UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

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1 UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA LÜFKE I : AUTO RECICLADO CON TRACCIÓN ELÉCTRICA PARA LA CIUDAD DE SANTIAGO DE CHILE VÍCTOR ANTONIO CASTAÑEDA ZEMAN 2005

2 UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA LÜFKE I : AUTO RECICLADO CON TRACCIÓN ELÉCTRICA PARA LA CIUDAD DE SANTIAGO DE CHILE VÍCTOR ANTONIO CASTAÑEDA ZEMAN COMISIÓN EXAMINADORA CALIFICACIONES NOTA(Nº) (LETRAS) FIRMA PROFESOR GUÍA: DR. RODRIGO PALMA B. : PROFESOR CO-GUÍA: SR. ALFREDO MUÑOZ R. : PROFESOR CO-GUÍA: SR. JORGE ROMO. : PROFESOR INTEGRANTE: SR. EFRAIN ASENJO : NOTA FINAL EXAMEN DE TÍTULO : MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA SANTIAGO DE CHILE ABRIL 2005

3 A mi Familia A mi padre que me enseñó a trabajar A mi madre que me enseñó la constancia A mi hermano que me abrió el camino A mi hermana que me enseñó a querer A Dios y Jesús que me enseñaron a amar, agradecer y perdonar

4 AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer a todos aquellos que me ayudaron a forjar este sueño que se ha convertido en realidad. Quiero agradecer particularmente a mis profesores Rodrigo Palma, Alfredo Muñoz, Efraín Asenjo, Oscar Moya y Jorge Romo, por el apoyo, conocimientos y ayuda entregada. Quiero agradecer a mi familia que me apoyaron en todo y creyeron en mí, a mis amigos que vivieron este maravilloso proceso conmigo. En especial quiero agradecer a mis amigos de Ingeniería Eléctrica que me ayudaron y apoyaron, como también a mi pastoral CPJ SS.CC. que me enseñó a ordenar el tiempo. Quiero agradecer a mis familiares que me ayudaron a ser mejor persona. Quiero agradecer a Dios y a Jesús por haberme regalado esta oportunidad de vida, que la pude concretar con su ayuda y especialmente, por el Don de amar esta profesión. Quiero agradecer a la Universidad de Chile y la Escuela de Ingeniería que me dieron todas las herramientas para lograr esta profesión. En especial agradezco al departamento de Ingeniería Eléctrica, que a través de años de esfuerzo me entregaron todos sus conocimientos y lograron que me enamorara de esta carrera. En fin, gracias a todos por el apoyo, amor y ánimo que me entregaron, los que se marcaron en mi corazón, como un recuerdo indeleble de esta etapa de mi vida, que siempre permanecerá presente

5 RESUMEN DEL INFORME FINAL PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA POR: VÍCTOR CASTAÑEDA ZEMAN FECHA: ABRIL 2005 PROF. GUÍA: SR. RODRIGO PALMA B. Lüfke I : Auto Reciclado con Tracción Eléctrica para la Ciudad de Santiago de Chile Actualmente, los vehículos eléctricos y las tecnologías asociadas, se encuentran en un nuevo proceso de desarrollo, motivado principalmente por las expectativas de abastecimiento de combustible fósil y problemas ambientales. En este contexto, esta memoria pretende mostrar una forma factible y real de colaborar con esta tendencia mundial a través de un fomento del reciclaje de vehículos convencionales mediante la conversión a tracción eléctrica. Para ello, se utiliza como punto de partida la experiencia adquirida por el estudiante al participar activamente en el proyecto de conversión denominado Lüfke I, llevado a cabo en el Área de Energía del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile. Esta memoria incluye en primer lugar una recopilación de datos del estado del arte de los vehículos eléctricos y sus tecnologías, el que identifica los tipos de componentes necesarios en la creación, construcción y conversión de vehículos eléctricos. Esta recopilación bibliográfica constituye la base sobre la cual se propone un manual de conversión a tracción eléctrica de vehículos, destinado a documentar todos los conocimientos y experiencias adquiridos en el proyecto Lüfke I. Este manual permite observar las alternativas y formas de proceder en la conversión, enfatizando las precauciones y cuidados debidos. Una segunda etapa de este trabajo constituye el estudio del funcionamiento eléctrico y mecánico del vehículo eléctrico convertido. El estudio del funcionamiento eléctrico se focaliza en explicar un fenómeno de sobrevoltaje observado en la etapa de pruebas del sistema. El estudio del funcionamiento eléctrico incluye la modelación del circuito de tracción eléctrica del vehículo, el que incluye el banco de baterías, motor, controlador de potencia y conexiones asociadas. El modelo es integrado a un ambiente de simulación computacional, permitiendo su validación y sintonización con lo observado en la práctica. Por su parte, el estudio del funcionamiento mecánico se basa en un modelo mecánico cinemático básico, capaz de simular su operación y detectar limitaciones técnicas, tales como su velocidad máxima y pendiente límite. El estudio del comportamiento eléctrico del vehículo permitió establecer con claridad las causas del sobrevoltaje, recrear el fenómeno experimentalmente y sugerir las medidas a tomar en una conversión con el fin de evitar su aparición. El estudio del funcionamiento mecánico fue validado experimentalmente, logrando entregar antecedentes sobre el desempeño económico del vehículo. Los modelos desarrollados, documentados en detalle, sirven de base para futuros estudios y propuestas de diseño en torno a este tema. Finalmente, como trabajos futuros en este ámbito, se propone la mejora y optimización del vehículo Lüfke I, en relación a su circuito eléctrico (minimizando pérdidas), resistencia mecánica (reduciendo peso y aumentando aerodinámica), e incluyendo freno regenerativo, sistemas de control y monitoreo con un comportamiento inteligente. Estos desarrollos permitirán ofrecer una alternativa de conversión para una ciudad con las características de Santiago de Chile.

