Sistema Novedoso en Los Vehiculos

AUTOTRONICA III - 2015

TABLA DE CONTENIDO

Contenido

TEMA 1: SISTEMA NOVEDOSO EN LOS VEHICULOS............................................................................. 2

EL SISTEMA ELCTRICO DE 42V ....................................................................................................... 2

NUEVAS FORMAS DE OBTENER ENERGA ....................................................................................... 4

Arquitectura de la red de 42V ......................................................................................................... 5


2

TEMA 1: SISTEMA NOVEDOSO EN LOS VEHICULOS

EL SISTEMA ELCTRICO DE 42V

Nuevas cargas elctricas Hay un constante incremento del consumo de electricidad en los automviles. Este

consumo se ha incrementado de forma drstica en los ltimos 10 o 15 aos. Los coches de lujo son grandes

consumidores de energa elctrica. Como ejemplo, el BMW 750iL tiene un consumo mximo de 428A

(5.9kW). Esto lleva a los fabricantes del sector de automocin a buscar nuevas frmulas para optimizar el

uso de la energa. Suministradores tan importantes de equipos para automocin como Delhi predicen que

dentro de los prximos 20 aos el consumo de un vehculo medio alcanzar los 10kW (que representa una

corriente de 725A a 13,8V difcil de manejar) si no emplea ningn tipo de propulsin elctrica y el doble si la

emplea como ayuda al motor tradicional de combustible fsil. Dos son los caminos sobre los que se pueden

efectuar investigaciones: uno, mejorar la forma en que el vehculo genera electricidad para su propio

consumo; otro, reducir en lo posible las prdidas que se producen al transmitirla. Una de las propuestas

para esta segunda opcin se basa en aumentar la tensin del sistema elctrico actual, que funciona con una

tensin de 12 voltios. Hace 40 aos los sistemas elctricos de los automviles se movieron desde los 6

voltios al actual estndar de 12 voltios, con un alternador de 14V (entre 14,2V y 14,8V). Ahora se propone el

cambio hacia sistemas de 42V (que usan una batera de 36 voltios y un alternador con una salida de 42

voltios). Este nuevo sistema tambin se denomina 42VPowernet. Esta propuesta se inici por un consorcio

de fabricantes de vehculos y suministradores de componentes bajo los auspicios del MIT (Massachusetts

Institute of Technology). (Juan Jos Domnguez Snchez) El aumento de la tensin reduce las prdidas de

los nuevos elementos elctricos, queson grandes consumidores de energa. Estamos pensando en

equipamientos de confort tales como la direccin asistida elctrica, el parabrisas calefactado e incluso la

climatizacin elctrica. La electrnica de a bordo y los sistemas de navegacin y multimedia aparecern

tambin en una proporcin cada vez mayor. Los equipamientos de seguridad tales como el ABS o el ASR y el

sistema de frenado elctrico se sumarn a estos elementos para consumir an ms energa elctrica. En

cuanto a rganos mecnicos, el motor Camless (sin levas) puede ser tambin un gran consumidor de

energa. Este aumento es tambin consecuencia del accionamiento elctrico de anteriores funciones

mecnicas o hidrulicas como direcciones asistidas o selectores elctricos del cambio de marchas. Por otro

lado, si la tensin se mantuviera en los 14V, la energa elctrica suministrada no permitira satisfacer la

demanda de estas prestaciones suplementarias. Asimismo, las prdidas en lnea disminuiran la eficacia de

las mquinas elctricas giratorias. Los alternadores y las tecnologas actuales no pueden suministrar la

potencia elctrica necesaria para los vehculos del futuro. El alternador es el principal elemento afectado por

los 42 V. Desde 1980, las necesidades en energa elctrica en un automvil aumentan un 4% en cada ao. La

potencia elctrica necesaria para un vehculo de gama media ha aumentado un 50% entre 1980 y el 2000, y

podra aumentar un 300% para un vehculo de gama alta en los prximos 5 aos. Si un vehculo de gama

alta consume actualmente 1.5kW, en el 2005 consumir alrededor de 5kW cuando la tecnologa de los

alternadores de 14V actuales est limitada a 2.5kw


3

Figura1.Descripcion del sistema.

