Herramienta de Simulación para el Diseño Conceptual de Vehículos Eléctricos y Solares

[calvarezluz]

Nota:  El documento completo con las figuras, se anexa en PDF.

Autor:

César Álvarez Arocha. Profesor jubilado de la Universidad del Zulia, Maracaibo, Venezuela.  Email: cealvarez@fing.luz.edu.ve o calvarezluz@yahoo.com.

El Reto:

Desarrollar un software en el ambiente LabVIEW, que sirva como herramienta de simulación para el diseño conceptual de vehículos eléctricos, los cuales pueden ser alimentados con energía solar.

La Solución:

Esta herramienta se desarrolló con LabVIEW, en los que se utilizó los modelos matemáticos de las partes que aportan y consumen energía de un vehículo eléctrico solar, y en donde se muestra la simulación instrumental de su comportamiento.

Introducción:

La idea para desarrollar este software nació de un grupo de estudiantes de las escuelas de Ingeniería Eléctrica e Ingeniería Mecánica de la Universidad del Zulia, quienes querían construir un vehículo solar, para participar en las carreras de autos solares de Australia, cuya distancia es de unos 3.000 km, desde Darwin hasta Adelaide.

Por medio del software LabVIEW, se buscó una manera sencilla de reflejar el comportamiento del vehículo eléctrico, a través de un panel de control similar al utilizado en vehículos a gasolina.  En el desarrollo del software, se encontraron las ecuaciones que gestionan las energías de entrada y las de salida del vehículo solar.  De esta manera, es posible determinar con anticipación, el kilometraje y tiempo de autonomía de un vehículo eléctrico solar en un instante dado, el tiempo para alcanzar una determinada velocidad, el rendimiento del vehículo dado en km/kWh, y si este vehículo es capaz de subir por una determinada pendiente, entre otras características.

Descripción de la Aplicación

El software de simulación para vehículos eléctricos y solares, puede utilizarse para prácticamente predecir el comportamiento de cualquier tipo de vehículo alimentado con baterías: sillas de ruedas eléctricas, patinetas o scooters eléctricos, bicicletas y motocicletas eléctricas, carros eléctricos de cualquier tamaño, vehículos solares, autobuses eléctricos y autobuses solares, entre otros.

Para la realización de esta simulación, se desarrolló un panel de control con una carpeta de 6 pestañas: En la primera pestaña, aparece la introducción al software; en la segunda, aparecen las instrucciones; en la tercera, la gestión de energía y masa del vehículo; en la cuarta, se encuentran los modelos de 4 motores eléctricos, con la posibilidad de añadir otro por el usuario; en la quinta aparece el panel de control para la simulación del vehículo y en la sexta se accede a la recuperación y las gráficas de alguna prueba desarrollada previamente.  En la figura 1 se muestra el panel de control correspondiente a la primera pestaña, junto con los gráficos que muestran las potencias eléctricas y solar, y la velocidad durante la simulación.

Figura 1.  Pestaña de Introducción en el software de simulación.

Se consideran como entradas de energía: básicamente la que aporta la luz solar, la que está almacenada en las baterías del vehículo y la que se produce debido a la conversión de energía cinética a eléctrica en el frenado regenerativo.  Para generalizar un poco más esta herramienta de simulación, se agregó una recarga externa, de determinada potencia, proveniente de la red eléctrica.  Ver en la tercera pestaña en la figura 2, las entradas de energías, masas, relaciones de la caja de engranajes, pérdidas de energía y consumo de los accesorios eléctricos.

Figura 2.  Pestaña de gestión de energía y masa de un vehículo solar eléctrico.

Las salidas de energía en este sistema, son las siguientes: la que utiliza el motor eléctrico para convertir la energía eléctrica en mecánica, las pérdidas del motor, las pérdidas de disipación de calor debidas a los convertidores electrónicos, las producidas por la fuerza de arrastre, las pérdidas por el peso total y el rodamiento del vehículo, la energía consumida (o aportada) debido a la inclinación de la carretera, las pérdidas en la caja de velocidades y el consumo de los accesorios electrónicos y eléctricos del vehículo.

