Proyecto_JuliethArianaPaz

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PROYECTO FIN DE CARRERA
Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Para obtener el tı́tulo de
INGENIERA ELECTRÓNICA
por
Julieth Ariana Paz Chunga
Aplicación software para la simulación del rendimiento de la baterı́a de un vehı́culo eléctrico
Sustentado el dı́a 14 de Julio de 2023 frente al jurado:
Composición del jurado
-Asesor: Guillermo Andrés Jimenez Estévez, Profesor asociado, Universidad de los Andes
-Jurado: Fernando Jimenez, Profesor asociado, Universidad de los Andes
ÍNDICE
I. Introducción 2
II. Objetivos 2
II-A. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . 2
II-B. Objetivos especı́ficos . . . . . . . . . . 2
II-C. Alcance y productos finales . . . . . . . 2
III. Descripción de la problemática y justificación del
trabajo 3
IV. Antecedentes y marco teórico 4
IV-A. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . 4
IV-B. Marco teórico . . . . . . . . . . . . . . 6
IV-B1. Vehı́culo eléctrico . . . . . . 6
IV-B2. Motor eléctrico . . . . . . . 6
IV-B3. Baterı́a eléctrica . . . . . . . 6
IV-B4. Estado de carga . . . . . . . 6
IV-B5. Frenado regenerativo . . . . 6
IV-B6. Ciclo de conducción . . . . . 6
V. Metodologı́a 7
V-A. Definición . . . . . . . . . . . . . . . . 7
V-B. Búsqueda de información . . . . . . . . 8
V-C. Alternativas de desarrollo . . . . . . . . 8
VI. Análisis de resultados 9
VI-A. Descripción del resultado final . . . . . 9
VI-B. Especificaciones . . . . . . . . . . . . . 9
VI-C. Trabajo computacional . . . . . . . . . 9
VI-C1. Descripción modelo
matemático . . . . . . . . . . 9
VI-C2. Herramientas utilizadas . . . 11
VI-D. Metodologı́a de prueba . . . . . . . . . 11
VI-E. Validación de los resultados del trabajo 11
VII. Discusión 14
VIII. Conclusiones 15
IX. Agradecimientos 15
Referencias 15
X. Anexos 17
ÍNDICE DE FIGURAS
1. Emisiones de CO2 registradas en el Observatorio
Mauna Loa [35]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2. Emisiones de CO2 registradas en el Observatorio
Mauna Loa [35]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3. Emisiones de CO2 en Colombia desde el año
2000 registradas en el Banco Mundial [30] . . . 3
4. Gráfica caracterı́stica usual de un motor eléctrico
[18] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
5. Ciclo de conducción FTP-75 en millas por hora
[14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
6. Diagrama correspondiente al desarrollo de la
aplicación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
7. Diseño primera versión de la aplicación desarro-
llada, página principal. . . . . . . . . . . . . . . 7
8. Ícono utilizado en la aplicación . . . . . . . . . . 8
9. Ventana principal SIM.EV . . . . . . . . . . . . 8
10. Cálculo distancia y ángulo de elevación entre dos
puntos de recorrido. . . . . . . . . . . . . . . . . 10
11. Comparación recorrido 0818 . . . . . . . . . . . 12
12. Comparación recorrido 0818 . . . . . . . . . . . 12
13. Comparación recorrido 0822 . . . . . . . . . . . 12
14. Comparación recorrido 0822 . . . . . . . . . . . 12
15. Comparación recorrido 0824 . . . . . . . . . . . 13
16. Comparación recorrido 0824 . . . . . . . . . . . 13
17. Comparación recorrido 0825 . . . . . . . . . . . 13
18. Comparación recorrido 0825 . . . . . . . . . . . 13
19. Comparación recorrido 1202 . . . . . . . . . . . 14
20. Comparación recorrido 1202 . . . . . . . . . . . 14
ÍNDICE DE TABLAS
I. Tabla formato archivo Ciclo de conducción nuevo. 9
II. Comparación error relativo promedio en cada
caso de prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1
I. INTRODUCCIÓN
En la actualidad, el sector de transporte es uno de los que
más emisiones genera. Los vehı́culos a combustión producen
gases como dióxido de carbono, monóxido de carbono y
óxidos de nitrógeno.
El dióxido de carbono es una de las principales partı́culas
causantes del cambio climático y el aumento de esta partı́cula
contribuye a ese fenómeno. El cambio climático está afectando
a todos los paı́ses ya que los fenómenos meteorológicos son
cada vez mas extremos. Especı́ficamente, en Colombia, más
del 78 % de las emisiones de partı́culas provienen de los más
de 15 millones de carros que transitan en el paı́s. De acuerdo
con estas cifras, la contribución del paı́s a la disminución de
gases de efecto invernadero no es satisfactoria [5] [6].
En 2019, el Gobierno se propuso un ambicioso objetivo:
incorporar 600.000 vehı́culos eléctricos a 2030. El objetivo
definido en el Plan Nacional de Desarrollo se venció en febrero
de ese año, cuando en el Registro Único Nacional de Tránsito
(RUNT) se asentaron 6.819 autos cero emisiones matriculados.
Hasta Julio de 2022, la matrı́cula de vehı́culos eléctricos en el
RUNT llegó a 8.299, lo que significa un notable crecimiento de
1.891 vehı́culos de esta tecnologı́a durante el último semestre.
Sin embargo, para cumplir la meta de 600 mil carros eléctricos
se debieron vender 217 unidades aproximadamente cada dı́a
desde Julio de 2022 [23].
En el nuevo Plan Energético Nacional 2022-2052 [10]
se consideran diferentes escenarios de electrificación para el
transporte. Se puede decir que se están tomando medidas para
cumplir con algunos objetivos de desarrollo sostenible.
Dentro del sector del vehı́culo eléctrico es importante
resaltar la baterı́a eléctrica, esta permite el almacenamiento
de energı́a eléctricab que se puede aprovechar. Alessandro
Volta es a quien se le reconoce la construcción de la primera
baterı́a eléctrica [2]. Luego se realizaron diferentes estudios
relacionados con los efectos quı́micos de la baterı́a, lo que dio
lugar a la posibilidad de realizar experimentos repetibles con
corrientes eléctricas. Posteriormente en 1860 Gaston Planté
presentó la primera baterı́a recargable de plomo-ácido [22].
De forma paralela al desarrollo de las baterı́as se dio el
desarrollo de los carros eléctricos. El primer vehı́culo eléctrico
consistió en un vehı́culo de tres ruedas alimentado por baterı́as
de plomo-ácido. Luego el primer vehı́culo eléctrico comercial
fue un bote eléctrico. El avance mas relevante al rededor de la
tecnologı́a de carros eléctricos fue el freno regenerativo [13] .
A inicios del siglo XX tomó ventaja la tecnologı́a de
carros a combustión. Esto por la diferencia de costos entre
la producción de vehı́culos eléctricos y vehı́culos a gasolina,
siendo los últimos más baratos [13].
De acuerdo con lo expresado anteriormente, surge el interro-
gante sobre cómo un simulador puede contribuir en el proceso
de transición energética a energı́as limpias.
Se propone el desarrollo de una herramienta para el estudio
del consumo energético de vehı́culos totalmente eléctricos.
Este programa permitirá obtener el estado de carga, corriente
y potencia de la baterı́a del carro eléctrico en un recorrido,
definido por un ciclo de conducción.
Siendo el objetivo principal del proyecto desarrollar un
simulador, este se puede dividir en cuatro objetivos especı́ficos.
Primero, determinar el modelo matemático para calcular el
estado de carga, corriente y potencia de la baterı́a de un carro
eléctrico. Segundo, diseñar las ventanas de la aplicación a
desarrollar para tener un punto de partida en el proceso de es-
cribir el código fuente. Esto, teniendo en cuenta que la interfaz
del simulador debe ser sencilla de utilizar. Luego, construir la
aplicación y por último, comprobar el funcionamiento correcto
del simulador.
En el presente documento se explica la problemática men-
cionada, se exponen los objetivos del proyecto y se desarrolla
el soporte teórico. Luego se encuentra la definición del trabajo,
donde se desglosan las especificaciones del simulador y la me-
todologı́a de trabajo en la que se detallan las actividades reali-
zadas, la búsqueda de información y las diferentes alternativas
consideradas para el desarrollo del proyecto. Seguidamente,
se encuentra la descripción del trabajo realizado, donde se
describe el pasoa paso del proyecto; validación del trabajo,
donde se evalúan los resultados obtenidos por el simulador;
discusión, donde se argumenta las fortalezas, limitaciones y
recomendaciones del proyecto; finalmente, conclusiones donde
se resumen los logros del trabajo realizado.