La implantacin de esta nueva tecnologa requiere la sustitucin de todos los componentes actuales,

preparados para trabajar a 14 voltios, por otros diseados para funcionar a 42 V. No todos los sistemas son

capaces de funcionar desde tensiones ms altas, o disminuyen su vida til, especialmente lmparas de

filamento, circuitos integrados y pequeos motores. En estos casos, sistemas tipo PWM (Pulse Width

Modulation) pueden sustituir el bus de 14V. Se prev un perodo de transicin en el que los vehculos

estarn preparados para funcionar tanto a 14 como a 42 voltios; cuando el mercado lo permita, se

implantarn exclusivamente dispositivos de 42 voltios. Durante el desarrollo del proyecto 42VPowernet ha

habido ms dificultades, tanto tcnicas como econmicas, de las previstas en un principio. Como resultado

de esto los fabricantes han retrasado sus planes para la introduccin de esta tecnologa. Algunos fabricantes

tienen planeado que los primeros vehculos bi-tensin aparezcan en el ao 2006. Las previsiones actuales

son de ms de 500.000 vehculos con bateras de 42V para el 2008 y cerca de 10 millones en el 2010.

Ventajas de aumentar la tensin elctrica La potencia consumida por un aparato elctrico es producto de la

tensin a la que est sometido, por la intensidad de la corriente que llega hasta l. Para hacer frente al

aumento de consumo se puede aumentar bien la tensin, bien la intensidad, o ambas. El problema radica en

que mientras la potencia transmitida aumenta linealmente con la intensidad de corriente, las prdidas que

se producen en los conductores (como la instalacin elctrica de un automvil) lo hacen con el cuadrado de

dicha intensidad. Si se necesita duplicar el suministro de energa de un dispositivo podemos hacerlo

duplicando la intensidad de corriente que llega a l, pero esto provocar que las prdidas en los conductores

se multipliquen por cuatro. Con una instalacin a 42 voltios, manteniendo la misma intensidad o lo que es lo

mismo sufriendo las mismas prdidas en los conductores, podemos transmitir una potencia tres veces

mayor que la que se transmite a 14 voltios. Gracias a ello, se puede hacer frente a consumos de energa

mayores sin que las prdidas resulten excesivas. Por otro lado una menor intensidad autoriza el uso de

conductores de menor seccin, que resultan ms ligeros y ms baratos de fabricar Adems permitir al

sistema elctrico el manejo de las ltimas tecnologas fly by wire: steer by wire (permite aumento de

prestaciones, mejora de la seguridad activa y pasiva) , brake by wire (mejora de las prestaciones del

vehculo), control electromagntico de vlvulas (disminuye las emisiones y tiene menor coste), suspensin

activa Pero el principal inters de la reduccin de las prdidas producidas radica en el ahorro de


4

combustible que ello puede suponer. La potencia elctrica de un automvil se almacena en la batera, que el

alternador se encarga de mantener cargada cuando el motor est en marcha. Esta energa debe ser

obtenida de la que proporciona la combustin de la gasolina en los cilindros, as que una reduccin de la

energa elctrica necesaria significa mejorar el consumo. Se estima que cada 100 vatios de potencia elctrica

producidos suponen un aumento del consumo de combustible estimado en 0,17 litros cada 100 km en

vehculos de gasolina y 0,15 en vehculos diesel. Actualmente el combustible consumido en la generacin de

electricidad llega hasta 1,2 litros por cada 100 Km en los vehculos de lujo. Un vehculo completamente

equipado requiere una potencia media de aproximadamente 800W y una potencia mxima de 2kW. En la

prxima dcada la media subir hasta los 4kW con potencias mximas de hasta 14kW. En resumen, el paso a

los 42 voltios permitir optimizar el consumo de energa elctrica por reduccin de las prdidas en las

conducciones y favorecer as la reduccin del consumo, descendiendo con ello las emisiones de CO2 (las

cuales contribuyen al efecto invernadero). La mayor ligereza de los cables, derivada de la disminucin de la

intensidad, jugar tambin a favor de una bajada del consumo. En general permite sistemas ms pequeos,

ligeros, eficientes y de mayor duracin

NUEVAS FORMAS DE OBTENER ENERGA

Adems de reducir las prdidas por transporte de electricidad, otra lnea de actuacin es la bsqueda de

nuevas formas de obtener la energa. Se est trabajando sobre dos posibilidades: un generador auxiliar

basado en una pila de combustible y el ADIVI (Alternador Arranque Integrado al Volante de Inercia), que

integra alternador, motor de arranque y volante de inercia en un nico elemento. Hay un inters creciente

en los vehculos hbridos. Actualmente los ms conocidos son el Toyota Prius y el Honda Insight. Utilizan

tensiones mucho mayores que las propuestas para la red de 42V (el Toyota utiliza un sistema de 288V y el

Honda de 144V). El generador auxiliar de energa con pila de combustible es un dispositivo que genera

corriente elctrica al formar agua a partir de sus componentes elementales, hidrgeno y oxgeno. Esta

tecnologa consiste en suministrar toda la energa elctrica necesaria para la red a bordo mediante una

pequea pila de combustible. Cabe destacar que esta pila puede funcionar incluso con el motor parado. sta

es una ventaja esencial para el cliente, quien en caso de encontrarse bloqueado en un embotellamiento

podr parar su motor y a la vez seguir haciendo funcionar la climatizacin, por ejemplo. Las SOFC (Solid Oxid

