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1 L..CDNICYT ffib (OMAION NACIONAL DE INVESTIGACON LIEN 1 ÍF CA Y 1 L(NOL6(I(A x z GOBIERNODECHILE COMISION NACIONAL DE INVESTIGACION CiENCIA Y TECNOLOGIA VERSION OFICIAL FECHA: 29/03/20 10 PROYECTO REGULAR N INVESTIGADOR RESPONSABLE: JUAN WALTERIO DIXON ROJAS FONDO NACIONAL DE DESARROLLO CUENTIFICO Y TECNOLOGICO (FONDECYT) Bernarda Morín 551, Providencia - casilla 297-y, Santiago 21 Tclefono: FAX Ernail: infornies.fondecyt@conicyt.cl

2 x: GONIGYT (OMISON NA(IONAt DE INvLsrKAcIoN LN (A Y 1 (NC)LÓYI( Y GOBIE RNO DE CH ILE C()MI'ROI3ANTF DL RECEPCI N DL INFORME FINAL N PROYECTO: INVESTIGADOR(A) RESPONSABLE : JUAN WALTERIO DIXON ROJAS RUT : TÍTULO PROYECTO: DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A SMALL ELECTRIC VEHICLE FOR LOW RANGE AND FAST CHARGE APPLICATTONS, USING SPECIAL CONVERTER TOPOLOGIES AND ULTRACAPACITORS FOR ENERGY STORAGE. DISCIPLINA PRINCIPAL: INGENJERIA ELECTRICA (INC POTENCIA) CÓDIGO DE TRANSACCIÓN: AE57BFA90EC55804A B32DCCC FECHA DE RECEPCIÓN 29103/20 10 CION *

3 INFORME FINAL PROYECTO FONDECYT REGULAR N PROYECTO: DURACIÓN: 3 años AÑO ETAPA: 2009 TÍTULO PROYECTO: DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A SMALL ELECTRIC VEHICLE FOR LOW RANGE AND FAST CHARGE APPLICATIONS, USING SPECIAL CONVERTER TOPOLOGIES AND ULTRACAPACITORS FOR ENERGY STORAGE. DISCIPLINA PRINCIPAL: INGENIERIA ELECTRICA (INC POTENCIA) GRUPO DE ESTUDIO: INGENIERIA 2 INVESTIGADOR(A) RESPONSABLE: JUAN WALTERIO DIXON ROJAS DIRECCIÓN: VICUÑA MACKENNA 4860 COMUNA: MACUL CIUDAD: SANTIAGO REGIÓN: METROPOLITANA FONO: jdixon@ing.puc.cl INFORME OBJETIVOS Cumplimiento de los Objetivos planteados en el Proyecto. Recuerde que los objetivos del proyecto no se refieren a listar actividades desarrolladas sino a los objetivos desarrollados N OBJETIVOS CUMPLIMIENTO FUNDAMENTO 1 Diseñar y construir un nuevo tipo de convertidor TOTAL estático de nueve niveles para alimentar un motor brushless síncrono. Este convertidor debe incluir tanto la parte de potencia como cada tarjeta de circuito integrado del controlador. 2 Utilizar como única fuente de energia un banco TOTAL de ultracapacitores, los cuales permiten también el frenado regenerativo. 3 Probar cada componente y sistema, primero en TOTAL banco de pruebas y luego en el vehículo. 4 Integrar todas sus partes en el Suzuki Maruti y TOTAL probar la operación del vehículo en terreno. Otro(s) aspecto(s) que Ud. considere importante(s) en la evaluación del cumplimiento de objetivos planteados en la propuesta original o en las modificaciones autorizadas por los Consejos. El vehículo utiliza un sistema de monitoreo basado en pantalla "touch-screen", lo que permite visualizar la operación de los componentes más importantes del vehículo (estado de carga y balance de tensiones de los ultracapacitores, comentes en el motor, temperaturas en motor e inversor). Esta visualización es numérica y también con figuras simbólicas. Entre otras actividades no contempladas en el proyecto original, todo el sistema de potencia es controlado a través de fibra óptica, eliminado los problemas de interferencia electromagnética (EMI). Taiibién se agregó un panel solar que permite mantener la batería de 12 volts cargada, evitando sacar la energía de los ultracapacitores.

