PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE ESCUELA DE INGENIERIA IMPLEMENTACIN DE SISTEMA DE TRACCIN PARA VEHICULO ELCTRICO, BASADO EN BATERIA ~ZEBRA Y ULTRACAPACITORES EDUARDO FABIN ARCOS FUENTES Tesis para optar al grado de Magister en Ciencias de la Ingenieria ProIesor Supervisor: 1UAN W. DIXON Santiago de Chile, Julio, 2005 PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE ESCUELA DE INGENIERIA Departamento de Ingenieria Electrica IMPLEMENTACIN DE SISTEMA DE TRACCIN PARA VEHICULO ELCTRICO, BASADO EN BATERIA ~ZEBRA Y ULTRACAPACITORES EDUARDO FABIN ARCOS FUENTES Tesis presentada a la Comision integrada por los proIesores: 1UAN W. DIXON 1ORGE RAMOS 1ORGE PONTT LUCIANO CHIANG Para completar las exigencias del grado de Magister en Ciencias de la Ingenieria Santiago de Chile, Julio, 2005 ii A mis Padres, Hermana, Abuelosy a Susana. iii AGRADECIMIENTOS Enprimerlugar,quieroagradeceramiproIesorguia,DonJuanDixonRojas,porla conIianza depositada en mi para desarrollar este trabajo. Ademas, quiero agradecer a todos con quienes comparti durante el desarrollo de la tesis en el laboratorio; Ian Nakashima, Micah Ortuzar y Alex Gildemeister, quienes ayudaron a que el ambiente de trabajo sea muy grato. INDICE GENERAL Pag. AGRADECIMIENTOS .............................................................................................. iii INDICE DE TABLAS ............................................................................................... vii INDICE DE FIGURAS............................................................................................. viii RESUMEN.................................................................................................................. xi ABSTRACT............................................................................................................... xii I.INTRODUCCION.............................................................................................. 1 I.1.Vehiculos Electricos............................................................................. 1 I.2.Baterias................................................................................................. 2 I.3.Alcance de la Tesis............................................................................... 3 I.4.Organizacion de la Tesis ...................................................................... 4 II.BATERIAS DE ALTA TECNOLOGIA............................................................ 5 II.1.Descripcion de Baterias........................................................................ 6 II.1.1.Bateria de plomo acido......................................................................... 6 II.1.2.Bateria de niquel cadmio...................................................................... 6 II.1.3.Bateria de niquel hidruro metalico....................................................... 7 II.1.4.Bateria de sulIuro de sodio................................................................... 7 II.1.5.Bateria de zinc-aire............................................................................... 7 II.1.6.Bateria de ion de litio ........................................................................... 8 II.1.7.Bateria de litio polimero....................................................................... 9 II.1.8.Bateria de sodio cloruro de niquel (ZEBRA)....................................... 9 II.1.9.Celda de combustible ......................................................................... 10 II.2.Comparacion de DiIerentes Baterias.................................................. 11 II.3.Seleccion de Bateria........................................................................... 16 III.BATERIA ZEBRA........................................................................................... 18 III.1.Por que la ZEBRA es una Bateria de Alta Tecnologia?................... 18 III.2.Componentes y Reacciones Quimicas de la Bateria ZEBRA............ 21 III.3.Caracteristicas de la Bateria ZEBRA Utilizada ................................. 30 IV.DESCRIPCION DE VEHICULO EXPERIMENTAL..................................... 35 IV.1.Sistema de Propulsion Electrica......................................................... 37 IV.1.1.El motor electrico............................................................................... 37 IV.1.2.Inversor de potencia ........................................................................... 39 IV.1.3.Controlador electronico...................................................................... 40 IV.1.4.Transmision mecanica........................................................................ 40 IV.2.Sistema de Almacenamiento de Energia............................................ 41 IV.2.1.Fuente de almacenamiento de energia principal ................................ 41 IV.2.2.Cargador de baterias........................................................................... 41 IV.2.3.Fuente de almacenamiento de energia auxiliar .................................. 42 IV.3.Sistemas PeriIericos ........................................................................... 43 V.INSTALACION DE BATERIA ZEBRA EN EL VEHICULO....................... 45 V.1.Adaptacion del Vehiculo.................................................................... 45 V.2.Instalacion de PeriIericos de Bateria.................................................. 46 V.2.1.Conexion de periIericos ..................................................................... 