Diseño e implementación de freno regenerativo para motor de corriente continua sin escobillas con amanes permanentes para moto eléctrica

Abstract

Actualmente existe un marcado interés en la electromovilidad como solución masiva y costo-efectiva para el transporte, motivada principalmente por la escasez de combustible, la problemática medioambiental con el cambio climático y las cada vez mejores prestaciones de los vehículos eléctricos. Esta memoria se enmarca dentro del proyecto Motochi-E, que pretende rescatar patrimonio industrial chileno rediseñando una motocicleta fabricada en Chile en los años 70. En este trabajo, se busca diseñar e implementar un controlador económico que permita a la Motochi-E usar freno regenerativo, mejorando la eficiencia energética, la autonomía y el consumo.

En la primera etapa del trabajo, se revisa el estado del arte en electromovilidad, iniciando con una breve historia de los vehículos eléctricos para luego pasar a la estructura general de un vehículo eléctrico, incluyendo el sistema de acumulación, el sistema de propulsión, los conversores de potencia y las estrategias de control. Se profundiza en el modelo, en las estrategias de control y en las posibilidades que brindan los motores PMBLDC, así como también revisar estrategias de frenado regenerativo en base a los componentes disponibles.

En una segunda etapa, se propone una estrategia de frenado regenerativo que aprovecha la topología típica de control de cualquier vehículo eléctrico con conmutación electrónica. Esta estrategia es validada mediante simulaciones en Simulink, que confirman lo esperado de forma teórica. Luego de esto, se propone el conjunto de componentes que se necesitan para ejecutar la estrategia simulada y se diseñan los circuitos necesarios para su integración. En base a esta propuesta, se diseña y fabrica una PCB, la cual es capaz de ejecutar todas las operaciones necesarias para controlar el motor y realizar la estrategia de frenado.

Como resultado, se obtiene un conversor de potencia capaz de implementar y probar, no sólo la estrategia de control y frenado propuesta en este trabajo, sino que cualquier otro desarrollo de estrategia de control para una gran variedad de sistemas de tracción. Puede controlar cualquier motor que utilice conmutación electrónica trifásica, con voltaje de entrada entre 16 y 160 V —compatible con acumuladores de energía con voltajes nominales entre 24 y 110 V— y corrientes de hasta 75 A, con lo que puede de manejar motores de hasta 8 kW.

Finalmente, se realizan pruebas de laboratorio tanto de la operación como motor como la de freno regenerativo. Se mostró la presencia de regeneración durante el frenado, obteniéndose una eficiencia de regeneración µ = 23,47%, con lo que se validan tanto los algoritmos propuestos como el hardware controlador. Este mismo se reconoce como una herramienta que puede abrir varias opciones de investigación, como son: desarrollo y prueba de nuevas estrategias de control, integración de tecnologías V2G, IoT u funcionalidades smart, por destacar algunas.