Diseño de un Sistema Eléctrico de Baja Tensión para su ...

Equation Chapter 1 Section 1

Trabajo Fin de Grado Ingeniería de las Tecnologías Industriales

Diseño de un Sistema Eléctrico de Baja Tensión para su aplicación a una Motocicleta Eléctrica de Competición

Autor: Guillermo del Castillo Torres Tutor: Juan Antonio Sánchez Segura

Dpto. de Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla Sevilla, 2020

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería de Telecomunicación

Diseño de un Sistema Eléctrico de Baja Tensión para su aplicación a una Motocicleta Eléctrica de

Competición

Autor:

Guillermo del Castillo Torres

Tutor:

Juan Antonio Sánchez Segura Profesor colaborador

Dpto. de Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla Sevilla, 2020

Proyecto Fin de Carrera: Diseño de un Sistema Eléctrico de Baja Tensión para su aplicación a una Motocicleta

Eléctrica de Competición

Autor: Guillermo del Castillo Torres

Tutor: Juan Antonio Sánchez Segura

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

6

Sevilla, 2013

El Secretario del Tribunal

A mi familia

A mis maestros

Agradecimientos

En primer lugar, desearía agradecer al profesor Juan Antonio Sánchez Segura, por su completa disposición y asesoramiento de este trabajo.

En segundo lugar a mis padres y a mi hermana, por guiarme, apoyarme y hacerme sentir único en este bonito camino llamado vida.

En tercer lugar, a mis amigos y el equipo US Racing. Por acompañarme y enseñarme tanto en esta etapa universitaria y sentir que sin ellos nada de esto hubiera sido posible.

Resumen

El objetivo de este proyecto es diseñar el sistema de baja tensión de la motocicleta eléctrica con la que el equipo US Racing competirá en la VI edición del campeonato internacional Motostudent. Este sistema de baja tensión estará formado por telemetría y circuito de arranque y desconexión. En este proyecto se pretende llevar a la práctica todos los conocimientos adquiridos durante los años universitarios y plasmar el trabajo realizado de manera clara para ayudar a futuros integrantes del equipo.

El proyecto se verá supeditado por el reglamento de la competición, el cual establece las funciones mínimas que debe desempeñar el sistema. Por otro lado, influirá notablemente en el trabajo de otros departamentos del equipo para así conseguir un resultado final equilibrado y óptimo al implantarse físicamente en el prototipo.

Sin duda alguna este proyecto es un gran reto, pues es la primera vez en la historia del equipo US Racing que se pretende competir en la categoría Electric diseñando un prototipo con propulsión 100% eléctrica.

Abstract

The project objective is to design a low voltage system for the electric motorcycle with the one the US Racing team will compete in the VI edition of the international Motostudent Championship. This low voltage system will be made up of telemetry and a start-up and disconnection circuit. With this project, I’ll be implementing all the knowledge acquired during my academic career as well as reflecting the work done in a clear way to be able to help future members of the team.

This project will be subject to the competition regulations, which stablishes the minimum of functions that the system must perform. On the other hand, it will notably influence the work of other team departments in order to achieve a balanced and optimal final result when physically implemented in the prototype proposed.

There is no doubt this project is a big challenge as it is the first time in the history of the US Racing team that it is intended to compete in the Electric category through the design of a 100% electric propulsion prototype.

14

Índice

Agradecimientos 9

Resumen 11

Abstract 13

Índice 14

Índice de Figuras 16

1 Introducción 18

1. 1 ¿Qué es Motostudent? 18

1. 2 US Racing 19

1. 3 La motocicleta eléctrica 20 1. 3. 1 Introducción 20 1. 3. 2 Historia de la motocicleta eléctrica 20 1. 3. 3 Ventajas y desventajas 22 1. 3. 4 MotoE 23

1. 4 Objetivo y alcance 24

2 Estado del arte 25

2. 1 Telemetría 25 2. 1. 1 Origen de la telemetría en el motociclismo de competición 25 2. 1. 2 Funciones de la telemetría 28 2. 1. 3 Aplicaciones de la telemetría 29 2. 1. 4 Sistemas actuales de telemetría en motocicletas 30

2. 2 Circuito de arranque y desconexión de una motocicleta eléctrica 36 2. 2. 1 Componentes destacados de alta tension 36 2. 2. 2 Sistema de baja tensión 39

3 Diseño 42

3. 1. Introducción 42

3. 2 Especificación de requisitos 43

3. 3 Telemetría 45 3. 3. 1 Definición del problema 45 3. 3. 2 Antecedentes 48 3. 3. 3 AIM MXm 56 3. 3. 4 Sensores 60 3. 3. 5 Comunicación CAN-BUS 62

3. 4 Circuito de arranque y desconexión 63 3. 4. 1 Introducción 63 3. 4. 2 Definición del circuito de arranque y desconexión 64 3. 4. 3 Esquema eléctrico 65

3. 4. 4 Dimensionamiento y direccionamiento del cableado 70 3. 4. 5 Protecciones 73 3. 4. 6 Esquema final 74

4 Conclusiones, líneas futuras e impacto 77

4. 1 Conclusiones 77

4. 2 Líneas futuras 78

4. 3 Impacto 79

5 Presupuesto 80

5. 1 Coste de los materiales 80

5. 2 Coste de la mano de obra 81

5. 3 Coste total del proyecto 81

6 Anexo 82

6. 1 Instalación del software race studio 3 y configuración de la tarjeta de adquisición MXm 82

7 Bibliografía 85

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ÍNDICE DE FIGURAS Ilustración 1: Equipos participantes en V edición Motostudent 18 Ilustración 2: Motocicleta del equipo US Racing 19 Ilustración 3: Logo Motostudent Electric 20 Ilustración 4: Peugeot Scoot’elec 21 Ilustración 5: Harley-Davidson LiveWire 22 Ilustración 6: Motocicleta MotoE 24 Ilustración 7: Antonio Cobas posando con una motocicleta 26 Ilustración 8: Ramón Aurín trabajando con Jorge Lorenzo 27 Ilustración 9: Ramón Aurin con Dani Pedrosa 28 Ilustración 10: Telemetría para monitorizar el pulso cardiaco 30 Ilustración 11: Diablo Super Biker 31 Ilustración 12: DigiHUD Speedometer 31 Ilustración 13: Race Sense 32 Ilustración 14: Telemetría 2D 33 Ilustración 15: Interfaz 2D 34 Ilustración 16: Interfaz AIM 35 Ilustración 17: Señal GPS circuito de velocidad de Jerez en Google Earth 35 Ilustración 18: Señal GPS curva Dry Shark en Google Earth 36 Ilustración 19: Batería de 72 V 37 Ilustración 20: Controlador inversor DC/AC 38 Ilustración 21: Motor eléctrico 39 Ilustración 22: Interruptores de arranque 40 Ilustración 23: Esquema eléctrico de una motocicleta eléctrico 41 Ilustración 24: Diseño final de la motocicleta eléctrica de US Racing 43 Ilustración 25: Distancias de separación 44 Ilustración 26: Esquema de un sistema de adquisición de datos 46 Ilustración 27: Circuito convertidor intensidad-voltaje 46 Ilustración 28: Circuito amplificador 47 Ilustración 29: Arduino Mega 2560 48 Ilustración 30: Sensor temperatura LM35DZ 50 Ilustración 31: Acelerómetro ADXL345 51 Ilustración 32: GPS Venus 51 Ilustración 33:Tarjeta/display AIM MXm 57 Ilustración 34: Componentes AIM MXm 58

Ilustración 35: Pines AIM MXm 59 Ilustración 36: Cables y canales de AIM MXm 59 Ilustración 37: Cables que quedan sin conectar 60 Ilustración 38: Sensor LVDT delantero 61 Ilustración 39: Sensor de temperatura 62 Ilustración 40: Esquema comunicación CAN-BUS 62 Ilustración 41: Esquema Bender 64 Ilustración 42: Circuito de desconexión base 66 Ilustración 43: Circuito de baja tensión 67 Ilustración 44: Señales de telemetría 67 Ilustración 45: Potenciómetro 69 Ilustración 46: Sensor de temperatura 69 Ilustración 47: Voltímetro de la batería principal 69 Ilustración 48: Señales del controlador 70 Ilustración 49: Señales del Bender y BMS 70 Ilustración 50: Fusible, interruptor y batería de baja tensión 70 Ilustración 51: Caja de distribución 71 Ilustración 52: Esquema final 75 Ilustración 53: Portal de descarga de Race Studio 83 Ilustración 54: Elección de tarjeta 83 Ilustración 55: Lista de sensores y canales 84 Ilustración 56: Configuración de una señal 84

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1 INTRODUCCIÓN 1. 1 ¿Qué es Motostudent?

Motostudent es una competición internacional de motociclismo promovida y organizada por Moto Engineering Foundation (MEF) y TechnoPark Motorland. Participan en ella universidades de todo el mundo, dotando a los estudiantes la posibilidad de aplicar todos los conocimientos adquiridos durante su formación a un proyecto real como es el diseño y posterior fabricación de un prototipo de motocicleta de competición. La competición se divide en dos categorías: moto de combustión y moto de propulsión eléctrica.

Se desarrolla cada dos años en el circuito internacional de Motorland, en Alcañiz. En la última edición se produjo un récord de participación llegando a cuatro continentes con más de 70 equipos inscritos, destacando universidades de India, Canadá, Brasil y Colombia.

La organización suministra a cada equipo un kit básico para utilizar como base del diseño del proyecto. Este kit está compuesto por motor, llantas, sistema de frenos y neumáticos. Además, otorga una normativa técnica cuyo cumplimiento es obligatorio para dar por homologada la motocicleta en la competición. Así, todos los equipos tienen el mismo “enunciado del problema”.

Ilustración 1: Equipos participantes en V edición Motostudent

Las fases que forman Motostudent son las siguientes:

• MS1: Esta formada por la evaluación de una serie de entregas a los organizadores explicando y desarrollando las medidas tomadas para el diseño del prototipo. Estas entregas deben incluir los cálculos y simulaciones que garantizan el correcto comportamiento de la motocicleta. También incluye un proyecto de industrialización y otro de innovación.

• MS2: Esta fase se desarrolla en tres momentos. En primer lugar, se realizan pruebas estáticas: pruebas estructurales, del sistema de seguridad y frenada. Posteriormente se procede a la realización de pruebas dinámicas, evaluando el comportamiento del prototipo en el circuito. Finalmente, se procederá con los tests de aceleración, frenada y versatilidad. Esta fase termina con el evento final y ocupa por completo el fin de semana. Consta de dos entrenamientos libres, la clasificación para formar orden en la parrilla de salida y la carrera.

En definitiva, Motostudent es un desafío precioso para los estudiantes, donde tienen la oportunidad de plasmar todos sus conocimientos adquiridos a lo largo de su formación en el desarrollo de un prototipo de competición que posteriormente será medido frente a otras universidades en un marco internacional.

1. 2 US Racing

La Universidad de Sevilla, y especialmente La Escuela Técnica Superior de Ingeniería, han apostado desde el primer momento en este proyecto, entendiendo la competición como una forma de potenciar los conocimientos técnicos de los alumnos y enfrentarlos a situaciones reales que tendrán que superar en el marco de la competición.

US Racing es una de las 23 universidades que llevan compitiendo en Motostudent desde que se creó dicha competición en 2009. Su objetivo era crear una motocicleta de 125cc y 2T. En posteriores ediciones, debido al cambio de categoría de MOTOGP de 125cc a 250cc, se comenzaron a utilizar motores de 4T de 250cc. No fue hasta 2014 cuando se implantó la nueva categoría “Electric”, dando la oportunidad a las universidades de competir con motocicletas 100% eléctricas.