4 RESULTADOS OBTENIDOS: Para cada uno de los objetivos específicos, describa o resuma los resultados. Relacione las publicaciones y /o manuscritos enviados a publicación con tos objetivos específicos. En la sección Anexos incluya información adicional que considere pertinente para efectos de la evaluación. La extensión máxima de esta sección es de 5 páginas (letra tamaño 10, Anal o Verdana). El proyecto cumplió todos sus objetivos y el vehículo eléctrico (un Suzuki Maruti nuevo, comprado para esta investigación con dineros de otros proyectos) fue completamente implementado y probado. Las Figuras 1 y 2 son fotografías de este vehículo, el cual satisfizo los objetivos de ser impulsado sólo por ultracapacitores como única fuente de energía. o Figura 1 El vehículo utilizado para el proyecto Figura 2: Los ultracapacitores instalados Objetivo 1: Diseñar y construir un nuevo tipo de convertidor estático de nueve niveles para alimentar un motor "brushless" (sin escobillas) síncrono del tipo BLDC. Este convertidor debe incluir tanto la parte de potencia como cada tarjeta de circuito integrado del controlador. La mejor manera de describir estos objetivos plenamente cumplidos es mediante fotografías. En la Figura 3 se muestra una foto del inversor diseñado y construido, el cual genera 9 niveles de voltaje. La Figura 4 muestra el inversor operando en el banco de pruebas del Laboratorio de Vehículos Eléctricos. La Figura 5 muestra un detalle de todas las tarjetas de disparo de cada uno de los IGBTs del inversor de 9 niveles y finalmente, la Figura 6 muestra una foto del controlador, el cual enlaza con los circuitos de disparo al inversor a través de fibra óptica. Figura 3: Inversor de 9 niveles Figura 4: El inversor en banco de pruebas

5 Figura 5: Circuitos de encendido de los IGBTs Figura 6: Controlador con fibra óptica Las Figura 7 muestra el motor BLDC en el banco de pruebas y la Figura 8 muestra en más detalle este motor. En el banco de pruebas el motor se acopló a una máquina de inducción, la cual operaba como carga (para emular el movimiento del vehículo) y también como motor (para emular el frenado regenerativo. Esta máquina de inducción (la de color celeste a la izquierda de la Figura 8) estaba conectada a un inversor de cuatro cuadrantes, lo que permitía que las pruebas se hicieran con la mínima pérdida de energía. Esto por supuesto también permitió emular curvas de torque de carga, similares a las que puede encontrar un vehículo. Figura 7: Motor BLDC en Pruebas F- gura 8: Detalle del motor 8LDC (derechd) Objetivo 2: Utilizar como única fuente de energía un banco de ultracapacitores, los cuales permiten también el frenado regenerativo. El Suzuki Maruti utilizado para el proyecto, usó efectivamente sólo ultracapacitores (Ucaps) para rnovilizarse. La Figura 7 muestra la instalación de este banco de ultracapacitores flotantes (no conectados eléctricamente entre sí para obtener los 9 niveles) y la Figura 8 muestra los Ucaps ya instalados en el vehículo. Por su parte, la Figura 9 muestra la configuración topológica de este arreglo flotante y la Figura 10 la conexión física de estos Ucaps al inversor de 9 niveles. Como los ultracapacitores son flotantes, debe haber un adecuado control sobre el balance de sus voltajes, trabajo que ejecuta el controlador de la Figura 6, que recibe información desde los sensores de tensión montados en cada uno de los ultracapacitores. Dos trabajos fueron presentados a congresos en relación al convertidor de nueve niveles alimentado con ultracapacitores: uno en el EVER 2009 [1] y otro en el IECON 2010 [2]. En el JECON 2010 también se presentó un trabajo más completo sobre el trabajo descrito en [1] ([3]). También se publicaron dos trabajos ISI relacionados con este tema de los ultracapacitores; Un multinivel (27 niveles) con ultracapacitores flotantes [4] y uno para el control de flujo de energía en un vehículo con ultracapacitores, apoyando a una batería de Na-NiCI (ZEBRA) [5].

