FORMULA-I: CÓMO ENFRENTAR UN DESAFÍO - Rodrigo Palma

FORMULA-I: CÓMO ENFRENTAR UN DESAFÍO
Patricio Mendoza A.
Jaime Muñoz C.
Rodrigo Palma B.
Departamento de Ingeniería Eléctrica
Universidad de Chile
Av. Tupper 2007 - Santiago Chile
E-mail: pmendoza@ing.uchile.cl
Departamento de Ingeniería Eléctrica
Universidad de Chile
Av. Tupper 2007 - Santiago Chile
E-mail: jmunoz@ing.uchile.cl
Departamento de Ingeniería Eléctrica
Universidad de Chile
Av. Tupper 2007 - Santiago Chile
E-mail: rodpalma@cec.uchile.cl
Resumen: En el marco de la quinta versión de la Formula-i, el equipo “Los Magníficos” de la Universidad de Chile,
participó con el vehículo eléctrico “Cuetazo RC”. Este documento explica las características de este desafío para los
alumnos de ingeniería, sus restricciones y el desarrollo del proyecto. Las explicaciones técnicas se centran en los
aspectos eléctricos del proyecto. Se explican en detalle el controlador electrónico tipo Chopper y el almacenamiento
energía en forma de un banco de baterías. De esta forma se busca reflejar la importancia de este tipo de actividades
en el proceso de formación en ingeniería, destacando sus aspectos multidisciplinarios y de trabajo en equipo.
Palabras claves: Formula-i, autos eléctricos, controlador, energía, ingeniería.
I. INTRODUCCIÓN
La existencia de espacios abiertos a estudiantes
de pregrado para el desarrollo de proyectos
creativos en los que se apliquen los
conocimientos teóricos adquiridos en cátedra se
muestra como un aspecto relevante dentro de su
formación. Durante el año 2005 se formó en el
Area de Energía del Departamento de Ingeniería
Eléctrica de la Universidad de Chile, un equipo
de estudiantes que asumió el desafío de ganar la
ya tradicional competencia Fórmula-i, organizada
en conjunto por los centros de alumnos de la
Escuela de Ingeniería de la Universidad de Chile
y de la Pontificia Universidad Católica de Chile,
en su quinta versión (http://www.formulai.cl/).
La Formula-i es un concurso de diseño y
construcción de prototipos de vehículos, cuya
fuente de energía sea no contaminante. El
proyecto Formula-i se realiza desde el año 2001,
convocando a estudiantes de todo el país, los que
son apoyados por empresas e instituciones. El
plazo de construcción de los vehículos es de 3
meses, luego de los cuales se realiza la carrera
final “Gran premio Formula-i”.
Los equipos pasan principalmente por 3 etapas.
La primera es la clasificación, en que 5 equipos
son becados con 1 motor eléctrico y dinero para
realizar sus prototipos. Aquellos no clasificados
pueden correr autofinanciados si el jurado lo
acuerda. La segunda etapa es la realización de las
pruebas de seguridad, en que los equipos son
fiscalizados para verificar que cumplan con lo
presentado anteriormente. La etapa final es la
carrera, en que el equipo ganador se lleva el
primer premio. También hay premios para el
segundo y tercer lugar, más un premio en
reconocimiento al diseño.
La idea de participar en el concurso nació
dentro del grupo de alumnos ayudantes del
Módulo de Energía, Accionamientos y
Electrónica de Potencia del Laboratorio de
Electrotecnologías y fue sumando integrantes
en la medida en que el análisis preliminar daba
cuenta de la mayor complejidad del desafío.
Finalmente, se formalizó el equipo “Los
Magníficos” conformado por ocho alumnos de
Ingeniería Eléctrica y dos de Ingeniería
Mecánica, junto al encargado del Taller
mecánico del DIE y al profesor encargado del
módulo. Para participar en el concurso, fue
necesaria la presentación del proyecto
detallado, bautizado como “Cuetazo RC”.
En la siguiente sección se describen las
condiciones técnicas generales establecidas en
el concurso. A partir de estas restricciones, en
las secciones siguientes se describen las
soluciones elaboradas por el equipo respecto
del sistema mecánico, el control electrónico, el
banco de baterías y el panel de instrumentos.
Finalmente, se resume el desempeño
alcanzado por el vehículo, se presentan las
conclusiones y los trabajos futuros asociados a
este proyecto.