50 V.3.Montaje de Bateria ............................................................................. 52 VI.PRUEBAS Y RESULTADOS EXPERIMENTALES..................................... 55 VI.1.Analisis de Carga ............................................................................... 55 VI.2.Autodescarga por Mantencion de Temperatura ................................. 57 VI.3.Pruebas de Aceleracion ...................................................................... 59 VI.4.Pruebas de Autonomia ....................................................................... 62 VII.ANALISIS DE RESULTADOS....................................................................... 66 VII.1.Ultracapacitores versus una bateria ZEBRA mas grande .................. 66 VII.2.ComparaciondeCaracteristicasdelVehiculoElectricoconsus Similares a Combustion Interna. ........................................................ 67 VII.3.Costo de Movilizacion ....................................................................... 68 VII.4.Costo de Mantencion.......................................................................... 68 VIII.CONCLUSIONES............................................................................................ 70 VIII.1.Conclusiones ...................................................................................... 70 VIII.2.Trabajos Futuros................................................................................. 70 BIBLIOGRAFIA........................................................................................................ 72 A N E X O S............................................................................................................... 74 ANEXO A:Detalles de Montaje de Bateria ZEBRA............................................ 75 A1.Estructuras para Montaje de Bateria .................................................. 75 A2.Introduccion de la bateria en el pick up ............................................. 78 ANEXO B:Detalles de Conexiones de Bateria ZEBRA....................................... 84 ANEXO C:Instalacion de Bobina......................................................................... 87 ANEXO D:Circuitos de Prueba ............................................................................ 89 ANEXO E:Falla de Aislamiento Detectada en el Vehiculo ................................. 91 ANEXO F:La Beta-Alumina................................................................................ 93 vii INDICE DE TABLAS Pag. Tabla II-1: Comparacion de caracteristicas de baterias..................................................... 11 Tabla III-1: EspeciIicaciones de celda ZEBRA ML3 ......................................................... 27 Tabla III-2: Caracteristicas por catalogo de bateria ZEBRA Z36 utilizada........................ 31 Tabla VI-1: Mediciones de aceleracion .............................................................................. 59 Tabla VI-2: Mediciones de autonomia................................................................................ 63 Tabla VI-3: Comparacion de rendimiento del vehiculo en Km/kWh................................. 64 Tabla VII-1: Comparacion de caracteristicas de versiones de Chevrolet LUV.................. 67 viii INDICE DE FIGURASPag. Figura II-1: Histograma comparativo de energia especiIica de baterias............................. 12 Figura II-2: Histograma comparativo de densidad de energia de bateria ........................... 13 Figura II-3: Histograma comparativo de potencia especiIica de baterias ........................... 14 Figura II-4: Histograma comparativo de ciclos de vida de baterias.................................... 15 Figura II-5: Histograma comparativo de proyeccion de costos de baterias ........................ 16 Figura III-1: Bateria ZEBRA Z37....................................................................................... 19 Figura III-2: Celda de bateria ZEBRA................................................................................ 22 Figura III-3: ModiIicacion realizada al diseo del electrolito............................................. 23 Figura III-4: Contribucion de componentes en la resistencia interna de una celda durante un proceso de descarga de dos horas.............................................................. 23 Figura III-5: Reacciones en la celda al momento de la carga ............................................. 24 Figura III-6: Voltaje en circuito abierto (OCV) versus estado de carga (SOC) para una celda de bateria ZEBRA a 300C .................................................................. 26 Figura III-7: Elementos que componen una celda ZEBRA ................................................ 27 Figura III-8: Distribucion de peso de componentes por celda ............................................ 28 Figura III-9: Distribucion de los elementos en la bateria ZEBRA...................................... 29 Figura III-10: Distribucion de peso de componentes de bateria ZEBRA........................... 30 Figura III-11: Cargador de bateria ZEBRA ........................................................................ 32 Figura III-12: CAN-Display Opus-Light.......................................................................... 33 Figura III-13: ZEBRA monitor V2.5 .................................................................................. 34 Figura III-14: Ventilador para enIriamiento de la bateria................................................... 