
La ilustración 31 muestra los esfuerzos equivalentes que actúan sobre el perno con la peor condición
de carga donde el esfuerzo máximo es de 19 MPa, de acuerdo a esto se puede validar el grado de
los pernos del adaptador, se establece entonces que un perno de grado 5 cuyo esfuerzo de ruptura
de 820 Mpa (120kpsi) puede servir para evitar una falla estática. Adicionalmente estos pernos
también estarán bajo ciclos de carga y descarga por lo tanto se asegura un alto factor de seguridad
con el fin de asegurar la vida infinita de los mismos.
5.4. Sistema de Frenos Tal como se presenta en el marco teórico, el motor asiste otros sistemas del vehículo diferentes al
tren de potencia, entre esos encontramos el sistema de frenos que aprovecha el vacío generado por
el motor para amplificar la fuerza que hace el conductor sobre el pedal del freno. Ahora bien, una
vez se remueva el motor de combustión interna del vehículo y en su lugar se ponga uno eléctrico no
habrá ningún elemento que genere vacío, por lo tanto se propone utilizar un sistema de frenos
similar al de los vehículos con motor diésel instalando una bomba de vacío que asista al conductor
durante el frenado.
De acuerdo a la investigación realizada por Andrés Uribe en su proyecto de grado se establece el
rango de presiones de vacío que genera el motor del Spark primera generación para diferentes
valores de RPM. Como se presenta en la ilustración 32 la presión generada va desde 4.9 a 6.3 psi.
Ilustración 32. Nivel de vacío generado por el motor para diferente RPM. [21]
40
De acuerdo a lo mencionado anteriormente se selecciona una bomba de vacío que trabaje a este
rango de presiones y a un voltaje de 12V. La ilustración 33 muestra la bomba de vacío VBS diseñada
específicamente para su uso en vehículos eléctricos, capaz de generar un vacío máximo de 12.5 psi.
Ilustración 33. Bomba de vacío VBS [22]
La bomba viene además con un depósito cuya función es asistir a la bomba en las frenadas largas
donde se puede gastar toda la presión inducida en el circuito y pasaran unos segundos hasta que la
bomba vuelva a generar vacío. Con el fin de que este depósito funcione correctamente se instala
también un sensor que regule la presión, a este sensor se une una válvula que abre y cierra el circuito
con el fin de que la bomba mantenga el nivel de vacío en el sistema.
5.5. Dirección hidráulica La dirección hidráulica está dirigida por el motor de combustión interna que se une a través de una
correa a la bomba del fluido de dirección, es así que una vez se retire el motor de combustión interna
no habrá ningún elementos que le dé potencia. Se propone entonces el uso de una dirección electro-
hidráulica, donde se reemplazara la bomba del sistema por un sistema bomba-motor eléctrica que
estará realimentado por el controlador del motor con el fin de determinar la presión y el caudal que
deberá suministrar al sistema.
La razón por la cual se retirara también la bomba y no se pondrá simplemente un motor eléctrico
que le dé la potencia que antes le daba el motor CI es debido a la forma en que está diseñado el
sistema, pues implica un alto gasto energético. Tal como se presentó anteriormente en un sistema
de dirección hidráulica la velocidad angular de la bomba es proporcional a la del motor y con el fin
de poder proveer al sistema la potencia necesaria en todas las situaciones de conducción la bomba
debe ser capaz de dar el flujo volumétrico máximo al sistema incluso cuando la velocidad del motor
es baja, lo que significa que para la mayoría de las maniobras de conducción está
sobredimensionada, por tal motivo, para altas revoluciones del motor el sistema de dirección
requiere una restricción de flujo, la cual se hace a través de una derivación que genera pérdidas
innecesarias en el sistema y una eficiencia de apenas el 16% [23].
Si se tiene en cuenta que el consumo de potencia del sistema de dirección hidráulica en un ciclo
urbano es de 750W [24], se determina entonces que la mejor opción es reemplazar la bomba del
fluido de dirección y en su lugar poner un sistema bomba-motor eléctrico. Este sistema cuenta con
un sistema de control de potencia que permitirá controla la presión y el flujo volumétrico
independientemente de la velocidad del motor. Sin embargo, no se debe olvidar que la asistencia
41
del sistema de dirección es en gran medida dependiente de la maniobra de viraje y de la velocidad
del vehículo, es así que la maniobra para esquivar un obstáculo cuando el vehículo apenas está
arrancando requiere una alta presión y bajas tasas de flujo volumétrico, maniobras rápidas
requieren altas tasas de flujo volumétrico. Por lo tanto, con el fin de darle funcionalidad al sistema
el motor tendrá una unidad de control.
