UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA MOTRIZ
ELÉCTRICO PLUG IN EN UN KART BASE
REEMPLAZANDO EL MOTOR DE COMBUSTIÓN
INTERNA
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
JHONATAN DAMIÁN JIBAJA RAMÍREZ
DIRECTOR: ING. EDWIN TAMAYO MSc.
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 171785682-5
APELLIDOS Y NOMBRES: Jibaja Ramírez Jhonatan Damián
DIRECCIÓN: Asunción y Av. América
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 02 2362 895
TELÉFONO MÓVIL: 0987538744
DATOS DE LA OBRA
TÍTULO:
Diseño e implementación de un sistema motriz eléctrico plug in en un kart base reemplazando el motor de combustión interna.
AUTOR O AUTORES: Jhonatan Damián Jibaja Ramírez FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN: 27/09/2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN: Ing. Edwin Tamayo MSc.
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN:
ideal de baterías con 13s20p teniendo un total de 260 celdas de iones litio, proporcionando una capacidad de 50 Ah nominal que a su vez puede brindar 200 Ah. Al implementar todos los componentes del sistema diseñado en el kart, fue de mucha importancia ubicarlos en las zonas que alojaron a los componentes iniciales comprendidos de un motor de combustión interna, así evitando la alteración del centro de gravedad y controlando el balance de pesos. Con los resultados obtenidos tras realizar las pruebas en el kartódromo se determinó que es posible generar nuevas formas de movilización energética, utilizando energías alternativas, aplicando en un nivel competitivo, además sirvió de punto de partida para realizar conversiones en cualquier tipo de automóvil, evolucionando de la mano con las nuevas tendencias tecnológicas en la movilización de vehículos impulsados con energía eléctrica.
PALABRAS CLAVES: Kart, Kart eléctrico, CIK-FIA, RMC 2016, Junior Max, ME 0708, Alltrax.
ABSTRACT:
was determined that it is possible to generate new forms of energy mobilization, using alternative energy, applying at a competitive level, also it served as a starting point for conversion into any type of car, evolving hand with new technology trends in mobilizing electricity-powered vehicles.
KEYWORDS Kart, Electric kart, CIK-FIA, RMC 2016, Junior Max, ME 0708, Alltrax.
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
__________________________________ JIBAJA RAMÍREZ JHONATAN DAMIÁN
CARTA DE INSTITUCIÓN
Cayambe, 29 de agosto de 2016 La empresa Microlab R. S. P. conjuntamente con Centro de formación profesional Cia. Ltda. Nikola Tesla, presenta un saludo cordial a la carrera de Ingeniería Automotriz y tiene el honor de comunicarse para lo detallado a continuación:
Mediante la presente nota destacamos manifestar nuestro apoyo auspicio al tema de tesis: “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA MOTRIZ
ELÉCTRICO PLUG IN EN UN KART BASE REEMPLAZANDO EL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA”, a desarrollarse por el Señor Jhonatan Damián Jibaja Ramírez, portador de la cedula de identidad número 171785682-5, estudiante de la Universidad Tecnológica Equinoccial; Facultad de Ciencias de la Ingeniería, carrera de Ingeniería Automotriz, desarrolló su tesis de grado previa a la obtención del título de Ingeniero Automotriz, para nuestra empresa en el cantón de Cayambe, el mismo que solventamos en su totalidad, para la ampliación de proyectos en el taller de autotrónica de nuestra institución.
Atentamente
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, JIBAJA RAMÍREZ JHONATAN DAMIÁN, CI 171785682-5 autor del proyecto titulado: Diseño e implementación de un sistema motriz eléctrico plug in en un kart base reemplazando el motor de combustión interna,
previo a la obtención del título de GRADO ACADÉMICO COMO APRECE EN EL CERTIFICADO DE EGRESAMIENTO en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
Quito, 29 de septiembre de 2016
_____________________________ JHONATAN DAMIÁN JIBAJA RAMÍREZ
DECLARACIÓN
Yo JHONATAN DAMIAN JIBAJA RAMÍREZ, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_____________________________ JHONATAN DAMIÁN JIBAJA RAMÍREZ
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño e
implementación de un sistema motriz eléctrico plug in en un kart base reemplazando el motor de combustión interna”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Jhonatan Jibaja, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.
___________________ ING. EDWIN TAMAYO MSc.
DIRECTOR DEL TRABAJO
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... xii
ABSTRACT ... xiii
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 3
2.1. CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD ... 3
2.1.1. ELECTRICIDAD ... 3
2.1.2. VOLTAJE ... 3
2.1.3. INTENSIDAD DE CORRIENTE... 4
2.1.4. RESISTENCIA ELÉCTRICA ... 5
2.1.5. LEY DE OHM ... 5
2.1.6. CONEXIONES EN SERIE Y PARALELO ... 6
2.1.7. POTENCIA ... 6
2.1.7.1. Potencia en un circuito eléctrico ... 7
2.1.8. CORRIENTE CONTINUA ... 8
2.1.9. CORRIENTE ALTERNA ... 8
2.1.10. FUERZA ELECTROMAGNÉTICA ... 9
2.1.11. FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA ... 10
2.2. VEHÍCULO ELÉCTRICO ... 10
2.2.1. FUNCIONAMIENTO DE UN EV PLUG IN ... 11
2.3. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS ... 13
2.3.1. MOTOR DE CC VERSUS MOTOR DE CA ... 13
2.4. SISTEMA MOTRIZ ELÉCTRICO A IMPLEMENTAR ... 14
2.4.1. MOTOR ELÉCTRICO DE CORRITENE CONTINUA ... 15
2.4.1.1. Funcionamiento ... 15
2.4.2. SISTEMA DE CONTROL DE VELOCIDAD ... 16
2.4.2.1. Controlador ... 17
ii
2.4.3. SISTEMA DE PROTECCIÓN ... 19
2.4.3.1. Contactor principal ... 19
2.4.3.2. Resistor de precarga ... 20
2.4.3.3. Fusible ... 20
2.4.3.4. Interruptor ... 21
2.4.3.5. Diodo ... 21
2.4.4. PANEL DE CONTROL ... 22
2.4.4.1. Voltímetro ... 23
2.4.4.2. Amperímetro ... 23
2.4.4.3. Velocímetro... 23
2.4.5. CABLES CONDUCTORES ... 23
2.4.6. ACUMULADORES DE ENERGÍA ELÉCTRICA ... 24
2.4.7. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LAS BATERÍAS ... 25
2.4.7.1. Tensión ... 25
2.4.7.2. Capacidad... 26
2.4.7.3. Energía ... 26
2.4.7.4. Constante de carga/descarga ... 26
2.4.7.5. DOD ... 26
2.4.7.6. SOC ... 27
2.4.7.7. Energía específica ... 27
2.4.7.8. Densidad energética ... 27
2.4.7.9. Ciclos de funcionamiento ... 27
2.4.7.10. Efecto memoria ... 27
2.4.8. BATERÍAS UTILIZADAS EN VEHÍCULOS ELÉCTRICOS ... 28
2.4.8.1. Plomo ácido (Pb-SO4)... 28
2.4.8.2. Níquel cadmio (Ni-Cd) ... 28
2.4.8.3. Níquel hidruro metálico (Ni-MH) ... 29
2.4.8.4. Iones de litio (Li-ion) ... 30
2.4.8.5. Polímero de litio (Li-Po) ... 30
2.4.9. RECARGA DE BATERÍAS ... 31
2.4.10. TIPOS DE RECARGA ... 32
iii
2.4.10.2. Recarga semi-rápida ... 32
2.4.10.3. Recarga rápida ... 33
2.4.11. MODOS DE RECARGA ... 33
2.4.12. TIPOS DE CONECTORES ... 34
2.4.13. SISTEMA DE GESTIÓN DE LAS BATERÍAS ... 36
2.5. COMPONENTES DEL KART BASE ... 37
2.5.1. CHASIS ... 37
