CONVERSIÓN DE AUTO CONVENCIONAL A ELÉCTRICO ORGANIZACIÓN AUTOLIBRE La conversión del vehículo convencional a tracción eléctrica consta de diferentes etapas que permiten lograr una correcta transformación y funcionamiento. A modo de ejemplo uno de los aspectos más importantes que se deben considerar en esta conversión, es la robustez del chasis del vehículo, el cual fue elegido para soportar las exigencias mecánicas que debe tener una vez convertido, debido al peso agregado por las baterías. Hay que tener cuidado con los funcionamientos de los sistemas de suspensión y frenos después de la conversión, puesto que pueden ser exigidos más allá de sus límites técnicos. Por tales motivos, se debe realizar un estudio y desarrollo previo de la transformación, para no ser exigido más allá de sus límites. Este procedimiento es explicado más adelante por completo, al mostrar todas las consideraciones y cuidados necesarios. A continuación, se muestra una metodología para efectuar la conversión. 1- ESTUDIO Y DESARROLLO PREVIO Lo primero que se debe realizar es una planificación de trabajo, que consta de una investigación y preparación de la conversión, junto a una planificación de la conversión. Investigación y Preparación de la conversión Se comienza con una investigación sobre el tema, ya que la conversión de un vehículo requiere de conocimientos específicos, tales como las tecnologías que existen actualmente. En esta etapa se deben investigar las diferentes tecnologías existentes y sus funcionamientos, para así poder realizar una planificación de construcción y una selección de componentes adecuada. En esta memoria, se realiza un estudio exhaustivo de las tecnologías actuales, normativas y funcionamientos, las que se presentan en el Capítulo 2, denominado El auto eléctrico y su desarrollo. Planificación de Conversión Esta etapa consta de la selección de componentes y la planificación de los tiempos de trabajo de esta conversión. 2-Selección de Componentes En esta fase se seleccionan los componentes, lo que constituye una etapa importante, ya que estos componentes definen su funcionamiento y rendimiento final. Los componentes de una conversión son las siguientes:
A. Vehículo: Para elegir el vehículo es necesario considerar los siguientes aspectos: Peso: Se recomienda que el vehículo no sea de una alta masa, para poder obtener una mejor aceleración. El peso del vehículo es un factor importante para la posterior selección del motor, por lo que debe ser tomado en cuenta. Caja de Cambios: El vehículo puede tener una caja de cambios mecánica o automática. Se prefiere tener una caja de cambios mecánica, puesto que las cajas de cambios automáticas necesitan que el motor este siempre en movimiento, porque deben mantener la presión interna del líquido de caja. Generalmente la presión de la caja de cambios automática es mantenida por el ralentí del motor (revoluciones del motor cuando el vehículo está estático). Si se desea realizar la conversión en un vehículo con caja de cambios automática, se debe agregar una pequeña bomba que debe mantener la presión necesaria. Esta instalación es compleja y no existen soluciones sencillas para este problema en la actualidad. Por lo tanto, se recomienda un vehículo con la caja de cambios mecánica, ya que es fácil de trabajar y no necesita ningún dispositivo externo para su correcto funcionamiento. Frenos: Los frenos son una parte importante del vehículo, puesto que es un elemento de seguridad e imprescindible para un vehículo. Por tal motivo se debe tener conocimiento si el vehículo tiene frenos servo-asistidos o hidráulicos (sin asistencia). Esto es importante puesto que los frenos servo-asistidos utilizan una bomba especial que entrega la asistencia al conductor, que mejora su rendimiento y eficacia al momento de frenar. En cambio los frenos normales dependen del conductor, debido a que depende de la fuerza aplicada al pedal. Para reconocer que tipo de frenos utiliza el vehículo se debe observar si existe alguna conexión entre la bomba de freno y el sistema de vacío, lo que significa que el vehículo tiene frenos servo-asistidos. Si el vehículo no tiene frenos servoasistidos y se encuentra en buenas condiciones, se pueden mantener los frenos originales del vehículo. En un vehículo eléctrico, que utilice frenos servoasistidos, existe la alternativa de mantener el motor eléctrico con un ralentí, pero no es recomendable ya que éste le quita potencia y energía al vehículo. Otra solución existente para los frenos asistidos, es la incorporación de una pequeña bomba de vacío, la cual permite mantener la presión necesaria en el sistema de frenos. Otra posibilidad, es el cambio del tipo de frenos, si se coloca un freno no asistido que sea compatible con el modelo del vehículo. Se recomienda utilizar los frenos originales del vehículo, puesto que fueron diseñados ad-hoc. Como el peso del vehículo aumenta, es importante mantener los frenos en buenas condiciones, ya sean originales o adaptados, con el objeto de evitar futuros accidentes.