En estas 5 ediciones, US Racing siempre ha competido en la categoría “Petrol”, pero este año el equipo ha Ilustración 2: Motocicleta del equipo US Racing

20

decidido transformarse y focalizar todo su esfuerzo en el diseño de una moto completamente eléctrica. El equipo ha apostado por la eficiencia y las energías renovables para promover la movilidad eléctrica.

Sin duda alguna es un reto complicado y ambicioso, pero nos obliga a salir de “la zona de confort” para trabajar y, sobre todo, aprender en aspectos nuevos del diseño del prototipo.

1. 3 La motocicleta eléctrica

1. 3. 1 Introducción

La definición de motocicleta eléctrica es muy sencilla, es simplemente una motocicleta que utiliza un motor eléctrico como medio de propulsión y, por tanto, no produce ni contaminación acústica ni atmosférica.

Hoy en día, los vehículos eléctricos han irrumpido en el mercado de la automoción como la novedad y futuro de este sector. Esto se debe a que la contaminación de las grandes ciudades preocupa a los ciudadanos, ya que cada vez existe una mayor conciencia medioambiental y surge la necesidad de reducir la emisión de sustancias nocivas. Además, en grandes ciudades se están empezando a tomar medidas para reducir esta contaminación, restringiendo el tránsito de vehículos de combustión y creando políticas para impulsar las ventas de vehículos eléctricos. Debido a esto, si se pasea por el centro de una gran ciudad no es difícil encontrar múltiples vehículos eléctricos como coches, motocicletas, patinetes o bicicletas.

1. 3. 2 Historia de la motocicleta eléctrica

Contrariamente a lo que uno pueda pensar, la historia de la motocicleta eléctrica es muy antigua. Comenzó en 1865 en Ohio cuando el ingeniero Ogden Bolton Jr solicitó la primera patente para una bicicleta eléctrica.

En la primera mitad del siglo XX, múltiples ingenieros americanos trabajaron e intentaron desarrollar una comercialización de motocicletas eléctricas pero debido a la escasa tecnología disponible no fueron capaces de llevarla a cabo. No obstante, es importante destacar el trabajo que realizaron fabricantes como Sims & Jefferies,

Ilustración 3: Logo Motostudent Electric

Socovel o Indian Motorcycle. En 1973 Mike Corbin estableció el primer récord de velocidad punta de una motocicleta eléctrica, llegando a alcanzar los 162 km/h. Un año más tarde su propia empresa conseguiría finalmente sacar al mercado prototipos eléctricos [1].

Pero no fue hasta 1992, en la Feria de los Inventos de Buenos Aires, cuando se produjo el punto de inflexión en este tipo de vehículos. El argentino Roberto Eugenio Gentile presentó al público un vehículo de dos ruedas propulsado 100% por energía eléctrica, capaz de coger velocidades de hasta 65 km/h con una autonomía propia de 50 kilómetros. Este hecho desencadenó múltiples avances en el sector, revelando a la sociedad que no se encontraba tan lejos de implantar el vehículo eléctrico como herramienta de transporte.

En 1993 Peugeot sacó al mercado el primer scooter totalmente eléctrico fabricado en serie con destino comercial. El modelo se llamó Scoot’elec y reutilizó los elementos de carrocería y suspensión del modelo de combustión Zenith. El ión-litio no se había implantado todavía en baterías y se usaban baterías compuestas por níquel-cadmio (NiCd), populares entonces para pilas recargables usadas en el ámbito doméstico. El Scoot’elec estaba compuesto por tres baterías colocadas entre los pies del conductor y por detrás de ellos, logrando así un centro de gravedad muy bajo. Su motor DC generaba 2,8 kW de potencia pero al estar homologado el prototipo a la categoría de ciclomotor, su velocidad máxima estaba limitada a 45 km/h.

Actualmente la motocicleta eléctrica está completamente instaurada en el mercado de la automoción. La matriculación de este tipo de vehículo ha tenido una subida exponencial, pasando de las 9614 unidades eléctricas en 2012 a las 43463 en 2018. Este movimiento ha conllevado a la aparición de múltiples fabricantes, donde destacan empresas como Zero Motorcycles, Bereco, Brammo o Volta. Además, debido a la demanda en el mercado, grandes fabricantes legendarios de motocicletas como BMW o Harley-Davidson no han dudado en incluir un modelo eléctrico en sus escaparates.

Ilustración 4: Peugeot Scoot’elec

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La Harley-Davidson LiveWire es el mejor ejemplo de evolución y desarrollo eléctrico. El modelo de 2020 cuenta con 105 CV ó 78 KW, permitiendo pasar de 0 a 100 km/h en solamente 3 segundos. Por otro lado, ha conseguido alargar la autonomía del vehículo, llegando a 158 kilómetros en ciudad. Pero lo más interesante es la optimización del tiempo de carga de la batería, implementando un modelo de carga rápida DC que permite pasar del 0% al 80% de carga de batería en solamente 40 minutos [2].

1. 3. 3 Ventajas y desventajas

Una vez introducida y desarrollada la historia de las motocicletas eléctricas, es importante conocer los aspectos positivos y negativos que estas conllevan, siempre comparándolas con las motocicletas convencionales o de combustión:

Ventajas

• Necesitan un menor mantenimiento: Este mantenimiento es más sencillo y económico, evitando los cambios de aceites y provocando reparaciones más higiénicas.

• La carga eléctrica es más barata que la gasolina: una de las ventajas más importante es que sale más económico realizar una carga eléctrica que llenar el depósito de una moto de combustión.

• No desprende olores en funcionamiento: al no funcionar con gasolina, no deja la estela de olores propios de este combustible.

• No hacen ruido: una de las mayores quejas de la sociedad contra las motos es el ruido excesivo que generan. La moto eléctrica es silenciosa y debido a la propulsión eléctrica no necesita tubos de escape.

• No generan emisiones contaminantes: al no expulsar gases nocivos, el impacto medioambiental del vehículo decrece drásticamente.

Desventajas

Ilustración 5: Harley-Davidson LiveWire

• Ahora mismo es más cara: pese a que existen subvenciones, ahora mismo el precio de media de una motocicleta eléctrica es mucho más alto que el precio de una de combustión. Al llevar escaso tiempo implantada en el mercado, ahora mismo la optimización de la tecnología eléctrica es mucho menor que la de combustión, elevando su precio.

• Es difícil encontrar puestos de carga: frente a las numerosas estaciones de servicio existentes, todavía se hace costoso encontrar en carretera o ciudad puestos que te puedan dar toma de corriente.

• El repostaje es más largo: la diferencia entre ambos métodos es abismal, tardando alrededor de una hora la motocicleta eléctrica y tres minutos la de combustión.

• Menor velocidad: Por regla general las motos eléctricas no consiguen llegar a velocidades puntas muy altas.

• Baterías con vida limitada: Al igual que las baterías de los móviles, pueden bajar su rendimiento y perder capacidad debido a factores externos como el frío. Esto es una gran desventaja ya que la batería puede ser el elemento más caro de la motocicleta.

• El silencio: paradójicamente para muchas personas puede resultar una desventaja. El mundo del motor siempre ha estado asociado al sonido, además, la falta de ruido puede ocasionar accidentes de los peatones.

1. 3. 4 MotoE

Las motos eléctricas ya son una realidad en las ciudades, pero también están creciendo en el mundo de la competición.

En 2019, la FIM (Federación Internacional de Motociclismo) crea el primer campeonato del mundo formado por prototipos totalmente eléctricos. Este campeonato se llama MotoE Worldchampionship y es una iniciativa para publicitar la moto eléctrica en la sociedad actual. Esta nueva categoría tiene un escaparte inmejorable, compartiendo paddock y circuito con MotoGP, Moto2 y Moto3. Además, los equipos poseerán boxes llamados E-Paddock, con todos los servicios y herramientas eléctricas necesarias.

La motocicleta será la misma para todos los equipos, la Energica Ego Corsa de la marca italiana Energica. Este modelo está desarrollado exclusivamente para esta competición y se seguirá evolucionando para mejorar las prestaciones de los prototipos. Compuesto con un motor eléctrico de imanes permanentes, ofrece una potencia de unos 160 CV con solo 260 kilogramos de peso. Se estima que puedan llegar a velocidades puntas de 270 km/h. En cuanto a la batería, su capacidad ronda en unos 20 kWh. Es un prototipo totalmente diseñado y fabricado para la competición, montando sistema de frenos Brembo, suspensiones Ohlins y llantas Marchesini [3].

Las carreras durarán entre 8 y 10 vueltas, dependiendo de la longitud del circuito. La autonomía de las baterías será uno de los puntos claves de la categoría, donde será fundamental encontrar el equilibrio entre velocidad y gestión para llegar a la línea de meta.

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1. 4 Objetivo y alcance

El propósito principal de este trabajo es el desarrollo de un sistema de baja tensión adaptado al prototipo de motocicleta eléctrica que se presentará en la VI edición de Motostudent por el equipo US Racing.

Este trabajo se verá supeditado por el reglamento de la competición, el cual establece las funciones mínimas que debe desempeñar el sistema. Por otro lado, influirá notablemente en el trabajo de otros departamentos del equipo como el departamento de estructural o el departamento de fluidodinámica, para así conseguir un resultado final equilibrado y óptimo al implantarse físicamente en el prototipo.

Dentro de este sistema, destacan tres partes:

1. Implementación de la telemetría. 2. Circuito de arranque y desconexión manual de la motocicleta. 3. Conectividad de la telemetría con el BMS (Battery Management System) mediante el protocolo CAN.

Ilustración 6: Motocicleta MotoE

2 ESTADO DEL ARTE

2. 1 Telemetría

La telemetría se define como tecnología capaz de proporcionar la medición remota de magnitudes físicas y enviar la información hacia un dispositivo. El término viene del griego: tele, distancia y metron, medida.

Hoy en día, la electrónica tiene mucho peso dentro del mundo del motor y de la competición. Se ha producido tal desarrollo de potencia en los motores, que ha surgido la necesidad de controlar e implementar un potente sistema eléctrico que configure y muestre el comportamiento del prototipo de competición en pista. Aquí aparece la telemetría, donde mediante diversos sensores instalados en la motocicleta, el ingeniero es capaz de mejorar las prestaciones de la motocicleta a partir de los datos recibidos.

Esta tecnología ha sufrido una increíble evolución, por lo que es necesario analizar y sintetizar su desarrollo en el mundo del motociclismo de competición.

2. 1. 1 Origen de la telemetría en el motociclismo de competición

Pese a que el inicio del motociclismo de competición se remonta al inicio del siglo XX, no fue hasta 1990 cuando se empezó a implementar la telemetría. Aquí es cuando aparece un ingeniero catalán llamado Antonio Cobas, padre de la telemetría en el mundial de motociclismo. Él y su pupilo, Ramón Aurín, fueron los primeros en realizar investigaciones y comenzar a introducir esta tecnología en los prototipos de competición. Estos dos ingenieros españoles implementaron con éxito toda la tecnología de sistemas telemétricos que ya existían en el mundo de la aviación o automoción comercial.

Antonio Cobas (1952-2004) era un adelantado a su tiempo, visionario y que nunca paró de proponer innovaciones en el mundo del motor y de la competición. Realizó múltiples estudios y trabajos de los elementos estructurales de una motocicleta, destacando el chasis. Era un apasionado de la tecnología y en 1982 adquirió su primer ordenador y comenzó a desarrollarse como programador. Su objetivo era implementar todos los avances que existían en la Formula 1 en el mundo del motociclismo [4].

En 1989 sus investigaciones dieron la vuelta al mundo. Puso en funcionamiento un equipo de sensores repartidos por toda la estructura de la motocicleta e hizo campeón del mundo de 125 c.c a un Alex Crivillé de tan solo 17 años. Sin duda alguna había encontrado la forma perfecta, nunca antes vista, de perfeccionar la puesta a punto de la máquina.

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Este hecho puso en evidencia la necesidad e importancia de la telemetría. Es en este momento cuando Antonio Cobas busca un colaborador en su proyecto y aparece la figura de Ramón Aurín, naciendo la profesión de telemétrico.