2.5.2. MOTOR ... 39
2.5.3. SISTEMA DE ENCENDIDO ... 40
2.5.4. EJE ... 41
2.5.5. PIÑÓN, CORONA Y CADENA ... 41
2.5.6. RUEDAS ... 42
2.5.6.1. Aro, rin o llanta ... 42
2.5.6.2. Neumático... 42
2.5.7. SISTEMA DE FRENOS ... 43
2.5.8. SISTEMA DE DIRECCIÓN ... 44
2.5.9. CARROCERIA ... 44
2.5.10. BUTACA O ASIENTO ... 45
2.6. CATEGORÍAS DEL CAMPEONATO RMC 2016 ... 45
2.6.1. CATEGORÍA MICRO MAX ... 46
2.6.2. CATEGORÍA JUNIOR MAX ... 46
2.6.3. CATEGORÍA DD2 SENIOR ... 46
2.6.4. CATEGORÍA DD2 MASTER ... 46
3. METODOLOGÍA ... 48
4. ANÁLISIS Y RESULTADOS ... 50
4.1. SELECCIÓN DE CATEGORÍA ... 50
4.1.1. SELECCIÓN DE CHASIS ... 50
4.1.2. SELECCIÓN DE COMPONENTES ... 51
4.2. ESPECIFICACIONES DEL KART BASE ... 51
iv 4.2.2. ESPECIFICACIONES DE MOTOR DE COMBUSTIÓN
INTERNA ... 52
4.2.3. TIEMPOS DE COMPETENCIA DE KART BASE ... 55
4.2.3.1. Mejor tiempo por vuelta ... 57
4.2.3.2. Velocidad promedio en carrera ... 58
4.2.3.3. Velocidad final en carrera ... 58
4.2.3.4. Distancia total recorrida en competencia ... 58
4.2.3.5. Tiempo total de competencia ... 59
4.3. POTENCIA NECESARIA ... 59
4.3.1.1. Resistencia a la rodadura ... 60
4.3.1.2. Resistencia al aire ... 60
4.3.1.3. Resistencia al ascenso ... 61
4.3.1.4. Potencia final ... 61
4.4. SELECCIÓN DE COMPONENTES ... 63
4.4.1. SELECCIÓN DE MOTOR ELÉCTRICO ... 63
4.4.1.1. Relación de transmisión para el motor eléctrico ... 65
4.4.2. SELECCIÓN DEL SISTEMA CONTROL DE VELOCIDAD ... 66
4.4.3. CARACTERÍSTICAS DE CONTROLADOR ... 67
4.4.4. PROGRAMACIÓN ... 67
4.4.4.1. Panel de control ... 68
4.4.4.2. Respuesta de acelerador ... 69
4.4.4.3. Monitoreo del controlador ... 70
4.4.5. PINES DE CONECCIÓN DEL CONTROLADOR ... 70
4.4.6. INDICADOR LED PARA ESTADO DEL SISTEMA ... 71
4.4.6.1. Códigos de reconocimiento de acelerador ... 71
4.4.6.2. Códigos de estado normal ... 71
4.4.6.3. Códigos de error ... 72
4.4.7. POTBOX ... 72
4.4.8. SISTEMA DE PROTECCIÓN ... 73
4.4.8.1. Contactor ... 73
4.4.8.2. Resistor de precarga ... 74
v
4.4.8.4. Fusible ... 74
4.4.9. SELECCIÓN DE CABLES ... 75
4.4.9.1. Cableado de alta corriente ... 75
4.4.9.2. Cableado de comunicación... 76
4.4.10. BATERÍAS ... 76
4.4.10.1. Tensión ... 76
4.4.10.2. Corriente de descarga ... 77
4.4.10.3. Capacidad y autonomía ... 78
4.4.11. SISTEMA DE RECARGA PARA BATERÍAS ... 80
4.4.11.1. Tiempo de carga teórico ... 80
4.4.12. PANEL DE CONTROL ... 82
4.4.12.1. Switch de encendido ... 82
4.4.12.2. Posición y velocidad ... 82
4.4.12.3. Voltímetro y amperímetro ... 83
4.5. IMPLEMENTACIÓN... 84
4.5.1. ENSAMBLAJE DE KART ... 84
4.5.2. BASES PARA EL MOTOR Y CONTROLADOR ... 86
4.5.3. MONTAJE DE MOTOR ... 87
4.5.4. MONTAJE DE CONTROLADOR, CONTACTOR Y POTBOX. 89 4.5.5. MONTAJE DEL PACK DE BATERÍAS ... 90
4.5.6. MONTAJE DE PANEL DE CONTROL ... 90
4.5.7. CIRCUITO ELÉCTRICO ... 91
4.5.8. PESO TOTAL ... 92
4.6. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ... 92
4.6.1. PRUEBAS DE ACELERACIÓN... 93
4.6.2. PRUEBAS DE VELOCIDAD MÁXIMA ... 95
4.6.3. TIEMPO DE RECARGA DEL PACK DE BATERÍAS ... 96
4.6.4. TIEMPOS POR VUELTA Y AUTONOMÍA ... 97
4.7. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 99
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 101
vi 5.2. RECOMENDACIONES ... 102
BIBLIOGRAFÍA ... 103
vii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Tipos de enchufes a nivel mundial ... 35
Tabla 2. Pesos de componentes de un kart Junior Max ... 52
Tabla 3. Resultados en dinamómetro del motor Rotax Max EVO 125cc ... 54
Tabla 4. Tiempos de clasificación ... 55
Tabla 5. Tiempos de primera manga ... 56
Tabla 6. Tiempos de segunda manga ... 56
Tabla 7. Mejores tiempos de la tercera fecha del campeonato RMC 2016 . 57 Tabla 8. Relación de velocidad - potencia ... 62
Tabla 9. Tipos de motores para seleccionar ... 63
Tabla 10. Relaciones de transmisión usuales para Junior Max ... 65
Tabla 11. Tipos de configuración para pack de baterías ... 78
Tabla 12. Peso total kart eléctrico ... 92
Tabla 13. Resultados de pruebas de aceleración ... 94
Tabla 14. Resultados de pruebas de velocidad máxima ... 95
Tabla 15. Resultados de tiempos de carga del pack de baterías ... 96
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Flujo lineal de corriente directa ... 8
Figura 2. Oscilación sinusoidal de la corriente alterna ... 9
Figura 3. Campos magnéticos generados por cargas ... 9
Figura 4. Esquema básico de un eléctrico con motor en corriente continua 12 Figura 5. Esquema básico de un eléctrico con motor en corriente alterna .. 12
Figura 6. Clasificación de los motores eléctricos ... 13
Figura 7. Corte de motor de imán permanente con escobillas ... 16
Figura 8. Control de velocidad con PWM ... 17
Figura 9. Funcionamiento de MOS-FET ... 18
Figura 10. Funcionamiento de un contactor ... 20
Figura 11. Ubicación de resistor de precarga ... 20
Figura 12. Fusible ... 21
Figura 13. Interruptor de dos posiciones ... 21
Figura 14. Ubicación de diodo en contactor ... 22
Figura 15. Valores AWG para secciones de cable conductores ... 24
Figura 16. Partes de una batería plomo ácido ... 25
Figura 17. Batería plomo acido ... 28
Figura 18. Batería cilíndrica de níquel cadmio ... 29
Figura 19. Batería cilíndrica de níquel hidruro metálico ... 29
Figura 20. Conjunto de celdas cilíndricas de iones litio ... 30
Figura 21. Celdas de polímero de litio ... 31
Figura 22. Conector semi rápido ... 32
Figura 23. Transformador y enchufe para carga rápida ... 33
Figura 24. Modos de carga ... 34
Figura 25. Conexión de un BMS para cuatro celdas ... 36
Figura 26. Tony kart modelo racer 401 KZ ... 37
Figura 27. Partes del chasis ... 38
Figura 28. Chasis ... 38
Figura 29. Motor Rotax 125 Junior Max EVO ... 40
ix
Figura 31. Conjunto de transmisión ... 41
Figura 32. Rueda delantera y trasera Mojo ... 42
Figura 33. Rin OTK MXJ magnesio ... 42
Figura 34. Neumático Mojo D1 ... 42
Figura 35. Disco de freno trasero ... 43
Figura 36. Sistema de frenos OTK ... 43
Figura 37. Sistema de dirección Tony Kart ... 44
Figura 38. Conjunto carrocería OTK Tony Kart ... 44
Figura 39. Butaca OTK ... 45
Figura 40. Kartódromo Dos Hemisferios ... 45
Figura 41. Dinamómetro ... 53
Figura 42. Resultados obtenidos en dinamómetro de m.c.i. ... 53
Figura 43. Circuito número 3 de kartódromo ... 57
Figura 44. Gráfica velocidad vs potencia ... 62
Figura 45. Motor CC motenergy ME 0708 ... 64
Figura 46. Controlador de velocidad Alltrax AXE 4834 ... 66
Figura 47. Sección control panel para programación ... 68
Figura 48. Sección throttle response para programación ... 69
Figura 49. Sección para monitorear al controlador de velocidad ... 70
Figura 50. Pines del controlador para conexión ... 71
Figura 51. Potbox curtis PB-6 ... 72
Figura 52. Recorrido del potbox ... 73
Figura 53. Contactor ... 73
Figura 54. Ubicación del resistor de precarga ... 74
Figura 55. Pack de celdas de iones litio ... 79
