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PROYECTO FIN DE CARRERA Ingeniería Industrial Curso 2011-2012 Introducción de Elementos Estructurales para la Mejora de la Seguridad Pasiva en un Vehículo Comercial para el Transporte Urbano Enrique Yáñez Fraile Abril de 2012 Director: Mario Maza Frechín Especialidad: Diseño de Máquinas y Vehículos Departamento de Ingeniería Mecánica Escuela de Ingeniería y Arquitectura Universidad de Zaragoza RESUMEN Gracias al auge experimentado por los vehículos eléctricos en los últimos años han surgido grandes novedades tecnológicas en el sector de la automoción. Un ejemplo de ello son los “inwheel motors” o motores rueda. Se trata de una tecnología que aprovecha las reducidas dimensiones de los motores eléctricos para trasladar su ubicación a las ruedas. Con ello, se busca simplificar al máximo el número de componentes del sistema de tracción para, de este modo, aumentar la eficiencia mecánica. En este proyecto se lleva a cabo una evaluación de las posibilidades que pueden ofrecer los motores rueda para la propulsión de vehículos, así como para la mejora de la seguridad de los ocupantes. Se utiliza como modelo de estudio un vehículo con características similares a las de una furgoneta Mercedes Vito, que es equipado con dos motores de este tipo comercializados por la empresa Protean Electric. En primer lugar, sobre el modelo se ha realizado un análisis comparativo de las prestaciones ofrecidas frente a las de un vehículo convencional, cuyos resultados muestran la validez de la configuración escogida para la tracción. Se obtienen valores adecuados para la aceleración y la velocidad máxima y mejoras sustanciales para el consumo y el coste por kilómetro. Tan sólo la autonomía se ve mermada ligeramente por la limitación de la batería. Posteriormente, mediante un estudio frecuencial y temporal del comportamiento de la suspensión se ha podido comprobar la influencia que tiene el traslado de masa hacia las ruedas. El comportamiento dinámico del vehículo se ve afectado por el aumento de la masa no suspendida, pero no así el confort de los pasajeros, que se mantiene gracias al trabajo de la suspensión. La instalación de motores rueda libera un gran espacio en la zona frontal del vehículo, ya que el espacio habitualmente ocupado por el motor de combustión queda libre de componentes. Este hecho es aprovechado para establecer una nueva distribución de los componentes, que se escenifica con la creación de un modelo del vehículo en tres dimensiones. A partir de este modelo se buscan nuevas soluciones que ayuden a mejorar la seguridad pasiva del vehículo. En este sentido, en la última parte de este proyecto se presentan tres propuestas para la modificación del chasis del vehículo, que permiten optimizar la absorción de la energía de impacto. CONTENIDO MEMORIA 9 1 Introducción 11 1.1 Contexto ........................................................................................................... 11 1.2 Motivación y trabajos relacionados ................................................................... 11 1.3 Objetivo y alcance del proyecto ........................................................................ 12 1.4 Organización de la memoria .............................................................................. 13 2 Análisis del tren de potencia de un vehículo eléctrico con motores rueda 15 2.1 Introducción ...................................................................................................... 15 2.2 Definición de los componentes constituyentes .................................................. 15 2.3 Selección de componentes para el vehículo a estudio ....................................... 16 2.4 Comparativa de prestaciones frente a un vehículo convencional ....................... 18 2.4.1 Curvas de par de los motores de tracción ............................................... 20 2.4.2 Curvas de fuerza de tracción y resistencias al avance ............................. 22 2.4.3 Aceleración ............................................................................................ 25 2.4.4 Velocidad máxima .................................................................................. 28 2.4.5 Consumo y autonomía ............................................................................ 29 2.4.6 Economía ............................................................................................... 32 2.4.7 Resumen de la comparativa ................................................................... 33 3 Efectos de la adición de masa no suspendida 35 3.1 Introducción ...................................................................................................... 35 3.2 Modelo cuarto de vehículo ................................................................................ 35 3.3 Análisis frecuencial............................................................................................ 36 3.4 Simulación temporal ......................................................................................... 38 4 Distribución espacial de los componentes del tren de potencia eléctrico 43 4.1 Introducción ...................................................................................................... 43 4.2 Dimensiones y colocación de la batería ............................................................. 43 4.3 Dimensiones y colocación del motor eléctrico ................................................... 45 4.4 Otros componentes ........................................................................................... 46 4.5 Representación de componentes en un modelo ................................................ 46 4.6 Diferencias respecto a un vehículo convencional ............................................... 48 5 Soluciones para la mejora de la seguridad pasiva en vehículos eléctricos equipados con motores rueda 51 5.1 Introducción ...................................................................................................... 51 5.2 Problemática actual .......................................................................................... 51 5.3 Nuevas oportunidades derivadas del sistema de propulsión eléctrico ............... 52 5.4 Propuestas para la mejora de la seguridad de los ocupantes ............................. 54 5.4.1 Nose cone .............................................................................................. 54 5.4.2 Rediseño de la parte delantera del chasis ............................................... 56 6 Conclusiones y líneas futuras 59 6.1 Conclusiones ..................................................................................................... 59 6.2 Líneas futuras .................................................................................................... 60 7 Bibliografía 61 ANEXOS 63 ANEXO I. Obtención de la ecuación dinámica para la dirección longitudinal de un vehículo 65 ANEXO II. Archivos de MATLAB empleados en la comparativa de prestaciones 71 II-1. Cálculo y representación de las curvas Fm-Rt para el vehículo diésel................. 71 II-2. Cálculo y representación de las curvas Fm-Rt para el vehículo eléctrico ............ 72 II-3. Cálculo aceleración máxima vehículo diésel ...................................................... 73 II-4. Cálculo aceleración máxima vehículo diésel ...................................................... 75 ANEXO III. Utilización de la librería QSS para el cálculo de consumos: Explicaciones y resultados detallados 77 III-1. Desarrollo de la herramienta ............................................................................. 77 III-2. Fundamento teórico .......................................................................................... 77 III-3. Modelos utilizados ............................................................................................ 78 III-4. Resultados detallados ....................................................................................... 89 ANEXO IV. Obtención de las funciones de transferencia para el modelo de cuarto de vehículo 97 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Subsistemas que componen un vehículo eléctrico (3)................................................. 15 Figura 2. Configura ción empleada en el vehículo eléctrico a estudio (3) ................................... 