Ramón Aurín finalizó los estudios universitarios en 1990. Tras haber impartido clases de Física y Matemáticas en un centro educativo, un día leyendo el periódico se encontró con un anuncio de trabajo para un equipo de motocicletas de competición. Pese a que el salario no era muy elevado, Ramón se presentó a la entrevista. El anuncio era de Antonio Cobas, que buscaba una persona con sólidos conocimientos electrónicos e informáticos que le permitieran continuar su desarrollo telemétrico. Tal fue la sorpresa que causó Ramón Aurín en la entrevista, que una semana más tarde ya estaba trabajando en el GP de Bélgica como analista de telemetría.

Ramón Aurín finalizó los estudios universitarios en 1990. Tras haber impartido clases de Física y Matemáticas en un centro educativo, un día leyendo el periódico se encontró con un anuncio de trabajo para un equipo de motocicletas de competición. Pese a que el salario no era muy elevado, Ramón se presentó a la entrevista. El anuncio era de Antonio Cobas, que buscaba una persona con sólidos conocimientos electrónicos e informáticos que le permitieran continuar su desarrollo telemétrico. Tal fue la sorpresa que causó Ramón Aurín en la entrevista, que una semana más tarde ya estaba trabajando en el GP de Bélgica como analista de telemetría.

En esos momentos, una telemetría básica constaba de sensores, cableados y una ECU (centralita). La base de esta tecnología venía del mundo de los coches de competición y al tenerse una mayor restricción de espacio en una motocicleta, el tamaño de estos componentes fue su principal problema. Para resolver este grave inconveniente, Antonio Cobas y Ramón Aurín tuvieron que desarrollar su ingenio, escogiendo componentes electrónicos más pequeños pero con peores prestaciones e intentando ahorrar espacio en lo máximo posible. Por ello modificaron el depósito de gasolina, reduciendo su tamaño original a la mitad para poder tener espacio para colocar la electrónica. Pese a tener pocos canales de información y una memoria de almacenamiento con muy poca capacidad, 256K, lograron su objetivo, llegando a representar los datos recopilados en gráficas. Estas gráficas mostraban señales como las revoluciones por minuto, velocidad, elongación de las suspensiones y posición del gas en el puño.

Ilustración 7: Antonio Cobas posando con una motocicleta

Actualmente Ramón Aurín lleva dedicándose y trabajando como telemétrico 20 años. Su figura en el paddock es sinónimo de éxito, pasando por diversas escuderías consiguiendo en la mayoría de ellas grandes resultados. Su cronología profesional se muestra en la siguiente tabla [5]:

AÑO EQUIPO PILOTO

1990-1991 JJ Cobas Álex Crivillé

1992 Campsa Honda Pons Álex Crivillé

1993 Marlboro Honda Pons Álex Crivillé

1994 Ducados Honda Pons Alberto Puig

1995-1996 Fortuna Honda Pons Alberto Puig, Carlos Checa, Sete Gibernau

1997-1999 Movistar Honda Pons Alberto Puig, Carlos Checa, Sete Gibernau

2000 Emerson Honda Pons Alex Barros

2001-2002 West Honda Pons Alex Barros, Loris Capirossi

2003-2005 Camel Honda Pons Max Biaggi

2005- ACTUALIDAD Repsol Honda Team

Nicky Hayden, Andrea Dovizioso, Dani Pedrosa, Jorge Lorenzo, Jack Miller,

Takaaki Nakagami

Tabla 1: Cronología profesional de Ramón Aurín

Ilustración 8: Ramón Aurín trabajando con Jorge Lorenzo

28

2. 1. 2 Funciones de la telemetría

Recopilación de datos:

Se instalan múltiples sensores en zonas claves del vehículo con el objetivo de medir parámetros

de vital importancia como por ejemplo velocidad, ubicación, temperatura, elongación, etcétera.

Uso de aparatos externos al equipo:

Esta información transformada en datos nunca es recogida por el mismo aparato que se está midiendo. Al ser recogida por aparatos externos, no interfieren en el funcionamiento principal del sistema ni es necesario desmontar las piezas originales para su instalación. Por ejemplo, los sensores nunca tocan los equipos directamente.

Transmisión a un dispositivo emisor instalado en el vehículo:

Los datos recogidos por los sensores son enviados al sistema emisor que procederá con el envío de los datos. Este envío puede ser alámbrico o inalámbrico.

Tratamiento de datos:

Los datos recogidos serán convertidos y transformados a magnitudes comunes que faciliten su comprensión. Muchos sensores analógicos dan medidas de entre 0-255 bits y es necesario un tratamiento de esos datos.

Ilustración 9: Ramón Aurin con Dani Pedrosa

Interfaz:

Igual de importante que la adquisición de datos es poder mostrarlas de manera sencilla mediante gráficas. No sirve de nada tener muchos datos si después no se pueden interpretar. Para ello existen múltiples interfaces que trabajan para dar ese servicio.

2. 1. 3 Aplicaciones de la telemetría

La adquisición de datos es utilizada en múltiples campos y disciplinas. Debido a esto es importante diferenciar su uso dentro del mundo del motociclismo y fuera. Para empezar, se analizarán los distintos tipos de ámbitos en los que se implementa la telemetría para posteriormente enfatizar en el uso de la competición [6].

Las aplicaciones más destacadas fuera del motociclismo son:

Red de suministro eléctrico y gas:

Gracias a la telemetría se puede monitorizar todas las fuentes de energía desde un centro de control. Esta implementación avisa de fugas o robos externos de forma inmediata. Conlleva una importante reducción de los gastos operativos.

Monitorización de plantas solares o eólicas:

Debido a los mismo que en el suministro eléctrico, la telemetría dota de gran información a la empresa del estado de las plantas. Es por eso que casi todas las grandes compañías hayan implementado esta tecnología.

Medicina:

Puede ser la aplicación más importante ya que conlleva directamente a salvar vidas. Complejos sistemas se encargan de medir, registrar y transmitir datos útiles del paciente. Estos datos facilitan en considerable medida el seguimiento de este y su diagnóstico. Además, monitoriza el corazón, avisando al asistente sanitario con celeridad ante cualquier comportamiento anómalo.

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Medición de plantas químicas:

Trabajar con residuos químicos es una actividad sumamente peligrosa que se rige por estrictas normas de seguridad. Con la telemetría se monitoriza las máquinas de las fabricas para garantizar el trabajo en las condiciones óptimas estipuladas. Para ello se instalan sensores de temperatura, humedad, velocidad, proximidad, etcétera.

2. 1. 4 Sistemas actuales de telemetría en motocicletas

El aumento de la tecnología electrónica ha originado un gran desarrollo en la telemetría. Por ello, esta herramienta ya se puede encontrar en cualquier marco, no solo en un circuito. Debido a esto, se dividirán los sistemas telemétricos en función de su ámbito aplicación, comenzando por un uso orientado a los aficionados moteros y terminando por los más complejos y utilizados en MotoGP.

Aplicaciones de móvil

Este tipo de telemetría permite a los aficionados conocer parámetros de su moto o ruta de una forma muy sencilla y prácticamente gratis. Utilizan un software cuyo objetivo es exprimir al máximo los datos que captan los sensores originales del propio móvil. Para ello se apoyan de las señales que dan el GPS y los giróscopos para posteriormente mostrar datos que el dashboard de la moto no muestra. Algunos ejemplos de estas aplicaciones son:

o Diablo Super Biker:

Esta aplicación gratuita fue creada por uno de los principales fabricantes de neumáticos del mundo, Pirelli. Al tener los componentes esenciales de una telemetría, permite al usuario medir su

Ilustración 10: Telemetría para monitorizar el pulso cardiaco

rendimiento en tiempo en real, tanto en la calle como en el circuito. Esta aplicación te muestra localización GPS, velocidades instantáneas, medias y máximas, incluso hasta el grado de inclinación. Además, Diablo Super Biker dispone de más de 100 circuitos internacionales, permitiendo al piloto cronometrar sus tiempos y compartirlos con otros usuarios [7].

o DigiHUD Speedometer:

Desarrollada por Jame Moss, la aplicación transforma al móvil en un moderno dashboard digital al estilo MotoGP. Utiliza la señal GPS para imprimir las velocidades y distancias recorridas. Presenta una amplia gama de ajustes de pantalla para que el usuario la pueda configurar en función de sus gustos personales [8]. Se encuentra para iOS y Android y es gratuita.

Ilustración 11: Diablo Super Biker

Ilustración 12: DigiHUD Speedometer

32

o Race Sense:

Software con cobertura para iOS y Android. Cuenta con como colaborador con el ex piloto de MotoGP Anthony West. Su precio es de 9,90 euros y es capaz de registrar los datos básicos de una telemetría comercial. Velocidades, aceleraciones lineales y laterales, inclinaciones y posiciones son datos que la aplicación nos muestra. A parte de brindar la posibilidad de compartir con otros usuarios los propios registros, la aplicación va acompañada de un programa de ordenador que permite realizar un análisis más completo de las medidas [9].

Sistemas profesionales de telemetría

Son utilizados en las grandes competiciones del mundo del motor como Formula 1 y MotoGP. Estos sistemas están formados por múltiples sensores (temperatura, acelerómetros, lambda,etc) que envían las señales a una centralita que sirve de almacenamiento de los datos. Adquieren la información con la máxima resolución y precisión posible, dotando a los ingenieros de mucha información del estado del vehículo en la pista.

Debido a esto, los ingenieros pueden utilizar estos datos para regular parámetros. Pueden cambiar comportamientos como el control de tracción, el anti-wheelie o la entrega de potencia, resultando muy útil para proporcionar a los pilotos los reglajes con los que se sienten más seguros y cómodos.

o 2D:

Ilustración 13: Race Sense

2D & Diebold es una de las empresas de tecnología electrónica más punteras del automovilismo de alto nivel. Esta empresa alemana ofrece un soporte especializado para los equipos de Formula capaz de adquirir, grabar y evaluar los datos medidos. Posee un amplio catálogo de sensores, data loggers y extensiones para aumentar las mediciones. Además, todos los canales de comunicación llevan implementado el bus CAN, mejorando la fiabilidad de las medidas. En la siguiente imagen se muestra mejor el sistema de adquisición de datos:

2D ofrece un software propio llamado WinaRace, compuesto por tres programas que facilitan la

configuración del sistema e interpretación de los datos. Estos programas son [10]:

-Explorador de eventos: permite gestionar las citas -WinIt: configura los módulos de comunicación

-Analizador: muestra los datos almacenados

Ilustración 14: Telemetría 2D

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o AIM:

AIM es la proveedora electrónica oficial del campeonato del mundo de MotoGP. Al igual que 2D, ofrece en su catálogo todos los dispositivos necesarios para montar una telemetría precisa de competición. Destacan sus kits plug and play, facilitando en gran medida al cliente la implementación de su tecnología. Proporciona un software propio, Race Studio 2, mediante el cual permite al usuario programar las comunicaciones y visualizar los datos.

Ilustración 15: Interfaz 2D

Ilustración 16: Interfaz AIM

Este es un ejemplo de telemetría AIM implementada en una Yamaha R6 en el circuito de velocidad de Jerez de la Frontera. Los sensores utilizados has sido los siguientes:

-Sensor lambda: informa de la cantidad de oxígeno presente en el gas de escape procedente de la combustión del motor.

-Sensor de revoluciones del motor: muestra las revoluciones por minuto del motor.

-Sensor gas: este sensor, también llamado TPS, indica de manera instantánea el recorrido del acelerador del puño.

-Sensor suspensión delantera: en la gráfica se corresponde con HORQUILLA, útil para saber el recorrido de la suspensión delantera, configurar la precarga de esta y marcar los puntos de frenada.

