Diseño y construcción de un sistema de telemetría para un vehículo eléctrico

Texto completo

(1),. TECNOLOGICO. DE MONTERREY. Campus Ciudad de México. Escuela de Graduados en Ingeniería y Arquitectura Tesis. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE TELEMETRÍA PARA UN VEHÍCULO ELÉCTRICO. para la obtención del grado de. Maestro en Ciencias con Especialidad en Sistemas de Manufactura Autor: Juan Pablo Angulo Jiménez TECNOLÓGICO. DE MONTERREY. Director:. Dr. Pedro Ponce Cruz. BIBLIOTECA 1. Sinodales:. Dr. Ricardo Fernández del us o y Dr. José Ramón Álvarez Bada. Noviembre 2006.

(2) Resumen En el presente trabajo se describe el proceso de implementación de un sistema de telemetría para un vehículo eléctrico. La estructura del trabajo incluye una introducción a los temas que esta tesis abarca, mencionando la importancia de la telemetría en carreras de autos profesionales y también mencionando los aspectos atractivos de los vehículos eléctricos, así como del Campeonato Electratón México donde algunos vehículos eléctricos compiten.. En este trabajo se realiza una descripción del vehículo al cual se le instaló el sistema de telemetría diseñado, con el objeto de mostrar cada uno de los sistemas que conforman el vehículo y la puesta a punto que dichos sistemas requieren. Para dotar de información válida, que justifique la puesta a punto del vehículo, se instalan sensores de diversos tipos en el mismo, el sistema envía los datos por radiofrecuencia a un equipo remoto, donde se visualizan y almacenan. Estos datos pueden ser analizados conforme arriban al equipo o una vez que termine la prueba. La selección de sensores y demás equipos es un tema delicado pues, si se eligen los elementos incorrectos, el desempeño y confiabilidad del proyecto se pueden ver comprometidos. La manera de visualizar los datos depende del software que se elija o desarrolle, se mencionarán aspectos importantes del software, la estructura de los datos transmitidos y la manipulación que el software hace a éstos para extraer información importante sobre el desempeño del vehículo.. Algunas ideas. innovadoras, como el "tanque de combustible virtual," serán explicadas.. Los resultados obtenidos serán discutidos y de ellos se podrán obtener valores para la puesta a punto justificada del vehículo en cuestión. Los aspectos principales que se desean poner a punto son: la presión de los neumáticos, la relación de transmisión y la forma en la que el piloto maneja el vehículo.. iii.

(3) Objetivo El objetivo de esta Tesis es construir un sistema de telemetría para un vehículo eléctrico de carreras, el cual provea datos concretos sobre el comportamiento del vehículo y de esta forma asista en la puesta a punto de neumáticos, relación de transmisión y manejo.. Para obtener buenos resultados en la puesta a punto de los autos eléctricos es importante encontrar los puntos de operación más eficientes, para así lograr velocidades más altas durante la carrera con la menor energía posible. El sistema de telemetría aquí diseñado tiene como objetivo proporcionar los datos necesarios para justificar ajustes tanto en la relación de transmisión, como en la presión de inflado de los neumáticos que conlleven a un mejor desempeño del vehículo. Estos datos deberán mostrarse de alguna manera a los integrantes de la escudería durante la carrera y también permanecer almacenados. De esta forma se podrá estudiar el desempeño del vehículo y del piloto durante y después de la carrera, asistiendo en la corrección de errores de manejo y en la formulación de estrategias.. iv.

(4) Contenido Dedicatoria ......................................................................................................... i Agradecimientos ............................................................................................... ii Resumen ........................................................................................................... iii Objetivo ............................................................................................................ iv Lista de Tablas ............................................................................................... viii Lista de Figuras ............................................................................................... ix Capítulo 1: lntroducción ................................................................................... 1. 1.1 La telemetría y las competencias de autos ........................................ 1 1.1.1 Componentes de un Sistema de Telemetría ........................ 6 1.2.1 Aplicaciones de la telemetría ................................................ 7 1.2 El Campeonato Electratón México ................................................... 11 1.2.1 Historia ............................................................................... 11 1.3 El auto eléctrico ................................................................................ 13 1.3.1 Historia ............................................................................... 13 1.3.2 Partes que conforman a un auto eléctrico .......................... 14 1.4 El sistema de telemetría para un auto electratón ............................. 18. Capítulo 2: El vehículo de pruebas ............................................................... 19. 2.1 Chasis, dirección, freno y neumáticos .............................................. 19 2.2 Sistema de Propulsión ..................................................................... 22 2.2.1 Motor eléctrico .................................................................... 22 2.2.2 Transmisión ........................................................................ 22 2.3 Sistema Eléctrico ............................................................................. 23 2.3.1 Baterías y cableado ............................................................ 23 2.3.2 Controlador ......................................................................... 25 2.4 Puesta a punto del vehículo ............................................................. 26 2.4.1 Inflado de neumáticos ........................................................ 28 2.4.2 Relación de transmisión ..................................................... 29 2.4.3 Capacitación al piloto ......................................................... 30. V.

(5) vi Capítulo 3: Sensores y el sistema de telemetría .......................................... 32. 3.1 Descripción de sensores y periféricos .............................................. 32 3.1.1 Sensor de corriente ............................................................ 33 3.1.2 El convertidor analógico a digital. ....................... , ............... 36 3.1.3 Sensor de aceleración ........................................................ 36 3.1.4 Sensor de posición del volante ........................................... 38 3.1.5 Audífono ............................................................................. 39 3.1.6 Los modems inalámbricos .................................................. 40 3.2 La unidad central de procesamiento ............................................... .44 3.2.1 El microcontrolador BASIC Stamp 2p24 ............................. 46 3.2.2 Conexión a los sensores y periféricos ................................ 48 3.2.3 Integración de los sistemas ................................................ 49. Capítulo 4: El panel de monitoreo ................................................................. 52. 4.1 El macro StampDAQ para Excel ...................................................... 53 4.1.1 Factor de conversión para el sensor de corriente .............. 56 4.1.2 Factor de conversión para el sensor de posición del Volante ........................................................................................ 56 4.1.3 Factor de conversión para el sensor de aceleración .......... 58 4.1.4 Aplicación de los factores de conversión para los datos dentro de Excel ........................................................................... 60 4.1.5 Otras fórmulas para la conversión de datos dentro de Excel ........................................................................................... 61 4.2 El visualizador de LabVIEW ............................................................. 63 4.2.1 Algoritmo de funcionamiento .............................................. 64 4.2.2 Panel de indicadores .......................................................... 69. Capítulo 5: Resultados ................................................................................... 77. 5.1 Inflado de neumáticos ...................................................................... 77 5.2 Relación de transmisión ................................................................... 86 5.3 Capacitación al piloto ....................................................................... 88 5.4 El tanque de combustible virtual ...................................................... 90.

(6) vii. Capítulo 6: Conclusiones ............................................................................... 92 6.1 Comentarios sobre los resultados .................................................... 93 6.2 Trabajo a futuro ................................................................................ 95. Bibliografía ...................................................................................................... 97 Bibliografía del Capítulo 1....................................................................... 97 Bibliografía del Capítulo 11 ................................. . .................................... 98 Bibliografía del Capítulo 11 ...................................................................... 99 Bibliografía del Capítulo IV. .................................................................. 100 Bibliografía del Capítulo V .......................................... .................. ........ 101. Anexos ........................................................................................................... 102 A. Reglamento de construcción y competencias Fórmula Electratón Experimental ................................................................... .... 102 B. Hoja de especificaciones del sensor ADXL202EB ........................... 112 C. Hoja de especificaciones del sensor H970LCA ............................... 114 D. Nota de aplicación para el sensor ADXL202EB .............................. 116 E. Hoja de especificaciones del sensor ADXL202E ............................. 119 F. Hoja de especificaciones del potenciómetro Spectrol. ..................... 130 G. Estructura del microcontrolador BS2p24 ......................................... 134 H. Tabla comparativa de microcontroladores Parallax ......................... 135 l. Programa en PBASIC #1 .................................................................. 136 J. Programa en PBASIC #2 ................................................................. 137 K. Manual de usuario del módem Stamper .......................................... 138 L. Especificaciones del motor Etek de Briggs & Stratton ..................... 140 M. Manual de usuario del controlador de la serie Scoota de 4OD ....... 141. N. Imágenes del módulo construido ..................................................... 157 O. Programa desarrollado para LabVIEW ............................................ 161 P. Código para el macro StampDAQ de Excel. .................................... 162.