6 TABLA DE CONTENIDOS 1 INTRODUCCIÓN MOTIVACIÓN OBJETIVOS ALCANCE ESTRUCTURA DEL TRABAJO EL AUTO ELÉCTRICO Y SU DESARROLLO HISTORIA DEL AUTO ELÉCTRICO HISTORIA LÍNEA DE TIEMPO AUTO ELÉCTRICO HOY TIPOS DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS EMPRESAS DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS COMPONENTES DE UN VEHÍCULO ELÉCTRICO SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA SISTEMA DE PROPULSIÓN SISTEMA DE CONTROL SISTEMA DE RECARGA SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN (MONITOREO Y CONTROL AUTOMÁTICO) SISTEMAS DE SEGURIDAD Y ACCESORIOS ENFOQUE DEL ESTUDIO CONVERSIÓN DE AUTO CONVENCIONAL A ELÉCTRICO ESTUDIO Y DESARROLLO PREVIO INVESTIGACIÓN Y PREPARACIÓN DE LA CONVERSIÓN PLANIFICACIÓN DE CONVERSIÓN ADAPTACIÓN MECÁNICA HERRAMIENTAS PROCEDIMIENTO CONEXIÓN DE MOTOR Y CAJA DE CAMBIOS SISTEMA DE SUJECIÓN DEL MOTOR INSTALACIÓN ELÉCTRICA BATERÍAS COMPONENTES CONTROLADOR CABLES SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROL PRUEBAS FINALES ESTUDIO DE FUNCIONAMIENTO ESTUDIO DE FUNCIONAMIENTO ELÉCTRICO MODELO ELÉCTRICO DE LAS COMPONENTES i

7 4.1.2 MODELO Y SIMULACIÓN ELÉCTRICA DEL CIRCUITO SIMPLIFICADO (CON FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE) MODELO Y SIMULACIÓN DE CIRCUITO COMPLETO (CON EL FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE) MODELO Y SIMULACIÓN DE CIRCUITO COMPLETO (SIN EL FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE) MEDICIÓN REAL DE CIRCUITO ELÉCTRICO 1 (CON EL FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE) MEDICIÓN REAL DE CIRCUITO ELÉCTRICO 2 (SIN EL FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE) ESTUDIO DE FUNCIONAMIENTO MECÁNICO FUERZAS DE RESISTENCIAS AL MOVIMIENTO FUERZAS DE EMPUJE ANÁLISIS DE FUERZAS CONSIDERACIONES PRUEBAS PARA CÁLCULO DE PARÁMETROS MODELO DEL VEHÍCULO PENDIENTE MÁXIMA DE OPERACIÓN RENDIMIENTO OPTIMIZACIONES PROPUESTAS Y MEJORAS FRENO REGENERATIVO SISTEMA DE SUPERVISIÓN INTEGRACIÓN DE INTELIGENCIA CONTROLADOR DE CAMBIOS Y VELOCIDAD CONCLUSIONES Y COMENTARIOS BIBLIOGRAFÍA ANEXOS CÁLCULO DE PARÁMETROS MECÁNICOS DEL VEHÍCULO ÁREA FRONTAL RADIO RUEDA COEFICIENTES DE RODADO Y ROCE DEL AIRE CÁLCULO DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS PARÁMETROS DE CABLES PARÁMETROS DE MOTOR SIMULACIONES REALIZADAS MODELO SIMPLIFICADO DE CIRCUITO ELÉCTRICO 1 (CON EL FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE) MODELO COMPLETO DE CIRCUITO ELÉCTRICO 1 (CON EL FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE) MODELO COMPLETO DE CIRCUITO ELÉCTRICO 2 (SIN EL FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE) SIMULACIÓN DE MODELO MECÁNICO MEDICIONES REALIZADAS EN EL VEHÍCULO CIRCUITO ELÉCTRICO 1 (CON EL FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE) CIRCUITO ELÉCTRICO 2 (SIN EL FENÓMENO DE SOBREVOLTAJE) FOTOS DEL VEHÍCULO LÜFKE I ii

