Artículo Cientíco / Scientic Paper
Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, VIII Edición 2019, No. 8 (12)
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ESPE
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 8 Vol. 1 / 2019 (12) ISSN 1390 - 7395 (8/12)
Abstract
The investigation presented originated with the aim of
verifying the real autonomy in operating conditions of
the electric bus BYD model K9G, by determining the
variables that directly affect the energy consumption
of the battery pack such as: speed, state of charge
(SOC), altitude, acceleration pedal position, time
and distance of travel; parameters that affect the
performance of the autonomy of the bus, these data
are determined from the ow of data that are taken
in real time in different operating conditions with
the automotive scanner VDS 2000 on the route
established by the Saucinc SA transport cooperative
in the city of Guayaquil, in this way it is also obtained
characteristic parameters of the electric propulsion
system that allow us to analyze the operation of the
main components of the bus, and then establish a
mathematical validation model to determine the real
autonomy of the bus with correlation of The Pearson’s
variables, the variables with the highest incidence
and which signicantly affect the multiple regression
equation are known, these values are entered in the
statistical analysis software using the sampling values
obtained in the route tests that allow establishing the
prediction of real autonomy.
Keywords: Autonomy, electric bus, regeneration,
electrical propulsion system.
DIAGNÓSTICO ELECTRÓNICO DE LA REGENERACIÓN, CARGA Y DESCARGA
DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO PARA DETERMINAR SU AUTONOMÍA.
ELECTRONIC DIAGNOSIS OF THE REGENERATION, CHARGING AND
DISCHARGE OF THE ELECTRIC VEHICLE TO DETERMINE YOUR AUTONOMY.
John Jairo Chamorro Riascos
1
, Michael Antonio Guerrero Vera
2
, José Quiroz
3
, Leonidas Quiroz
4
1,2,3,4
Universidad de Fuerzas Armadas ESPE – Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica
e – mail :
1
jjchamorro@espe.edu.ec ,
3
maguerrero13@espe.edu.ec ,
3
jlquiroz@espe.edu.ec
4
laquiroz@espe.edu.ec .
CHAMORRO, GUERRERO, QUIROZ J, QUIROZ L. /
DIAGNÓSTICO ELECTRÓNICO DE LA REGENERACIÓN, CARGA Y DESCARGA DEL
VEHÍCULO ELÉCTRICO PARA DETERMINAR SU AUTONOMÍA.
Resumen
La investigación se originó con el objetivo de
comprobar la autonomía real en funcionamiento del
bus eléctrico BYD modelo K9G, determinando las
variables que inciden directamente en el consumo de
energía del conjunto de baterías como son: velocidad,
estado de carga (SOC), altitud, posición del pedal
de aceleración, tiempo y distancia del recorrido,
estos parámetros que afectan en el rendimiento de la
autonomía del bus, estos datos se determinan a partir
del ujo de datos que se toman en tiempo real en
diferentes condiciones de operación con el escáner
automotriz VDS 2000 en la ruta establecida por la
cooperativa de transporte Saucinc S. A. en la ciudad
de Guayaquil, de esta manera se obtiene además
parámetros característicos del sistema de propulsión
eléctrico que nos permiten analizar el funcionamiento
de los componentes principales y en general del
bus, para luego establecer un modelo matemático
de validación para determinar la autonomía real del
bus con la correlación de variables de Pearson se da
a conocer las variables de mayor incidencia y que
afectan notablemente en la ecuación de regresión
múltiple, estos valores se ingresan en el software de
análisis estadístico ocupando los valores de muestreo
obtenidos en las pruebas de ruta que permiten
establecer la predicción de la autonomía real.
Palabras Clave: Autonomía, bus eléctrico,
regeneración, sistema de propulsión eléctrico.