II. CONDICIONES TÉCNICAS
La organización entrega un documento con las
bases de la competencia, a las cuales están
afectos todos los vehículos participantes. Esas
bases configuran un conjunto de restricciones
donde deben moverse los equipos para llevar a
cabo la construcción del vehículo.
Las restricciones más importantes son:
•
•
•
•
El motor debe ser el mismo para todos los
vehículos. Se utiliza un motor de corriente
continua e imanes permanentes, 48[V],
150[A] nominales, 6[kW] (8[HP]), modelo
Briggs&Stratton Etek.
El vehículo debe ser capaz de transportar 2
pasajeros, con un peso conjunto de 150[kg],
más un bloque de medidas 40x40x50 [cm] y
40 [kg] de peso (maletero).
El vehículo debe poseer una autonomía de al
menos 8 [km].
Se deben incorporar elementos de seguridad
(barra antivolcamiento, cinturones de 4
puntas, espejos retrovisores, luz de freno,
etc.)
En conocimiento de estas restricciones, los
integrantes del equipo convocaron a una reunión,
dejando claras las metas a cumplir y los plazos
estimados para ellas. Se definió como objetivo
principal ganar la carrera, definiéndose un plan
de trabajo para los siguientes 6 meses,
comenzando por el estudio cuidadoso de los
vehículos participantes en los años anteriores.
Las restricciones impuestas por la organización
fueron las que marcaron la construcción de todos
los vehículos de la competencia. Además de
éstas, el equipo propuso otras restricciones,
justificándolas por la experiencia de los
integrantes y la observación de los resultados de
años anteriores. Entre ellas cabe mencionar:
•
•
•
•
Necesidad de contar con un control
electrónico de potencia en el motor, puesto
que éste facilita el manejo del vehículo y
mejora la eficiencia del conjunto “banco de
baterías-motor”.
El vehículo debe contar con 4 ruedas, por la
estabilidad que éstas brindan.
Por el punto anterior, es necesario contar con
un diferencial en el tren de tracción (se eligió
tren trasero). Tener tracción en una sola
rueda rompe la simetría y trae problemas al
conducir.
Por los requerimientos de aceleración y
velocidad final propios de una carrera, es
necesario contar con una caja de cambios,
que permita tener gran aceleración a la
partida y una velocidad final alta.
•
Es necesario obtener un modelo de la
carga aerodinámica y resistencia a la
rodadura para operar el motor a su
máxima potencia sin dañarlo, además de
determinar el banco de baterías óptimo
para recorrer el circuito.
III. SISTEMAS MECÁNICOS
La estructura de Cuetazo RC se diseñó para
obtener un conjunto robusto, liviano y seguro,
con una apariencia externa atractiva y espacio
suficiente para transportar los pasajeros, la
carga y los sistemas de alimentación y
tracción. Como material de construcción se
eligió el acero SAE-1020 por su buena
relación entre peso, resistencia mecánica y
costo.
El sistema de tracción mecánico fue el primero
en que se trabajó, en paralelo con el control
electrónico
de
potencia.
Durante
aproximadamente 1 mes se estudió la
combinación óptima de diámetro de rueda, y
relación de vueltas de la caja de cambios. Se
utilizó una simulación discreta [4] para
optimizar el tiempo de un recorrido de 600
metros, en que se exigía llegar a velocidad
final. Los cálculos incluían parámetros como
resistencia aerodinámica y de rodadura,
revoluciones máximas del motor, potencia del
motor, relaciones de caja de cambios, etc.
La variable a optimizar fue el diámetro de la
rueda. Se optó por una caja de cambios de 4
velocidades y reversa, de un automóvil
Daihatsu Max-Cuore en desarme. La caja tiene
la ventaja de ser compacta, liviana, con
diferencial integrado y ser capaz de soportar el
torque del motor eléctrico. Esta caja posee
relaciones desde 1:19 a 1:5.
Los cálculos llevaron entonces a utilizar una
rueda de 65[cm] de diámetro para una
velocidad final de 70[km/h], y el tiempo
óptimo fue de 45[s].
Para la dirección, se eligió piñón y cremallera
en el tren delantero. El sistema de suspensión
se desarrolló a base de amortiguadores
independientes en cada rueda, con bandejas en
“A” para el tren trasero, y doble bandeja en el
tren delantero. El sistema de frenos utilizado
fue de disco en las 4 ruedas.
IV. CONTROL ELECTRÓNICO
Figura 1: Diagrama de bloques del controlador
El sistema de control electrónico fue desarrollado
completamente por los integrantes del equipo.