(7) Lista de Tablas 3.1 Modelos disponibles de modems y sus fabricantes .................................... 41 3.2 Características principales de los modems ................................., ............... 42 4.1 Valores de calibración para el acelerómetro ............................................... 58 4.2 Gráficas de calibración para el acelerómetro .............................................. 59. viii.

(8) Lista de Figuras 1.1. Conector para descarga de datos adquiridos en un auto F1.. .................. 3. 1.2. Módulo de transmisión de vídeo y datos .................................................. 4. 1.3. Datos de una sesión de telemetría en F1 ................................................. 5. 1.4. Diagrama de un sistema de medición ...................................................... 6. 1.5. Diagrama de un sistema de telemetría ..................................................... 6. 1.6. Componentes del sistema ARMS ............................................................ 8. 1. 7. Distintas representaciones de datos enviados por el ARMS .................... 9. 1.8. Monitoreo vía página web de una estación de desvío en la estación Flinders, Melbourne, Australia ................................................................ 10. 1.9. Uno de los tantos vehículos eléctricos construidos a principio de siglo. 13. 1.1 O Diagrama de sistemas que componen un vehículo de combustión interna .................................................................................................... 15 1.11. Diagrama de sistemas que componen un vehículo eléctrico ................. 16. 1.12. Componentes básicos de un vehículo eléctrico ..................................... 16. 2.1. Tabla con pruebas de descarga para baterías de distinta capacidad .... 24. 2.2. Diagrama de componentes del sistema eléctrico del vehículo ............... 26. 2.3. Curva de operación a 24 V para el motor Etek de Briggs & Stratton ..... 28. 3.1. La dona medidora de corriente directa Veris H970LCA ......................... 35. 3.2. Salida linear uni-polar del sensor Veris H970LCA ................................. 35. 3.3. Tabla de valores para el sensor de corriente y el ADC .......................... 36. 3.4. El potenciómetro Spectrol y su conexión al poste de dirección mediante banda dentada ....................................................................................... 38. IX.

(9) X. 3.5. El potenciómetro Spectrol Wirewound de 1O kühms y 3 vueltas ........... 38. 3.6. El conector tipo plug hembra para el audífono ...................................... .40. 3. 7. Los modems inalámbricos Super Screamer de ElectroWave lnc ........... 43. 3.8. El microcontrolador BASIC Stamp 2p24 del fabricante Parallax ............ 46. 3.9. Esquema interno del BASIC Stamp 2p24 .............................................. 47. 3.1 O Ubicación física de la unidad central de procesamiento que contiene al acelerómetro .......................................................................................... 48 3.11. El módem móvil montado sobre el Rol/ Bar del vehículo Electratón ...... 48. 3.12. Diagrama de conexión entre componentes y flujo de datos ................... 49. 3.13. Algoritmo de operación del sistema a bordo del vehículo ...................... 50. 4.1. El macro StampDAQ para Excel, por Martin Hebel. ............................... 54. 4.2. Gráficas de los datos adquiridos en Excel ............................................. 55. 4.3. Valores de calibración para el acelerómetro .......................................... 58. 4.4·. Gráficas de calibración para el acelerómetro (a y b ............................... 59. 4.5. El macro StampDAQ mostrando valores con unidades reales ............... 60. 4.6. Datos promediados con Excel. ............................................................... 61. 4.7. Vista del programa elaborado en LabVIEW desde el panel de programación ......................................................................................... 64. 4.8. El botón de "Alto" en el programa LabVIEW y una cadena de datos completa ................................................................................................. 66. 4.9. Detalle del programa en LabVIEW ......................................................... 67. 4.10. Detalle del programa en LabVIEW ......................................................... 68. 4.11. Detalle del programa en LabVIEW ......................................................... 69. 4.12. El panel de indicadores desarrollado en LabVIEW ................................ 70.

(10) XI. 4.13. Gráfica producida en el panel de indicadores de LabVIEW con los valores de aceleración lateral y aceleración longitudinal .................................... 71. 4.14. Indicador de corriente promedio ....................................... .. .................... 72. 4.15. Tanque de combustible virtual ............................................................... 73. 4.16. El programa entero en LabVIEW ........................................................... 75. 5.1. Prueba a 11 psi ...................................................................................... 78. 5.2. Prueba a 12 psi ...................................................................................... 79. 5.3. Prueba a 13 psi ...................................................................................... 79. 5.4. Prueba a 14 psi ...................................................................................... 80. 5.5. Prueba a 15 psi ................................ ...................................................... 80. 5.6. Prueba a 16 psi ...................................................................................... 81. 5.7. Pruebaa17psi ...................................................................................... 81. 5. 7b. Prueba a 18 psi ..................................................................................... 82. 5.8. Gráfica resultado de las pruebas de presión de neumáticos vs. Aceleración lateral ................................................................................. 82. 5.9. Análisis de datos y secuencia de imágenes durante un trompo ............. 85. 5.1 O Tablas de corriente promedio para dos relaciones de transmisión ........ 87 5.11. Tres vueltas al kartódromo Grand Prix con la relación 11 :25 ................. 88. 5.12. Tres vueltas al kartódromo Grand Prix con la relación 11 :28 ................. 88. 5.13. Resultados de una sesión de práctica con el sistema de retroalimentación auditivo y mediador ......................................................... ....................... 89. 5.14. Tabla de datos obtenidos por el tanque de combustible virtual .............. 90.

(11) Capítulo 1.. Introducción. 1.1 La telemetría y las competencias de autos Muchos disfrutamos de las carreras de autos por televisión y hemos sido participes de los avances tecnológicos con. los cuales el. deporte del. automovilismo se ha visto mejorado. Hoy en día una transmisión de este espectáculo viene siempre acompañada de varias tomas a bordo de los vehículos y sobre las cuales se superponen algunos datos como la velocidad y las. revoluciones. del. motor,. muy. frecuentemente. escucharemos. a. los. comentaristas referirse a estos datos como "la telemetría" y es a través de estas tomas y datos superpuestos en el televisor que nos transportamos al interior del vehículo, nos sentimos parte de la carrera y disfrutamos del espectáculo. Lo anterior es muestra de los avances tecnológicos que se han logrado desarrollar en este deporte. Por lo general, los sistemas de telemetría son empleados para realizar pruebas en vehículos tales como autos, aviones y misiles [1], la telemetría no se desarrolló en principio para mejorar la experiencia del televidente, sino como una herramienta de vital importancia para la escudería.. Cuando las carreras de autos comenzaron a proliferar, las escuderías estaban meramente constituidas por mecánicos; hoy en día encontramos a varios programadores, ingenieros en telecomunicaciones, ingenieros en control e ingenieros en electrónica, entre otros, todos trabajando con una misma meta: hacer que el auto gane la competencia. Es por esto que se dice que el empleo de la telemetría ha reemplazado muchos de los conocimientos empíricos del "arte" de las carreras de autos, por conocimientos científicos [2].. Pero, ¿qué es la telemetría y por qué es tan importante para un equipo? "La Telemetría es la transferencia de datos de una localidad a otra, la cual, usualmente, se lleva a cabo mediante señales de radio." [2] Michael Schumacher nos dice: "la telemetría nos da la oportunidad de utilizar estos dispositivos.

(12) 2. mecánicos [refiriéndose a los autos de carreras] de forma más productiva" [3]. Y es que si consideramos la complejidad de un auto de alto desempeño como los empleados en carreras de Fórmula 1, entenderemos que existen muchas variables así como márgenes de operación dentro de los cuales deben de operar todos los sistemas, en caso de que se sobrepase uno o más de estos márgenes, es posible que disminuya el desempeño del auto o que una falla ocurra. Es por esto que en los autos de competencia modernos se encuentran gran cantidad de sensores que monitorean diversos puntos, para así informar sobre el estado de cada uno de los sistemas que lo conforman. Todos estos datos son de suma importancia para el piloto, sin embargo, tienen que hacerse llegar a un equipo de especialistas que pueda analizarlos, pues el piloto se encuentra ocupado con la conducción del vehículo.. Antes de la telemetría se desarrolló la "adquisición de datos", la cual consiste en hacer llegar las mediciones a un dispositivo que viaja a bordo y que guarda los datos en una memoria, para más tarde ser recuperados por los ingenieros de la escudería. Este sistema es menos complejo pues no involucra el envío de las señales a una locación remota, como lo hace la telemetría, pero se sigue empleando en la actualidad para almacenar los datos que no son vitales para la escudería durante la carrera. Al finalizar las prácticas o sesiones de calificación, los ingenieros y el piloto revisan la información capturada, en los datos puede observarse con detalle las velocidades alcanzadas en el recorrido, los puntos donde el piloto aplica los frenos, la cantidad de viraje que se aplica en el volante, la posición del pedal del acelerador, etc. Esta información sirve de referencia al comparar ajustes diferentes en componentes del auto e inclusive para comparar el desempeño de los pilotos de la escudería y así determinar los puntos clave en que un piloto presenta un mejor desempeño que otro [2]..