En el cálculo de la energía de salida, influyen, en gran medida, la velocidad a la que viaja el vehículo y el peso del mismo, además de las pérdidas y el consumo eléctrico interno.  Como resultado, se puede predecir la distancia por recorrer y el tiempo restante en el que el vehículo pueda seguir rodando, según las condiciones existentes en el momento de hacer las lecturas de la simulación.  Debido a que: la energía solar, las condiciones de inclinación de la carretera y la velocidad, no son constantes durante el día, se hace necesario alterar estas condiciones durante la simulación.  En el caso de la energía solar incidente, esta se resuelve por medio de una ecuación aproximada que determina la potencia en cada hora y minuto del día, suponiendo que ocurra en un día completamente soleado.  En el caso de la inclinación de la carretera y la velocidad, se podrían asumir como constantes o variarlas manualmente durante la simulación.  Sin embargo, como se deja el programa fuente al usuario, este lo podría modificar, para agregar un módulo en el que estas variables provengan de una base de datos, en el que la inclinación y la velocidad se modifiquen según el kilometraje recorrido.  Incluso, podría ser posible hacer una simulación en realidad virtual del recorrido del vehículo. 

En la figura 3, se muestra el panel de control para la simulación del vehículo eléctrico.

Figura 3. Panel de control para la simulación del vehículo eléctrico – solar.

Esta herramienta de simulación ofrece algunas características para obtener respuestas rápidas según los cambios que se realicen en los parámetros del vehículo.  Algunos de ellos son: control del tiempo desde una simulación a velocidad real, o aumentarla en 10, 100 y 1000 veces más rápida; simulación de la hora de inicio de la prueba y la potencia obtenida de radiación solar según la hora, regulación automática de la velocidad por medio de un controlador PID con limitación de corriente y potencia.  Se ofrece también indicación de: velocidad, RPM, par del motor y de la tracción del vehículo, potencia solar, potencia eléctrica total, distancia recorrida, distancia por recorrer, tiempo transcurrido, tiempo de terminación de la prueba, día y hora de la prueba, caja de 5 velocidades, relación de rendimiento entre los kilómetros recorridos y la energía consumida en kilovatios-horas, entre otras.

Para la realizar la simulación, se ofrecen el modelo de 4 tipos de motores eléctricos comerciales con las siguientes potencias: 5 kW, 11 kW, 20 kW y 70 kW.  Además, se puede incluir la entrada de un modelo adicional en donde el usuario introduce las características del motor.  Estas características se pueden obtener a partir de las curvas del motor suministradas por los fabricantes.

En la figura 4, se observan las características principales de los modelos de motores eléctricos que se pueden seleccionar; además se muestran los valores de potencia eléctrica, potencia mecánica, voltaje aplicado y corriente eléctrica durante el desarrollo de la prueba.

Figura 4.  Modelos de motores eléctricos para la simulación del vehículo.

Una característica adicional de este simulador, es que muestra la ayuda en línea de cada control e indicador, de manera de explicar aquellos parámetros que se utilizan.   Al finalizar la simulación, se ofrece la opción de poder guardar en disco las siguientes variables en función del tiempo: Potencia solar, potencia en la batería, potencia eléctrica del motor, potencia mecánica del motor, velocidad y distancia recorrida.  Es posible implementar en el programa que se puedan guardar otras variables.

Se debe aclarar que, para esta simulación no se llega a detalles tales como: materiales de construcción del chasis y carrocería, tipo de suspensión, ecuaciones para calcular el coeficiente de arrastre del vehículo, etc.  También hay que precisar que los modelos de los motores son bastante aproximados a las curvas ofrecidas por los fabricantes.  Sin embargo, estos modelos no consideran los tiempos de respuestas de los motores, ya que, básicamente, los tiempos de respuestas dominantes se encuentran en el vehículo en sí mismo.

En la realización de los modelos del vehículo, se aplican cuidadosamente las leyes físicas del movimiento y fuerza de Isaac Newton y los cálculos matemáticos para relacionar variables de energía y potencia, tanto mecánicas, como eléctricas.  A pesar de que el modelo no ha sido formalmente validado, los resultados obtenidos se aproximan muy bien a los especificados por algunos fabricantes de vehículos eléctricos, además de coincidir con los resultados obtenidos por algunos vehículos utilizados en las carreras de 3000 km que se desarrollan en el desierto de Australia, desde Darwin hasta Adelaide.

Al iniciar la simulación, se accede directamente a la pestaña del panel de control del vehículo, en donde se puede simular el modelo de un vehículo solar liviano con un motor de 11 kW.  Si es la primera vez que se utiliza esta herramienta, se recomienda acceder a las pestañas de introducción e instrucciones.  Las pestañas que corresponden a gestión de energía y masa, y la del modelo de control, son básicamente donde se introducen los parámetros de inicialización del vehículo, antes de proceder a la simulación.  Este simulador cuenta con un contador de tiempo, que realiza el muestreo cada 100 ms.