II. OBJETIVOS
II-A. Objetivo general
Desarrollar una aplicación que permita simular el rendi-
miento de un vehı́culo eléctrico a baterı́a.
II-B. Objetivos especı́ficos
Objetivo especı́fico 1: Identificar el modelo para la simu-
lación de consumo de energı́a en un vehı́culo eléctrico.
Objetivo especı́fico 2: Diseñar la interfaz para la aplica-
ción que sea amigable para el usuario.
Objetivo especı́fico 3: Construir en lenguaje de programa-
ción la simulación de consumo de energı́a en un vehı́culo
eléctrico en un recorrido especı́fico.
Objetivo especı́fico 4: Comprobar el funcionamiento del
modelo de simulación después de implementado en códi-
go.
II-C. Alcance y productos finales
Alcance 1: Presentar el modelo de estimación de consumo
y regeneración de energı́a en el carro eléctrico.
2
Alcance 2: Implementar modelo de simulación en len-
guaje de programación.
Alcance 3: Presentar interfaz para la aplicación software.
Alcance 4: Incorporar simulación y resultados, con la
interfaz diseñada.
Alcance 5: Presentar resultados de simulación en compa-
ración con datos reales.
III. DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y
JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO
El impacto ambiental de los vehı́culos a combustión es
significativamente negativo. Estos producen gases de efecto
invernadero, tales como dióxido de carbono (CO2), monóxido
de carbono y óxidos de nitrógeno. Aunque estas partı́culas
son esenciales para la vida en el planeta, el aumento de estos
gases altera el equilibrio natural. Este incremento se da por
el uso masivo de combustibles fósiles y actividades humanas
derivadas como el transporte, la agricultura y la ganaderı́a.
En las Fig. 1 y 2 se pueden observar las mediciones de CO2
registradas en el Observatorio Mauna Loa desde el año 1960
(1) y los últimos 5 años (2). Este observatorio está ubicado
en el flanco norte del Volcán Mauna Loa, en la Isla Grande
de Hawai. Tiene una ubicación ideal para tomar muestras de
aire bien mezclado, sin la perturbación de fuentes de conta-
minación local o vegetación, produciendo mediciones que se
consideran el estado promedio de la atmósfera en el hemisferio
norte [9]. Se puede ver el aumento aproximadamente lineal de
las mediciones de CO2 en partes por millón (ppm).
Figura 1: Emisiones de CO2 registradas en el Observatorio
Mauna Loa [35].
Figura 2: Emisiones de CO2 registradas en el Observatorio
Mauna Loa [35].
En la Fig. 3 se puede ver el reporte de las mediciones de
CO2, especı́ficamente en Colombia, desde el año 2000 en kilo
toneladas (kt) por año. Esta gráfica fue extraı́da del Banco
Mundial [30]. Se puede ver el aumento del registro de CO2
en el paı́s con el paso de los años.
Figura 3: Emisiones de CO2 en Colombia desde el año 2000
registradas en el Banco Mundial [30]
El CO2 es de una de las partı́culas causantes del cambio
climático y contaminación del aire. Según las naciones unidas
[7], este fenómeno está afectando a todos los paı́ses del mundo
con afectación a sus economı́as y a distintas manifestacio-
nes de vida ya que los niveles del mar están subiendo y
los fenómenos meteorológicos son cada vez más extremos.
Adicionalmente, afirma que los niveles de CO2 y de otros
gases de efecto invernadero en la atmósfera aumentaron hasta
niveles récord en 2019.
Esta misma fuente publicó que las cifras evidencian que la
recuperación económica mundial de la crisis COVID – 2019
no ha sido una recuperación sostenible, pues el aumento de
las emisiones mundiales de CO2, de más de 2.000 millones
de toneladas, fue el mayor de la historia en términos absolutos
y compensó con creces el descenso inducido por la pandemia,
ya que la recuperación de la demanda de energı́a en el 2021
3
se vio agravada por las condiciones adversas del clima y del
mercado de la energı́a – sobre todo, los picos de los precios
del gas natural, que hicieron que se quemara más carbón a
pesar de que la generación de energı́a renovable registró el
mayor crecimiento de su historia [16].
Los carros con motor de combustión producen partı́culas
contaminantes como dióxido de carbono (CO2 ), monóxido
de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx) e hidrocarburos
no quemados (HC). Estas emisiones son gases de efecto
invernadero y la concentración en aumento contribuye al
calentamiento global.
En Colombia, más del 78 % de las emisiones de partı́culas
provienen de los más de 15 millones de vehı́culos que transitan
entre camiones, buses, carros y motos . En el mes de Junio de
2022 se registraron 23323 vehı́culos de los cuales el 9,41%
(2195 unidades) son vehı́culos eléctricos, hı́bridos enchufables
e hı́bridos eléctricos. Solo el 9 % de los carros registrados en
ese mes tienen un bajo impacto medio ambiental y contribuyen
con la disminución de emisiones de CO2 y otros gases
contaminantes [5] [6].
De acuerdo con las cifras mencionadas anteriormente, es
claro que la contribución de Colombia en la actualidad a la
disminución de gases de efecto invernadero, no es satisfactoria
y va en contravı́a del objetivo 13 de los objetivos de desarrollo
sostenible; “adoptar medidas urgentes para combatir el cambio
climático y sus efectos” y el objetivo 15, en lo que respecta
a: “producir un cambio transformativo para la naturaleza y las
personas”.
Según el Plan Energético Nacional [11] el costo de los
vehı́culos eléctricos ha disminuido con el tiempo y se espera
que hacia 2024 se llegue al mismo precio de los vehı́culos de
combustión interna, dada la disminución del costo de baterı́as
para carros eléctricos. También es importante mencionar, a
medida que se aumenta la participación de la electricidad en
el sector del transporte el consumo total es mas eficiente. Esto
debido a que la eficiencia máxima de un motor a combustión
interna puede llegar a un 25 %, pero la eficiencia de un motor
eléctrico puede ser del 90 %.
En el diseño del nuevo Plan Energético Nacional 2022-2052,
se consideran escenarios de electrificación para el transporte,
en razón a que este constituye una de las principales preocu-
paciones al momento de pensar en planes de descarbonización
y energı́a del paı́s, y se parte de la premisa que los progresos
de la electrificación vehicular entre otros aspectos hacen del
sector transporte el principal actor del paı́s en términos de
cambio energético y mitigación del cambio climático en los
próximos 30 años, lo que permitirá estar en sintonı́a con
los objetivos 7 (garantizar el acceso a una energı́a asequible,
segura, sostenible y moderna), 13 y 15 de desarrollo sostenible
[10].
Por esto, los vehı́culos que utilizan electricidad como fuente
de propulsión, es decir, con tecnologı́a de bajas y cero emi-
siones, constituyen una alternativa de transporte que integra
las necesidades propias de su esencia (transporte de carga y
pasajeros) con las intenciones de los objetivos de desarrollo
sostenible que se relacionan con las energı́as limpias, el
cambio climático y sus efectos, y la vida de ecosistemas
terrestres.
Por lo anteriormente expuesto, es necesario el estudio
constante de las tecnologı́as que permitan las transiciones
necesarias para un paı́s sostenible, por lo que el trabajo a
realizar pretende aportar una herramienta para el estudio de
los vehı́culos eléctricos que permita la identificación del gasto
de energı́a en la baterı́a de un vehı́culo totalmente eléctrico,
dado un recorrido determinado.
IV. ANTECEDENTES Y MARCO TEÓRICO
IV-A. Antecedentes
La invención de la máquina de vapor, a finales del siglo
XVIII, constituye un hecho trascendental que permitió con-
vertir el calor en fuerza mecánica; y, con este hecho, llegó la
primera revolución industrial que tuvo enormes repercusiones
en el ámbito social y económico.Se caracterizó por utilizar el
carbón como fuente de combustible y representó el comienzo
de la era fósil, pues generalizó el consumo de los combustibles
de origen fósil.
Casi un siglo después, de las primeras máquinas de vapor,
empieza a introducirse una nueva forma de energı́a: la electri-
cidad, con el valor agregado que el lugar del consumo no fuera
el mismo en el que se generaba. Se transformaba fácilmente en
luz, calor, frı́o, en movimiento, etc., pero no es hasta finales del
siglo XIX cuando empieza a introducirse en la vida cotidiana.
A nivel mundial, la mayor parte de la energı́a que se con-
sume se dedica a la producción de electricidad y al transporte,
resaltando que este último muestra una tendencia al alza en
su evolución porcentual cada año. El sistema energético actual
está fundamentado en los combustibles fósiles. El ritmo de
consumo es tal que en un año la humanidad consume lo
que la naturaleza tarda un millón de años en producir. La
posibilidad de agotamiento del petróleo y del gas natural será
una realidad en el plazo de 1 o 2 generaciones y las reservas de
carbón son menos limitadas pero este combustible es altamente
contaminante [33].