Tipo de Tracción: Otro dato importante es qué tipo de tracción tiene el vehículo, es decir, si su tracción es trasera o delantera. Para tracción trasera, el motor debe ser instalado en línea a lo largo del vehículo, esto es, conectado en forma directa a la caja de cambios, que a su vez está unida a través de un eje al diferencial trasero. Si se tiene un vehículo con tracción delantera, el motor deberá ser instalado en forma transversal a lo largo del vehículo, y conectado en forma directa a la caja de cambios que también está en forma transversal. Se debe aclarar que la conversión de vehículos con tracción delantera es más difícil que con tracción trasera, razón por la cual es más recomendable esta última. Tamaño y Firmeza del Vehículo: Se debe tener en cuenta el tamaño del vehículo, el cual debe tener el espacio suficiente para la instalación de todas las baterías. Otra consideración importante es la firmeza del chasis del vehículo, ya que al instalar el peso de las baterías en el vehículo convertido, este chasis se puede quebrar, romper o sufrir daños estructurales. En esta memoria se eligió un Dodge 1500, año 1976, el que posee un peso tara de una tonelada, que por su tamaño no es tan pesado. Éste es un vehículo semicompacto que tiene un tamaño adecuado para colocar las baterías, y no tiene dirección ni frenos asistidos, lo cual facilita la conversión. Tiene tracción trasera, utiliza una caja de cambios mecánica de 4 velocidades y también tiene un chasis fuerte para soportar el peso de las baterías. Este vehículo por haber tenido su motor en malas condiciones, permitió su adquisición en forma económica, lo que constituye una ventaja para la conversión. B. Motor Es necesario decidir qué motor utilizar. Existen dos alternativas posibles que son las más utilizadas, el motor de corriente continua y el motor de inducción trifásico. La siguiente tabla muestra las ventajas y desventajas de cada uno de los tipos de motores: Tabla 5: Tabla comparativa entre los tipos de motores
Al observar la tabla comparativa se puede deducir que en teoría, desde el punto de vista de precio, potencia y tamaño, los motores de inducción trifásica son una mejor alternativa para estos vehículos. Sin embargo, el diseño de un controlador para este tipo de motor es muy complicado y costoso, lo que constituye una desventaja significativa. Por lo tanto, para un vehículo de nivel amauter, la mejor alternativa es el motor de corriente continua. Si se desea algo más profesional, lo recomendable es un motor de inducción trifásico. Para efectos de esta memoria se escogió un motor de corriente continua, por la facilidad de utilización y compra del motor y sus componentes. Luego de seleccionar el tipo de motor que se utiliza, es necesario elegir la potencia del motor. Los factores para escoger la potencia del motor son los siguientes: 1. Peso y Tamaño del vehículo seleccionado: El peso del vehículo influye en la selección de potencia del motor, debido a que es fundamental establecer la potencia necesaria para poder mover el vehículo en las condiciones normales de conducción. El tamaño también es un factor importante, porque debe existir el espacio suficiente para colocar el motor y el banco de baterías que requiere el motor para su voltaje de operación. 2. Velocidad máxima deseada: El motor influye en la velocidad máxima deseada, debido a que la potencia del motor está directamente relacionada a la velocidad máxima del vehículo. También la velocidad depende de la aerodinámica del vehículo, que es importante si se desea lograr altas velocidades. Los motores utilizados frecuentemente en los autos eléctricos, tienen características de potencia entre 10 HP y 30 HP, que permiten desarrollar una velocidad máxima de 100 Km/Hr aproximadamente. Si el vehículo además es liviano y aerodinámico, es posible alcanzar velocidades del orden de 120 Km/Hr. 3. Peaks de potencia y autonomía deseada: La Potencia del motor determina los peaks de potencia