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1. INTRODUCCIÓN
La ingeniería del vehículo eléctrico existe antes
del siglo XX, pero con el paso de los años ha ido
evolucionando con la electrónica y electricidad
moderna lo cual permite que el EV sea la perfecta
combinación de la ingeniería automotriz, la ingeniería
eléctrica y la ingeniería química, con las cuales
se ha logrado la propulsión del EV, siendo así una
maquina limpia con el medio ambiente y eciente, en
el siglo XXI se han destinado millones de recursos
en varias marcas y países para contribuir con avances
tecnológicos para el desarrollo y producción de
vehículos eléctricos, los componentes principales que
se encuentran en mejoras son el motor eléctrico, el
convertidor de potencia y la fuente de energía para
aumentar su autonomía.[1]
SUBSISTEMA AUXILIAR
SUBSISTEMA DE FUENTE DE ENERGÍA
Controlador
electrónico
Conve rti dor de
alime ntación
Mot or el éct ric o
Unid ad de
gest ión de
energía
Me cani smo
de
tr ansm isió n
Rueda
Rueda
Fu ent e de
energía
Fu ent e de
alime ntación
auxili ar
Unid ad de
direc ción
asi stid a
Unid ad de
reg enera ción
de ene rgía
Unid ad de
control de
te mper atur a
Vol ante
Freno
Ace ler ador
SUBSISTEMA DE PROPULSIÓN ELÉCTRICA
Fuente de energía
Figura 1. Conguración general del vehículo eléctrico.
Ventajas
Los vehículos eléctricos están contribuyendo con
benecios para el medio ambiente y ahorro de energía.
Los benecios se dan para las grandes ciudades que
en su gran mayoría se encuentran contaminadas por
los motores de combustión, reducir la dependencia
de los combustibles fósiles y reducir las emisiones de
carbono hacia el medio ambiente son algunos de los
benecios con los que el vehículo eléctrico vuelve a
tomar importancia.
El uso de los vehículos eléctricos con cero emisiones
ayuda a ahorrar energías no renovables (petróleo) y
remplazan a los vehículos convencionales, siempre y
cuando que la electricidad sea generada por sistemas
de red ecientes que utilicen centrales eléctricas con
energía alternativa renovable como son la hidroeléctrica
y eólica que son energías con las que cuenta el país.
Los costos de mantenimiento, consumo de combustible
se reducen aproximadamente hasta en un 50% en
comparación con los vehículos de combustión interna.
[2].
Desventajas
La recarga de las baterías es escasa debido a que el
país no cuenta con una red de estaciones de recarga,
por lo cual si el vehículo va en trayecto en cual exceda
la autonomía total, se quedara parado o caso contrario,
si se encuentra un punto de recarga para alcanzar la
carga completa puede tardar horas y luego continuar el
trayecto. [3]
Vehículos eléctricos en el Ecuador
Los vehículos eléctricos son la nueva generación que
empieza a tomar fuerza en el mercado, en el pasado
se tenía algunas limitaciones que hoy en la actualidad
están siendo superadas.
El cambio de políticas referentes a los vehículos
eléctricos hace que las posibilidades de ventas asciendan
en el mercado debido a los incentivos como son la
exoneración total de aranceles para la importación de
este tipo de vehículos, CKD, baterías y cargadores. [4]
Figura 2. Ventas mensuales de vehículos eléctricos en Ecuador.
Eciencia de los vehículos eléctricos
El vehículo con motor de combustión interna solo
aprovecha el 25% de la energía que utiliza, el restante
son perdidas por fricción, el vehículo hibrido eléctrico
y el vehículo hibrido electro enchufable aprovecha
hasta 30% y 49 % de eciencia respectivamente ya que
de igual manera poseen motores de combustión interna
que ayuda a recargar las baterías para que se accione el
motor eléctrico.
Los vehículos eléctricos alcanzan una eciencia
superior hasta el 77%, siempre y cuando la energía que
se utilice para cargar el EV provenga de una fuente de
energía totalmente renovable. [5]
Figura 3. Eciencia de los diferentes tipos de vehículos.