Fuel Cells) podrn otorgar a los sistemas elctricos existentes subsistemas que son manejados

mecnicamente en la actualidad, y a las nuevas aplica ciones que estn por venir (como los sistemas x by

wire) una operacin ms eficiente con mejor control y reduccin de energa. Las pilas de combustible de

xidos slidos se pueden considerar el futuro de la generacin de electricidad, ya que segn los expertos

tienen una alta eficiencia (del 70% en la produccin de electricidad, que puede alcanzar el 90% si el calor

que se desprende se aprovecha) y no producen gases txicos. Para ms informacin sobre este tema se

puede consultar el artculo Celdas de combustible en la revista Anales de Mecnica y Electricidad Vol.

LXXIX, Fascculo II, MarzoAbril 2002 y Mayo-Junio 2002. La otra propuesta, el ADIVI, se basa en la sustitucin

del alternador y el motor de arranque por una mquina elctrica que desempee ambas funciones integrada

en el volante de inercia. Esto supone una ligera ventaja en peso, a la vez que permite aprovechar las

posibilidades del motor-generador ms all de lo que ahora permiten el motor de arranque y el alternador

Puesto que en el ADIVI el motor de arranque queda permanentemente unido al cigeal, la puesta en

marcha del motor puede ser realizada de una forma mucho ms suave. Esto facilita la adopcin de la funcin


5

Stop&Go, que para el motor del automvil cuando ste se detiene durante ms de unos segundos y lo pone

en funcionamiento cuando el conductor decide reiniciar la marcha. Esto supone notables beneficios en lo

que a economa de combustible y emisiones contaminantes se refiere, especialmente en entornos urbanos.

Tambin es posible hacer que el motor de arranque suministre su potencia no slo en el momento de la

puesta en marcha, sino que puede actuar como motor suplementario en cualquier situacin en que el

conductor requiera una aceleracin superior a la que el motor de combustin es capaz de suministrar, como

pueda ser una incorporacin a una va rpida o un adelantamiento. En lo que a su funcionamiento como

generador respecta, el ADIVI tambin presenta importantes ventajas frente al tradicional alternador. Al

margen de una mayor simplicidad mecnica, que hace innecesaria la transmisin del movimiento del

cigeal a travs de una correa, el ADIVI permitir determinar en qu momentos resulta ms ventajosa la

conversin de energa mecnica en elctrica. As, permitir recuperar parte de la energa cintica del

vehculo durante las frenadas, que de otra forma se perdera irremisiblemente a travs del sistema de

frenado. Otro ejemplo de este dispositivo es el ISAD (Starter Alternator Damper) que est siendo

desarrollado por la compaa alemana Continental ISAD Electronic Systems GmbH & Co. y est siendo

probado por BMW y Citron.

Arquitectura de la red de 42V

La primera fase hacia sistemas de 42V es el desarrollo de un sistema de doble tensin. Para reducir la

intensidad, los grandes consumidores de energa tales como el ventilador del radiador, la direccin asistida o

el motor de arranque se alimentan a 42 voltios. El generador suministra 42 voltios a la red y mantiene las

bateras de 36 voltios (las cuales se encargan de arrancar el motor de combustin) completamente cargadas.

Este sistema mejora el proceso de puesta en marcha del vehculo. La tensin de 14 voltios con bateras de

12 voltios alimenta a los consumidores de poca potencia con menores requisitos de potencia mxima como

unidades de control y sensores. La energa a 14 V se consigue desde la tensin de 42 V a travs de un

convertidor de tensin de corriente continua. Gracias a un sistema inteligente de gestin de la energa

elctrica, los niveles de consumo de energa se calculan en funcin de los requisitos de los consumidores

elctricos, del nivel de carga de las bateras y del estado de carga del generador. Priorizando la conexin y

desconexin de funciones y reduciendo la intensidad en los mayores consumidores se consiguen evitar

sobrecargas en el circuito.Tambin se consigue de esta forma reducir el peso de las bateras y del generador,

sus precios y el consumo. Accionando elctricamente las unidades auxiliares se consigue un control ms

sencillo y una fabricacin y adaptacin a los vehculos ms barata. Hay actualmente dos comits

multicompa- a trabajando en el nuevo estndar. En el Massachusetts Institute of Technology, el

Consortium on Advanced Automotive Electric/Electronic Components and Systems incluye General Motors,

Ford, Daimler-Chrysler, BMW, PSA-Peugeot /Citron, Renault,Volvo y suministradores de equipos

electrnicos para automocin como Delphi, Bosch y Siemens. En Europa, Sican, una organizacin en