8 1 INTRODUCCIÓN 1.1 MOTIVACIÓN Actualmente, los vehículos eléctricos son una buena alternativa para disponer de una movilización limpia en una ciudad contaminada como Santiago. El uso de tracción eléctrica para los automóviles, contribuye a la disminución de la contaminación ambiental, en particular la contaminación del aire y acústica. Esta disminución de la contaminación es importante en el contexto del problema del calentamiento global que enfrenta el planeta. Asimismo, la utilización de transporte limpio contribuye a un mejoramiento de la calidad de vida en la ciudad. Con estas ideas presentes, este trabajo busca contribuir al desarrollo de soluciones tecnológicas para el transporte al utilizar energía eléctrica y al mismo tiempo considerar restricciones presupuestarias y ambientales. 1.2 OBJETIVOS El objetivo general de este trabajo es el estudio del funcionamiento y posibles optimizaciones de un vehículo eléctrico transformado a partir de un vehículo convencional. En este contexto, se distinguen los siguientes objetivos específicos: Recopilación de datos del estado del arte en torno al tema. Desarrollo de manual de conversión de vehículo convencional a eléctrico. Estudio de las características de funcionamiento eléctrico del vehículo. Estudio de fenómeno de sobrevoltaje surgido en la construcción del vehículo. Estudio de las características mecánicas de funcionamiento del vehículo. Presentación de propuestas para optimización y mejoras de vehículo eléctrico. 1.3 ALCANCE La presente memoria contiene un manual de conversión, el cual expone la mayoría de las alternativas de conversión existentes. Sin embargo, no se presentan explicaciones detalladas del funcionamiento y aspectos constructivos de cada una de los componentes (motor, controlador y baterías) involucrados en el proceso. Se explican, también, las diferentes formas de instalación e interconexión. El manual incluye algunos planos, con un nivel de detalle intermedio, de las piezas que se 1

9 utilizan regularmente en las conversiones. El análisis de los aspectos relacionados con la mecánica automotriz no es tratado en forma acabada, limitándose al uso de una terminología genérica. El estudio del funcionamiento eléctrico presentado en esta memoria, consta tanto de un modelo eléctrico completo (detallado), como de una versión simplificada para la representación del circuito de tracción. El modelo utilizado para el motor de corriente continua es un modelo dinámico de primer orden, el cual modela su parte eléctrica y mecánica. Para los cables se utilizaron diversos modelos dependiendo del nivel de complejidad deseado (modelos PI y resistivo puro). El controlador fue modelado en forma básica, en que se enfatiza la representación de los componentes de electrónica de potencia y se supone un comportamiento ideal de las señales de control. En el modelo de las baterías no se consideraron las características parásitas, tales como capacitancias e inductancias. Este estudio también contiene resultados y análisis, tanto de simulaciones de los modelos eléctricos, como también de las mediciones tomadas al circuito eléctrico de Lüfke I. El análisis del ajuste obtenido entre el modelo y el sistema real se realiza al comparar los resultados de un conjunto acotado de casos. Este estudio también incluye un estudio de un fenómeno de sobrevoltaje surgido en las pruebas del sistema, el cual es explicado mediante un análisis de régimen permanente y simulaciones. Este análisis permite observar en grandes rasgos su comportamiento. Sin embargo, el estudio no establece una expresión analítica para describir este comportamiento en forma exacta. El análisis del funcionamiento mecánico se realiza mediante un modelo cinemático básico, que incluye la resistencia del aire y rodado del vehículo. Los modelos utilizados son los más frecuentes para este tipo de estudios, al ser utilizados en simuladores de conducción, juegos, etc. Además, se incluye la simulación mecánica del vehículo y el cálculo de sus limitaciones técnicas, tales como pendiente máxima y velocidad máxima. En los dos estudios anteriores no se realiza una validación rigurosa de los modelos, debido a que se tiene instrumentación limitada para este propósito. Sólo se efectúa una comparación entre los gráficos obtenidos, lo que permite deducir si los modelos se aproximan o no a la realidad. Por otro lado, el alcance establecido para este estudio se limita a mencionar en forma general algunas posibles mejoras y optimizaciones para el vehículo. 2

