Revista Nexos Científicos ISSN: 2773-7489
Enero – Junio 2018 pp. 1-7 Correo: editor@istvidanueva.edu.ec
Volumen 2, Número 1 URL: http://nexoscientificos.vidanueva.edu.ec/index.php/ojs/index
Fecha de recepción: febrero 2018 Fecha de aceptación: abril 2018
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1.
1
INTRODUCCIÓN
La preservación del medio ambiente obliga a los
diseñadores y constructores de automóviles a
incluir en sus vehículos sistemas y dispositivos que
permitan disminuir en gran medida las emisiones
de gases contaminantes.
1. cdrumiguano@espe.edu.ec
2. laquiroz@espe.edu.ec
3. jaaguilar6@espe.edu.ec
El sistema conocido como start-stop interrumpe el
funcionamiento del motor al detectar la parada del
vehículo, pero solo si el mismo cumple con
algunos parámetros, o si no se compromete con la
seguridad y comodidad de sus ocupantes.
A los sistemas de seguridad de los automóviles,
que evitan lesiones en accidentes de tránsito, se
unen los “eco amigables”, que hacen lo propio con
enfermedades respiratorias. El ahorro de
Implementación del sistema start-stop
Rumiguano Cristhian
1
; Leonidas Quiroz
2
; Aguilar Jhonatan
3
1
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Departamento de Energía y Mecánica, cdrumiguano@espe.edu.ec
2
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Departamento de Energía y Mecánica, laquiroz@espe.edu.ec
3
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Departamento de Energía y Mecánica, jaaguilar6@espe.edu.ec
Resumen: El presente trabajo de titulación realizó el análisis de eficiencia energética en
relación al consumo de combustible y emisiones al implementar el sistema start-stop en el
vehículo Hyundai Getz 1,6 por medio de un módulo de control desarrollado en base a la placa
arduino mega, que permite emular el funcionamiento del sistema bajo ciertas condiciones de
operación del vehículo que indican el momento de apagado y arranque del motor de combustión.
Los parámetros para la activación del start-stop se tomaron de los sensores del vehículo y otros
que fueron adaptados. Los datos de velocidad del vehículo, velocidad y temperatura del motor,
posición de la palanca de cambios y posición del pedal de embrague se procesan en el
microcontrolador que a la vez muestra estos datos en una pantalla tft lcd, que también permite al
conductor activar el sistema. El control eléctrico se realizó utilizando transistores que pueden
manejar los 12 V con 5 V de señal del microcontrolador.
Palabras clave: Start-stop, Eficiencia energética, Microcontrolador, Arduino.
Implementation of the start-stop system
Abstract: The present titration work carried out the analysis of energy efficiency in relation to
fuel consumption and emissions when implementing the start-stop system in the Hyundai Getz
1.6 vehicle by means of a control module developed on the basis of the arduino mega board,
Which allows to emulate the operation of the system under certain conditions of operation of the
vehicle that indicate the moment of shutdown and start of the combustion engine. The
parameters for the start-stop activation were taken from the vehicle sensors and others that were
adapted. The data of vehicle speed, engine speed and temperature, gear lever position and clutch
pedal position are processed in the microcontroller which simultaneously displays this data on a
tft lcd screen, which also allows the driver to activate the system. The electric control was done
using transistors that can handle the 12 V with 5 V signal of the microcontroller.
Keywords: Start-stop, Energy efficiency, Microcontroller, Arduino.
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combustible se genera al parar el motor en
situaciones tan frecuentes como, por ejemplo, al
detenerse en un semáforo o en congestión
vehicular. Las ventajas más importantes de este
sistema, consisten en la reducción de las emisiones
de gases contaminantes y la disminución del
consumo de combustible.
2. METODOLOGÍA
Se realizó el levantamiento de requerimientos para
identificar los componentes adicionales que
necesitamos para implementar el sistema start-stop
como son: batería, controlador electrónico, módulo
de control, sensores de posición.
El diseño del sistema start-stop está conformado
por la parte eléctrica y electrónica. El circuito
eléctrico es aquel que controla los dispositivos de
elevado consumo de corriente, tales como el motor
de arranque y bobinas de encendido. El diseño
electrónico se encarga de la automatización del
sistema a partir de elementos semiconductores y
pasivos mediante una placa de control.
