PROYECTO DE UN AUTOBS URBANO HBRIDO PARA EL TRANSPORTE DE

PASAJEROS

Sacco, Juan Blanco, Alberto R. Vucetich, Danilo A. Pierre Castell Andrea V. Matera, Romn.

UID-GETVA-rea Departamental Mecnica-F.I UNLP. INTRODUCCIN

Se estima que en el ao 2020 habr ms de 1.000 millones de vehculos en el mundo. Si todos estos vehculos fuesen equipados con motores de combustin interna convencionales, los niveles de contaminacin sern inaceptables para el planeta (en las condiciones actuales). Basado en esto, han surgido en todo el mundo legislaciones que promueven, hasta exigen, el uso de vehculos de emisin cero (VECs) o no contaminantes.

Hasta el momento, la nica tecnologa disponible, madura, para producir VECs

es la de vehculos elctricos (VEs). Debido a esto se estim que para el ao 2010 habra en el mercado mundial 1,5 millones de VEs.

Actualmente, los vehculos elctricos puros (VEPs) (los que no poseen

generador a bordo) tienen dos grandes limitaciones: la baja densidad de energa de las bateras y la imposibilidad de recarga rpida de las mismas, lo que limita la autonoma de los VEPs.

Este problema ha dado lugar a varias propuestas de Vehculos Elctricos Hbridos (VEHs).

El objetivo de nuestra propuesta fue desarrollar la tecnologa y las partes

necesarias para, finalmente, integrar un prototipo experimental de VEH para transporte urbano de pasajeros.

Este VEH posee un pequeo motor trmico (de potencia correspondiente al

consumo promedio en el ciclo urbano internacional) del tipo estacionario, de alto rendimiento y mnimo nivel de contaminacin. Este motor trmico acciona un generador cuya potencia nominal es, aproximadamente, la potencia media requerida por el vehculo.

La potencia pico necesaria para la aceleracin del vehculo se obtiene de un

banco de bateras. Todo esto hace que el VEH (VHE) sea menos contaminante, ms econmico y ms eficiente que un vehculo convencional. Con el prototipo experimental realizado en el proyecto, se hicieron los ensayos necesarios para la puesta a punto, para luego se pasar a la escala industrial de produccin de pre-series competitivas.

La Facultad de Ingeniera de la Universidad Nacional de La Plata a travs de la

UID-G.E.T.V.A., del rea Departamental Mecnica; debi definir el desarrollo del proyecto propuesto teniendo en cuenta las siguientes premisas:

a) Estudiar la posibilidad de desarrollar un VEH (VHE) para el transporte pblico de pasajeros y de cargas (para el uso racional de la energa y la disminucin de la contaminacin ambiental). b) Usar tecnologa de punta, competitiva a nivel internacional. c) Desarrollar tecnologa propia, adecuada a las necesidades y posibilidades locales. d) Ser duea de la mayor parte posible del Know How necesario. e) Tener recursos humanos propios de excelencia. Este proyecto tuvo tres etapas con los siguientes objetivos generales:

Etapa 1 Desarrollar tecnologas que permitan implementar diferentes partes incluyendo

prototipos experimentales de elementos, relacionados con el sistema de traccin elctrica de un vehculo hbrido para transporte urbano. Etapa 2

Integrar todos los componentes del sistema de traccin elctrica (incluyendo el almacenamiento de energa) en un simulador con capacidad para emular la dinmica y los requerimientos de potencia y de energa de un VEH (VHE) Etapa 3

Integrar todas las partes necesarias para implementar un prototipo experimental de VEH (VHE) para transporte urbano de pasajeros (tambin puede ser de carga).

A continuacin se sintetiza el programa de investigacin y desarrollo ya realizado por un equipo interdisciplinario de especialistas.