-Sensor suspensión trasera: se corresponde con AMORTIGUADOR. Dato importante para conocer las prestaciones de la motocicleta acelerando y que se produzca un caballito (wheelie).

Por otro lado, el software permite extraer los datos GPS a Google Earth, permitiendo al piloto y técnicos conocer la trazada exacta realizada por la pista.

Ilustración 17: Señal GPS circuito de velocidad de Jerez en Google Earth

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2. 2 Circuito de arranque y desconexión de una motocicleta eléctrica

El circuito de arranque de una motocicleta eléctrica tiene muchas similitudes con el de una de combustión. No obstante, al aparecer un motor eléctrico sustituyendo al de gasolina, aparecen nuevos componentes ineludibles para el funcionamiento de la máquina.

Para introducir este sistema se explican los componentes electrónicos de mayor relevancia indispensables para el funcionamiento del vehículo.

2. 2. 1 Componentes destacados de alta tension

Batería

La batería es el elemento más caro, pesado y de mayor tamaño encima de la motocicleta, por lo que adquiere una importancia fundamental.

Ilustración 18: Señal GPS curva Dry Shark en Google Earth

Una batería, por definición es un acumulador de electricidad. Almacena energía eléctrica utilizando procesos electroquímicos. En el caso de los vehículos eléctricos, hace falta que estas baterías tengan un proceso electroquímico reversible, habilitando la opción de cargarlas y recargarlas.

Como generador eléctrico del motor, la elección o fabricación de la batería conlleva un complejo estudio técnico. Cada prototipo tiene su función y es distinta la batería que necesita una scooter eléctrica que una moto del mundial de MotoE. Por ello, hay varios parámetros de la batería que hay que conocer:

§ Tensión que proporciona cada celda (V). Esta tensión se puede modificar añadiendo ristras en serie o paralelo a la batería para conseguir la caída de tensión necesaria.

§ Capacidad. Puede ser el factor determinante a la hora de elección de una batería. Su unidad es Amperios-hora (Ah). No obstante, la referencia en tiempos de carga y descarga se mide en Culombios (C), siendo necesaria la siguiente conversión:

1𝐴ℎ = 3600𝐶

§ Energía capaz de suministrar la batería. Su unidad es Vatios-hora y simplemente es el producto de estas dos magnitudes.

§ Tiempo de carga y descarga. En función de la utilidad de la batería, es muy importante conocer y optimizar el tiempo que tarda en cargarse y descargarse.

Este es un ejemplo de batería utilizada en bicicletas y scooters eléctricas. Formada por 320 pilas, posee

Ilustración 19: Batería de 72 V

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una capacidad de 40 Ah y proporciona una tensión de 72 V.

Controlador

Este dispositivo es el encargado de gestionar la entrega de energía procedente de la batería al motor eléctrico. Es una de las partes más complejas de configurar ya que el controlador permite ser programado para dejar pasar la corriente deseada al motor. Además, trabaja como inversor DC/AC. Este es el objetivo primordial del controlador, transformar la corriente continua de las baterías en alterna para poder alimentar el motor.

A continuación, se muestra el ejemplo de un controlador destinado al uso de una motocicleta eléctrica:

Motor eléctrico:

Es la máquina motriz del vehículo. Transforma la energía eléctrica en forma de corriente altera en energía mecánica de rotación.

El motor asíncrono de imanes permanentes es el más utilizado en este ámbito. Este motor utiliza un campo magnético giratorio generado en el estator y una serie de imanes permanentes instalados en el rotor que giran con el campo del estator. Al ser asíncrono, la velocidad de giro del rotor es distinta a la del campo magnético del estator.

En el mundo de la competición, el objetivo primordial es llegar antes que el rival a la línea de meta, por lo que estos motores son llevados a su máximo rendimiento en busca de obtener sus máximas prestaciones. Por ello sus tensiones e intensidades nominales son muy altas, de alrededor de 150 A y 100 V. Gracias a esto pueden llegar a generar una potencia de 40 kW.

Ilustración 20: Controlador inversor DC/AC

2. 2. 2 Sistema de baja tensión Tras explicar los grandes bloques electrónicos de alta tensión que todo vehículo eléctrico contiene, llegamos al sistema de baja tensión. Este sistema se encarga del circuito de arranque y desconexión y también de la implementación de diversos elementos electrónicos como puede ser la telemetría o alumbrado.

Al ser este sistema de baja tensión, la tensión de alimentación de este circuito oscila entre los 5 y 15V. La obtención de este voltaje se suele realizar de dos formas distintas:

Conversor DC/DC

En todo vehículo eléctrico orientado a la competición coexiste un sistema de alta tensión y otro de baja. Por ello, una forma muy exitosa de conseguir esa bajada de voltaje es implementando un convertidor DC/DC que disminuya el voltaje de alta al nivel deseado. Por ejemplo, muchas scooters eléctricas incorporan este convertidor y un relé para transformar la tensión de 72V a 12V.

Batería externa de 12 V

Este método te permite separar al máximo el circuito de alta tensión y el de baja. En función de los dispositivos que alimente, puede ser que se necesite un convertidor DC/DC extra. Al separar estos circuitos se consigue una mayor seguridad pues el funcionamiento de ambos es casi independiente. No obstante, la ocupación del sistema crece considerablemente al tener que implantar una batería externa.

Ilustración 21: Motor eléctrico

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Realmente el circuito de arranque y parada se asemeja bastante al de las motocicletas de combustión ya que los elementos estructurales y geometría son prácticamente idénticos. Sin embargo, tiene ciertas diferencias porque el método de arranque es distinto, prescindiendo en este caso de motor de arranque y bujía.

Explicado todo esto se pueden enumerar los dispositivos que se utilizan en este tipo de sistemas:

o Interruptor/botón de arranque y llave:

Se localizan en el manillar derecho o izquierdo y su nombre vulgar es “piña”. La llave accionará todo el circuito de baja tensión, activando la pantalla, alumbrado y sensores de caballete. Una vez girada la llave, al pulsar el botón de arranque la moto está lista para el movimiento. En esta piña se suelen incluir botones que aumenten la seguridad del vehículo, como botones de desconexión o aparatos luminosos. Este elemento se llama circuit breaker y consiste en un pulsador que al ser accionado corta por completo la baja tensión del circuito. Casi todas las motocicletas eléctricas de competición incorporan este botón.

o Pantalla o display:

Permite mostrar el comportamiento de la motocicleta al piloto. Sin duda, es uno de los elementos más importantes ya que sin esta pantalla la conducción del vehículo sería totalmente a ciegas. En motocicletas eléctricas se les suele añadir datos adicionales como tensión entre bornas de la batería, porcentaje de batería o algún indicador de alta tensión. Hay de muchos tipos, pero hoy en día las más utilizadas son las digitales que con un llamativo contraste de colores facilita la visión y comprensión de sus imágenes.

o Telemetría:

Ya comentada anteriormente, es otro de los elementos más útiles dentro del mundo de la competición.

Ilustración 22: Interruptores de arranque

o Protecciones:

Para el correcto funcionamiento del sistema es indispensable implementar elementos de protección. Normalmente se utilizan fusibles capaces de cortar aguas arriba de los dispositivos intensidades superiores a las máximas permitidas por estos. De esta forma se evita dañarlos en un error del sistema. Los fusibles instalados suelen estar situados juntos en un portafusibles y, así, la extracción de los dañados es mucho más fácil.

A continuación, se muestra el esquema eléctrico completo de baja tensión de una motocicleta eléctrica. La batería principal es de 72 V y 60Ah, y para el sistema de baja tensión se ha optado por la instalación de una batería de 12 V. Esta última alimenta todo el circuito de arranque, sensores, luces y display [11].

Ilustración 23: Esquema eléctrico de una motocicleta eléctrico

42

3 DISEÑO 3. 1. Introducción

Este proyecto tiene un gran carácter práctico, pues su principal cometido es ser implementado en la motocicleta eléctrica que US Racing fabricará para competir en la competición internacional de Motostudent.

El diseño del sistema de baja tensión conlleva una continua interacción entre los departamentos del equipo para conseguir el objetivo de todos ellos: crear una motocicleta fiable que compita con altas prestaciones.

A continuación, se muestras las influencias de este trabajo con otros departamentos:

• Departamento de estructural

Encargado de diseñar y fabricar las partes susceptibles a esfuerzos y de motocicleta. Además, son los encargados de situar el motor eléctrico. Chasis, subchasis, basculante y estriberas son parte de su trabajo. Estos elementos al soportar grandes fuerzas tienen un gran tamaño, por lo que marcan la dimensión disponible dentro de la motocicleta.

• Departamento de fluidodinámica

Diseñan el carenado y la refrigeración de los componentes de la motocicleta para evitar el sobrecalentamiento y conseguir aerodinámica.

• Departamento de electrónica

Sin duda, es el que más interacciona con este proyecto. Es indispensable una gran comunicación ya que afecta a distintos sistemas que, finalmente, tienen que engranar perfectamente sin dar fallos. Se encarga de:

o Acumulador: Batería y BMS o Controlador: Inversor o Cargador de batería o Baja tensión: Telemetría y circuito de arranque/desconexión

Se demuestra que la interacción entre todas las partes del equipo es crucial. El espacio disponible en una motocicleta es muy limitado y deben coexistir múltiples sistemas en él. A continuación se muestra el diseño final del prototipo:

3. 2 Especificación de requisitos

Para comenzar con el diseño, lo primero que hay que tener claro son los requisitos que hay que cumplir. La competición incorpora una normativa de obligado cumplimiento y una serie de pruebas estáticas previas a la competición que el prototipo debe pasar para poder competir en el circuito.

El reglamento diferencia entre alta y baja tensión, formando parte de esta segunda todo circuito o parte eléctrica con una diferencia de potencial inferior a 40 V.

Unificando los requisitos del reglamento y las necesidades de prestaciones que el prototipo demanda, se ha realizado una lista enunciando las restricciones y obligaciones a cumplir en el proyecto [12]:

• No se permite el uso de sistemas electrónicos que controlen o ayuden la conducción del vehículo, tales como ABS, control de tracción, anti-wheelie, et

• Están prohibido los sistemas de lectura de telemetría en directo. Por ello, la lectura de los datos adquiridos se realizará en el box utilizando conexión directa por cable a ordenador o a través de sistemas inalámbricos como Wifi o Bluetooth.

• Todos los componentes electrónicos deben ir correctamente fijados en la motocicleta y colocados en zonas seguras de esta.

Ilustración 24: Diseño final de la motocicleta eléctrica de US Racing

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• El aislamiento entre los sistemas de alta y baja tensión deberá de ser galvánico. Se realiza de esta forma para prevenir el traspaso de portadores de carga entre los sistemas.

• Los circuitos de alta y baja tensión deben estar separados físicamente. Si alguna parte de ambos sistemas se encuentran localizadas en un mismo contenedor, deben respetar las siguientes medidas:

• Se obliga a instalar un circuito de desconexión del sistema que contenga al menos:

o Un Interruptor General del Sistema de Tracción (Tractive System Master Switch-TSMS).

o Un interruptor de emergencia.

o Un vigilante de aislamiento (Insulation Monitoring Device-IMD).

o El sistema de desconexión gestionado por el BMS.

• Para desconectar el sistema de GLVS (Ground Low Voltaje System) debe colocarse un interruptor general de baja tensión (GLVMS)

• El interruptor de emergencia debe ser una seta roja que se accione pulsando para abrir y girando para cerrar.

• Todos los circuitos de baja tensión deben contener un fusible que proteja el conductor y dispositivo, para evitar que circulen por ellos corrientes semejantes a las máximas admisibles.

• Los cables y conectores deben ir forrados de material aislante, a excepción de las conexiones directas a masa.

• La longitud del cableado debe de ser justa, prohibiendo su enrollamiento. La máxima longitud de cableado sin sujetar es de 15 centímetros.