Figura 56. Cargador para el pack de baterías ... 80
Figura 57. Data logger Mychron 4 ... 83
Figura 58. Smartphone con aplicación Harry’s lap timer Grand Prix ... 83
Figura 59. Voltímetro y amperímetro digitales... 83
Figura 60. Chasis ... 84
Figura 61. Montaje de piezas en chasis ... 85
x
Figura 63. Doblado de bases para motor y controlador ... 86
Figura 64. Bases para motor y controlador ... 86
Figura 65. Base para montaje de motor eléctrico ... 87
Figura 66. Motor eléctrico ensamblado en base ... 87
Figura 67. Bases de motor montadas en chasis ... 88
Figura 68. Motor montado en el kart con sistema de trasmisión ... 88
Figura 69. Montaje de controlador en el kart ... 89
Figura 70. Montaje de contactor sobre controlador ... 89
Figura 71. Instalación de panel de control ... 90
Figura 72. Instalación de panel de control ... 90
Figura 73. Cables, terminales y plástico termo encogible ... 91
Figura 74. Kart listo para las pruebas ... 91
Figura 75. Entrada principal a kartódromo ... 93
Figura 76. Kart en pruebas ... 93
Figura 77. Recorrido para pruebas de aceleración ... 94
Figura 78. Pista propuesta para pruebas ... 95
xi
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA ANEXO 1
Homologación de chasis………..………105
ANEXO 2
Homologación sistema de frenos BS6…..……….………106
ANEXO 3
Dimensiones para butaca………...…….119
ANEXO 4
Homologaciones carrocería….………..…….110
ANEXO 5
Homologación de rin…..………..…….119
ANEXO 6
Gráfica de motor ME 0708.………….………...…….120
ANEXO 7
Motor motenergy ME 0708.……….………...…….121
ANEXO 8
Controlador de velocidad.………...…….122
ANEXO 9
Especificaciones celdas iones litio.………...…….123
ANEXO 10
Circuito eléctrico del sistema..………...…….125
ANEXO 11
xii
RESUMEN
xiii
ABSTRACT
1
1.
INTRODUCCIÓN
El petróleo y sus derivados como fuente de energía a lo largo del tiempo han ocasionado gran cantidad de contaminación ambiental, actualmente los gobiernos buscan una manera de reducir los gases nocivos provenientes de los motores de combustión interna, en la actualidad se puede palpar una tendencia global por generar y aplicar nuevos sistemas de generación de energía con sistemas alternativos al petróleo para el sector automotriz.
En los últimos años se observa una tendencia por implementar sistemas eléctricos, como son las conversiones de automóviles que comprenden de un motor de combustión interna reemplazando dicho motor por un motor eléctrico buscando una alta eficiencia y no ser contaminantes al medio ambiente, un claro ejemplo por la tendencia de generar autos eléctricos, se tiene el caso de la creación de la Formula E, competencia de monoplazas de alto rendimiento que comprende el desarrollo de tecnología de punta, buscando la mayor eficiencia energética en autos de competencia, ya que estas competencias son pilares fundamentales para la prueba de nuevas tecnologías y dichos avances tecnológicos posteriormente son aplicados a los autos de producción en masa.
2 Iniciando con un estudio de datos de un kart que compite en el campeonato Rotax Max Challenge 2016 del Ecuador como; peso, potencia, torque, tiempo de carrera total, se analizará estos datos para tener una idea clara de las especificaciones técnicas de un kart convencional, estos datos serán necesarias para diseñar el sistema motriz eléctrico al cual queremos llegar en nuestro diseño y dimensionamiento, así como el cálculo de cada uno de los elementos que estará comprendido el sistema, los cuales son; tipo de motor, tipo de control de velocidad, tipo de baterías, tipos de sistema de recarga de baterías y con esto llegar a la implementación del sistema en el kart base. Dicho sistema implementado cuenta con un sistema de recarga para las baterías, las cuales se podrán conectar en cualquier enchufe convencional, ya sea de 110 voltios o 220 voltios.
Se buscó que cada componente del sistema tenga una alta eficiencia energética para aprovechar al máximo esta conversión y tratar de demostrar las ventajas que existen en sistemas alternativos de energía para la movilización en un automóvil, en este caso específico un kart de competencia, con la utilización de un motor eléctrico a diferencia de un motor de combustión interna.
Para finalizar con el proyecto se implementó y afinó todo el sistema para realizar las pruebas en el kartódromo Dos Hemisferios, así se obtuvo los datos que comprueban la eficiencia del sistema diseñado e implementado.
3
2.
MARCO TEÓRICO
En esta sección se explica los conceptos básicos sobre electricidad para comprender el funcionamiento de un automóvil eléctrico, reconocer sus componentes, además se detalla las funciones y características de las partes que comprenderá el sistema motriz eléctrico, los cuales son; motor eléctrico, sistema de control de velocidad, componentes de seguridad, baterías y sistemas de recarga de baterías, por último se detallará cada componente que comprende el kart base y se indica las características de las partes constitutivas que servirán como punto de partida para el proceso de diseño, dimensionamiento e implementación del sistema
2.1. CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD
Para comprender sobre el funcionamiento de un automóvil eléctrico se inicia con una explicación sobre los conceptos básicos de electricidad.
2.1.1. ELECTRICIDAD
Un electrón tiene una carga eléctrica negativa, según la ley física de atracción entre dos cargas eléctricas de signo opuesto (y de repulsión con cargas eléctricas de mismo signo). Una consecuencia de esta ley es que en un polo o extremo de un material conductor aparece un exceso de electrones y en el otro polo una decadencia (carga positiva), los electrones se desplazan a través de este conductor desde el polo negativo hacia el positivo, esta circulación de electrones se la denomina electricidad (Torrente, 2013).
2.1.2. VOLTAJE
4 𝑉 = 𝑤𝑄 [1] Donde:
V= voltaje en volts (V) W= energía en joule (J)
Q = carga en coulomb (C) = 6.25𝑥10𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠18 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠 /𝐶
”Un volt es la diferencia de potencial (voltaje) entre dos puntos cuando se
utiliza un joule de energía para mover un coulomb de carga de un punto a otro” (Floyd, 2007, p. 23).
2.1.3. INTENSIDAD DE CORRIENTE
También conocida como amperaje es una magnitud eléctrica que se define como la cantidad de carga eléctrica que pasa en un determinado tiempo a través de un punto exacto en un conductor.
Se puede comparar que la intensidad de corriente es similar en cierto sentido al caudal de agua que circula por una tubería, cuando pase poca agua por la tubería en un determinado tiempo sería análogo a que pase poca cantidad de electrones por un cable eléctrico en ese mismo tiempo, su unidad de medida es el amperio (A), se la puede medir con un amperímetro conectándolo en serie al conductor (Torrente, 2013), se calcula con la ecuación 2.