34 Figura IV-1: Distribucion Iisica de componentes en vehiculo electrico antes de instalar la bateria ZEBRA............................................................................................... 36 Figura IV-2: Diagrama de Ilujo de relacion de componentes ............................................. 37 Figura IV-3: Curva de torque de motor de traccion............................................................ 38 Figura IV-4: Motor UQM durante su instalacion en 1998.................................................. 39 Figura IV-5: Inversor UQM instalado en el vehiculo ......................................................... 40 Figura IV-6: Circuito de almacenamiento de energia antes de instalar bateria ZEBRA .... 42 ix Figura IV-7: Diagrama de estrategia de control.................................................................. 43 Figura V-1: Caja de ultracapacitores traseros instalada...................................................... 46 Figura V-2: Montaje cargador de bateria ............................................................................ 47 Figura V-3: Monitor digital instalado en el vehiculo.......................................................... 47 Figura V-4: Ventilador instalado en el vehiculo................................................................. 48 Figura V-5: Bateria auxiliar montada en el vehiculo.......................................................... 49 Figura V-6: Circuito de carga de bateria auxiliar................................................................ 49 Figura V-7: Cargador de bateria auxiliar montado ............................................................. 50 Figura V-8: Diagrama de conexion de periIericos de bateria ZEBRA............................... 51 Figura V-9: Caja de Iusibles e interconexiones de bateria ZEBRA.................................... 51 Figura V-10: Diagrama de bateria montada en la camioneta.............................................. 52 Figura V-11: Bateria ZEBRA montada en el pick-up......................................................... 53 Figura V-12: Vista lateral de distribucion Iisica actual de componentes en vehiculo electrico .......................................................................................................... 54 Figura V-13: Vista Irontal de distribucion Iisica actual de componentes ........................... 54 Figura V-14: Vista posterior de distribucion Iisica actual de componentes ....................... 54 Figura VI-1: Analisis de carga de bateria ZEBRA ............................................................. 56 Figura VI-2: Monitoreo de autodescarga de bateria............................................................ 58 Figura VI-3: Velocidad y potencia durante aceleracion de 0 a 80 Km/h sin ultracapacitores........................................................................................................................ 60 Figura VI-4: Velocidad y potencia durante aceleracion de 0 a 80 Km/h con ultracapacitores........................................................................................................................ 61 Figura A-1: Estructura soporte de bateria sujeta a pick-up................................................. 75 Figura A-2: Vistas de bandeja que anida la bateria............................................................. 76 Figura A-3: Bandeja nido de bateria ................................................................................... 77 Figura A-4: Vistas de estructura soporte en conjunto con bandeja de bateria .................... 77 Figura A-5: Vista superior de bateria en bandeja sin soporte superior ............................... 78 Figura A-6: Estructura para levantar la bateria ................................................................... 79 Figura A-7: Estructura para levantar la bateria (acercamiento) .......................................... 79 Figura A-8: Rieles instalados en pick-up............................................................................ 80 x Figura A-9: Rieles instalados en pick-up (acercamiento) ................................................... 80 Figura A-10: Bateria ZEBRA en su soporte deIinitivo....................................................... 81 Figura A-11: Tuberias de enIriamiento instaladas .............................................................. 81 Figura A-12: Vista superior de bateria instalada (sin arcos superiores) ............................. 82 Figura A-13: Secuencia de montaje de bateria (vista Irontal)............................................. 82 Figura A-14: Secuencia de montaje de bateria (vista lateral) ............................................. 83 Figura B-1: Conexiones de potencia de la bateria ZEBRA y cargador .............................. 84 Figura B-2: Conectores de potencia en bateria ZEBRA..................................................... 84 Figura B-3: Conexiones de control de bateria ZEBRA y control ....................................... 85 Figura B-4: Conectores de control y alimentacion de bateria ZEBRA............................... 85 Figura B-5: Conexiones de display y otros periIericos de bateria ZEBRA........................ 86 Figura B-6: Conector en display Opus Light ...................................................................... 86 Figura C-1: Montaje de bobina en soporte.......................................................................... 87 Figura C-2: Bobina lista para su instalacion ....................................................................... 