Ante la posibilidad inminente del agotamiento de los com-
bustibles fósiles y la amenaza que los mismos encarnan en el
fenómeno del cambio climático, los paı́ses ven la necesidad de
un cambio en el paradigma energético en donde la transición
energética requiere abandonar paulatinamente las energı́as
fósiles y generar un tipo de tracción que esté vinculado a
energı́as renovables y sustentables [26].
4
La electricidad es la forma más sofisticada de energı́a
que existe en la actualidad y permite su transporte entre
lugares lejanos de forma económica y eficaz. La instalación de
centrales hidroeléctricas depende de la posibilidad de construir
embalses o presas en los cauces de los rı́os, para retener el
agua, y transformar la energı́a hidráulica en energı́a eléctrica.
La energı́a hidráulica posee dos ventajas principales respecto
de los combustibles fósiles, una es que el agua no se consume
ni empeora la calidad y otra es que no tiene problemas de
producción de desechos. [33]
La electricidad reviste gran importancia tanto en el aparato
productivo como en la sociedad, la novedad impuesta por la
iluminación eléctrica y la rapidez e higiene que se asocian a
la tracción eléctrica en el transporte, modifican la fisonomı́a
de las ciudades y los hábitos de la población. El suministro de
energı́a eléctrica tiene la caracterı́stica de ser servicio público
y exige una fuerte inversión inicial en infraestructura. La
incorporación del uso de energı́a eléctrica en los hogares tiene
efectos positivos en la educación y la salud de los hogares.
Se observa que en los hogares que cuentan con electricidad la
alfabetización es más alta y los niños son menos propensos a
sufrir enfermedades respiratorias (menor uso de cocinas que
utilizan combustible). La utilización de electricidad supone
una mejora en el bienestar de los hogares en la medida que
permite ahorro de tiempo, incremento de la productividad
y del ingreso, es decir que la transición energética hacia
usos de energı́a más limpios, de mayor eficiencia y más
productivos permite modificar la calidad de vida de los paı́ses
en desarrollo.
En el marco de lo expresado anteriormente y ante la nece-
sidad de que los dispositivos utilizados en la vida cotidiana
puedan ser portables, el almacenamiento de energı́a se perfila
como la piedra angular, tanto en los sistemas energéticos
contemporáneos de carácter centralizado, como también en los
sistemas de generación distribuidas y en el creciente mercado
automotor eléctrico. La baterı́a como dispositivo técnico para
el almacenamiento, ha adoptado diversas propiedades y formas
[26].
Alessandro Volta es a quien se le atribuye la construcción
de la primera pila eléctrica. La pila voltaica consistió en varios
discos apilados, de materiales como zinc, cobre o plata, y
separados entre sı́ por cartón o fieltro impregnado en salmuera
[15]. Volta encontró que al apilar en serie los discos permitı́a
el aumento de la tensión. Se pueden resaltar dos desventajas
de la pila de Volta: la falta de capacidad para proporcionar
corriente eléctrica durante un periodo de tiempo largo y el
problema de la polarización. Además, un problema importante
fue la formación de burbujas de hidrógeno en el ánodo, lo que
resultó en una mayor resistencia interna y una disminución de
la eficiencia de la baterı́a [21].
Luego de hacer público el invento de la pila eléctrica, cerca
al año 1800, se realizaron diferentes estudios relacionados con
los efectos quı́micos de la baterı́a. Esto dio lugar al desarrollo
de la rama relacionada con la electricidad al permitir la
realización de experimentos repetibles con corrientes eléctricas
[29].
En 1860 Gaston Planté presentó su baterı́a recargable de
plomo-ácido. Esta consistı́a en nueve elementos en un bastidor
de madera, con los terminales conectados en paralelo. Su
principal ventaja es que puede mantener una corriente eléctrica
durante un largo periodo de tiempo, aunque en sus primeras
versiones era pesada y voluminosa [21] [29].
Luego, en la década de 1970, el interés por las baterı́as
recargables se vio estimulado por la primera crisis energética
a principios de esta década. Fue a a partir de esta crisis
cuando John Bannister Goodenough empezó a trabajar en las
posibilidades del litio. En 1979, se informó del uso del Óxido
de litio-cobalto (LiCoO2) como material de electrodo positivo,
por primera vez, por Goodenough y sus colaboradores. Este
fué el primer material de cátodo del mundo que contenı́a iones
de litio [21].
Durante el siglo XIX, paralelamente a las baterı́as eléctricas,
también se fueron desarrollando los motores eléctricos. Esto
dio lugar al carro eléctrico.
El primer vehı́culo eléctrico fue construido por Gustave
Trouvé en 1881. Fue un vehı́culo de tres ruedas impulsado
por un motor DC de 0.1 caballos de fuerza, alimentado por
baterı́as de plomo-ácido. Todo el vehı́culo pesaba 160 kg,
contando el peso del conductor. Luego, el primer vehı́culo
eléctrico comercial fue el bote eléctrico de Morris y Salom.
Este podı́a ser utilizado por tres recorridos de cuatro horas, con
90 minutos de recarga en medio de cada recorrido. Durante
casi 60 años los únicos vehı́culos eléctricos vendidos fueron
carros de golf [18].
Dentro de la tecnologı́a de los carros eléctricos el avance
mas significativo fue el del freno regenerativo por M.A. Da-
rracq. Este método permite la recuperación de energı́a cinética
durante en frenado para recargar la baterı́a, lo que mejora la
autonomı́a del vehı́culo [18].
En la primera década del siglo XX se fabricaron y comer-
cializaron varios modelos de coches eléctricos. La autonomı́a
de estos era de 20 - 30 km, la velocidad de 25km/h y el precio
entre 2000 y 3000 USD. En las ciudades las distancias eran
pequeñas y no era necesaria mas autonomı́a. No obstante, por
su precio, solo estaban al alcance de personas con un alto
poder adquisitivo [29].
En los años entre 1920 y 1930 en Texas y otros estados de
Estados Unidos se encontró gran cantidad de petróleo, lo que
abarató el combustible de los coches a combustión. También,
se construyeron carreteras para unir las ciudades, permitiendo
el transporte entre una ciudad y otra. Estos recorridos eran
posibles con carros a gasolina y no estaban al alcance de la
autonomı́a del vehı́culo eléctrico. Por esta razón los carros a
combustión tomaron auge en esos años. Además, el alto costo
5
de los carros eléctricos puso la balanza a favor de los carros
a combustión. Por ejemplo, en la década de 1920, un coche
eléctrico costaba unos 2000 USD y tenı́a una autonomı́a de 25
km y su equivalente de gasolina costaba unos 600 USD con
autonomı́a prácticamente ilimitada [29].
En la actualidad, la problemática explicada es objeto de
estudio actual, por lo cualse han realizado diferentes proyectos
con la intención de aportar en la solución de esta. Se pueden
resaltar cuatro antecedentes directamente relacionados con el
proyecto planteado en el presente documento.
Inicialmente se encuentra el programa Advanced Vehicle Si-
mulator (ADVISOR) bajo licencia de Alliance for Sustainable
Energy [1]. Este simulador permite el análisis del rendimiento
y la gestión de combustible de vehı́culos livianos y pesados
con sistemas de propulsión convencionales, hı́bridos eléctricos,
100 % eléctricos y de celdas de combustible. Este programa
fue desarrollado con Matlab y Simulink.
También está el proyecto de fin de carrera del estudiante
Pedro Pablo Marin [28]. Marin realizó una aplicación pa-
ra simular el rendimiento energético de vehı́culos eléctricos
o hı́bridos enchufables. Se obtiene el gasto energético del
vehı́culo dado un recorrido en especı́fico. Esta aplicación se
desarrolló con Matlab y Simulink.
Luego se puede encontrar el artı́culo “Electric Drive Vehicle
Matlab Simulation” [34] donde se presenta otra aplicación para
simular el rendimiento energético de un vehı́culo totalmente
eléctrico. Esta aplicación se realizó únicamente con base en
Matlab. Todas las operaciones matemáticas correspondientes
se realizaron en código.
Por último el artı́culo “Mathematical modeling of Electric
Vehicles” [32] donde se presenta el modelo matemático ex-
plicado en detalle para describir el rendimiento de un carro
eléctrico, desde la descripción fı́sica, hasta el modelo que rige
el comportamiento de la baterı́a.