Consistió en 2 etapas que se interconectan y
cumplen funciones específicas (ver figura 1):
•
•
Etapa de control (Microcontrolador y
sensores),
Etapa de potencia (Interruptores de estado
sólido)
La etapa de control fue desarrollada a base de un
microcontrolador de la familia Microchip [1], que
recibe como entradas la consigna del acelerador y
los sensores (corriente, temperatura, RPM de
motor, entre otros); y tiene como salida un tren de
pulsos de ancho variable (modulación PWM),
que alimenta a la etapa de potencia.
La etapa de potencia se realiza con interruptores
de estado sólido, es decir, transistores utilizados
exclusivamente en zonas de corte o saturación.
Para estas aplicaciones son utilizados los
MOSFET e IGBT típicamente, muy populares en
el trabajo con corriente continua. Se eligió
trabajar con módulos IGBT Toshiba modelo
MG200Q2YS40 [2], por su robustez y precio
interesante para los módulos de segunda mano
(adquiridos en eBay).
Los transistores son manejados por un IGBT
driver, que convierte los pulsos PWM
(modulación por ancho de pulso) a un nivel
adecuado para las compuertas de los IGBTs.
La configuración inicial fue de tipo chopper
(recortador o trozador de onda), con la adición
de redes Snubber (supresor de transitorios de
tensión), condensadores e inductores en la
rama de motor, le dan al controlador una
característica de conversor DC/DC step-down
(bajada). Esto permite posteriormente elegir
un banco de baterías especial.
El lazo de control es realimentado en
corriente, y es construido basado en reglas. El
acelerador es una referencia de corriente y los
sensores (salvo el de corriente) actúan como
control supervisor, es decir, actúan a un nivel
mayor que el control de corriente.
En orden jerárquico, el control de corriente es
el que reacciona a
intervalos
de
microsegundos (µs), pues es el control más
importante y evita el daño del motor en los
mayores casos. A niveles de milisegundos
(ms) actúan protecciones por aceleraciones
muy altas (que pueden generar derrape) y por
sobrecorrientes sostenidas. A niveles de
segundos (s) actúan las protecciones por
temperatura, que es otra causa de daños al
motor.
La referencia de corriente se sigue con una
pendiente suave, y tiene un límite superior
programable, fijado para la carrera en 180 [A].
Este límite es superior al nominal del motor, y
fue discutido por el equipo y elegido finalmente
así, pues en las pruebas realizadas durante el
tiempo estimado de carrera, el motor presentaba
una temperatura adecuada aún funcionando a este
nivel de corriente.
Se implementó una opción de “turbo” o “nitro”,
que elevaba el límite superior de corriente a
220[A]. En pruebas realizadas antes de la carrera,
se observó que este nivel de corriente elevaba
bastante la temperatura del motor, y sólo debía
ser utilizado con el motor a altas revoluciones
(por su capacidad de autorefrigeración). Además,
es en esta situación de altas temperaturas cuando
el control de temperatura es importante.
De las variables que se monitorean con el
controlador, la más importante es la corriente por
el motor. Es esta variable la que actúa
directamente en el lazo de control (figura 2). Las
otras variables de control supervisor modifican
los parámetros del lazo cuando por ejemplo la
temperatura es elevada o la tensión es baja.
El entendimiento de cómo se comporta un
conductor en un vehículo común nos permite
mejorar la respuesta del controlador. El
controlador observa la disminución de la energía
disponible mediante la medición de la tensión y
corriente instantáneas del banco. Si la tensión cae
a un nivel crítico, la respuesta en velocidad del
En el controlador implementado, no se permite
que el banco sea descargado totalmente, lo que
es perjudicial para su vida útil.
El control también detecta embalamiento,
mediante la lectura de RPM. Para la carrera,
fue necesario desactivar la intervención de las
RPM, pues la señal proveniente del sensor
presentó alta interferencia. Problemas
similares fueron observados durante las
pruebas con el control de temperatura, que
posteriormente fueron solucionados. Estos
problemas de interferencia se deben a que
ambos sensores se ubican muy cerca del
motor, y los campos producidos por el recorte
de onda afectan a los conductores que llevan
la información.
Es importante destacar que la etapa de control
y la etapa de potencia están totalmente
aisladas,
mediante
optoacopladores
y
amplificadores operacionales aislados. Se
utilizan también fuentes aisladas del banco
para alimentar los sensores y el control.