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Motores eléctricos
Los motores eléctricos son los encargados de
transformar la energía eléctrica que se almacena en
la batería para luego transformarse en movimiento
mecánico, los motores que se utilizan en los vehículos
requieren algunos parámetros que los diferencian de
los motores para aplicaciones industriales.
• Alta densidad de torque y potencia
• Amplio rango de velocidad
• Eciencia en elevados rangos de par y velocidad
• Elevada capacidad de operación constante
• Elevada capacidad de sobrecarga intermitente
para adelantar
• Bajo ruido
• Alta abilidad. [8]
Controlador general del vehículo
El controlador del vehículo se utiliza principalmente
para el cálculo de la potencia, el control de la transmisión,
el control auxiliar del vehículo, la recolección y el
procesamiento de señales (como el acelerador, el freno
y la presión de aire), las alarmas relacionadas con
el tren motriz del vehículo, el diagnóstico de fallas
mediante la interacción de comunicación y el equipo de
red CAN, el control interactivo con la electrónica del
chasis (como EBS, ABS y ACU), denición de manejo
de fallas para la comunicación CAN, recopilación de
señales analógicas y de conmutación, e interacción
con otros equipos externos conectados para lograr la
función de conguración de parámetros del vehículo.
BMC (Battery Management Controller)
El vehículo cuenta con un sistema de gestión de
baterías distribuido para prevenir un envejecimiento
prematuro de la misma, este sistema está en permanente
control de los niveles de tensión en cada una de las
celdas con el objetivo de evitar sobrecargas y sobre
descargas, de igual manera contribuye con el control
de la temperatura. [9]
Sistema regenerativo
El sistema de frenado regenerativo es un parámetro
para que los vehículos eléctricos utilicen la energía
cinética y la conviertan en energía eléctrica, esta energía
se produce al momento de pisar el pedal y también se
recupera mediante desaceleraciones que se dan en las
pendientes, este porcentaje de energía se almacena en
la batería de alto voltaje.
Componentes del sistema de propulsión
eléctrico
La gura 2, presentan los componentes del sistema
de propulsión del bus eléctrico BYD.
Figura 4. Componentes del sistema de propulsión eléctrico.
Tabla 1. Componentes del sistema de propulsión eléctrico.
Descripción
1
Motor de dirección
2
Motor generador de aire a presión
3
Inversor
4
Controlador del compresor de aire
5
Controlador de accionamiento motor izquierdo
6
Controlador de accionamiento motor derecho
7
Controlador general
8
Controlador BMS 2 A
9
Controlador BMS 2 B
Inversor
El inversor en los vehículos eléctricos es el
componente principal del sistema eléctrico que cumple
las siguientes funciones:
• Distribuir la corriente que se almacena en la batería
de alto voltaje (HV) hacia los motores generadores
MG1 y MG2.
• Convertir el voltaje principal de la batería
en corriente continua que alimenta la batería
convencional de 12 V para los diferentes accesorios
del vehículo.
• Elevar el voltaje de la batería principal en corriente
alterna, este tipo de corriente utilizada por los
motores generadores. [6]
Batería
La batería de un vehículo eléctrico es la fuente única
de almacenamiento de energía, debido a los procesos
de reacción electroquímicos, la energía química se
transforma en energía eléctrica, capaz de alimentar a
todo el sistema eléctrico con el cual se da propulsión al
VE. [7]
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Los sistemas de frenado regenerativos hacen que
el vehículo eléctrico sea eciente ya que este sistema
aumenta el porcentaje de autonomía aproximadamente
del 10 a 15 %, que dependerá del modo de conducción.
[10]
2. Materiales y Métodos
El proceso inicia con la selección del vehículo para
luego realizar la toma de datos mediante el escáner
VDS2000
La tabla 2, muestra las características generales del
bus eléctrico BYD modelo K9G
.
