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ICEM’16. Rotor of Synchronous Reluctance Motor optimization by means reluctance network and genetic algorithm

Pruebas en sistemas de tracción eléctrica para motocicletas. Análisis y caso de estudio en la ciudad de Cuenca

MCIA Centro de Investigación UPC, ERGON Centro de Investigación Escuela de

Ingeniería Mecánica Automotriz

Universidad Del Azuay

Efrén Fernández Palomeque

ICEM’16. Rotor of Synchronous Reluctance Motor optimization by means reluctance network and genetic algorithm 2

1. Introducción.

2. Problemática

3. Sistema de Tracción para Motocicleta

4. Implementación de Prototipo

5. Resultados Obtenidos

6. Futuros Trabajos

7. Conclusiones

Agenda


Introducción

➢ La movilidad eléctrica es un concepto que nace a partir de la búsqueda de

sistemas de transportes empleando combustibles alternativos o energía

limpia.

➢ El uso de vehículos eléctricos va tomando protagonismo en el mundo en

el Ecuador se nota su presencia y varios estudios has sido desarrollados

por centros de investigación.

➢ El presente proyecto presenta un diseño he implementación de una

motocicleta eléctrica con el propósito analizar su comportamiento y

contribuir con una movilidad más rápida, segura y económica.


2. Problemática

En el Ecuador y especial en la Ciudad de Cuenca, el parque automotor ha crecido

considerablemente en los últimos años.


3. Sistemas de Tracción Eléctrica para Motocicleta

⚫ El accionamiento de un motor eléctrico trifásico que está adaptado a un

sistema de transmisión en la rueda trasera para mover la motocicleta.

⚫ Batería de 48V de corriente directa que alimenta un convertidor que

transforma de DC/AC para suministrar corriente al motor eléctrico en

función de la posición del acelerador.

PMSMInversor

Batería

BMS Rueda



Batería de media Tensión

Constituida de 84 celdas de iones-litio (LI-on).

Incorpora una unidad de control denominado sistema de gestión de la

batería (BMS).

La función de esta unidad BMS es supervisar el voltaje y la temperatura de

una pack de 7 celdas. Para este control se utilizan sensores de temperatura

tipo NTC y comparadores para el voltaje



⚫ Convertidor DC-AC

⚫ Este dispositivo permite transformar el voltaje DC de la batería de media

tensión y transformarlo a voltaje trifásico.

⚫ La topología de convertidor más utilizada para este tipo de aplicación es

el convertidor con fuente de voltaje VSI.

⚫ Dispositivos Mosfet o IGBT´s.

CVdc

T1 T3 T5

T2 T4 T6

PMSM



Motor Eléctrico

⚫ Son motores síncronos de imanes permanentes (PMSM).

⚫ Se utilizan este tipo de motores por la alta eficiencia, reducción de

pérdidas y por la facilidad de control con diferentes técnicas


4. Implementación de Prototipo.

⚫ Dos Etapas

1. EtapaDiseño del Control del

Motor

2. EtapaDiseño del bastidor y

sistemas complementarios

Desarrollo de simulaciones en Matlab-Simulink

Utilización de CNC, Convertidor DC/DC y sistema

Frenos



⚫ Etapa 1

PI

αβ

ABC

Sensor de velocidad

ω

VSI

SVM

Id

Iq

Control de Velocidad

Iqref

Idref +

-

+-

θ

Ia

Ib

PI

PI

dq

ABC

Ic

Vsd

VsqWref

SMPMSM



⚫ Etapa 1



⚫ Etapa 1

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

Ia

ib

ic

0.05 0.1 0.15 0.2 0.250

5

10

15

20

25

30

35

Torque

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

Velocidad

Referencia



⚫ Etapa 2



⚫ Prototipo Final


5. Resultados


5. Resultados

Recorrido de 3.2 km con un consumo aproximado del 8% de la batería la cual

fue cargada totalmente antes de realizar la prueba. El recorrido fue realizado a

una velocidad promedio de 30-40 km/h en 5.48 minutos


5. Resultados

Un segundo viajes cubre una distancia de 25.4 km con un consumo de la

batería del 75% con un carga máxima previamente realizada y a una velocidad

promedio de 30 km/h en un tiempo de 33 minutos


5. Resultados

Se participo en el Smart Moto Challenge 2014 en Barcelona España.


5. Resultados

Invitados Smart Moto Challenge 2016 en Barcelona España Edakar.

Maximum speed 91.26 km/hMaximum acceleration 1.48 m/s2

Average Speed 54.5 km/hLife in years 4 yearsAutonomy 148 km

Efficiency 38.92 Wh/kmAverage distance per day 380.54 kmMotorcycle Chassis Diamond frameMotor type Electric BL-DCAlimentation 48VPower rate 10kWPower peak 20kWMaximum torque 29.2 N.m

Transmission 5-speedClutch Wet MultidiscWeight (battery included) 164 kg


5. Resultados

Proyectos Actuales.

⚫Aceleración de 0-100km/h en 8.3 seg

⚫Peso bruto: 146 kg

⚫Torque máximo: 160 Nm

⚫Potencia: 95 cv

⚫Batería: 11,7 kWh.


5. Resultados

Optimización Topológica.

⚫Modelo optimizado:

⚫-Prestaciones mecánicas similares al modelo

original

⚫-Reducción del 43% de peso.

⚫-Incremento de eficiencia y rendimiento de la

motocicleta; reducción de costos de manufactura.

⚫Resultados del proceso de

optimización topológica

⚫Obj: Reducción de volumen

⚫Restr: Límite de cedencia del

material, mantener la rigidez

torsional


6. Futuros Trabajos

Se esta trabajando en la optimización del sistema de tracción.

Trabaja en la parte del convertidor con el uso de dispositivos SiC


6. Futuros Trabajos

SiC

On

Current

Pérdidas por Conducción más pequeñas

Pérdidas por Conmutación más pequeñas

SiC

Off


7. Conclusiones

⚫ El prototipo contribuye con el cuidado del medio ambiente y facilita la movilidad

urbana en la ciudad de Cuenca.

⚫ Los resultados de las simulaciones del control y su validación dentro del prototipo

indican que el desarrollo es eficiente.

⚫ Los resultados obtenidos a nivel internacional demuestran que el desarrollo local

a nivel de investigación e implementación de estos prototipos cumplen con todas

las normativas y generan expectativas para futuras implementaciones masivas.

⚫ La técnica de control FOC para la topología presentada es la que más se adapta al

sistema de tracción propuesto, se considera además una de las técnicas más

implementadas a nivel de fabricantes e investigación.


8. Publicaciones

Congresos

Comparative Analysis of Control Techniques in Drive Systems for Electric Motorcycle. VI IEEE

IYCE (Budapest-Hungría)- 2016

Diseño e Implementación de un Prototipo de Motocicleta Eléctrica, para Movilidad de

Estudiantes. SAAEI 10 Congreso de Automática Española Elche-España 2016

Implementation of Electric Motorcycle Case of Study: Cuenca-Ecuador. CONIIT Bogota

Colombia 2017

Dispositivos SiC en Sistemas de Tracción Eléctrica, Análisis de Eficiencia en Inversores

Trifásicos. Andescon Cali Colombia 2018

Revistas

Analysis of Traction System in Electric Motorcycles for Improvement of Urban Mobility in the

City of Cuenca-Ecuador IEEE LATIN AMERICA TRANSACTION (En revisión)


Efrén Fernández P

[email protected]

[email protected]

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