16 Figura 3. Motor rueda Protean Electric PD18 (7) ....................................................................... 17 Figura 4. Baterías montadas en el Tesla Model S (izq.) y Nissan Leaf (dcha.) (8) ....................... 17 Figura 5. Modelo de referencia N1: Opel Vivaro ........................................................................ 18 Figura 6. Sistema de tracción en un vehículo convencional (3) .................................................. 18 Figura 7. Mapa motor vehículo diésel ........................................................................................ 20 Figura 8. Mapa motor vehículo eléctrico ................................................................................... 21 Figura 9. Fuerzas de tracción y resistencias en el vehículo diésel .............................................. 23 Figura 10. Fuerzas de tracción y resistencias en el vehículo eléctrico ........................................ 24 Figura 11. Máxima aceleración vehículo diésel .......................................................................... 26 Figura 12. Máxima aceleración vehículo eléctrico ..................................................................... 27 Figura 13. Recuperación 80-120 km/h para vehículo diésel (izq.) y eléctrico (dcha.) ................. 28 Figura 14. Representación esquemática del modelo cuarto de vehículo (6) .............................. 35 Figura 15. Diagrama de Bode para la respuesta de las ruedas ................................................... 37 Figura 16. Diagrama de Bode para la respuesta de la carrocería ............................................... 37 Figura 17. Pulsos empleados como entrada para representar un bache de 10 cm x 10 cm superado a 10 km/h (izq.) y a 60 km/h (dcha.) ........................................................................... 39 Figura 18. Respuesta de la carrocería al superar un bache a 10 km/h (izq.) y a 60 km/h (dcha.) ................................................................................................................................................... 39 INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 12 software (2). Así mismo, se pueden eliminar algunos componentes tradicionales de la transmisión, como la caja de cambios y el diferencial, lo que incrementa la eficiencia mecánica del sistema (5). Sin embargo, la adición de masa en las ruedas ocasionada al ubicar los motores en ellas, puede tener consecuencias negativas en el confort de los pasajeros y en el comportamiento del vehículo. El peso de la rueda es inversamente proporcional a su habilidad para seguir el perfil de la carretera, por lo que una rueda ligera tendrá mayor agarre que una más pesada (5). Diversos estudios han tratado esta cuestión, concluyendo que las diferencias resultan pequeñas en cuanto al confort de los pasajeros y algo más importantes en la dinámica del vehículo (4), (6). En cualquier caso, el rediseño de la suspensión puede minimizar la pérdida de prestaciones que sufriría el vehículo (4). 1.3 Objetivo y alcance del proyecto El presente proyecto se centra en el estudio de la viabilidad de la instalación de motores rueda y las posibilidades que podrían ofrecer dichos motores para introducir cambios estructurales que mejoren la seguridad de los vehículos. Para ello, se trabaja con una furgoneta perteneciente a la clase N1, que se ajusta a los requerimientos especificados en el proyecto OPTIBODY y que es propulsada por dos motores rueda fabricados por la empresa Protean Electric. Los objetivos del proyecto se pueden resumir en:  Evaluar la viabilidad de equipar un vehículo con motores rueda, por una parte, desde un punto de vista prestacional y, por otra, desde un punto de vista de la seguridad y el confort de los pasajeros. ● Seleccionar, dimensionar y distribuir los componentes necesarios para el funcionamiento de un vehículo eléctrico con motores rueda. ● Investigar nuevas soluciones de diseño para la parte frontal del vehículo, favorecidas por la distribución eléctrica escogida y que puedan incrementar la protección de los ocupantes. El trabajo llevado a cabo en este proyecto se puede dividir en cuatro partes diferenciadas que se detallan a continuación. En la primera parte se realiza una comparativa de prestaciones entre el vehículo eléctrico seleccionado y un vehículo con motorización diésel de similar potencia. Se comparan parámetros como la aceleración, la velocidad máxima, el consumo, la autonomía o el coste para recorrer 100 km. En esta primera parte se utiliza el software informático MATLAB, con el que se resuelven las ecuaciones que gobiernan el movimiento de un vehículo y se grafican los resultados para los parámetros mencionados. Para el caso concreto del cálculo de consumos, se simula el comportamiento del vehículo ante diferentes ciclos de conducción mediante el uso de SIMULINK, entorno para simulación de sistemas perteneciente a MATLAB. INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 13 En segundo lugar, se analizan las consecuencias derivadas del traslado de masa desde el chasis a las ruedas ocasionado al colocar los motores en las mismas. Se considera el llamado “modelo de cuarto de vehículo”, mediante el cual se calcula el movimiento de las ruedas y la carrocería ante diferentes excitaciones de la carretera. Nuevamente, el software MATLAB/SIMULINK facilita el trabajo con herramientas propias de simulación de sistemas dinámicos, como diagramas de Bode o simulaciones temporales. La tercera parte comprende un análisis de los componentes físicos propios del vehículo eléctrico, que concluye con una posible distribución de los mismos representada en un modelo. Previa a la realización del modelo, se presentan las dimensiones de los motores, se estiman las que debería tener el pack de baterías y se detallan el resto de componentes necesarios para el funcionamiento del vehículo. Todos estos componentes son colocados en sus ubicaciones más probables para formar un modelo 3D del vehículo que se lleva a cabo mediante la herramienta de diseño gráfico SOLIDWORKS. Por último, se realiza una búsqueda de posibles soluciones estructurales para la parte frontal del vehículo que puedan aprovechar la nueva distribución eléctrica para mejorar la seguridad. Para ello, se recurre a bibliografía existente, en la que se trata la protección de los ocupantes y de la que se intentan extraer propuestas aplicables al vehículo eléctrico de estudio. Es de especial utilidad la información publicada en el proyecto APROSYS, realizado entre los años 2004 y 2009 con el objetivo de desarrollar nuevas tecnologías que mejoren la seguridad pasiva para todos los usuarios y tipologías de accidentes. 1.4 Organización de la memoria La memoria de este proyecto sigue una estructura coincidente con la expuesta anteriormente, con cuatro secciones diferentes, una para cada una de las partes mencionadas y que se ordenan de la siguiente manera: En la sección dos, denominada “Análisis del tren de potencia de un vehículo eléctrico con motores rueda”, se realiza una selección de componentes que equipan el vehículo eléctrico y una comparativa de prestaciones de éste frente a un vehículo de similar potencia diésel. La sección número tres, “Efectos de la adición de masa no suspendida”, evalúa las consecuencias de instalar motores rueda para la dinámica del vehículo y el confort de los pasajeros. En el capítulo cuarto, cuyo título es “Distribución espacial de los componentes del tren de potencia” se realiza un modelo completo del vehículo en tres dimensiones ubicando los componentes selccionados en sus lugares de montaje. En la sección quinta, con título “Soluciones para la mejora de la seguridad pasiva en vehículos eléctricos equipados con motores rueda”, se proponen dos posibles rediseños de la parte frontal que permitirían mejorar la protección de los ocupantes del vehículo. Por último, el apartado seis expone las conclusiones que se pueden extraer de la realización de este proyecto y propone futuras líneas de investigación para continuar el trabajo realizado. INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 15 2 ANÁLISIS DEL TREN DE POTENCIA DE UN VEHÍCULO ELÉCTRICO CON MOTORES RUEDA 2.1 Introducción Uno de los primeros pasos para comprobar la viabilidad de propulsar un vehículo mediante motores eléctricos consiste en analizar si es posible mantener las prestaciones que ofrecen los vehículos actuales. En este apartado se realiza un estudio del rendimiento ofrecido por un vehículo eléctrico equipado con motores rueda en comparación con uno de similar potencia con motorización diésel. Se comparan aspectos como la aceleración, la velocidad máxima o el consumo para un vehículo con las mismas especificaciones, que pertenece a la clase N1 de la legislación vigente. 