Tabla 2. Características generales del bus eléctrico BYD modelo K9G
Ítem
Descripción
Marca
BYD
Modelo
K9G
Tipo
Bus urbano
Categoría
M3(Clase II)
Combustible
Electricidad
Tipo de motor
AC síncrono de
imanes
permanentes
Potencia máxima(kW)
150 kW x 2 (201
HP x 2)
Torque (Nm)
550 x 2
Autonomía(km)
300
Velocidad máxima (km/h)
80
Capacidad de la batería
324kWh/600 Ah
Peso bruto vehicular
[PBV] [kg]
19500
Peso en vacío [kg]
13850
Capacidad de carga [kg]
5650
Economía de combustible
[km/kWh]
0.93
Capacidad de pasajeros,
de pie y sentados [incluye
chofer]
De pie: 49,
Sentados: 31 + 1
chofer
Área útil disponible para
pasajeros de pie [
]
8
Tipo de transmisión
Motor en llanta sin
caja de cambios
Numero de marchas
3, Drive, Neutro y
Retro
Tracción
4x2
3. Resultados y Discusión
De los datos obtenidos mediante el equipo de
diagnóstico electrónico se obtiene el ujo de datos
para el análisis y comparación de las grácas de los
parámetros característicos del sistema de propulsión
eléctrico.
Consumo de la batería vs velocidad de rotación del
motor.
En las grácas que se muestra a continuación, se
observa dos casos particulares:
a)La graca que se obtiene en aceleración.
b)La graca que se obtiene en desaceleración
(freno regenerativo).
Figura 5. Consumo de la batería vs velocidad de rotación del motor
(aceleración)
a) Aceleración
Para el primer caso, en la gráca, se observa dos
curvas que muestran el consumo de energía de la
batería en comparación con la rotación del motor, que
son inversamente proporcionales. A mayor velocidad
de rotación del motor, el consumo de batería va a ser
mayor, en el graco el voltaje promedio del bus es de
560 V cuando el motor está detenido y a medida que
empieza el movimiento el voltaje empieza a descender
aproximadamente 557 V a 1000 rpm.
En la ruta establecida solo se obtiene ese rango
promedio de rotación del motor hasta 4000
revoluciones y con un consumo de energía de la
batería hasta un mínimo de 550V, ya que es una ruta
urbana y la velocidad máxima que está permitida es
50km/h.
b) Desaceleración o frenado
Para el segundo caso, se observa dos curvas
que muestran el consumo de energía de la batería
en comparación con la rotación del motor, que
en un tiempo dado las grácas son directamente
proporcionales. Esto se debe a que el bus cuenta con
un sistema de frenado regenerativo que al momento
de reducir las revoluciones la energía cinética se
convierte en energía eléctrica mediante el conjunto
inversor, por lo que cuando empiezan a disminuir las
revoluciones, el voltaje empieza a elevarse.
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Figura 6. Consumo de la batería vs velocidad de rotación del motor
(desaceleración)
Posición del pedal de aceleración vs velocidad
del vehículo.
En estos datos se observa que la velocidad máxima
que es permitida dentro de un circuito urbano es de
50km/h. Cuando el vehículo se encuentra totalmente
detenido la posición del pedal de aceleración es
0% y a medida que el porcentaje va aumentando la
velocidad aumenta. Esto quiere decir que la posición
del acelerador es directamente proporcional con la
velocidad del vehículo con una respuesta inmediata.
En este caso el porcentaje máximo que alcanza el
vehículo para 50km/h es del 80%.
Figura 7. Posición del pedal de aceleración vs velocidad del vehículo.
Voltaje total del pack vs corriente del pack.
En los datos que se obtuvieron se observa que la
corriente de descarga es inversamente proporcional
al consumo de energía de la batería ya que a medida
que los motores generadores entran en movimiento
el consumo de corriente es mayor y por lo tanto
la cantidad de energía almacenada en la batería
disminuye.