𝐼 =𝑄𝑡 [2] Donde:
𝐼 = corriente en amperes (A)
𝑄 = carga en coulomb (C)
𝑡 = tiempo en segundos (s)
”Un ampere (1 A) es la cantidad de corriente que existe cuando cierto número
5
2.1.4. RESISTENCIA ELÉCTRICA
Se define como resistencia eléctrica de un objeto a la capacidad para oponerse al paso de la corriente eléctrica a través de él, es decir si es alta la resistencia del objeto, mayor dificultad tendrán los electrones para circular, estos factores dependen netamente de la naturaleza del material. La unidad de medida es el ohmio (Ω) (Torrente, 2013).
Materiales Conductores: son aquellos que permiten el paso de la corriente. La mayoría de los metales son buenos conductores, el oro es el mejor material conductor y el cobre es el siguiente, siendo este el material más utilizado en circuitos eléctricos por su bajo costo (Floyd, 2007).
Materiales Semiconductores: se clasifican por debajo de los conductores en cuanto a su capacidad de transportar corriente, sin embargo a causa de sus características únicas constituyen la base de artefactos eléctricos como el diodo, transistores, y circuitos integrados. El silicio y el germanio son los materiales más usados (Floyd, 2007).
Materiales Aislantes: son conductores deficientes de la corriente eléctrica, estos materiales se utilizan para evitar que la corriente fluya por lugares no deseados, siendo los más utilizados los plásticos y la madera (Floyd, 2007).
2.1.5. LEY DE OHM
La Ley de Ohm dice: que si un componente eléctrico con resistencia interna
R, es atravesado por una intensidad de corriente I, entre ambos extremos de dicho componente existirá una diferencia de potencial V, que puede ser calculada con la ecuación 3 (Torrente, 2013).
𝑉 = 𝐼 𝑥 𝑅 [3] Donde:
V= voltaje (V)
I= corriente en amperes (A)
6 De la ecuación 3 se puede despejar R, teniendo la ecuación 4
𝑅 = 𝑉𝐼 ∙ 𝑅 [4] Además se puede 𝐼, teniendo la ecuación 5
𝐼 =𝑉𝑅 [5]
2.1.6. CONEXIONES EN SERIE Y PARALELO
Los distintos dispositivos presentes en un circuito pueden conectarse entre sí de varias formas. Las más básicas son la “conexión en serie” y la “conexión en paralelo”. De hecho, cualquier otro tipo de conexión, por compleja que sea, es una combinación de alguna de estas dos, Estas conexiones se pueden calcular con las ecuaciones 6 - 11 (Torrente, 2013).
Conexión en serie:
Voltaje total
𝑉𝑡 = 𝑉1 + 𝑉2 + ⋯ + 𝑉𝑛 [6]
Intensidad total
𝐼𝑡 = 𝐼1 = 𝐼2 = ⋯ = 𝐼𝑛 [7]
Resistencia total
𝑅𝑡 = 𝑅1 = 𝑅2 = ⋯ = 𝑅𝑛 [8] Conexión en paralelo:
Voltaje total
𝑉𝑡 = 𝑉1 = 𝑉2 = ⋯ = 𝑉𝑛 [9]
Intensidad total
𝐼𝑡 = 𝐼1 + 𝐼2 + ⋯ + 𝐼𝑛 [10]
Resistencia total
𝑅𝑡1 = 𝑅11 +𝑅21 + ⋯ +𝑅𝑛1 [11]
2.1.7. POTENCIA
7 𝑃 =𝑊𝑡 [12] Donde:
P= potencia en watts (W) W= energía en joule (J) t= tiempo es segundos (s)
En los motores comúnmente se utiliza como unidad de potencia los caballos de potencia (hp) pero en los motores eléctricos se utiliza para determinar la potencia en watts (W), siendo 1hp = 746 W (Floyd, 2007).
2.1.7.1. Potencia en un circuito eléctrico
En un circuito eléctrico, la cantidad de potencia disipada depende de la cantidad de resistencia y de corriente, lo cual con la ecuación 13.
𝑃 = 𝐼2∙ 𝑅 [13] Donde:
𝑃 = potencia en watts (W)
𝐼 = corriente en amperes (A)
𝑅 = resistencia en ohmios (Ω)
Una expresión equivalente para potencia se obtiene, en función de voltaje y corriente, sustituyendo I ∙ R por V (I2 es I ∙ I), expresándola con la ecuación 14.
𝑃 = 𝐼2∙ 𝑅 = (𝐼 ∙ 𝐼)𝑅 = 𝐼(𝐼 ∙ 𝑅) = (𝐼 ∙ 𝑅)𝐼
𝑃 = 𝑉 ∙ 𝐼 [14] Donde P está en watts cuando V está en volts e I está en amperes. Sustituyendo I por V/R (ley de ohm), se obtiene otra expresión equivalente, dando la ecuación 15.
𝑃 = 𝑉 ∙ 𝐼 = 𝑉 (𝑉
𝑅)
8
2.1.8. CORRIENTE CONTINUA
La corriente continua o corriente directa, CC en español o DC del inglés direct current, se refiere al flujo continuo de carga eléctrica que circulan a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial, siempre va en la misma dirección en función del tiempo, como se puede observar en la figura 1, se representa con el símbolo , su sentido y polaridad no varían, así disminuya su intensidad conforme se va consumiendo la carga, esta corriente se presenta en acumuladores de energía o baterías (Torrente, 2013).
Figura 1. Flujo lineal de corriente directa
(Torrente, 2013) 2.1.9. CORRIENTE ALTERNA
La corriente alterna, CA en español o AC del inglés alternating current, es la corriente en la cual la magnitud del voltaje, la polaridad e intensidad varían cíclicamente (siendo alternativamente positiva y negativa respectivamente), implica que los polos positivo y negativo se intercambian alternativamente a lo largo del tiempo y por tanto el voltaje va tomando valores positivos y negativos con frecuencia determinada.
9
Figura 2.Oscilación sinusoidal de la corriente alterna (Torrente, 2013)
2.1.10. FUERZA ELECTROMAGNÉTICA
Los campos magnéticos son generados por cargas eléctricas en movimiento, por conductores que dejan pasar una intensidad de corriente, por cuerpos magnetizados o por un campo eléctrico variable. Su existencia se constata comprobando la fuerza efectiva de estos sobre las cargas eléctricas en movimiento (fuerza de Lorentz) (Bosch, 2005).
Líneas de fuerza campo magnético producidas por un imán permanente, estas líneas son la representación gráfica de la influencia magnética, tienen dirección y sentido: su origen es el polo norte y su fin el polo sur como se muestra la figura 3, a mayor densidad de líneas, mayor es la fuerza magnética que se genera (Salguero, 2013).
Figura 3. Campos magnéticos generados por cargas
10
2.1.11. FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA
Cuando el flujo abarcado por una espira varia, se induce en esta una tensión habitualmente llamada fuerza electromotriz (f.e.m.). La fuerza electromotriz inducida en un circuito, es proporcional a la rapidez con la que varía el flujo magnético que lo atraviesa, se representa con la ecuación 16.
𝜀 = −𝑁 ∙𝑑𝜑𝑑𝑡 [16] Donde:
𝜀 = fuerza electromotriz inducida
𝑑𝜑 = variación de flujo magnético
𝑑𝑡 = intervalo de tiempo
N = número de espiras
2.2. VEHÍCULO ELÉCTRICO
Denominados por las siglas EV (electric vehicle) además se los llama plug in que significa enchufable (toman energía directamente de una fuente eléctrica), principalmente comprende de baterías o acumuladores eléctricos las cuales proporcionan toda la energía para que el motor la transforme en energía mecánica, para generar movimiento rotacional que a su vez será trasmitido a las ruedas para que el vehículo se movilice (Leitman, Brant, 2008).
En la actualidad existe un alto crecimiento en la utilización de EVs, esto dado a las grandes ventajas en comparación a un vehículo convencional con motor de combustión interna las cuales son: (Leitman, 2008)
No genera contaminación ambiental durante su funcionamiento.