Los cuatro trabajos mencionados tienen en común que
se utiliza el mismo modelo para describir la dinámica del
vehı́culo y estos trabajos fueron desarrollados en el entorno
de Matlab y Simulink.
IV-B. Marco teórico
En este capı́tulo se explican conceptos importantes en el
contexto del proyecto planteado.
IV-B1. Vehı́culo eléctrico: Un vehı́culo eléctrico o carro
eléctrico esta compuesto de: un motor eléctrico para tracción
y baterı́as quı́micas, celdas de combustible, ultra capacitores
o baterı́as inerciales, como fuente de energı́a. Estos vehı́culos
tienen ventajas respecto de los vehı́culos con motor de com-
bustión interna como su ausencia de emisiones, alta eficiencia,
independencia del petróleo y su operación silenciosa [18].
IV-B2. Motor eléctrico: En la Fig. 4 se observan las
caracterı́sticas tı́picas de un motor eléctrico. A baja velocidad
el motor tiene torque constante y la potencia aumenta de forma
lineal respecto al aumento de velocidad, y a alta velocidad la
potencia del motor es constante y el torque disminuye de forma
hiperbólica [18].
Figura 4: Gráfica caracterı́stica usual de un motor eléctrico
[18]
IV-B3. Baterı́a eléctrica: Una baterı́a eléctrica consiste en
dos o más celdas eléctricas conectadas. Estas celdas convierten
energı́a quı́mica en energı́a eléctrica [27].
IV-B4. Estado de carga: El estado de carga (SOC por sus
siglas en ingles) es un indicador del porcentaje de carga actual
de la baterı́a. Este se representa en porcentaje, es decir, varı́a
entre 0 % y 100 % [22].
IV-B5. Frenado regenerativo: El sistema de frenado re-
generativo permite que se recupere energı́a cinética durante
el frenado o reducción de velocidad, y que esta energı́a se
convierta en electricidad que se carga a la baterı́a. Cuando se
presiona el freno, se produce calor que ocasiona que el motor
funcione al revés, lo que le permite generar electricidad que
se almacena en la baterı́a [20].
IV-B6. Ciclo de conducción: Se le denomina a patrones
de conducción donde la velocidad es variable en todo el
tiempo de prueba. Se busca que los ciclos de conducción sean
similares a patrones reales de tráfico en diferentes ambientes
(urbano, extraurbano, completa). Los ciclos de conducción
se determinaron principalmente para proveer pruebas realistas
y prácticas de las emisiones de vehı́culos. En la Fig. 5 se
puede observar el ciclo de conducción FTP-75, este muestra
la velocidad, aceleración, desaceleración y momentos en que
el vehı́culo esta estacionado que deberı́a seguir el carro en
cada momento del tiempo [14] [27].
6
Figura 5: Ciclo de conducción FTP-75 en millas por hora [14]
V. METODOLOGÍA
V-A. Definición
El resultado final fue un simulador nombrado SIM.EV
(Acrónimo de Simulator Electric Vehicle) que permite la
simulación del estado de carga de la baterı́a de un carro
eléctrico en un recorrido determinado.
El desarrollo de la aplicación se estructuró como se puede
ver en la Fig. 6.
Figura 6: Diagrama correspondiente al desarrollo de la apli-
cación.
Inicialmente se desglosó el diagrama de bloques que debı́a
seguir la simulación. Para esto se realizó un cuadro en excel
realizando todas las operaciones que sigue la simulación
y tener especı́ficamente en qué parte de las operaciones
matemáticas interviene cada parámetro de entrada. A partir
de esto, se determinaron las funcionalidades que tendrı́a la
aplicación, tales como: agregar un nuevo ciclo de conducción,
agregar un carro nuevo, modificar los datos de un registro de
carro ya guardado o eliminar un registro de carro, modificar
datos externos al carro relevantes en la simulación como
velocidad del viento o coeficiente de rodadura y exportar los
resultados.
Teniendo claro el funcionamiento que debı́a tener la aplica-
ción se procedió a diseñar la interfaz del software, ası́ tener un
punto de inicio para el proceso de programación. En la Fig.
7 se puede ver el diseño realizado para la primera versión del
simulador.
Figura 7: Diseño primera versión de la aplicación desarrollada,
página principal.
Luego programar la interfaz agregando la ventanas, botones
o cajas de texto necesarias para implementar cada funciona-
lidad establecida y programar cada parte de la interfaz para
poder acceder a la información posteriormente. Ası́ mismo,
se escribió el código fuente para llevar a cabo la simulación
dados los datos determinados en la interfaz.
Se nombró SIM.EV al simulador y el ı́cono utilizado para
visualizar la aplicación instalada fue extraı́do de [17] y se
puede ver en la Fig. 8.
7
Figura 8: Ícono utilizado en la aplicación
En la Fig. 9 se puede ver el resultado final de la aplicación
SIM.EV
Figura 9: Ventana principal SIM.EV
V-B. Búsqueda de información
Se utilizaron fuentes secundarias de información tales como
artı́culos de revistas especializadas y textos académicos para
que constituyeran el soporte teórico del proyecto a desarrollar.
Y como fuente primaria los resultados obtenidos en las
diferentes pruebas realizadas en el programa desarrollado.
La motivación del proyecto surge desde el curso de Elec-
tromovilidad a cargo del profesor Guillermo Jimenez. El tema
que fue tratado en el curso responde a una problemática
vigente, por lo que se decidió aportar una herramienta para
el estudio de una solución a mediano plazo como lo son
los vehı́culos eléctricos. Por otro lado fue fundamental la
formación recibida sobre programación orientada a objetos. En
el curso se conocieron las estructuras básicas de programación
orientada a objetos, lo que es aplicable a diferentes lenguajes
de programación.
También, la preparación académica recibida durante la ca-
rrera fue fundamental en el desarrolló del proyecto. Esta, al
ser de manera integral se recibieron competencias de trabajo
autónomo, es decir, aprender a estudiar temas de manera
independiente. Esta condición permitió realizar las búsquedas
de las herramientas necesarias, estudiarlas, aprenderlas y apli-
carlas de manera satisfactoria, como es el caso del programa
Visual Studio Code con el cual se desarrolló la herramienta
propuesta.
V-C. Alternativas de desarrollo
Teniendo en cuenta el objetivo general del proyecto plan-
teado, inicialmente se buscó información sobre las diferentes
alternativas de entornos de desarrollo integrado (IDE) para
el desarrollo de una aplicación para computador. Luego se
escogió la opción mas convenientesegún el lenguaje de
programación y requerimientos del sistema para compilar y
ejecutar el código.
Es relevante mencionar que se decidió utilizar SQL de forma
paralela para el manejo de datos, es decir, toda la información
a la que se accede dentro de la aplicación esta guardada en una
base de datos. Por esta razón, fue necesario tener en cuenta
que el IDE a utilizar permitiera la integración con un sistema
de base de datos relacional.
Existen diferentes tipos de IDE. Primero, se pueden en-
contrar IDE multi-lenguaje o IDE dedicados a un lenguaje
especı́fico. Segundo, los IDE de desarrollo móvil aparecieron
con la llegada del desarrollo de aplicaciones para celular.
Luego, los IDE basados en web ofrecen varias ventajas únicas
con respecto a los entornos de desarrollo local [31].
El primer IDE a considerar fue Eclipse. Este programa
permite el desarrollo en lenguajes de programación como Java,
PHP, C y C++. Sin embargo, el IDE para cada lenguaje es
diferente, es decir, se debe instalar un software diferente para
utilizar cada lenguaje de programación. Todas las versiones
son gratis y de código abierto [24].
El siguiente IDE considerado fue Visual Studio Code. Este
IDE es multi-lenguaje, gratis y de código abierto. Este permite
conectar diferentes servicios adicionales solo con instalar
extensiones. Además, las extensiones se ejecutan en procesos
separados, lo que asegura que la velocidad de respuesta del
editor no se vea afectada [8].
Por último se consideró el programa IntelliJ Idea. Este es
un IDE para el desarrollo en Java y Kotlin. Se encuentran
disponibles dos versiones, la versión comercial y la versión
para la comunidad. La versión comercial es la más completa,
pero es de pago. La versión para la comunidad no incluye la
integración con bases de datos, lo cual era fundamental para
el proyecto [4].
Después de revisar las ventajas y desventajas de los tres
IDE considerados, se decidió utilizar Visual Studio Code ya
que este permite la integración con SQL Server. Además, esta
herramienta tiene soporte para una gran variedad de lenguajes,
8
lo que dio la posibilidad de considerar diferentes lenguajes
para el desarrollo de la aplicación. También se decidió utilizar
como lenguaje Visual Basic.net ya que es el lenguaje de mejor
manejo por parte de la autora y tiene una sintaxis sencilla,
razón por la cual, se pueden implementar algoritmos con
facilidad a pesar de la poca bibliografı́a que se puede encontrar.
