introducción
El diseño de vehículos es un ámbito muy complejo ya que involucra muchos atributos, como: espacio interior, desempeño dinámico, seguridad activa y pasiva, conectividad, etc. Los mismos principios se aplican tanto a los vehículos eléctricos como a los vehículos convencionales (con motores de combustión interna). diseño.
En una serie de artículos nos centraremos en el diseño de alto nivel de una unidad de propulsión y un paquete de baterías de vehículos eléctricos. Se pueden aplicar los mismos métodos de cálculo tanto si diseñamos un vehículo eléctrico desde cero como si hacemos una conversión de un vehículo convencional.
El artículo actual es una introducción, siendo el contenido completo:
- Diseño de vehículos eléctricos: introducción
- Diseño de vehículos eléctricos: consumo de energía
- Diseño de vehículos eléctricos: batería
- Diseño de vehículos eléctricos: motores eléctricos
- Diseño de vehículos eléctricos: gestión de modos
- Diseño de vehículos eléctricos: sistemas y componentes de vehículos
- Diseño de vehículos eléctricos: modelo de simulación
- Diseño de vehículos eléctricos: resultados de simulación y evaluación
Análisis del mercado de vehículos eléctricos
El punto de partida en el diseño de un vehículo eléctrico son los parámetros de rendimiento. En nuestro caso nos vamos a centrar en:
- velocidad máxima
- Tiempo de aceleración de 0 a 100 km/h
- rango
Para encontrar los parámetros adecuados, podemos estudiar el mercado actual de vehículos eléctricos y también algunos datos estadísticos. En la siguiente tabla puedes encontrar una lista de algunos vehículos eléctricos y sus principales parámetros.
| Vehículo | Rango [km] | Batería Tipo | Batería capacidad [kWh] | Batería Voltaje [V] | Motor máx. Fuerza [kW] | Motor máx. Esfuerzo de torsión [Nm] | Motor Tipo | Arriba Velocidad [kph] | Tiempo 0-100 kilómetros por hora [s] |
| BMW i3 | 257 | iones de litio | 42.2 | 360 | 127 | 250 | PM Sincronización. | 150 | 7.3 |
| mitsubishi yo-miev | 160 | iones de litio | dieciséis | 330 | 49 | 196 | PM Sincronización. | 130 | 12.1 |
| kia Alma EV | 249 | iones de litio | 30 | 375 | 81,4 | 285 | PM Sincronización. | 145 | 11 |
| Nissan Hoja | 273 | iones de litio | 40 | 350 | 110 | 320 | C.A. Sincronización. | 146 | 7.9 |
| Renault Zoé | 303 | iones de litio | 41 | 400 | 80 | 225 | C.A. Sincronización. | 137 | 11.4 |
| tesla Modelo S 75D | 375 | iones de litio | 75 | 350 | 305 | 525 | C.A. Sincronización. | 228 | 4.2 |
*Sincronización. (Sincrónico)
Fuente: bmw.co.uk, mitsubishi-cars.co.uk, kia.co.uk, media.nissan.eu, renault.co.uk, teslamotors.com
Nota: Es posible que los datos de la tabla no estén actualizados ya que los fabricantes de vehículos lanzan nuevos modelos con diferentes parámetros
De los modelos de vehículos resumidos en la tabla podemos extraer algunas tendencias en el diseño de vehículos eléctricos:
- química de la batería: Iones de litio (Li-ion)
- tipo de motor eléctrico: PM o AC/Inducción síncrono
- rango: por encima de 200 kilómetros
En cuanto a los vehículos eléctricos, los estudios gubernamentales también son una buena fuente para las distancias de los desplazamientos diarios. Dependiendo del país, el desplazamiento promedio diario puede variar entre 11 millas en el Reino Unido y 40 millas en los EE. UU.
Imagen: Distancia media de los viajes diarios al trabajo en millas, por modo principal (1988 – 2015)
Crédito: Departamento de Transporte del Reino Unido
Si, por ejemplo, queremos diseñar un vehículo eléctrico que pueda soportar una semana de desplazamiento en Estados Unidos, sin ningún tipo de carga, su autonomía debería ser de unas 430 millas.