Ilustración 25: Distancias de separación

• La pantalla o cuadro de instrumentos debe de estar localizada en un lugar visible para el piloto. Debe incluir una señal luminosa roja que se encienda al activarse el sistema de alta tensión.

• El piloto debe ser capaz de activar, reactivar o resetear el sistema de propulsión eléctrica, sin bajarse de la motocicleta.

• La seta de emergencia debe colocarse en un lugar protegido a una caída pero a la vez accesible al piloto.

• El prototipo debe realizar una serie de verificaciones previas:

o Test para comprobar el correcto funcionamiento del dispositivo de vigilancia de aislamiento:

Se colocará una resistencia de 50 kΩ entre el lado de alta tensión y el chasis. Frente a esta situación, el circuito de desconexión deberá abrirse antes de 30 segundos.

o Prueba de medición de aislamiento: Para comprobar el correcto aislamiento entre los sistemas

de alta y baja tensión, se medirá su aislamiento. Este valor debe ser igual o superior a 100kΩ.

o Prueba del circuito de desconexión: Para comprobar el correcto funcionamiento del Interruptor

General y del Interruptor de Emergencia. Al accionarse cualquiera de los dos deberá aparecer el valor 0 V en el dashboard. Esto significará que se han abierto correctamente los contactores del acumulador de baterías.

3. 3 Telemetría

Es uno de los pilares de este proyecto. Pese a que la ausencia de este sistema no conlleva ningún problema dinámico del prototipo, su implementación es una útil herramienta para conocer el comportamiento de este. Además, los datos adquiridos se pueden utilizar de múltiples formas, desde su interpretación para mejorar el rendimiento del vehículo en pista, hasta usarlos como bases de estudios dinámicos para próximos diseños.

3. 3. 1 Definición del problema

El objetivo de este subsistema es conseguir la adquisición de datos a través de sensores de manera precisa. Este no es un proceso fácil, por lo que suele utilizarse un acondicionamiento de señal. A continuación, se muestra el esquema de un proceso de adquisición de datos.

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Ilustración 26: Esquema de un sistema de adquisición de datos

Se define acondicionamiento de señal como generación, a partir de la información obtenida por los sensores, de una señal válida para las tarjetas de adquisición de datos. Las tarjetas suelen admitir rango de tensión específicos como de -10V a 10V ó 0 a 5V. Si la señal no entra en ese rango, la información será inválida. Las funciones principales a realizar por un acondicionador de señal son las siguientes [13]:

• Transformación:

Los sensores pueden generar una diferencia de potencial o una variación de intensidad. La mayoría de tarjetas leen diferencias de potencial, por lo que si un sensor trabaja con intensidades es necesaria su conversión a caída de tensión.

Este circuito es un ejemplo de convertidor de corriente a voltaje mediante un amplificador operacional inversor. Un amplificador operacional tiene la misma diferencia de potencial en sus terminales, por lo tanto, el voltaje de los terminales es de 0 V. Al ser 0 este valor, el valor de las intensidades que fluye por el circuito es la mismo, I1. Y la tensión de salida es:

Ilustración 27: Circuito convertidor intensidad-voltaje

𝐼𝑒 = 𝑖2 = 𝐼𝑅1

𝑉𝑜 = −𝐼𝑒 ∗ 𝑅𝑓

Se calculará la resitencia Rf en función de la intensidad medida y de la tensión proporcional correcta para la tarjeta.

𝑅𝑓 =

−𝑉𝑜/𝐼𝑅1

• Amplificación: Esta función es necesaria cuando la señal de los sensores es muy pequeña y necesita una amplificación para su correcta detección por la tarjeta de adquisición. Este proceso conlleva una reducción del ruido de la señal, mejorando la transmisión de la señal hacia el ordenador. Para conseguir este cometido suelen utilizarse amplificadores operacionales no inversores.

En este caso se conseguirá la tensión de salida en función de las resistencias R1 y R2 montadas en el circuito. La relación de la tensión de salida con respecto a las resistencias es la siguiente:

𝑉𝑜 = 𝑉𝑖(1 +𝑅2𝑅1)

• Filtrado:

Elimina los ruidos e impurezas de la señal adquirida. Es importante tener una señal lo más limpia posible para conseguir una información correcta y no falseada.

Ilustración 28: Circuito amplificador

48

La implementación de este sistema en una motocicleta de competición no es nada fácil. El prototipo es propenso a moverse a grandes velocidades y sufrir movimientos bruscos, por lo que conseguir una señal sin ruido y útil es difícil. Precisamente en el equipo se han realizado con anterioridad varios diseños de telemetría usando el entorno Arduino y nunca se ha conseguido implementar debido a los problemas anteriormente mencionados.

Para ello, este año se va a trabajar con una telemetría totalmente específica para su uso en la competición. Pese a ser bastante más cara que el montaje de una telemetría de Arduino o Texas Instrument, es una inversión de futuro ya que puede llegar a servir para los siguientes modelos.

3. 3. 2 Antecedentes

Inicialmente la idea era crear la telemetría desde cero utilizando software de libre configuración. De esta forma, se abarataría en gran medida todo el sistema y a la misma vez se podría customizar perfectamente al prototipo.

Arduino Mega 2560 ADK (R3)

La tarjeta de adquisición de datos elegida fue la placa Arduino Mega ADK (R3). Esta tarjeta microcontroladora es una de los más potentes del fabricante Arduino, y fue elegida debido a la gran cantidad de datos que se pretendían procesar. Su gran número de pines y su reducido tamaño permitiría al sistema trabajar de manera fluida y segura. Además, el entorno de programación Arduino es de los más intuitivos y facilitaría bastante la programación de los sensores [14].

Ilustración 29: Arduino Mega 2560

A continuación se enumeran las características principales de este microcontrolador:

• Voltaje de alimentación: 5V

• Voltaje de entrada: 7-12V

• Voltaje límite de entrada: 6-20V

• Pines digitales: 54

• Pines PWM: 15

• Pines analógicos: 16

• Corriente por pin: 40 mA

• Memoria Flash: 256 KB

• SRAM: 8KB

• EEPROM: 4 KB

• Reloj: 16 Mhz

• Dimensiones: 10,16 x 5,33 cm

Sensores

Para este proyecto de telemetría, se adquirieron distintos tipos de sensores. Al ser la primera vez que se realizaba una telemetría en el equipo, se montaron solamente los sensores capaces de cuantificar las magnitudes de la motocicleta básicas. Estos sensores fueron:

• 2 Sensores de temperatura:

50

El modelo elegido fue el LM35DZ del fabricante Texas Instruments. Sus principales características son:

o Tipo de salida: analógica

o Temperatura operativa mínima: -55 C

o Temperatura operativa máxima: 150 C

o Corriente de salida: 10 mA

• 2 Sensores de desplazamiento lineal (LVDT):

Para estos sensores se tomó la decisión de reciclarlos para abaratar el presupuesto. Se montarían uno para medir la suspensión delantera y otro para la trasera. El tamaño de ambos era de 150 mm.

• 1 acelerómetro:

El modelo elegido fue el acelerómetro ADXL345 de Sparkfun. Sus principales características son:

o Tipo de salida: analógica

Ilustración 30: Sensor temperatura LM35DZ

o Tensión de alimentación: 2-3,6 V

o Resolución de 13 bits

o Mide en los ejes X,Y,Z

• Sensor GPS:

El dispositivo escogido fue el modelo Venus del fabricante Sparkfun. Trabaja con una frecuencia de muestreo de 10 Hz, suficiente para conocer los datos de longitud, latitud, altitud y velocidad de la motocicleta.

Ilustración 31: Acelerómetro ADXL345

Ilustración 32: GPS Venus

52

Código del Arduino

Tras introducir la tarjeta de adquisición de datos y los sensores, se desarrolla el código para conseguir mostrar por pantalla los datos de los sensores instalados. Se realizó uno para leer los sensores de temperatura, suspensión y acelerómetro, y otro separado solo para el GPS. Se irá explicando detalladamente el funcionamiento de cada código mediante el uso de comentarios.

Código 5 sensores

1. int sensor;//variable para guardar los datos de los sensores 2. unsigned long tiempo; // almacena el tiempo del microprocesador 3. 4. void setup() 5. // Abre el puerto serie y espera que se abra 6. Serial.begin(9600); 7. 8. void loop() 9. 10. String dataString = "";// crea una string para guardar los

datos leídos de los sensores 11. 12. for (int analogPin = 0; analogPin < 5; analogPin++) // bucle

para leer los 5 sensores, conectados a los pines analógicos: 0,1,2,3,4,5

13. if(analogPin<2)// los pines 0 y 1 leeran los datos de los 2 sensores de temperatura

14. int sensor = analogRead(analogPin); 15. sensor=(5.0 * sensor * 100.0)/1024.0;// conversión de

la medida analógica a grados centígrados 16. dataString += String(sensor); 17. 18. else if (analogPin==2||analogPin==3) // sensores de

suspensión 19. 20. int sensor = analogRead(analogPin); 21. sensor=sensor*(150.0/1023.0);// convierte el valor de 0 a

1023 en milímetros de elongación 22. dataString += String(sensor); 23. 24. else if(analogPin==4)//acelerómetro 25. int sensor = analogRead(analogPin); 26. sensor=(sensor-190.0)/490.0*100.0;// convierte la señal

a un valor entre 0 y 100 27. dataString += String(sensor); 28. 29. 30. if (analogPin < 5) 31. dataString += ",";

32. 33. 34. 35. tiempo = millis();//permite conocer el tiempo actual del micro 36. dataString+=tiempo; 37. dataString += ";"; 38. 39.

Código GPS

1. #include <SoftwareSerial.h> 2. 3. SoftwareSerial gpsSerial(11,10); // RX, TX (TX no se usa) 4. const int sentenceSize = 80; 5. 6. char sentence[sentenceSize]; 7. 8. void setup() 9. 10. Serial.begin(9600); 11. gpsSerial.begin(9600); 12. 13. 14. void loop() 15. 16. static int i = 0; 17. if (gpsSerial.available()) 18. 19. char ch = gpsSerial.read(); 20. if (ch != '\n' && i < sentenceSize) 21. 22. sentence[i] = ch; 23. i++; 24. 25. else 26. 27. sentence[i] = '\0'; 28. i = 0; 29. displayGPS(); 30. 31. 32. 33. 34. void displayGPS() 35. 36. char field[20]; 37. getField(field, 0); 38. if (strcmp(field, "$GPRMC") == 0) 39.

54

40. Serial.print("Lat: "); 41. getField(field, 3); // dato latitud 42. Serial.print(field); 43. getField(field, 4); // N/S 44. Serial.print(field); 45. 46. Serial.print(" Long: "); 47. getField(field, 5); // dato longitud 48. Serial.print(field); 49. getField(field, 6); // E/W 50. Serial.println(field); 51. 52.

Datos obtenidos y problemas encontrados

En este subapartado se muestra parte de los datos obtenidos a partir de los dos códigos anteriores. Se mostrarán partes de los datos, ya que el número de información almacenada era desmesurada para mostrarla por completo.