6 Figura 7: Banco de ultracapacitores Figura 8: Ultracapacitores en el Suzuki Maruti ''1 II \ 'I hl Fil Brushless DC Motor IJcap Figura 9: Topología de los Ucaps flotantes -r Ucaps Figura 10: Conexión de los Ucaps flotantes Objetivo 3: Probar cada componente y sistema, primero en banco de pruebas y luego en el vehículo. Las fotografías anteriores muestran parte del banco de pruebas en donde se fueron realizando todos los experimentos, para posteriormente instalar todas las partes en el vehículo para su implementación final. Con esto, y una vez comprobado el funcionamiento del equipo en el vehículo (puesta en marcha y manejo similar a un vehículo automático) se dió por terminado este proyecto Fondecyt. Objetivo 4: Integrar todas sus partes en el Suzuki Maruti y probar la operación del vehículo en terreno. Nuevamente las siguientes imágenes muestran una secuencia de fotos en las que se ven algunas de las etapas para la implementación completa del vehículo eléctrico. Figura 11: El vehículo antes del desarme Figura 12: Listo para extraer el motor

7 j Figura 13: Extracción del motor í. Figura 14: Ajustes para el motor eléctrico Figura 15: Instalación r'iti de 1 Figura 16: Pruebas motor instuludo Figura 17: Todo el equipamiento instalado Figura 18: Inversor y cnex(ril o trocapacitores Figura 19: Acelerador y our:lul p000! SOLO Figura 20: Sistema de monitoreo "touch screen" Como puede verse, la secuencia de fotos describe mejor que las palabras el trabajo realizado, el cual cumplió cabalmente con los objetivos. Además se utilizaron tecnologías no contempladas en

8 el proyecto, como la transmisión de señales vía fibra óptica, lo que evitó problemas de interferencia electromagnética. También se instaló un panel solar en el techo para mantener la batería auxiliar de 12 volts cargada. Por último, cabe mencionar que a pesar de que el tiempo del proyecto fue cortado de cuatro a tres años, fue posible llegar al final con el vehículo funcionando. Sin embargo, las pruebas detalladas y minuciosas comprometidas para el cuarto año obviamente que no pudieron realizarse. A pesar de ello, los investigadores creen haber cumplido a cabalidad con esta investigación. REFERENCIAS: [1] Juan Dixon, Sebastián Bosch, Carlos Castillo, Maximiliano Mura y Luis Morán, "Light Weight City-Car Using Nine-Level Converter and Ultracapacitors as Energy Storage", Ecologic and Renewable Energies Conference, EVER 2009, Montecarlo, Mónaco, Marzo [2] Javier Pereda, Juan Dixon y Mauricio Rotella, "Direct Torque Control for Sensorless Induction Motor Drives Using an Improved H-Bridge Multilevel Inverter", Industrial Electronics Conference, IECON 2009, Porto, Portugal, Noviembre [3] Juan Dixon, Sebastián Bosch, Carlos Castillo y Maximiliano Mura, "Ultracapacitors as Unique Energy Storage for a City-Car Using Nine-Level Converter", Industrial Electronics Conference, IECON 2009, Porto, Portugal, Noviembre [4] Mauricio Rotella, Gonzalo Peñailillo, Javier Pereda, y Juan Dixon, "PWM Method to Eliminate Power Sources in a Nonredundant 27-Level Inverter for Machine Drive Applications", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 56, No. 1, January 2009, pp [5] Juan Dixon, lan Nakashima, Eduardo Arcos, y Micah Ortúzar, "Electric Vehicle Using a Combination of Ultracapacitors and ZEBRA Battery", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 57, No. 3, March 2010, pp