Con el fin de hacer una adecuada selección del sistema bomba-motor eléctrica se hace uso de la
curva presentada en la ilustración 33. Para usar el Spark en un ciclo urbano se establece que la
presión máxima que debe manejar la bomba es de 80 bar y un flujo volumétrico máximo de 12LPM.
Ilustración 34. Curva característica de presión vs flujo de un vehículo comercial [23]
Se selecciona entonces el sistema bomba-motor eléctrico presentado en la ilustración 35, diseñado
especialmente para la transformación de dirección hidráulica a electro-hidráulica. Este sistema
maneja una presión máxima entre 99-128 bar y un flujo volumétrico máximo entre 7.8-12 LPM.
Ilustración 35. Generation C MPU (1000W). [25]
42
La gran ventaja de este concepto es que puede ser usado con una batería de 12V, además dada su
unidad de control permite bajar los requerimientos de potencia aumentando la eficiencia del
sistema y disminuyendo el gasto energético.
5.6. Sistema de aire acondicionado Tal como se presentó en el marco teórico, el compresor del sistema de aire acondicionado está
unido al motor a través de una correa, con el fin de proveerle la potencia suficiente para accionarlo.
En general, la potencia requerida por el sistema de aire acondicionado puede ser mayor a la que
requiere el motor para mover la mitad del vehículo comercial a una velocidad constante de 56km/h
[26].
De acuerdo a las simulaciones realizadas por Farrington y Rugh en su publicación [26], la potencia
requerida para accionar el aire acondicionado de un carro eléctrico en un ciclo de conducción
urbano es de 3kW. En esta simulación la carga máxima que debía remover el sistema es de 7kW, así
mismo se estima un coeficiente neto de desempeño del sistema eléctrico del aire acondicionado,
incluyendo la eficiencia del compresor y del motor eléctrico que lo dirige, este coeficiente se asume
como 2.33.
La potencia que requiere el sistema de aire acondicionado por parte de la baterías es una cantidad
considerable, por lo que si la autonomía es una prioridad se plantea la posibilidad remover el
sistema de aire acondicionado del vehículo durante su conversión, sin embargo, dado que de
antemano se sabe que los vehículos convertidos cuentan con una baja autonomía y así mismo se
pretende darle comodidad al conductor y a los pasajeros del vehículo se propone accionar el
compresor por medio de un motor eléctrico.
Encontrar el mercado un motor eléctrico que pueda proveer una potencia de 3kW y trabaje a 12 V
es algo complejo, sin embargo, dado el creciente interés de algunos entusiastas que quieren cambiar
el sistema de aire acondicionado de su vehículo de tal forma que la potencia del mismo no sea dada
por el motor de combustión interna sino por la batería con el fin de mejorar el rendimiento de su
vehículo, algunas empresas han sacado al mercado compresores con motor eléctrico integrado.
Entre las grandes ventajas que supone esta solución encontramos que estos sistemas trabajan a
12V, así mismo este sistema resulta ser eficiente en la conversión de energía y es adecuado para su
uso en la conversión de vehículos. De acuerdo a los resultados arrojados en las simulaciones de
Farrington y Rugh se selecciona el sistema compresor-motor eléctrico masterflux SIERRA 06
presentado en la ilustración 36, cuya potencia varía entre 114-4400 W.
Ilustración 36. Compresor masterflux SIERRA [22]
43
5.7. Paquete de baterías Con el fin de darle al motor eléctrico la energía necesaria para su funcionamiento se requiere un
paquete de baterías cuyo voltaje sea el requerido por EMRAX 228, es decir 400 V, así mismo se
requiere que le energía que almacene sea suficiente para que la autonomía del vehículo sea de
70km y que sus dimensiones sean inferiores o iguales a 40X80X10 cm, pues el lugar designado en el
vehículo para la ubicación del paquete de baterías es debajo del asiento de pasajeros donde se
encuentra el tanque de gasolina.
Con el fin de hacer una aproximación realista de la energía que debe almacenar el paquete de
baterías, se tiene en cuenta la potencia que requieren los accesorios del vehículo así como los
componentes seleccionados en el modelo de autonomía del vehículo, estos valores se presentan en
la tabla 4, donde el ítem demás accesorios corresponde a las luces del vehículo.
