Diseñador Industrial / Este proyecto de título, de acuerdo al protocolo de titulación del consejo del Departamento de Diseño de la Facultad de Arquitectura y Urbanismo, se enmarca como proyecto de tipo profesional, teniendo como mandante al Centro de Energía (CE) de la Universidad de Chile - Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas. Se trata del desarrollo del conector para un vehículo eléctrico con capacidad V2G (del inglés Vehicle to Grid), el cual surge como un proyecto de magíster desde el CE, y espera ser aplicado en comunidades aisladas del país, que cuenten con un sistema autónomo de generación de energía eléctrica, con el fin de resolver algunos problemas propios de las micro-redes, y además ser un aporte para el desarrollo de la comunidad. El caso particular de este proyecto, se realiza en conjunto con el pueblo de Huatacondo, ubicado al norte de Chile, a unos 200Km de la ciudad de Iquique. Esta localidad, al igual que otras comunidades aisladas, se encuentra en un estado cercano al rural, por lo que no cuentan con habitantes con conocimientos para operar vehículos electromóviles. Por lo anterior, se considera un aporte a la disciplina del diseño, intervenir en el mundo del desarrollo de conectores eléctricos, mayoritariamente dominado por la ingeniería, para poder generar un producto desde el usuario, que además, es un aporte al desarrollo de electromovilidad a nivel nacional, pues el panorama actual de conectores para vehículos eléctricos en chile, es básicamente una improvisación de importaciones de distintos conectores hechos para otros fines.

La presente tesis presenta una metodología para la estimación de la velocidad angular de un motor asíncrono trifásico, también llamado motor de inducción, instalado en un vehículo eléctrico. Debido a su eficiencia, robustez, bajo costo, mínimo mantenimiento y con la aparición de la estrategia de control vectorial (la cual aseguraba precisión en el control de velocidad con un adecuado torque), los motores de inducción se presentan como una alternativa conveniente para reemplazar a los motores de combustión interna en los vehículos, contribuyendo de esta manera a reducir la emisión de gases de efecto invernadero. En la búsqueda evitar añadir elementos adicionales al sistema de control, se han desarrollado metodologías que prescinden del uso de instrumentos de medición de velocidad utilizando un estimador de dicha variable. Como estrategia de estimación se utilizará en principio un observador de Luenberger con el cual se determinará el flujo magnético del rotor, para luego diseñar un sistema adaptativo con modelo de referencia (MRAS) para estimar finalmente la velocidad. Al ser un sistema no lineal y multi-variable, la dinámica del motor se describe a través de un modelo de espacio estado. Luego de presentar los conceptos teóricos que respaldan esta metodología, se modelará este sistema y se simulará el comportamiento de las variables eléctricas a través de distintos patrones de velocidad y torque, propios de un vehículo de pasajeros. Finalmente se podrán apreciar en las gráficas de los errores de estimación, la eficacia de este algoritmo. Este trabajo busca no solo presentar un algoritmo eficiente en la estimación de la velocidad angular, sino que además sirva de referencia para futuros estudios que busquen optimizar estrategias de control mediante un modelamiento que represente de la forma más fidedigna posible la dinámica de un motor de inducción. / Tesis

Ingeniero Civil Electricista / El objetivo de este trabajo es aportar a la investigación e innovación tecnológica, mediante el desarrollo de un modelo computacional que permita comprender las consecuencias económicas y medioambientales de implementar parte o la totalidad del proceso de fabricación de baterías de ión de litio para vehículos eléctricos o híbridos en Chile. Este trabajo se enmarca en el proyecto CIL Centro de Innovación del litio perteneciente a la universidad de Chile, cuyo objetivo es desarrollar un área de investigación aplicada sobre el uso del litio en baterías avanzadas que se usarán en los nuevos vehículos eléctricos . Se construye un modelo del proceso productivo de baterías de ión de litio, el que divide su proceso de producción en 5 etapas. Para cada una de las etapas y su interacción con las otras se estiman los costos desagregados. Para la obtención de materias primas y exportación de baterías, se estiman las emisiones de dióxido de carbono. Lo anterior permite calcular el valor actual neto (VAN) del proyecto y el impacto medioambiental del transporte de las materias primas y baterías terminadas. En este trabajo, se modela el proceso de fabricar baterías de ión-litio tipo NCA-G (con materiales activos compuestos de LiNi0,8Co0,15Al0,05O2 para el cátodo y grafito para el ánodo), con un cliente en U.S.A. Se consideran los costos de inversión, fijos y variables. La mayor parte de los costos se obtienen de referencias extranjeras, pero se ha buscado considerarlos de forma que sean adecuados para el modelo del proceso de fabricación en Chile. El resultado de este