Evaluación del consumo de energía en minibús eléctrico

El Laboratorio de Evaluación de Tecnologías Vehiculares (LETEV) es un proyecto del Instituto de Ingeniería de la UNAM financiado por la Secretaría de Educación, Ciencia, Tecnología e Innovación de la Ciudad de México (SECTEI) en el que se busca, entre otras cosas, determinar la demanda energética de vehículos con trenes motrices híbridos y eléctricos bajo condiciones reales de manejo en la CDMX.

Para tal fin, se planteó la realización de pruebas de campo sobre vehículos comerciales y prototipos, de tal manera que los datos recabados conformen una base de datos específica para ciclos de manejo propios de la CDMX.

Pruebas piloto en minibús eléctrico

Durante los primeros meses del 2022, se observó la necesidad de instrumentar e instalar un sistema de adquisición de datos portátil al interior de un minibús eléctrico utilizado por el sistema de transporte “METROBÚS”. Como resultado de esto, se propuso un sistema SIRIUS-R2DB ya que cumple con la autonomía necesaria para realizar este tipo de pruebas.

Al interior del minibús se emplearon sensores de voltaje y corriente combinados con la señal del módulo de geoposicionamiento “GPS” para el registro de datos instantáneos de las variables asociadas a los recorridos del vehículo, dando especial énfasis a la medición del voltaje y la corriente demandados al banco de baterías. El vehículo eléctrico en el que las pruebas fueron desempeñadas se observa en la Fig. 1.

¿Por qué Dewesoft? 

Para cubrir las necesidades de prueba, resultaba imprescindible emplear un sistema comletamente autonomo que no dependa de una toma de corriente para funcionar. Otro factor decisivo reside en la capacidad de dicho sistema para poder observar en tiempo real las gráficas generadas de la adquisición, tener velocidad de adquisición de datos de hasta 1 MS/s. Finalmente, se evaluaría la capacidad del sistema para obtener la posición del mininus con la finalidad de comparar la posición del mismo con las mediciones correspondientes de tensión y corriente consumidas.  

Dichas características fueron cubiertas con un sistema SIRIUS-R2DB system con una tarjeta SIRIUSir-HS-8xLV y una SIRIUS-AMP-2xHS-HV-2xHS-STG+-DUAL. SIRIUS-R2DB es un sistema compacto de adquisición de datos móvil con un registrador de datos incorporado, una potente computadora de procesamiento de datos, pantalla táctil, mouse, teclado y baterías internas para un trabajo autonomo.

Además, el LETEV  empleo la solución Análisis de Potencia de Dewesoft para facilitar el análisis de los datos obtenidos y lograr definir la capacidad del banco de baterías con relación a la velocidad, distancia y capacidad de carga del minibús. Esta puede ser empleada, entre otras muchas cosas, para el desarrollo de baterías (análisis de eficiencia, caracterización de células, pruebas de resistencia, pruebas de choque, análisis de cortocircuito, pruebas de sobrecalentamiento / sobrecarga, pruebas de envejecimiento, etc.), así como para aplicaciones de monitoreo (registro de datos, registro transitorio, análisis de carga y descarga, etc.).  

Hay muchos parámetros que pueden influir en el consumo de energía de los vehículos eléctricos. Estos parámetros pueden ser parámetros ambientales como la temperatura, el clima, la calidad de la carretera o diferentes situaciones de manejo (cuesta arriba, cuesta abajo, ciudad, tierra o unidades combinadas) o también diferentes conductores. El Analizador de Potencia de Dewesoft permite hacer análisis de energía teniendo en cuenta todos estos parámetros durante las pruebas de manejo.

Lista de componentes utilizados para la medición

• SIRIUS-R2DB con una tarjeta SIRIUSir-HS-8xLV y una SIRIUS-AMP-2xHS-HV-2xHS-STG+-DUAL

• Pinzas ampérimetricas de efecto Hall, DS-CLAMP-1800DC

• Antena/receptor GPS de 10 Hz con pps y protocolo NMEA, DS-GPS-SYNC-10Hz

Características del MiniBus

El minibús eléctrico empleado durante los recorridos fue el modelo Jest de la empresa turca Karsan. El Jest Electrico obtiene su potencia de un motor BMW 100 % eléctrico que ofrece un elevado rendimiento en la aceleración. El minibús cuenta con baterías de ion-litio BMW y la tecnología de carga también de BMW. 

El minibús eléctrico Karsan cuenta con 10 asientos fijos y dos asientos plegables, como se muestra en la Fig.2. En carga máxima se considera que 10 pasajeros viajan de pie.

Las pruebas

La metodología empleada para la elaboración de las pruebas fue la siguiente:

• Definir la(s) ruta(s) de interés.

• Llevar a cabo al menos tres recorridos instrumentados sobre la(s) línea(s) de interés por cada condición de carga. Se evaluaron los casos extremos, es decir, recorrido sin pasajeros y recorrido a capacidad máxima del vehículo.

• Realizar el procesamiento y análisis de datos.

• Cuantificar el consumo energético de las unidades de transporte.

La ruta 4 del sistema de transporte METROBÚS fue seleccionada para llevar a cabo los recorridos de evaluación. La trayectoria inició en el CETRAM Pantitlán, llegando a la estación Hidalgo, ubicada a un costado de la alameda central de la Ciudad de México y retornando al punto de partida. La trayectoria seguida durante la realización de los recorridos de evaluación se identifica con la línea en color amarillo en la vista satelital de la Fig.3 y se estima que el promedio de la distancia recorrida es de 19.3 km por tramo.