VI. ANÁLISIS DE RESULTADOS
VI-A. Descripción del resultado final
El software desarrollado es una herramienta para facilitar
el estudio de vehı́culos eléctricos. Este permite el análisis del
consumo energético de la baterı́a de un carro eléctrico, dado
un conjunto de factores que inciden en este gasto de energı́a.
Es compatible con el sistema operativo Windows.
VI-B. Especificaciones
Realiza el cálculo del estado de carga de la baterı́a
y visualizar cuanto se descargó esta en un recorrido
determinado. Además, se realiza el cálculo de la corriente
y potencia en la baterı́a del vehı́culo.
Se pueden exportar los resultados obtenidos en un
archivo csv, si es necesario analizar estos datos con otras
herramientas.
Permite seleccionar un ciclo de conducción diferente y
se pueden visualizar la gráfica de Velocidad vs. Tiempo
y las caracterı́sticas de cada ciclo cuando se seleccionan.
Se puede agregar un ciclo nuevo por medio de un archivo
csv. El formato que debe tener la tabla para garantizar el
correcto funcionamiento del software se puede ver en la
Tab. I. Es importante mencionar que no se pueden guardar
2 recorridos con el mismo nombre.
Tabla I: Tabla formato archivo Ciclo de conducción nuevo.
Tiempo Latitud Longitud Elevación Velocidad
s ◦ ◦ m ms
Al agregar un recorrido nuevo, se tienen en cuenta las
variaciones de altura en el terreno ya que estas generan
cambios en el gasto energético de la baterı́a.
Permite agregar el registro de un vehı́culo adicional,
teniendo en cuenta que el software solo esta diseñado
para analizar vehı́culos 100 % eléctricos. Los datos
a introducir deben ser consistentes con las unidades
correspondientes a cada caracterı́stica del carro.
Se pueden cambiar los datos de un vehı́culo ya guardado
y se pueden eliminar registros de vehı́culos guardados.
Sin embargo debe haber al menos un carro guardado
para que el programa inicie sin errores.
En los campos donde se ingresan valores el indicador
decimal es el punto.
El software se puede instalar en una máquina con
sistema operativo Windows.
Todo lo anteriormente planteado se especifica en el Manual
de instalación y uso, el cual se puede ver en Anexos.
VI-C. Trabajo computacional
VI-C1. Descripción modelo matemático: El modelo ma-
temático utilizado para la simulación del consumo energético
de la baterı́a de un carro eléctrico se presenta a continuación.
Inicialmente se selecciona el ciclo de conducción, donde
el usuario puede seleccionar uno de los predeterminados o
agregar un nuevo perfil de conducción para analizar. Cuando
se agrega un nuevo perfil de conducción, el usuario introduce
tiempo de muestreo, coordenadas, elevación y velocidad del
vehı́culo. A partir de estos datos se calculan la distancia y el
ángulo de elevación entre cada punto. Primero para obtener
la distancia se utiliza la Fórmula de Haversine [12] que se
puede ver en la Ec. 1. Aquı́ R es el radio de la tierra (6371
km). También, ∆lat y ∆long corresponden a los cambios de
latitud y longitud de los 2 puntos de los que se desea calcular
la distancia entre si.
d = 2 ·R · arcsin(
√
sin2
(
∆lat
2
)
+
cos(lat2) · cos(lat1) · sin2
(
∆long
2
)
) (1)
P1 = {lat1, long1}
P2 = {lat2, long2}
∆lat = lat2 − lat1
∆long = long2 − long1
Con el dato de distancia ya calculado se encuentra el ángulo
de elevación o ángulo de pendiente del terreno. Este se calcula
para cada tiempo y corresponde a la Ec. 2. En esta ecuación α
corresponde a la pendiente del terreno, a1 y a2 corresponden
a las alturas de los dos puntos y distancia es la distancia entre
dos puntos calculada antes.
α = asin
(
a2 − a1
distancia
)
(2)
9
Figura 10: Cálculo distancia y ángulo de elevación entre dos
puntos de recorrido.
La velocidad del vehı́culo puede estar en diferentes unidades
(mph, kmh ), por lo que se realiza la respectiva conversión
dependiendo de las unidades que el usuario haya indicado
en el momento de cargar el ciclo de conducción. Ası́ que
la velocidad se convierte a metros por segundo (ms ) para
posteriores operaciones matemáticas.
V
(
km
h
)
= V (mph) · 1,60634 (3)
V
(m
s
)
= Vr
(
km
h
)
· 1000
3600
(4)
También, se calcula la aceleración a partir del cambio de
velocidad (Ec. 5).
Ac =
Vi − Vi−1
ti − ti−1
(5)
Luego a partir de la segunda ley de Newton es necesario
calcular las fuerzas resistivas y a favor relacionadas con el
movimiento del vehı́culo. Las fuerzas resistivas corresponden a
la fuerza aerodinámica, fuerza de rodadura y fuerza gravitacio-
nal [25] (Ec. 6, 7 y 8 respectivamente). En estas ecuaciones ρ
indica la densidad del aire, Cd indica el coeficiente de arrastre,
Af indica el área frontal del vehı́culo, V es la velocidad del
carro en ms y Vw es la velocidad del viento en
m
s . También,
m corresponde a la masa del vehı́culo, g es la gravedad, Cr
el coeficiente de rodadura y α el ángulo de la pendiente del
terreno en porcentaje.
Fa = 0,5 · ρ · Cd ·Af · (V − Vw)2 (6)
Fr = m · g · Cr · cos(α) ·
(
1 +
V
161
)
(7)
Fg = m · g · sin(α) (8)
La fuerza a favor del movimiento se compone de la fuerza
de aceleración lineal y rotacional. Sin embargo, es posible
que no se conozcan todos los datos necesarios ası́ que es
razonable aumentar la masa en un 5 % en el cálculo de la
fuerza aceleración lineal para tener en cuenta ambas fuerzas
[27].
Facc = 1,05 ·m · a (9)
Entonces la sumatoria de fuerzas según la segunda ley de
Newton es:
Facc = Ftrac − (Fa + Fr + Fg) (10)
Y la fuerza de tracción es entonces:
Ftrac = Facc + Fa + Fr + Fg (11)
Secalcula el torque y la potencia de tracción. Aquı́ V es la
velocidad del vehı́culo en ms y RW es el radio de la rueda del
vehı́culo. Es importante resaltar que se asume que la tracción
es delantera [27].
Torquetrac = Ftrac ·RW (12)
Ptrac = Torquetrac ·RW (13)
Luego para calcular la potencia de salida en el motor se debe
tener en cuenta el sentido de la potencia de tracción: Si esta
es positiva, quiere decir que se está acelerando, por lo que la
potencia de salida en el motor se calcula dividiendo la potencia
de tracción por la eficiencia de la caja. Y si la potencia de
tracción es negativa se multiplica, quiere decir que se está
desacelerando, ası́ que se multiplica la potencia de tracción
por la eficiencia de la caja [27]. En esta ecuación Pmotorout
es la potencia de salida del motor, Ptrac es la potencia de
tracción y ηcaja es la eficiencia de la caja.
Pmotorout =
{
Ptrac
ηcaja
si Ptrac > 0
Ptrac · ηcaja si Ptrac < 0
(14)
Luego se calcula la velocidad angular para posteriormente
calcular el torque en el motor y la potencia de entrada en
el motor. La velocidad angular se calcula en la Ec. 15 y la
relación entre la velocidad rotacional en las ruedas y en el
motor es proporcional a la relación de transmisión (rt) (Ec.
16). Por último se calcula el torque y la potencia requerida en
el motor (Ec. 17 y 18). El término ηmotor indica la eficiencia
del motor [28].
10
Vr =
V
RW
(15)
Vm = Vr · rt (16)
Torquemotor =
Pmotorout
Vm
(17)
Pmotorin =
Pmotorout
ηmotor
(18)
Por último, se calcula el estado de carga, la corriente y la
potencia en la baterı́a del carro. Entonces la potencia que debe
entregar la baterı́a es la potencia requerida en el motor Ec. 19.
Luego se calcula la corriente en la Ec. 20 y se calcula el estado
de carga en la Ec. 21. El término Rbat indica la resistencia
interna de la baterı́a, Voc indica el voltaje a circuito abierto,
Cbat indica la capacidad de la baterı́a [28].