(13) 3. Figura 1.1 Conector para descarga de datos adquiridos en un auto F1.. "Todo movimiento en el volante, pedal acelerador y pedal de freno, así como todo ajuste que el piloto realiza al balance de los frenos, mezcla de combustible y otros parámetros modificables son cuantificados por sensores abordo. De igual manera lo son datos de muchos otros elementos, por ejemplo: temperaturas de cada freno, tasa de desgaste, movimientos de la suspensión, consumo de combustible, revoluciones del motor, temperatura y presión del aceite. Parte de esta información es almacenada en un sistema de adquisición de datos interno, y la información aquí almacenada se descarga cada vez que el auto entra a pits, por otra parte, la información más importante es enviada instantáneamente al equipo mediante la telemetría" [4].. Los datos que se transmiten pueden variar en función de las necesidades de la escudería, ya sea que se trate de una práctica, calificación o la carrera en sí. Una vez que el auto entra a pits después de una prueba, los ingenieros realizarán ajustes al auto, los cuales se originan por la retroalimentación verbal del piloto y estudiando los datos adquiridos. En ocasiones el piloto culpará a los ingenieros por el mal comportamiento del auto, cuando en realidad se trata de un error del piloto, "uno puede darse cuenta de esto cuando estudia la telemetría, en ella se muestra el control del acelerador, la suavidad en el manejo, el uso de los frenos, etc." [3].. En Fórmula Uno, aún antes de la carrera, los pilotos e ingenieros de pista dependen considerablemente de la adquisición de datos y la telemetría; ambas.

(14) 4 representan una herramienta que les ayuda en la puesta a punto de los autos y en el mejoramiento de su desempeño. Los sensores no sólo recavan información del auto, sino que también de los signos vitales del piloto y otros datos a lo largo del recorrido de la pista [2].. Figura 1.2 Módulo de transmisión de vídeo y datos [4].. Como se viene mencionando, la telemetría emplea dispositivos de radiofrecuencia para el envío y almacenamiento de datos importantes sobre el desempeño del motor, temperatura de componentes y fluidos, así como consumo de combustible. Algunas escuderías han comenzado a monitorear también los signos vitales de sus pilotos, en particular su ritmo cardiaco para determinar las relaciones entre los signos vitales y el esfuerzo psicofísico que implica competir [5]. En situaciones extremas, la información entregada por la telemetría permitirá al equipo anticiparse a fallas, y si es necesario, indicará al piloto que apague su motor para evitar que éste sufra daños considerables. La información sobre el consumo de combustible es también utilizada por el equipo de ingenieros para informarle al piloto cuándo entrar a pits y cuándo no. Por estas razones la telemetría es también considerada una herramienta vital en cuanto a tácticas de competencia se refiere [2]..

(15) 5. ,.. ·,- - -Tal -. .._._. c. .. '-'-,.._. -. ~ -. ,_..11,41. D,. U10. 11.11;. 11. 1:311.190. noo. 101 :DIJ". JO. '"' I.O. i1. -'81-. .. --· -· - i - --r-·-::±:::--1--__.._---''-+-.YIIM'f. 1 1, 11-----+----,...'- - - - - - - - - l c - - - - ' i , :. ao u. -1.J. 11'90. Figura 1.3 Datos de una sesión de telemetría en F1: se relaciona un electrocardiograma con la posición del volante, la velocidad, la aceleración longitudinal y transversal [6].. Las mejoras en puestas a punto de los autos, prevención de fallas mayores y planeación de tácticas que la telemetría y la adquisición de datos proveen, las convierten en herramientas vitales para las escuderías de Fórmula 1 y en sí, para cualquier otra categoría en donde los recursos económicos de la escudería y el reglamento las permitan. En esta tesis se diseñará un sistema de telemetría eil torno a la categoría Fórmula Experimental Electratón México, buscando obtener de dicho sistema mejoras similares para la escudería. A continuación se hablará, sin abundar en el tema, sobre la telemetría y se mencionarán algunas aplicaciones de la telemetría para poner en claro la vital importancia que desarrolla en varios ámbitos..

(16) 6. 1.1.1 Componentes de un Sistema de Telemetría La telemetría fue el resultado consiguiente de la evolución de los sistemas de medición y de adquisición de datos. Anteriormente se median los datos y se almacenaban. mediante. desarrollándose. poco. a. mecanismos. rudimentarios,. poco. llegar. hasta. a. los. cuales. sistemas. fueron. modernos. con. almacenamiento electrónico de gran capacidad como lo son las cajas negras de los aviones tanto comerciales como militares. Los componentes básicos de un sistema de medición son ilustrados en la figura 1.4.. Cantidad física a ser medida. r-:--7 ~ ~. Señal Sen31. fos'-~~. Unidad de Acondicionamiento de señal. MO(Mcocta. Indicador o Unidad de grabación. ~. Salida leida. , ~-:-..:·. por el usuario. Figura 1.4 Diagrama de un sistema de medición[?].. Para convertir un sistema de adquisición de datos como el que se muestra, en un sistema de telemetría, es necesario que los datos sean enviados a distancia desde el lugar donde fueron adquiridos. Un sistema de telemetría básico se representa en la figura 1.5. Más información sobre telemetría y sus aplicaciones puede encontrarse en la referencia [8].. Señal de Cantidad fisica a ser medida. BSeñal~!! Sensor. Unidad de Acondicion_amienlo. I. de señal. Señal Modificada. ~. 11111 _ _ . i-. -. ! Transmisor. Radiorrecuencia .--~,._. ,;-__,__--. B. Receptor . .. Indicador o Unidad de grabación. ~ Salida. leida · " · por el usuario. Figura 1. 5 Diagrama de un sistema de telemetría [7].. Ya se han mencionado algunas de las variables a medir dentro de un auto de carreras, ahora bien, es necesario explicar que dichas variables requieren de un sensor para poder conocer su valor, de aquí el primer bloque del diagrama. La señal que nos genere el sensor será a continuación acondicionada, lo que significa que será modificada de su forma original a una forma más entendible. En caso de ser una señal eléctrica, tal vez requiera ser amplificada, o tal vez.

(17) 7. requiera ser convertida de su valor en corriente a un valor en voltaje, o de una serie de pulsos a un voltaje que pueda operar un dispositivo de medición; incluso, si se va a almacenar o a transmitir esa señal de forma digital, será necesario convertirla de su estado analógico al digital por .medio de un convertidor. Una vez acondicionada la señal será posible transmitirla por algún medio (generalmente se emplea la radiofrecuencia) hasta el lugar donde se desea emplear, donde mediante un receptor y una serie de indicadores, grabadoras o dispositivos diversos (gráficas en computadora, animaciones, representaciones gráficas, etc.) se podrá observar e interpretar la señal.. 1.1.2 Aplicaciones de la telemetría Varias aplicaciones importantes se le han dado a la telemetría en distintas áreas de estudio, algunas de las que se mencionarán a continuación se encuentran relacionadas con aplicaciones en automóviles, aunque también se mencionarán aplicaciones de otros tipos.. En la actualidad existe la tendencia de incorporar sistemas de control de estabilidad, control de trayectoria, control de potencia, frenos anti-bloqueo, etc. para mejorar el comportamiento y respuesta en un vehículo. Un factor importante a considerar en todo momento es el estado de las llantas, para esto las "llanta inteligentes" proveen de un constante flujo de datos tanto mecánicos como térmicos a la computadora de vehículo. Sensores de temperatura, presión, desgaste del dibujo, etc. son acoplados a la rueda, éstos recogen datos que son acondicionados y enviados por radiofrecuencia a un receptor dentro del vehículo donde la información se procesa y se emplea tanto para determinar parámetros de comportamiento del vehículo, como para advertir al conductor sobre el estado del vehículo. Muy pronto también serán capaces de enviar datos sobre el coeficiente de fricción entre la llanta y el suelo, el cual cambia según las condiciones climáticas y otros factores, para que así la computadora pueda determinar la mejor forma de acelerar, frenar y virar [9]..