Conversión de vehículos eléctricos
En nuestro caso nos vamos a centrar en el conversión de un coche deportivo con motor de combustión interna en un vehículo totalmente eléctrico. El modelo elegido será 16MY Jaguar tipo Fcon los principales parámetros definidos en la siguiente tabla:
| Motor | V6 DOHC V6 de 3 litros, aleación de aluminio bloque de cilindros y culatas | |
| Tuerca maxima [Nm] | 450 | |
| Velocidad del motor @ par máximo [rpm] | 3500 | |
| Poder maximo [HP] | 340 | |
| Velocidad del motor a potencia máxima [rpm] | 6500 | |
| Tipo de transmisión | automático, ZF8HP, tracción trasera | |
| Relación de transmisión | 1calle | 4.71 |
| 2Dakota del Norte | 3.14 | |
| 3tercero | 2.11 | |
| 4th | 1,67 | |
| 5th | 1.29 | |
| 6th | 1.00 | |
| 7th | 0,84 | |
| 8th | 0,67 | |
| Mando final (yo0) | 3.31 | |
| Símbolo de neumático | 295/30ZR-20 | |
| Masa del vehículo (en bordillo) [kg] | 1741 | |
| Resistencia aerodinámica, Cd [-] | 0,36 | |
| zona frontal, A [m2] | 2.42 | |
| Velocidad máxima [kph] | 260 | |
| Tiempo de aceleración 0-100 km/h [s] | 5.3 | |
A partir de los datos disponibles online, también podemos extraer los valores del par estático del motor a plena carga, en función del régimen del motor:
| Puntos de velocidad del motor (carga completa) [rpm] | 1000 | 2020 | 2990 | 3500 | 5000 | 6500 |
| Puntos de par estático del motor (carga completa) [Nm] | 306 | 385 | 439 | 450 | 450 | 367 |
El par y la potencia del motor a plena carga se muestran en la siguiente imagen:
Imagen: Jaguar F-type V6 DOHC V6 de 3 litros, par y potencia a plena carga
El alto nivel de exigencia del vehículo eléctrico es tener el mismo (o mejor) rendimiento dinámico en comparación con la versión con motor de combustión interna.
Con base en el análisis del mercado actual de vehículos eléctricos y los parámetros de rendimiento del vehículo base (motor de combustión interna), en la siguiente tabla resumiremos los Requisitos de alto nivel para nuestra conversión de vehículos eléctricos..
| Batería | Voltaje nominal [V] | 400 |
| Química | Iones de litio | |
| Tren motriz | Tipo de motor eléctrico | PM sincrónico |
| Vehículo | Rango [km] | 250 |
| Velocidad máxima [kph] | 260 | |
| Tiempo 0-100 kilómetros por hora [s] | 5.3 | |
| Peso en vacío [kg] | 1741 |
Para conseguir las prestaciones requeridas, el vehículo eléctrico será de tracción total (AWD), con una unidad motriz en cada eje. El Unidad de manejo Contendrá la electrónica de potencia (inverter), motor eléctrico, transmisión (piñón fijo) con elemento de desacoplamiento (embrague/embrague de garras) y diferencial.
Imagen: Diseño del tren motriz de conversión EV
Cálculo de la fuerza de tracción
Un requisito clave de la conversión de nuestro vehículo eléctrico de batería es alcanzar los 100 km/h desde parado en 5,3 segundos. A partir de este requisito, conociendo el peso del vehículo, podemos calcular cuál es la fuerza de tracción y el par total. Además, podemos comprobar si la fricción de la rueda (neumático) puede soportar la fuerza de tracción requerida.
Los datos de entrada en nuestro cálculo son:
- Peso total del vehículo (peso en vacío del vehículo x factor de masa + peso del conductor): 1908 kilos
- velocidad inicial del vehículo: 0 kilómetros por hora
- velocidad final del vehículo: 100 kilómetros por hora
- hora inicial del vehículo: 0 s
- hora final del vehículo: 5,3 segundos
- radio del neumático: 0,33565m
- coeficiente de fricción del neumático: 1.0
- aceleración gravitacional: 9,81 m/s2
Según la segunda ley del movimiento de Newton:
De (1) podemos escribir la ecuación de la fuerza de tracción requerida como:
Dónde:
Ft [N] – tracción total fuerza
mv [kg] – masa total del vehículo
vF [m/s] – velocidad final
vi [m/s]- velocidad inicial
tF [s] – tiempo final
ti [s] – tiempo inicial
Reemplazando los datos de entrada en la ecuación (2), se obtiene la fuerza de tracción total necesaria para alcanzar 0-100 km/h en 5,3 s:
El par de tracción total requerido se puede calcular como:
Dónde:
Tt [N] – par de tracción total
rw [m] – radio de la rueda
Reemplazando los datos de entrada en la ecuación (3), se obtiene el par de tracción total requerido para alcanzar 0-100 km/h en 5,3 s:
En términos de fricción, podemos calcular la fuerza de fricción disponible como:
Dónde:
Ff [N] – fuerza de fricción
Gv [N] – peso del vehículo
g [m/s2] – aceleración gravitacional
µf [-] – coeficiente de fricción (rueda-carretera)
Reemplazando los datos de entrada en la ecuación (4), se obtiene la fuerza de fricción disponible:
Dado que la fuerza de fricción disponible es mayor que la fuerza de tracción total, suponiendo que no hay deslizamiento entre las ruedas y la carretera, la fuerza de tracción total se puede aplicar a las ruedas para lograr el tiempo de aceleración de 0 a 100 km/h.
En el próximo artículo nos centraremos en el consumo energético del vehículo durante un ciclo de homologación estándar. Esto servirá como base para el diseño de alto nivel de la batería.