2.2 Definición de los componentes constituyentes En un vehículo eléctrico el motor transforma la energía eléctrica proporcionada por una fuente de energía, como baterías o ultra condensadores, en energía mecánica que alimenta las ruedas. Normalmente, en este tipo de vehículos este proceso es reversible, ya que también es posible regenerar energía eléctrica durante las frenadas y almacenar esta energía para su posterior uso. La Figura 1 esquematiza el tren de potencia que compone un vehículo eléctrico y que se puede dividir en tres subsistemas diferentes: sistema de propulsión, sistema de energía y sistema de auxiliares. Figura 1. Subsistemas que componen un vehículo eléctrico (3) INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 16 El subsistema de propulsión está compuesto por la unidad de control del vehículo, la etapa de conversión electrónica de potencia, el motor eléctrico, la transmisión y las ruedas. A su vez, el subsistema de energía lo componen la fuente de energía, su unidad de gestión y la unidad de recarga. Por último, en el sistema de auxiliares se incluyen otros componentes comunes a vehículos convencionales, por ejemplo, la unidad de climatización, la unidad de dirección o la fuente de potencia auxiliar. A partir de este esquema básico las configuraciones presentes en los modelos eléctricos varían dependiendo de la ubicación o de la tipología particular de los componentes empleados. En este sentido, las mayores diferencias constructivas se encuentran en los motores y en la fuente de energía, mientras que las variaciones de la unidad de control y de las etapas de conversión de potencia únicamente modifican el modo de funcionamiento de los primeros. 2.3 Selección de componentes para el vehículo a estudio Una vez expuesta la configuración estándar de cualquier vehículo eléctrico, se va a realizar una descripción de los componentes que se han seleccionado para el modelo eléctrico objeto de estudio. La característica más destacada de dicho vehículo es el montaje de dos motores eléctricos de tracción, que están integrados en las llantas de cada una de las ruedas traseras. Se prescinde, por lo tanto, de cualquier tipo de caja de cambios o transmisión reductora para conectar los motores y las ruedas. En la Figura 2 se muestra una representación esquemática de esta configuración empleada para el tren de potencia. Figura 2. Configuración empleada en el vehículo eléctrico a estudio (3) Los motores rueda seleccionados son comercializados por la empresa Protean Electric, que realiza un diseño enfocado a su montaje sin transmisión, con una velocidad de giro acorde con las necesidades de las ruedas y unos valores de par suficientemente altos para el arranque sin embrague ni caja de cambios. En cuanto a su construcción, son motores de corriente alterna con imanes permanentes que cuentan con micro inversores integrados en el estator para la conversión de corriente continúa en alterna. La potencia máxima nominal de cada uno de los motores es de 64 kW, aunque las especificaciones completas con valores de potencia, par y revoluciones se pueden encontrar en posteriores apartados. El módulo completo que contiene el motor rueda se puede observar en color verde en la Figura 3, tal y como iría montado en la llanta del vehículo real. Además de los motores, como en cualquier otro vehículo eléctrico son necesarios otros componentes como la fuente de energía, que almacena la energía a bordo y la suministra al INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 17 motor, o una centralita electrónica, que controla la interconexión de los componentes. Como fuente de energía se utiliza un pack de baterías de ion-litio con una capacidad de almacenamiento de 40 kWh, que se podrá recargar mediante frenada regenerativa y mediante conexión a la red eléctrica. Figura 3. Motor rueda Protean Electric PD18 (7) En la Figura 4 se muestran el pack de baterías de dos modelos eléctricos, el Tesla Model S y el Nissan Leaf, cuyas especificaciones se han tomado como referencia para asignar los valores de la batería a utilizar. Baterías de ion-litio como éstas poseen en término medio una energía específica de 140 Wh/kg y una potencia específica en torno a 1000 W/kg. El montaje también se supone similar al existente en los dos vehículos mencionados, es decir, se colocan debajo de los asientos de los pasajeros, ocupando la zona central-trasera del suelo del vehículo, con el fin de reducir la altura del centro de gravedad. Junto a las baterías se montará la unidad de gestión de las mismas, necesaria para controlar la temperatura, el estado de carga y la entrega de intensidad y voltaje adecuados. Figura 4. Baterías montadas en el Tesla Model S (izq.) y Nissan Leaf (dcha.) (8) El resto de componentes del tren de potencia eléctrico lo formarán la unidad de control y las etapas de electrónica de potencia. Como ya se ha mencionado anteriormente, estos componentes modifican la manera en que batería y motor trabajan conjuntamente, pero no afectan para el estudio llevado a cabo en este trabajo, por lo que no se seleccionan modelos concretos. INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 18 2.4 Comparativa de prestaciones frente a un vehículo convencional En este apartado se va a realizar una comparativa de las prestaciones que ofrece el vehículo equipado con el sistema de tracción eléctrico frente a otro de similares características con motorización convencional. Los vehículos a comparar se encuadran en la clase N1 de la directiva 70/156/CEE, que engloba a vehículos de motor destinados al transporte de mercancías, que tengan por lo menos cuatro ruedas y con una masa máxima no superior a 3,5 toneladas. Para este trabajo se han tomado unas especificaciones similares a varias furgonetas comerciales de tamaño medio, semejantes a una Mercedes Vito, una Opel Vivaro o a una Volkswagen Transporter. Figura 5. Modelo de referencia N1: Opel Vivaro Dado que el objetivo de esta comparativa es evaluar la influencia de dos sistemas de tracción distintos, eléctrico y convencional, se utilizan las mismas medidas y masa para ambos vehículos. Por lo tanto, las resistencias que habrá que vencer para el movimiento de los vehículos serán las mismas y las diferencias en términos de prestaciones vendrán dadas exclusivamente por la configuración utilizada en cada caso. Figura 6. Sistema de tracción en un vehículo convencional (3) El vehículo con motorización convencional está impulsado por un motor diésel acoplado a una transmisión manual, que contiene los componentes indicados en la Figura 6 y, que al igual que en el caso anterior, impulsa las ruedas traseras. El criterio utilizado para seleccionar el motor INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 19 diésel ha sido considerar un modelo de similar potencia máxima que la suma de potencias continuas de los motores eléctricos. Para realizar la comparativa se ha utilizado el software informático MATLAB, que permite efectuar los cálculos necesarios para conocer las prestaciones de ambos vehículos, así como realizar gráficas de los resultados que se presentan en los apartados siguientes. ESPECIFICACIONES DIÉSEL ELÉCTRICO Clase N1 Vehículo referencia Mercedes-Benz España Vito Furgón Motor 2.0 BiTDI Protean Electric PD 18 (2x) Potencia continua 132 kW 128 kW Par continuo 400 Nm 1000 Nm Potencia de pico - 162 kW Par de pico - 1600 Nm Transmisión Caja de cambios manual 6 vel. Directa, relación 1:1 i1 5,076 - i2 2,61 - i3 1,518 - i4 1 - i5 0,791 - i6 0,675 - i Final 3,455 - Rendimiento mecánico 0,88 0,98 Masa 2500 kg Área frontal 3,1 m2 Coeficiente Cx 0,34 Coeficiente de rodadura 0,011 Neumáticos 205/50 R17 Radio efectivo 0,3184 m Baterías - Ion-litio Capacidad - 100 Ah Voltaje - 400 V Energía almacenada - 40 kWh Peso aproximado - 265-300 kg Combustible Diésel - Depósito 60 L - Tabla 1. Especificaciones de los vehículos diésel y eléctrico utilizadas en la comparativa INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 20 2.4.1 