Articulo - Diseño de Tren de Potencia de Vehiculo Eléctrico

DISEÑO DE TREN DE POTENCIA DE UN VEHÍCULO ELÉCTRICO
____________________________________________________________ Ing. Juan Marcelo Torrez Baltazar
Ing. Jimmy Gonzales Ustariz
Resumen. Los altos niveles de contaminación atmosférica se han ido incrementado de manera
considerable en los últimos años, siendo el sector de transporte uno de los mayores aportantes a este
problema. Una de las alternativas más viables para disminuir el aporte de este sector a la
contaminación, es la conversión de los vehículos a combustión interna a vehículos eléctricos, que
además de no ser contaminantes, son más eficientes. El presente trabajo resume el diseño de un tren
de potencia para la conversión de un vehículo a combustión interna a un vehículo eléctrico,
desarrollado como parte del curso de especialidad “Vehículos Eléctricos, Almacenamiento e
Infraestructura de Carga” de la Pontificia Universidad Católica de Chile.
Palabras claves. Bancos de Batería, Caja Reductora Fija (FG), Conversión de Vehículo,
Electromovilidad, Eficiencia Energética, Estación de Recarga, Inversor, Motor Síncrono de Imanes
Permanente (PMSM), Tren de Potencia.
1. INTRODUCCIÓN
El empleo de gasolina y diesel en el transporte
terrestre ocasiona una elevada contaminación
ambiental, al emitir gases generados por los
motores de combustión interna (CI), como el
monóxido de carbono (CO), dióxido de
carbono (CO2), óxidos nítricos (NOx), dióxido
de azufre (SO2) e hidrocarburos (HC). Una de
alternativa viable para resolver este problema
es el empleo de los vehículos eléctricos (VE),
debido
a
que
estos
no
producen
contaminantes durante su funcionamiento [1].
Los vehículos eléctricos, son impulsados por
un motor eléctrico que puede tomar energía de
un banco de baterías, supercacacitores o una
combinación de ambos. Es una tecnología que
presenta ventajas en cuanto a torque, rangos
de
operación,
emisiones
de
gases
coontaminantes, entre otras, respecto a los
vehículos de combustión interna [2]. El
presente trabajo plantea el diseño de un tren
de potencia para un vehículo 100% eléctrico,
siguiendo los lineamientos definidos en el
curso de especialización “Vehiculos Eléctricos,
Almacenamiento e Infraestructura de Carga”.
2.1. Consideraciones
Transformación
para
la
En la siguiente tabla se detalla el peso
estimado de los componentes del vehículo
original que serán retirados, para determinar el
peso del vehículo sin estos equipamientos.
Tabla 1. Peso de componentes retirados.
Para el tren de potencia se ha definido un tipo
de un solo motor y un solo inversor, con un
engranaje fijo (FG) y diferencial, como se
muestra en la figura 1.
2. CONVERSIÓN
DE
UN
VEHÍCULO
CONVENSIONAL A ELÉCTRICO
Para el diseño del tren de potencia se ha
seleccionado un vehículo Toyota Corolla 2010.
Fig. 1. Tren de potencia definido en el proyecto.
2.2. Determinación de las Características
del Tren de Potencia
Para determinar el par y la potencia necesarios
para poder impulsar el vehículo, se requiere
conocer el peso total aproximado del vehículo
con pasajeros. A continuación, se muestra el
detalle del peso estimado inicial del motor
eléctrico (incluye el inversor) y el banco de
baterías, que se consideró para la
determinación de la potencia del motor
eléctrico y la capacidad del banco de baterías.
Posteriormente, una vez definido el modelo del
motor, inversor y bancos de baterías, y
conocidas sus especificaciones, se verificará
nuevamente la potencia del motor eléctrico y la
capacidad del banco de baterías.
De la figura anterior podemos inferir que las
fuerzas sobre el vehículo son: a) la fuerza de
resistencia a la rodadura, b) la fuerza de
resistencia (aerodinámica) al arrastre, c) la
fuerza de resistencia a la pendiente, y d) la
fuerza necesaria para vencer la inercia del
vehículo eléctrico. Aplicando la segunda Ley
de Newton al diagrama mostrado en la figura
2, tenemos que la fuerza de tracción del
vehículo esta dado por:
De la ecuación anterior, tenemos que:
a) La fuerza de resistencia a la rodadura
está determinada por:
Tabla 2. Peso estimado inicial y peso final de
componentes a adicionar.