Tabla 4. Potencia requerida por los accesorios del vehículo
Para correr el modelo se hace una serie de suposiciones, entre ellas se establece que el sistema de
aire acondicionado será usado solo un cuarto del tiempo del ciclo de conducción donde su consumo
máximo será de 3kW, por otro lado tal como se mencionó en el capítulo referente al sistema de
dirección hidráulica se asumirá que el sistema de dirección consume 750W para el ciclo urbano. Así
mismo, se asume en el modelo que el 30% de la potencia que podría llegar al tren de potencia
durante el frenado es regenerado por el motor.
Teniendo en cuenta estas suposiciones, se determina que para el ciclo de conducción FTP- 72, la
energía que debe ser almacenada en el banco de baterías es de 1.97 kWh. La distancia recorrida en
este ciclo es de 12 km, por lo tanto para lograr una autonomía de 70 km se hace el siguiente cálculo.
𝐸 =70
12∙ 1.97 = 11.5𝑘𝑊ℎ
Donde determina entonces que la energía disponible en el banco de baterías es alrededor de 12
kWh.
Con el fin de determinar si el valor obtenido a partir del modelo es confiable se hace una
comparación entre este y la energía que requiere el vehículo eléctrico para un ciclo de conducción
de acuerdo a la literatura, donde en general un vehículo eléctrico requiere entre 1.75-2 kWh para
un ciclo de conducción, por lo tanto se estima que el valor obtenido es fiable.
Otra de las especificaciones que debe tener el paquete de baterías es que su peso máximo debe ser de 148 kg. Este valor se calculó de la siguiente forma, se tiene en cuenta que la masa del vehículo sin pasajero es de 750 kg [6], se asume además que la masa del motor de combustión es de
Bomba Intercambiador 300
Ventilador 384
Bomba Vacío 96
Sistema bomba-motor eléctrico 580-1000
Motor compresor 114-4400
Demás accesorios 260
Potencia accesorios [W]
44
aproximadamente 100 kg, y se calcula la masa de los componentes que deben ser ensamblados al carro lo cual da un total de 100 kg, por lo tanto la masas del carro convertido sin pasajeros y sin baterías es de 750 kg.
Por otro lado se debe tener en cuenta la masa de los 3 pasajeros y el conductor del carro, se asume
entonces que en promedio una persona tiene una masa de 68 kg [28], donde 4 personas suman al
carro una carga de 272 kg, Ahora bien se debe tener en cuenta también que las personas deben
guardar en su baúl elementos tales como llantas, gato hidráulico, botiquín y kit de carretera, por lo
tanto se asume que deben quedar 40 kg disponibles. Finalmente, se sabe que la masa máxima
admisible es de 1210 kg [6], por lo tanto la masa disponible para el paquete de baterías es de 148
kg.
Encontrar un paquete de baterías comercial que cumpla con estos requisitos de voltaje, energía,
dimensiones y masa puede resultar difícil, por tal razón en este tipo de conversiones es común que
las personas diseñen su propio paquete de baterías o en su defecto que los manden a hacer, se
propone entonces contactar alguna empresa especialista en el diseño de paquetes de baterías para
la conversión de vehículos. Adicionalmente, cabe tener en cuenta que estas baterías deben ser
cargadas de acuerdo a la norma SAE J1772 [29].
A lo largo de este proyecto se logró tener contacto con la empresa canadiense Epic Car Conversions,
que aseguro que es posible hacer un paquete de baterías ion-litio que cumpla con las
especificaciones requeridas.
5.8. Arquitectura propuesta La ilustración 37 muestra la arquitectura de tren de potencia propuesta.
Ilustración 37. Arquitectura propuesta
45
Inicialmente encontramos el cargador que está conectado al paquete de baterías, este paquete a su
vez se une al sistema de control de baterías cuya función es supervisar el funcionamiento del
paquete, inhabilitándolo en caso tal que este no funcione adecuadamente. Para esto, el sistema de
control es constantemente realimentado por el voltaje y la temperatura del paquete de baterías.
Por su parte, el controlador está conectado el paquete de baterías con el fin de darle potencia al
motor, a su vez convierte la corriente DC en AC y paralelamente recibe realimentación del motor
sobre su desempeño. Al controlador se une también el pedal de aceleración, este es un
potenciómetro que envía una señal entre 0 – 10 V, la cual determina cuanta potencia debe ser
enviada del paquete de baterías al motor.
