Carga de baterías para el equipo Rensselaer Formula Hybrid
El equipo Formula Hybrid del Instituto Politécnico Rensselaer utilizó la fuente de alimentación DC programable Serie SL de Magna-Power para el cargador de baterías de iones de litio de próxima generación de su vehículo híbrido.
Aplicación
El equipo Rensselaer Formula Hybrid es un equipo de ingeniería dirigido por estudiantes que opera en el Instituto Politécnico Rensselaer y es patrocinado por este. Compitiendo anualmente en la competencia universitaria internacional Formula Hybrid, RPI Formula Hybrid busca diseñar, construir y correr autos de carreras híbridos de alto rendimiento. A diferencia de muchos de los vehículos híbridos disponibles comercialmente en las carreteras actuales, el diseño de nuestro vehículo utiliza un motor eléctrico de alto voltaje en paralelo con un motor de combustión interna convencional para maximizar el rendimiento dinámico del vehículo en un entorno de carreras. Si bien nuestro vehículo híbrido se asemeja en apariencia a un auto Formula SAE, requiere un diseño adicional extenso en el tren motriz, la batería y los sistemas de seguridad. El desafío de integrar sistemas mecánicos, eléctricos e informáticos complejos es lo que atrae a la mayoría de nuestros miembros al equipo. Creemos que desafíos de ingeniería como este son una de las mejores formas para que jóvenes ingenieros, gerentes de proyectos y carreras afines se preparen para la naturaleza interdisciplinaria de los proyectos del mundo real.
Las iteraciones recientes de nuestro vehículo han presentado muchas características en común. El vehículo utiliza un chasis de acero hueco de aleación de cromo-molibdeno 4130 diseñado y soldado internamente. Integrado estrechamente en el chasis se encuentra un sistema de suspensión independiente de doble brazo de control. Los enlaces mecánicos de levas, tirantes y amortiguadores nos permiten controlar con precisión el perfil del recorrido de la suspensión. Un motor de una Kawasaki Ninja 250r y un motor eléctrico DC de escobillas AGNI 95r se conectan en paralelo mediante cadenas a los piñones del diferencial trasero. La minimización del peso y las consideraciones del centro de gravedad son fundamentales para reducir los efectos negativos en el rendimiento del vehículo. Con esto en mente, la integración cuidadosa del sistema de baterías de alto voltaje (o acumulador eléctrico) se convierte en un elemento crucial del diseño general del vehículo. Nuestro acumulador está ubicado debajo del cortafuegos de la cabina, en el punto más bajo y central del auto. Compuesto por 440 celdas de iones de litio 18650 de alta descarga, y monitoreado por un sistema informático de gestión de acumuladores diseñado por el equipo, el acumulador representa verdaderamente uno de los sistemas más complejos del auto. Desde el acumulador, el conducto de cable de alta corriente se dirige a un controlador de motor montado en la parte trasera que luego alimenta directamente el motor eléctrico. Monitoreando sensores en ubicaciones por todo el auto, un PLC implementa la lógica de control de nivel superior para las funciones del vehículo.
¡Necesitamos Más Potencia!
Si bien el equipo utiliza un paquete de baterías construido a medida, nuestra solución de carga anterior estaba compuesta por una variedad de productos disponibles comercialmente. Esta solución de carga era menos que óptima. El cargador anterior estaba formado por dos fuentes de alimentación de voltaje DC fijo que se conectaban en serie para alcanzar 80 Vdc. Dado que cada fuente siempre producía 40 Vdc, no había una buena manera de controlar a qué corriente o voltaje estábamos cargando. También tuvimos que crear un sistema complicado de conmutación cuando las fuentes estaban cargando las baterías para cumplir con las reglas. Para monitorear el estado de carga de las baterías, utilizamos algunos multímetros portátiles para monitorear voltaje y corriente. Esto nos permitía aproximar cuándo detener la carga, ya que no había retroalimentación del acumulador al cargador. Las fuentes tampoco eran montables en rack, por lo que tuvimos que construir una carcasa personalizada para facilitar el transporte a nuestra competencia. A pesar de sus limitaciones, este sistema fue satisfactorio durante varios años. Esto cambió en la competencia de 2013, cuando una fuente explotó debido a un problema indeterminado. Este incidente nos envió en la búsqueda de una nueva fuente que satisficiera mejor las necesidades de nuestra aplicación. Queríamos algo que pudiera transportarse y montarse fácilmente. También tenía que ser fácil de interconectar y mínimamente complicado de integrar en nuestro sistema existente.