Donde:
Crr
: Coeficiente de
rodadura (0.01)
resistencia
M
: Peso Total del Vehículo (kg)
g
: Gravedad (m/s2)
a
la
b) La fuerza de resistencia al arrastre se la
calcula por la expresión:
A fin de determinar el par y la potencia
requerida por el motor eléctrico transferida a
las ruedas a través del tren de transmisión,
que permita acelerar el vehículo y mantenerla
a la velocidad máxima con carga máxima, es
necesario determinar previamente la fuerza de
tracción requerida ( m). La figura 2 muestra
las fuerzas actuantes sobre el vehículo.
Donde:
Cd
: Coeficiente de resistencia al arrastre
(0.28)
ρ
: Densidad del aire (1.2 kg/m3)
S
: Superficie frontal del vehículo (m2)
V
: Velocidad (m/s)
c) La fuerza de resistencia a la pendiente
está definida por:
Fig. 2. Fuerzas que actúan sobre el vehículo.
d) La fuerza requerida para vencer la inercia
del VE toma en cuenta su masa por su
aceleración.
Para el cálculo de la potencia mecánica en las
ruedas, debemos aplicar la siguiente
expresión:
La expresión final para el cálculo de la
potencia está dada por la siguiente expresión:
Una de las premisas para el diseño del tren de
potencia es que el VE debe alcanzar una
velocidad de 100 [km/h] entre 8 a 10
segundos. La aceleración para un cambio de
velocidad de 100 km/h en 8 segundos es de
3.47 [m/s2] (a1=100*1000/3600/8) y para 10
segundos
es
de
2.78
[m/s2]
(a2=100*1000/3600/10).
Potencia mecánica para acelerar de 0 a 100 km/h, para 8 y
10 segundos
400
2.3. Motor Eléctrico
Tabla 2. Datos generales para el cálculo de la potencia
mecánica.
Datos generales para el cálculo de la potencia mecánica
Coef. de Arrastre :
Cd
0.28
Coef. resistencia Rod.
Crr
0.01
Aceleración Gravedad :
g
9.80 [m/sg2]
Eficiencia Transmisión:
ⴄd
0.91
Area Frontal :
S
1.97 [m2]
Masa total (*)
M
1562.20 [kg]
Aceleración :
a
2.78 [m/s2]
Densidad del Aire:
ρ
1.20 [kg/m3]
(*) Incluye las masas preliminares del motor y la batería
Los requerimientos de potencia del vehículo
eléctrico responderán al criterio de velocidad
máxima (170 km/h) y al criterio de aceleración.
La aceleración es calculada por:
Donde:
ΔV
: Variación de la velocidad en [m/s]
Δt
: Tiempo en el cual se alcanza la
variación de velocidad [s]
POTENCIA [KW]
Para el dimensionamiento del motor eléctrico
se tomará en cuenta la información detallada
en la Tabla 2, con la salvedad de considerar
valores iniciales aproximados para las masas
tanto del motor como de la batería; asimismo,
no se tomará en cuenta las pendientes por lo
que la componente del peso será igual a cero.
350
300
250
200
150
100
50
0
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
3.47 [m/s2] 0
15 31 47 62 78 94 111 128 145 162 180 198 217 236 256 277 298 320 343 367
2.78 [m/s2] 0
12 25 38 50 63 76 90 103 117 132 147 162 178 194 211 229 247 266 286 306
VELOCIDAD [KM/H]
Fig. 3. Potencia para alcanzar velocidad de 100
km/h, a una aceleración de 8 y 10 segundos.
Aplicando la expresión de la potencia
mecánica y la información detallada en la tabla
2, que toma en consideración un peso
preliminar de 140 [kg] de la batería y 70 [kg]
del motor eléctrico, se ha calculado la potencia
en función de la velocidad para una
aceleración de 2.78 [m/s2] y 3.47 [m/s2],
respectivamente.