(Rumiguano, & Aguilar, 2017).
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Diseño Eléctrico
• Control de arranque
El control de arranque sustituye la
funcionalidad de la llave de encendido mediante el
uso de un relé, con una conexión en paralelo
respecto del contacto de arranque del switch de
encendido.
Figura 1. Circuito esquemático del control eléctrico de
arranque
La intensidad de corriente que circula por el
contacto móvil del control de arranque es la misma
que circula por el bobinado del automático. Dicha
corriente eléctrica se calculó considerando la
resistencia de la bobina del inducido y el voltaje
nominal de batería.
Control de encendido
Este control permite desenergizar las bobinas de
encendido cuando el vehículo se ha detenido, esto
se consigue colocando un conmutador de tipo
electromecánico entre la alimentación de las
bobinas de encendido, que proviene de su fusible.
Figura 2. Circuito esquemático del control eléctrico de
encendido
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La corriente eléctrica que circula por el contacto
móvil del control de encendido es igual a la que
consumen las bobinas de encendido. Este valor de
intensidad se obtuvo a partir del voltaje de la
batería y el valor de la resistencia eléctrica del
primario.
Diseño electrónico
El sistema electrónico realiza tres funciones. La
primera es regular la tensión de alimentación para
el microcontrolador de 12 V a 5 V. La segunda es
receptar los datos de los sensores, señales
analógicas tales como la temperatura del motor,
voltaje de la batería y señales digitales que son los
trenes de pulso de la velocidad del motor, vehículo,
posición de la palanca de cambios y pedal de
embrague. La tercera es controlar los dispositivos
electromecánicos (relés) que comandan al sistema
eléctrico, mediante el uso de semiconductores que
soporten el nivel de voltaje y de corriente que
activa a los actuadores.
a) Fuente de alimentación
Se controla el voltaje de batería del vehículo a 5 V
con un regular de tensión LM7805 que convierte
voltajes desde 7 V a 35 V de entrada a 5 V
constantes de salida, con una corriente máxima de
1,5 A.
Figura 31. Circuito esquemático de la fuente de alimentación
Para utilizar este dispositivo en un sistema en el
que existe ruido se recomienda incorporar un filtro
electrónico conformado por dos condensadores de
0,33 µf y de 0,1 µf de tal manera que estabilice el
voltaje de salida. El dispositivo regulador de
tensión empleado utiliza un empaquetamiento de
tipo TO-220 que consiste en un disipador de calor
metálico que se conecta a tierra.
b) Señales analógicas
Las señales analógicas transmiten el nivel
de voltaje (variable) del sensor al
microcontrolador, en este sistema se utilizó las
señales analógicas de temperatura del motor y
voltaje de la batería.
Señal de temperatura del motor
La señal de temperatura del motor (80° C)
determina si el sistema puede apagarse
automáticamente en la condición Stop, dicha señal
se tomó del sensor ECT mediante una derivación
del conductor de señal de la ECU hacia el
microcontrolador.
Figura 42. Oscilograma de la señal de temperatura del motor
Señal de voltaje de la batería
Utilizando un divisor de tensión el
microcontrolador determinó la carga existente en la
batería, bajo dos condiciones de funcionamiento a
partir de un voltaje bajo y alto, determinando que
el vehículo debe encenderse de manera automática
para iniciar el proceso de carga del acumulador.
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Figura 3. Circuito esquemático del sensor de batería
Se calculó el valor de las resistencias considerando
la corriente de operación del microcontrolador, el
voltaje máximo que puede alcanzar una batería en
funcionamiento y el voltaje de alimentación del
microcontrolador.
c) Señales digitales
El microcontrolador conoce el estado bajo o
alto de los sensores de velocidad del motor,
velocidad del vehículo, posición de la palanca de
cambios y posición del pedal de embrague;
estableciendo condiciones particulares de
funcionamiento del sistema start-stop.
Señal de velocidad del motor
La señal de velocidad del motor determina el
régimen de giro, mediante un tren de pulsos que
varía la frecuencia al cambiar la velocidad de
rotación del motor, esta información es procesada
por el microcontrolador. La señal obtenida del
sensor CKP se tomó del tablero de instrumentos
del vehículo que proviene de la ECU hacia una
entrada digital del sistema de control que
determine cambios de estado y relacione el valor
del ancho de pulso en (µs), con el valor de
revoluciones del motor en (rpm) a diferentes
regímenes.