No generan ruido al no tener muchas partes móviles.
Eficiencia del motor eléctrico alrededor del 90%.
No necesitan mantenimientos continuos.
11
Alta aceleración debido al motor eléctrico, el cual entrega el torque máximo desde el arranque.
Posibilidad de utilizar frenos regenerativos de energía.
Las desventajas que se tiene con vehículo eléctrico son puntuales y son:
La autonomía de funcionamiento es limitada por la capacidad de las baterías.
El tiempo de recarga de baterías es alto en comparación con el tiempo necesario para suministrar de combustible a un vehículo convencional.
Los ciclos de vida de las baterías están limitadas dependiendo de su tipo.
2.2.1. FUNCIONAMIENTO DE UN EV PLUG IN
Un coche eléctrico se compone básicamente de los siguientes elementos: Cargador transformador o convertidor: es aquel elemento que absorbe la electricidad de forma alterna directamente desde la red eléctrica y la transforma en corriente continua, para así poder cargar la batería principal (Endesa, 2016).
12 Inversor: indicado en la figura 4, son los encargados de transformar la corriente continua que cede la batería principal, en corriente alterna. De esa manera se puede alimentar el motor en corriente alterna del coche eléctrico. En el caso de coche con el motor en corriente continua en la figura 5, este componente no existirá (Endesa, 2016).
Motor eléctrico: puede ser un motor de corriente alterna o de corriente continua. La diferencia entre estos los dos tipos, principalmente, es la forma de alimentación. El de corriente continua se alimenta directamente desde la batería principal, y el de corriente alterna se alimenta a través de la energía que emite la batería previamente transformada en corriente alterna gracias al inversor (Endesa, 2016).
Figura 4. Esquema básico de un eléctrico con motor en corriente continua
(Endesa, 2016)
Figura 5. Esquema básico de un eléctrico con motor en corriente alterna
13
2.3. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS
Dependiendo de la corriente utilizada para su alimentación, se clasifican en:
Figura 6.Clasificación de los motores eléctricos
(Chapman, 2012)
2.3.1. MOTOR DE CC VERSUS MOTOR DE CA
Motor corriente continua
Las partes básicas son: inductor, inducido y colector.
Ideal para proyectos en donde se requiere un control exacto de la velocidad.
La energía se toma directamente desde las baterías.
El par de arranque es muy fuerte.
El par motor es proporcional a la corriente del inducido y al flujo del campo magnético del inductor.
Motores de bajo peso y volumen (Warner, 2011).
Motores eléctricos
Motores de corriente continua CC
De excitación indenpendiente
De excitación serie
De excitación (shunt) o derivación
De excitación compuesta (compund)
Motores de corriente alterna CA
Motores Síncronos Motores asíncronos Monofásicos De bobinado auxiliar
De espira en cortocircuito
Universal
Trifásicos
De rotor bobinado
De rotor en cortocircuito
14 Motor corriente alterna
Las partes básicas son: estator y rotor.
Funcionan a velocidades fijas, la operación a bajas velocidades no es fiable.
La energía debe ser transformada de corriente CC mediante un inversor a corriente continua.
El par de arranque es bajo.
El par motor depende del campo giratorio.
Los motores de corriente alterna funcionan mejor en aplicaciones que requieren el rendimiento de la potencia durante largos períodos de tiempo.
Motores robustos y de gran peso (Warner, 2011).
Para el presente proyecto se procede a la implementación de un motor de CC por tener dos ventajas importantes ante un motor de CA, las cuales son:
No es necesario utilizar un inversor CC/CA, esto nos ayuda a tener menos componentes y menor peso en el sistema a implementar.
La potencia específica es mayor, un motor de CC tiene menos peso y volumen, ante un motor de CA de la misma potencia.
Son motores de mayor utilización para proyectos y conversiones para vehículos de bajo peso.
2.4. SISTEMA MOTRIZ ELÉCTRICO A IMPLEMENTAR
15
2.4.1. MOTOR ELÉCTRICO DE CORRITENE CONTINUA
Es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en energía mecánica por medio de la acción de campos electromagnéticos, aproximadamente un motor eléctrico tiene un 90% de eficiencia energética (Chapman, 2012).
Para el proyecto se define la utilización de un motor de corriente continua específicamente por un motor un motor de CC de imán permanente (MCDIP) en el cual presenta polos hechos de imanes permanentes. Para ciertas aplicaciones, estos motores ofrecen varios beneficios. Puesto que no requieren un circuito de campo externo, no sufren pérdidas de cobre del circuito de campo. Debido a que no requieren devanados de compensación, son de menor tamaño en comparación con un motor CA de la misma potencia. Por lo general, los motores MCDIP se pueden encontrar en tamaños hasta de 10 kW y, en años recientes, se han construido algunos motores hasta de 100 kW, además los motores MCDIP son menos costosos, pequeños, sencillos y con mayor eficiencia que otros motores de CC (Enríquez, 2004).
Los principales tipos de materiales son los cerámico-magnéticos (ferrita) y los materiales magnéticos de tierras raras. Dando como resultado que los imanes de tierras raras pueden producir el mismo flujo residual que las mejores aleaciones ferromagnéticas convencionales y simultáneamente ser en gran parte inmunes a los problemas de desmagnetización debidos a la reacción del inducido (Enríquez, 2013).
Los únicos métodos de control de velocidad disponibles para un MCDIP es el control de voltaje y el control de resistencia, ambos aplicados al inducido (Enríquez, 2013).
2.4.1.1. Funcionamiento
16 El inductor tiene como función generar un campo magnético y está ubicado en la parte fija del motor o estator, está formado de imanes colocados alrededor del inducido siendo de material ferromagnético. Por el imán circula una corriente eléctrica encargadas de producir el campo eléctrico. El inducido es una pieza giratoria formada por conductores de cobre en forma de bobinas, siendo estas bobinas alojadas en las ranuras de un conjunto de chapas cilíndricas de material ferromagnético, en el cual actúa el campo magnético (Chapman, 2012).
Los principios y terminales de las bobinas están conectados eléctricamente a una pieza de cobre denominada colector de delgas, que gira con el eje. Las delgas son las partes en las que se divide el colector y están aisladas unas de otras. Las escobillas son de grafito y están en contacto con el colector de delgas permitiendo la unión eléctrica de las delgas con los bornes de conexión del inducido. Al girar el rotor, las escobillas van rozando con las delgas, conectando la bobina del inducido correspondiente a cada par de delgas con el circuito exterior (Chapman, 2012).
Figura 7. Corte de motor de imán permanente con escobillas
(Chapman, 2012)
2.4.2. SISTEMA DE CONTROL DE VELOCIDAD
17
2.4.2.1. Controlador
Dispositivo el cual regula la frecuencia de la electricidad que llega al motor, es un dispositivo de estado sólido que utiliza un modulador de ancho de pulso (PWM) que envía ráfagas de corta duración al motor a una velocidad por lo general de 15 kHz. La modulación por ancho de pulsos modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica cuadrática, para controlar la cantidad de energía que se enviará a una carga, si aplicamos un PWM a un motor CC logramos variar la velocidad del mismo con la característica de mantener su par constante (Enríquez, 2013).
En la parte superior de la figura 8, observamos un 60 % de ciclo, esto genera mayor velocidad ya que el tiempo de energía de paso en la señal cuadrática es de mayor tiempo, y en la parte inferior de la figura 8 tenemos un 28 % de ciclo con un menor tiempo de tensión pero si un mayor tiempo sin flujo de energía, lo cual nos genera menor velocidad, siendo este es el principio de funcionamiento de un sistema PWM (Chapman, 2012).