De la figura 3 se puede observar que, para una
velocidad de 100 [km/h] y una aceleración de
3.47 [m/s2], la potencia mecánica requerida es
de 162 [kW]; en tanto que, para una
aceleración de 2.78 [m/s2], es de 132 [kW].
Para el diseño del tren de potencia se adoptará
una aceleración de 2.78 [m/s2] debido a la
menor solicitud de potencia mecánica tanto
para el motor como para la batería; en
contraposición, adoptar la aceleración de 3.47
[m/s2], podría llevar a elegir un motor y una
batería de mayor tamaño y por tanto mayor
peso y mayor solicitud de potencia para el VE.
Considerando el peso real de motor elegido
(97 kg), actualizamos los requerimientos de
potencia mecánica máxima y mínima del
motor. Tal como se muestra en la tabla 3, la
potencia mecánica máxima se incrementó de
132 [kW] a 134 [kW]; sin embargo, la potencia
mínima para la velocidad máxima (170 [km/h])
se mantuvo casi invariable.
Potencia mecánica para acelerar de 0 a 100 km/h en 10
segundos y potencia mecánica mínima
350
POTENCIA [KW]
300
250
200
150
100
Tabla 3. Potencia mecánica máxima y mínima
considerando el peso asumido y real del motor eléctrico.
50
0
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Vcte (km/h) 0
0
2.78 [m/s2] 0
12 25 38 50 63 76 90 103 117 132 147 162 178 194 211 229 247 266 286 306
1
1
2
3
4
5
7
9
11 14 17 21 25 30 36 42 49 57 65
VELOCIDAD [KM/H]
2
Fig. 4. Potencia para una aceleración de 2.78 [m/s ] y
potencia mínima para mantener una velocidad constante.
Una primera aproximación para definir la
potencia máxima y mínima del motor es la que
se muestra en la figura 4, vale decir que, para
alcanzar una velocidad de 100 [km/h] a una
aceleración de 2.78 [m/s2] se requiere de 132
[kW]; en tanto que, para mantener la máxima
velocidad especificada de 170 [km/h], es
necesario solo 42 [kW].
V (km/h)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
Potencia mecánica máxima y mínima [kW]
Vcte (km/h)
2.78 (m/s2)
70 [kg]
97 [kg]
70 [kg]
97 [kg]
0.0
0.0
0.0
0.0
0.4
0.4
12.5
12.7
0.9
0.9
25.0
25.4
1.5
1.5
37.6
38.3
2.2
2.2
50.4
51.2
3.0
3.1
63.3
64.4
4.1
4.1
76.4
77.7
5.4
5.5
89.8
91.3
7.0
7.1
103.5
105.2
9.0
9.1
117.5
119.4
11.4
11.4
131.9
134.1
14.1
14.2
146.7
149.1
17.4
17.5
162.0
164.6
21.1
21.2
177.8
180.7
25.5
25.6
194.2
197.2
30.4
30.5
211.2
214.4
35.9
36.0
228.8
232.2
42.2
42.3
247.1
250.7
Considerando el rendimiento de la transmisión
de 0.91, el motor debería tener una potencia
nominal de 46 [kW] (42/0.91) y una potencia
máxima de 145 [kW] (132/0.91).
Con la corrección del peso del motor y
tomando en cuenta el rendimiento del tren de
transmisión, los valores de potencia nominal y
máxima del motor eléctrico son de 46 [kW] y
147
[kW]
(134/0.91),
respectivamente,
inferiores a sus valores informados (75/150).
Con los requerimientos de potencia nominal y
máxima definidos, se busco en la página de
Alibaba.com,
motores
con
estas
características, optándose por un kit de motor
síncrono de imanes permanentes (PMSM) con
inversor incluido, cuyos datos se detallan a
continuación. [3]
En la figura 6 se muestra la curva de eficiencia,
potencia y velocidad, correspondiente a un
PMSM; recurriremos a esta curva para definir
los límites operativos tanto en velocidad como
en potencia de manera de obtener la zona de
mayor rendimiento del motor eléctrico.