2 Desarrollo

El autobs proyectado es de 12 m de longitud, low-entry para 70 pasajeros (entre sentados y parados). Peso mximo sobre eje trasero: 11.500 kg Peso mximo sobre eje delantero: 6.300 kg 2.1-Objetivos del Proyecto

El objetivo central del proyecto fue el desarrollo de un prototipo vehculo elctrico hbrido (VEH) para transporte urbano de pasajeros. 2.1.1-Objetivos tecnolgicos

En el siguiente cuadro se indican las principales reas del conocimiento involucradas en el proyecto y los principales objetivos tecnolgicos alcanzados.

rea del conocimiento Objetivos alcanzados

Transporte urbano de pasajeros

Desarrollo de un nuevo vehculo de transporte ms eficiente y con menos emisin de contaminantes que los convencionales.

Vehculos elctricos

Desarrollo de diferentes partes y tecnologas (motor de traccin, controles electrnicos, almacenadores de energa, etc.) que en el futuro permitirn implementar en nuestras ciudades vehculos elctricos puros de emisin cero. Desarrollo de metodologas para el diseo de vehculos elctricos e hbridos.

Motores elctricos Uso de motor para traccin elctrica de fabricacin nacional.

Electrnica de potencia

Desarrollo de controladores electrnicos que permitirn un control eficiente del par del motor elctrico para traccin elctrica. Desarrollo de gerenciadores de energa que permitirn hacer un uso eficiente de la energa generada, recuperada en el frenado y almacenada en los bancos de bateras de un vehculo elctrico.

Electroqumica (Futuro mediato)

Desarrollo de bancos de spercapacitores de alta tensin (aproximadamente 600 V) adaptados para almacenar energa en vehculos elctricos(Futuro mediato). Desarrollo y adaptacin de bateras convencionales para almacenar energa en vehculos elctricos.

Control de procesos Desarrollo de sistemas especficos de supervisin y control para vehculos en general y en especial para vehculos hbridos elctricos.

Informtica y comunicaciones

Desarrollo de redes de datos especialmente adecuadas para funcionar en vehculos hbridos elctricos.

2.1.2-Objetivos econmicos

Se pueden distinguir los objetivos econmicos indicados a continuacin: Generar un nuevo mercado a partir del desarrollo de tecnologas de punta. Crear nuevas fuentes de trabajo. Desarrollar tecnologa nacional de ltima generacin. Ocupar un nicho de mercado de vehculos hbridos elctricos en Latinoamrica y, en particular, en nuestro pas. Crear productos competitivos a nivel internacional. Crear tecnologas derivadas como motores de imn permanente, spercapacitores, conversores unitarios, bateras de traccin que pueden tener su propio mercado, adems de su aplicacin a los vehculos elctricos hbridos. Crear nuevas industrias tecnolgicas para su produccin. 2.1.3-Objetivos sociales

La tecnologa desarrollada a travs de este proyecto contribuir para alcanzar los siguientes objetivos: Crear nuevas industrias para producir los nuevos productos y aumentar las fuentes de trabajo. Mejorar el transporte pblico a travs de nuevos vehculos.

o Ms confortables. o Ms eficientes (Low floor). o De menor consumo de energa (mayor velocidad de ascenso y descenso de

pasajeros). o Menos contaminantes.

Minimizar la contaminacin ambiental producida por los vehculos de transporte urbano. 2.1.4-Relevancia y justificacin del proyecto

Los principales avances del conocimiento cientfico previstos en este proyecto, estn dados por los trabajos de investigacin y desarrollo que fueron realizados para desarrollar nuevas tecnologas para vehculos elctricos en general y especialmente hbridos. Es de resaltar que gran parte de las tecnologas desarrolladas son de avanzada lo cual genera valor cientfico tecnolgico. 2.1.5-Plan detallado de trabajo

El proyecto estuvo compuesto por los siguientes subproyectos:

Subproyecto A Dimensionamiento general electromecnico de un autobs hbrido de tipo serie, de dos ejes, de traccin trasera propulsado por un motor asincrnico trifsico, alimentado a frecuencia variable.

Subproyecto B Dinmica longitudinal de vehculos hbridos. Subproyecto C Seleccin y/o diseo y construccin de motor de traccin elctrica.