Tabla 2: Datos obtenidos sensores

Lat: 3724.8196N Long: 00600.0581W

Lat: 3724.8201N Long: 00600.0581W

Lat: 3724.8209N Long: 00600.0580W

Lat: 3724.8249N Long: 00600.0599W

Lat: 3724.8300N Long: 00600.0626W

Lat: 3724.8360N Long: 00600.0648W

Lat: 3724.8425N Long: 00600.0662W

Lat: 3724.8507N Long: 00600.0664W

Lat: 3724.8594N Long: 00600.0663W

Lat: 3724.8689N Long: 00600.0658W

Lat: 3724.8784N Long: 00600.0654W

Lat: 3724.8880N Long: 00600.0652W

Lat: 3724.8976N Long: 00600.0649W

Lat: 3724.9070N Long: 00600.0647W

Lat: 3724.9165N Long: 00600.0643W

Lat: 3724.9256N Long: 00600.0642W

Lat: 3724.9339N Long: 00600.0641W

Lat: 3724.9412N Long: 00600.0635W

Lat: 3724.9476N Long: 00600.0623W

Lat: 3724.9534N Long: 00600.0611W

Lat: 3724.9589N Long: 00600.0616W

Lat: 3724.9640N Long: 00600.0644W

Lat: 3724.9691N Long: 00600.0692W

Lat: 3724.9752N Long: 00600.0736W

Lat: 3724.9826N Long: 00600.0770W

56

Lat: 3724.9906N Long: 00600.0803W

Tabla 3: Datos obtenidos GPS

Tras comprobar el correcto funcionamiento del sistema de manera estática, el siguiente paso al que debía enfrentarse la telemetría era trabajar correctamente bajo las condiciones propias de una motocicleta de competición. Una motocicleta en un circuito experimenta todo tipo de vibraciones, movimientos anómalos y ruido electrómagnetico. De esta forma, el sistema fue sometido a bruscos movimientos en los sensores y en la tarjeta con el objetivo de imitar una situación real en la pista.

Tras varias pruebas del sistema, los datos leídos comenzaron a falsearse debido a que estas señales excitadas eran muy susceptibles a variaciones. Llegado a este punto y viendo que el sistema no funcionaría correctamente implementado en el prototipo, se plantearon dos posibles soluciones:

• Realizar la integración de toda la electrónica en un único circuito y seguir desarrollando prototipos

• Adquirir un sistema específico de telemetría para motocicletas de competición

Finalmente, se tomó la decisión de adquirir una telemetría específica, ya que no existían garantías de que pese a seguir desarrollando la telemetría inicial se consiguieran datos válidos. Además, pese a aumentar el presupuesto del proyecto, esta nueva telemetría podría reutilizarse e implementarse en futuros prototipos del equipo.

Tras realizar un gran estudio de mercado, se eligió el datalogger MXm del fabricante italiano AIM.

3. 3. 3 AIM MXm

MXm es una tarjeta de adquisición de datos y a la misma vez una pantalla dashboard de 5 pulgadas. Este modelo combina unas dimensiones pequeñas con una amplia capacidad de almacenaje de datos [15].

Las características más destacadas de AIM MXm son:

o Permite conexión con la ECU del vehículo, en este caso el inversor

o 2 entradas para velocidades

o 4 entradas analógicas

o 2 salidas digitales

o Pantalla configurable

o GPS, acelerómetro y giroscopio integrados

o Amplia base de datos de circuitos

o Conexión WIFI

o 10 LEDs RGB programables

o 4 Gigabytes de memoria interna

o Permite protocolo CAN

o Posee 4 canales de comunicación

o Permite expansiones del sistema

Ilustración 33:Tarjeta/display AIM MXm

58

Al ser el rango de tensión nominal del dispositivo de 9 a 15 V, no es necesario ningún convertidor DC/DC ya que la tensión de la batería de 12 V entra dentro de ese rango. Por otro lado, la tarjeta incluye una manguera para conectar 37 pins, 4 conectores de pins individuales y el software de instalación.

AIM, como marca puntera en el mundo de la telemetría de competición, ha desarrollado un potente software para trabajar con sus productos. Su programa Race Studio 3 permite configurar los canales de comunicación, sensores y pantalla. Además, cuenta con otro programa llamado Analysis que sirve como interfaz para interpretar los datos adquiridos.

A continuación, se muestra detalladamente la finalidad de cada pin [16]:

Ilustración 34: Componentes AIM MXm

Ilustración 35: Pines AIM MXm

Tras conocer la enumeración de pines existentes, se ha tenido que buscar qué cables se corresponden con el uso de cada canal y que pines lo componen:

Ilustración 36: Cables y canales de AIM MXm

60

En la figura 31, en el apartado “Cable type” se describe la cantidad de cables necesarios para cada canal, así como la sección de estos. De esta manera, se conoce de manera precisa cuánto cableado compondrá el sistema de telemetría de la motocicleta.

Además, en la figura 32 se pueden observar los cables que quedan sin conectar y que quedarán en manos del usuario usarlos o no:

En definitiva, la AIM MXm es una tarjeta de adquisición totalmente preparada para utilizarse en el ámbito de la competición. Ofrece un amplio abanico de configuración en las comunicaciones, un potente software, una pantalla digital y sensores integrados en esta

3. 3. 4 Sensores

Los sensores en todo sistema de adquisición de datos son una parte fundamental. Realizan una conversión de energías para conseguir suministrar una información en forma de datos. A continuación, se enumeran los sensores utilizados para este proyecto explicando sus utilidades y características.

• Sensor GPS

Este sensor se encuentra integrado internamente en la tarjeta. Mide la localización exacta de la motocicleta a partir de longitud, latitud, altitud y velocidad. El sensor trabaja con una frecuencia de 10 Hz, es decir, proporcionando un muestreo de 10 medidas por segundo. Sus datos son muy útiles ya que independientemente de dar la posibilidad de conocer y mejorar la trazada del prototipo por la pista, sirve como apoyo de todas las demás medidas para conseguir identificarlas en el lugar que se han generado.

• Sensor acelerómetro

El acelerómetro también se encuentra incluido dentro de la tarjeta MXm. Se trata de un acelerómetro de tres ejes, donde el sensor proporciona una tensión en cada eje proporcional a la aceleración que experimente la motocicleta. Sin duda es la principal herramienta para conocer las aceleraciones y los

Ilustración 37: Cables que quedan sin conectar

grados de inclinación. Se configurará para una frecuencia de 50 Hz.

• Sensor de suspensión delantero

Este sensor es un potenciómetro lineal. Mide el desplazamiento lineal entre los puntos conectados, utilizándose para conocer la compresión de la amortiguación delantera, de la horquilla. Conociendo este dato es posible conocer la rigidez del tren delantero de la moto en la frenada y permite modificarla aumentando o disminuyendo su precarga. Este sensor es externo. Se ha elegido el modelo compatible de la marca AIM de 13mm de diámetro y 150 mm de longitud. Se usará con una frecuencia de muestreo de 200 Hz.

• Sensor de suspensión trasero

Al igual que el sensor anterior, este también es un potenciómetro lineal. Lo único que varía es que su longitud es la mitad, 75 mm. Sus medidas dan la compresión de la amortiguación, conociendo en cada momento como se comporta el tren trasero. Trabaja también con una frecuencia de 200 Hz.

• Sensores de temperatura

Debido a la necesidad de conocer las temperaturas de la motocicleta en lugares específicos, como motor, neumáticos o ambiente, se puede decir que el uso de estos sensores es altamente recomendable. Se ha elegido el modelo PT100 de AIM. Este sensor es una termo-resistencia capaz de medir en el rango de 0 a 150 grados, y se utilizará con una frecuencia de 10 Hz ya que no es necesario un gran muestreo para este tipo de dato.

Ilustración 38: Sensor LVDT delantero

62

3. 3. 5 Comunicación CAN-BUS

Es una parte más del proyecto que engloba a la telemetría. Como se ha comentado anteriormente, se utilizarán los canales CAN disponibles en la tarjeta de adquisición de datos para comunicarse con otros dispositivos de la motocicleta de alta tensión. El objetivo es crear un sistema de tres nodos: BMS, telemetría e inversor.

Ilustración 40: Esquema comunicación CAN-BUS

La BMS, Battery Management System, es el equipo encargado de supervisar y gestionar todas las entradas y salidas de energía del acumulador, teniendo siempre en cuenta la salud de las distintas celdas que la componen y actuando en consecuencia, alargando su vida útil. Además, proporciona información sobre el estado de carga, temperatura y tensiones. Por otro lado, el inversor, utilizado como controlador del motor, posee una salida de datos.

La BMS utiliza el bus para recibir el estado de los demás elementos de la motocicleta y así asegurar el correcto modo operación. De igual manera, el inversor dará a conocer su estado utilizando el bus para que el bloque maestro de BMS decida si se debe cortar la circulación de corriente hacia el mismo inversor o no. También se utilizará esta comunicación para mostrar por pantalla valores medidos por la BMS, como por ejemplo la tensión

Telemetría

InversorBMS

Ilustración 39: Sensor de temperatura

de la batería o la temperatura media de las celdas. En la etapa de carga de la batería también existirá una comunicación mediante bus CAN entre el sistema BMS y el propio cargador.

3. 4 Circuito de arranque y desconexión

3. 4. 1 Introducción

Una vez desarrollada la telemetría, hay que diseñar el circuito total de baja tensión. Este circuito además de contener los elementos de baja tensión, contiene los elementos de alta. Esto se debe a que el funcionamiento de alta tensión es el responsable del movimiento del prototipo y la comunicación con sus dispositivos es constante. Antes de comenzar con el desarrollo de este punto, es importante definir brevemente las distintas partes de alta tensión que aparecerán. Pese a no entrar en gran detalle debido a su complejidad, es necesario conocer brevemente sus cometidos.

• Acumulador:

Este sistema está compuesto por la batería general, la cual es la responsable de generar la potencia necesaria para el motor, y el controlador del motor, en este caso el inversor.

• Bender o Isolation Monitoring Device:

Este elemento es entregado por la organización para mejorar la seguridad del prototipo. Es un dispositivo de seguridad que actúa al producirse un fallo en el aislamiento. Al producirse este fallo, genera una corriente de medición Im que es proporcional al fallo de aislamiento. A su vez, esta intensidad genera en una resistencia de medición Rm una caída de tensión, la cual se evalúa por el BMS

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para cortar el sistema de alta tensión [17].

3. 4. 2 Definición del circuito de arranque y desconexión

• Circuito de contacto y arranque:

El contacto de la motocicleta consistirá en un interruptor que enciende únicamente el sistema de baja tensión, alimentando este a su vez el BMS, el Bender y la telemetría. Mientras tanto, el arranque se producirá pulsando otro botón igual, habiendo activado el contactor previamente, conectado a su vez el sistema de alta tensión. Si el sistema se encuentra en correcto funcionamiento, un LED rojo se encenderá indicando que la moto está preparada para ponerse en marcha.

• Circuito de desconexión:

El circuito de desconexión se puede dividir en dos partes claramente diferenciadas: el circuito de apertura en caso de emergencia y el circuito de rearme. A continuación, se detallará cada uno de ellos.

o Apertura del circuito en caso de emergencia

La apertura del circuito en caso de emergencia puede darse por dos razones. Puede ser una apertura manual, por acción de los mecánicos o el propio piloto, o puede ser una apertura accionada por el Battery Management System (BMS en adelante).

o Apertura manual

La apertura del circuito en caso de que el piloto o los mecánicos lo precisen necesario se realizará mediante la pulsación de una seta de emergencia que, como indica el reglamento, será de color rojo.

La seta de emergencia funciona según el método más extendido, es decir, pulsar para abrir y girar para

Ilustración 41: Esquema Bender

cerrar. Al pulsar la seta de emergencia se corta por completo la alimentación de toda la circuitería de la motocicleta, quedando así aisladas las baterías del resto de componentes, tal y como indica el reglamento, el cual cita que la seta de emergencia debe abrir los contactores del acumulador de baterías. También el Tractive System Master Switch (TSMS en adelante) debe realizar esta tarea.

En cuanto a la topología de la seta de emergencia, consistirá en un contactor utilizado para cortar la parte de Grounded Low Voltage System (GLVS en adelante). Además, al cortar el circuito de baja tensión, cortará el BMS y por tanto el circuito de alta tensión. Así, cuando se pulse la seta de emergencia, ambos circuitos quedarán desconectados de sus respectivas alimentaciones. De esta manera se cumple el requisito principal del reglamento, el cual exige que la seta de emergencia abra los contactores del acumulador de baterías.

Además de la propia seta de emergencia para abrir el circuito, serán necesarios otros componentes necesarios para evitar posibles sobrecargas o sobretensiones en caso de fallos de aislamiento o altas corrientes/tensiones. Estos componentes serán fusibles pasivos.