88 Figura C-3: Bobina instalada bajo el chasis ........................................................................ 88 Figura D-1: Circuito lento................................................................................................... 89 Figura D-2: Circuito rapido................................................................................................. 90 Figura F-1: Estructura de la beta-alumina........................................................................... 93 xi RESUMENLabateriaZEBRAesunadelasbateriasconmayorenergiaespeciIica,alcanzandoun valor cercano a los 120 Wh/kg. Sin embargo, la ZEBRA no es una bateria que presente una potenciaespeciIicamuyalta.ConelIindecompensarestadeIicienciadepotencia,seha instaladounadeestasbateriasenunvehiculoelectricoquecuentaconunsistemade energia auxiliar a base de ultracapacitores.Enestatesis,sellevaacabounestudiodelabateriaZEBRAysuIuncionamiento. Ademas,sedescribeelprocesodeinstalaciondelabateriaenunacamionetaelectrica ChevroletLUV.Sepresentanlosresultadosdepruebasdeautonomiayaceleracion. Finalmente,serealizaunanalisisdelIuncionamientodelsistemaconjuntoZEBRA-ultracapacitores y de los resultados obtenidos. xii ABSTRACTTheZEBRAbatteryisoneoIthebatterieswithgreaterspeciIicenergy,reachingvalues nearthe120Wh/kg.Nevertheless,theZEBRAisnotabatterythatdisplaysaveryhigh speciIicpower.WiththepurposeoIcompensatingthisdeIiciencyoIpower,oneoIthese batterieshasbeensettledinanEVthatcountswithanauxiliaryenergysystemwith ultracapacitors. Inthisthesis,astudyoIZEBRAbatteryanditsoperationiscarriedout.Inaddition,itis describedtheprocessoIinstallationoIthebatteryinanelectricallighttruckChevrolet LUV.The results oIautonomyand accelerationtests are detailed.Finally, an analysis oI theoperationoIthejointsystemZEBRAultracapacitorsandtheobtainedresultsis made. 1 I.INTRODUCCION Enlosproximos50aos,lapoblacionmundialaumentarade6mila10milmillonesde personas. Por consiguiente, se espera que el numero de vehiculos en las calles aumente de 700millonesa2.500millones|6|.Decontinuartodoslosvehiculosconmotoresa combustioninterna,dedondeobtendremoselcombustibleparaalimentarlos?Que haremos con las emisiones?No es diIicil darse cuenta en la actualidad que el mercado nos esta dando seales de Iutura escasez de carburantes, alzas de precio en los combustibles y Iallasenelsuministrodegasnatural.Nosonincidentesaislados.Unasolucionaesta incertidumbre son los vehiculos electricos. I.1.Vehculos Elctricos En 1835 Sibrandus Stratingh presento el primer diseo para un carruaje electrico. El primerprototipoIueconstruidoporelinventorescocesRobertAndersonen1837. Luego de aos de desarrollo, la tecnologia de los vehiculos electricos esta llegando a unpuntodemaduracion.Losavanceshanpermitidoquelosvehiculoselectricos tengan cada vez mejor desempeo.Los vehiculos electricos pueden suministrar trasporte terrestre sin emisiones. Incluso, sitomamosencuentalasemisionesdelasplantasgeneradorasquerequieran combustible Iosil para suministrar la carga delos vehiculos electricos,estos siguen siendounamejoralternativamedioambiental.Losvehiculoselectricospermitenun manejodelaenergiamaseIiciente,consumiendomenosenergiaporkilometro recorridoypermitiendorecuperarlaenergiaalIrenar.Ademas,lapocacantidadde piezasmovileshacequeelcostodemantenciondeunvehiculoelectricoseamuy bajo. Pero, para que los vehiculos electricos puedan masiIicarse, sus caracteristicas deben adaptarse a los requerimientos de los consumidores. Para esto, se requieren vehiculos 2 electricosconmaskilometrosdeautonomia,mejoraceleracion,menortiempode carga y menores costos.Dentrodeloscomponentesdelosvehiculoselectricos,laIuentedeenergiaesuna piezaIundamentalenelrendimientodelvehiculoylademayorcosto.Las tecnologiasdisponiblescomoIuentedeenergiasondiversas.Enlaactualidad,se encuentran diIerentes alternativas de almacenamiento de energia mecanica, como los volantesdeinercia,energiaelectroestatica,comolosultracapacitoresyquimica comolasbateriasylasceldasdecombustible.Deestavariedaddetecnologias,las baterias son las mas utilizadas y las que presentan un mayor desarrollo.I.2.Bateras BenjaminFranklinIueelprimeroenacuareltermino'bateriaaldescribirun arreglo de placas de cristal cargadas. El inventor italiano Alessandro Volta invento la primerabateriaen1799.Estaconsistiaenalternardiscosdezincycobrecontela empapada en agua salada entremedio de los metales. Dada su Iorma de construccion, Volta le dio el nombre de 'pila.1 NoIuehasta1860queGastonPlanteinventolaprimerabateriarecargable.La bateria de plomo acido. Esta bateria es la recargable mas utilizada en la actualidad. Lanecesidaddealmacenarenergiaydetenerequiposelectricosportatilesha incentivado el desarrollo de diversos tipos de baterias. Desde el punto de vista de los vehiculoselectricos,lasinvestigacionesapuntanadiversasreaccionesquimicassin llegar a concluir cual seria la bateria ideal para la masiIicacion de estos.Labateriaidealesaquellaqueutilizandoelmenorespacioposibleypesandolo menosposible,puedaalmacenarlamayorcantidaddeenergia,lapuedaentregary recibir en grandes Ilujos, aguante la mayor cantidad de ciclos de carga y descarga, y Iinalmente, cueste poco. 1 ReIerencia: www.ieee-virtual-museum.org 3 Enestabusquedadeunabateriaidilica,secontinuanmejorandolastecnologias existentesyprobablementeaparecerannuevas.Sinembargo,haaparecidouna opcionquemejoradegranmaneraeldesempeodelasbaterias.Elcombinaruna bateriaconunsistemaauxiliardeenergia.Unsistemaauxiliarpuedesercualquier otro metodo de almacenamiento