Subproyecto D Desarrollo de la electrnica de potencia y el control de las mquinas elctricas.. Subproyecto E Seleccin de sistemas de bateras y supercapacitores (opcionales) Subproyecto F Desarrollo del Sistema de Supervisin y Control. Subproyecto G Ensamble VEH.

Montaje en el vehculo prearmado, de los Componentes elaborados en los Subproyectos C, D, E y F

Subproyecto H Pruebas de Rodaje

Subproyecto A: Dimensionamiento general electromecnico. Este subproyecto comprende siete captulos indicados a continuacin:

Captulo A1: Esquema funcional del vehculo hbrido propuesto Captulo A2: Especificaciones Captulo A3: Potencia del grupo electrgeno Captulo A4: Capacidad de las bateras. Captulo A5: Potencia del motor de traccin Captulo A6: Resultados obtenidos Subproyecto B: Dinmica longitudinal de los vehculos hbridos.

Este subproyecto comprende el estudio de la dinmica de los vehculos automotores y en particular la dinmica longitudinal, que permite analizar los procesos de frenado y aceleracin incluyendo pares motores, potencias y energas involucradas. Captulo B1: Interaccin vehculomedio. Requerimientos de potencia. Captulo B2: Ciclos de trabajo Energa de traccin y frenado. Seleccin del grupo motogenerador. Integracin final Subproyecto C: Seleccin y/o diseo y construccin de motor de traccin elctrica.

Este subproyecto tuvo como finalidad seleccionar y/o desarrollar un motor de traccin de alto rendimiento, para luego integrarlo a un VEH. Captulo C1: Seleccin y/o diseo y construccin de un motor elctrico de traccin Captulo C2: Integracin del motor de traccin en el prototipo VEH. Subproyecto D: Desarrollo de la electrnica de potencia y el control de las mquinas elctricas.

Las actividades a desarrollar estn relacionadas con los procesos de conversin y control de la energa que ocurren en un VEH. Captulo D1: Control del motor de traccin

Consisti en realizar los trabajos de investigacin y desarrollo tendientes a la implementacin de diferentes prototipos de controladores electrnicos, para motores de traccin elctrica.

Primero, estos controladores se hicieron funcionar en un banco esttico de ensayos, luego en un simulador de VEH y finalmente a bordo del prototipo experimental de VEH. Captulo D2: Gerenciador de energa

Consisti en realizar los trabajos de investigacin y desarrollo tendientes a la implementacin de diferentes prototipos de un controlador de flujos de energa para VEH, el cual se llam gerenciador de energa. Primero, estos prototipos se ensayaron en un banco esttico de ensayos, luego en un simulador de VEH y finalmente a bordo del prototipo experimental de VEH.

Este subsistema tuvo como misin controlar los flujos de energa

unidireccionalmente en el caso del generador y bidireccionalmente en el caso de los almacenadores de energa (bancos de bateras) y motores de traccin. Captulo D3: Integracin de un simulador de VEH

Consisti en realizar los trabajos de investigacin y desarrollo tendientes a la implementacin de un banco de ensayo para sistemas de traccin elctrica donde fue simulada en el eje del rotor, la dinmica del vehculo. El par a ser generado en el eje del rotor ser el resultado de la simulacin en tiempo real en la computadora de control, de la dinmica del vehculo en diferentes condiciones de marcha (aceleraciones, deceleraciones,

bajadas, subidas, etc.). Este simulador permiti ensayar el sistema de traccin completo, incluyendo el generador, motor de traccin, sistema de almacenamiento de energa (bateras), gerenciador de energa y sistema de supervisin y control. Captulo D4: Integracin de la electrnica de potencia en un prototipo experimental de VEH.