Como se puede observar en la figura 37, se dispone de tres interruptores cruciales en el circuito de desconexión:

§ Shutdown Button (SERVICE): es la seta de emergencia que se encarga de aislar

el acumulador de baterías del resto del sistema.

§ Tractive System Master Switch (Pilot): botón de arranque que permite, como su

propio nombre indica, el arranque de la motocicleta.

§ GLV Master Switch (Pilot): llave de contacto de baja tensión.

o Rearme

El rearme de la motocicleta se realizará junto al arranque de la misma. Es decir, cuando se pulsa la seta de emergencia se desconectan las alimentaciones del sistema GLVS y HVS de sus respectivos componentes. Con esto, una vez que se haya pulsado la seta, para rearmar el sistema se han de seguir los siguientes pasos:

§ Cerrar la seta de emergencia girándola para que se cierre el contactor.

§ Se abre el contacto y se arranca la moto. De esta manera, esta volverá a ser alimentada y estará lista para volver a funcionar.

3. 4. 3 Esquema eléctrico

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En primer lugar, todo el sistema de baja tensión se encontrará compuesto de cables con protección IP 65, que ofrece protección completa contra polvo (dígito 6) y protección frente a chorros de agua (dígito 5).

Para la desconexión del sistema se ha utilizado de base el siguiente esquema:

Se ha modificado el esquema de manera que se incluyan los elementos que forman parte del sistema en baja tensión, el cual estará aislado galvánicamente del sistema de alta tensión (HSV). El esquema completo puede observarse en la figura 6.

Además, en el modelo representado en la figura 38 se añade el sistema de adquisición de datos o telemetría (figura 39), fundamental en el sistema de baja tensión. Esta ayudará al piloto a conocer en tiempo real, gracias a la dashboard, la situación de la carga de las baterías y su temperatura, la velocidad, etc. Para ello se usarán los sensores necesarios, representados en la figura 39 mediante señales de entrada/salida a la telemetría.

En la tabla se pueden ver las señales que forman parte de la figura 38 y que ayuda en el entendimiento del circuito.

Ilustración 42: Circuito de desconexión base

Ilustración 43: Circuito de baja tensión

Ilustración 44: Señales de telemetría

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Señales Elemento/información

A Potenciómetro del puño derecho (acelerador).

B Activación LED rojo que indica el encendido del motor.

C Temperatura de las baterías.

D Voltímetro para la tensión en bornes de la batería.

E Detección de fugas al chasis (masa local) del circuito de baja tensión.

F Detección de fugas al chasis (masa local) del circuito de alta tensión.

Tabla 4: Señales

En primer lugar, se ha introducido el potenciómetro del acelerador, colocado en el puño derecho de la motocicleta, cuyo valor será transmitido al inversor (etiqueta A de la figura 38). Con más detalle puede verse en la figura 40.

Además, se incluye un LED rojo que indica el encendido del motor. Este LED depende de la señal B de la figura 38, que es enviada por el BMS al interruptor que controla el encendido de este. Puede observarse detalladamente en la figura 41.

Otro de los elementos añadidos es el sensor de temperatura de las baterías (señal C de la figura 38), cuya información será transmitida al BMS para que este realice correctamente la gestión de carga de las baterías. Se añade también para el estudio de la carga de la batería un voltímetro para la tensión en bornes de esta. Como ocurre con el sensor de temperatura, esta información también será enviada al BMS (señal D de la figura 38). Ambos elementos pueden observarse en las figuras 42 y 43.

Finalmente, el dispositivo de vigilancia de aislamiento recibe las señales E y F de la figura 6, que son la información sobre si ha ocurrido fuga eléctrica al chasis (masa local) en el circuito de baja tensión y alta tensión, respectivamente. En la figura 44 se pueden ver este y el BMS, con las entradas y salidas mencionadas anteriormente.

En la figura 45 se puede observar la procedencia de la señal F de la figura 44, medida en bornes del motor (alta tensión).

Para concluir, cabe destacar el fusible colocado, que servirá para proteger la red de baja tensión ante sobrecargas y cortocircuitos. Además, la seta de emergencia (colocada previa al fusible) servirá para cortar la corriente del circuito eléctrico de la motocicleta, estando al alcance del piloto para ser usada con facilidad. La seta y el fusible se muestran en la figura 45.

Ilustración 42: Led rojo

Ilustración 46: Sensor de temperatura Ilustración 47: Voltímetro de la batería principal

Ilustración 45: Potenciómetro

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3. 4. 4 Dimensionamiento y direccionamiento del cableado

Se debe marcar la diferencia entre baja tensión y telemetría.

• Telemetría

El dashboard/microcontrolador se colocará en la parte superior delantera de la motocicleta, visible para el piloto. El cableado irá desde BMS y batería pequeña hasta el dashboard.

• Circuito de arranque y desconexión

Ilustración 48: Señales del controlador Ilustración 49: Señales del Bender y BMS

Ilustración 50: Fusible, interruptor y batería de baja tensión

El circuito de desconexión consiste en el cable que va desde la batería hasta la caja de distribución, donde se conectará a la seta de emergencia. La seta irá situada cercana al dashboard de manera que el piloto pueda pulsarla con facilidad en caso de que sea necesario.

Previo a la introducción de la definición de los elementos de baja tensión se ha de hacer un estudio del direccionamiento de los cables, su colocación en la motocicleta y qué tipos de cables serán necesarios. Para evitar grandes dificultades en el trabajo manual de la motocicleta, se ha llevado a cabo una idea para solucionar fácilmente problemas con los elementos de baja tensión: una caja de distribución delantera.

Esta consiste en una pequeña caja de policarbonato transparente, ideada para poder ser observada sin necesidad de ser abierta, y que será el lugar donde se coloquen los siguientes elementos:

• Telemetría

• Seta de emergencia

• Portafusibles

• Bender

Esta caja facilita el montaje y desmontaje de los elementos previamente mencionados, así como conseguir que la instalación o desinstalación de los fusibles sean lo más cómodas posible. Además, servirá de paso para el cableado desde el potenciómetro al inversor. En la figura 47 puede observarse el modelado en CATIA de dicha caja de distribución.

Ilustración 51: Caja de distribución

72

En la siguiente tabla se puede observar el tipo de cables que se usará en cada elemento junto con su direccionamiento, la intensidad máxima teórica y la que puede circular por el cable, usada para dimensionarlos.

Tipo de cable Origen Destino Diámetro Intensidad máxima

Intensidad máxima por

el cable

CAN BUS

Telemetría

LVDT delantero Cada conexión se compondrá de dos

cables, uno de 0.5𝑚𝑚9y otro de

0.8 𝑚𝑚9 (diámetro de 8 y

11.5 mm respectivamente)

100 mA 120 mA

LVDT trasero

BMS

Inversor

Potenciómetro (puño) Inversor

Baja tensión (Negativo)

Polo negativo de la batería de

12 voltios

BMS

Cable de 4,9 𝑚𝑚9 (Diámetro 2,5

mm)

3 A * 𝑓: 5 A * 𝑓:

Caja de distribución

delantera 3 A * 𝑓: 5 A * 𝑓:


delantera

Telemetría

Cada pin de cada canal

de telemetría: 3

A *𝑓: (Veáse

figura 5)


de telemetría: 5

A * 𝑓: (Veáse

figura 5)

Bender 2 A * 𝑓: 4 A * 𝑓:

Baja tensión (Positivo)

Polo positivo de la batería de 12

voltios

Seta de emergencia

(Interior a la caja de

distribución delantera)

3 A 5 A

Contacto Bender 2 A 4 A

BMS 3 A 5 A

Telemetría


de telemetría: 3

A

(Veáse figura 5)


de telemetría: 5

A

(Veáse figura 5)

Arranque Relé contactor del BMS

3 A

5 A


delantera (desde la seta)

Piña (Contacto + arranque) 8 A 12 A

Tabla 5: Cables,direccionamiento, Imáx

El término 𝑓: es un factor de corrección de valor elegible entre 1.1 y 1.2, ya que el cable negativo debe soportar un poco más de intensidad que el positivo.

3. 4. 5 Protecciones

Tabla 6:Fusibles

74

Como bien se ha comentado en los requisitos técnicos del sistema, es obligatorio instalar equipos de protección a cada grupo de dispositivos para protegerlos frente a grandes intensidades o cortocircuitos.

El conjunto de fusibles, por lo tanto, atendiendo a la tabla anterior y a las definiciones realizadas, será el siguiente:

3. 4. 6 Esquema final

Una vez diseñado el esquema eléctrico de baja tensión, se incorpora el de alta para formar el esquema eléctrico completo de la motocicleta. En la siguiente figura se muestra.

Fusibles

Dimensiones

1. General / Seta de emergencia 15 A

2. Bender 3 A

3. BMS alimentado a baja tensión 4 A

4. Telemetría 4 A

5. Relé contactor (BMS) 3 A

De donde se extrae que las tomas (1),(2),(5),(6),(7) son cables pertenecientes al grupo de baja tensión, las (1) y (7) son las pertenecientes a la alimentación del dispositivo BENDER que lleva una alimentación nominal de 150mA, aunque por protección, la corriente máxima según el datasheet es de 2A. Los cables (5) y (6) están dirigidos a tierra (masa), en concreto al bloque de basculaste y de chasis. Continuando, el cable nombrado como (2) es el utilizado por CAN BUS para leer el estado instantáneo del dispositivo durante su funcionamiento. La máxima corriente que pasará por aquí será de 150mA. Finalmente, (3) y (4) son los cables conectados al inversor, con una tensión limitada de 117V y una corriente limitada por BMS a 225 A (por lo que es un cable que elegiremos más tarde dentro del apartado de alta tensión. Así, la elección de cables queda:

Toma NúmerodeAWG

Diámetrodemm

Secciónenmm

Númerodeexpirasporcm

Kgporkilometro

ResistenciaenΩporKm

Corrienteen

Amperios

1,2,5,6,7 19 0.9111 0.65 10.2 5.79 26.15 2

2 30 0.2546 0.051 35.6 0.45 333.3 0.15

3,4 0 10.4 85.3 - - 0.197 240

Tabla 7: Características del cableado

Igualmente se deberá añadir que para la fijación del aparato debemos tener en cuenta en que para tener el

Ilustración 52: Esquema final

76

suficiente aislamiento entre el mismo y el vehículo, es necesario tener una separación de 11,4mm respecto a otras piezas, y cuando está conectado a una base conductora, debemos redireccionarlo a tierra mediante otro cable.

4 CONCLUSIONES, LÍNEAS FUTURAS E IMPACTO 4. 1 Conclusiones

Tras llegar al final del presente trabajo de fin de grado, es digno de mención destacar lo importante, constructivo e interesante que es sumergirse en un proyecto como este para el alumnado. Conseguir un sistema que engrane perfectamente dentro de un proyecto tan amplio como es la creación de una moto eléctrica de competición, permite al alumno darse cuenta de las dificultades que conlleva realizar un trabajo real. El desarrollo del proyecto ha recalcado la importancia de una buena comunicación para conseguir el gran objetivo común: realizar una motocicleta rápida y fiable con la que competir en el campeonato internacional Motostudent.

En este documento se puede garantizar que los objetivos propuestos para “Diseño de un Sistema Eléctrico de Baja Tensión para su aplicación en una Motocicleta Eléctrica de Competición”, se han cumplido de manera satisfactoria.