Pbateria = Pmotorin (19)
I =
Voc −
√
V 2oc − (4 ·Rbat · Pbateria)
2 ·Rbat
(20)
SOC = SOCt0 −
∑t
i=t0
Pbateria(i) ·∆t
Cbat
· 100 (21)
VI-C2. Herramientas utilizadas: En la parte de diseño de
la interfaz del software se utilizó Canva para visualizar una
primera versión del uso de este. De esta manera fue posible
establecer un punto de partida para el proceso de programa-
ción. Canva es un software y sitio web de herramientas de
diseño gráfico simplificado [3].
Luego, se utilizó el IDE Visual Studio Code para todo el
desarrollo del software. Este permitió la visualización gráfica
y depuración sencilla del código. El manejo de información
dentro del software se da por medio de una base de datos,
por lo que se utilizó SQL Server y SQL Server Management
Studio. SQL Server es el motor de bases de datos y Manage-
ment Studio es un entorno integrado para manejo de instancias
SQL y bases de datos [19]. Management Studio se utilizó para
realizar pruebas parciales en la carga y guardado de un registro
de carro o ciclo de conducción nuevo.
VI-D. Metodologı́a de prueba
En el proceso de programación se realizaron pruebas par-
ciales para asegurar el funcionamiento adecuado de cada parte
de la aplicación. Fue necesario asegurar que cada ventana se
mostrara en el momento indicado, que el programa interactuara
con la base de datos y, agregara, modificara y eliminara
registros correctamente. Además, fue importante asegurar que
los cálculos correspondientes a la simulación se ejecutaran
de forma correcta, se mostraran los resultados en gráficas
teniendo en cuenta las unidades utilizadas y que fuera po-
sible exportar los resultados obtenidos a un archivo de texto
separado por comas (csv).
También, para probar el correcto funcionamiento del softwa-
re desarrollado se pidió a algunos compañeros que siguieran
el manual escrito que describe los prerrequisitos necesarios
para que la aplicación funcione bien y el uso de esta. Con
esta retroalimentación fue posible ajustar caracterı́sticas como
tamaño de la letra, mensajes emergentes y tamaño de las
ventanas, para mejorar la experiencia del usuario con la
aplicación.
Para comprobar los resultados obtenidos con la aplicación se
realizó la comparación con la información de seis recorridos
previamente realizados con el vehı́culo Nissan Leaf, el cual
dispone la universidad por el convenio ya existente entre
Nissan y Los Andes. Se ingresaron estos recorridos en el
software, se obtuvieron los resultados correspondientes y se
calculó el error relativo porcentual.
Error =
|Vcalculado − Vexacto|
Vexacto
· 100 (22)
VI-E. Validación de los resultados del trabajo
Se probaron seis recorridos, en los cuales se dispuso de
los siguientes datos: tiempo, posición geográfica (latitud y
longitud), elevación y velocidad. Estos son necesarios para que
el software funcione con normalidad. Además, se dispuso de
datos de estado de carga para poder realizar las comparaciones
correspondientes.
En las Fig. 11 y 12 se puede apreciar el estado de carga
(SOC) en el recorrido real y el estado de carga simulado, y la
gráfica correspondiente al error relativo porcentual. Se tiene
un valor máximo de error de 16 % aproximadamente.
Se visualiza que la gráfica de estado de carga simulado sigue
el mismo comportamiento de la gráfica de SOC real. Sin em-
bargo, el SOC calculado disminuye con mayor velocidad. Se
puede ver que el error tiene una tendencia aproximadamente
lineal.
11
Figura 11: Comparación recorrido 0818
Figura 12: Comparación recorrido 0818
Luego, en las Fig. 13 y 14 se puede ver el estado de carga
en el recorrido real y calculado, y la gráfica del error relativo
del recorrido 0822. Aquı́ el error máximo alcanzado es de 9 %.
En este caso se puede ver que ambas gráficas de SOC
tienen la misma tendencia. Pero hay una zona donde el SOC
calculado no cambia, ya que este se calcula dependiendo de
la velocidad y en esta zona la velocidad es de cero. Esto es
una fuente de error ya que en la realidad, si el vehı́culo se
encuentra encendido y se está quieto, aún ası́ consume energı́a
de la baterı́a, es decir, hay un consumo mı́nimo de energı́a en
la baterı́a.
Figura 13: Comparación recorrido 0822
Figura 14: Comparación recorrido 0822
Posteriormente, en las Fig. 15 y 16 se puede ver la curva
de estado de carga en el recorrido real, la curva de los datos
arrojados por la simulación y la gráfica del error relativo
porcentual del recorrido 0824. En la gráfica de error relativo
se puede ver que se obtuvo un máximo de 7,5 %.
En este caso de prueba se puede observar que el SOC simu-
lado tiene la misma tendencia del SOC real, lo que muestra la
coincidencia de los tiempos donde la baterı́a presenta mayor
consumo. Sin embargo, se observa que el consumo en el SOC
simulado la proporción es mas alta. Por otro lado, igual que en
el caso inmediatamente anteriormente, hay una fuente de error
en el hecho de que no se consideró un consumo mı́nimo de
energı́a cuando el vehı́culo se encuentra encendido, sin estar
avanzando.
12
Figura 15: Comparación recorrido 0824
Figura 16: Comparación recorrido 0824
En las Fig. 17 y 18 se puede ver el estado de carga en
el recorrido real y simulado, y la gráfica del error relativo
porcentual del recorrido 0825. En este recorrido se obtuvo un
máximo de 3,5 % de error aproximadamente.
En este caso el SOC calculado sigue la misma tendencia del
SOC real, y se puede ver que el error tiene un comportamiento
aproximadamente lineal. A diferencia del primer caso de
prueba, donde el error también sigue un comportamiento
lineal, los puntos se encuentran mas dispersos; esto es debido a
que hay mayores pendientes en este recorrido que en el primer
recorrido. Entre mayor sea la pendiente del terreno, mayor es
el gasto de energı́a.
Figura 17: Comparación recorrido 0825
Figura 18: Comparación recorrido 0825
Por último, en las Fig. 19 y 20 se puede ver el estado
de carga en el recorrido real y arrojado por la simulación,
y la gráfica correspondiente al error relativo porcentual del
recorrido1202. En este caso se tiene un error máximo de 9 %
aproximadamente.
Aquı́ se puede observar el mismo comportamiento en ambas
gráficas de estado de carga, pero sucede lo mismo que en casos
anteriores. La disminución del SOC calculado es proporcional-
mente mayor que la disminución en los datos reales. Además,
otra fuente de error, en este caso, es que el estado de carga
inicial no se determinó exactamente igual, por lo que en el
tiempo cero ya hay un 2 % de error.
13
Figura 19: Comparación recorrido 1202
Figura 20: Comparación recorrido 1202
En la Tab. II se visualiza el error relativo promedio por-
centual de cada caso de prueba. Se puede ver que este error
promedio está entre 1 % y 8 %. También, el error promedio
relativo de las simulaciones es de 4,94 %.
Tabla II: Comparación error relativo promedio en cada caso
de prueba
Recorrido Error relativo promedio
0818 7,92 %
0822 5,88 %
0824 4,88 %
0825 1,06 %
1202 4,42 %
Para corregir el primer error identificado, el cual corres-
ponde a la mayor proporción en el consumo de carga de la
baterı́a, primero se deberı́a revisar cuando se está realizando
la sumatoria de energı́a en el modelo matemático. Luego si
no se corrige, se deberı́a revisar donde se están calculando
las potencias en el tren motriz. También, para corregir el
error del gasto mı́nimo de energı́a cuando la velocidad del
vehı́culo es cero, se puede determinar este consumo mı́nimo
y agregarlo en el modelo implementado en código como
un condicional. Por último, el error debido a que el estado
de carga inicial se aproxima a un numero entero se corrige
revisando detenidamente el código de la aplicación, en un
punto se está haciendo esta aproximación no deseada.
VII. DISCUSIÓN
El simulador SIM.EV es una herramienta que ayuda al
estudio de los vehı́culos eléctricos. Este es compatible con
el sistema operativo Windows y se podrı́a utilizar en un
computador con MacOs con una máquina virtual. Esta he-
rramienta puede ser utilizada en el ámbito académico, lo que
permitirá animar a estudiantes a interesarse por el área de
electromovilidad, ya que en el escenario de 30 años que
plantea el Plan Energético Nacional 2022-2052, quienes hoy
se interesen por estos temas pueden ser los encargados de
aportar en la materialización de la transición energética, pues
una de las principales preocupaciones al momento de pensar
en planes de descarbonización en el paı́s es la electrificación
del transporte como el principal actor en términos de cambio
energético y mitigación del cambio climático.