Consisti en realizar los trabajos de adaptacin e integracin de la electrnica de potencia desarrollada y ensayada en los puntos anteriores (D1, D2 y D3). Subproyecto E: Seleccin de sistemas de spercapacitores (futuro) y bateras. Captulo E1: Implementacin de los bancos de bateras

En base a los parmetros caractersticos de las bateras, obtenidos del productor y de ensayos internos, se dise el banco. Debieron tenerse en cuenta los parmetros del vehculo para la energa total. Se interactu entre los grupos para optimizar el sistema de carga y descarga que aumente la vida til del banco a travs de la minimizacin de sobrecarga o sobredescarga. Captulo E4: Integracin de los bancos en un simulador de VEH

Los bancos de bateras se integrarn con los sistemas de carga y descarga y de control de carga. En el simulador se evaluarn distintos ciclos de trabajo. Supuestos y sus efectos, las propiedades internas de bateras para estimar los efectos sobre la vida til. E4-1: Estudio de los requerimientos. E4-2: Integracin de las diferentes partes del sistema a ser emulado. E4-3: Ensayos y conclusiones. Captulo E5: Integracin de los bancos en el prototipo de VEH

Los bancos de bateras ya definidos se integraron con los sistemas de carga y descarga y de control de carga. En el vehculo se evaluaron distintos ciclos de trabajos reales y sus efectos sobre las propiedades internas de las bateras para estimar los efectos sobre la vida til. En este caso se evaluan efectos trmicos y de vibraciones sobre los dispositivos de almacenamiento. Subproyecto F: Sistema de supervisin y control general.

El sistema de supervisin y control general se basa en un sistema de inteligencia distribuida. Cada sector a ser controlado o supervisado poseeun microcontrolador local adecuadamente programado. A su vez, todos los controladores locales estn unidos en red a travs de un enlace, conformando cada uno de ellos una Estacin Remota de Control (ERC).

Una estacin remota especial es la que cumple la funcin de tablero de instrumentos. sta conforma la interface con el operador humano. Desde este punto de vista se generaran los comandos para todo el sistema.

Algunos de los puntos de control previstos son: Tablero de instrumentos e interface con el operador. Supervisin y control del motor diesel (o combustibles alternativos). Supervisin y control de los inversores del sistema de traccin. Gerenciamiento de la energa.

o Supervisin y control del generador trifsico. o dem para la carga y descarga de bateras principales. o dem de los bancos de spercapacitores.

Supervisin y control de los sistemas auxiliares. o Generacin de aire comprimido. o Cierre y aperturas de puertas. o Manejo de iluminacin y faros. o Varios.

Captulo F1: Diseo, construccin y puesta a punto de una ERC Consiste en el diseo electrnico bsico, desarrollo de prototipos, ensayos de

confiabilidad y robustez, construccin y evaluacin del prototipo final de un modelo de Estacin Remota de Control apta para ser instalada a bordo del VEH y comandar, con inteligencia local, una zona o sector del mismo. Captulo F2: Diseo, construccin y puesta a punto del tablero de instrumentos e interface con el operador del VEH

Consisti en llevar a cabo los trabajos de desarrollo, ensayo y pruebas funcionales del tablero de instrumentos y de las interfaces Mquina-operador y operador-mquina. Se puso nfasis en la sencillez de la comunicacin entre el operador humano y el sistema electrnico de control. Captulo F3: Diseo, construccin y puesta a punto del computador general de comando del VEH - Unidad Central de Control (UCC)

Consisti en llevar a cabo los trabajos de investigacin, desarrollo y puesta en marcha del computador maestro y de sus estrategias y algoritmos requeridos para su programacin de base, hacindolo apto para el comando de todos los subsistemas de abordo. Captulo F4: Personalizacin de la Estacin Remota de Control (ERC)

Consisti en realizar los trabajos de desarrollo tendientes a programar y adaptar todas las ERC que se utilizaron a bordo de los diferentes roles funcionales. Captulo F5: Desarrollo de la red de procesadores de abordo.