modelo, muestra que el proceso evaluado es rentable bajo ciertos supuestos detallados a continuación. Las materias primas han sido evaluadas a los menores precios encontrados y los proveedores son los más cercanos a una localización en el norte de Chile. Asimismo, se supone un decrecimiento de los costos de producción del 20% anual exponencial y costos del transporte de un 52% de los costos encontrados en empresas de correos. Cabe destacar, que en las baterías NCA, el costo es elevado y que para obtener el valor de realizar algunos procesos productivos, se consideran equivalentes conservadores con la información disponible de precios de venta en el extranjero. Respecto del impacto medioambiental del proyecto, se compara la emisión de gases de efecto invernadero por parte del transporte de materias primas y baterías, para una planta ubicada en Antofagasta, con la misma planta ubicada en China. En ambos casos se considera un cliente en los Estados Unidos. Se observa que las emisiones del transporte de las baterías terminadas, es mucho mayor para China que para Chile, a pesar de que la emisión por parte de la importación a Chile es cercana a las emisiones de las importaciones para China. Se observa que las mayores emisiones por distancia recorrida, se tienen con las baterías terminadas. Dado que la producción de baterías está fuertemente incentivada en los Estados Unidos, competir con ellos, resultaría difícil, e incluso si ellos producen sus baterías probablemente contaminen menos debido al transporte, que importándolas desde Chile. Se propone como trabajo futuro, el generar un grupo multidisciplinario, que por un lado busque mercados latinoamericanos de baterías, determine sus características; y por otro construya un modelo computacional que en base a características de los mercados de baterías que se deseen satisfacer, permita un análisis de los proyectos de fabricación o ensamblaje de baterías.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Ingeniero Civil Eléctrico / El objetivo de esta tesis es diseñar e implementar un sistema de modelamiento del entorno. Este debe recibir como entradas la morfología del terreno, imágenes segmentadas y el la pose del auto y generar en base a estas variables un modelo del entorno (\textit{Mapa Local)} que permita a otro módulo posterior la generación de trayectorias seguras para el vehículo. Este sistema corresponde al módulo \textit{Estimador Mapa Local} del proyecto \textit{Vehículo Autónomo} del AMTC. El diseño del sistema toma ideas de diversas fuentes, muchas de ellas de vehículos participantes del DARPA Grand Challenge 2005, ya que este desafío es muy similar al problema que se desea resolver. Se utilizan datos de segmentación visual y de sensores de rango, fusionando ambas fuentes de información para obtener un modelo del entorno, denominado \textit{Mapa Local}, más preciso y robusto que cualquiera de las dos entradas de manera independiente. Se comparan dos variantes de detecciones de obstáculos en base a las mediciones de sensores de rango. El primer método, denominado método de frecuencias, toma la información y calcula la energía en diferentes bandas de frecuencia e intenta estimar la navegabilidad del terreno en base a estos valores. El segundo método, de diferencias de altura, tiene un enfoque similar, sin embargo calcula la mayor diferencia de altura de un punto central con una vecindad de diferentes radios, luego se utilizan dichos valores de la misma manera que en el método anterior. En ambos casos se estudia el efecto de utilizar o no la información de la segmentación visual para complementar la caracterización. Tomando las características disponibles para cada método, se estima el costo de que el vehículo navegue por cada lugar del entorno, costos altos implican peligro, mientras que bajos indican zonas seguras para la navegación. Es justamente esta caracterización del entorno, en base a costos, la que se denomina \textit{Mapa Local}. Para probar las diferentes variantes del sistema se graban 4 diferentes bases de datos, correspondientes a mediciones realizadas por el vehículo mientras era conducido manualmente. Se diseñan medidas de desempeño para comparar el rendimiento de las variantes. Estas intentan reflejar la cantidad de eventos fatales (choques), eventos indeseados (paradas frente a detecciones falsas de obstáculos) y conducción normal, que el vehículo hubiera encontrado si fuese conducido por el sistema. Estas características se calculan para diferentes velocidades de conducción, por lo que para cada variante probada se tienen 4 curvas que caracterizan su desempeño. Al comparar los métodos propuestos se logra concluir que la información visual enriquece el \textit{Mapa Local} y logra un mejor desempeño, siempre y cuando se logre una fusión con bajos errores, en caso contrario esta información puede producir bajas de rendimiento. En cuanto a los métodos de detección de obstáculos, el método de diferencias de altura obtuvo una ligera ventaja en el desempeño, pero esta es muy poco significativa para seleccionar uno por sobre el otro.