Encontramos también la batería de 12 V que le da potencia a todos los accesorios del vehículo, así
como al potenciómetro, al controlador y al sistema de control de baterías. Con el fin de mantener
permanentemente cargada esta batería, esta se conecta a la batería de 400 V por medio de un
conversor.
5.9. Consumo de energético del Spark Con el fin de hace un comparativo entre el consumo energético del Spark primera generación antes
y después de la conversión se hace un análisis de dinámica longitudinal del vehículo con el motor
de combustión interna. Para esto se utilizara la aproximación del punto promedio de operación [8],
donde es de vital importancia utilizar un ciclo de conducción, con el fin que los resultado obtenidos
sean comparables con los que ya se tienen con el vehículo convertido se utilizara el ciclo FTP-72.
Dado que ahora se debe hacer uso de la caja de cambios, se asume que cada 5000 rpm se debe
hacer el cambio de marcha, pues como se ve en la ilustración 5 el motor del Spark da su torque
máximo a las 4600 rpm. Por otro lado se debe tener en cuenta la eficiencia de la transformación de
la energía química de la gasolina en energía mecánica, cuyo valor para un ciclo urbano es de 17%
[8].
Se tienen en cuenta además, las perdidas relacionadas a la dirección hidráulica que equivalen a
750W para un ciclo urbano y las pérdidas del aire acondicionado donde al igual que el modelo del
vehículo eléctrico se estima que solo estará encendido un cuarto del tiempo en el ciclo de
conducción.
Una vez se corre el modelo se determina que para el mismo ciclo de conducción se requieren 62 MJ
es decir 17.32kWh, un valor considerablemente superior al que requiere el carro convertido. Esto
se debe a la baja eficiencia del motor de combustión interna que es casi cinco veces inferior a la del
motor eléctrico.
Haciendo un comparativo en los costos en los que incurre el dueño del carro, se estima que para el
carro con motor de combustión interna se necesita 1.7L de gasolina lo cual tiene un costo de $2009.5
COP, por su parte el carro con motor eléctrico tan solo requiere 1.97kWh cuyo costo de carga es
apenas $240 COP.
Para un recorrido de 100km, el costo de la gasolina sería de $ 16.734COP mientras que el costo de
recarga del carro sería tan solo de $2000 COP.
46
5.10. Costo del KIT A continuación se presenta el costo del kit, este será de 64 millones de pesos. Su valor se debe en
gran medida al paquete de baterías junto con sistema de control cuyo valor supera la mitad del
precio del kit.
Ilustración 38. Costo elementos del KIT
En su mayoría los proveedores especifican cual es el costo de los elementos, sin embargo para el
caso del intercambiador se hizo un revisión en el mercado del costo que tiene el metro de un tubo
de cobre con un diámetro de 12.7mm, este es de $ 7000COP por metro lo cual suma un total de
203.000 COP para los 29 metros requeridos en el intercambiador, a este precio se le suman los
insumos para hacer la carcasa del ventilador los cuales serán láminas de aluminio y la mano de obra.
Para el caso del adaptador se determina el costo que tiene el AISI 1045, siendo este de $23.000 COP
por kilo. Dado que el adaptador tiene una masa de 4.2kg, el costo del acero es de $ 96.600 COP. A
este costo se suma la fundición, laminado y mecanizado de las piezas para un total de $ 611.600
COP.
Por último para determinar si el precio del Kit es competitivo se compara su valor con el de los kits
que se encuentran en el mercado. En el caso de Ev-West el costo promedio de los kits sin batería
tienen un valor de 7000 USD, por su parte la empresa canadiense Canadian Electric Vehicle vende
kits sin baterías entre 5.500-6.700USD, hay otras empresas como e-volks que tienen kits entre los
2.500 a los 5.500 USD. Dado que el precio del kit sin baterías no difiere en gran medida de los precios
del mercado se establece que el precio del producto es competitivo.
Accesorio Costo USD Costo COP
EMRAX 3,134.53 9,583,891
Controlador 3,410.87 10,428,827
Intercambiador 150.00 458,700
Bomba intercambiador 178.29 545,120
Ventilador 100.00 305,800
Adaptador 200.00 611,600
Bomba de Vacio 388.00 1,186,504
Sistema bomba-motor electrico 723.18 2,211,143
Motor compresor 200.57 613,260
Paquete de baterias 12,000.00 36,696,000
Costo total 20,485.44 62,640,845
47
6. DEFINICIÓN DEL KIT DE CONVERSIÓN COMO PRODUCTO
Con el fin de desarrollar un plan de negocios en torno el kit de conversión se plantea aquí la
definición de este como producto.