Figura 8. Voltaje total del pack vs corriente del pack.
Voltaje total del pack vs SOC del pack
El estado de carga es el indicador del nivel que posee
el conjunto de la batería, puede ser ‘completamente
cargada al 100%, o en estado de descarga con
valores inferiores. Con esto se puede conocer en qué
momento el vehículo necesita un punto de recarga para
reabastecer de energía el conjunto de baterías, este
estado de carga es similar al medidor de combustible
de un vehículo convencional.
Figura 9. Voltaje total del pack vs SOC del pack
En la gráca en un determinado momento el
vehículo se encuentra en descarga por lo que el
indicador de carga va disminuyendo de acuerdo a la
aceleración que posee el vehículo con el consumo de
los motores generadores, aire acondicionado, motores
de dirección, etc.
En un momento dado se observa que la gráca
tiende a subir, en esta parte el estado de carga
aumenta ya que el vehículo cuenta con un sistema
de freno regenerativo lo que hace que los motores
generadores actúen de manera inversa, recuperando
así un porcentaje de energía para ayudar a recargar el
conjunto de la batería.
Velocidad de rotación del motor vs el torque
En la gráca se observa que la velocidad de rotación
de los motores es directamente proporcional al torque,
a medida que las revoluciones del motor aumentan
hace que se incremente el torque.
Figura 10. Velocidad de rotación del motor vs torque
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Torque del motor vs posición del pedal de
aceleración.
El torque en un vehículo ya sea de tipo eléctrico
o convencional muestra la fuerza que genera el
motor para empezar el movimiento. En los datos
obtenidos para la ruta descrita y el tipo de vehículo,
se necesita que el torque sea mayor, ya que está
sometido a detenciones por completo y arrancadas
constantemente y por el propio peso del autobús más
el peso de los pasajeros se necesita mayor fuerza para
la tracción de las ruedas.
En la gráca se observa que cuando el autobús está
detenido no existe torque y la posición del acelerador
esta sin acción (0%); a medida que se va aumentando
la posición del acelerador el torque va aumentando. El
máximo torque que se obtiene al pisar por completo
el acelerador es de 200 Nm, entonces en esta graca
el torque es directamente proporcional a la posición
del acelerador.
Figura 11. Torque vs posición del acelerador
Determinación de la autonomía
Para determinar la autonomía del bus BYD modelo
K9G, se realizó una investigación de campo tomando
datos en tiempo real del funcionamiento del vehículo,
la autonomía se calcula mediante análisis estadístico
tomando en cuenta los parámetros que inuyen
directamente en el consumo de energía de las baterías
mediante la correlación de Pearson y ecuación de
regresión lineal.
a. Correlación de variables
Para establecer la correlación de variables se
selecciona las variables independientes frente a la
variable dependiente, tomando en cuenta los valores
cercanos a -1 y 1 que representan una correlación
signicativa.
Tabla 3. Correlación de variables
Tiempo Velocidad Distancia Posición
del
acelerador
SOC
Velocidad
0.746
Distancia
0.952 0.743
Posición del
acelerador
0.728 0.955 0.721
SOC
-0.996 - 0.748 -0.944 - 0.726
Autonomía
-0.989 - 0.773 -0.950 - 0.743
0.993
b) Autonomía teórica.
La autonomía teórica tiene relación directa con el
estado de carga SOC de la batería y la autonomía
determinada por el fabricante en condiciones ideales.
c) Calculo de la autonomía real mediante la
ecuación de regresión lineal
Para determinar la autonomía real mediante la
ecuación de regresión lineal se considera todos los
parámetros que inuyen en el consumo de energía de
las baterías, en la correlación de variables se tiene en
cuenta los parámetros y se los incluye en programa
de análisis estadístico para proyectar el modelo que
simula la autonomía del bus.