(18) 8. En algunos países se emplea la telemetría día a día para verificar el estado de las vías de trenes de alta velocidad (125 MPH). Las regulaciones de seguridad exigen inspecciones rigurosas a las vías de ferrocarril y a los trenes. En el caso específico del tren de alto desempeño Acela, que comenzó a operar en los E.E.U.U. en el año 2000 a cargo de la empresa Amtrak, se instaló un sistema llamado Sistema de Monitoreo de Viaje Autónomo, o ARMS por sus siglas en inglés (Autonomous Ride Monitoring System),. cuyo diagrama. conceptual se muestra a continuación:. ~. .. . --~~í'Ji_?_o_r C:~~t~~I __ ~.,.. r-·- ---·. -- ··¡. ¡Comunicaciones¡. • •. [ Base de Datos. r. \'-\. "1/. !. ... / , /~. _-. ,7. -. .. .. Comunicación Inalámbrica. ................... ·····--. .................. .. [ Ubicación GPS 1. : ¡comunicaciones;•. Reportes. L _ _ __ _ _ _ _-. ..-...- ... • .... Unidad Abordo. l___. • •. i. Procesador __J Sensores. Intranet/ Internet Correo-e/ Buscapersonas. Figura 1.6 Componentes del sistema ARMS {10].. El sistema realiza un continuo monitoreo de los movimientos en los distintos carros que conforman al tren así como aceleraciones repentinas y complementa estos datos con información de ubicación y tiempo provistas por un Sistema de Posicionamiento Global (GPS), luego se envían los datos a la Estación Central de Procesamiento mediante un enlace inalámbrico. Una vez procesados los datos, el sistema envía correos electrónicos y mensajes de texto a los oficiales designados por Amtrak para inspeccionar las vías en los lugares.

(19) 9. donde el sistema indica valores fuera de rango [1 O]. El sistema permite además acceder datos desde Internet o Intranet y visualizarlos a modo de gráfica o mediante un mapa que muestra datos interpretados con la ayuda de cartografía y otros tipos de indicadores.. Figura 1. 7 Distintas representaciones de datos enviados por el ARMS [1 O].. Otra aplicación de la telemetría dentro de la industria ferroviaria es la de monitorear las estaciones de desvío, en este caso el sistema monitorea datos relacionados con la operación de una estación de desvío y complementa con la fecha y hora en que sucedieron eventos tales como la apertura de la cubierta, la inserción o remoción de la palanca para desvío manual, pérdida de energía eléctrica y el paso de un tren. Todos estos datos son transmitidos vía una red tipo Ethernet, y· pueden accederse mediante una conexión a Internet [11 ]. La presentación de datos al usuario incluye datos numéricos y gráficas..

(20) 10. J!!f~;ª~:ª~;.;~;;~5~:~:~-~:~ r?J'~~ ~:i'.i~\?.~1~~~~~. ¡~~-'~-~ -- -.,C----'"-f_. ;·~¡J}~i~~-. 1. LOO~~. V~. ¡'. ):'~\~~ül~ f\~Ji~~. : · .' .:... ., .e.ó. ;.//~-~ ",':. ,10:0. - ·t''j;--- ~-~"-'_;.'._' ""¿,°"--\~-- .;--,_- ~ ·.·- _.- ',-, ,-' _ -- -- - - , , - ~ " - , - l - - ~ - - " .... -. ~-;. ... -".; '•.. .. ••-~'7. ••. -~~. ~:fr: '.\~..d.·.~:.. :t!.)OOne.,. .-. -~-·. !.,~~. ~~?~ ¡, ~:.~~:•. .;_; ,. ( ,J'f. i1~~::.; :.:;.;;;'[;a «~••· I .;.~-,,.:.: I' • • ·. -. -. ·. ·:· ... ·J,;..,_-~ Jnt~ t ~. ::'..I. .·._·- ,4,. Figura 1. 8 Monitoreo vía página web de una estación de desvío en la estación Flinders, Melbourne, Australia [1 O].. Finalmente otra de las aplicaciones es el empleo de telemetría y la adquisición de datos para conocer y caracterizar el comportamiento y las costumbres de animales de varios tipos como mamíferos, peces, anfibios, etc. Para. estos. casos,. pequeños. sistemas. equipados. con. sensores,. acondicionadores de señal, memorias, baterías y transmisores, son atados a un animal para permanecer capturando información tanto del animal mismo, como de sus alrededores. La información es recuperada ya sea vía antenas receptoras en el caso de los sistemas de telemetría, o mediante un cable que baja los datos almacenados una vez que se recaptura al animal, o se localiza un dispositivo de adquisición de datos que se desprendió [12].. Una vez que se han mencionado las principales características de la telemetría, procedamos a entender el tipo de competencia para el cual deseamos construir un dispositivo de telemetría..

(21) 11. 1.2 El Campeonato Electratón México La Fórmula Experimental Electratón es una competencia que se realiza en México cuyo propósito es el de formar en nuestro país una base de recursos humanos que, mediante la experiencia práctica, conozcan la tecnología de los vehículos eléctricos. Esta competencia consiste en un serial de 7 carreras, los vehículos que compiten en los campeonatos Electratón México pertenecen a la Fórmula Electratón Experimental (F/Ex), categoría que se define como el vehículo eléctrico en su mínima expresión. Con la categoría F/Ex se busca demostrar que la tecnología básica involucrada en un vehículo eléctrico es, pese a lo que se cree, realmente sencilla [13].. 1.2.1 Historia En 1978, la Asociación de Vehículos Eléctricos de Inglaterra inició una competencia cuyo objetivo era estimular que la gente construyese sus propios vehículos, por lo cual se creó una categoría sencilla y no costosa. Este primer Electratón fue llamado "The Lucas Electric Vehicle Endurance Run". El presidente de la Asociación de Vehículos Eléctricos de Australia presenció este evento y en 1980 organizó uno similar en su país. Para 1983 aerodinámicos vehículos alcanzaban velocidades de 80 km/hr y recorrían Australia de Norte a Sur a lo largo de 3,000 km.. En 1990 se introdujo la categoría Electratón en California, Estados Unidos,. siendo. las. principales. organizaciones. promotoras. NERA. (New. Electrathon Racíng Assocíation) y CAR (C/ean Aír Reviva/). La "Copa Electratón. 1990" desencadenó creciente entusiasmo,. multiplicación. de vehículos y. subsecuentes carreras. Más adelante se creó un proyecto ingenieril de Electratón para colegios de nivel bachillerato.. Además de la categoría. "Fórmula. Electratón" conformada. por el. reglamento desarrollado en Australia, se creó una nueva categoría, "Fórmula.

(22) 12. Electratón Experimental", cuya mayor apertura propicia audaces innovaciones en el diseño y mejoras en el desempeño de los vehículos. En 1993, simultáneo al proyecto del Primer Auto Solar de carreras Mexicano, Fórmula Sol comienza a promover Electratón México [13].. En esta competencia que se realiza en nuestro país por décimo segundo año consecutivo (2006) se observan todo tipo de diseños experimentales, los cuales compiten con el propósito de recorrer el mayor número de vueltas en un lapso de 60 minutos. Los autos son construidos por estudiantes o por profesionistas empleando los materiales que están a su alcance. Existe un reglamento detallado (Anexo A) el cual rige aspectos de construcción, seguridad, operación, etc. y del cual se puede extraer que los autos podrán impulsarse con un motor eléctrico de cualquier tipo, donde la única limitante son las baterías, las cuales deberán de ser de plomo-ácido sin modificar y cuyo peso no deberá sobrepasar los 40 kg, el auto deberá correr con las mismas baterías durante la duración de la carrera [14]. Otros puntos en el reglamento hablan sobre otras posibles fuentes de energía, materiales de construcción permitidos, pruebas a las cuales deberá ser sujeto el auto para poder competir, etc.. A diferencia de otras competencias, los autos que compiten en este campeonato son muy distintos entre sí, algunos de tres ruedas, otros con cuatro, unos con tracción delantera y otros trasera, etc. Sin embargo todos estos autos deben de ser ajustados para lograr un máximo desempeño. La información que se pueda recaudar sobre el comportamiento del auto será la clave para dicha puesta a punto, esta información es normalmente proporcionada por el piloto y por observadores externos de forma verbal, en algunos casos se cuenta con instrumentación a bordo la cual proporciona al piloto información importante que más tarde comunicará a su equipo también de forma verbal. Hasta la fecha en que se construyó el sistema objeto de esta tesis, no se tiene registro de que algún equipo cuente con un sistema de adquisición de datos o un sistema de telemetría que opere. Existen algunos prototipos de sistemas de adquisición de.