de energia que complemente las caracteristicas de la bateriaprincipal.Deestamanera,alcontarcondosIuentesdeenergiaparalelasse puedentenerlasmejorescaracteristicasdecadauna.Generalmente,elsistema auxiliaralmacenapocaenergiaperopermiteentregarelevadospulsosdepotencia para la aceleracion y el Irenado regenerativo. I.3.Alcance de la Tesis Las investigaciones en vehiculos electricos buscan crear automoviles que se ajusten a las preIerencias y necesidades del consumidor, manteniendo una alta eIiciencia en el aprovechamientodelaenergia.Enlabusquedadedesarrollarunvehiculoelectrico con mayor autonomia y mejores prestaciones en ruta, se ha montado en un vehiculo experimentalunsistemacombinadoconunabateriaZEBRAyunsistemaauxiliar conultracapacitores.LabateriaZEBRA(ZeroEmissionBatteryResearchActivity) es un sistema electroquimico de alta energia basado en sal comun y niquel, lo que la hacemuyamigableconelambiente.Losultracapacitoressondispositivos electrostaticos con una gran capacidad de potencia (unas diez veces lo de una bateria promedio),loquepermiteelcomplementodepotenciarequeridoenunsistema auxiliar de traccion. Enmemoriasanterioresyasepresentalaconstrucciondeunvehiculoelectricocon bateriasdeplomoacido.Luego,entrabajosposterioressepresentala implementaciondelsistemadeenergiaauxiliarconultracapacitoresmasun conversor buck-boost y sus metodos de control asociados.En esta tesis se plantean dos objetivos principales. El primero es la instalacion en un vehiculoelectricoexperimentaldelmencionadosistemacombinadodetraccion basado en la bateria ZEBRA y los ultracapacitores. El segundo es demostrar que esta 4 combinacionpermitealtaautonomiayprestacionesmedianteunaseriedepruebas experimentales con el vehiculo en condiciones reales de operacion. I.4.Organizacin de la Tesis En el capituloIIse presentan las principales baterias de alta tecnologiadisponibles. Luego, se comparan las diIerentes caracteristicas de las baterias para terminar con la seleccion de la bateria utilizada. En el capitulo III se describe la bateria ZEBRA con mayor detalle, sus componentes, suquimicaycaracteristicas.Seterminaconunadescripciondelmodelodebateria ZEBRA adquirido y los accesorios que la acompaan. EnelcapituloIVserealizaunarevisiondeloscomponentesdelvehiculoelectrico Chevrolet LUV antes de su modiIicacion.EnelcapituloVsedescribelainstalaciondelabateriaZEBRAenelvehiculo.Se parte describiendo las adaptaciones realizadas en el vehiculo previo al montaje de la bateria.Luego,sedescribelainstalaciondetodosloscomponentesdelabateria,el montaje de esta y sus conexiones. EnelcapituloVIsepresentanlaspruebasrealizadasalabateriayalvehiculoen conjuntoconsusresultados.Laspruebasrealizadasalabateriasondecarga,y autodescarga. Las pruebas presentadas del vehiculo son de autonomia y aceleracion. En el capitulo VII se realiza un analisis de los resultados obtenidos en las pruebas de labateriayelvehiculo.Secomparanlosresultadosobtenidosconunvehiculo electrico sin ultracapacitores y con vehiculos a combustion interna. Finalmente,enelcapituloVIIIseentreganlasconclusionesdeltrabajorealizadoy un resumen del posible trabajo a Iuturo tanto en la camioneta como con la bateria 5 II.BATERIAS DE ALTA TECNOLOGIA ElmercadoactualoIreceunagranvariedaddebateriasdealtatecnologiaparatraccion electrica. Cada una de estas baterias presenta diversas caracteristicas. Las principales caracteristicas que se utilizan para describir una bateria son:Laenergaespecfica,quecorrespondealacantidaddeenergiaquelabateria puedealmacenarporunidaddemasa.SemideenWatthoraporkilogramo (Wh/Kg).Ladensidaddeenerga,quecorrespondealacantidaddeenergiaquelabateria puede almacenar por unidad de volumen. Se mide en Watt hora por litro (Wh/l). Lapotenciaespecfica,queaducealapotenciaqueselepuedepediralabateria porunidaddemasa.SemideenWattporkilogramo(W/Kg).Cuantomayoresla potencia especiIica de una bateria, mayor corriente se le puede pedir con una menor caida de voltaje en sus bornes. Los numeros de ciclos de vida de la bateria, que son la cantidad de cargas y luego descargasqueaguantalabateriamanteniendociertasdesuscaracteristicas originales. Este valor puede variar con respecto al uso que se le da a la bateria. TambiensedeIineensuoperacionloqueseentiendeporestadodecarga(SOC), proIundidad de descarga (DOD) y voltaje en circuito abierto (OCV). Elestadodecargadelabateria(SOCo'StateOICharge),quecorrespondeal porcentaje de energia que le queda a la bateria en relacion a la carga total. Laprofundidaddedescarga(DODo'DeepOIDischarge)eselcomplemento del estado de carga (DOD100-SOC ||). Es la cantidad de energia porcentual que se ha utilizado de la bateria. Elvoltajeencircuitoabierto(OCVu'OpenCircuitVoltage)correspondeal voltaje en bornes de la bateria en ausencia de carga electrica. 