El kit de conversión de tren de potencia, es un producto que busca convertir un carro con motor de
combustión interna en uno eléctrico. Este consta de los siguientes elementos:
Motor eléctrico junto con su controlador
Adaptador del motor a la caja de cambios
Paquete de baterías
Intercambiador de calor para enfriar el motor
Sistema compresor-motor para el aire acondicionado
Sistema motor-bomba para la dirección
Bomba de vacío para los frenos
Con el fin de generarle valor a sus consumidores, este kit pretende que quienes lo compren sean
parte de la creciente ola ecológica que se está imponiendo alrededor de todo el mundo y que
además se unan a los entusiastas que se dedican a la transformación de vehículos con el fin de
mejorar su desempeño, todo esto a través de un producto innovador que le dará además la
oportunidad de usar el viejo vehículo que siempre les gusto, en su mejor versión.
Adicional al kit se ofrece también el servicio de conversión a aquellas personas que siempre han
querido transformar sus carros pero se ven limitadas por sus conocimientos en mecánica,
electrónica y por la infraestructura necesaria para hacer la transformación, asegurándonos de
brindarle la mejor experiencia a los usuarios.
Actualmente el costo de un carro eléctrico es alto, lo que limita a las personas que tienen el interés
en adquirir uno más no la capacidad, por su parte ese kit que tendrá un costo de 63 millones que le
brindara no solo la experiencia de tener un carro eléctrico, sino además uno con el desempeño que
siempre ha deseado.
48
49
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El proceso de transformación del tren de potencia de cualquier carro con motor de combustión
implica un proceso complejo e iterativo, es importante entonces tener pleno conocimiento del
funcionamiento del tren de potencia así como la interacción de sus elementos con lo demás
sistemas del carro. Para el caso particular del Spark, la transformación del vehículo requiere no solo
intervenir sobre el tren de potencia sino además dar soluciones a aquellos sistemas que se veían
asistidos por el motor de combustión interna.
La transformación del tren de potencia tiene un alto impacto tanto en el desempeño como en la
autonomía del vehículo, pues se utiliza un motor que es capaz de dar hasta cuatro veces más el
torque que daría el motor de combustión interna y se utilizan baterías que dado su peso y
dimensiones limitan la autonomía del vehículo. Por tal motivo en el proceso de diseño siempre se
debe comprometer una de estas variables, en este caso dado que el uso del vehículo era urbano se
decidió tener una baja autonomía con un alto desempeño.
Reemplazar sistemas mecánicos por sistemas eléctricos tiene un beneficio energético, al ser estos
últimos más eficientes. Tal es el caso de la dirección electro-hidráulica y del sistema de aire
acondicionado, donde los elementos seleccionados en el proceso de transformación cuentan con
dispositivos de control de potencia que previenen las pérdidas de energía.
De acuerdo al modelo de dinámica longitudinal, entre los factores que tienen mayor impacto en el
consumo energético se encuentran la fuerza de arrastre aerodinámico y el sistema de aire
acondicionado. Por lo tanto, se sugiere tapar la parrilla frontal del carro con el fin de reducir hasta
un 5% la fuerza de arrastre, así como evitar el consumo de aire acondicionado con el fin de que no
se vea afectada la autonomía del vehículo.
El costo de trasformación de un vehículo es bastante elevado en comparación al precio del mismo,
aun así, el costo de recarga del vehículo eléctrico es inferior al del carro con motor de combustión
interna. Lo que justifica a largo plazo la inversión en la compra del kit de transformación.
La trasformación de la dirección hidráulica a electro-hidráulica, así como el uso de un sistema motor-
compresor logran reducir el consumo que tendrían los sistemas de dirección y aire acondicionado
con el motor de combustión interna. Aun así, siguen siendo sistemas poco eficientes que logran
afectar el desempeño del vehículo, por lo tanto se sugiere mayor investigación en este campo con
el fin de minimizar el consumo energético de los mimos.
50
51
8. BIBLIOGRAFIA
[1] International Institute for Applied Systems Analysis. (2012). Obtenido de The global energy assessment: Toward a sustainable energy future: http://www.iiasa.ac.at/web/home/resources/mediacenter/FeatureArticles/Sustainable.en.html
[2] International Energy Agency. (2013). Obtenido de International Energy Agency: https://www.iea.org/Sankey/#?c=Colombia&s=Final%20consumption
[3] Alcaldia Mayor de Bogotá D.C. (s.f.). Formulación del plan maestro de movilidad para Bogotá D.C., que incluye ordenamiento de estacionamientos. Bogotá.