(23) 13. datos, sin embargo no se ha dado a conocer públicamente que alguno de ellos funcione adecuadamente.. Antes de hablar de los beneficios que un sistema de telen:ietría traería a un equipo de la categoría mencionada, hablemos un poco sobre los autos eléctricos y sus características principales.. 1.3 El auto eléctrico 1.3.1 Historia El primer auto eléctrico se construyó en Escocia en 1834 [13]. Las carreras de vehículos eléctricos se iniciaron en 1889, y en 1899 el auto eléctrico "La Jamais. Contente" fue el primer vehículo en rebasar la velocidad de 100 km/hr.. e. ELECTRIC VEHICLE Figura 1.9 Uno de los tantos vehículos eléctricos construidos a principio de siglo [15].. Al finalizar el siglo XIX comenzaba la competencia entre autos impulsados a vapor, autos eléctricos y de combustión interna. En ese entonces era difícil determinar cuál de estas tecnologías triunfaría sobre las demás, pero al comenzar el siglo XX la batalla había terminado y el motor de combustión interna se postulaba como el impulsor de los vehículos para el siglo XX [15]. A lo largo del siglo XX renació en varias ocasiones el interés en los autos eléctricos, ya fuese por crisis del petróleo, o por el incremento en los niveles de.

(24) 14. contaminación, etc. El auto eléctrico siempre ha estado presente como una opción latente.. 1.3.2 Partes que conforman a un auto eléctrico Otra de las razones que interesa a algunos es la simplicidad de un auto eléctrico, en las figuras 1.1 O y 1.11 podemos observar los principales sistemas que conforman un auto de combustión interna y uno eléctrico, así como los mantenimientos que cada uno requiere.. Un vehículo eléctrico consiste de un batería que provee energía, un motor eléctrico que impulsa las ruedas y un controlador que regula el flujo de energía al motor y que es comandado por el conductor u operador. En la figura 1.12 se aprecian los componentes, y se aprecia la simplicidad que hay tras de él [16]. Los componentes del auto eléctrico pueden ser comparados con los de una rasuradora eléctrica portátil: una batería, un motor, y un controlador o interruptor que ajusta la cantidad de corriente eléctrica que fluye al motor para así controlar su velocidad. Eso es todo. Ninguna emisión gaseosa o sólida se produce por parte de la rasuradora eléctrica o por parte del auto eléctrico. Los vehículos eléctricos son simples (y por lo tanto confiables), no emiten contaminantes, proveen una vida útil extremadamente larga (para un vehículo eléctrico estaría en el rango de millones de kilómetros), casi no requieren de refacciones periódicas (como filtros de aire, etc.) o afinaciones, y el costo de operación por kilómetro es significativamente más bajo [16]. El costo por kilómetro de un auto eléctrico en comparación con el de un auto de combustión interna, sin considerar gastos de mantenimiento, es aproximadamente 65% más bajo, y al considerar los gastos de mantenimiento, llega a ser 72% más bajo, lo que significa que un auto eléctrico le permite circular por el mismo costo casi cuatro veces lo que uno de combustión interna [16]..

(25) 15. Puestas a punto y. atinac1ones periódicas al sistema. Lavado periódico del sislema de enfn:;,miento. Reemplazo de refrigerante o del anlicongelante. M:;,nten1m1ento. periódico Cambio de catah.:ador Certificados y. ver1f1cac,ón. Tubo ,Je e~i.r,e Ois1nbuldor Chupones Rolores BobimI Bujías. P.sdiooor Bomb:, cte agua Mangueras Te-rm0$1"1o. Sensores Válvtdas. Múttiple,. Molle. Con·~ertioc,r cat"l~ico. Cor~rol de emisiones V6lv1Ji6S. Ignición. Enfriamiento. Escape de gases. Combustibles y consumibles. Mecanico-s. Transmisión. ca,hvra,dor. r.yectores Bomba de gasoliM o~solina 1,1angue, as/duetos Tanq,Je de gasolina fi~ro de gasc~in1:1 ftHrodeMe. Mantenimiento periódico y. reemplazo de fillros. Monobloque Cabeza. C~a de. Borr,l:>!I de &cene. velocldaCles. P1st0<1es/Arwlos. Fle.:ch" cardár, Diferenc><1I Frenos. En,¡¡riine~ CllíJffiSS. Eje$/fiechi.s Selk)s Sdr,cf.il~ P..nern!ldor !rr,a, c.t.a. Re~·1s10nes periódicas Cambios de ace~e y filtros. R,n~~~l-~r>!tis Dirección Fl1..1u:J,:,s. Mantenirn1er«o periódico a sistemas Reemplazo de fluidos. balatas, llantas. Figura 1.10 Diagrama de sistemas que componen un vehículo de combustión interna [16]..

(26) 16. Combustibles y consumibles. Eléctrico. Transmisión. Ce¡a de velocidades (7) Flecha cerdán (?) Cargador de B..'l!ería.s. Motor eléc1r ico Corrtrolador. Reemplazo de baterías poca frecuencia Revisión de electrohto en las baterías. Reemplazo poco frecuente de escobillas (sólo motores DC). Dilerenci~ Frenos Rinesifümtas Dirección Flutdos. Mantenm1ento periódico a sistemas Reemplazo de nu,dos, balatas, llantas. Figura 1. 11 Diagrama de sistemas que componen un vehículo eléctrico [16).. Figura 1. 12 Componentes básicos de un vehículo eléctrico [16)..

(27) 17. Un vehículo eléctrico se ve sujeto, al igual que uno de combustión interna, a pérdidas de diversos tipos; estás pérdidas se traducen en velocidades menores, incremento en el consumo de energía, y disminución en el rango o autonomía del vehículo. Es objetivo de los diseñadores de automóviles el minimizar las pérdidas para mejorar el desempeño.. Para lograr un buen desempeño, los equipos que participan en el Campeonato Electratón México se ven en la necesidad de diseñar sus vehículos de tal modo que minimicen sus pérdidas; para ésto se toman en cuenta los siguientes tipos de pérdidas:. Pérdidas por conceptos mecánicos: Éstas incluyen la alineación de las ruedas, la fricción en rodamientos, pérdidas en la transmisión, pérdidas por derrape, etc. de acuerdo con la experiencia de varios equipos, este tipo de pérdidas son las más significativas.. Pérdidas por conceptos eléctricos: En este caso se trata de las pérdidas en la parte eléctrica del auto, por resistencia eléctrica en los cableados, por pérdidas en los semiconductores, por la conversión de energía en el motor, por la eficiencia de los componentes, etc.. Pé"rdidas aerodinámicas: Estas pérdidas se deben a la resistencia que presenta el viento cuando la estructura de vehículo trata de cortarlo, las velocidades a las que circula el vehículo son tan bajas que la pérdida aerodinámica es probablemente la menos significativa.. Existen ocasiones en que, para mejorar la eficiencia de un sistema, se afecta la de otro o la del mismo de otra forma, en dichas ocasiones será necesario determinar cual de ambas mejoras aporta un mayor ahorro para así tomar las decisiones adecuadas. Un ejemplo de lo anterior es el de los neumáticos, los cuales al sobre inflarlos disminuyen considerablemente su.