6 II.1.Descripcin de Bateras A continuacion, se presenta una breve descripcion de diIerentes tipos de baterias que se han desarrollado para traccion electrica.2 II.1.1.Batera de plomo cido LabateriadeplomoacidoIueinventadaporGastonPlanteen1860.Hoy,esla bateria mas usada para vehiculos electricos. En su Iorma basica, la bateria de plomo acidoconsisteenunaplacadeplomocomoelectrodonegativoyunelectrodo positivodedioxidodeplomo,sumergidoenunelectrolitoqueconsisteenacido sulIurico diluido (densidad 1.28 para una bateria completamente cargada y 1.12 para una bateria descargada).Enlaactualidad,lamejorbateriadeplomoacidoparatraccionelectricaeslade valvularegulada(VRLA:ValveRegulatedLeadAcid).Lasprincipales caracteristicas que destacan a este tipo de bateria de plomo acido son: es liviana, no requieremantencion,puedeserutilizadaencualquierposicion,autodescarga25 menor que otras baterias de plomo, baja resistencia interna y aguanta mayor numero de descargas al 100.3 II.1.2.Batera de nquel cadmio Labateriadeniquelcadmiotambienhaexistidodurantemuchotiempo.Fue inventada por Thomas Alva Edison. En esta bateria, el electrodo positivo se hace de oxidodeniquelyelelectrodonegativodecadmio.Elelectrolitoconsisteenuna solucion de hidroxido de potasio. Puede ser cargada rapidamente y aguanta descargas proIundas(hasta100).SueIicienciaenergeticaesbaja,esdecirquenoentrega todalaenergiaconqueIuecargada.Ademas,estabateriapresentaelIenomenode 2 Muchos de los datos presentados a continuacion se extrajeron de www.varta-automotive.com3Fuente: www.csb-battery.com7 memoria. Este Ienomeno trae como consecuencia la disminucion de la capacidad de la bateria si no se realizan correctamente los ciclos de carga y descarga. II.1.3.Batera de nquel hidruro metlico Esta bateria es similar a la de niquel cadmio. Sin embargo, tiene la gran ventaja de no requerircadmio.Estolaconvierteenunabateriamasamigableconelmedio ambienteymasbaratadeIabricarenmasa,yaqueelcadmioestadisponibleen cantidades limitadas. Esta bateria presenta una energia especiIica 40 superior a su hermanadeniquelcadmio.Adicionalmente,presentaunmenoreIectodememoria. Susdebilidadessonsualtasensibilidadalnivel dedescargaysualtaautodescarga. Ademas,estabateriaesmuysensiblealatemperatura.Labateriadebeser almacenada en un lugar Iresco a un 40 de su carga.4 II.1.4.Batera de sulfuro de sodio EstesistemadebaterianaciocomounareacciondeFordalaprimeracrisisdel petroleo.LaempresaChlorideenInglaterrayBBC(ABBenlaactualidad)en Alemania,llevaronacabosudesarrolloenlosaos70.Lasbateriasconsistenen cadenasparalelasdeceldasidenticasconunacapacidadde40Ahporceldapara ABB y 10 Ah por celda para Chloride. Se alcanzaron energias especiIicas de 90 a 110 Wh/kgy80a90Wh/kgrespectivamente(enterminosdebateriascompletas).Sin embargo,ChlorideyABBcontinuaroneldesarrollosolohasta1996.Hoy,el desarrollodeestesistemadebateriasecontinuasolamenteenJapon,peropara equipos estaticos. II.1.5.Batera de zinc-aire Esta bateria utiliza elcontenido en oxigeno del aire como masa activa. El electrodo positivoesuncuerpoporosohechodecarbonconaccesoalaire.Eloxigeno 4 www.batteryuniversity.com 8 atmosIericosereduceenesteelectrodo.Lamasaactivanosecontieneasienel electrodo sino que se toma del aire circundante mientras sea necesaria, por lo que el pesodelabateriasereduceenIormaimportante.Elelectrodonegativoconsisteen zinc y una solucion acuosa de hidroxido de potasio sirve como electrolito. Unadesventajadeestesistemaesquealdescargarselabaterianopuedeser recargadademaneraconvencional,yaqueelzincdebeserprocesado.Poresto mismo,labaterianoaceptaregeneracion.Ademas,eldioxidodecarbonodelaire reducesuconductividad.Despuesdelaactivacion,estasbateriastienenqueser utilizadasrapidamente.Laspequeasceldastipobotonseusancomunmenteen sistemas de protesis de oido. Unnuevodesarrollodeestesistemaparalosvehiculoselectricossebasaenla posibilidaddesustituirelzincdescargadoporzincnuevo.Paraestepropositolos electrodos se mantienen en cartuchos. El zinc se trata en instalaciones especiales para obtenerlosnuevoselectrodos.LaenergiaespeciIicaesexcelente(180-220Wh/kg). LaDeutschePosteAGestaprobandoactualmenteunagrancantidaddevehiculos con estas baterias. II.1.6.Batera de in de litio Ellitioeselmetalalcalinoconelpesomolecularmasbajoyseencuentraallado mas negativo de la escala de voltaje electroquimico. Por estas razones, el litio como material para los electrodos negativos permite una muy alta capacidad de almacenaje deenergia.Ellitioseutilizacomoelectrodometalicoenbateriasprimariascon electrolitos organicos. El principio base de Iuncionamiento de las bateriasde ion de litioIueeldescubrimientodecompuestosdegraIitoylitioparasuusocomo electrodos.LosionesdelitiosealmacenanenunarejilladecarbonograIitodonde los electrones pueden ser absorbidos o liberados.En la actualidad, se han conseguido celdas de 3.6V con un alto numero de ciclos de vida (1450 ciclos). La bateria de ion de litio es un poderoso sistema con 120 Wh/kg y 9 270 Wh/l y tiene la ventaja que Iunciona a temperatura ambiente. Su desventaja es su costo y su alta sensibilidad a sobrecargas y sobredescargas. En el presente, se puede versuusoentodalavariedaddeequiposelectronicosportatiles.Lasceldaspara aplicacionesenvehiculossonIabricadasporlaIrancesaSAFT.Estaempresaha surtidoalagranmayoriadevehiculosprototiposconestesistemade almacenamiento. II.1.7.Batera de litio polmero Labateriadellitio-polimerosediIerenciadeotrossistemasdebateriaeneltipode electrolitousado.Eldiseooriginal,elcualseremontaalosaos70,utilizaun electrolitodepolimero.Esteelectrolitoseasemejaalplastico,noconduce electricidad,peropermiteelintercambiodeiones.Elelectrolitodepolimero substituyeelseparadorporosotradicional.EldiseosecodelpolimerooIrece simpliIicacionesconrespectoalaIabricacion,alaseguridadyalIinoperIildelas celdas.NohaypeligrodeinIlamabilidadporquenoseutilizaningunliquidoo electrolitoengel.DesaIortunadamente,lacombinaciondelitio-polimerosecotiene bajaconductividad.Porestarazon,labateriatieneunabajapotenciaatemperatura ambiente.Sinembargosepuedeaumentarlaconductividadinternadelasceldas manteniendolas a 60C. II.1.8.Batera de sodio cloruro de nquel (ZEBRA) LabateriaZEBRA(ZeroEmissionBatteryResearchActivity)esunatecnologiade avanzadaqueseencuentraentrandoalmercado.Esunabateriadealtatemperatura queencontrasteconsuhermanaquimicalabateriadesulIurodesodio,notiene inconvenientesalenIriarse,locualpuedeocurrirsinproblemas.Paravolvera utilizarse,labateriadebesercalentadanuevamenteutilizandoenergiadelared electrica. Todos los procesos de la bateria son controlados por un sistema electronico autonomo. La bateria se encuentra actualmente en produccion en Suiza. 