Se ejecutaron pruebas del controlador en el
laboratorio de Energía y Accionamientos. Las
pruebas fueron efectuadas para corrientes de
hasta 250[A], presentando un buen
comportamiento con cargas resistivas. La
prueba con el motor fue realizada
directamente en el vehículo.
El diseño cuidadoso de la planta motriz
Figura 2: Esquema del algoritmo de control
vehículo disminuye, y la reacción intuitiva del
usuario es presionar el acelerador. Esto se debe
evitar pues; si aumenta la exigencia de corriente,
el banco de baterías responde con una caída aún
mayor de tensión debido a la resistencia interna.
permite entonces, mediante el uso del
controlador electrónico, mantener al motor en
su zona segura, como se observa en la figura
3.
Figura 3: Gráfico que muestra la zona en que es
seguro operar el motor.
V. BANCO DE BATERÍAS
El banco de baterías es determinante en la
autonomía del vehículo, y es una de las variables
importantes al momento de evaluar un vehículo
eléctrico. Éste debe cumplir con dos puntos
elementales, los cuales son.
•
•
Disponer en bornes del motor un voltaje no
menor a 48 volts.
Entregar 180 [A] constantes durante toda la
carrera (en el peor de los casos).
Las baterías candidatas fueron las de ciclo
profundo, por su buena característica en la
descarga. Otras baterías de plomo-ácido
comunes, tienen malos desempeños ante ciclos de
descarga y carga consecutivos y de larga
duracion; y su vida útil se acorta.
Una de las ventajas del conversor DC/DC, que se
aprovechó en la elección del banco de baterías, es
que en la conversión, la potencia transferida se
conserva (salvo las pérdidas máximas estimadas
en 500[W],η=92%). Por esto, el banco de
baterías se eligió de tal manera que su capacidad
energética (Watt-hora) fuera suficiente para la
carrera, sin que la batería individualmente tuviera
una alta capacidad (Ampere-hora), elevando el
voltaje. El banco utilizado es de 72[V], 75[Ah],
compuesto por 6 baterías Delphi DF1000 (12[V],
75[Ah]), que energéticamente son “equivalentes”
a 4 baterías de 12[V],110[Ah], similar a los que
otros equipos utilizaron. La equivalencia no es
directa, pues hay varios aspectos que cubrir. Uno
es el desempeño del banco ante altas exigencias
de corriente.
La resistencia interna de la batería crece a
medida que se descarga [3]. Es decir, a
menor nivel de carga de la batería, menor es
la tensión capaz de entregar al consumo, a
igual requerimiento de corriente. Con esto en
mente, imaginemos que durante la carrera la
batería se descarga en un 50%: si en ese
momento se le exige la máxima potencia al
motor, con un banco de 48[V] no será
posible, pues la tensión será mucho menor
que 48[V] al exigirle 150[A] al banco. Esto
se soluciona con un banco de mayor tensión
nominal, en que si se puede exigir los 48[V]
a 150[A] (convertidos por el controlador).
Un perfíl de la descarga se observa en la
figura 4.
Otro punto importante es el peso del banco de
baterías para las distintas soluciones de nivel
de
tensión
nominal.
Se
comprueba
empíricamente que el hecho de utilizar un
banco a mayor nivel de tensión, y por ende un
mayor número de baterías, no impacta de
manera medible en el peso del banco.
Para la elección de la capacidad de cada
batería se efectuaron pruebas a escala con dos
baterías en serie. Se simuló la evolución de las
rpm del motor para el trayecto de la
competencia. De esta forma era posible
estimar los requerimientos de corriente y los
tiempos asociados [4]. El perfíl de carga
resultante fue utilizado para pruebas de
descarga de pares de baterías de distinta
capacidad, facilitados por el fabricante. De
esta forma, se comprobó que la capacidad a
elegir correspondía a 75[Ah]. En pruebas de
marcha, el prototipo recorrió 8,5[km] a
máximo requerimiento, lo cual es cercano a
los 8[km] inferidos de las pruebas de descarga
en el laboratorio.
VI. PANEL DE INSTRUMENTOS
Se construyó un panel de instrumentos,
utilizando displays de 7 segmentos, y una
pantalla de cristal líquido, en que se muestran
las variables del controlador ya mencionadas,
más un velocímetro.
Respecto del desempeño durante la carrera, el
equipo tuvo que enfrentar un problema en el
sistema de frenos, problema no detectado en
las pruebas. El desempeño sin fallas del
controlador fue esencial en los resultados
alcanzados, a pesar de no haber sido necesaria
la activación del modo de operación “turbo”.