(28) 18. coeficiente de fricción por rodamiento, disminuyendo así las pérdidas al avanzar; sin embargo esto a su vez minimiza el área de contacto con el pavimento, provocando una disminución en la fuerza de fricción que mantiene el equilibrio estático del vehículo en la curva a lo largo del eje transversal. y provocando derrapes que disminuyen la velocidad del vehículo, producen una pérdida en la trayectoria óptima, generan altos esfuerzos cortantes sobre el compuesto lo que conlleva a desgaste prematuro, o terminan en trompos u otros contratiempos. El actual trabajo busca dotar a los miembros de la escudería con información relevante para la toma de éstas y otras decisiones.. 1.4 El sistema de telemetría para un auto Electratón En la 1Oª edición de la competencia se estableció, al igual que en ediciones anteriores y posteriores, un espacio para que las mentes de jóvenes y adultas colaboren en el entendimiento de todos los factores que actúan a favor y en contra de su vehículo, para más tarde construir y competir con el prototipo que a su juicio tome la mayor ventaja por su diseño en las tres áreas mencionadas: mecánica, eléctrica y aerodinámica. Normalmente es necesario efectuar muchos ajustes a los autos, desde la presión de los neumáticos, la relación de transmisión, el manejo que se le da al vehículo, ajustes en la dirección, ajustes al motor, etc. y muchos de estos ajustes se hacen sólo con las opiniones subjetivas del piloto y sin c_ontar con datos concretos que los justifiquen. Esto último esta a punto de cambiar pues es el objetivo de esta tesis el diseñar y construir un sistema de telemetría para un vehículo Electratón, que provea datos concretos para justificar ajustes al vehículo.. Ahora que ya se cuenta con un panorama más claro de los tipos de vehículos que concursan,. sus. componentes. principales,. las características. de la. competencia, así como una serie de justificaciones que avalan el uso de la telemetría como una herramienta que permitirá mejorar el desempeño del vehículo de competición y justificar ajustes, es posible imaginar los beneficios de contar con un sistema de telemetría a bordo de un vehículo Electratón..

(29) Capítulo 2. El. sistema. en. cuestión. El vehículo de pruebas se. ha. diseñado. de. forma. que. pueda. ser. montado/adaptado a la mayoría de los vehículos eléctricos que participan en el Campeonato Electratón México 2004 y futuros campeonatos. Los vehículos Electratón deben de cumplir con el reglamento de la competencia, dentro del cual se rigen muchos de los aspectos que conforman la construcción de uno de estos automóviles.. A continuación serán descritos los sistemas y componentes que de forma general conforman un auto eléctrico Electratón, y que básicamente pueden agruparse de la siguiente forma: Chasis, sistema de dirección y sistema de frenado Sistema de propulsión Sistema eléctrico. 2.1 Chasis, dirección, freno y neumáticos. La función principal del chasis es la de proveer una estructura rígida que soporte todos los demás sistemas. El chasis por lo general consiste de una estructura tubular construida por los participantes o bien adaptada de otro dispositivo como puede ser una bicicleta, un Go Kart, etc. El chasis deberá contar con una barra antivuelco o ro/1-bar pues es requerimiento de los organizadores del evento [1 ].. El sistema de dirección en general tiene como función principal permitir al vehículo cambiar su trayectoria. En el diseño de los vehículos Electratón encontramos sistemas de dirección muy distintos que varían de auto en auto. Algunos vehículos, dada la disposición del chasis y la c:rquitectura del auto, sólo cuentan con una rueda frontal, la cual gira a manera de triciclo, en otros encontramos sistemas de dirección de dos ruedas frontales, etc.. 19.

(30) 20 El sistema de frenado tiene como objetivo lograr desacelerar el vehículo de forma eficaz, controlada y segura, el reglamento establece las pruebas que los vehículos deberán superar para garantizar la efectividad de este sistema. De igual forma que con los sistemas de dirección, los sistemas de frenado varían de auto en auto. En algunos casos se emplean frenos de bicicleta de rin/zapata, en otros, frenos de disco de bicicleta o motocicleta, accionados ya sea mediante un chicote o mediante un sistema hidráulico.. Un componente cuya importancia es compartida entre los tres sistemas recién mencionados es la rueda o ruedas que permiten al vehículo desplazarse sobre la pista. La rueda está constituida por una estructura o rin y por la llanta que es la que entra en contacto con el suelo. Por lo general éstas son neumáticas, es decir, deben de ser infladas con algún gas para operar adecuadamente. El gas en estas competencias es aire normal, y la presión de inflado suele ser crítica pues existe una relación no lineal e inversamente proporcional entre la presión de las ruedas y el coeficiente de fricción. Así también existe una relación entre el coeficiente de fricción y la resistencia al rodamiento, de acuerdo con la siguiente ecuación [2]: 2 R = (W Xµ,)+ (S X Jln X V ) + (W X a) donde: R = resistencia al rodamiento. = peso del vehículo µ,. = coeficiente de resistencia al rodamiento S = área frontal µ = coeficiente de arrastre aerodinámico W. 0. V = velocidad del vehículo a= tasa de aceleración. Ecuación 2. 1 Cálculo de la resistencia al rodamiento para un vehículo.. El peso del vehículo, el coeficiente de arrastre aerodinámico y el coeficiente de resistencia al rodamiento son los factores que pueden ser.

(31) 21. mejorados por diseño del vehículo. Compañías como General Motors han hecho uso de materiales avanzados como materiales compuestos (como fibras de carbón y Kevlar) y aluminio para disminuir el peso de su automóvil EV1, también han empleado neumáticos de alta presión, los cuales operan a más del doble de la presión típica para disminuir el coeficiente de resistencia al rodamiento, y por último, mediante un cuidadoso diseño de la carrocería, han logrado reducir el coeficiente de arrastre aerodinámico a 0.19 en comparación con 0.24 que es el mínimo logrado en autos convencionales. Las reducciones logradas en los factores mencionados permiten al vehículo EV1 un consumo de 70 Wh/km a 88 km/h, aproximadamente la mitad del consumo energético que un vehículo de combustión interna [2]. Honda, por su parte logró, mediante el uso de componentes de aluminio y compuestos de resina ABS, una disminución del peso de la carrocería para el vehículo lnsight del 40%, en comparación con una carrocería similar construida de acero [2].. La ecuación 2.1 y el ejemplo anterior nos indican que para minimizar la resistencia al rodamiento será necesario, entre otras cosas, lograr disminuir en lo posible el peso del vehículo y lograr obtener un coeficiente de resistencia al rodamiento pequeño, el cual se obtiene según Hoerner [3], con un inflado de alta presión en los neumáticos. Sin embargo, el reducir el coeficiente resistencia al rodamiento mediante el sobre inflado causará una pérdida de agarre en curvas además de un ·desgaste acelerado de los neumáticos. Consultar también la referencia [4] para más información sobre neumáticos.. Finalmente, el chasis también opera como parte primordial para el aspecto de seguridad, el cual es muy importante en este campeonato, como lo subraya el reglamento. Cinturones de seguridad, asientos, soportes de muñecas y de casco, así como otros accesorios, son sujetados al chasis, el cual es evaluado en- cuanto a su diseño durante el escrutinio. Cualquier estructura sobresaliente o puntiaguda deberá ser retirada a fin de elevar el nivel de seguridad de la carrera..

(32) 22. 2.2 Sistema de Propulsión 2.2.1 Motor Eléctrico Una de las tres partes principales que constituyen a un vehículo eléctrico, (ver figura 1.12) es el motor eléctrico. La función principal de este componente es la de convertir la energía eléctrica que proveen las baterías en energía mecánica para propulsar al vehículo. El motor eléctrico no se encuentra estandarizado, por lo cual cada equipo realiza un estudio para determinar el motor que mejor se adapte a sus necesidades de propulsión y presupuesto. En general se emplean motores de corriente directa con imán permanente, con potencias desde 1 hp. hasta 3 hp. El motor del vehículo de pruebas en el cual se instaló el sistema es el modelo Etek fabricado por Briggs & Stratton, la hoja de especificaciones se encuentra en el Anexo L.. 2.2.2 Transmisión La transmisión del vehículo eléctrico tiene como objetivo principal el llevar la potencia mecánica desde el eje de salida del motor, hasta las ruedas encargadas de proveer tracción. Entre tanto, también puede servir para modificar o alterar la relación de transmisión, lo cual se traduce en un juego entre los dos componentes que conforman la potencia mecánica: el par y la velocidad angular. Al modificar la relación de transmisión es posible elevar el par de salida, pero a su vez la velocidad angular disminuirá. Por tanto, si el par aumenta, la velocidad angular decrecerá proporcionalmente. De la misma forma, si la relación de la transmisión provoca un aumento en la velocidad angular del eje de las ruedas, entonces el par del mismo eje se verá reducido en la misma proporción.. Los autos Electratón hacen uso de catarinas y cadenas como la forma predilecta. para. armar la. transmisión,. aunque también. se. pueden. ver. transmisiones de bandas o incluso de engranes en algunos diseños. La transmisión del vehículo en cuestión era a base de cadena y catarinas. Se maquinó una catarina de 11 dientes para instalar en el eje de salida del motor, y.