Uno de los principales problemas que enfrentan muchas ciudades en el mundo son los atochamientos de tráfico y la polución producida por este hecho. Entre las distintas soluciones a este problema se cuenta una alternativa de transporte orientada a tramos cortos, cuyo funcionamiento se basa en mantener un equilibrio inestable con el pasajero parado sobre dos ruedas, del mismo modo en que las personas se mantienen erguidas y caminan, con las ventajas en términos de facilidad de conducción que esto significa. Este trabajo presenta el desarrollo de un vehículo de esta clase, que corresponde al primero de este tipo de dispositivos en el país. Para ello, se realiza un análisis de las características dinámicas del sistema, de modo de obtener información relevante de las variables que se requiere medir para lograr un funcionamiento exitoso. Se abordan las etapas de diseño e implementación de las distintas partes involucradas, como la electrónica digital, la electrónica de potencia y los aspectos mecánicos del dispositivo. Se pone especial énfasis en la electrónica de control asociada a un vehículo de este tipo, en particular, en el diseño de una unidad de medición de inercia (IMU), encargada de entregar la estimación de la inclinación del vehículo, la cual es la principal variable para lograr la estabilidad deseada. Para lograr un funcionamiento exitoso del prototipo, se debió primero realizar un ajuste fino de los distintos parámetros involucrados, como tiempos de muestreo y constantes de filtros, entre otros, junto con la implementación de funciones encargadas de detectar y corregir en tiempo real ciertas oscilaciones en la estimación de la unidad IMU observadas en las primeras pruebas. Se obtuvo un prototipo de 40 kg, capaz de alcanzar velocidades del orden de los 6 km/h con un controlador proporcional derivativo. Se le realizaron pruebas de validación con pasajeros inexpertos, los que tras un período de aprendizaje de 30 minutos lograban trasladarse en el vehículo sin mayores problemas, por lo que se concluye que es posible realizar una implementación exitosa de este tipo de vehículos con un costo cercano a una unidad comercial.

El transporte ha cobrado gran relevancia en las ciudades modernas, en las que el aumento de población, los atochamientos y la polución, degradan la calidad de vida. Es en respuesta a estos problemas que surgen nuevos e innovadores medios de transporte, como el que se aborda en este trabajo. Un vehículo de pequeño tamaño consistente en una plataforma autobalanceada con dos ruedas laterales, en que el pasajero se ubica sobre la plataforma mientras las ruedas lo movilizan. Específicamente, se aborda el mejoramiento de un prototipo desarrollado en 2009, el cual logró ser funcional, pero su operación requería un alto grado de destreza y entrenamiento, además de presentar un comportamiento, en ocasiones, poco predecible. Por este motivo se planteó en este trabajo, la intervención completa del vehículo en cuanto a diseño electrónico y software de control, con el fin de generar una segunda versión del mismo con mejoras técnicas sustanciales. Adicionalmente, se abordaron algunos aspectos mecánicos y estéticos, con el fin de proteger los componentes electrónicos y mejorar la experiencia de manejo, permitiendo que el usuario maniobre el vehículo inclinando el mando de dirección lateralmente, siguiendo el movimiento natural del cuerpo. El rediseño de la electrónica se hizo en base a los conocimientos adquiridos en el trabajo anterior, integrando la información previa disponible y añadiendo elementos nuevos que permitieran cumplir los objetivos planteados. Los puentes H, encargados de accionar los motores, fueron reconstruidos utilizando una estructura de bus laminado, aumentando así su capacidad de corriente y reduciendo las inductancias parásitas. El mejoramiento de la electrónica de disparo de los puentes H, permitió reducir a una décima parte los tiempos de conmutación, mejorando la eficiencia del circuito. Se incorporaron además protecciones por hardware para evitar cortocircuitos, así como sensores para monitorear y controlar la corriente circulante por los motores. Se desarrolló una nueva unidad IMU independiente de la tarjeta de control, capaz de obtener mediciones de inclinación y de su derivada en tiempo real, sin contaminación por ruido inducido, gracias a su interfaz completamente digital. La tarjeta de control también fue rediseñada para ajustarse a la nueva configuración de los sistemas, mediante conexiones limpias, minimizando el número de cables. El nuevo software se desarrolló desde cero, utilizando un esquema modular e incorporando conceptos como la abstracción de hardware, para simplificar la portabilidad y facilitar la comprensión de su funcionamiento. Esto posibilita la utilización del vehículo como plataforma de desarrollo de estrategias de control, en la cual la interacción con el hardware y la administración del sistema ya están resueltas. Además, se implementó una interfaz de comunicación por comandos, a través de la cual se puede monitorear el sistema, modificar parámetros y ejecutar órdenes usando un programa cliente externo al vehículo, conectado vía USB a la tarjeta de control. Desde el punto de vista electrónico y luego de los cambios introducidos, el vehículo se desempeñó correctamente. Las medidas tomadas para mejorar la robustez del sistema permiten una operación confiable, sin necesidad de precauciones adicionales por parte del usuario. La mayor cantidad y calidad de las mediciones de los instrumentos, junto con la aplicación de dos lazos en cascada (tanto para el control de inclinación a través de un torque en los motores, como para sus perturbaciones en la dinámica) mejoró sensiblemente el comportamiento del vehículo, lo que fue verificado a través de encuestas de percepción realizadas a usuarios novatos antes y después de las modificaciones. Destaca en estas evaluaciones el tiempo requerido para un manejo mínimo, que se redujo de unos 30 minutos a alrededor de 10 minutos.