10 LaZEBRAhasidoprobadaendiversosvehiculoselectricosconmuybuenos resultados de autonomia. II.1.9.Celda de combustible La primera Celda de Combustible Iue construida en 1839 por Sir William Grove. El verdaderointeresenceldasdecombustible,comoungeneradorpractico,novino sino hasta comienzos de los aos 1960`s cuando el programa espacial de los Estados Unidos selecciono las celdas de combustible en lugar del riesgoso generador nuclear ydelacostosaenergiasolar.Unaceldadecombustiblees,enesencia,unabateria queusaunsuministrodecombustibleexterno.Generaelectricidadcombinando hidrogenoyoxigenoelectroquimicamentesinningunacombustion.AdiIerenciade lasbaterias,unaceldadecombustiblenoseagotanirequiererecarga.Producira energiaenIormadeelectricidadycalormientrasseleproveadecombustible.El unico subproducto que se genera es agua 100 pura. LasceldasdecombustiblesonunaIamiliadetecnologiasqueusandiIerentes electrolitosyqueoperanadiIerentestemperaturas.CadamiembrodeesaIamilia tiendeasermasapropiadaparaciertasaplicaciones.Porejemplo,lasceldasde combustibledemembranaelectricapolimericahandemostradoserapropiadaspara suaplicacionenautos,mientrasquelasceldasdecombustibledecarbonatos Iundidos parecen ser mas apropiadas para uso con turbinas a gas.Uninconvenientedelaceldadecombustibleesquerequieredeunsistemade abastecimiento de hidrogeno. Estegas esextremadamente explosivo, lo que lo hace muy diIicil de manejar. Para trabajar con celdas de combustible se requiere una gran inversion en instalaciones seguras para la manipulacion de hidrogeno.5 5 ReIerencia: www.claudio-otero.cl 11 II.2.Comparacin de Diferentes Bateras ParacompararlasdiIerentescaracteristicasdelasbateriassepresentalatablaII-1 |6|. Ademas de las especiIicaciones tipicas, se incluye una proyeccion de costo. Esta proyeccionestimauncostoprobableendolaresamericanosporkWhquetendria cada bateria de comercializarse de Iorma masiva para traccion. Tabla II-1: Comparacion de caracteristicas de bateriasEnerga Especfica Densidad de Energa Potencia Especfica Ciclos de Vida Proyeccin de Costo (Wh/Kg)(Wh/l)(W/Kg)ciclos(US$/kWh) Plomo cido (VRLA) 30-4560-90200-300400-600150 In de Litio120140-200250-450800-1200>200 Litio Polmero155220315600? Nquel Cadmio40-6080-110150-350600-1200300 Nquel Hidruro Metlico 60-70130-170150-300600-1200200-350 Nquel Zinc60-65120-130150-300300100-300 Sulfuro de Sodio100150200800250-450 ZEBRA1201861671000-2000230-350 Zinc Aire180-220269105 No se aplica 90-120 ParailustrardemejormaneralosdatossepresentanlossiguientesgraIicos comparativos (Iiguras II-1, II-2, II-3, II-4 y II-5). Se utilizaron valores promedios de las caracteristicas presentadas en la tabla II-1 12 Energa Especfica (Wh/Kg)050100150200250PlomoAcido(VRLA)Litio Ion LitioPolmeroNquelCadmioNquelHidruroMetlicoNquelZincSulfuro deSodioZebra Zinc Aire Figura II-1: Histograma comparativo de energia especiIica de baterias ConrespectoalaenergiaespeciIica,sepuedeobservarenelgraIicoII-1quela bateriadezincairesuperadegranmaneraalasotrasbaterias.Estosedebe principalmente,aquelamasaactivaesaireporloqueelpesodelabateria disminuyeconsiderablemente.Ensegundolugarquedanlasbateriasdelitiojuntoa la ZEBRA y en tercer lugar la bateria de sulIuro de sodio. Las dos ultimas deben su aumento de peso entre otros a la necesidad de una armadura aislante que mantenga la temperatura interior. 13 Densidad de Energa (Wh/l)050100150200250300PlomoAcido(VRLA)Litio Ion LitioPolmeroNquelCadmioNquelHidruroMetlicoNquelZincSulfuro deSodioZebra Zinc Aire Figura II-2: Histograma comparativo de densidad de energia de bateria ElcasodeladensidaddeenergiaessimilaraldelaenergiaespeciIica.Aunquese puedeobservarunamejoraenestacaracteristicaalabateriadeniquelhidruro metalico.Ademas,sepuedeobservarqueconrespectoaladensidaddeenergia,la bateria ZEBRA tiene caracteristicas similares a la de litio ion. 14 Potencia Especfica (W/Kg)050100150200250300350400PlomoAcido(VRLA)Litio Ion LitioPolmeroNquelCadmioNquelHidruroMetlicoNquelZincSulfuro deSodioZebra Zinc Aire Figura II-3: Histograma comparativo de potencia especiIica de baterias Labateriadelitioioneslabateriaquepresentamayorpotencia.Porotroladola bateriaZEBRAyZincairesonlasquepresentanunapeordensidaddepotencia. Como se vera mas adelante, esta cualidad puede ser compensada con la utilizacion de ultracapacitores. 15 Ciclos de Vida02004006008001000120014001600PlomoAcido(VRLA)Litio Ion LitioPolmeroNquelCadmioNquelHidruroMetlicoNquelZincSulfuro deSodioZebra Zinc AireNo se aplica Figura II-4: Histograma comparativo de ciclos de vida de baterias ElnumerodeciclosdevidaeslamejorcualidaddelabateriaZEBRA,pudiendo llegar hasta los dos mil ciclos. La siguiente bateria en la lista es la de ion de litio que hasta ahora, es la bateria que presenta globalmente mejores caracteristicas. 