Lo anterior a su vez, permitirá estar en sintonı́a con los
siguientes objetivos de desarrollo sostenible: “garantizar el ac-
ceso a una energıa asequible, segura, sostenible y moderna”,
“adoptar medidas urgentes para combatir el cambio climático
y sus efectos” y “producir un cambio transformativo para la
naturaleza y las personas”.
El simulador que aquı́ se presenta requirió la construcción
de un modelo matemático basado en un conjunto de conceptos
de diferentes campos del conocimiento que se encuentran
aplicados al funcionamiento de los vehı́culos eléctricos. Fue
necesario abordar la teorı́a y relacionarlo con el compor-
tamiento del consumo de la baterı́a de un carro eléctrico
en movimiento. Entre los campos abordados se encuentran
la fı́sica, trigonometrı́a, eléctrica y mecánica. Ası́ como la
ingenierı́a de software.
Desde la fı́sica se abordaron temas como fuerzas, velocidad,
aceleración; desde el campo de la trigonometrı́a: distancia
entre dos puntos dada su posición geográfica y el cálculo de la
pendiente del terreno; desde el campo de la eléctrica: concepto
de energı́a consumida en términos de potencia, corriente,
capacidad de la baterı́a; desde el campo de la mecánica:
torque, eficiencia de caja y motor. Por último, desde el campo
de la ingenierı́a de software: el ciclo de vida de desarrollo
de programas consistente en análisis, diseño, construcción,
ejecución y pruebas.
Como ya se anotó, la construcción del software se hizo me-
diante el IDE Visual Studio Code, particularmente utilizando
el lenguaje Visual Basic.Net. También, fue necesario abordar
el IDE de SQL Server Management Studio para el manejo de
instancias SQL.
Por otro lado, para continuar con el trabajo, inicialmente
14
se deberı́a corregir los errores identificados en el modelo ma-
temático implementado. Estos se determinaron en la sección
de Validación de trabajo. Al corregir estos errores se pueden
obtener datos mas precisos, cercanos a datos reales.
Además, se proponen otros avances para mejorar la expe-
riencia de interacción del usuario. Primero, la posibilidad de
cambiar las unidades de los valores que se visualizan, ası́ si
en un futuro la aplicación es utilizada internacionalmente, el
usuario puede escoger las unidades con las que se sienta más
cómodo. Otra recomendación es desarrollar una versión que
pueda funcionar en cualquier sistema operativo (MacOs).
También, se propone que la aplicación pueda guardar las
simulaciones realizadas y subir una versión de datos reales
para realizar comparaciones dentro del mismo programa, ya
sea comparaciones de datos simulados con datos reales, o
comparaciones entre simulaciones diferentes. Si se tuvieran
las caracterı́sticas particulares de determinados objetos con
solo disponer de una referencia se deberı́a tener acceso a
dichas caracterı́sticas sin necesidad de solicitarle al usuario
estos detalles. Serı́a suficiente con solicitarle una referencia
para que el simulador busque las caracterı́sticas necesarias
dentro del modelo. Por consiguiente, es recomendable que
se construya un repositorio con datos particulares de los
diferentes componentes del vehı́culo eléctrico.
Luego, si la base de datos crece, serı́a necesario pensar
en recursos computacionales, por lo que se propone derivar
esta a un servidor web. De esta manera no serı́a necesario
preocuparse por recursos computacionales locales y se puede
seguir desarrollando la aplicación en aras de aumentar la
utilidad de esta. Paralelamente, se podrı́a llevar el software
a internet para que sea de mas amplio acceso.
A la par de lo ya descrito, serı́a indispensable analizar la
ejecución del código fuente, buscando la optimización de este.
VIII. CONCLUSIONES
Con base en un grupo de autores, se logró construir
el modelo matemático que permitió simular el
comportamiento de la baterı́a de un vehı́culo eléctrico
en movimiento.
Se logró el desarrollo del simulador SIM.EV con
interfaces amigables al usuario. Este simulador fue
probado y su funcionamiento resultó satisfactorio para
quienes participaron de las pruebas.
Se utilizó el lenguaje Visual Basic.Net para la
construcción de las interfaces y los algoritmos con
los que se implementó el SIM.EV. De otra parte, fue
necesario hacer uso de SQL Server para la construcción
de la base de datos que guarda la información requerida
para ejecutar la simulación.
Con la ejecución de las pruebas se logró mejorar
el funcionamiento del simulador. El comportamiento
de los resultados simulados se compararon con el
comportamiento de datos reales obtenidos a partir de
información real del vehı́culo Nissan Leaf.
Mediante este desarrollo la autora logró poner en práctica
competencias y habilidades adquiridas durante la carrera,
tales como conocimientos especı́ficos y la capacidad de
auto-aprendizaje. Entre los conocimientos especı́ficos,
por ejemplo, los adquiridos en el campo de la fı́sica y la
eléctrica. Y en la capacidad de auto-aprendizaje, ejemplo,
algunos elementos de mecánica, SQL y Visual Basic.Net.
La mayor contribución que se espera de la herramienta
desarrollada es que por medio de su perfeccionamiento
constituya un mecanismo que apoye la transición
energética a energı́as mas limpias ya que el Plan
Energético Nacional ve el sector transporte como el
principal actor del paı́s en términos de cambio energético
y mitigación del cambio climático en los próximos 30
años.
Actualmente, los datosobtenidos a partir del simulador
desarrollado, arrojaron un margen de error del 5 % en
promedio respecto a datos reales. Lo anterior, aunque
constituye una limitación de la herramienta, también
representa la oportunidad de ser utilizada en la academia
como caso de estudio para que los estudiantes busquen
su perfeccionamiento, y de esta forma su potencial pueda
ser desarrollado para mayor utilidad en la industria.
A partir de la herramienta desarrollada, futuras investiga-
ciones se pueden direccionar en primero perfeccionar el
modelo a partir de la corrección del modelo matemático
de simulación, mejorar la experiencia del usuario en el
uso de la aplicación y robustecer la herramienta para que
tenga mas funcionalidades, por lo tanto mas llamativa
para el usuario.
IX. AGRADECIMIENTOS
REFERENCIAS
[1] Advanced Vehicle Simulator download | SourceForge.net.
[2] Alessandro Volta. Museo Virtual de la Ciencia del CSIC.
[3] Canva.
[4] Download IntelliJ IDEA: The Capable & Ergonomic Java IDE by
JetBrains.
[5] El transporte en Colombia es responsable del 78 % de las emisiones
causantes del cambio climático y de la contaminación de aire.
[6] Junio 2022: 123.849 vehı́culos se matricularon durante el primer semes-
tre del 2022.
[7] Objetivo 13: Adoptar medidas urgentes para combatir el cambio clim-
patico y sus efectos.
[8] Visual Studio Code - Code Editing. Redefined.
[9] Mauna Loa, el observatorio que mide las emisiones desde un volcán,
June 2021. Section: Natural Stories.
15
[10] Plan Energético Nacional 2022-2052 ¿Cuáles son los escenarios para
electromovilidad en Colombia? - Portal Movilidad: Noticias sobre
vehı́culos eléctricos, December 2022. Section: Vehı́culos Eléctricos.
[11] UPME . Plan energético nacional 2020 - 2050, 2019.
[12] Rezania Agramanisti Azdy and Febriyanti Darnis. Use of Haver-
sine Formula in Finding Distance Between Temporary Shelter and
Waste End Processing Sites. Journal of Physics: Conference Series,
1500(1):012104, April 2020.
[13] Powering Car. Pasado, presente y futuro de las Baterı́as (I) Powering
Car, January 2019.
[14] E. Cabrera Castillo. Standards for electric vehicle batteries and associa-
ted testing procedures. In Advances in Battery Technologies for Electric
Vehicles, pages 469–494. Elsevier, 2015.
[15] R. Cecchini and G. Pelosi. Alessandro Volta and his battery. IEEE
Antennas and Propagation Magazine, 34(2):30–37, April 1992.
[16] United Nations Climate Change. Las emisiones mundiales de CO2
repuntaron en 2021 hasta su nivel más alto de la historia, March 2022.
[17] Kmg Design. Electric Car free icons designed by kmg design.
[18] Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Sebastien E. Gay, and Ali Emadi, editors.
Modern electric, hybrid electric, and fuel cell vehicles: fundamentals,
theory, and design. Power electronics and applications series. CRC
Press, Boca Raton, 2005.
[19] erinstellato ms. Download SQL Server Management Studio (SSMS) -
SQL Server Management Studio (SSMS), May 2023.
[20] Honda Automóviles España. ¿Qué es el freno regenerativo y cómo
funciona?, January 2022.