Figura 8. Control de velocidad con PWM (Chapman, 2012)
18 Para la conmutación de pulsos en el PWM se logra gracias a la utilización de transistores MOS-FET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) estos son lo que más se utilizan en los controladores ya que a tensión baja estos no generan altas resistencias de conductividad y por lo tanto la pedida de potencia es mínima al utilizar este tipo de transistores. Un transistor MOS-FET puede resumirse a comprender el comportamiento de la circulación de corriente dentro del transistor. Al aplicar tensión sobre la compuerta, puerta o gate indicada en la figura 9, (positiva respecto a GND) se genera dentro del transistor un campo eléctrico que permite la circulación de corriente entre el terminal drain y el terminal source. Al aplicar tensión al gate, el campo eléctrico aporta huecos, hecho que favorece y activa la circulación de electrones entre drain y source. Cuando la tensión en gate se interrumpe o se coloca a un bajo potencial, la corriente entre drain y source se interrumpe. Tenemos de este modo una llave electrónica comandada por voltaje (Neoteo, 2015).
Figura 9. Funcionamiento de MOS-FET (Neoteo, 2015)
2.4.2.2. Potbox o throttle box
19 Siendo una resistencia variable, para este caso siempre se tendrá un comportamiento “lineal”, la alteración del valor de su resistencia es directamente proporcional al recorrido del circuito o pista, es decir si desplazamos la pista un 50 %, aumenta o disminuye la resistencia en el mismo valor dependiendo de la dirección de giro que se lo dé (Watkins, 2012). El potbox es el componente principal y encargado de enviar la señal de la resistencia variable interna la cual va al procesador del controlador y este determina la relación resistencia - posición del acelerador, así controlando la velocidad del motor eléctrico. La mayoría de potboxs incluyen un interruptor, el cual tiene la función de cerrar el circuito eléctrico del sistema, siendo que si el potenciómetro está en la posición inicial, el interruptor está abierto y no existe flujo de corriente, y si se varía el movimiento del pedal de aceleración este interruptor inmediatamente cierra el circuito e inicia el flujo de corriente (Watkins, 2012).
2.4.3. SISTEMA DE PROTECCIÓN
Comprendido de varios componentes detallados a continuación, los cuales son encargados de que el sistema no sufra sobrecargas o cortocircuitos, evitando daños graves del sistema.
2.4.3.1. Contactor principal
También se lo denomina solenoide, es controlado por el micro switch del potbox, cumple con la misma función del interruptor de contacto en un coche a combustión. Cuando la llave está a la posición de encendido, el contactor cierra el circuito para permitir el paso de corriente al controlador y luego al motor (James, Lowry, 2012).
20 La figura 10 indica el funcionamiento del contactor, este dispositivo va ubicado desde la batería hacia el controlador y desde la batería hacia el motor (James, 2012).
Figura 10. Funcionamiento de un contactor
((James, 2012)) 2.4.3.2. Resistor de precarga
Es una resistencia que va conectada en los terminales principales del contactor como se indica en la figura 11, realiza una precarga del condensador, esto minimiza la tensión a través del contactor para reducir la formación de arcos eléctricos en los terminales contiguos del contactor (Watkins, 2012).
Figura 11. Ubicación de resistor de precarga
(Watkins, 2012) 2.4.3.3. Fusible
21 El fusible va por lo general en el polo negativo del pack de baterías, si es el caso de un desperfecto en el fusible, debe colocarse en una zona visible y de fácil acceso para el reemplazo (Mora, 2012).
Figura 12. Fusible
2.4.3.4. Interruptor
Dispositivo electrónico que interrumpe (desconecta) o permite (conecta) el curso de una corriente eléctrica, este interruptor se conecta directamente al contactor y al potbox, controlando el flujo de corriente (Mora, 2012).
El interruptor más utilizado es el de dos posiciones; 1 encendido y 0 apagado, comúnmente se lo ubica en un panel cerca del volante y de fácil acceso para el conductor, cuando el conductor coloca en posición 1 el sistema se energiza activando el contactor y potbox mientras cuando se coloca en posición 0 el sistema se desconecta, así como todo el sistema.
Figura 13. Interruptor de dos posiciones
2.4.3.5. Diodo
22 Cuando se detiene la corriente el campo magnético colapsa generando una liberación de esta energía en forma de tensión fly-back, esta tensión puede ser elevada si esta tensión no se disipa y será transferida al controlador y causar daño permanente, el diodo a través de los terminales de la bobina disipa de manera segura esta tensión generada (Torrente, 2013).
Comprende de dos terminales: ánodo (+) y cátodo (-) este terminal esta siempre rodeado por una franja de color plata para la fácil identificación, que permiten el paso de corriente eléctrica a través de él, en un solo sentido, bloqueando si la corriente fluye en el sentido contrario (Watkins, 2012). Consta de dos regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado (conduce) con una resistencia eléctrica muy pequeña. Este diodo va entre los terminales fijos y de menor tamaño del contactor como indica la figura 14 (Watkins, 2012).
Figura 14. Ubicación de diodo en contactor
(Watkins, 2012) 2.4.4. PANEL DE CONTROL
23
2.4.4.1. Voltímetro
Mide la tensión existente en el pack de baterías, este parámetro podemos comparar con la cantidad de combustible en un auto convencional, así el voltaje es la cantidad de carga que tienen las baterías, para aquello el voltímetro debe ser conectado en paralelo al pack de baterías, existen modelos análogos y digitales.
2.4.4.2. Amperímetro
Mide el flujo de corriente entre los puntos que son conectados, usualmente se conecta en serie entre el pack de baterías y el controlador, existen modelos análogos y digitales.
2.4.4.3. Velocímetro
Mide la velocidad, se puede utilizar velocímetros digitales o análogos siendo estos conectados a una rueda motriz generando una señal inductiva, mediante sensores, actualmente para evitar cableados y la utilización de sensores aumentado el peso del kart, actualmente esta medición se la puede realizar mediante un sistema global de posición denominado (GPS), exclusivamente con aplicaciones para dispositivos móviles para generar un registro de telemetría.
2.4.5. CABLES CONDUCTORES
Es muy importante calcular los cables que se van a utilizar como conductores de corriente, siendo los indicados según la norma AWG en la figura 15, ya que un cable adecuado brinda una baja resistencia del circuito, evitando obstrucciones de flujo y si se tiene un cable inadecuado puede generar demasiado calor y fundirse provocando cortocircuitos, es muy importante la utilización de los cables adecuados tanto para la tensión y corriente para la que se utilice o se desee utilizar, se calcula con la ecuación 17:
24 Donde:
𝑠 = sección del cable 𝑚𝑚2
𝐿 = longitud del cable m
𝐼 = intensidad de corriente A
𝑘 = constante de conductividad eléctrica para el cobre 56
∆𝑉 = caída de tensión V
Figura 15. Valores AWG para secciones de cable conductores
(Awg, 2016)
2.4.6. ACUMULADORES DE ENERGÍA ELÉCTRICA
25 Cada celda de una batería tiene un electrodo positivo (cátodo) y un electrodo negativo (ánodo) además de electrolitos como se indica en la figura 16, permitiendo que los iones se muevan entre los electrodos, facilitando que la corriente fluya fuera de la batería, este electrolito puede ser húmedo como en las baterías de plomo ácido o un electrolito seco tipo pasta como en las baterías de litio (Rhan, Yang, 2012).
Figura 16. Partes de una batería plomo ácido
2.4.7. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LAS BATERÍAS
Existen muchos tipos de baterías, para diversas aplicaciones, por lo que es necesario conocer lo parámetros que las identifican, para determinar si son aptas para implementar en algún sistema dependiendo de los requerimientos necesarios.
2.4.7.1. Tensión
26
2.4.7.2. Capacidad
Es la propiedad que determina la cantidad de energía eléctrica que puede almacenar o proporcionar una batería, esta capacidad se la mide en amperios-hora (Ah), siendo la corriente máxima que se puede extraer en relación a una hora de descarga continua, la capacidad eléctrica hace referencia a los tiempos de carga y descarga que se miden en culombios, que es equivalente a la cantidad de carga transportada durante un segundo por una corriente de un amperio, de manera que 1 Ah = 3600 C (Salguero, 2013).
2.4.7.3. Energía
Una batería puede proporcionar un límite de energía, esta depende directamente de su voltaje, se mide en vatios-hora (Wh) siendo la unidad en el Sistema Internacional el joule. Dependiendo de esta equivalencia, tenemos que 1 Wh = 1 Ah, por lo tanto la energía se obtiene multiplicando la capacidad de la batería por el voltaje (Bosch, 2005).