10 1.4 ESTRUCTURA DEL TRABAJO Este trabajo está estructurado en seis capítulos temáticos. A continuación se presenta una breve reseña de cada uno de ellos. Los capítulos uno y dos son de carácter introductorio, que intentan mostrar las tecnologías y tendencias actuales del mercado automotriz. El capítulo uno detalla los objetivos del trabajo, la motivación y alcances. El segundo capítulo muestra la mayor parte de las tecnologías actuales en la conversión de vehículos convencionales a tracción eléctrica, que indican las diferentes tecnologías de cada componente. Este capítulo, también, muestra las tendencias de investigación y las diferentes derivaciones de la utilización de energía eléctrica en los automóviles. Asimismo, se exhiben las actuales tecnologías de los vehículos eléctricos comerciales, entre ellos los que actualmente están a la venta y los proyectos relacionados con este tema, tanto en Chile como en el extranjero. El tercer capítulo corresponde a un manual técnico de conversión, que está orientado a servir de guía y libro de consulta, que muestra en forma clara los cuidados y formas de proceder en las distintas etapas del trabajo. Este manual contiene diferentes soluciones para cada etapa de la conversión, que informa al lector los conocimientos necesarios para que éste pueda diseñar sus propias soluciones. El cuarto capítulo contiene un análisis eléctrico y mecánico del auto eléctrico, en el que se muestran los modelos encontrados para cada componente del vehículo, junto con su desarrollo teórico y fundamentos. El modelo eléctrico ha sido simplificado para ser analizado teóricamente y a través de simulaciones. También se exponen las simplificaciones que se utilizaron para tener un buen entendimiento de los modelos. Este capítulo realiza el estudio de un fenómeno de sobrevoltaje que se presentó en el circuito eléctrico del vehículo, en que se muestran las causas y las consecuencias que este puede tener. El capítulo cinco propone optimizaciones y mejoras que se pueden realizar en el vehículo Lüfke I. En este capítulo se deja expuesto en detalle las definiciones de las posibles mejoras y cómo se podrían llevar a cabo. Estas mejoras son el freno regenerativo, sistema de supervisión, integración de inteligencia y controlador de cambios y velocidad. El capítulo seis expone las conclusiones y comentarios del trabajo. Finalmente, los capítulos siete y ocho presentan las fuentes bibliográficas y los anexos, respectivamente. Los anexos contienen el detalle de los cálculos y los gráficos que sustentan los análisis presentados en el cuerpo del trabajo. 3

11 2 EL AUTO ELÉCTRICO Y SU DESARROLLO 2.1 HISTORIA DEL AUTO ELÉCTRICO A continuación, a modo de introducción temática se presenta un resumen de la historia y desarrollo de los vehículos con tracción eléctrica [1,2] Historia En los años de 1890, los autos eléctricos estaban en una proporción de 10:1 respecto de los vehículos a combustión, que dominaron por mucho tiempo los caminos y el mercado de esa época. Esto indica que en esos tiempos los vehículos eléctricos se estaban desarrollando como una de las tecnologías más novedosas y populares de la época. A partir de 1910, los autos a combustión ingresaron paulatinamente al mercado con mayor fuerza, puesto que en su mayoría, eran fabricados al desarrollar el uso de líneas de ensamblaje. Este nuevo sistema de producción prácticamente eliminó del mercado a todos los otros antiguos constructores de vehículos, tanto eléctricos como a combustión, debido a una disminución sustancial de los costos de producción, lo que provocó que las compañías independientes que no tenían acceso a esta nueva tecnología desaparecieran. Luego que los vehículos a combustión comenzaron a dominar el mercado por sus bajos precios, empezaron a surgir una mayor cantidad de factores que eliminaron casi totalmente el desarrollo de los vehículos eléctricos. Algunos de estos factores fueron que la infraestructura eléctrica en esa época era casi inexistente en las afueras de las ciudades, por lo que los autos eléctricos, debido a las dificultades del almacenamiento en bancos de baterías, estaban limitados a transitar dentro de las ciudades. Otro factor importante de la disminución del uso de automóviles eléctricos, fue que en esos tiempos la energía eléctrica era más cara que el combustible, además de que era complicado encontrar un lugar para recargar el sistema de almacenamiento de energía eléctrica. Por estos factores, para fines de la primera guerra mundial, la producción de vehículos eléctricos se detuvo totalmente. En los años 60 y 70, impulsado por la contaminación atmosférica y la cantidad limitada de petróleo disponible en el mercado, se observó un renacimiento del vehículo eléctrico, como concepto de transporte masivo. 4