Para el apartado de la telemetría, se realizó un profundo estudio sobre el tema. Investigando sus comienzos e implantación en el mundo de la competición, logrando mostrar el desarrollo y mejoras que este tipo de tecnología ha generado. Se pensaron diversas formas de realizar este apartado, comenzando por la idea de desarrollar una propia telemetría a través de las tarjetas de adquisición y sensores de fabricantes como Texas Instrument o Arduino. Pero tras conocer la necesidad de precisión de las medidas necesitadas, y la tendencia a generar ruido electromágnetico que provoca montar un sistema de estas características en una motocicleta de competición y encima eléctrica, la idea de realizarlo todo a través de unos componentes especializados del sector del motociclismo fue la decisión final. Además, pese a ser esta telemetría de un coste bastante elevado, sus componentes son de gran calidad y está pensado utilizarse en los futuros prototipos del equipo, ya que puede funcionar tanto en una motocicleta eléctrica como de gasolina.

En cuanto al circuito de arranque y desconexión, ha resultado muy interesante conocer la forma en la que la mayoría de vehículos se accionan eléctricamente. Al equipar un motor eléctrico, se ha podido observar las principales diferencias entre este tipo de sistemas implantados en estos motores y los de gasolina más convencionales. Sin duda esta parte ha sido un auténtico rompecabezas. No existe de mucho espacio disponible dentro de una moto cuyo objetivo es que pese y ocupe lo mínimo. Pese a eso, se ha conseguido implantar un exitoso sistema, creando elementos como la caja de distribución que agrupa componentes de un mismo tipo. De esta forma la manipulación es mucho más sencilla, ya que elementos como fusibles son susceptibles a dañarse y necesitar un reemplazo rápido.

Por último, al implantarse en un prototipo eléctrico, se ha adquirido potentes conocimientos a cerca de la movilidad eléctrica, un tema del orden del día y que sin duda se plantea como el futuro del mundo de la automoción. De esta forma, resulta muy interesante para el alumno realizar una labor de ingeniería en este campo que se encuentra en un crecimiento exponencial.

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4. 2 Líneas futuras

Tras la realización del diseño del proyecto aparecen muchas líneas para aplicar en el futuro utilizando este trabajo como base.

La primera, realmente puede considerarse parte del proyecto y es su fabricación. El objetivo final es implementar el sistema diseñado en la motocicleta real. No obstante, debido a la situación actual, no está permitido el trabajo en el taller de la Universidad. Se espera poder realizar esta tarea durante verano, para así conseguir tener la motocicleta en perfecto estado para rodar y probarla antes de la competición.

Por otro lado, existen varias líneas futuras que podrían estudiarse:

• Como se ha comentado con anterioridad, reducir el tamaño del sistema es un objetivo bastante interesante. Se podría intentar agrupar lo máximo posible los elementos buscando que el sistema fuese lo más compacto posible.

• Pese a haberse intentado en otras ediciones, la creación de una telemetría a partir de software libre abarataría mucho el presupuesto. Sería una gran mejora económica y habría que depositar todo el esfuerzo en un desarrollo óptimo de acondicionamiento de señal.

• AIM posee muchas extensiones para la tarjeta de adquisición MXm utilizada, incluyendo un canal para almacenar videos capturados mediante cámaras on board. Sin duda, la posibilidad de poder grabar el comportamiento de la motocicleta desde dentro puede ser una herramienta muy útil para el departamento del equipo de Comunicación y Sponsors. Generaría mucho contenido para mostrar en las redes sociales del equipo.

• A partir de los datos de esta edición está previsto realizar a partir de ellos un estudio dinámico, para conocer mejor el comportamiento de la moto y ver sus fallos. De esta forma, el Departamento de estructural puede optimizar la geometría de la moto, mejorando las prestaciones de basculante y chasis.

• Expansión del número de sensores utilizados. Esto conlleva a un aumento de conocimiento de parámetros conocidos de la motocicleta. Velocidad de rueda o presión de suspensiones son sensores útiles para implementar.

Estas líneas futuras ayudarán a conseguir mayores objetivos y progresos, pero sin embargo no son las únicas. Este apartado es bastante amplio y subjetivo, por lo que a lo largo del tiempo aparecerán nuevas ideas que conseguirán perfeccionar este sistema.

4. 3 Impacto

Para finalizar el proyecto, se realizará una pequeña reflexión respecto al impacto que conlleva este proyecto en los diferentes ámbitos de la sociedad actual. Como proyecto práctico y real, es de responsabilidad del autor de tratar este tema y valorar como influye este.

• Impacto social

Sin duda el impacto social de este proyecto se puede valorar de forma positiva. Da la oportunidad al alumnado de plasmar todo el conocimiento obtenido en sus años de docencia en un proyecto práctico donde se tienen que cumplir una serie de requisitos y especificaciones. Esto, produce un enriquecimiento en la formación del alumno difícil de obtener bajo el amparo de la Universidad. Además, el realizar un trabajo de grupo como es el realizado por el equipo US Racing, ayuda a apreciar lo importante que es el trabajo en equipo y lo complicado que es a veces coordinar y organizar a tantas personas en su labor.

• Impacto medioambiental

Este proyecto nace de la idea de diseñar por primera vez un prototipo eléctrico, dejando de usar como método de propulsión el motor de gasolina de 4 tiempos. De esta forma se ha conseguido fomentar la movilidad eléctrica, método mucho menos nocivo para el medio ambiente ya que no se expulsan gases nocivos del motor al exterior.

Hay que destacar en este apartado, que todos los elementos no válidos en el proceso de la fabricación de la motocicleta, como baterías o componentes electrónicos, serán desechados según la legislación vigente para evitar daños ambientales.

• Impacto económico

Realizar un proyecto de esta envergadura conlleva a un gran impacto económico. No obstante, el presupuesto ha sido el indicado por el equipo. La telemetría tiene como objetivo utilizarse en los futuros prototipos diseñados, mientras que el circuito de arranque y desconexión ha sido diseñado con los componentes más baratos para intentar ahorrar costes.

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5 PRESUPUESTO En este capítulo se detallará el presupuesto empleado en el proyecto. Cabe destacar que elementos secundarios al proyecto como inversor, batería o el propio motor no aparecerán debido a que se encuentran dentro de otras competencias. El presupuesto se dividirá en materiales, mano de obra, gastos generales y beneficio industrial.

5. 1 Coste de los materiales

Componente Modelo Cantidad Coste unitario (€) Coste total (€)

Tarjeta de adquisición de datos AIM MXm 1 950,00 € 950,00 €

Sensor de suspensión delantero

Potenciómetro lineal AIM 150 mm 1 185,00 € 185,00 €

Sensor de suspensión trasero

Potenciómetro lineal AIM 75 mm 1 185,00 € 185,00 €

Sensor de temperatura PT100 AIM 2 74,00 € 148,00 €

Batería 12 V ADNAuto HJTX9L-FP 1 66,51 € 66,51 €

Botón de arranque YGL 12V 16A 1 11,99 € 11,99 €

Botón de contacto YGL 12V 16A 1 11,99 € 11,99 €

Seta de emergencia ZB2-BE102C 1 16,87 € 16,87 €

Led rojo LAOMAO 5mm 12V DC 1 0,80 € 0,80 €

Fusible general 15A 1 1,78 € 1,78 €

Fusible Bender 3A 1 1,78 € 1,78 €

Fusible baja tensión 4A 1 1,78 € 1,78 €

Funda cable 6,4MM2 1 0,83 € 0,83 €

Cable de conexión H07Z1-K 6MM2 5 0,74 € 3,70 €

Totalidad de costes materiales 1.586,03 €

Tabla 8: Coste de los materiales

5. 2 Coste de la mano de obra

Tabla 9: Coste de la mano de obra

5. 3 Coste total del proyecto

Descripción Cantidad Coste unitario (€) Coste total (€)

Tiempo de diseño 150 20,00 € 3.000,00 €

Tiempo de configuración 20 20,00 € 400,00 €

Tiempo de implementación 35 15,00 € 525,00 €

Tiempo de análisis 15 25,00 € 375,00 €

Total coste mano de obra 4.300,00 €

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Descripción Coste total (€)

Total coste de materiales (MT) 1.586,03 €

Total coste de mano de obra (MO) 4.300,00 €

Gastos generales: 6%(MT+MO) 353,16 €

Beneficio industrial: 13%(MT+MO) 765,18 €

Coste total del proyecto 7.004,38 €

Tabla 10: Coste total del proyecto

6 ANEXO

6. 1 Instalación del software race studio 3 y configuración de la tarjeta de adquisición MXm

Race Studio 3 es un software desarrollado por el fabricante AIM. En este apartado se mostrará los pasos para instalarlo y configurarlo para la tarjeta que se utiliza en este proyecto. Es importante mencionar que este programa solo es compatible para el sistema operativo de Windows, por lo que si se desea utilizar en otro sistema hará falta acceder a el mediante una máquina virtual.

Los pasos son los siguientes:

1. Lo primero es descargarse el programa, para ello hay que acceder a su propia página web y entrar en la

carpeta de softwares. Su dirección es: https://www.aim-sportline.com/en/sw-fw-download.htm . Una vez en esta página, podemos instalar la última versión del programa, Race Studio 3 Versión 3.31.06.

2. Una vez instalado el programa y conectado la tarjeta vía USB al ordenador comenzamos con su

configuración.

i. Se clickea en el icono Configurations situado arriba a la derecha.

ii. En la nueva ventana, se busca en el panel MXm y se pulsa OK.

3. Es el momento de configurar los canales de comunicación. Inicialmente están todos en deshabilitados por defecto.

Ilustración 53: Portal de descarga de Race Studio

Ilustración 54: Elección de tarjeta

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En esta ventana aparecen todas las señales y canales disponibles. Activando el stick se activa la señal indicada y pulsando sobre ella aparece un panel donde puedes modificar los parámetros de configuración como nombre, función, frecuencia o unidad de medida.

Ilustración 55: Lista de sensores y canales

Ilustración 56: Configuración de una señal

7 BIBLIOGRAFÍA

[1] Steemit: La evolución de las motocicletas eléctricas

https://steemit.com/steemschools/@juanpablo420/la-evolucion-de-las-motocicletas-electricas

[2] Harley Davidson: LiveWire2020

https://www.harley-davidson.com/es/es/motorcycles/livewire.html

[3] ePaddock: La copa del mundo de MotoE

https://www.epaddock.it/es/motoe-world-cup/

[4] Wikipedia: Antonio Cobas

https://es.wikipedia.org/wiki/Antonio_Cobas

[5] Box Repsol: Santi Hernández y Ramón Aurín

https://www.boxrepsol.com/es/santi-hernandez-ramon-aurin/

[6] Altonivel: Usos empresariales de telemetría

https://www.altonivel.com.mx/tecnologia/47490-7-usos-empresariales-de-la-telemetria/

[7] Motor Pasión Moto: Diablo Super Biker la aplicación para IOS

https://www.motorpasionmoto.com/tecnologia/diablo-super-biker-la-aplicacion-de-pirelli-para-ios

[8] Apkpure: Digihud

https://apkpure.com/es/digihud-speedometer/org.mrchops.android.digihud

[9] Motor Pasión: Race Sense

https://www.motorpasion.com/coches-hibridos-alternativos/race-sense-de-antwest-la-aplicacion-para-moteros-racing

[10] 2D:

http://2d-datarecording.com/

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[11] Used Moto Parts: Esque básico de la moto eléctrica

http://usedmotoparts.es/esquema-basico-de-la-moto-electrica/

[12] Reglamento Oficial Motostudent 2019-2020 Categoría Electric

[13] HBM: ¿Qué es un acondicionador de señal?

https://www.hbm.com/es/7339/que-es-un-acondicionador-de-senal-funciones/

[14] Arduino: Arduino Mega 2560 REV3

https://store.arduino.cc/arduino-mega-2560-rev3

[15] AIM Racing Store: AIM MXm

https://www.aim-racingstore.com/es/dash-loggers/56-aim-mxm.html

[16] AIM MXm User Guide:

https://www.aim-sportline.com/download/doc/eng/mxm/MXm_user_guide_100.pdf

[17] Bender: Insulation monitoring, the concept

https://www.bender.de/en/know-how/technology/it-system/insulation-monitoring

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