Curvas de par de los motores de tracción A priori, dos de los datos más importantes para calcular las prestaciones que puede ofrecer un vehículo son los valores de par y potencia del motor de tracción. Normalmente, en las hojas de especificaciones de un vehículo, solo se ofrecen los valores máximos de estos parámetros, así como las revoluciones a las que se dan. Sin embargo, para realizar cálculos de prestaciones y consumos resulta necesario conocer el mapa motor completo de valores de par y velocidad de giro. El motor puede funcionar en cualquier punto por debajo de la curva de par o potencia máxima dependiendo de la posición del acelerador, o lo que es lo mismo, dependiendo de la composición de la mezcla aire-gasolina. En la Figura 7 se puede observar el mapa motor perteneciente al vehículo diésel. Se trata de un motor diésel de dos litros de cilindrada con dos turbocompresores, que ofrece un par motor máximo de 400 Nm en el rango de giro de 1500 a 2000 revoluciones por minuto. La curva de par máximo pertenece a un motor real, comercializado actualmente por un fabricante generalista en su gama de furgonetas y cuyos datos se pueden encontrar en internet o en folletos comerciales. En la gráfica también se indica, mediante las curvas de nivel coloreadas, el consumo de gasoil por kilovatio hora o, señalada entre paréntesis, la eficiencia en la conversión de energía. Dado que los fabricantes no suministran habitualmente estas curvas de eficiencia en sus catálogos, para la representación de este dato, se han utilizado valores correspondientes a un motor diésel genérico escalados de acuerdo a la curva de par máximo. En cualquier caso el mapa que se muestra no debería diferir demasiado con el del motor biturbodiésel real. Figura 7. Mapa motor vehículo diésel INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 21 En la Figura 8 se muestra el mapa motor correspondiente al vehículo eléctrico, que cuenta para su impulsión con dos motores rueda situados en el interior de las llantas traseras. En ella se proporciona, para el caso del vehículo eléctrico, el valor de par máximo de ambos motores sumados. Es decir, cuando se dispone de 1600 Nm de par, cada uno de los motores por separado suministra 800 Nm de par. A pesar de que en el vehículo real cada motor podría trabajar a una velocidad de rotación diferente y entregar distinto valor de par, se supondrá, por simplicidad, que ambos motores trabajan en el mismo punto de funcionamiento. Además, de igual modo que para el motor diésel, para cada punto de funcionamiento se tiene una eficiencia de los motores, que está representada por las curvas coloreadas de la figura. Figura 8. Mapa motor vehículo eléctrico Cabe señalar que los colores son relativos en cada una de las gráficas, por lo que no se debe comparar la eficiencia de ambos motores directamente a través de los colores. Sin embargo, si se observan los valores de la leyenda, sí que se pueden extraer conclusiones interesantes. La máxima eficiencia del motor diésel está en torno al 40%, mientras que en el eléctrico alcanza el 90%. Además, cualquier punto de funcionamiento del motor eléctrico tendrá una mayor eficiencia que el diésel en su punto óptimo. Los buenos valores del motor eléctrico se verán ligeramente reducidos al tener en cuenta la eficiencia de carga y descarga de las baterías, que se estima en torno al 90%. Otra de las diferencias que se observan al comparar ambas figuras se encuentra en la velocidad de giro de ambos motores. El rango de funcionamiento del motor diésel se extiende entre las 1000 y las 4500 RPM, mientras que en el caso del motor eléctrico este rango se sitúa entre 0 y 1800 RPM. Esta desigualdad de valores permite prescindir, en la configuración INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 28 Figura 13. Recuperación 80-120 km/h para vehículo diésel (izq.) y eléctrico (dcha.) Comparando la aceleración de ambas motorizaciones se puede concluir que el diésel es claramente superior en términos de aceleración desde parado, pero los tiempos se igualan cuando se requiere aceleración circulando a mayor velocidad. En aceleración de 0 a 100 km/h, el tiempo utilizado por el eléctrico (28,14 segundos) casi dobla al utilizado por el diésel (15,16 segundos), aunque esta diferencia puede reducirse si se hace uso del par de pico que puede realizar el motor eléctrico. En una aceleración de 80 a 120 km/h, que equivaldría a una maniobra de adelantamiento en una carretera de un único sentido, el eléctrico alcanza casi las mismas prestaciones que el diésel (13,68 frente a 11,28 segundos), e incluso las supera si se usa el par de pico. Con la ayuda de controladores electrónicos se decide cuándo es apropiado utilizar este par de pico del motor, de acuerdo a factores como la posición del acelerador, la temperatura del motor o el estado de carga de la batería. En la Tabla 2 se recogen todos estos resultados de manera más ordenada: ACELERACIÓN DIÉSEL ELÉCTRICO CONTINUA PICO 0-100 km/h 15,16 seg. 28,14 seg. 16,66 seg. 80-120 km/h 11,28 seg. 13,68 seg. 7,44 seg. Tabla 2. Tiempo empleado en las aceleraciones de los vehículos diésel y eléctrico 2.4.4 Velocidad máxima Otro dato ampliamente utilizado en catálogos y comparativas de vehículos es el valor de la velocidad máxima alcanzable por un vehículo en una carretera sin pendiente. Dicha velocidad se alcanza en el momento en el que la fuerza de tracción que ejercen las ruedas del vehículo se iguala con las resistencias que se oponen al movimiento del mismo. La manera más sencilla de INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 29 obtenerla consiste en igualar la potencia máxima del motor y la potencia consumida por las resistencias que se oponen al movimiento. Es un método aproximado porque se utilizan valores del motor y, probablemente, proporcione un valor mayor al real, ya que las relaciones de la caja de cambios suelen limitar más restrictivamente la velocidad. Para obtener este valor es necesario despejar el valor de la velocidad de la siguiente fórmula: 𝑃 𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝜂 𝑡 = �𝑓 𝑟 𝑀𝑔cos 𝛼+ 𝑀𝑔sen 𝛼+ 1 2 𝜌 𝐶 𝑥 𝐴 𝑓 𝑣 2 � ∙𝑣 (2.6) El término 𝑃𝑚𝑎𝑥 es la potencia máxima que puede entregar el motor, dato suministrado por el fabricante y que se encuentra en la Tabla 1. Despejando la incógnita de la velocidad se obtienen unos valores de 189,8 km/h para el vehículo diésel y 195,9 km/h para el eléctrico. El cálculo de la velocidad máxima de manera exacta se puede obtener de las representaciones gráficas que ya se han utilizado en los apartados 2.3.2 y 2.3.3. En la Figura 9 y Figura 10, los datos utilizados corresponden a valores en las ruedas, por lo que el punto de corte entre las curvas de fuerza de tracción y las resistencias totales marcará la velocidad máxima real. En los recuadros amarillos de ambas figuras se pueden observar los valores de velocidad en el punto de corte, 188 km/h para el diésel y 195,9 km/h para el eléctrico. La velocidad máxima del eléctrico coincide con la obtenida según el primer procedimiento, puesto que este vehículo no posee caja de cambios, que como se ha dicho, puede modificar la velocidad máxima alcanzable por potencia. No ocurre lo mismo en el caso del vehículo diésel, cuya velocidad máxima queda limitada a 188 km/h, conseguida en 5ª velocidad. VELOCIDAD DIÉSEL ELÉCTRICO CONTINUA PICO Velocidad máxima 188 km/h 195,9 km/h 205 km/h aprox. Tabla 3. Velocidades máximas alcanzables por los vehículos diésel y eléctrico 2.4.5 Consumo y autonomía A continuación, se estima el consumo que tendrían ambos vehículos en dos situaciones bien diferenciadas, en primer lugar, en la conducción a lo largo de dos ciclos estandarizados y, posteriormente, circulando a una velocidad constante de 120 km/h. En los ciclos estandarizados de conducción se intenta establecer un patrón que reproduzca el uso más habitual que daría un conductor a su vehículo. Entre los más extendidos se encuentran el NEDC (New European Driving Cycle) y el FTP_75 (Federal Test Procedure), utilizados en la UE y en EEUU respectivamente para la homologación de consumos y emisiones en turismos. Ambos son los utilizados en esta comparativa para el análisis de consumos en los vehículos de estudio. El primero de ellos, consta de un recorrido de unos 11 km realizados en un tiempo de 1220 segundos y se puede dividir en dos partes, la primera, compuesta por cuatro