Las características de las pruebas realizadas en el minibús eléctrico se pueden apreciar en la siguiente tabla:

En la figura 4 se observa la instalación del equipo adquisidor de datos al interior del vehículo eléctrico, los sensores de corriente instalados sobre las líneas de energía del banco de baterías y el clúster de instrumentos del vehículo.

Como se mensionó en la Tabla 2, seis de las nueve pruebas se realizaron con un lastre estático. El acomodo de las baterías ácido-plomo que fueron empleadas para dicho fin se muestra en la Figura 5.

Las figuras 6, 7 y 8 son ejemplos de datos instantáneos de velocidad, recopilados durante las pruebas en el vehículo eléctrico. Estos datos fueron procesados estadísticamente para obtener un mapa de manejo de cada trayectoria y realizar simulaciones de distintas configuraciones de vehículos.

Adicionalmente, en las Figuras 9, 10, y 11 se muestra el voltaje de operación del minibús eléctrico durante recorridos en tres distintas situaciones de manejo sobre la línea 4 del sistema de transporte MB. 

Resultados

El LETEV realizó tres tipos de pruebas distintas; en la primera, el minibús se condujo sin gobernador de velocidad y con la cantidad de personas mínima necesaria para el desarrollo de las pruebas (cuatro pasajeros y el operador). En el segundo tipo de experimentos, se emplearon alrededor de 45 baterías ácido-plomo que fungieron como lastre estático; la velocidad permaneció sin ser limitada. El tercer tipo de recorridos se realizó con la velocidad máxima del minibús eléctrico gobernada a 50 Km/h. 

Se realizaron tres eventos para cada tipo de prueba propuesta, obteniendo así un total de nueve recorridos sobre la línea 4 del sistema de transporte “METROBÚS”. 

La gráfica mostrada en la Fig.12 presenta un ejemplo de la potencia instantánea registrada durante los recorridos sobre la línea 4 del MB; el color rojo indica cuando la potencia es demandada por el motor eléctrico, mientras el color verde representa los momentos de actividad del sistema de regeneración.

Los resultados promedio obtenidos del procesamiento de las nueve pruebas ejecutadas pueden ser consultados en la Tabla 3; el consumo diario proyectado se obtuvo al considerar la distancia equivalente a 14.23 recorridos por día y el consumo específico registrado en el vehículo.

Conclusiones

A partir de los recorridos experimentales desarrollados en la línea 4 del sistema de transporte “METROBÚS” de la Ciudad de México, se puede mencionar que:

• Los recorridos de evaluación tuvieron una duración promedio de 84.33 min.

• La distancia media recorrida por trayecto es de 19.3 Km.

• Al considerar un tiempo de operación diario de 20 horas, el consumo proyectado por unidad es 91.76 kWh; sabiendo que la energía utilizable del banco de baterías es 79.2 kWh (90% de 88 kWh), será necesario incrementar la autonomía del vehículo seleccionado para operar en la ruta del sistema de transporte, o bien, establecer una logística adecuada para recargar las unidades durante los periodos de operación.

• Para lograr obtener un valor representativo de la autonomía de un vehículo resulta fundamental la obtención de valores instantáneos de velocidad, voltaje, corriente, etc. Contar con un sistema portátil de adquisición de datos de fácil configuración, como el SIRIUS de DEWESOFT, facilitó el desarrollo de las pruebas experimentales.

• Los datos recopilados durante los recorridos permitieron la obtención de un “ciclo de manejo” característico de la línea 4 norte del sistema de transporte “METROBÚS” de la CDMX; dicha información fue ingresada al sistema de simulación AVL CRUISE M, buscando predecir el consumo energético de unidades de mayores dimensiones. Los resultados obtenidos brindaron herramientas para una mejor selección de las unidades eléctricas que se incorporarán al sistema de transporte. Derivado de esto, se logró predecir que la demanda de potencia requerida para unidades de mayores dimensiones era menor a la que se sugerida por el fabricante y, logrando así, una reducción considerable de costos. 

Trabajo futuro

Existe un aumento continuo y rápido en la adopción de vehículos eléctricos (EV) en muchos países debido a la reducción de los precios, los incentivos y subsidios gubernamentales; así como por la necesidad de independencia energética y problemas ambientales. Se espera que los vehículos eléctricos predominen en el mercado de automóviles privados en pocos años. 

Estos vehículos eléctricos cargarán sus baterías desde la red eléctrica y podrán causar efectos graves si no se manejan adecuadamente. Por otro lado, podrían proporcionar muchos beneficios a la red eléctrica y obtener ingresos para los propietarios si se gestionan debidamente.

En futuras etapas de operación del “Laboratorio de Evaluación de Tecnologías vehiculares” (LETEV) se realizará una revisión de los posibles impactos negativos de la carga de los vehículos eléctricos en los sistemas de energía eléctrica, principalmente debido a la carga descontrolada y cómo mediante la carga y descarga controladas, esos impactos pueden reducirse

Para ello se utilizarán los adquisidores de datos y sensores de DEWESOFT durante pruebas de campo que permitan cuantificar:

• los impactos de la carga no controlada de vehículos eléctricos en el aumento de la demanda pico,

• desviación de voltaje de los límites aceptables,

• desequilibrio de fase debido a los cargadores monofásicos,

• distorsión armónica,

• sobrecarga de los equipos del sistema de potencia, y

• aumento de las pérdidas de potencia 

Agradecimientos a

• A la secretaría de Educación, Ciencia, Tecnología e Innovación de la Ciudad de México 

• Al sistema de transporte de la Ciudad de México “METROBÚS”

• A los colaboradores del Laboratorio de Evaluación de Tecnologías Vehiculares “LETEV”