Los parámetros que aparecen en el panel de control de simulación son:

• Tacómetro, el cual indica las revoluciones por minuto del motor.
• Par motor y par de tracción. El par de tracción, es el resultado del par del motor, multiplicado por la relación de engranajes y la eficiencia de la caja.
• Velocidad, el cual indica la velocidad que recorre el vehículo. Además de ello, en la parte izquierda hay un botón para seleccionar si se desea que la velocidad sea automática, cuando se coloca la posición en “ON”.  Si se coloca en “OFF”, la velocidad se maneja por medio del acelerador y el freno que están en la parte de abajo.
• Inclinación vía, el cual se puede variar manualmente durante la simulación; luego están los indicadores de distancia recorrida, distancia por recorrer y tiempo de descarga de la batería, los cuales son muy importantes para conocer el estado del vehículo durante la simulación.
• Nivel de batería, muestra de manera gráfica, cuánta energía le queda a la batería. Abajo, se muestra un interruptor, el cual indica si se le va a recargar energía a la batería, desde una fuente externa, mientras el vehículo está parado.  En el caso de que el vehículo arranque o si la batería llega al máximo valor de recarga, la fuente externa se desconecta automáticamente.
• A la derecha del medidor de energía, se muestran la hora de inicio y la duración de la prueba. Además, se muestran el “día y la hora actual”, que correspondería desde la hora inicial y el tiempo transcurrido durante la prueba.  La hora inicial, es importante, ya que se sincroniza con la potencia solar según la hora del día.  En la parte inferior, se muestra la distancia de recorrido en la simulación; el usuario puede seleccionar si se desea detener la simulación automáticamente al alcanzar el recorrido de esta distancia.
• Abajo a la izquierda, se muestran los accesorios que se pueden encender o apagar durante la prueba. El primero de ellos, es el equipo eléctrico que se necesita para que el vehículo funcione: computadora a bordo, sistema de enfriamiento del motor, consumo del control de velocidad, consumo del MPPT (Regulador de potencia del panel solar), etc.  Este interruptor se enciende mientras el vehículo está en movimiento.
• A continuación, están los “pedales” de freno y acelerador. La escala numérica, corresponde a la intensidad eléctrica del motor.  El freno tiene una parte inferior que corresponde cuando este es regenerativo y otra superior, que corresponde cuando es mecánico.  Si se selecciona el frenado mecánico, se desactivará la velocidad automática, si esta estaba en posición “ON”.
• A la derecha de los pedales, se encuentra la caja de engranajes y palanca de cambio junto a un botón para la selección si el cambio es manual o automático. Para operar el vehículo y tener efecto el freno regenerativo, se debe seleccionar cualquier velocidad que no sea “N”.  Al igual que los vehículos normales, cuando este está detenido, para el arranque debe seleccionarse la velocidad 1, luego la 2 y así sucesivamente.  El cambio se realiza preferiblemente cuando el indicador luminoso se encienda; este indicador avisa cuándo la velocidad del motor está cerca del valor máximo.  En el caso de la selección automática, los cambios ocurren sin necesidad de tocar la palanca de cambios.
• En el último recuadro del panel de simulación, aparece un control de velocidad de simulación, el cual permite hacer la selección a velocidades desde 1X (tiempo real) hasta 1000X. El control de velocidad automática, solo funciona para 1X.  Para velocidades mayores de simulación, se recomienda esperar que se estabilicen las lecturas, ya que de lo contrario se podría producir una estabilidad en la simulación, por lo cual, los resultados de la obtenidos, podrían no ser los esperados.  En la parte inferior están las entradas del controlador PID, en el cual se recomienda ajustar solo el valor de Kc, según la proporción entre potencia del motor y masa del vehículo.  Es decir, si la potencia del vehículo es muy alta en relación a la masa del vehículo, se recomienda disminuir el valor de Kc, hasta que el control de velocidad se haga estable.  Si con ello no se logra ajustar, se puede proceder a ajustar el tiempo de integración.  Sin embargo, un valor de Ti = 0,035 minutos es suficiente.  El tiempo derivativo, se recomienda dejarlo en “0”, ya que este sistema de control de velocidad es de primer orden.  Finalmente, en esta sección aparecen: el valor de potencia eléctrica total, la cual corresponde a la potencia consumida menos la potencia solar recibida; la eficiencia del motor eléctrico; el indicador del tiempo de muestreo, el cual debería ser un valor entre 98 y 102 ms, para que la simulación sea lo más real posible; el rendimiento promedio del vehículo eléctrico en km/kWh, con un botón para reiniciar la medición desde un momento dado, y el botón de “Detener Simulación”, el cual, al presionarlo, se detiene la simulación y aparece en pantalla si se desea guardar los datos recogidos de esa simulación.  Si se selecciona de manera afirmativa, se deberá escoger un nombre y un directorio para guardar estos datos.