12 En los años 90, las grandes marcas de automóviles reanudaron la producción de vehículos híbridos y/o eléctricos, lo que ha sido impulsado, por ejemplo, por iniciativas tales como el Mandato de Vehículos de Emisión Cero (ZEV, Zero Emisión Vehicle) emitido en California. Los Automóviles Eléctricos fabricados por los precursores fueron producidos esencialmente en pequeños volúmenes, a pedidos y hechos a mano. Sin embargo, como el Mandato ZEV se debilitó al transcurrir los años, las grandes marcas detuvieron la producción de Automóviles Eléctricos Línea de Tiempo En la siguiente tabla se presenta un resumen en forma de línea de tiempo de los desarrollos y hechos históricos relevantes de los vehículos con tracción eléctrica [1,2] Thomas Davenport inventa la batería para un auto eléctrico, las cuales no son recargables Gaston Plante inventó las baterías de Plomo-Ácido recargables Thomas Edison construye un auto eléctrico usando baterías Níquel- Alcalina Primera carrera de autos en Norte-América, fue ganada por un vehículo eléctrico Primera vendedora de Automóviles en Estados Unidos, la cual vendía vehículos eléctricos Primer vehículo eléctrico con dirección servo-asistida, éste tenía un sistema auto-encendido eléctrico, el cual veinte años después se usaron en los vehículos a gasolina En la ciudad de Nueva York, los vehículos eléctricos son los únicos capaces de movilizarse en los caminos dentro de una Tormenta de Nieve Gran Problema de contaminación en la Ciudad de Nueva York. Ésta es producida por los caballos, dejando 1.1 toneladas de excremento, litros de orina diariamente en las calles; caballos muertos son retirados de las calles cada año Los vehículos producidos fueron: 33% Vehículos a vapor, 33% Vehículos Eléctricos y 33% Vehículos a Gasolina Primera multa de exceso de velocidad, ésta fue cursada a un Vehículo Eléctrico Henry Ford le compra a su esposa un Vehículo Eléctrico. La Alta Sociedad de ese tiempo entregó un elogiador apoyo a los Vehículos Eléctricos: Este vehículo nunca me falla 5

13 1910 Fábrica de vehículos produce autos a combustión interna en volumen, reduciendo el costo por vehículo Hay Vehículos Eléctricos en las calles. Los camiones cisternas entregan gasolina a las estaciones Auto-encendido para autos a gasolina. (10 años después que el Modelo T) 1956 Sistema Nacional de Autopistas Interestatales. Consolidado el 90% en los estados y 90% en el Gobierno Federal Sputnik (Satélite Soviético) es lanzado. El programa de espacio estadounidense inicia la investigación y desarrollo de una avanzada batería Gran Expectación porque 36 millones de personas están realmente interesadas en Vehículos Eléctricos. Hasta esa fecha los autos eléctricos tienen una velocidad máxima de 60 Km/hr, y una autonomía de 80 Km Walter Laski funda la Asociación de Autos Eléctricos Congreso aprueba estatutos regulatorios más exigentes enfncados a disminuir los riegos de salud a los usuarios de los autos: colisiones, aire contaminado Primer Rally Anual de Autos Eléctricos de la EAA 1974 Debuta CityCar en el Simposio de Vehículos Eléctricos en Washington DC. En 1975, la marca de CityCar es vanguardista, siendo la sexta marca de autos de los Estados Unidos California establece el Mandato del Vehículo de Emisión Cero, siendo el 2% de los vehículos en 1998 y el 10% para el General Motors muestra su inicio en la producción de Auto Eléctricos, con el modelo Impact. Después este es renombrado como EV El Gobierno de Estados Unidos gastó $194 Millones de Dólares en investigación de sistemas de energía eficiente. Esta inversión fue mucho menos que un billón de Dólares que cuesta un simple día en la Tormenta del Desierto, o un billón de Dólares que sale por semana en el Conflicto de Irak (2003) General Motors estimó que tomaría 3 meses especificar los nombres de las 5000 personas interesadas en el modelo EV-1. Esto sólo tomó una semana Renaissance Cars, Inc comienza la producción del modelo Tropica EAA ayuda en la investigación en los Autos Eléctricos a la empresa CALSTART en Alameda, California General Motors comienza la producción del EV Toyota Prius, vehículo híbrido (gasolina-eléctrico) mostrado en el 6

14 evento Tokio Auto Show Toyota RAV4-EV venta por pedido. Se estimó que se agotaría en 2 años, pero se agotó en 8 meses El Mandato de ZEV (Vehículo de Emisión Cero) debilitó la entrega de créditos para la construcción de ZEV. Toyota detuvo la producción del RAV4-EV, Honda detuvo su nuevo modelo EV- Plus y GM hace el mismo EV Rally EAA EV Anual en Palo Alto, California. Compitieron sobre 30 vehículos: Vehículos Eléctricos Convertidos, de Producción, híbridos y Vehículos personales El vehículo tzero de AC Propulsión ganó el Challenge Michelin Bibendum de alto grado, y; tzero tiene las siguiente especificaciones: 480 Kms por carga, 0-96Km/hr en 3.6 segundos, 160 Km/hr como velocidad máxima. 2.2 AUTO ELÉCTRICO HOY A continuación se expone el estado del arte actual que tienen los vehículos con tracción eléctrica. Para empezar se muestra una definición de los nombres de las diferentes tecnologías actuales, junto con explicar su funcionamiento básico. Luego se presenta una explicación de los componentes de un vehículo eléctrico con sus diferentes tecnologías Tipos de Vehículos Eléctricos En la actualidad, existen básicamente tres tipos de vehículos eléctricos: vehículo híbrido, de celda de combustible y eléctrico a base de baterías. A continuación se detalla cada uno de estos tipos [3-6] Vehículo Híbrido La mayor cantidad de los vehículos híbridos usan una combinación eficiente entre un motor de combustión interna y un motor eléctrico. Por ejemplo, en el caso de que el sistema de baterías esté cargado, cuando el automóvil llega a una luz roja en un semáforo, el motor a gasolina es automáticamente apagado para prevenir la emisión de gases contaminantes. Cuando un automóvil comienza a moverse, después que cambia a la luz verde, el motor eléctrico comienza a mover el vehículo, apoyando el encendido del motor a gasolina [3]. El motor eléctrico permite reducir la carga del motor a gasolina cuando el vehículo acelera (el motor a 7