Diseñador Industrial / Autorizada por el autor, pero con restricción para ser publicada a texto completo hasta junio del 2014 / El presente trabajo estudia y desarrolla los conceptos de diseño, tecnologías y manufactura de vehículos solares de competencia para su aplicación en el diseño y prototipado experimental de un Velomóvil Solar, con énfasis en la innovación en materiales y procesos enfocados en la sustentabilidad. Específicamente en usabilidad del coligue como elementos básico de la estructura del vehículo, el cual debe cumplir a su vez las bases de la competencia Carrera Solar Atacama en la categoría La Ruta Solar para efecto de pruebas en competencia del prototipo experimental.

No autorizada por el autor a ser publicada a texto completo / El objetivo general del presente trabajo consistió en el desarrollo de un modelo de negocio para la comercialización de vehículos eléctricos en Chile. El proyecto se vio motivado y se justifica por la creciente expectativa del potencial de los vehículos eléctricos como fuente económicamente viable para el transporte, y por los recientes anuncios de los fabricantes indicando un alto interés por estos vehículos. Se desarrolló la metodología característica para un modelo de negocio, la cual se constituye de un análisis estratégico de la industria, una investigación de mercado, la definición de una propuesta de valor y un modelo de negocio, y se complementó con la evaluación económica de una unidad de negocio, con la cual se determinó el potencial de rentabilidad de la industria, y los volúmenes económicos de esta. En cuanto a los resultados obtenidos, en el análisis estratégico se identificaron aspectos externos que sugieren una situación auspiciosa y optimista en términos de la iniciativa propuesta, como la tasa de crecimiento de la industria y la creciente disposición a pagar por tecnologías menos contaminantes. Con respecto a la investigación de mercado, se determinó como objeto de estudio la Región Metropolitana debido a su alta densidad vehicular, se determinó el segmento objetivo de acuerdo al perfil de utilización del automóvil, y se estimó mediante un modelo matemático la penetración de mercado del producto para un horizonte de 10 años. Se estructuró un modelo de negocio acorde a la información recabada, con el cual se externaliza a la batería del precio del vehículo, permitiéndole a éste participar de un mayor porcentaje de la demanda, y configurándose de esta forma un negocio paralelo para las baterías, las que serían administradas por el vendedor mediante un contrato de uso semejante al de las compañías de telefonía móvil. Consistentemente se construyó una propuesta de valor enfocada a los conceptos de flexibilidad, eficiencia y personalización. Se concluye el informe con una evaluación financiera del modelo propuesto, para el cual se determina que con un precio mensual de $79.000 por contrato de provisión y administración de baterías, se obtiene un VAN de US$ 1.576 millones, un IVAN de 23%, y una TIR de 13%, siendo necesaria una inversión US$6.800 millones durante un plazo de quince años. Finalmente, se recomienda realizar iniciativas pilotos en flotas de vehículos con origen destino predefinidas, como colectivos, taxis y vehículos de reparto, en las cuales participen tanto el Estado, las empresas de distribución de electricidad y las automotoras.