2.4.7.4. Constante de carga/descarga
Se determina con la letra C esta constante es dada por los fabricantes, depende de los miliamperios-hora, y se usan para determinar fácilmente la intensidad máxima a la que se debe cargar o descargar una batería, La manera de cálculo está dado por la ecuación 18 (Leitman, 2008).
𝐶 =1000𝑋 [18] Donde:
𝐶 = Constante carga/descarga (Ah)
𝑋 = Capacidad de la batería (mAh)
2.4.7.5. DOD
27 Por ejemplo:
Si una batería es de 200 Ah y se extrae 80 Ah se tiene que se ha descargado en una profundidad de DOD de 40% (Rahn, 2013).
2.4.7.6. SOC
Del inglés State of Change que significa estado de carga, siendo el porcentaje de energía que tiene la batería (Reddy, 2010).
Por ejemplo:
Cuando la batería está cargada tiene SOC 100% y si se desgasta la mitad tendrá SOC 50%.
2.4.7.7. Energía específica
Es la energía que puede proporcionar por su unidad de masa, siendo sus unidades de medida Wh/kg (Rahn, 2013).
2.4.7.8. Densidad energética
Representa la cantidad de energía acumulada en un espacio por unidad de volumen siendo las unidades de medida Wh/l (Reddy, 2010).
2.4.7.9. Ciclos de funcionamiento
Se denomina ciclo de funcionamiento cuando se descarga la batería y se la carga, completando un ciclo. Es muy importante este parámetro para la selección de las baterías adecuadas ya que de esto dependerá la vida útil de las mismas, ya que cada batería tiene un límite de ciclos antes de dejar de funcionar y perder sus propiedades (Leitman, 2008).
2.4.7.10. Efecto memoria
28 La batería solo se descargará hasta el nivel desde donde se inicia la carga inadecuada, disminuyendo así el tiempo de uso (Leitman, 2008).
2.4.8. BATERÍAS UTILIZADAS EN VEHÍCULOS ELÉCTRICOS
2.4.8.1. Plomo ácido (Pb-SO4)
Estas baterías por lo general se implementan en conversiones de vehículos convencionales a vehículos eléctricos, ya que tienen un bajo costo en comparación con otros tipos, constituidas por dos electrodos de plomo y un electrolito de ácido sulfúrico, sus principales características son: (Reddy, 2010)
No admiten sobrecargas ni descargas profundas mayores al 80% de su capacidad.
Baja energía específica: 35 Wh/kg
Densidad energética: 70 Wh/l
Voltaje: 2 V, pero comercialmente existen baterías de varias celdas siempre con múltiplos de 2 como: 6 V, 12 V, 24 V.
Capacidad: existe una alta gama se puede encontrar desde 4 Ah hasta 200 Ah.
Ciclos de funcionamiento: 500
Figura 17. Batería plomo acido
(Bosch, 2016) 2.4.8.2. Níquel cadmio (Ni-Cd)
29
No existe problema al funcionar a altas temperaturas
Admiten sobrecargas
Efecto memoria muy alto
Voltaje: 1,2 V
Energía específica: 40 Wh/kg
Densidad energética: 100 Wh/l
Capacidad: 0,5 A - 1,0 A
Ciclos: 600
Eficiencia: 70%
Figura 18. Batería cilíndrica de níquel cadmio
(Pisen, 2016)
2.4.8.3. Níquel hidruro metálico (Ni-MH)
Utilizan un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de aleación de hidruro metálico (Rahn, 2013).
Energía específica: 75Wh/kg
Densidad energética: 240Wh/l
Potencia energética: 250 W/kg
Eficiencia: 65%
Ciclos: 500
Voltaje nominal: 1,2 V
Capacidad: 0,8 A – 2,9 A
Figura 19. Batería cilíndrica de níquel hidruro metálico
30
2.4.8.4. Iones de litio (Li-ion)
Utilizan un ánodo de grafito y un cátodo de óxido metálico así como electrolito sal de litio (Rahn, 2013).
Las altas temperaturas son perjudiciales para su funcionamiento Densidad de energía: 115 Wh/kg
Capacidad usual: 1,5 A - 2,8 A (en pilas tipo AA) Efecto memoria: muy baja
Energía especifica: 150 Wh/kg Densidad energética: 250 Wh/l Potencia especifica: 250 W/kg Eficiencia: 90%
Ciclos: 800
Voltajes proporcionados:
A plena carga: entre 4,2 V y 4,3 V dependiendo del fabricante. A carga nominal: entre 3,6 V y 3,7 V dependiendo del fabricante. A baja carga: entre 2,65 V y 2,75 V dependiendo del fabricante (este
valor no es un límite, se recomienda). Capacidad: 1,5 Ah - 2,8 Ah
Efecto memoria muy bajo
Figura 20. Conjunto de celdas cilíndricas de iones litio
(LG, 2016) 2.4.8.5. Polímero de litio (Li-Po)
31 Cada celda tiene un voltaje nominal de 3,7 V, voltaje máximo 4,2 y mínimo 3,0. Este último debe respetarse rigurosamente ya que la pila se daña irreparablemente a voltajes menores a 3 voltios. Se suele establecer la siguiente nomenclatura XsYp, que significa X número de celdas conectadas en serie siendo Y el número de celdas conectadas en paralelo. Por ejemplo: 3s2p son 3 celdas conectadas en serie conjuntamente con 2 celdas conectadas en paralelo (Watkins, 2013).
Las baterías Li-Po se venden generalmente de 1S a 4S lo que significa: Li-PO 1S: una celda, 3,7 V
Li-PO 2S: dos celdas, 7,4 V Li-PO 3S: tres celdas, 11,1 V Li-PO 4S: cuatro celdas, 14,8 V Energía especifica: 200 Wh/kg Densidad energética: 300 Wh/l Potencia especifica: 250 W/kg Eficiencia: 99,8%
Capacidad: 200 mAh – 20 A Ciclos: 1000
Figura 21. Celdas de polímero de litio
(Samsung, 2016) 2.4.9. RECARGA DE BATERÍAS
32
2.4.10. TIPOS DE RECARGA
Dependen directamente del modelo de coche eléctrico y la tecnología de las baterías, los tiempos de carga oscilan entre 3 y 10 horas, conectando el auto e un enchufe (Endesa, 2016).
2.4.10.1. Recarga convencional
Este tipo de recarga aplica la potencia dando una carga completa en 8 horas aproximadamente. Emplea la intensidad y voltaje que proporciona un enchufe convencional del hogar (16 A y 220 V), dando como potencia eléctrica máxima aproximadamente 3,52 kW. Esta solución es óptima, fundamentalmente, para recargar el vehículo eléctrico durante la noche en un garaje (Endesa, 2016).
2.4.10.2. Recarga semi-rápida
La recarga semi-rápida aplica niveles de potencia que implican una carga con una duración de unas 4 horas aproximadamente. Emplean 32 A de intensidad y 220 V con disposición de un pequeño elevador de intensidad como se indica en la figura 22. Esto implica que la potencia eléctrica que puede entregar este tipo de cargas es de aproximadamente 7 kW. Esta solución es óptima, como en el caso de la recarga convencional, para recargar el vehículo eléctrico durante la noche en un garaje (Endesa, 2016).
Figura 22. Conector semi rápido
33
2.4.10.3. Recarga rápida
En este tipo de recarga se usa una mayor intensidad eléctrica, además entrega la energía en corriente continua gracias a un sistema transformador de corriente CA/CC presentado en la figura 23, obteniéndose una potencia de salida de 50 kW.
Utilizando la recarga rápida, en 30 minutos se puede cargar el 80% de la batería. Esta solución es la que desde el punto de vista del conductor, se asemeja a sus hábitos actuales de repostaje con un vehículo de combustión. La recarga rápida puede implicar la adecuación de la red eléctrica existente, o es zonas ideales con infraestructuras adecuadas para la utilización (Endesa, 2016).