repeticiones del ciclo ECE-R15, con bajas velocidades y que simula un periodo de conducción por ciudad, y la INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 30 segunda compuesta por el ciclo EUDC (Extra Urban Driving Cycle), que simula una conducción interurbana a mayor velocidad. Por su parte, el ciclo FTP_75 simula un recorrido de 11,04 millas (17,77 km) en 1874 segundos, en los que se alcanza una velocidad máxima de 90 km/h. La representación gráfica velocidad frente a tiempo, para ambos ciclos, se puede encontrar en el ANEXO II. Para realizar los cálculos de consumo en el ciclo NEDC se ha trabajado con Simulink, una plataforma para la simulación de sistemas dinámicos que funciona sobre el entorno de programación MATLAB. Utilizando dicha herramienta se ha creado un modelo del sistema a partir de bloques interconectados que representan el ciclo de conducción, el vehículo, el motor y la fuente de energía y que son provistos en la librería QSS (QuasiStatic Simulation Toolbox). La simulación se basa en una discretización del ciclo con un paso de un segundo, de manera que, para cada segundo, se calcula el par y la velocidad necesaria en las ruedas, el par y velocidad en el motor y de ahí, la eficiencia y el consumo del mismo. Se puede obtener una información más detallada acerca del procedimiento seguido, así como imágenes de los modelos utilizados y gráficas con los resultados en el ANEXO II. En el caso del vehículo eléctrico, éste se alimenta de una batería capaz de almacenar 40 kWh, por lo que el consumo se obtiene en kWh/100km y es necesario realizar una conversión para poder compararlo con el consumo del diésel. En dicha conversión se usan los valores más habituales de densidad y poder calorífico inferior del gasóleo, 0,840 kg/l y 35,70 MJ/l respectivamente. De acuerdo con la siguiente ecuación: 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 �𝑙 100𝑘𝑚�=𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜�𝑘𝑊ℎ 100𝑘𝑚�∙3,6 �𝑀𝐽 𝑘𝑊ℎ�∙ 1 35,7 �𝑙 𝑀𝐽� (2.7) Los resultados que se han obtenido de las simulaciones se presentan en la siguiente tabla: CICLO NEDC DIÉSEL ELÉCTRICO Consumo 8,471 𝑙 100𝑘𝑚 18,974 𝑘𝑊ℎ 100𝑘𝑚= 1,913 𝑙 100𝑘𝑚 Autonomía 708 𝑘𝑚 211 𝑘𝑚 Tabla 4. Consumo y autonomía de los vehículos diésel y eléctrico en el ciclo NEDC El menor consumo del vehículo eléctrico frente al diésel se puede razonar con los siguientes tres argumentos. En primer lugar, la mayor eficiencia del sistema de tracción eléctrico a lo largo de todo el ciclo. En segundo lugar, el consumo de energía en los instantes en los que el vehículo está parado es nulo para el vehículo eléctrico. Sin embargo, en el diésel, el motor continúa girando al ralentí desembragado de las ruedas, consumiendo con ello cierta cantidad de combustible. Por último, el vehículo eléctrico permite regenerar parte de la energía que se perdería en forma de calor en las frenadas, consiguiendo con ello aumentar la carga de las baterías y, por tanto, reduciendo el consumo global. INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 31 Con los consumos obtenidos y con las capacidades de depósito y batería especificadas en la Tabla 1, la autonomía será de 708 km en el caso del vehículo diésel y 211 km en el caso del eléctrico. A pesar de la alta eficiencia y bajo consumo del motor eléctrico, la energía específica que se obtiene a día de hoy con las baterías es muy baja comparada con la obtenida en la combustión de los carburantes. A partir del poder calorífico del gasóleo se obtiene un valor de energía de 43,1 MJ/kg en la combustión del mismo, mientras que la batería seleccionada proporciona 0,54 MJ/kg. De ahí que, con un peso de baterías aproximadamente 5 veces superior al de gasóleo se obtenga una autonomía 3,5 veces inferior, aun teniendo un motor mucho más eficiente. CICLO FTP 75 DIÉSEL ELÉCTRICO Consumo 8,8 𝑙 100𝑘𝑚 19,195 𝑘𝑊ℎ 100𝑘𝑚= 1,936 𝑙 100𝑘𝑚 Autonomía 681 𝑘𝑚 208 𝑘𝑚 Tabla 5. Consumo y autonomía de los vehículos diésel y eléctrico en el ciclo FTP 75 Tras la simulación realizada para el ciclo FTP 75 se obtienen unos resultados bastante similares a los ya vistos para el ciclo NEDC. Sin embargo, cuando se analiza el comportamiento de ambos vehículos a una velocidad constante de 120 km/h se encuentran valores significativamente diferentes. Circulando a esa velocidad, el consumo energético que se realizará para vencer las resistencias al avance se estima en 28,583 𝑘𝑊ℎ 100𝑘𝑚 para ambos vehículos. Así mismo, la eficiencia de los motores diésel y eléctrico a esta velocidad se encuentra en 0,394 y 0,84 respectivamente y los rendimientos de transmisión en 0,88 y 0,98. Por lo tanto, los consumos que se obtienen para ambos vehículos circulando a 120 km/h y 6ª velocidad en el caso del diésel son: 120 KM/H DIÉSEL ELÉCTRICO Consumo 7,972 𝑙 100𝑘𝑚 28,583 𝑘𝑊ℎ 100𝑘𝑚= 3,486 𝑙 100𝑘𝑚 Autonomía 752 𝑘𝑚 115 𝑘𝑚 Tabla 6. Consumo y autonomía de los vehículos diésel y eléctrico circulando a 120 km/h Comparando el consumo obtenido para los ciclos NEDC y FTP_75, y el obtenido 120 km/h se puede observar que, mientras para el vehículo diésel éste se reduce ligeramente (9,4%), para el vehículo eléctrico se produce un incremento de hasta un 83%. De los tres argumentos esgrimidos anteriormente para justificar el bajo consumo del vehículo eléctrico, el segundo y el tercero han quedado sin validez, por lo que se ha igualado la diferencia entre ambos vehículos. Circulando a una velocidad constante de 120 km/h, el vehículo eléctrico pierde las ventajas que obtenía durante los tiempos de parada y en las deceleraciones. Además, el motor diésel INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 32 trabaja cerca de su punto óptimo cuando se circula a 120 km/h y en sexta velocidad, lo que hace que incluso se reduzca su consumo comparado con el del ciclo NEDC. 2.4.6 Economía En último lugar, se analiza el coste que conllevaría recorrer 100 kilómetros con cada uno de los vehículos de estudio. No se tendrán en cuanta los gastos que podría suponer la compra del vehículo o su mantenimiento, sino únicamente, el coste del carburante y electricidad consumidos en el recorrido especificado. Para ello, se utilizan los consumos calculados en el apartado 2.3.8 y los precios medios de gasolina y electricidad en España a Diciembre de 2011. Los datos relativos a los precios se han extraído de informes elaborados por el Ministerio de Industria. Dado que el vehículo de combustión posee un motor diésel se ha utilizado el precio del gasóleo A para automoción. En el caso particular de la electricidad, se supondrá un usuario que recargue el vehículo en su domicilio particular, en el que tendrá contratada la tarifa de último recurso sin discriminación horaria. Además de lo anterior, se considerará solamente el término de energía, al que se añadirá el impuesto especial sobre la electricidad y el IVA. El precio medio del gasóleo A para automoción se sitúa en 1,295 € 𝑙 con impuestos incluidos. El precio de la electricidad para la TUR sin discriminación horaria es 0,152559 € 𝑘𝑊ℎ. A este precio habrá que añadir el impuesto especial sobre la electricidad y el IVA, calculados según: 𝐼𝐸𝐸=𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝑘𝑊ℎ × 1,015113 × 4,864% = 0,007533 € 𝑘𝑊ℎ 𝐼𝑉𝐴=(𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝑘𝑊ℎ+𝐼𝐸𝐸)×18% = 0,028816 € 𝑘𝑊ℎ Luego, el precio final de ambas fuentes de energía será: 𝐺𝑎𝑠ó𝑙𝑒𝑜 𝐴= 1,295 € 𝑙 𝐸𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑= 0,188908 € 𝑘𝑊ℎ En la Tabla 7 se muestran los costes obtenidos para ambos vehículos en las tres situaciones estudiadas. COSTE 100KM DIÉSEL ELÉCTRICO Ciclo NEDC 10,97 € 100𝑘𝑚 3,58 € 100𝑘𝑚 Ciclo FTP_75 11,4 € 100𝑘𝑚 3,63 € 100𝑘𝑚 120 km/h 10,77 € 100𝑘𝑚 5,4 € 100𝑘𝑚 Tabla 7. Coste por cada 100 km recorridos con los vehículos diésel y eléctrico INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 33 2.4.7 Resumen de la comparativa Para una mejor visualización de los datos obtenidos en los apartados anteriores, en la siguiente tabla se recogen los valores más significativos que conformarían las prestaciones de ambos vehículos. Para el vehículo eléctrico se diferencia en dos columnas los valores que se obtienen utilizando el par máximo nominal o bien, el par máximo de pico. PRESTACIONES DIÉSEL ELÉCTRICO CONTINUO PICO Par máximo 400 Nm 1000 Nm 1600 Nm Potencia máxima 132 kW 128 kW 162 kW Aceleración 0-100 km/h 15,16 seg. 28,14 seg. 16,66 seg. 