que el motor puede solicitar. Mientras más altos sean los valores de los peaks, mejor es el comportamiento cinemático del vehículo. Sin embargo, el aumento de potencia del motor influye en la autonomía del vehículo y en las corrientes peaks del sistema. Por esta razón, se deben considerar estos peaks para la selección de los cables y el controlador, ya que estas corrientes pueden provocar daños en los componentes eléctricos. Esto se debe a que el motor utiliza una mayor potencia instantánea, lo que provoca un mayor consumo de energía y corriente. Existen dos tipos de motor de corriente continua: los con y sin imán permanente. Para los motores que no poseen imán permanente, pueden ser conectados en serie,
paralelo o compound. La mejor forma de aprovechar la potencia de este motor es una conexión en serie, debido a que se aprovecha toda la corriente que pasa por el motor. Los motores con imán permanente permiten incorporar en forma fácil el freno regenerativo y tienen un solo tipo de conexión. Los motores con imán permanente no utilizan ningún sistema de carbones o escobillas, ya que generalmente, el propio rotor es el imán permanente, lo que permite que el motor dure más tiempo sin mantenimiento. En este trabajo de título, se selecciona un Motor Kostov sin imán permanente y conexión en serie de 16 HP y 72 Volts. Los motivos porque se elige este motor son: Al tener un vehículo de una masa aproximada de 1 tonelada tara, que una vez convertido, se estima en 1.35 tonelada (350 Kilogramos de masa de las baterías), hace que se requiera un motor con una potencia que sea capaz de mover el vehículo en forma adecuada, lo que aproximadamente equivale a 16 HP. Además se desea tener una razonable autonomía para el uso en cuidad, que corresponde a 40 Km. La selección del motor de 16 HP logra consumir la energía en forma paulatina, ya que no es de una gran potencia. El voltaje del motor debe ser elegido por los siguientes factores: Potencia del motor: El voltaje depende de la potencia del motor, ya que define las corrientes que existen en los cables de alta corriente. Se debe elegir un nivel de corriente no muy alto para evitar los sobrecalentamientos en los cables. Hay que aclarar que mientras mayor sea la potencia del motor, mayor debe ser su voltaje nominal. Este voltaje está definido por el motor escogido, ya que están diseñados para operar en sus valores nominales. Cantidad y tipo de Baterías: Según el voltaje y potencia del motor elegido se tiene que decidir la cantidad y tipo de baterías. El voltaje del motor seleccionado determina la cantidad de baterías. A su vez, la potencia del motor define los niveles de corriente que existen en el sistema, lo que define el tipo de baterías, que debe entregar la corriente que el motor solicite para funcionar correctamente. C. Baterías La cantidad mínima de baterías es determinada por el voltaje nominal del motor seleccionado. La potencia máxima y la autonomía dependen directamente de esta cantidad. La cantidad de baterías define el peso y volumen agregado al vehículo y a su vez el tipo de baterías condiciona la autonomía del vehículo. Mientras más baterías se utilicen, mayor es la potencia que se le puede entregar al motor y una mayor autonomía (depende del tipo de conexión). Si se utiliza una conexión en serie, se aumenta el voltaje, pero se reduce su duración. En cambio la conexión en paralelo aumenta su duración. Existen diversos tipos de baterías que se diferencian