En caso de dudas, debido a que hay una gran cantidad de controles e indicadores, estos se explican de manera detallada al ingresar en el programa.  Para llamar a la ayuda, se debe presionar las teclas <Ctrl> y <H> simultáneamente o acceder al menú de ayuda en la barra de herramientas.

Resultados

Los resultados de las simulaciones, se pueden observar en tiempo real, en los instrumentos de medición y los gráficos situados en la parte derecha, o en las gráficas obtenidas, después de haber sido previamente guardadas al final de la prueba.  Los datos de entrada, se pueden almacenar, al hacer que las variables se hagan como las predeterminadas: (Edit àMake Current Values Default) y luego guardar un duplicado del programa con el nombre de la prueba que se está realizando.  Puede implementarse en el futuro el guardar cada parámetro como una variable global y modificar el programa, para que se llamen según el tipo de vehículo que se va a simular.

Como se dijo anteriormente, los resultados que se pueden guardar, para luego ser graficados son los siguientes: potencia solar, potencia en la batería, potencia eléctrica del motor, potencia mecánica del motor, velocidad y distancia recorrida.

Algunos de los resultados se muestran a continuación:

Vehículo solar.

Recorrido total, 2.100 km.  Área de paneles solares, 6 m².  Caja de engranajes, 5 velocidades.  Tiempo de recorrido diario, 8 horas a 100 km/h, desde las 8:00 am hasta las 12 del mediodía y luego desde la 1:00 pm hasta las 5:00 pm.  Las baterías se recargan mientras incide la luz solar.

En la figura 5, se muestran las gráficas de la radiación solar obtenida durante la simulación de la prueba, el valor de la energía de la batería en función del tiempo y las potencias eléctrica y mecánica.  Por otro lado, se muestra el comportamiento de la velocidad y la distancia.  Para esta prueba no se asume que hay cambios de velocidad ni paradas adicionales.

Como se puede observar en los resultados, bajo estas condiciones de simulación, el vehículo solar, con las características mostradas en la figura 5, podría hacer el recorrido señalado a 100 km/h y según las condiciones de irradiación solar especificadas. 

En el caso de las carreras solares de 3.000 km que se hacen en Australia, la mayoría de los vehículos no utilizan caja de engranajes, ya que eso acarrea pérdidas de eficiencia y es un peso añadido al vehículo.  Sin embargo, en este caso se optó por incluirla, ya que permite hacer una aceleración más rápida del vehículo.

Se podrían colocar más ejemplos, pero sería mejor que el usuario constate en varias pruebas los resultados que se pueden obtener en esta simulación. En una prueba, para simular un autobús solar liviano de 50 pasajeros, con un coeficiente de arrastre de 0,15 y un área de 30 m² de paneles solares de 22% de eficiencia en el techo, se podría obtener una autonomía de unos 543 km a 70 km/h y de 510 km a 80 km/h.  En el caso de no contar con esos paneles solares, su autonomía se reduciría a 450 km a 70 km/h.  En otras palabras, el panel solar permitiría un aumento de 93 km en la autonomía del bus solar, es decir, un 20,7%.

Figura 5. Panel de control para la prueba de un vehículo solar con caja de velocidades.

Conclusión

El software presentado para la simulación de vehículos eléctricos solares es una herramienta útil que sirve para el diseño conceptual de vehículos impulsados por la energía eléctrica.

Esta herramienta también se podrá utilizar para pronosticar el funcionamiento de un vehículo eléctrico ya construido y en la enseñanza para estudiantes de ingeniería mecánica, eléctrica y mecatrónica, como un aporte para el diseño de vehículos eléctricos, los cuales no producen emisiones de gases de efecto invernadero.

Debido a que el diseño de LabVIEW es modular, esta herramienta no solo sirve para el diseño, sino que, al agregar entradas de tarjetas de adquisición de datos y de control de un vehículo real, es posible ser utilizada para la medición y el control de parámetros de vehículos eléctricos.