Ingeniero Civil Eléctrico / El desarrollo y masificación de los vehículos eléctricos en el mercado norte americano y europeo es una realidad desde hace 10 años. El Centro de Energía (CE) de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas ha desarrollado varios prototipos de vehículos eléctricos orientados a funciones específicas. En este marco, el año 2011 se desarrolló un vehículo eléctrico todo terreno orientado al uso en la minería a partir de un modelo Lada Niva. Esta conversión requirió, posteriormente, un rediseño en el sistema de control, debido a problemas de robustez y fiabilidad en la operación del vehículo. El objetivo de este trabajo es definir los estándares de un controlador con características comerciales, para motores en vehículos eléctricos. Se busca, asimismo, determinar los requerimientos de hardware y software para la implementación de este tipo de controladores y, finalmente, diseñar, construir y validar un sistema de control de potencia para vehículos eléctricos, el que será probado en el Lada Niva eléctrico del Centro de Energía. La solución propuesta consiste en dos controladores, donde el primero se enfoca en controlar la operación del motor de inducción del vehículo y, el segundo, monitorea y coordina los diferentes sistemas que integran el auto en las distintas etapas del funcionamiento. El diseño de los controladores se hizo a través de módulos compatibles con los estándares comerciales de vehículos eléctricos. Por otra parte, se implementó una comunicación serial que permite configurar los parámetros de operación, realizar consultas sobre el estado del controlador y monitorear su operación en tiempo real. Tras construir los controladores, cada módulo se calibró a través de pruebas de laboratorio para asegurar su correcta operación. Posteriormente, se realizaron pruebas del control vectorial operando el motor del vehículo en vacío y con carga, con el fin de calibrar los controladores de corriente y garantizar un funcionamiento estable. Esto se verificó operando la máquina con una corriente total de hasta 145[A]. Luego se sintoniza el parámetro τ_r mediante un análisis teórico y algunas pruebas experimentales Finalmente, el sistema de control propuesto se validó mediante pruebas de uso urbano, donde se circuló por un circuito de 1,7[km] transportando a 3 personas a una velocidad máxima de 50[km/hr]. En esta prueba se opera la máquina hasta 3.400[rpm] con una carga de 31[kW]. Además se prueba el vehículo a subir una rampa con inclinación de 24%, la cual sube en forma estable operando el motor a 1.200[rpm] y 13.5[kW].

Ingeniero Civil Industrial / La contaminación atmosférica de Santiago atenta contra la salud de la población y deteriora la calidad de vida de sus habitantes. El transporte urbano es una fuente de contaminación importante. Reemplazar parte de los buses a propulsión convencional por buses a baterías y trolebuses eléctricos reduciría la contaminación. La movilidad eléctrica, bajo ciertas condiciones de operación es la mejor alternativa económica y ambiental. El costo de los buses eléctricos es mayor que los convencionales, pero es compensado al tener una mayor vida útil, y presentar menores costos de operación y mantención. El Centro Mario Molina Chile (CMMCh) en conjunto con Chilectra desarrollaron un primer escenario de penetración de movilidad eléctrica para el transporte público incluyendo todos aquellos circuitos de buses en los cuales es factible incorporar estas tecnologías. El objetivo del estudio consistió en determinar en qué circuitos de Transantiago existe factibilidad de incorporación de buses y trolebuses eléctricos, comparar los costos entre un escenario base de recambio de flota a buses Euro V con los costos de la propuesta a un horizonte de 20 años, determinar la reducción de contaminantes y generar recomendaciones a nivel técnico, contractual y político que faciliten la innovación tecnológica. Por medio de un modelo de costos desarrollado por la Universidad de Duke, EEUU, se utilizó la aplicación TSANT del programa AIRVIRO (sistema de información climático) y realizando entrevistas a expertos se concluyó que existe factibilidad técnica para incorporar tecnología eléctrica cercana a un 35% de la flota de Transantiago, teniendo un ahorro en costos de entre un 5,3% y 12,1% tomando una evaluación a 20 años, y reduciendo alrededor de un 30% los niveles de contaminantes a un horizonte al 2020. Se llegó a la conclusión de que es factible la introducción de buses eléctricos y que este proceso se vería facilitado con una renovación de la orgánica institucional que permita coordinar a los diversos actores, reestructurar los contratos de concesión de las flotas de modo que permitan transmitir los beneficios económicos y ambientales de operar con movilidad eléctrica y generar mecanismos que gestionen la incertidumbre de la duración de la vida útil de las baterías de los buses eléctricos. Actualmente el Directorio de Transporte Público Metropolitano se asesora con el CMMCh para formular las bases de la próxima licitación de buses del Transantiago de modo que permita la introducción de entre 60 y 100 buses eléctricos para algunos servicios del transporte público al año 2018.