80-120 km/h 11,28 seg. 13,68 seg. 7,44 seg. Velocidad máxima 188 km/h 195,9 km/h 205 km/h aprox. Consumo Ciclo NEDC 8,471 l/100km 1,913 l/100km Ciclo FTP_75 8,8 l/100km 1,936 l/100km 120 km/h 8,314 l/100km 3,486 l/100km Autonomía Ciclo NEDC 708 km 211 km Ciclo FTP_75 681 km 208 km 120 km/h 722 km 115 km Coste 100 km Ciclo NEDC 10,97 €/100km 3,58 €/100km Ciclo FTP_75 11,4 €/100km 3,63 €/100km 120 km/h 10,77€/100km 5,4€/100km Tabla 8. Prestaciones completas de los vehículos diésel y eléctrico INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 35 3 EFECTOS DE LA ADICIÓN DE MASA NO SUSPENDIDA 3.1 Introducción Ubicar los motores en las ruedas, como se ha propuesto para el vehículo eléctrico, supone la adición de masa no suspendida, que es aquella no soportada por la suspensión y compuesta por la masa de los neumáticos, llantas, ejes, rodamientos, frenos, y parte de la masa de la suspensión. La intención de este apartado es estudiar las consecuencias que provoca este aumento de masa en la estabilidad, seguridad y confort del vehículo. Para analizar cómo influye la modificación de la masa no suspendida, se compara el comportamiento vertical de los vehículos diésel y eléctrico mediante dos herramientas para el estudio de sistemas dinámicos, análisis frecuencial y temporal de la respuesta. 3.2 Modelo cuarto de vehículo El cociente entre la masa no suspendida y la masa suspendida juega un papel importante para el correcto funcionamiento del sistema de suspensión. Entre las funciones de la suspensión se encuentran aislar a los pasajeros de las irregularidades de la carretera, proveer al vehículo de las capacidades de aceleración, frenado y dirección necesarias para su manejo y soportar el peso estático del vehículo. Pues bien, para cumplir adecuadamente estas funciones se recomienda que la masa no suspendida no exceda el 20 % de la masa suspendida. En la mayoría de vehículos, este porcentaje suele estar en torno al 10 %. Figura 14. Representación esquemática del modelo cuarto de vehículo (6) El modelo empleado para analizar el comportamiento vertical del vehículo se muestra en la Figura 14. Se trata de un sistema con dos grados de libertad, consistente en dos masas suspendidas por sendos conjuntos muelle-amortiguador, que representan un cuarto del vehículo. 𝑀𝑣 simboliza la masa suspendida, 𝑀𝑠 la masa no suspendida, 𝐵𝑠 𝑦 𝐵𝑡 los coeficientes de amortiguación y 𝐾𝑠 𝑦 𝐾𝑡 los coeficientes de rigidez de los muelles. Por su parte, 𝑥,𝑦,𝑧 se INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 36 refieren, respectivamente, a los desplazamientos de la carretera, la masa no suspendida y la masa suspendida. Mediante la aplicación de la segunda ley de Newton al esquema de la Figura 14 se obtienen las ecuaciones dinámicas para el movimiento del sistema: 𝑀𝑣𝑧󰇘= −𝐾𝑠(𝑧−𝑦)−𝐵𝑠(𝑧󰇗−𝑦󰇗) (3.1) 𝑀𝑠𝑦󰇘=𝐾𝑠(𝑧−𝑦)+𝐵𝑠(𝑧󰇗−𝑦󰇗)−𝐾𝑡(𝑦−𝑥)−𝐵𝑡(𝑦󰇗−𝑥󰇗) (3.1) Dichas ecuaciones se utilizan para predecir el comportamiento vertical de los vehículos diésel y eléctrico. Concretamente, se trabaja con las funciones de transferencia 𝑦 𝑥,𝑧 𝑥 , que se obtienen tras pasar al dominio de Laplace y operar las ecuaciones dinámicas. El desarrollo empleado para la obtención de las funciones de transferencia y las expresiones de las mismas se detalla en el ANEXO IV. De la misma manera que en la primera parte de este proyecto, se supondrán ambos vehículos con una misma masa total, 2500 kg y la diferencia residirá en el porcentaje de masa no suspendida en ellos. Igualmente, los valores para las constantes de la suspensión se suponen idénticos en ambos modelos. Todos los datos utilizados para la realización de los cálculos se encuentran en la Tabla 9. DIÉSEL ELÉCTRICO Masa total 2500 kg 2500 kg Masa suspendida 565 kg 525 kg Masa no suspendida 60 kg 100 kg 𝐾𝑠 60000 N/m 𝐵𝑠 2500 Ns/m 𝐾𝑡 200000 N/m 𝐵𝑡 150 Ns/m Tabla 9. Parámetros seleccionados para el modelo cuarto de vehículo 3.3 Análisis frecuencial El análisis frecuencial se llava a cabo mediate el uso de diagramas de Bode, en los que se representa la ganancia y la fase de la funcion de transferencia en función de la frecuencia. Para la representación de dichos diagramas se recurre, nuevamente, al software matemático MatLab. Los diagramas de Bode obtenidos para el desplazamiento de las ruedas y el desplazamiento de la carrocería se muestran en la Figura 15 y en la Figura 16, respectivamente. INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 37 Figura 15. Diagrama de Bode para la respuesta de las ruedas El diagrama de Bode proporciona información sobre la estabilidad del sistema. Para que un sistema sea estable se debe cumplir que el margen de ganancia y el margen de fase sean positivos. De acuerdo a estos criterios, se puede afirmar que, tanto en el caso de las ruedas como en el de la carrocería e independientemente del vehículo, el sistema es estable. Por otra parte, del diagrama de Bode también se puede extraer información acerca de las frecuencias naturales del sistema, que son aquellas que producirían la máxima oscilación de las salidas. En este caso, con dos grados de libertad existen dos frecuencias naturales, una para el chasis y otra para las ruedas. Figura 16. Diagrama de Bode para la respuesta de la carrocería INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 44 C HEVROLET VOLT N ISSAN LEAF T ESLA ROADSTER Capacidad 16 kWh 24 kWh 56 kWh Nº de celdas/módulos 288 celdas 48 módulos 6831 celdas Dimensiones celda/módulo 12,7 x 17,8 x 0,635 cm 30,3 x 22,3 x 3,5 cm ∅ 1,8 x 6,5 cm Peso celdas/módulos 130,64 kg 182,4 kg 307,4 kg Volumen celdas/módulos 41,34 dm3 113 dm3 113 dm3 Peso batería 198,1 kg 294 kg 450kg Volumen batería 138 dm3 350 dm3 283 dm3 Energía específica 80 Wh/kg 82 Wh/kg 124 Wh/kg Densidad energética 116 Wh/dm3 68 Wh/dm3 200 Wh/dm3 Tabla 10. Especificaciones de tres modelos de baterías Li-ion En la Tabla 10 se muestran las especificaciones para los tres modelos de baterías analizados. De ellas se puede destacar que la batería del Tesla Roadster consigue las mejores cifras de energía específica y densidad energética. La razón puede estar en la tecnología empleada en esta batería, que contiene celdas de geometría cilíndrica en lugar de las rectangulares empleadas en los otros dos vehículos. Para el vehículo eléctrico estudiado en este proyecto se seleccionan las especificaciones indicadas en la Tabla 11, más cercanas a las que se consiguen con celdas rectangulares. La colocación del pack de baterías es otro tema a tratar. Dado que el espacio de carga de vehículos N1 suele situarse entre los 5200 y los 6500 dm3, parece razonable sacrificar parte de éste para colocar las baterías. Se elige, por tanto, ubicar las baterías en la zona central del espacio de carga y a la menor altura posible para no elevar la altura del centro de gravedad. VEHÍCULO ELÉCTRICO Capacidad 40 kWh Peso batería 400 kg Volumen batería 392 dm3 Dimensiones batería 140 x 140 x 20 cm Energía específica 100 Wh/kg Densidad energética 102 Wh/dm3 Tabla 11. Dimensiones estimadas para la batería INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 45 4.3 Dimensiones y colocación del motor eléctrico En el caso del motor eléctrico no es necesaria una estimación de las dimensiones, ya que éstas vienen dadas por la empresa fabricante de los mismos, Protean Electric. En la se muestran las especificaciones para cada uno de los dos motores empleados. Los motores de la empresa Protean Electric cuentan con la ventaja de llevar micro inversores integrados para la conversión de corriente continua en alterna. De esta manera, se prescinde de la unidad de electrónica de potencia que ocuparía un gran espacio en el vehículo. Además, tampoco es necesaria la adición de caja de cambios, embrague o diferencial. PROTEAN ELECTRIC PD 18 Dimensiones ∅ 42 x 11,5 cm Volumen 20,8 dm3 Peso 31 kg Tabla 12. Dimensiones del motor eléctrico Protean Electric PD18 Por su parte, la ubicación de los motores también ha sido tratada con anterioridad. Los dos motores que equipa el vehículo eléctrico irán colocados en el interior de las llantas traseras, proporcionando tracción directamente a las ruedas. En la Figura 23 se observa el montaje de uno de estos motores alojado en la llanta correspondiente. Figura 23. Motor rueda Protean Electric PD18 (9) INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 46 4.4 Otros componentes Los siguientes componentes representan volúmenes mucho más pequeños en comparación con la batería y los motores. Es por ello, que en el modelo de vehículo realizado en el apartado posterior aparecen representados con unas dimensiones orientativas. Todos estos componentes estarán también presentes en el vehículo eléctrico.  