15 combustión opera en condiciones cercanas a la nominal), haciendo que el auto emita menos gases contaminantes. Japón ha sido el líder mundial en la tecnología híbrida, al exportar un gran número de estos vehículos. Los modelos que actualmente están disponibles en el mercado de los países desarrollados son, entre otros, el Toyota Prius y el Honda Civic Híbrido, los primeros modelos llegaron a Chile durante el año Toyota ha proyectado su inserción al mercado nacional para la segunda mitad del año 2005 [4]. Existen dos tipos de vehículos híbridos, los cuales se diferencian en la conexión existente entre el motor de combustión interna y la máquina eléctrica. Los tipos de conexiones son en serie y en paralelo. En la conexión en serie, el motor de combustión interna está conectado en forma directa a la máquina eléctrica (produce la energía eléctrica), la cual puede ser almacenada o utilizada para alimentar otra máquina eléctrica que impulsa el vehículo. La conexión en paralelo, se realiza de tal manera que el motor de combustión interna y la máquina eléctrica están conectados en forma conjunta al sistema de tracción del vehículo. Este tipo de vehículo funciona al combinar las potencias entregadas por ambos motores, de tal forma de optimizar su funcionamiento y reducir al máximo las emisiones de gases contaminantes Vehículo Celda de Combustible El vehículo de celda de combustible que ha sido llamado la última generación de vehículo ecológico, el cual aún está en desarrollo. Este tipo de vehículos trabaja en base a la conversión directa de energía química en eléctrica, a través de una reacción electroquímica denominada combustión catalítica. Este tipo de combustión produce electricidad como producto primario y como subproducto calor y vapor de agua. Uno de los problemas de este sistema es la manipulación del hidrógeno, debido a su alto riesgo de explosión en condiciones ambientales normales, junto con los problemas de almacenamiento y seguridad. Actualmente, todas las grandes empresas automotrices poseen su prototipo basados en celdas de combustibles, pero con costos elevados, por lo cual en un futuro próximo no se pronostica su inserción en forma masiva al mercado. Las tendencias indican que los primeros vehículos de este tipo utilizarán metanol, gas natural o algún tipo de alcohol como combustible proveedor de hidrógeno. La ventaja de este tipo de vehículo es que las emisiones contaminantes se reducen considerablemente con respecto a los vehículos de combustión interna, adicionalmente que el hidrógeno se proyecta como un sustituto a los combustibles derivados del petróleo. Uno de los mayores inconvenientes de la inserción de este tipo de vehículos, además de su costo, es la inexistencia de infraestructura que permita la generación de hidrógeno en forma económica. 8

16 Vehículo Eléctrico Puro Están constituidos esencialmente por un Sistema de Propulsión (motor eléctrico), un Sistema de Control (controlador), un Sistema de Almacenamiento de Energía (baterías) y un Sistema de Recarga (cargador). Estos automóviles no utilizan ningún tipo de combustible específico, por lo que no emiten contaminantes atmosféricos. Este tipo de vehículo tiene una autonomía aproximada de 80 kilómetros, potencias desde 10 HP hasta 88 HP, aceleración de km/hr que va desde los 12.7 segundos hasta 30 segundos o más, y, los tiempos de recarga varían entre 2 y 12 horas dependiendo del tipo de baterías y tipo de banco utilizado. Estos vehículos, en general, son más pesados que los convencionales por el alto peso de cada batería. En la actualidad este tipo de vehículos se vende en forma comercial en algunos países, los que son utilizados preferentemente como vehículos de ciudad. Particularmente, en Japón, se utilizan estos vehículos como autos comunitarios. Estos vehículos comunitarios son usados por cualquier persona que desee movilizarse dentro de la ciudad, de tal forma que se estacionen en lugares predeterminados, donde los vehículos son enchufados a una red especial para cargar las baterías. De esta forma, los vehículos son cargados mientras están estacionados y así quedan operativos para otro usuario. Este sistema japonés ha tenido mucho éxito, gracias a que permite un transporte barato, comunitario y no contaminante Empresas de Vehículos Eléctricos Desarrollos Nacionales En Chile no existen empresas que trabajen en automóviles eléctricos urbanos a un nivel comercial. Se constata la comercialización de vehículos eléctricos de pequeño tamaño, los cuales corresponden a vehículos de carga (hasta 500 kg., velocidad máxima de 30 km/hr), carros de Golf y carros de pasajeros para recorridos reducidos, por parte de la empresa Eco Car Electric S.A. [7]. En el país se realizan algunos estudios relacionados con la conversión de vehículos convencionales a eléctricos. Las instituciones que están o han trabajado en este tema, son la Universidad de Chile, la Pontificia Universidad Católica, Universidad Técnica Federico Santa María, INACAP y USACH. Asimismo, en los últimos años se han incorporado distintas iniciativas de estudiantes como consecuencia de la creación del concurso Fórmula-i [16]. Específicamente, se pueden mencionar los siguientes desarrollos: 9

