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: [email protected] Departamento de Ingeniería Eléctrica Universidad de Chile Av. Tupper 2007 - Santiago Chile E-mail: [email protected] Departamento de Ingeniería Eléctrica Universidad de Chile Av. Tupper 2007 - Santiago Chile E-mail: [email protected] 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
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