Hannover, Alemania, est trabajando con los mayores fabricantes de coches y de componentes para

automocin alemanes para formular el nuevo estndar de 42 voltios. Existen riesgos para pasar a la

tecnologa de 42V con lo que los fabricantes de automviles van a introducir primero sistemas de tensin

dual 12/42V. Se han propuesto varias aproximaciones a la introduccin de sistemas de 12/42V: Generacin

y almacenamiento de una sola tensin. Un alternador de 42V carga una batera de 36V que da servicio a las

cargas de 36V, se utiliza un convertidor DC/DC para cargar una batera de 12V que alimenta a las cargas de


6

12V. Generacin de una tensin y almacenamiento de dos tensiones. Un alternador de 42V carga el lado

de 36V de una batera dual de 12/346V, se utiliza un convertidor DC/DC para cargar el lado de 12V de la

batera. Generacin de dos tensiones y almacenamiento de una sola tensin. Un alternador dual de

12/42V carga dos sistemas separados, uno de 12V y otro de 36V. Generacin y almacenamiento de dos

tensiones. Un alternador dual de 12/42V carga una batera dual 12/36V.

Figura 1. Potencia de pico para vehculos de pasajeros

El Bus CAN A finales del ao 1989 la industria del automvil se encontraba ante varios retos: mayor

comodidad (accionamientos elctricos, control de temperatura), mayor seguridad (ABS, AIRBAG) y

menor consumo (rendimiento de los diferentes sistemas, disminucin de la contaminacin). Para los tres

grupos se utilizan sistemas de control electrnico, al principio con una nica unidad electrnica de control

(ECU), y luego aadiendo otras. Esto significa la presencia dentro del automvil de un elevado nmero de

microcontroladores y todo el cableado necesario para establecer la comunicacin entre estos dispositivos.

Para la disminucin del cableado la industria del automvil busca un BUS adaptado al uso en vehculos.

Lamentablemente los distintos fabricantes de automviles desarrollaron su propio BUS y cada sistema fue

incompatible con los otros. En los primeros aos de la dcada de los 90 surgieron los BUS CAN,VAN,

J1850SCP y J1850DLC, posteriormente abandonados en favor del CAN que hoy se perfila como lder

mundial en BUS para automviles. El BUS CAN (Controller Area Network) es un protocolo de comunicaciones

serie que se aplica de forma eficiente a sistemas de control distribuido en tiempo real con un alto nivel de

seguridad. Es aplicable tanto en redes de alta velocidad como a cableado multiplexado de bajo coste.


7

Figura2. Generacin en dos tenciones y almacenamiento de energa en una tensin

Figura 3. Generacin y almacenamiento de energa en una tensin.


8

Figura 4. Generacin de una tensin y almacenamiento de energa en dos tensiones.

Figura 5.Generacion y almacenamiento en una tensin

Fue especificado originalmente por la compaa alemana Robert Bosch GmbH para aplicaciones crticas en

tiempo real. Permite el intercambio de informacin entre unidades de control electrnicas del automvil

aumentando considerablemente las funciones presentes en los sistemas del automvil ya que el sistema

permite compartir una gran cantidad de informacin entre las unidades de control del sistema, lo que

provoca una reduccin importante tanto del nmero de sensores utilizados como de la cantidad de cables

que componen la instalacin. Debido a sus caractersticas, tales como robustez y excelente relacin

coste/prestaciones fue adoptado para aplicaciones industriales y de control.

El comportamiento en tiempo real para los protocolos basados en el mtodo anterior (token

passing) no es generalmente muy bueno, pues cuando un procesador tiene que enviar un dato

muy urgente, deber esperar hasta que le toque su turno, y esto puede tomar mucho tiempo. Este

tiempo de espera puede ser muy grande debido a que cada estacin del sistema tiene derecho a

permanecer con el token un perodo determinado de tiempo, a pesar que slo esta enviando

mensajes que no son urgentes. Por este motivo la transmisin de los mensajes urgentes ser

retardada por los mensajes que no son urgentes, lo que reduce la caracterstica de tiempo real del

protocolo. Una manera de mejorar esta caracterstica sera reduciendo, para cada procesador, el

tiempo de posesin del token. Sin embargo, el efecto secundario de realizar esta medida, es que la

proporcin del tiempo de utilizacin del bus usado para pasar el token aumenta, mientras que el


9

ancho de banda disponible para el envo de mensajes disminuye; esto afecta otra vez el

comportamiento en tiempo real del sistema.

BIBLIOGRAFIA: (Snchez, 2014)

Bibliografa

Snchez, J. J. ((S.D) de Marzo de 2014). Google Academic. Obtenido de scholar.google.

Sistema Novedoso en Los Vehiculos

Documents

Transcript of Sistema Novedoso en Los Vehiculos