17 Universidad de Chile. Se han desarrollado diversos trabajos de título en el ámbito de tracción eléctrica en los Departamentos de Ingeniería Eléctrica y Mecánica. En el marco de uno de estos trabajos se diseñó en forma íntegra un vehículo eléctrico de carga. Sus características son las de un vehículo utilitario [8]. Pontificia Universidad Católica. En esta universidad se han desarrollado proyectos Fondecyt a cargo del Profesor Juan Dixon. En el marco de uno de estos proyectos se ha creado un vehículo camioneta Chevrolet modelo "LUV" de doble cabina, la cual, como vehículo eléctrico, ha demostrado ser altamente confiable y eficiente. El vehículo cuenta con instrumentación digital y posee tres procesadores: uno para el control del motor, otro para la instrumentación y un tercero para la carga de las baterías [9]. También se han desarrollado varias memorias de título y tesis. Universidad Técnica Federico Santa María. En esta universidad se realizó un trabajo de título, que analizó teóricamente un Vehículo Eléctrico. Su resultado fue el diseño de un vehículo eléctrico y su sistema de control. En esta universidad también existen diversos trabajos en el área [10-15]. No existen instituciones empresariales en el país que desarrollen productos relacionados con los vehículos eléctricos Desarrollos Internacionales Las empresas líderes internacionales en la conversión de vehículos de combustión interna a tracción eléctrica son las siguientes [17]: Electric Vehicles System La línea de la empresa es la conversión de vehículos a gasolina y petróleo a vehículo con tracción eléctrica, más limpios y eficientes. Además la empresa ofrece servicio de reparación para todo tipo de vehículos eléctricos. Dirección: 34 Paine St.,Worcester, Massachussets, Estados Unidos. Teléfono: Página Web: Solectria Corporation of Woburn Solectria diseña y fabrica sistemas de propulsión y medios de transporte limpios, eficientes y sustentables. Esta empresa ofrece servicios de ingeniería para sistemas de vehículos, generación de energía eléctrica y procesos tecnológicos. 10

18 Dirección: 9 Forbes Road Woburn, Massachusetts, Estados Unidos. Teléfono: Página Web: EV Parts Esta empresa provee componentes para sistemas de Corriente Continua, tales como Motores, Controladores, Cargadores, Baterías, Cables, Conectores y convierte autos eléctricos especiales. Dirección: 108-B Business Park Loop, Sequim, Washington 98382, Estados Unidos. Teléfono: , Página Web: Cloud Electric Vehicles Esta empresa provee componentes para sistemas de corriente continua, tales como motores, controladores, cargadores, baterías, cables, conectores y convierte autos eléctricos especiales. Esta empresa tiene experiencia en el tema desde los años 80, en la conversión de vehículos y la construcción de botes eléctricos de carrera, vehículos de carrera, scooters. Dirección: th Ave. SO Unit Q-112 Kent, Washington, Estados Unidos. Teléfono: Página Web: Electro Automotive Esta empresa fue fundada en 1979, la cual fue creada para cubrir el mercado de las conversiones eléctricas. Esta empresa tiene años de experiencia profesional en la industria automotriz, al trabajar en autos familiares y de carrera. Su slogan es No existe otra empresa de vehículos eléctricos con tanta experiencia en conversiones y conocimientos de partes de vehículos. Dirección: POB 1113-W, Felton, California, Estados Unidos Teléfono: Página Web: Apollo Energy Systems, Inc. Este es una gran empresa que diseñó los sistemas de energía para el transbordador Apollo. Esta tiene dos lugares de investigación, una en Estados Unidos y otra en China. La línea de negocios de esta empresa es el 11