La Próxima Generación
Afortunadamente, Magna-Power Electronics vino al rescate con una fuente de alimentación programable Serie SL donada. La Serie SL era exactamente lo que habíamos estado buscando. La unidad de 1.5 kW soporta entrada universal, por lo que podemos operar nuestro cargador en la pista o en el taller sin tener que preocuparnos por encontrar 220 Vac. Además, nos resulta muy intuitivo integrarla con una unidad PLC comercial estándar. Esto nos permite utilizar perfiles de carga más complejos (ver ejemplo en la figura 1), ya que las celdas de iones de litio requieren curvas de carga especiales para facilitar una carga segura. Esto no era posible con el cargador anterior, ya que no teníamos control sobre la corriente o el voltaje que las fuentes de alimentación producían. En la nueva configuración podemos ajustar con precisión la corriente a la que cargamos las celdas, así como el voltaje al que elegimos saturar.
El soporte de Magna-Power también fue excelente cuando tuvimos preguntas sobre la integración. Cuando el equipo necesitó certificados de calibración en la competencia, una llamada al soporte de Magna-Power nos los hizo llegar en 10 minutos. Del mismo modo, dado que ahora controlamos nuestra fuente de alimentación con un PLC, podemos hacer que el cargador consulte al auto para obtener información sobre si realmente se requiere una carga y si es seguro hacerlo. También reduce la corriente de carga si las baterías comienzan a calentarse, aumentando así la seguridad y la vida útil esperada de las celdas. Lo más importante es que, dado que el acumulador y el cargador están constantemente en comunicación, la operación de carga puede detenerse automáticamente sin intervención del usuario. Esto libera a los miembros del equipo para trabajar en otras tareas importantes. La capacidad de montar la fuente en rack también ha facilitado significativamente el transporte y lo ha hecho más robusto, ya que todo está contenido dentro de un rack.
Conclusión
El equipo se ha beneficiado enormemente al cambiar a la fuente Magna-Power SL. Más que nada, nos ayudó a darnos cuenta de lo inadecuada que era nuestra solución de carga anterior, y las nuevas posibilidades que una fuente programable puede ofrecer. Gracias a las características integradas en nuestra nueva fuente, todo nuestro vehículo ahora puede beneficiarse de las ventajas de la carga inteligente y la comunicación en tiempo real. También hemos visto un aumento en la seguridad y la confiabilidad. Lo más importante es que saber que tenemos la flexibilidad de expandir nuestras capacidades de carga sin invertir en una solución de carga completamente nueva nos da confianza en que puede seguir satisfaciendo nuestras necesidades en el futuro.
Kyle Pollard es un estudiante de último año de ingeniería mecánica en el Instituto Politécnico Rensselaer. Ha ocupado el cargo de ingeniero jefe del equipo Formula Hybrid durante los últimos tres años. Sus áreas de interés incluyen el diseño de sistemas de baterías y la mecatrónica.
Szymon Morawski es un estudiante de último año de sistemas informáticos en el Instituto Politécnico Rensselaer. Ha estado involucrado con el equipo Formula Hybrid durante los últimos cuatro años. Szymon ha realizado múltiples pasantías de ingeniería con Magna-Power, y espera continuar su trabajo en programación de sistemas embebidos después de graduarse.