Figura 6. Oscilograma de la señal de velocidad del motor
Señal de velocidad del vehículo
Señal que determina si el vehículo está
detenido o en movimiento obtenida del sensor VSS
que llega hacia al tablero de instrumentos del
vehículo desde la ECU a una entrada digital del
microcontrolador determinando el valor del tiempo
de duración de los pulsos de tal forma de que se
relacione el valor del tiempo de los pulsos con el
valor de velocidad del vehículo.
Figura 7. Oscilograma de la señal de velocidad del vehículo
La señal de velocidad del vehículo no posee
un valor de frecuencia cuando tiende a cero, sino
que muestra una línea recta con el nivel de voltaje
máximo que puede alcanzar. El período empieza a
aparecer apenas el vehículo empiece a moverse
hacia adelante.
Señal de posición de la palanca de
cambios
Le permite al sistema identificar si la
transmisión del vehículo se encuentra en la
posición neutro, lo que determina una condición de
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funcionamiento del start-stop, estado logrado a
través de un sensor óptico infrarrojo reflectivo.
Figura 8. Oscilograma de la señal de posición de la palanca
de cambios
Esta señal tiene un valor alto cuando se
encuentra en posición neutral y pasa a un estado
bajo cuando se ingresa una marcha. En la figura 8
se puede observar el cambio de nivel de tensión de
alto a bajo, lo que se interpreta como un ingreso de
marcha.
El fototransistor se activa cuando recibe la
señal infrarroja reflejada del emisor o de otra
fuente externa. Al tomar esta señal la base se satura
haciendo que el transistor se polarice, logrando el
paso de corriente entre el colector-emisor y de esta
manera llevar la señal del sensor amplificada hacia
el microcontrolador.
Figura 9. Circuito esquemático del sensor de la palanca de
cambios
Señal de la posición del pedal de
embrague
Esta señal digital indica cuando el pedal de
embrague se encuentra presionado o suelto. Esto se
logra utilizando un final de carrera normalmente
abierto.
Figura 10. Oscilograma de la señal de posición del pedal de
embrague
La señal de este sensor, que se muestra en la figura
10, pasa de un estado bajo a alto debido a que se
encuentra conectado a tierra a través de una
resistencia, esto significa que el pedal se encuentra
levantado en un principio para luego ser
presionado.
Figura 11. Circuito esquemático del sensor del pedal de
embrague
Para limitar la corriente que va a circular desde el
final de carrera hacia el microcontrolador, se usó
una resistencia limitadora. El valor de esta
resistencia se determinó.
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d) Control electrónico de arranque
La activación del motor de arranque para encender
el vehículo se controla electrónicamente,
energizando un relevador cuando se cumplen las
siguientes condiciones: motor de combustión
interna apagado, vehículo detenido (velocidad
cero), posición neutro de la palanca de cambios y
pedal de embrague presionado.
Figura 124. Circuito esquemático del control electrónico de
arranque
Cuando la señal del microcontrolador es 5 V se
genera una corriente en la base del transistor guía,
este se satura y conduce. Al activarse el transistor
guía genera una caída de tensión en su colector
provocando que exista 0 V en la base del transistor
de potencia y así éste se sature, lo cual permite que
se energice la bobina del relé. Se utilizó un
transistor TIP127 para el control del relé porque
maneja corrientes de hasta 5 A.
Para la saturación del transistor de potencia se
calculó la resistencia de base, previamente se
determinó el valor de ganancia interpolando el
valor de corriente del colector entre las
intensidades superior e inferior que se encuentran
en la curva de ganancia del transistor TIP127.
Se determinó la corriente que maneja el transistor
guía a partir de la corriente que consume la
resistencia de polarización más el amperaje de la
resistencia entre la fuente y la señal.
e) Control electrónico de encendido
El corte del sistema de encendido para apagar el
motor de combustión interna se controla
electrónicamente, activando a un dispositivo
electromagnético cuando se cumplen condiciones
como: temperatura de funcionamiento de motor
superior a 80 C, posición neutro de la palanca de
cambios, sistema de embrague sin accionar,
vehículo detenido (velocidad cero) y régimen de
giro en ralentí (800 rpm).