(33) 23. varias catarinas con distinto número de dientes para instalar en el eje de las ruedas, la selección de la catarina adecuada se realizó de acuerdo con los resultados obtenidos en las pruebas presentadas en el Capítulo 5.. 2.3 Sistema Eléctrico Al estudiar la figura 1.11, recordaremos la importancia del sistema eléctrico en un auto del mismo tipo.. 2.3.1 Baterías y cableado Las baterías forman parte del sistema eléctrico y es en donde la energía es almacenada para alimentarla al motor. De acuerdo con el reglamento del concurso, éstas deberán sumar un peso no mayor a los 40 kg, deberán de ser de plomo-ácido y de tipo comercial. Las características más importantes a buscar en las baterías para esta aplicación son sin duda la cantidad de energía que una batería puede almacenar, y el trato que esta batería puede soportar.. La cantidad de energía almacenada puede medirse al descargar continuamente una batería con una corriente constante y determinar el tiempo que ésta tarda en descargarse. Varios ciclos de descarga se hacen con baterías nuevas y, finalmente , tras un estudio puede normalizarse este dato, de manera que se indique .como su capacidad en Amperes/hora (A/hr). Sin embargo, el comportamiento de una batería varía de acuerdo con varios factores, como lo son la temperatura, la profundidad de la descarga, la corriente de carga, la corriente de descarga, la concentración del electrolito, la orientación de la batería, la vibración a la que se somete y muchos otros factores, por lo tanto el índice aquí mencionado puede variar intempestivamente si cualquiera de estos factores sale de límites pre-establecidos por el fabricante [5]. Ejemplo de esto es que el dato de A/hr que suministra el fabricante es normalizado de una prueba a 20 horas. Y para esta carrera la energía será consumida en un tiempo de 1 hora o menos. La siguiente tabla muestra distintas baterías que han sido sujetas a.

(34) 24. descargas en tiempos específicos, puede notarse que al descargar una batería en 1 hora, a ésta se le puede extraer sólo el 62.5% de la energía que si se descargara en un periodo de 20 horas. Por lo tanto una batería de 80 A/hr2ohr en realidad será capaz de entregarnos tan sólo 50 A/hr1hr aproximadamente. Es por esto que la puesta a punto del vehículo tiene que ser alrededor de esta cifra para garantizar su desempeño a lo largo de 1 hora. En la referencia [6] se presentan datos de un experimento que demuestra que la capacidad de la batería depende de la magnitud de la corriente de descarga.. @O.O::C rate (20 Hr. Rate.). Rated. Capadry 0.5 ..\H 0.8AH l.OA.H l.3AH. 2.3..\H 3.0AH. 3.2AH 4.5AH 5.0 ..\H. Cnr.~m Cap11c~• Ampi. Amp. H."'i. 0.025 0.04 0.05 0.065 0.11 ~ 0.15 C•.16 0.22. O 50 0.80 1.00. 0.325 0.35 0.40 0.-1). 6.50. º-~~. 6.5AH ,OAH 8.0AH. 9.0 ..\H 10.0AH 12 OAH 18.0AH 20 OAH. 26.0AH 28 OAH 33.0AH -10.0AH. 2.30 3.00. 3.20 -IAO 5.00. ü.50. 0.65. .'!mp.lln. 0.52 0.65 0.845 1.-195 1.95 2.08. 3.~-:. 1 -5. 2.92 .1..~5. -1.5 5.00. 1Ai. 6.50. 3.64. 0.2S 0.44 0.56 0.715 1.:ss. 2.70. 2.83. 0.6-1. 2.56. 4.05 -UO. 0.90 ¡ 00. 3.60 .!.00. 160 2.25 2.~ü. 1.30. 5.20. 3.25. l.-10. 3.50. :_oo. 3.S5. 1.60. 5.60 6.40. 4.23 -l.~5. 4.00. 5.20. 8.00. -1.48. S.85 6.50 7.SO. 9 00. ~-0-!. 5.60. 1í.60. -UO 5.00 6.00 9.00 i0.00 13.00 1-1.00. 26.40. 16.50. 207. 2 -lO. 1.04 16-1 2-40. 0. .20. 8.00 9.60 14.40 16.00. 18.20. 21.45. 33.00. 20.00. 26.00. -10.00. 35.75. 60.00. 27.50 30 00 37.50. 55.00 60 00 75.00. 6-1.00. .. o.oo. 5] 00. S0.00. 50.00. 65.00. 26.00 28.00. 2.60. 33.00. 3.30. 40.00. -1.00. 8.00. 32.00. 55.00 601):). 5.50. 49.50. 11.00. 44.00. 6.00 7.50. S-l.00. 12.01). -18.00. 67.50 "2 00 90.00. 15.00 !6.00 20.00. 3.06 -+C-0 5.20 5 40. 6.60. 1.30 1.30 3.00. 1000 12.C·O 18.00 .::!0.00 26.00 28.00. !O.SO 16.20 18.00 23.40 ~5.20 29.70 36.00. 100.00. O.SO 0.80 100. O 20 0.26 0.-.6 0.60. ; so. 8.00 10.00. Ctpo::i:y -~"'? l,r;. 0.325. 2.00. so (10. C,imnr Amp;. .bp'>.. 0.40 050 0.65 1.15 1.50. S.10. 75.00. e~,. o )<. 9.00. 2.80. Cumot C1padry Amp,. Amp. Hn.. 0.40. (190 1.00 1.:0. ~I) (10. @::?C rate @3C rnte (12 Min. Rate) (7.2 :\fin. Rate). 0.64 O.SO. 91)0. 1.80 2.00. @lC rare (33 Mh1. Rnte). 0.10. 720. 18.00. @0.5C rat!' (1.3 Hr. Rare). 0.16. 0.70. 0.90 1.00 1.30 1-10 1.65 2.00. -1.00 5.00. 045 0.71 0.90 1.17. O.OS 0.10 0.13 0.23 0.30 0.32 0.45. Cora<itJ. A"'l'i... 0.80. 12.00. 75.0AH. 0.05. c~:it. 00. e. 0.60. 80.0AH IDO.O AH. C•p•cr.y A"'P.ffl.. 8.00 10.00. 3.00 3.75. Cmnl!.1. .u.r,. @0.2C rate (4 Hr. Rare). S.85 6.30. O.SO. 2.75. 55.0AH 60.0.l.H. 1.30. @O.lC rate (9 Hr. Rlite). 20.80. 11.70 13.00. 16.90. 39.00. 48.75. 1.65. 2.SO. 6 "' ." 9.90 ! 1.20. 14.30 !SAO 18.15 22.-10 30.25 33.60 41.25 -14.80. so 00 100.00 55.00. C,pamy .bp.Hn.. C;unm. A"P'. 1.00 1.60 2 00. 0.20. 150. 032. 2.40 3 00. 2.60. 0.52 0.92. 4.60. 0.-10. 3.90 6.90 9.00. 6.00 6.40 9.00 10.00. 1.20 1.28 1.80 2.00. 13.50 15.00. 13.00 1-1.00 115.00. 2.60 2.80 3.20. 19.50 21.00 24.00. 18.00 20.00 2-rno 36.00 -+0.00. 3.60. 27 00. 4.00 -!.SO 7.20 8.00. 30.00 3600 54.00 60.00 78.00. 52.00 54.00 66.00 80.00 110.00 120.00. 150.00 i60.00 200.00. 10.40 10.88. 13.20 16.00. 9.60. 84.00 99.00 120.M. C<p,ciry .;\Jo¡) Hn. O.lS 0.29 0.36 0.47 0.83. 1.08 1.15 1.62. !.SO 2.34. 2. 52 2.88 3. 2-1 3.60. -l.32 6.48. , 20 9.36 10.08 1LS8 1-l.JO. 22.00 2400 30.00. 180.00. 19.80 21.60. 225.00. 27.00. 32.00. 240.00. 40.00. 300.00. 28 80 36.00. 165.00. Figura 2. 1 Tabla con pruebas de descarga para baterías de distinta capacidad [7]. Las baterías han sido forradas de 2 capas de plástico para garantizar que en el evento de una fuga, el electrolito ácido no entre en contacto con el chasis de vehículo o cualquier otra parte. Tensores de Nylon son empleados para.