Figura 4: Perfíl de descarga del banco de baterías a El desarrollo del proyecto Cuetazo RC por
parte del equipo Los Magníficos, constituyó
180[A]
una experiencia extracurricular de trabajo en
equipo y búsqueda de desafíos, enriquecedora
El panel de instrumentos fue construido
para los miembros del equipo y motivante para
inicialmente para ser totalmente independiente
el resto de la comunidad.
del controlador. Sin embargo, esto obligaba a
utilizar el doble de sensores para cada variable, o
El equipo obtuvo las mejores calificaciones en
arriesgarse a interferir las señales de los sensores
todas las etapas de la competencia
y utilizar los mismos para ambos sistemas. Se
(clasificación, pruebas de seguridad) y ganó la
prefirió entonces que el controlador enviara, a
carrera obteniendo el primer lugar en el “Gran
intervalos de tiempo regulares, la información de
premio Formula-i 2005”. El aspecto final del
su estado, mediante un bus serial, utilizando
vehículo se puede apreciar en la figura 6.
protocolo RS-232.
El panel de instrumentos fue desarrollado
exitosamente y prestó mucha utilidad tanto en las
pruebas como en la carrera.
VII. CONCLUSIONES
El comportamiento del vehículo durante las
pruebas fue el esperado, y no presentó problemas.
Durante las pruebas se pudo estudiar el
comportamiento dinámico del motor, tanto en
corriente como en temperatura. En esta fase se
constataron una cantidad importante de
problemas que obligaron a establecer un proceso
iterativo para la perfección de los diseños
originales en cada uno de los aspectos
mencionados en las secciones anteriores. En la
figura 5 se observa la ubicación final de las
componentes descritas en este documento.
Las pruebas realizadas durante las semanas
previas a la carrera permitieron entonces ajustar
los parámetros del controlador: pendiente de
cambio del pulso PWM, límite óptimo de
corriente para las condiciones de un vehículo
deportivo, la duración del banco de baterías, etc.
Se corroboró durante las pruebas de seguridad y
la carrera que el controlador limita la corriente
dentro de la zona segura. La temperatura del
motor se mantuvo todo el tiempo bajo su límite
superior de funcionamiento. El sistema no ha
presentado fallas hasta el día de hoy. La
construcción minuciosa de cada uno de sus
componentes hacen al sistema robusto y seguro.
A raíz de los buenos resultados, Los
Magníficos esperan seguir trabajando el temas
relacionados con la tracción eléctrica y la
electrónica de potencia, formando para esto un
nuevo laboratorio orientado al desarrollo de
proyectos en esta línea.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece a los Servicio “Lucas” su
compromiso con el equipo en el desarrollo de
las pruebas con los bancos de baterías. Se
agradece también a “Indulamp” por su ayuda
con el trabajo en chasis y terminaciones.
Se agradece, asimismo, el apoyo que el
Departamento de Ingeniería Eléctrica de la
Universidad de Chile brindó al equipo.
Equipo “Los Magníficos”: Claudio Vergara,
Johanna Monteiro, Magdalena Von Borries,
Gerardo Vieyra, Juan Pablo Castillo, Rodrigo
de la Castilleja, Javier Figueroa, Darren
Ledermann, Vladimir Ovalle, Jaime Muñoz,
Patricio Mendoza, Manuel Vargas, Rodrigo
Palma (Profesor a cargo).
Figura 6: Aspecto final del vehículo
Figura 5: Ubicación del controlador y las baterías en
el vehículo. A la izquierda arriba, el control
electrónico. Al centro, el control de potencia. Abajo, el
banco de baterías.
XI. REFERENCIAS
[1] PIC16F877A CMOS
microcontroller.
FLASH-based
8-bit
http://ww1.microchip.com/download
s/en/DeviceDoc/39582b.pdf
[2] GTR Module Silicon N Channel IGBT High
Power Switching Applications Motor Control
Applications.
http://www.datasheetcatalog.com/dat
asheets_pdf/M/G/2/0/MG200Q2YS4
0.shtml
[3] Bianchi, Ernesto. Apuntes del curso
“Aplicaciones Industriales de la Energía
Eléctrica” , Ingeniería Eléctrica, Universidad
de Chile, 2004.
[4] Lucero, Augusto. Apuntes del curso "Traccion
Electrica", Universidad de Chile , 2004.
[5] Catálogo
de
Baterías
Estacionarias.
http://www.bateriaspampa.com.br/pd
f/Baterias%20Estacionarias.pdf