Figura 23. Transformador y enchufe para carga rápida
(Endesa, 2016) 2.4.11. MODOS DE RECARGA
El modo de carga depende del nivel de comunicación entre infraestructura de recarga y vehículo eléctrico.
34 El protocolo de comunicación impacta en el nivel de control del proceso de carga entre infraestructura de recarga y vehículo eléctrico (Endesa, 2016).
Figura 24. Modos de carga
(Endesa, 2016) 2.4.12. TIPOS DE CONECTORES
El tipo de conector es el enchufe para la conexión de la recarga del vehículo eléctrico.
Existen distintas marcas y modelos, que presentan distintas configuraciones como se muestra en la tabla 1, con diferentes números de entradas para las comunicaciones con el vehículo eléctrico.
No existe estandarización.
35
Tabla 1. Tipos de enchufes a nivel mundial
(Endesa, 2016)
Schuko (Europa)
Nema tipo B (América)
SAE J1772
Mennekes
Scame
Chademo
36
2.4.13. SISTEMA DE GESTIÓN DE LAS BATERÍAS
Por las siglas en inglés BMS (Battery Management System), este sistema es capaz de controlar en todo momento el pack de baterías, ya que todas las baterías tiene un riesgo al cargarlas con corriente, así este sistema impide que operen fuera de rango, evitando: (Leitman, 2008)
Sobre corrientes
Sobre tensiones en la carga
Voltaje bajo durante la descarga
Temperaturas elevadas o bajas Las principales funciones son:
Desconectar la carga cuando la tensión de una celda cae repentinamente.
Detiene la carga de las baterías cuando la tensión es la óptima y máxima.
Corta el flujo de corriente cuando la temperatura excede el rango normal. Por lo general se pueden adquirir sistemas apropiados para cada tipo de celdas con las que se vaya a trabajar, son de fácil ensamblaje, como se indica en la figura 25, ya que se utilizan placas comprendidas por mosfets, diodos rectificadores, resistencias y pequeños trasformadores (Leitman, 2008).
37
2.5. COMPONENTES DEL KART BASE
Denominado kart, go kart o karting presentado en la figura 26, es un automóvil monoplaza de competencia, de un solo asiento, sin techo, sin suspensiones y con o sin elementos de carrocería, comprende de cuatro ruedas no alineadas entres las delanteras y traseras, que están en contacto con el suelo.
La función de las dos ruedas delanteras es el control de la dirección, y las dos posteriores que van conectadas por un eje solidario, transmiten el movimiento rotacional, que genera el motor mono cilíndrico gracias a un sistema de transmisión, cono - corona - cadena (CIK-FIA, 2016).
Figura 26. Tony kart modelo racer 401 KZ
(Team RCM, 2016) 2.5.1. CHASIS
38 En la figura 27 se indica las principales partes, (1. Llanta, 2. Eje posterior, 3. Punta, de eje, 4. Rótulas, 5. Soporte y del eje trasero, 6. Soportes delanteros), incluyendo cualquier parte que es interdependiente de dicha estructura, comprendida por una estructura tubular de acero SAE 4130 con aleaciones de cromo y molibdeno (CIK-FIA, 2016).
Figura 27. Partes del chasis
(CIK-FIA, 2016)
Los karts de última generación utilizan barras más largas para el chasis, como se muestra en la figura 28, lo cual ofrece una mayor flexibilidad y permite moverse mejor en una gran variedad de terrenos, especialmente durante los giros. La mejor combinación para un kart es aquella que permite una gran tracción y flexibilidad (CIK-FIA, 2016).
Figura 28. Chasis
(Tony kart, 2016)
39 Si los extremos traseros no son suficientemente anchos, habrá menos deslizamiento. Esto se refiere a lo bien que el kart se fija a la pista sin patinar o deslizarse. Unos raíles traseros más anchos hacen que sea menos probable que el kart vuelque debido a que tiene mayor estabilidad. La carencia de suspensiones hace que la rigidez del chasis sea un factor importante en la estabilidad y conducción del kart (CIK-FIA, 2016).
Como principio básico, a menor rigidez corresponde mayor capacidad de flexionar y por tanto menor posibilidad de deslizamiento, mayor agarre y a mayor rigidez, menor agarre. Sin embargo, un chasis muy rígido puede perder la capacidad de flexión para un óptimo agarre en piso deslizante. Por eso, en algunos recientes modelos de chasis se opta por una mayor capacidad de flexión (chasis blandos) de forma que para conseguir la rigidez necesaria en otras pistas se acude al uso de una cantidad de barras estabilizadoras (CIK-FIA, 2016).
En otras circunstancias, con demasiado agarre y difícil deslizamiento, con botes del kart en las curvas lentas, puede ser preciso aumentar la rigidez por lo tanto el uso de barras estabilizadoras adicionales, colocando en la parte delantera o trasera permitirá graduar el aumento de rigidez en cada eje. Muchas barras tienen una capacidad de ajuste de la tensión de acoplamiento para conferir una rigidez graduable, lo que posibilita realizar ajustes muy finos, para pilotos sensibles (CIK-FIA, 2016).
2.5.2. MOTOR
40 Actualmente se puede utilizar motores de 2 o 4 tiempos para competencia, ciertos motores comprenden de un sistema de refrigeración por líquido mientras que la gran mayoría es refrigerada por flujo de aire, además incluyen sistema de admisión de aire, un bloque de cilindro, cárter y posible caja de cambios, sistema de encendido, carburador y un silenciador de escape, como se muestra en la figura 29.
Figura 29. Motor Rotax 125 Junior Max EVO
(Rotax, 2016)
No es permitido según el reglamento de la CIK-FIA (Comisión Internacional de Karting – Federación Internacional de Automovilismo), ningún tipo de sistemas de inyección, además está prohibida la implementación de un compresor o cualquier sistema de supercagador. El combustible permitido debe ser de compuestos que normalmente se encuentran en el combustible comercial.
Está prohibida la modificación de la composición básica de combustible mediante la adición de cualquier compuesto que es estrictamente prohibido, esta restricción también se aplica al lubricante en el caso de los motores de 2 tiempos, que no debe cambiar la composición de la fracción de combustible cuando se añade al combustible (CIK-FIA, 2016).
2.5.3. SISTEMA DE ENCENDIDO
41 Sistema el cual permite generar la chispa eléctrica para la combustión de la mezcla en el cilindro del motor, la energía va desde la batería de 12 voltios pasando por el módulo el cual indica cuando se realiza la descarga de corriente transcurriendo a la bobina la cual eleva de 12 V hasta los 10000 V, pasando la energía eléctrica a sus vez por el cable de bujía llegando finalmente a la bujía, generando una chispa en el electrodo de la misma.
2.5.4. EJE
Pieza fundamental para la transmisión del movimiento desde el motor hacia las ruedas, es solidario con la corona así como con el disco de freno, para su sujeción se utilizan de dos a tres rodamientos dependiendo de la potencia del motor.
Figura 30. Eje de transmisión
2.5.5. PIÑÓN, CORONA Y CADENA
La potencia del motor se transmite al eje posterior mediante un piñón el cual mueve la cadena, que a su vez va hacia una corona, la cual es solidaria con el eje trasero, que tiene la función de satisfacer la demanda de fuerza de tracción y empuje para realizar el desplazamiento del kart (Bosch, 2005).
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2.5.6. RUEDAS
Denominado al conjunto rin – neumático con dimensiones de 5 pulgadas, como se muestra en la figura 32.
Figura 32. Rueda delantera y trasera Mojo
2.5.6.1. Aro, rin o llanta
Es la pieza metálica, indicada en la figura 33, sobre la cual se asienta un neumático y que forma parte de la rueda, Las llantas están hechas de aleaciones de magnesio o de aluminio.
Figura 33. Rin OTK MXJ magnesio
2.5.6.2. Neumático
Es una pieza toroidal de caucho, como se muestra en la figura 34, se coloca sobre el rin. Su función principal es permitir un contacto adecuado por adherencia y fricción con el pavimento, posibilitando el arranque, el frenado y la conducción del vehículo.