Tabla 3. Correlación de variables
Variables
independientes
Variables influyentes
Tiempo del recorrido (s)
Velocidad (km/h)
Distancia recorrida (km)
Porcentaje del pedal de
aceleración (%)
SOC (%)
4. CONCLUSIONES
Se diagnosticó electrónicamente por medio
del escáner automotriz VDS2000 los sistemas
para la propulsión del bus BYD modelo K9G, su
funcionamiento en tiempo real monitoreado en ruta y
su correlación entre módulos controladores.
Se recopiló información de estudios relacionados al
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análisis de vehículos eléctricos y adicional se realizó
el estudio de la conexión interna de los componentes
del sistema motriz
Se analizó todo el ujo de datos obtenidos en las
pruebas en ruta monitoreadas deniendo cada uno de
los factores que inciden directamente en el consumo
de energía que proporciona el conjunto de batería para
con estos factores determinar su autonomía.
Se denió las variables independientes que inuyen
directamente en la determinación de la autonomía del
vehículo eléctrico mediante la ecuación de regresión
lineal, estas son: tiempo del recorrido, velocidad,
distancia, aceleración y el SOC, en menor incidencia
tenemos el grado de inclinación que tiene el circuito.
Se investigó los parámetros y datos de
funcionamiento del inversor y motores eléctricos
del vehículo concluyendo que tanto motores como
baterías cumplen con las exigencias del circuito tanto
en torque, potencia y almacenamiento de energía ya
que en el circuito por la velocidad máxima permitida
y la capacidad de carga del bus al nal del día existe
un remanente de batería superior al 30%.
Se Obtuvieron los parámetros de carga y descarga
del conjunto batería de alta tensión mediante la
utilización del VDS2000 para posteriormente utilizar
dichos datos en la determinación de la autonomía del
vehículo mediante la ecuación.
Se analizó los datos obtenidos del escáner
automotriz VDS2000 en el bus K9G acerca de los
packs de baterías y el grupo motriz obteniendo
que el consumo de energía del conjunto batería es
inversamente proporcional a las revoluciones que
alcanzan los motores eléctricos, la posición del pedal
de aceleración es directamente proporcional a la
velocidad que alcanza el vehículo.
Se estudió la composición de las baterías del bus
K9G, y mediante una comparación con el resto de
baterías de alta tensión teniendo en cuenta varios
factores que inciden en el rendimiento de las mismas,
el tipo de baterías utilizadas en el bus K9G son tipo
LFP las cuales son patentadas por la marca y reciben
carga lenta, ideales para recibir energía durante la
noche.
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Recuperado el 17 de octubre de 2019, de http://
uvadoc.uva.es/handle/10324/28942
6. BIOGRAFÍAS
1
Jairo Chamorro. - nació en la
ciudad de Quito-Ecuador.
Ingeniero Automotriz
Universidad de las Fuerzas
Armadas ESPE – Latacunga.
2
Michael Guerrero. - nació en la
ciudad de Portoviejo- Ecuador.
Ingeniero Automotriz Universidad
de Fuerzas Armadas ESPE –
Latacunga.
3
José Quiroz, Ingeniero
Automotriz, Magíster en Gestión
de Energías, Diploma Superior
en Autotrónica, Diploma Superior
en Gestión para el aprendizaje
universitario. Jefe de Laboratorio
de Autotrónica, Docente de la
Universidad de Fuerzas Armadas
ESPE – Departamento de
Ciencias de la Energía y Mecánica.
3
Leonidas Quiroz. - Magíster en
Gestión de Energías, Diploma
Superior en Autotrónica, Ingeniero
Automotriz, Docente Tiempo
Completo, del Departamento de
Ciencias de la Energía y Mecánica
de la Universidad de Fuerzas
Armadas ESPE.
Autor para correspondencia:
jjchamorro@espe.edu.ec
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 18 agosto 2018
Fecha aceptación 02 diciembre 2018