9 DESTAQUE OTROS LOGROS DEL PROYECTO TALES COMO: - Estadías de investigación. Actividades de difusión y/o extensión en la temática del proyecto. - Cualquier otro logro no contemplado en los ítem anteriores y que Ud. quiera destacar. La extensión máxima de esta sección es de 1 página (letra tamaño 10, Anal o Verdana). No hubo estadías de investigación. Se presentó en una Sesión Plenaria de la Conferencia ICIT 2010 del IEEE, un trabajo relacionado con las fuentes de energía para vehículos eléctricos, en la que se hace ver que los ultracapacitores serán la solución definitiva para lograr rápida carga y buena autonomía. Se consiguieron importantes donaciones de ABB (Asea Brown Boyen), tales como dos máquinas de inducción trifásicas y un inversor de cuatro cuadrantes de 7 kw. Este convertidor, junto con una de las máquinas de inducción mencionadas, sirvió para todas las pruebas de laboratorio que se hicieron al sistema completo del vehículo Suzuki Maruti, es decir, ensayos de aceleración, marcha continua y frenado regenerativo programados. También se contó de parte de ABB con un controlador industrial ABB (modelo AC-800PEC), el que sirvió para pruebas preliminares cuando el controlador para el vehículo no estaba listo aún. La Figura muestra los aportes de ABB al Laboratorio. Se firmó un convenio con CAM (Compañía Americana de Multiservicios), con la cual se consiguieron fondos ($ ) que sirvieron para la compra del motor de tracción BLDC y otros bienes no contemplados en este proyecto. También a través de CAM se realizó un curso sobre vehículos eléctricos a profesionales peruanos, brasileños y colombianos. También vinieron visitas de universidades extranjeras a visitar el Laboratorio de Vehículos Eléctricos y han quedado sorprendidos con los desarrollos que se llevan a cabo en la PUC sobre este tema. El último en visitar estas instalaciones fue el Prof. Pat Wheeler de la Universidad de Nottingham, quien tuvo la suerte de ver este prototipo Suzuki terminado, lo cual lo dejó bastante impresionado.

10 RESUMEN: Describa en forma precisa y breve el tópico general del proyecto, sus metas y objetivos y los resultados alcanzados. Utilice un lenguaje apropiado para la comprensión del público no especialista en el tema. Esta información podrá ser difundida. La extensión máxima de esta sección es de 1 página (letra tamaño 10, Anal o Verdana). Este trabajo está enfocado al desarrollo de un pequeño vehículo eléctrico, usando sólo ultracapacitores como única fuente de energía. La puesta en práctica de este vehículo se enfocó en dos aspectos principales: la utilización de convertidores multinivel y el uso de ultracapacitores para energizar el vehículo. El primer aspecto fue el diseño e implementación de un convertidor de nueve niveles, el cual es superior a los inversores convencionales que usan sólo dos o tres niveles de voltaje de salida. Este convertidor y su sistema de alimentación asociado (ultracapacitores) fueron utilizados en un pequeño vehículo eléctrico. Todos los sistemas fueron simulados, diseñados, construidos y probados. El convertidor de nueve niveles fue simulado usando Simulink de Matlab y PSIM (Power Electronics Simulator). De estas simulaciones, un diseño práctico usando IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) fue desarrollado. La topología del convertidor utiliza dos Puentes "H" por fase, conectados en cascada y su potencia total es de 10 kw. El proyecto concluye con la puesta en práctica e instalación de todo el equipo en el vehículo eléctrico mencionado. El control del vehículo fue diseñado y puesto en práctica usando un microprocesador de la familia PIC32MX (Microchip Technology Inc., 2009). El proyecto fue dividido en cuatro etapas: 1) estudios teóricos y analíticos, simulaciones y diseño asistido por computador; 2) diseño del inversor de 9 niveles, estudio de partes mecánicas para el motor y soportes; 3) construcción del inversor multinivel y pruebas preliminares en laboratorio y 4) integración de partes en el vehiculo y pruebas de conducción para comprobar el funcionamiento total. El uso de ultracapacitores se enfoca en vehículos eléctricos donde la distancia sea corta y la carga del acumulador deba ser rápida. El vehículo utilizó seis módulos de 48 volts y 160 faradios cada uno, con una energía total almacenada de 300 Wh, suficientes para llevar este pequeño vehículo a distancias de alrededor de 5 kilómetros. La mayor importancia de esta investigación viene del hecho que los últimos avances en el almacenamiento de energía apuntan al desarrollo de nuevos ultracapacitores, basados en nanotubos de carbono. Estos desarrollos permitirán a los ultracapacitores alcanzar energías específicas mayores que las actuales baterías de Ni-Cd, pero con la ventaja de una muy rápida carga (menor de cinco minutos) y una vida útil de a lo menos ciclos. Esta investigación permitió adquirir el conocimiento y la experiencia necesarios para comprender y poder utilizar estas nuevas tecnologías.