Fig. 5. Motor Síncrono de Imanes Permanentes,
75kW EV motor modelo TZ-280-X-S-GA03
Fig. 6. Curva de eficiencia, potencia y velocidad del
motor [4]
De acuerdo a la tabla 3, la máxima potencia
por aceleración para una velocidad de 50
[km/h] que corresponde a la velocidad en
zonas urbanas, es de 64 [kW], en tanto que la
mínima potencia para mantener una velocidad
constante será de 3 [kW].
Para la conversión de la velocidad lineal de las
ruedas del VE en velocidad de rotación,
consideramos el radio de la rueda (0.32 m) y la
relación entre la velocidad lineal y de rotación
(ω=V/r). En la tabla 4 se muestra un detalle de
diferentes velocidades lineales y sus
correspondientes velocidades de rotación, de
ahí que para una velocidad de 50 [km/h]
obtenemos 418 [rpm], y para la máxima
velocidad exigida de 170 [km/h] de 1421 [rpm].
2.5. Batería
De la misma forma que para el motor y el
inversor, se buscó en la página de
Alibaba.com, modelos de baterías para
aplicaciones
a
vehículo
eléctricos,
encontrándose la siguiente batería de litio del
tipo modular [4].
Tabla 4. Velocidad lineal y de rotación.
V (km/h) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170
ω (rpm) 0 83.6 167.2 250.8 334.4 418.1 501.7 585.3 668.9 752.5 836.1 919.7 1003.3 1087 1170.6 1254.2 1337.8 1421.4
Considerando la velocidad máxima del motor
de 9000 rpm, la relación del FG (Fix Gear) será
de 6.33:1 (9000/1421), lo que implicaría una
velocidad inferior del motor de 6.33*418 = 2647
[rpm]. Con los límites de potencia y velocidad
mostrados en la figura 6, se tiene delimitada la
zona de operación del motor, de la cual se
puede inferir una eficiencia promedio de 0.92.
2.4. Inversor
El inversor está integrado al motor, con un
requerimiento de voltaje de entrada de 350/750
[VDC], una capacidad máxima de 200 [kW], y
cuyos parámetros son los que se muestran en
la figura 7. Como el controlador está integrado
al motor, no está informada su eficiencia, por lo
que se adoptó la eficiencia de un equipo
similar e igual al 99% [4].
Fig. 7. Inversor integrado al motor.
Fig. 8. Batería de Ion de Litio para configuración en serie
y paralelo.
La batería seleccionada es una batería de Ion
Litio, que permite la configuración en serie y
paralelo, cada celda es de 3.6 [V] y 40 [Ah]
con un peso aproximado de 1 [kg]. De acuerdo
con los datos del inversor presentados en la
figura 7, la tensión de entrada requerida está
en el rango de 350/750 [VDC], para este rango
lo ideal sería elegir el voltaje de 350 [VDC]
para la batería dado que ello significaría una
menor cantidad de unidades en serie.
Para el dimensionamiento de la batería
tomaremos como punto de partida una
configuración serie de 100 celdas con lo que el
módulo tendría un voltaje de 360 [V] (3.6*100),
una capacidad de 14 [kWh] (360*40/1000) y
un peso de 100 [kg]. Para determinar la
capacidad final de la batería, es necesario
realizar algunos cálculos previos que tomen en
consideración,
la
potencia,
velocidad,
aceleración y una autonomía de 200 [km],
utilizando la siguiente expresión:
Donde:
total :
Eficiencia
combinada
de
la
transmisión (0.91), el motor (0.92) y el inversor
(0.99)
d
: Autonomía (200 km)
SOCMIN: Máxima descarga de la batería (0.1)
P(V)
:Potencia mecánica en las ruedas
Es evidente que para determinar la energía
que debe entregar la batería existe una
relación directa con la potencia mecánica que
a su vez depende del peso total del vehículo;
hasta este punto, se ha definido el motor
eléctrico y por tanto su peso; sin embargo, el
peso de la batería responderá inicialmente a la
configuración serie y es evidente que, para
determinar el peso final de la batería, habrá
que realizar iteraciones. Otro parámetro que se
irá actualizando en cada iteración, aunque
menos determinante que el peso de la batería,
es la máxima potencia por aceleración para
una velocidad de 50 [km/h], que definirá el
rendimiento de motor eléctrico. Para el cálculo
anterior se considera una velocidad constante
e igual a 120 [km/h] correspondiente a zona
semiurbana y para una autonomía de 200
[km].