(35) 25 sujetar las baterías a sus bases, las cuales están construidas de aluminio y se sujetan al chasis por medio de abrazaderas de acero.. Ambas baterías se conectan en serie para suministrar al .controlador un promedio de 24 V. Después de cada carrera, las baterías son recargadas en paralelo, procurando hacerlo lo más pronto posible y evitando que éstas permanezcan descargadas por largos periodos de tiempo.. 2.3.2 Controlador El controlador es la parte funcional del vehículo que se encarga de hacer llegar de manera adecuada la energía eléctrica de las baterías al motor. Si no se tuviera un controlador y las baterías se conectaran de forma directa al motor, éste aceleraría repentinamente hasta alcanzar la velocidad de operación en un proceso transitorio donde la corriente podría llegar a un valor varias veces mayor al valor de la corriente de operación, además de ser bastante incómodo para los paseantes. Esto se debe a que la resistencia del motor en sí es muy pequeña, de manera que al conectarlo a la fuente de energía, una gran corriente tomará lugar a menos que se emplee un método para limitarla. Se dice entonces que la función principal del controlador es limitar la corriente durante la aceleración del motor [8]. Para frenar habría que desconectar las baterías y frenar el vehículo por medio de frenos mecánicos. La tarea del controlador es justamente administrar la energía para que el motor arranque de una forma más suave y pueda ser comandado a trabajar en regímenes por debajo del de operación normal, modulando la energía para suministrar puntos intermedios entre el cero y el máximo. Adicionalmente, algunos controladores permiten también frenar el motor, y este es el caso del controlador aquí empleado, el cual regenera electricidad para enviarla de nuevo a las baterías y así extender su duración, a esta técnica se le conoce como frenado regenerativo [4] [6]. Los controladores empleados en Electratón son usualmente de la marca Curtis o de la marca 4QD, inclusive hay algunos hechos en casa, la mayoría operan mediante modulación de ancho de pulso (Pulse Width Modulation o PWM), el empleado en el vehículo.

(36) 26 de pruebas es el Scoota-120 de 4QD (espe~ificaciones en el Anexo M), más información sobre controladores de motores en las referencias: [9] [1 O] [11 ].. Baterías Plomo-Ácido en serie (24 Volts). Motor Etek. Interruptor Encendido. V 24. V. V. -. 24. --------------5. íl. Figura 2.2 Diagrama de componentes del sistema eléctrico del vehículo.. En la figura 2.2 se presenta un diagrama con los componentes del sistema eléctrico del vehículo empleado. En la parte inferior se encuentran representaciones gráficas de las señales eléctricas de cada etapa. Corriente directa (24 V) es proporcionada por las baterías conectadas en serie, luego el acelerador entrega un voltaje de O a 5 V proporcionalmente con la posición que el usuario le indica, este voltaje es empleado por el controlador para conmutar la corriente eléctrica hacia el motor a un cierto ciclo de trabajo proporcional a dicho voltaje.. Como. resultado. obtendremos. un. valor. de. corriente. promedio. proporcional al valor indicado por el acelerador.. 2.4 Puesta a punto del vehículo En general, los autos de esta competencia eléctrica recorren las pistas a una 1. velocidad promedio de 37 km/h (los más rápidos no superan los 50 km/h). Las pistas en las que se compite son kartódromos, es decir, son pistas que han sido construidas para albergar carreras de Go Karts, los cuales logran velocidades de 1. Promedio de las mejores vueltas de 19 autos durante la 2ª. carrera del X Campeonato..

(37) 27 hasta 200 km/h. Lo anterior permitirá al lector imaginar el tipo de competencia, al entender que el trazo del circuito permite a vehículos similares en tamaño y peso, como lo es un Go Kart, circular a velocidades hasta 4 veces mayores a las posibles con motores eléctricos que toman su energía de no más de 40 kg de baterías y que deben de administrarla para durar 60 minutos. Estos autos suelen ser más pesados que los Go Karts y están dotados de una planta de energía que libera 1.5 hp en promedio durante el recorrido. El motor de un Kart puede llegar a erogar hasta 25 hp pesando no más de 20 kg. Por su parte, los motores eléctricos empleados en estas carreras pueden llegar a entregar hasta 8 hp, pesando 1O kg, sin embargo una entrega constante de 8 hp (6 kW) consumiría en promedio 250 A a 24 V, considerando que una batería de automóvil como las comúnmente utilizadas en estas competencias sólo almacenan el equivalente a 80 Nhr2ohr, pesan cerca de 20 kg y son de 12 V (se conectan dos baterías en serie para lograr 24 V), tenemos que esa potencia sólo podría ser mantenida, según la Figura 2.1, por menos de 7 minutos antes de agotar las baterías. De igual forma, mediante algunos cálculos es posible encontrar que la potencia entregada por el motor cuando éste consume 50 A, (este consumo asegura que las baterías durarán cerca de una hora), equivale a una potencia de eléctrica de 1,080 kW, es decir, 1.47 hp de potencia eléctrica, a esto hay que restar pérdidas para encontrar la potencia mecánica a la salida del motor, consultando la siguiente tabla, que corresponde a un motor muy popular para estas carreras, es posible conocer la potencia mecánica a la salida por dos métodos, uno directamente localizando para un consumo de 50 amperes la potencia, la cual equivale a 1.3 hp aprox. La segunda manera es localizando la eficiencia del motor para el mismo punto de operación (86.5%) y luego multiplicándolo por el valor de potencia eléctrica ya calculado, lo cual nos da como resultado 1.27 hp, un valor muy cercano al primero..

(38) 28. 24 VOLTS OC MOTOR PERFORMANCE AT 7'.i'' F RPM. HF. VOLT~. ZOO(J. 100. 50. 10C(I. 0.90. ·~-. 1600. OM. 40. AMP\. l. HOO. IJ10. JS. 1.?00. V\,0. JO. l(IO(!. 11~0. 2S. ROO. C.40. ~O. ··¡-.... .... ______ 1. ,. ,. .... ____ , ,,:,,,,,· ,, ,,:v.._. ,;,,. ,-;,;;:" '<. +----+-. i. ¡. : : ;: /'1~~,.. HP. \~O. iO. HC. ~- f). r,1;. 1. ~. .se. 1. o. iO. 'l. ~. ,,. . >. ' v. ,,:Y. ,,. lii. O. .SI). E,.). IW. 61). liu. l4".I. 161). !Pi,. :("-•. T<JROU[ ilBINl. TOROUE CUNSTANT: 1 U LB·IN.1AMP 10.1] NM'Alv1Pi. Punto de operación. MAXIMUM MOTOR f.\lAA[lff l.1r. AMPS FOR l MlNUT[S rAJHJRWElfjHT:21LB MDIUR OUTPllT: 1S HP ~-~AXIMIJtt 8 HP CUNT1Nl.lUU$. P,RUSH llf[ f.S AMPS CONTINIJOl.lS. fül)). HOIJ~. 100 AMF'S CONTINLli.)U5 - 20)(' HOURS 1SO AMP$ CUNl INUOI.IS 50(} HUIJJ.fS. Figura 2, 3 Curva de operación a 24 V para el motor Etek de Briggs & Stratton 2•. Todo lo anterior se traduce en que es necesario realizar ajustes a los autos para encontrar los puntos de operación más eficientes tanto para la relación de transmisión, como para la presión de inflado de los neumáticos, y por último es necesario capacitar al piloto para que conduzca de tal manera que ahorre energía eléctrica.. 2.4.1 Inflado de neumáticos En la ecuación 2.1 se aprecia que dos de los factores que contribuyen a aumentar la resistencia al rodamiento son el peso del vehículo y el coeficiente de rodamiento de los neumáticos, el cual como se mencionó disminuye conforme la presión del neumático aumenta. Las implicaciones de aumentar la presión en los neumáticos (lo cual se realiza cuando el vehículo llega a pits) ya se han mencionado en el punto 2, 1. El objetivo en este rubro será el diseñar el sistema de telemetría para que permita conocer la presión a la cual las ruedas deberán ser infladas. Se ha optado por emplear la presión con la cual los neumáticos 2. Hoja de especificaciones del motor Etek, de Briggs and Stratton (Anexo L)..