SECU (System Electronic Control Unit): Se encarga de controlar y dirigir el comportamiento del motor y el vehículo en base a una selección de entradas. Estas entradas, por ejemplo demandas de aceleración o freno, son procesadas por el software contenido en la SECU y convertidas en comandos de par y velocidad de giro para cada rueda. De esta manera, es posible implementar controles como el ABS o el control de estabilidad de manera sencilla, gracias a la SECU y a la independencia de funcionamiento de los motores. En la Figura 24 se muestra un ejemplo de unidad de control de un vehículo. Figura 24. Unidad de control eléctrico del vehículo (7)  BMS (Battery Management System): Unidad electrónica de control para la batería. Se encarga del buen funcionamiento de la batería, mediante la supervisión y monitorización de variables como voltaje, intensidad, temperatura, estado de carga y de descarga, flujo de refrigerante, etc. Protege la batería manteniéndola dentro de sus límites seguros de operación.  Cableado CAN (Controller Area Network): Conjunto de interconexiones entre motores, SECU y BMS para la transmisión de información y órdenes.  Cableado eléctrico: Transporta la electricidad necesaria para el funcionamiento de los motores. Por lo tanto, conecta los polos de la batería con cada uno de los dos motores presentes en el vehículo. 4.5 Representación de componentes en un modelo En la siguiente página se muestra una representación en tres dimensiones de la distribución que tendría el vehículo eléctrico equipado con motores rueda. INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 47 Figura 25. Modelo en tres dimensiones del vehículo eléctrico INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 48 4.6 Diferencias respecto a un vehículo convencional La distribución mostrada en la Figura 25 para el vehículo eléctrico es bastante diferente a la que suele equipar un vehículo convencional con motor de combustión. A continuación se detallan los componentes que incluye habitualmente un vehículo con motor de combustión, la distribución de los mismos y las diferencias existentes con el vehículo eléctrico. En la Figura 26 se puede observar la configuración más tradicional del tren de potencia para un vehículo con motor de combustión y tracción trasera. A pesar de contar con tracción trasera, el motor de combustión se suele situar en la parte frontal del vehículo y la tracción se transmite, desde la salida del motor, mediante un eje de transmisión que atraviesa la parte baja del vehículo. De la misma manera, el escape recorre el vehículo en la dirección longitudinal, desde la salida del motor hasta su desembocadura en la parte trasera. También se puede observar la colocación del depósito de combustible en la parte trasera del vehículo, justo debajo del espacio destinado a la carga. Figura 26. Disposición del tren de potencia en un vehículo convencional (7) Si se centra el análisis únicamente en la zona delantera del vehículo, lo más habitual es encontrar bajo el capó una distribución similar a la mostrada en la Figura 27. En ella se puede ver un motor de combustión de dos litros bi-turbodiésel con su correspondiente sistema de admisión. Además se pueden observar otros componentes como el sistema de refrigeración o la transmisión. Los componentes mencionados ocupan la mayoría del espacio disponible en el vano motor de un vehículo de combustión. Sin embargo, otros elementos completan el espacio disponible hasta resultar en la acumulación de componentes que se aprecia al levantar el capó de un vehículo convencional. Es el caso del compresor para el aire acondicionado, los depósitos para los distintos líquidos (frenos, refrigerante, limpia parabrisas…), la batería de bajo voltaje, el alternador, etc. INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 49 Figura 27. Componentes principales del frontal de un vehículo de combustión. Frente a la distribución habitual de los vehículos de combustión, en la Figura 28 se esquematizan los principales componentes del tren de potencia del vehículo eléctrico con motores rueda. Como se ha mencionado anteriormente, las diferencias con el vehículo de combustión son notables, ya que se reduce de manera drástica el número de componentes, principalmente en la parte frontal del vehículo. En el modelo en tres dimensiones presentado en el apartado anterior ya se detallaban los componentes necesarios en el vehículo eléctrico y, tanto en ese modelo, como en la Figura 28 es común el espacio disponible en la parte frontal del vehículo. Figura 28. Disposición del tren de potencia en un vehículo eléctrico con motores rueda (7) De acuerdo a lo visto en las figuras y lo comentado acerca de los componentes necesarios en el vehículo eléctrico se encuentran las siguientes diferencias con un vehículo convencional: INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 50 Componentes que se eliminan del frontal del vehículo: ● Motor de combustión interna / Motor de tracción ● Sistema de admisión y escape del motor ● Transmisión (Caja reductora, diferencial, eje de transmisión) ● Alternador / Inversor DC-AC Componentes que se mantienen en el frontal del vehículo: ● Batería de 12 V ● Compresor aire acondicionado / Calentador ● Radiador / Elementos de refrigeración ● Depósitos para refrigerante, limpiaparabrisas y otros fluidos Componentes que se añaden al vehículo (no necesariamente en el frontal): ● Batería de alto voltaje ● Conversor de tensión DC/DC ● Puerto de recarga eléctrica ● Cableado eléctrico de alto voltaje INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 51 5 SOLUCIONES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN VEHÍCULOS ELÉCTRICOS EQUIPADOS CON MOTORES RUEDA 5.1 Introducción La distribución espacial del vehículo con motores rueda ha dado como resultado una zona frontal bastante despejada de componentes. Esto posibilita la introducción de cambios en el chasis que ayuden a proteger a los ocupantes en caso de accidente. En este apartado se exponen tres propuestas para la realización de cambios en el frontal, que han sido extraídas de otros proyectos europeos realizados con anterioridad. 5.2 Problemática actual A pesar de que los nuevos vehículos que se lanzan al mercado cuentan con sistemas de protección de ocupantes cada vez más avanzados, el número de muertes en las carreteras es todavía muy elevado. Como se puede apreciar en la Figura 29 los accidentes de tráfico constituyen la cuarta causa de muerte en los EEUU y, más preocupante, la primera en cuanto a pérdida de años productivos. Para acabar con este problema es necesario invertir grandes esfuerzos en encontrar soluciones novedosas que permitan reducir el número de accidentes, así como mitigar las lesiones de los pasajeros en caso de que el accidente se produzca. Muchos de los elementos introducidos hasta ahora con la finalidad de cumplir los objetivos anteriores ven limitada su utilidad a accidentes concretos, o incluso a la superación de determinados tests de homologación. Figura 29. Principales causas de muerte en EEUU (izq.) y causas de pérdida de años productivos (dcha.) (10) En el apartado 434 se van a proponer algunas soluciones en materia de seguridad pasiva que mejoren la protección de los ocupantes para casos de accidentes frontales. Para ello, se trata de aprovechar las novedades introducidas en la distribución del vehículo eléctrico realizada con el empleo de motores rueda. INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 52 5.3 Nuevas oportunidades derivadas del sistema de propulsión eléctrico Cuando tiene lugar una colisión frontal, bien sea entre dos vehículos o entre un vehículo y un obstáculo, los objetivos principales para proteger adecuadamente a los pasajeros se centran en: ● Disminuir en la mayor medida posible la deceleración sufrida por los ocupantes del vehículo. ● Evitar la deformación del compartimento de conducción, así como la intrusión de elementos exteriores en el mismo. Para el cumplimiento de ambos objetivos se ha de tener en cuenta que, en el momento de colisionar, la energía cinética que posee el vehículo se transforma en energía de deformación. Por