[4] Pahl, G., & Beitz, W. (2007). Engineering Design A systematic Approach. Springer
[5] The Auto Rules. (26 de Junio de 2011). Obtenido de The Auto Rules:
http://autorules.blogspot.com.co/2011_06_01_archive.html
[6] Gillespie, T. D. (1992). Fundamentals of Vehicle Dynamics. Society of Automotive Engineers.
[7] Daewoo. (2003). Service Manual Matiz (MY2003). Inchon, Korea: Daewoo Motor Co.,
LTD
[8] Guzella, L., & Sciarretta, A. (2005). Vehicle Propulsion Systems. Springer.
[9] MechGuru. (s.f.). Obtenido de Working of Power Brake Vacuum Booster Simplified: http://blog.mechguru.com/how-it-works/working-of-power-brake-vacuum-booster-simplified/
[10] Crouse, W. (1993). Mecánica del automóvil. Marcombo.
[11] Web Wombat the original Australian search engine. (s.f.). Obtenido de Nissan Electro
Hydraulic Poer Steering System: http://www.webwombat.com.au/motoring/news/news0028.htm
[12] Larminie, J., & Lowry, J. (2012). Electric Vehicle Technology Explained. John Wiley &
Sons.
[13]
Society of Automotive Engineers. (2002). SAE handbook. Pennsylvania, Estados Unidos.
[14] Bergman, T., Lavine, A., Incropera, F., & Dewitt, D. (2002). Introduction to Heat Transfer. John Wiley & Sons.
[15] La Marre, J. (2015). FSAE Electric Vehicle Cooling System Design. Honors Research
Project: Paper
52
[16] González-Oropeza, R. (2005). Los ciclos de manejo, una herramienta útil si es dinámica para evaluar el consumo de combustible y las emisiones contaminantes del auto transporte. México: Universidad Nacional Autónoma de México.
[17] Baglione, M. (2007). Development of Systems Analysis Methodologies and Tools for
Modeling and Optimizing Vehicle System Efficiency. (Ph.D.). University of Michigan.
[18] Pang, H., & Brace, C. (s.f.). Review of engien cooling technologies for modern engines.
Department of Mechanical ENgineering, University of Bath, Bath, UK.
[19] GRI Pumps. (s.f.). Obtenido de GRI Pumps: http://www.gripumps.com/products/integrated-brushless-dc-magnetic-drive-pumps/intg7-series/
[20] SPAL automotive. (s.f.). Obtenido de SPAL automotive:
http://www.spalautomotive.com/eng/products/view_axial.aspx?id=VA01-AP90_LL-79S
[21] Uribe Avila, A. (2015). Caracterización del subsistema de asistencia por vacio del sistema
de frenos de un vehiculo bajo distintas codniciones de operación. Bogotá D.C.
[22] Ev Source. (s.f.). Obtenido de Ev Sourve: http://www.evsource.com/tls_braking_system.php
[23] Advanced Engineering Services. (2016). Obtenido de EHPS - electrohydraulic power
steering pump for heavy commercial vehicles: http://ecs.magna.com/Advanced-E-Traction-and-Hybrid-Technology.3280.0.html?&cHash=285eac434d437552d09fd85342ccfad6&tx_ttnews%5Btt_news%5D=1589&L=1
[24] Fomihide, K., Tsunefumi , A., & Hisashi, T. (2005). Development of Energy Saving Power
Steering.
[25] ZF TRW. (s.f.). Obtenido de Electrically Powered hydraulic steering: http://www.trw.com/steering_systems/steering/electrically_powered_hydraulic_steering
[26] R. Farrington, J. R. (2000). Impact of Vehicle Air-Conditioning of Economy, Tailpipe
Emissions, and Electric Vehicle Range. NREL, 12.
[27] Masterflux . (s.f.). Masterflux Productos. Obtenido de Sierra: http://www.masterflux.com/products/sierra/
[28] Chevrolet. (2015). Chevrolet Spark Owner Manual.
53
[29] SAE International. (15 de Enero de 2010). SAE International. Obtenido de SAE electric
Vehicle and Plug in Hybrid Electric Vehicle Conductive Charge Coupler:
http://standards.sae.org/j1772_201001/