[21] Olaia Frauca Fagoaga. Evolución histórica de la baterias aplicadas a
los vehı́culos eléctricos de movilidad urbana. Aplicación de un caso
práctico. bathesis, Universidad Politécnica de Cartagena, Cartagena,
September 2021.
[22] Javier Guembe Zabaleta, Idoia Biurrun, and Julio Marı́a Pascual Mique-
leiz. Cálculo del estado de carga en baterı́as de plomo-ácido: diseño y
validación experimental. bathesis, Universidad Pública de Navarra, June
2016.
[23] Florencia Guglielmetti. Colombia deberı́a vender 217 vehı́culos eléctri-
cos por dı́a para llegar a 600.000 en 2030 - Portal Movilidad: Noticias
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[24] Christopher Guindon. Eclipse IDE | The Eclipse Foundation.
[25] Guillermo Andrés Jimenez Estévez. Electromovilidad clase 7, diseño y
conversión., 2022.
[26] Martin Ariel Kazimierski. Almacenamiento energético frente al inminen-
te paradigma renovable: el rol de las baterı́as ion-litio y las perspectivas
sudamericanas/Energy storage towards the imminent renewable para-
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Letras Verdes. Revista Latinoamericana de Estudios Socioambientales,
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[27] James Larminie and John Lowry. Electric vehicle technology explained.
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[28] Pedro Pablo Marı́n Rodrigo. Aplicación software para la simulación del
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[31] Team rédac. IDE : ¿Qué es un Entorno de Desarrollo Integrado?,
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[33] Julieta Schallenberg Rodriguez, Gonzalo Piernavieja Izquierdo, Carlos
Hernández Rodrı́guez, Pedro Unamunzaga Falcón, Ramón Garcı́a Déniz,
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Technology, pages 2461–2473, December 2020.
[35] NOAA US Department of Commerce. Global Monitoring Laboratory -
Carbon Cycle Greenhouse Gases.
16
X. ANEXOS
17
SIM.EV
Manual de instalación y uso
Julieth Ariana Paz Chunga
Prerrequisitos: Sistema operativo
SIM.EV Manual deinstalación y uso
Si tu computador funciona con Windows, puedes pasar a la sección "Prerrequisitos: SQL
Server". 
Si tienes un computador que funciona con MacOS es necesario el uso de una máquina
virtual para utilizar SIM.EV. Con los siguientes links tienes una opción para instalar y
configurar una máquina virtual. Con los dos primeros instalas la máquina virtual y con el
último video configurar la visualización para mayor comodidad.
Instalar y crear una maquina virtual
https://www.youtube.com/watch?v=qxWkoUS1SXk&ab_channel=TheFlacee
Descargar imagen ISO 
https://www.youtube.com/watch?
v=y6hk12wKlKk&list=PLTGiQxHopHD0luA5VHlEehe9xGrImz7UB&index=4&ab_channel=TheFl
acee
Como Poner VirtualBox a Pantalla Completa 
https://www.youtube.com/watch?
v=2rDM0aCGb18&list=PLTGiQxHopHD0luA5VHlEehe9xGrImz7UB&index=5&ab_channel=TheF
lacee
Prerrequisitos: SQL Server
En la parte inferior dar
click en Descargar a la
version Express
1
SIM.EV Manual deinstalación y uso
Para asegurar el correcto funcionamiento del programa es necesario tener instalado
Microsoft SQL Server (LocalDB).
A continuación se presenta el paso a paso para la instalación correspondiente. En caso de
tenerlo por favor saltar a la sección Instalación
Ingresar a la página 
https://www.microsoft.com/es-es/sql-server/sql-server-downloads
Desplazar la ventana hacia abajo2
3
Prerrequisitos
SIM.EV Manual deinstalación y uso
Abrir el archivo descargado y seleccionar Descargar medios
Seleccionar
LocalDB
Y dar click en
descargar
4
5
6
Prerrequisitos
SIM.EV Manual deinstalación y uso
Abrir la carpeta donde se descargó el instalador y dar doble
click al archivo SqlLocalDB7
Prerrequisitos
SIM.EV Manual deinstalación y uso
Click en Siguiente8 Aceptar términos ycondiciones y dar click en
Siguiente
9
Click en Instalar10
Luego de terminada la
instalación, cerrar la ventana del
instalador de SQL Server 2022
11
Instalación
SIM.EV Manual deinstalación y uso
Para instalar el programa SIM.EV, solo es necesario descargar la carpeta SIM.EVappy
dar doble click al archivo setup.exe
Click en Instalar
Uso
SIM.EV Manual deinstalación y uso
Cuando se abre el programa la primera ventana que aparecerá es la siguiente.
Dar click en examinar y buscar la carpeta donde se descargó el instalador de la
aplicación SIM.EV -> Application Files -> SIM.EV_1_0_0_10 -> Capa datos 
Dar click en Continuar luego de
tener el archivo seleccionado
Seleccionar el archivo datosSIM-EV.mdf y
dar click en Abrir
Uso
1
2
SIM.EV Manual deinstalación y uso
La ventana que aparecerá es la ventana principal.
Esta ventana está dividida en 2 secciones. (1) Ciclo de conducción y (2) características
del vehículo.
Uso: 1. Ciclo de conducción
SIM.EV Manual deinstalación y uso
En la parte inferior
se pueden ver las
características del
ciclo seleccionado.
Hay 5 ciclos de
conducción ya
cargados. 
Puedes cambiar la
gráfica que se
visualiza del ciclo
seleccionado
Si deseas cargar
un ciclo nuevo
debes dar click en
el botón
Uso: 1. Ciclo de conducción
SIM.EV Manual deinstalación y uso
Luego de darle click en Nuevo, aparece esta ventana donde debes señalar el formato
del archivo del ciclo a agregar. Puedes indicar las unidades en las que se encuentra
cada columna.
Este archivo debe ser un archivo separado por comas (.csv).
Dar click en Continuar y seleccionar el archivo
correspondiente al nuevo ciclo de conducción.
Este se guardará dentro de SIM.EV con el
nombre que tenga el archivo csv.
La tabla debe tener
el orden que se ve
en la parte inferior.
No se pueden guardar dos ciclos de conducción con el mismo nombre.
Si la tabla no tiene el formato indicado, no funcionará correctamente.
El punto debe ser el indicador decimal.
No se puede guardar un ciclo de conducción con nombre compuesto solo
por números.
Uso: 2. Características del vehículo
SIM.EV Manual deinstalación y uso
Hay un carro ya guardado (Nissan Leaf).
Las características del
carro seleccionado se
pueden ver aquí
Se pueden editar las
características del
carro seleccionado
Al darle click a este boton se
abre la ventana donde se
ven las caracteristica
correspondientes a la
bateria del carro
seleccionado y al ambiente
Uso: 2. Características del vehículo
SIM.EV Manual deinstalación y uso
Si deseas editar los datos en
la ventana dar click en Editar
Uso: 2. Características del vehículo
SIM.EV Manual deinstalación y uso
Se activan todos los
campos para realizar
modificaciones
Para guardar los cambios
dar click en Guardar
Se puede agregar un
vehículo nuevo
Uso: 2. Caracteristicas del vehículo
SIM.EV Manual deinstalación y uso
Se abre la ventana para añadir un carro diferente
Botón para volver a
la pantalla principal
Guardar vehículo
nuevo
No se pueden guardar dos vehiculos con el mismo nombre.
Si los datos no tienen las unidades indicadas, no funcionará correctamente.
Al añadir un carro nuevo deben estar llenos todos los campos.
Resultados de la
simulación
Uso
SIM.EV Manual deinstalación y uso
Por último para ejecutar la simulación dar click en Comenzar simulación
Se pueden exportar
los resultados
obtenidos en un
archivo .csvBotón para volver a la
pantalla principal
Ciclo de conducción
seleccionado
La ventana de resultados es la siguiente, donde se pueden ver la gráfica de velocidad del
ciclo seleccionado y las gráficas de estado de carga, corriente y potencia de la bateria.
	Introducción
	Objetivos
	Objetivo general
	Objetivos específicos
	Alcance y productos finales
	Descripción de la problemática y justificación del trabajo
	Antecedentes y marco teórico
	Antecedentes
	Marco teórico
	Vehículo eléctrico
	Motor eléctrico
	Batería eléctrica
	Estado de carga
	Frenado regenerativo
	Ciclo de conducción
	Metodología
	Definición
	Búsqueda de información
	Alternativas de desarrollo
	Análisis de resultados
	Descripción del resultado final
	Especificaciones
	Trabajo computacional
	Descripción modelo matemático
	Herramientas utilizadas
	Metodología de prueba
	Validación de los resultados del trabajo
	Discusión
	Conclusiones
	Agradecimientos
	Referencias
	Anexos