por su densidad de energía, esto significa, la relación que existe entre la energía almacenada y su peso. Idealmente se necesitan baterías que tengan una gran capacidad de energía, bajo peso y pequeño volumen. Actualmente no existen baterías de este tipo que se vendan en forma comercial. Las existentes que cumplen este requisito son baterías que están aún en desarrollo, las cuales son llamadas baterías del futuro y utilizan Litio. El tipo de baterías más usado y accesible en el mundo, es la batería de plomo-ácido de ciclo profundo. Esta batería no es como la convencional, debido a que esta soporta descargas casi totales. La principal ventaja de la batería de plomo-ácido de ciclo profundo es su bajo precio, en relación con otros tipos de baterías, y son accesibles en casi todo el mundo. A continuación de la selección de la cantidad y tipo de baterías, se debe decidir donde se colocarán físicamente en el vehículo. El tipo de vehículo es determinante para el posicionamiento de las baterías. Si es un vehículo sedán de pasajeros, éstas deben ser repartidas en la zona delantera y trasera del vehículo, para así mantener el equilibrio en el peso del vehículo. De no ser un vehículo sedán, como por ejemplo una camioneta, pueden ser colocadas en el pick up. En general, las baterías se deben repartir en la zona trasera y delantera con el objeto de mantener el equilibrio del vehículo. Otro punto importante de las baterías son sus bornes. Existen tres tipos de bornes, los cuales se diferencian por las distintas características eléctricas. El borne, en general, depende del área efectiva de contacto con el terminal del cable. El tipo de borne de la batería determina la resistencia introducida en el circuito y por tal motivo se pueden producir alzas de temperatura no deseadas. Los tres tipos de bornes son los siguientes. Borne automotriz típico: Este es el borne que tienen las típicas baterías para automóviles. Este borne tiene una gran área de contacto, por lo tanto, es uno de los mejores bornes que existe, ya que se aprovecha de la mejor forma posible la mayor área posible de contacto. El mayor inconveniente de este borne es el alto costo de los terminales para los cables.
Figura 6: Borne Automotriz Típico Borne Universal: Este es el borne que tienen la mayoría de las baterías típicas que se utilizan en los carros de Golf Eléctricos. Este borne tiene un área de contacto reducido y por lo tanto no es recomendable para altas corrientes, ya que puede producir problemas de temperatura. A pesar de su baja área de contacto, este borne funciona satisfactoriamente para el propósito de esta conversión. Figura 7: Borne Universal Borne en L : Este es el borne que tiene una buena área de contacto y es el preferido por los constructores de autos eléctricos, ya que sus terminales son de un precio razonable y permite tener un buen desempeño.
Figura 8: Borne en L En la conversión del Lüjke I ( asi se llama este modelo) se decide utilizar baterías de plomo-ácido de 6 Volts, peso de 30 Kg y una capacidad de 220 Ah cada una. Estas baterías tienen bornes universales que no son los recomendados, sin embargo tiene el desempeño adecuado a la necesidad de este circuito. Como el motor opera a 72 Volts, se utilizan 12 baterías de este tipo, que se reparten físicamente en 6 baterías en la parte delantera y 6 en la trasera. Este banco de baterías permite almacenar una energía total de 15.8 kwh. D. Controlador La selección de este dispositivo se realiza según el tipo de motor, voltaje y corriente de operación. Los diferentes tipos de controladores de los motores se explican, en forma general, en el Capítulo 2. Frecuentemente, para los motores de corriente continua se utiliza un controlador PWM (Pulse Width Module), el cual interactúa con el conductor mediante una resistencia variable que funciona como acelerador. Esto es, dependiendo de la posición de la resistencia variable es la potencia que se desea transmitir al motor. Si se utiliza un motor de Inducción Trifásico, se recomienda un controlador/inversor trifásico, que está compuesto por 3 fuentes de voltajes de onda cuadrada, donde se varía la frecuencia de la señal, para así controlar la velocidad y potencia del motor. Esta frecuencia es controlada a su vez por una resistencia variable conectada como acelerador. En este trabajo se utiliza un controlador comercial de marca ALLTRAX INC. Este controlador fue diseñado para un motor de corriente continua en serie de 72 Volts con peaks