Consisti en llevar a cabo los trabajos de desarrollo y ensayo de toda la programacin de base que permiti unir en red todas las ERC, el tablero de instrumentos, las interfaces Hombre-Mquina y Mquina-Hombre y el computador general de mando, haciendo que su funcionamiento y operacin sea armnico, robusto y de alta confiabilidad. Captulo F6: Integracin de todo el sistema de supervisin y control

Consisti en adaptar el hardware y el software de todos los subsistemas para que el conjunto opere como un todo armnico, vinculndose , a su vez, con los dems sistemas. Subproyecto G: Ensamble Final VHE. G-1: Montaje en el vehculo prearmado del motor deTraccin. G-2: Montaje de componentes. G-3: Montaje del banco de bateras. G-4: Interconexin de elemento Subproyecto H: Prueba Final VHE.

Concluido el ensamble de la totalidad de componentes y/o partes del VHE, realizadas las pruebas estticas y puesto en condiciones de rodar; se efectuaron las pruebas de rodaje primario tanto en circuito cerrado como en desplazamientos por rutas, autopistas y zonas urbanas. La prestacin ha sido satisfactoria en esta etapa, totalizando aproximadamente 2.500 km circulando en distintos recorridos a saber. Autdromo de Estancia Chica Autopista La Plata Buenos Aires Autopista 25 de Mayo Av. Gral. Paz Ruta Nacional N 5 Ruta Provincial N 47

Ruta Provincial N 215 Ciudad de La Plata Capital Federal CONCLUSIONES

Durante las pruebas realizadas se obtuvieron datos de funcionamiento de la unidad sobre la estabilidad en ruta, dinmica longitudinal, dinmica lateral, estabilidad de frenado; distancia de frenado; interaccin entre vehculo y superficie de rodadura; esfuerzos de traccin y frenado; adherencia; velocidad mxima; aceleracin; rampa mxima; reparto de fuerzas y distribucin de pesos; temperaturas en bateras, motor de traccin, grupo generador; comportamiento direccional en rgimen estacionario; vibraciones; movimientos de cabeceo y vaivn.

Se han obtenido datos preliminares de utilizacin de freno elctrico, mecnico y confort de marcha con resultados satisfactorios, que sern ampliados con el rodaje en trnsito. Grfico N 1: Ciclo de manejo.

Un ciclo de manejo es una representacin de la velocidad en funcin del tiempo que tiene un vehculo en un circuito dado.

Vuelta testigo de la Lnea N 62 de la Ciudad Autnoma de Buenos Aires. La vuelta fue elegida por mtodos estadsticos del universo de muestras tomadas del recorrido. Este ciclo en particular, presenta los valores medios de los parmetros clave del recorrido que mejor reflejan la media de operacin de la lnea especificada. Grfico N 2: Balance de potencia en Bateras.

Grfico N 3: Recuperacin de energa.

Balance de potencia que sale e ingresa en las bateras (el ingreso de potencia se debe a la carga por el sistema motor-generador y por el frenado elctrico) en el ciclo de manejo tomado.

Segn el estudio realizado a la dinmica longitudinal, y los datos obtenidos durante el recorrido del ciclo de manejo, se pudo determinar que se recuper el 71 % de la energa que se encuentra disponible para tal fin en el recorrido.

Bibliografa Fundamentals of Vehicles Dynamics, Thomas D. Gillespie, -SAE-1992 Teora de los Vehculos Automviles, Francisco Aparicio Izquierdo-2001 El Medio Ambiente y el Automvil, Jos Mara Lopez Martinez- CIE-DOSSAT-2007 Electrnica de Potencia, Uhammad Rashid Pearson 2004 Normas : SP-2247: Control and Optimization in Hybrid Powertrains SAE 2009 Normas : SP-2175: Design Optimization Methods and Applications SAE 2008 Normas : SP-2233: Load Simulation and Analysis in Auromotive Engineering SAE

2009 Normas : SP-2218: Simulation of Commercial Vehicles SAE 2008 Advanced Vehicle Technology, Heinz Heisler SAE 2002 Normas: IEC 60034-8 2007 IEC 60034-1 2004 IEC 60034-2-1 2007