Figura 135. Circuito esquemático del control electrónico de
encendido
Cuando existe una señal de 0 V en la salida del
microcontrolador se satura la base del transistor
guía. Al activarse el transistor guía permite el paso
de corriente a través de su colector, provocando
que exista 5 V en la base del transistor de potencia,
el cual conduce y permite la energización del
inducido del relé de control electrónico del sistema
de encendido.
Para calcular la resistencia de polarización se
empleó un valor de ganancia obtenido mediante la
interpolación de la intensidad del colector que
circula por el transistor TIP122.
El transistor guía se polariza mediante el uso de
una resistencia conectada a su base. La corriente
que maneja éste transistor es la intensidad que
atraviesa la resistencia de base del transistor de
potencia.
Selección del microcontrolador
Para seleccionar el microcontrolador se consideró
los siguientes parámetros: velocidad del
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microcontrolador, puertos analógicos y digitales de
entrada, puertos digitales de salida y memoria.
La velocidad del microcontrolador determina si el
dispositivo puede contar el tiempo más bajo que
exista entre cada cambio de flancos de los trenes de
pulsos de la velocidad del motor y del vehículo, del
que se obtuvo el tiempo de pulso en el que el motor
alcanza una velocidad de 6000 rpm, que es de
0,002 segundos.
Programación
Para programar en el microcontrolador Atmel 2560
de la placa arduino mega se aplicó un lenguaje de
programación de alto nivel considerando puertos
de entrada y salida, que tenga palabras reservadas y
una sintaxis simplificada.
A partir de una variante de C++ optimizada para
arduino, incluida en el entorno de desarrollo del
microcontrolador, se reconoce automáticamente la
declaración de puertos de entrada y salida, como
“delay”, “tft.”, “millis()”, que permite ubicar
sectores del microprocesador en funciones
específicas como el tratamiento digital de señales y
la utilización de memorias, sin la necesidad de
conocer su arquitectura interna. En la figura 37 se
muestra el diagrama de flujo de la programación
del sistema start-stop.
Sistema de protección
Se protegió el sistema start-stop de carga excesiva
de corriente, que puede producirse cuando el
circuito consume más energía de la que necesita.
Para ello se tomó en cuenta el consumo de
intensidad de los relés, los componentes del
circuito de control y del microcontrolador en
conjunto con los sensores que no son parte del
vehículo. En la tabla 26 se muestra el consumo de
los ítems mencionados anteriormente.
La corriente de los relés es la obtenida en el diseño
eléctrico, la corriente del circuito de control y del
sensor de la palanca son la suma de las corrientes
producidas por las resistencias empleadas, mientras
que la corriente del microcontrolador se obtuvo de
la hoja de datos.
4. CONCLUSIONES
Se recopiló información científica que
fundamente el desarrollo de la investigación
propuesta.
Se realizó el levantamiento de requerimientos
de la implementación del sistema start-stop
para conocer las condiciones iniciales de
funcionamiento.
Se implementó el sistema start-stop
considerando el diseño simulado mediante
software libre, validando lo propuesto, lo que
permitió identificar de una manera precisa los
requerimientos y necesidades del sistema.
Dada las condiciones de funcionalidad del
sistema start-stop, el número de
accionamientos del motor de arranque se
incrementa, lo que implica una mayor demanda
de energía de la batería del vehículo en ruta
especialmente en congestión, se reemplazó la
batería cuyas características son: voltaje
nominal de la batería de 12 V, capacidad de
carga 60 (Ah), resistencia interna 5 (mΩ),
corriente de arranque CA, 750 (A) capacidad
de arranque en frío CCA 620 (A), capacidad de
arranque en caliente HCA 900 (A) y capacidad
de reserva 90 (min) que garantice los
requerimientos energéticos del sistema.
REFERENCIAS
Rumiguano, C., Aguilar, J. (2017). Investigación
de la eficiencia energética en relación al
consumo de combustible y emisiones al
implementar el sistema start-stop en el vehículo
Hyundai Getz 1,6, Universidad de las Fuerzas
Armadas – ESPE.