11 PRODUCTOS ARTÍCULOS Para trabajos en Prensa! Aceptados/Enviados adjunte copia de carta de aceptación o de recepción. N : Autor (a)(es/as) : Rotella, M.; Peñailillo, G.; Pereda, J.; Dixon, J. Nombre Completo de la Revista: IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONTCS, VOL., NO. 1, Título (Idioma original) : PWM Method to Eliminate Power Sources in a Nonredundant 27-Level Inverter for Machinc Drive Applications Indexación : ISI ISSN: Año: 2009 Vol. : 56 N"; 1 Páginas : Estado de la publicación a la fecha : Publicada Otras Fuentes de financiamiento, si las hay Milleniurn Project P ` Envía documento en papel : Archivo Asociado al artículo : si Rotella.pdf 14/ / N : 2 Autor (a)(es/as) : Dixon, J.; Nakashirna, 1.; Arcos, F.; Ortúzar, M. Nombre Completo de la Revista: IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS Título (Idioma original) : Electric Vehicle Using a Combination of Ultracapacitors and ZEBRA Battery Indexación : ISI ISSN : Año : 2010 Vol. : 57 N : 3 Páginas: Estado de la publicación a la fecha : Publicada Otras Fuentes de financiamiento, si las hay Milenium P ` Envía documento en papel : Archivo Asociado al artículo : no ZEBRA.pdf httph'c alcvt.conict.c1 iniormeacademicoindex.php.investigador.'f4_ailicuios'descarga60(125 14/1( /7606/ OTRAS PUBLICACIONES Sin información ingresada.

12 CONGRESOS N : Autor (a)(eslas) : Dixon, J.; Bosch, S.; Castillo, C.; Mura, M.; y Morán, L Título (Idioma original) : Light Weight City-Car Using Nine-Level Converter and Ultracapacitors as Energy Storage Nombre del Congreso : Ecologic and Renewable Energies Conference, EVER 2009 País: MONACO Ciudad : Montecarlo Fecha Inicio : 26/03/2009 Fecha Término : 29/03/2009 Nombre Publicación : EVER 2009 Año: 2008 Vol.: - Páginas Envía documento en papel : Archivo Asociado : no Final_Version.pdf 1 4!l ! 1694! N : 2 Autor (a)(es/as) : Dixon, J.; Bosch, S.; Castillo, C.; Mura, M. Título (Idioma original) : Ultracapacitors as Unique Energy Storage for a City-Car Using Nine-Level Converter Nombre del Congreso : Industrial Electronics Conference, IECON 2009 País: PORTUGAL Ciudad: PORTO Fecha Inicio : 02/11/2009 Fecha Término : 06/11/2009 Nombre Publicación : IECON 2009 Año: 2009 Vol.: - N : - Páginas Envía documento en papel: si Archivo Asociado: IECONO9_PD pdf /1 698: N : 3 Autor (a)(eslas) : Pereda, J.; Dixon, j.; y Rotella, M. Título (Idioma original) : Direct Torque Control for Sensorless Induction Motor Drives Using an lmproved H-Bridge Multilevel Inverter Nombre del Congreso : Industrial Electronics Conference, IECON 2009 País: PORTUGAL Ciudad: PORTO Fecha Inicio : 02/11/2009 Fecha Término : 06/11/2009