Tabla 5. Configuraciones serie paralelo para diferentes
voltajes de la batería
Celdas Voltaje del Capacidad del Peso del Módulos Capacidad Capacidad Peso de la
en serie Módulo Módulo[kWh] Módulo[kg] en paralelo Requerida[kWh] Batería[kWh] Batería[kg]
100 360.0
14.4
100.0
3.0
40
43.2
300.0
105 378.0
15.1
105.0
3.0
40
45.4
315.0
110 396.0
15.8
110.0
3.0
40
47.5
330.0
115 414.0
16.6
115.0
3.0
41
49.7
345.0
120 432.0
17.3
120.0
3.0
41
51.8
360.0
125 450.0
18.0
125.0
3.0
41
54.0
375.0
130 468.0
18.7
130.0
3.0
41
56.2
390.0
135 486.0
19.4
135.0
2.0
40
38.9
270.0
En la tabla 5, se presenta un cuadro resumen
para diferentes valores de voltaje y
configuración serie, paralelo, en todas ellas se
puede observar que la capacidad requerida de
la batería se mantiene en el entorno de los 40
[kWh], por ejemplo, para un voltaje de 360 [V],
con solo el arreglo en serie se tendría una
capacidad de 14.4 [kWh], por lo que para los
40 [kWh] es necesario adicionar 3 módulos en
paralelo haciendo un total de 43.2 [kWh].
El menor peso de la batería sería para un
voltaje de 486 [V], con una configuración de
135 celdas en serie y dos módulos en paralelo;
sin embargo, este valor está muy por encima
del voltaje de suministro de la infraestructura
de carga que se encuentra en el orden de los
400 [V]. La configuración final de la batería por
el menor peso y por supuesto menor costo
será de 360 [V], una capacidad de 43.2 [kWh]
y un peso de 300 [kg]. Finalmente,
realizaremos un último ajuste con los valores
definitivos de las masas del motor eléctrico y
de la batería.
Finalmente, la potencia mecánica máxima se
incrementó de 132 [kW] a 147 [kW] y la
potencia mínima de 42 [kW] a 43 [kW], que
afectando por el rendimiento del tren de
transmisión obtenemos 161 [kW] (147/0.91) y
47 [kW] (43/0.91), respectivamente. En cuanto
a la potencia nominal del motor esta tiene un
amplio margen (75 kW); sin embargo, su
potencia máxima estaría ligeramente por
debajo (150 kW).
Es importante mencionar que los 161 [kW],
corresponde a la potencia requerida para que
el vehículo pueda alcanzar una velocidad de 0
a 100 [km/h] en 10 segundos considerando 5
ocupantes; sin embargo, la realidad es que la
mayor parte de tiempo, el vehículo no se
encontrará completamente ocupado, y el motor
elegido podría cubrir perfectamente estos
procesos de aceleración hasta con 4 pasajeros
como se ve en la tabla 6; no obstante, el motor
eléctrico si podría acelerar al vehículo con sus
5 ocupantes, pero a una aceleración menor.
En cuanto al rendimiento del motor eléctrico al
incrementarse la potencia de 63 [kW] a 71
[kW], hay un ligero desplazamiento de la
región de operación tomando curvas de una
eficiencia de hasta 90%; pero que no afecta en
el promedio manteniéndose en el orden de
92%.
Tabla 6. Potencia máxima requerida en función del
número de ocupantes.
Numero de
ocupantes
1
2
3
4
5
Potencia
Potencia máxima
mecánica máxima requerida del motor
124
137
130
143
136
149
141
155
147
161
Potencia
máxima del
150
150
150
150
150
La figura 9a a muestra el requerimiento de
energía de la batería en función de la
velocidad, variando desde 16 [kWh] para
zonas urbanas (50 km/h) hasta 40 [kWh] para
zonas suburbanas (120km/h). La figura 9b,
muestra que la autonomía disminuye con el
incremento de la velocidad, por ejemplo, para
una velocidad de 60 [km/h], se obtiene una
autonomía aproximada de 430 [km] y para 100
[km/h] de 280 [km].
Energía Requerida de la Batería (kWh)
45
40
KWH
Tabla 7. Características del vehículo convertido.