de 450 Amperes de corriente. Por este motivo el controlador cumple las necesidades requeridas por el motor que utiliza Lüfke I. Este controlador tiene incorporado un sistema de programación que se comunica vía conexión RS-232 (Serial), la que permite programar, entre otras cosas, la relación que tiene la resistencia del acelerador con la potencia entregada al motor, lo que permite crear relaciones no lineales entre estos, si es necesario. También incorpora un sistema de monitoreo en línea, que permite medir las corrientes, voltajes y temperatura del controlador. E. Cables Para la selección de los cables se debe tener en cuenta su aislamiento, que depende de la temperatura, corriente y voltaje de operación. Si no se tiene certeza de las
especificaciones del cable, se deben realizar algunas pruebas de corriente, para tener seguridad de su correcta operación en un uso normal. Estas pruebas se deben realizar como se señala a continuación: Se hace circular por el cable una corriente constante que sea igual a la nominal del motor por un tiempo prolongado que corresponde aproximadamente a una hora. Luego se observa su temperatura y sus condiciones de aislamiento. Si la temperatura del cable se mantiene a una temperatura menor o igual a 70, significa que es apto para ser usado en el vehículo. Las especificaciones de cada cable son presentadas posteriormente. F. Sistemas Auxiliares Los dispositivos auxiliares son los artefactos que no se utilizan en forma constante, tales como las luces, limpia parabrisas, radio, etc. Para alimentar estos dispositivos existen dos alternativas, la primera es la utilización de una batería auxiliar de 12 Volts y la segunda es un convertidor DC/DC. La batería debe soportar una descarga de hasta su 80% de su capacidad. La batería que se recomienda para este propósito es una batería de plomo ácido de ciclo profundo de 12 Volts, que no necesita una gran capacidad. El convertidor DC/DC, es la alternativa que permite utilizar el banco de baterías para este propósito, esto quiere decir que se utiliza un convertidor de voltaje del banco a 12 Volts. Este convertidor debe ser conectado al banco completo, no sólo a una parte de éste, debido a que es recomendable que las baterías se descarguen todas de manera uniforme para no producir desbalances en la carga de las baterías. Cada una de estas alternativas tiene sus inconvenientes, una de ellas es que la batería extra agrega un peso adicional al vehículo, sin embargo no consume energía de las baterías que fueron destinadas a la tracción. Además, para el caso de la batería extra se debe agregar un cargador especial, que adiciona peso y utiliza espacio innecesariamente. Para el caso del Lüfke I, se destina una batería extra de 12 Volts, marca Aquarium, plomo-ácido de ciclo profundo, para los dispositivos auxiliares. 3- Planificación de Conversión Para realizar en forma correcta la conversión se debe hacer una planificación de esta, para tal efecto, se debe hacer una lista de tareas a realizar. También se deben confeccionar los planos de la posible conexión del motor y la caja de cambios. Adicionalmente se deben realizar los planos tentativos de la ubicación de las baterías y el circuito eléctrico de baja y alta corriente. Se recomienda utilizar cables de diferentes colores en el circuito de baja corriente, para así poder identificar la función de cada cable en forma más fácil y ordenada. Para el plano de ubicación de las baterías se debe hacer con exactitud, puesto que esta distribución define las interconexiones. Ahora entramos directamente a los capítulos prácticos del Manual, con un plano recomendado de la distribución de baterías en este modelo llamado, Lufke I.
TENGASE EN CUENTA QUE SE PUEDE DEJAR SIN PONER EL VOLANTE CORONA, PARA LO CUAL SE REALIZA EL ENGANCHE A LA CAJA MEDIANTE EL CENTRO DEL DISCO DE EMBRAGE. POR DETALLES CONSULTAR A GABRIEL GONZALEZ. auto.libre@hotmail.com
Pase a la segunda parte del Curso. ORGANIZACIÓN AUTOLIBRE.