13 Nombre Publicación: IECON 2009 Año: 2009 Vol, - N : - Páginas Envía documento en papel: no Archivo Asociado : IECONO9_PD pdf 1 700! TESIS/MEMORIAS N : 1 Título de Tesis : IMPLEMENTACIÓN DE NUEVO SISTEMA DE MODULACIÓN PWM PARA LA ELIMINACIÓN DE FUENTES BIDIRECCIONALES EN UN INVERSOR DE 27 NIVELES Nombre y Apellidos del(de la) Alumno(a) : GONZALO EDUARDO PEÑAILILLO SALGADO Nombre y Apellidos del(de la) Tutor(a) : JUAN DIXON ROJAS Título Grado: Institución: País: Ciudad: Estado de Tesis: Magister PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE CHILE SANTIAGO Terminada Fecha Inicio : 16/03/2006 Fecha Término : 15/10/2007 Envía documento en papel : Archivo Asociado : no Tesis_Peñailillo_2007.pdf hnp://evalcyt.conicyt.ci!informe_acadernico/index php/invesiigadorf3_iesis_rnernorias/descarga/ ! N : 2 Título de Tesis : INVERSOR FUENTE DE VOLTAJE DE SALIDA SINUSOIDAL Nombre y Apellidos del(de la) Alumno(a) : OLGIERD EYSYMONTT Nombre y Apellidos del(de la) Tutor(a): Título Grado : Institución: JUAN DIXON Maglster País : CI-IILE Ciudad: SANTIAGO Estado de Tesis : Terminada Fecha Inicio : 15/06/2006 Fecha Término : 16/01/2008 Envía documento en papel : no Archivo Asociado : PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE TESIS_Eysymontt_2008.pdf http: N : 3 Título de Tesis : CONTROL DE TORQUE PARA MOTOR BLDC DE VEHICULO ELÉCTRICO IMPULSADO POR ULTRACAPACITORES

14 Nombre y Apellidos del(de la) Alumno(a): MAXIMILIANO MURA JORNET Nombre y Apellidos del(de la) Tutor(a) : JUAN DIXON Titulo Grado : Magister Institución: PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE País: CHILE Ciudad : Santiago Estado de Tesis : Terminada Fecha Inicio : 14/03/2008 Fecha Término 15/12/2009 Envía documento en papel: si Archivo Asociado: Tesis_Mura_Inc.pdf http]/evalcyt concyt ci/intbniie acadeiiiico/index.php/investigador/f4_tcsis_nieniorias;descarga )095774; N : 4 Título de Tesis : DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE INVERSOR DE 9 NIVELES PARA VEHICULO ELECTRICO Nombre y Apellidos del(de la) Alumno(a) : Carlos Castillo tamayo Nombre y Apellidos del(de la) Tutor(a) : Juan Dixon Título Grado Institución País Ciudad: Estado de Tesis Fecha Inicio Fecha Término Envía documento en papel Archivo Asociado Magister PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE CHILE SANTIAGO En Ejecución 17/03/2008 SI N : Título de Tesis Nombre y Apellidos del(de la) Alumno(a) Nombre y Apellidos del(de la) Tutor(a) Título Grado Institución País Ciudad: Estado de Tesis Fecha Inicio Fecha Término Envía documento en papel Archivo Asociado 5 SISTEMA DE MONITOREO PARA VEHÍCULO ELÉCTRICO ALIMENTADO POR ULTRACAPACITORES SEBASTIAN BOSCH CASTRO JUAN DIXON Magister PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE CHILE SANTIAGO En Ejecución 17/03/2008 SI N : 6 Título de Tesis CONTROL OPTIMO DE MOTORES ASÍNCRONOS PARA TRACCIÓN, GRAN INDUSTRIA Y MINERÍA MEDIANTE NUEVOS MÉTODOS DE

15 CONVERSIÓN DE ENERGÍA Nombre y Apellidos del(de la) Alumno(a) : JAVIER EDUARDO PEREDA TORRES Nombre y Apellidos del(de la) Tutor(a) : JUAN DIXON Título Grado : Institución; País: CHILE Ciudad: SANTIAGO Estado de Tesis : Terminada Fecha Inicio : 17/03/2008 Fecha Término : 15/09/2008 Envía documento en papel : Archivo Asociado : Pregrado PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE no Memoria_Javier.pdf /2009/6218! ANEXOS A continuación se detallan los anexos físicos/papel que no se incluyen en el informe en formato PDF. No hay Anexos