35
30
3.2.
Costos de la Conversión
A continuación, se detalla el costo de la
conversión del vehículo de combustión interna
del proyecto a un vehículo eléctrico a batería
(BEV), sin considerar costos de mano de obra,
accesorios, ni impuestos o costos asociados al
envío e importación de los componentes:
25
20
Tabla 8. Costos del tren de potencia diseñado.
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
KM/H
a)
Autonomia para la batería seleccionada [43.2 kWh]
Componente
Costo [$us]
Motor + Inversor
4365.00
Banco de baterías
9000.00
BMS
150.00
Total
13515.00
800
BIBLIOGRAFIA
700
AUTONOMIA [KM]
600
[1] R. N. Gutiérrez R., “Conversión de Vehículo al
Sistema de Tracción Eléctrica,” Instituto de Instituto
de Investigaciones en Ingeniería Eléctrica – IIIE,
Universidad Mayor de San Andrés.
500
400
300
200
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
VELOCIDAD [KM/H]
b)
Fig. 9. a) Energía requerida para una autonomía de 200
[km], b) autonomía para la batería seleccionada
3. VEHICULO CONVERTIDO
3.1. Características
Implementado el tren de potencia diseñado, el
vehículo convertido tendría las siguientes
características:
[2] G. C. Capellan, “Caracterización del Tren de Potencia
de un Vehículo Eléctrico de Categoría L7 Tipo Smart,”
Trabajo Final de Máster, Barcelona, 2017, p. 22 a 38.
[3] Alibaba, “Alibaba.com,” 23/11/2021. [En línea].
https://www.alibaba.com/product-detail/High-qualitywholesale-electric-carcontroller_1600300836733.html?spm=a2700.details.0
.0.349465be9oNhkk. [Último acceso: 23 11 2021].
[4] E. J. Vázquez P., R. A. Valenzuela N. “Diseño de un
Tren de Potencia de Vehículo Eléctrico para su
Aplicación a un Taxi,” Departamento de Ingeniería
Industrial y Manufactura, Universidad Autónoma de
Ciudad Juárez.
AUTORES
Juan Marcelo Torrez Baltazar
Ingeniero Electricista de la UMSA, miembro IEEE y
usuario de los programas DIgSILENT, PSS@CAPE,
ATP-EMTP, MATLAB, SDDP y NCP. Diplomado en
Ingeniería y Tecnología de Sistemas de Potencia de la
UPB, y Herramientas para el Análisis de Sistemas
Eléctricos en la Universidad INCCA de Colombia.
Actualmente se encuentra desarrollado su proyecto de
grado para optar al título de Magister en Sistemas
Eléctricos de Potencia de la UMSS. Realizó cursos
internacionales de especialización en modelación de
redes eléctricas, estudios eléctricos, protecciones de
sistemas de potencia, confiabilidad de sistemas de
generación-transmisión y electromovilidad.
Docente de cursos de especialización en protecciones y
sistemas eléctricos de potencia con la empresa
SEDESEM y programas de diplomado en la Universidad
Privada Boliviana y en la Escuela Boliviana de Posgrado.
Tutor y tribunal de tesis en las universidades UMSA y
UMSS. Autor de varios artículos técnicos en el área de
protecciones y simulación de sistemas eléctricos de
potencia.
Ocupó el cargo de Ingeniero de Protecciones y Jefe de la
División de Análisis Operativo en la Gerencia de
Operaciones del Comité Nacional de Despacho de Carga
Actualmente ocupa el cargo de Ingeniero de Estudios
Energéticos en la Gerencia de Planificación, encargado
de realizar tareas de planificación, simulación y
evaluación económica de proyectos a incorporarse al
Sistema Interconectado Nacional.
Jimmy Gonzales Ustariz
Ingeniero Electricista egresado de la UMSS, trabajo en el
CNDC desde 1997, desarrollando sus actividades en las
Gerencias de Operaciones y Administración; actualmente
vinculado a la Gerencia de Planificación como en el cargo
de Ingeniero de Estudios Energéticos encargado de
realizar tareas de planificación, simulación y evaluación.
económica de proyectos a ser incorporados al Sistema
Interconectado Nacional