ello, para prevenir niveles excesivos de deceleración, toda la distancia de deformación disponible por delante del compartimento de conducción tiene que ser aprovechada. Por ejemplo, en el vehículo mostrado en la Figura 30, la zona pintada en amarillo debería deformarse por completo, para absorber la mayor energía posible y reducir así la deceleración de los ocupantes. Sin embargo, cuando se selecciona una rigidez para los elementos del frontal, solo es posible el cumplimiento de lo anterior para una velocidad de choque determinada. En caso de que el choque se produzca a una velocidad distinta a la prevista en el diseño, los pasajeros pueden sufrir deceleraciones que supongan peligro para su salud. Figura 30. Zonas de deformación en caso de accidente (10) Por su parte, la zona de color azul claro debe poseer una rigidez suficiente para permanecer sin deformarse en caso de producirse una colisión. Es el espacio ocupado por los pasajeros y se debe evitar la intrusión de elementos pertenecientes al chasis en él. La principal ventaja que ofrece la instalación de motores rueda para la mejora de la seguridad es la supresión de numerosos componentes que habitualmente se sitúan en el INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 53 frontal de un vehículo y que no se encuentran optimizados para la absorción de energía. El más importante de estos componentes es el motor, que ocupa un gran volumen pero que, dada su rigidez, apenas absorbe el 20% de la energía producida en una colisión frontal. En la Figura 31 se muestra cómo se reparte la energía de deformación entre los elementos que componen el frontal de un turismo convencional. La mayor absorción de energía, aproximadamente el 50% del total, se produce con la deformación controlada de los perfiles longitudinales inferiores. Dichos perfiles se diseñan para que al ser comprimidos por una fuerza sigan patrones de pliegue que maximicen la energía absorbida. Figura 31. Porcentajes de absorción de energía en la estructura frontal de un vehículo (11) Como se puede observar en la figura anterior, el motor junto con los elementos de la transmisión, solamente absorben en torno al 20 % de la energía total, a pesar de ocupar un volumen aproximado del 40 % del frontal. En la configuración con motores rueda, dada la ausencia del motor en la ubicación central, se puede utilizar este espacio para colocar nuevos perfiles optimizados. Es habitual que los vehículos convencionales pertenecientes a la clase N1 cuenten con chasis constituidos por dos largueros principales y múltiples travesaños sobre los que se sitúan los componentes del tren de potencia. Sin embargo, no suele existir una segunda altura de elementos longitudinales que se deformen en caso de accidente. Tal y como se puede apreciar en la Figura 32, únicamente la carrocería, que se coloca apoyada sobre este chasis, puede ayudar parcialmente en la absorción de energía. INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 60 Las ideas aportadas deberían ser beneficiosas en el caso de colisiones a baja velocidad, colisiones frontales con solapamiento distinto al 100% y en casos de atropellos a peatones. Resultaría necesario el diseño y construcción de un chasis que equipase en conjunto todas las soluciones propuestas para cuantificar la mejora que se puede obtener en cuanto a protección de ocupantes. 6.2 Líneas futuras El principal objetivo a lograr para el futuro sería la implicación de las grandes empresas automovilísticas en el desarrollo de esta tecnología. Se ha demostrado con un ejemplo real que puede ser válida para equipar un vehículo y, además, puede tener beneficios en materia de seguridad. En todo caso, para concretar, entre las posibles líneas a investigar en un futuro se pueden destacar las siguientes: ● Inclusión desde la fase inicial de desarrollo el concepto de los motores rueda, de manera que el diseño del vehículo gire en torno a ellos. Los vehículos equipados hasta ahora con esta tecnología son, en su mayoría, conversiones realizadas por proveedores de estos motores sobre vehículos existentes. ● Estudio del tamaño óptimo para la batería, de acuerdo a las prestaciones buscadas y a factores limitantes como coste y peso. ● Optimización del sistema de suspensión con el objetivo de limitar en la mayor medida posible el efecto del aumento de la masa no suspendida en el comportamiento dinámico del vehículo. ● Realización de un diseño concreto de chasis que aúne las propuestas presentadas en el apartado 4. Para ello, será necesaria la determinación de la rigidez a alcanzar en el mismo, lo que dará lugar a la selección de materiales y a la adecuación de las dimensiones ● Simulación del comportamiento del chasis ante colisiones de distintas tipologías mediante programas de elementos finitos como por ejemplo LS-DYNA o MADYMO para validar los resultados esperados. ● Adaptación del trabajo realizado en este proyecto para un vehículo de la clase N1 a modelos con especificaciones diferentes, especialmente a turismos, ya que son los más abundantes en las carreteras. INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 61 7 BIBLIOGRAFÍA 1. Larminie, James y Lowry, John. Electric Vehicle Technology Explained. : John Wiley & Sons, Ltd, 2003. 2. Rix, Arnold. Design, Comparison and Eperimental Evaluation of Non-Overlap Winding Radial Flux Permanent Magnet Hub Drives for Electric Vehicles. Stellenbosch, 2011. 3. Ehsani, Mehrdad, Gao, Yimin y Emadi, Ali. Modern Electric, Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles: Fundamentals, Theory and Design. : CRC Press. 4. Anderson, Martyn y Harty, Damian. Unsprung Mass with In-Wheel Motors - Myths and Realities. , 2010. 5. Romero Perez, Sergio. Analysis of a Light Permanent Magnet In-wheel Motor for an Electric Vehicle with Autonomous Corner Modules. Estocolmo, 2011. 6. Van Schalkwyk, D.J. y Kamper, M.J. Effect of Hub Motor Mass on Stability and Comfort of Electric Vehicles. 7. Vallance, Andrew. Advanced In-wheel Electric Propulsion Technology. [Presentación] : Protean Electric, Abril 2011. 8. Battery, Charging System. Nissan Leaf Wiki. [En línea] 25 de Septiembre de 2011. http://nissanleafwiki.com/index.php?title=Battery,_Charging_System. 9. Protean, Electric. Protean Electric Company Site. [En línea] 2012. http://www.proteanelectric.com/. 10. Davidsson, Johan. Vehicle Safety & Crashworthiness. [Presentación] Goteborg, Octubre 2011. 11. Witteman, Willibrordus J. Improved Vehicle Crashworthiness Design by Control of the Energy Absorption for Different Collision Situations. Eindhoven, 1999. ISBN 90-386-0880-2. 12. Baselga Ariño, Santiago y Maza Frechín, Mario. Principios Básicos para Cálculo de las Prestaciones del Automóvil. Zaragoza : Copy Center, 2000. ISBN 84-931279-8-1. 13. Guzzella, L. y Amstutz, A. The QSS Toolbox Manual. Junio de 2005. 14. Guzzella, Lino y Sciarretta, Antonio. Vehicle Propulsion Systems. Zürich : Springer, 2005. ISBN 978-3-540-74691-1. 15. Maza Frechín, Mario, Baselga Ariño, Santiago y Ortiz Sanchez-Lafuente, Jesús. Problemas de Diseño de Vehículos. 2004. 16. Maza Frechín, Mario y Baselga Ariño, Santiago. Simulación del Comportamiento Dinámico Vertical de Vehículos. Zaragoza : Copy Center, 2001. ISBN 84-95475-22-7. INTRODUCCIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA LA MEJORA DE LA SEGURIDAD PASIVA EN UN VEHÍCULO COMERCIAL PARA TRANSPORTE URBANO 62 17. Rodríguez Galbarro, Hermenegildo. Clasificación de Categorías y Tipos de Vehículos. : ARATEC Ingeniería. 18. Urban, Peter. Fundamentals of the Structural Design of Motor Vehicles. [Presentacion] Göteborg, Septiembre 2011. 19. —. Applied Structural Design of Motor Vehicles. [Presentación] Göteborg, Septiembre 2011. 20. Chevrolet Volt, Battery. Chevrolet Volt Media Portal. [En línea] http://media.gm.com/content/dam/Media/microsites/product/volt/docs/battery_101.pdf. 21. Berdichevsky, Gene, y otros. The Tesla Roadster Battery System. [Documento] : Tesla Motors, Diciembre 2007. 22. Bovenkerk, J. y Fassbender, S. Strategies for Enhanced Pedestrian and Cyclist Friendly Design. : APROSYS SP2, 2006. 23. Fassbender, S. y Gugler, J. Demonstrator module for new design concepts. : APROSYS SP2, 2008. 24. Feist, F. y Fassbender, S. System Description of the Experimental Safety Module. : APROSYS SP2, 2008. 25. —. Demonstration of Truck Front Design Improvements for Vulnerable Road Users. : APROSYS SP2, 2008.