19 desarrollo, producción, comercialización y venta de licencias de nuevos sistemas y productos de energía. Unos de los sistemas de energía diseñados es el sistema de propulsión eléctrica Apollo, el cual combina la utilización de Celdas Alcalinas de Combustibles Apollo, baterías de Plomo-Cobalto, motor eléctrico de propulsión y controlador electrónico. Este sistema utiliza la celda de combustible para cargar las baterías, sin necesidad de usar un cargador de baterías. Dirección: 2301 N.W. 33rd Court, Bldg 115, Pompano Beach, Florida, Estados Unidos. Teléfono: Página Web: Las empresas mostradas anteriormente utilizan motores de corriente continua y motores de inducción trifásicos con niveles de potencia que varían entre 10 HP y 30 HP de potencia nominal, llegando a entregar en algunos casos hasta 200 HP como peak de potencia. Operan con un sistema en el que la persona interesada, lleva su vehículo a las instalaciones de la empresa y lo deja por algún tiempo para realizar una evaluación preliminar de cada vehículo con el fin de determinar la factibilidad técnica, mostrar las alternativas de kits para la conversión y formular una cotización del producto final. Las empresas líderes en la construcción de vehículos ecológicos, tanto comerciales como prototipos, son expuestas a continuación [17]: Toyota. Cuenta con el modelo Prius. Este es un vehículo híbrido tipo sedán familiar, especialmente diseñado para lograr una menor contaminación y un rendimiento superior. Desde su primera aparición pública, en 1997, ha recibido numerosos premios y ha vendido más de ejemplares en todo el mundo, aunque el mayor de sus mercados es por lejos Estados Unidos, con alrededor de unidades. En 5 años Toyota espera vender hasta unidades del modelo y ya se han presentado otros con el mismo sistema [18]. El vehículo emplea dos motores, uno de gasolina de 1,5 litro y 77 CV y otro eléctrico de 68 CV. El conductor puede seleccionar el propulsor que quiere utilizar con sólo pulsar un botón situado en el panel de instrumentos, lo que permite el uso exclusivo del motor eléctrico, momento en el que no genera emisión alguna [18]. Si se desea lograr el rendimiento máximo, el motor de gasolina actúa como fuente principal y el eléctrico entonces como auxiliar, logrando una aceleración de 0 a 100 km/h en menos de 11 segundos [18]. El viernes 1 de octubre de 2004 se estrenó oficialmente en Chile el primer auto de tracción híbrida en el mercado local y aunque no se ha definido el precio, es bastante claro que será más caro que un vehículo de similar 12

20 tamaño y potencia movido sólo por gasolina. Claudio Isgut, de Toyota Chile, espera que se sitúe en torno a los 17 o 18 millones de pesos [18]. General Motors. Esta marca desarrolló el EV1, el cual es considerado como uno de los vehículos eléctricos de mejor calidad construido. Se trata de un vehículo eléctrico impulsado por baterías, que ofrece las comodidades de los vehículos comunes del mercado, convirtiéndose así en uno de los vehículos más cotizados. Se vendieron más de de estos vehículos entre 1995 y Actualmente, se encuentra en desarrollo un modelo llamado GM Hy-Wire, el cual, no es más que un prototipo de lo que podría ser el automóvil del futuro. Se trata de un auto de concepto real, que funciona y que se mueve con la celda de combustible, que mediante hidrógeno produce electricidad para mover el vehículo y agua como desecho. No se sabe si realmente el Hy-Wire llegará a ser algún día producido en serie, pero sí es una apuesta muy real que demuestra que la celda de combustible es una realidad palpable y muestra hacia donde se encamina la industria del automóvil en estos momentos, en donde General Motors aparece como uno de los fabricantes más avanzados en investigación [19]. Ford. Esta marca tiene su modelo EcoStar, el cual es un vehículo eléctrico híbrido, que tiene un hidro-generador. Este modelo fue descontinuado, pero ahora está por salir su nuevo modelo Escape Híbrido, el cual es un vehículo Sub-Urbano y todo terreno. Este vehículo todo terreno es uno de los pocos de este tipo eléctricos. Honda. Esta marca de vehículos japoneses tiene dos modelos ecológicos: el Civic Híbrido y el EV Plus. Este último es un vehículo eléctrico a baterías que se encuentra en etapa de prototipo a diferencia del modelo Civic Híbrido, el cual se encuentra hoy día dentro de los productos destacados de Honda. El modelo Civic Híbrido, fue introducido en Chile el 6 de Octubre de 2004, luego de hacer oficial la homologación del vehículo que debería entrar al mercado nacional a partir del El precio de este vehículo (de transmisión automática) suele ser un 20% más alto que el habitual, por lo que se espera que, en este caso, se acerque a los 14 millones de pesos [20]. Las marcas Peugeot (106 Electric), Nissan (FEV-II, Altra), Daihatsu (EV-H) y Mitsubishi (Libero, Canter) también están incursionado en la construcción de vehículos eléctricos e híbridos. En la siguiente tabla se presentan los modelos más relevantes que se encuentran, ya sea en etapa de prototipo o bien comercial. 13

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