16 Proyeccin de costos (US$/kWh)050100150200250300350400PlomoAcido(VRLA)Litio Ion LitioPolmeroNquelCadmioNquelHidruroMetlicoNquelZincSulfuro deSodioZebra Zinc Aire? Figura II-5: Histograma comparativo de proyeccion de costos de baterias Laproyecciondecostonoesunacaracteristicaquesepuedaapreciarenla actualidad.Haymuchasbateriasquenoseencuentranenproduccionmasiva.Por otro lado, si queremos analizar el costo de una bateria se debe considerar no solo el costoinicial,sinoelgastoenbateriasenlavidadelvehiculo.Paraesto,sedebe considerar el costo de la bateria, los ciclos de vida y la energia especiIica de esta; asi se tiene un costo del almacenamiento total de energia durante la vida del vehiculo. II.3.Seleccin de Batera La seleccion de la bateria no se puede basar solo en los datos teoricos que se tienen. Para la adquisicion de la bateria existia un presupuesto de $14 millones de pesos. Por otrolado,desdeChilenoesIaciladquirirunaunidad.Lasrazonesdeestoson principalmentelacasinulacantidaddevehiculoselectricosenelpais,asicomoel poco interes de los Iabricantes por vender pocas unidades de sus productos.17 Si nos regimos por las cualidades de las baterias, la de ion de litio seria la candidata ideal.Eslabateriaquepresentalasmejorescaracteristicasensuglobalidad.Sin embargo,labateriadezincairetambienpresentamuybuenascaracteristicas.El problema es que no permite recarga ni Ireno regenerativo, por lo que para regenerar las placas de zinc de la bateria externamente, exige la compra de equipos costosos. Si nos enIocamos en los costos totales en bateria durante la vida del vehiculo, la mas convenienteeslabateriaZEBRA.Sugrancantidaddeciclosdevidalahacenuna bateria economica al largo plazo. Enlapractica,almomentodecotizarbateriaslaunicaempresaquemostroreal interes en vender una unidad Iue MES-DEA, la Iabricante de baterias ZEBRA. Este Iueunpuntodeterminanteenlaselecciondeestabateriaparaserinstaladaenel vehiculo experimental. 18 III.BATERIA ZEBRA La bateriaZEBRA Iue desarrollada en basea una investigacion realizada en la decada de los setenta por un sudaIricano llamado Johan Coetzer en la Anglo African Oil Companv. El lugargeograIicodesunacimientoIueotrarazonporlaelecciondesunombre.El desarrollocontinuoposteriormenteenAlemaniaporAEGAngloBatteriesGmbH.Luego, lacompaiaSuizaMES-DEAcontinuoeldesarrollodelabateriaensuCentrode InvestigacionyDesarrolloBetaResearch&Development,enDerby,Inglaterra. Finalmente,desde1999secomenzolaproduccionenseriedelabateriaenlaplanta ubicada en la ciudad de Stabio al sur de Suiza. III.1. Por qu la ZEBRA es una Batera de Alta Tecnologa? LaZEBRA,seencuentraenelgrupodebateriasdealtatemperatura.Labateria ZEBRAtrabajaaunatemperaturapromediode300C.Paraalcanzaralto rendimiento,lasbateriasdealtatemperaturautilizanelementosligerosconuna aIinidadquimicagrande.Talessistemaselectroquimicoscombinanunacapacidad para almacenar alta energia con un bajo peso. Aparte del hidrogeno, el litio y el sodio son alcalinos ligeros, que los convierte en buenos candidatos para masa activa en el electrodonegativo.Estosmetalesalcalinos,sinembargo,nosepuedenutilizarcon electrolitos acuosos, puesto que esto daria lugar a eIectos quimicos indeseables. Una alternativa usadaen sistemas de bateria de este tipo es la beta-alumina (utilizada en su Iorma NaAl5O8), un oxido de aluminio ceramico que contiene iones de sodio. En temperaturas sobre 270C, los iones de sodio alcanzan tan alta movilidad dentro del electrolitosolidoqueseconsigueunaconductividadadecuada.Laaltatemperatura deIuncionamientorequiereelaislamientoapropiadoyelcontrolautomaticodela temperaturaparatalesbaterias.Lasventajasdequelabateriaopereaaltas temperaturas son las siguientes: Atemperaturaambientepuedenseralmacenadasconsucargacompletasin necesidad de mantencion. 19 Yaquelacajaquealmacenalasceldasseencuentratotalmenteaislada termicamente, el Iuncionamiento de la bateria es totalmente independiente de latemperaturaambiental.Laspruebasrealizadasalabateriamuestranque puede trabajar en un rango de temperaturas de -40C a 70 C. ElcontroltermicoesmasIacilconbateriasdealtatemperaturaqueconlas quetrabajanatemperaturaambiente,yaqueexisteundiIerencialtermico mayor entre la temperatura de la celda y su reIrigerante (aire). LabateriapuedeserutilizadatambiencomoIuentedecalor.Estoselogra conectando el sistema de enIriamiento de la bateria al sistema de caleIaccion del vehiculo. De esta manera, se puede tener calor en el interior del vehiculo. Las desventajas de las baterias de alta temperatura son: Lossistemasdecontroldetemperaturaylosmaterialesaislantestermicos aumentan el peso de la bateria, el tamao y el precio de esta. Tanto el caleIactor como el ventilador consumen energia de la bateria. Aunque es poco probable, ante alguna Ialla de aislamiento electrico se puede producir un incendio en el vehiculo. El proceso de calentamiento es lento. Figura III-1: Bateria ZEBRA Z37 20 El desarrollo original del sistema ZEBRA Iue llevado a cabo debido a la alta energia especiIicaquepodriaseralcanzada.Lasbateriasqueseestanproduciendo actualmente permiten alcanzar sobre 100 Wh/Kg para el paquete completo de celdas, incluyendo cubierta de la bateria, sistema de enIriamiento y sistema de control. Esto permitealosvehiculoselectricospurostenerautonomiasmayoresa100Km.Sin embargo,conlaactualpotenciaespeciIica(algosuperiora150W/kg)seobtienen respuestas de aceleracion y Irenado relativamente bajas.Laquimica,eldiseoylaconstrucciondelsistemadantambienmuchasotras ventajas, que contribuyen a la vida, conIiabilidad, resistencia al abuso, seguridad y a la amplia aplicabilidad de la ZEBRA. Labetaaluminaesunaisladorelectronicoycomonohayreaccionesquimicas laterales, la celda es un 100 eIiciente desde el punto de vista de las reacciones. Esto simpliIicaelcontroldelacargayaqueesIacilmentecalculableconprecision.Las celdasvancompletamenteselladasynorequierenmantenimiento.Todoestola deIine como una bateria muy eIiciente. Las celdas de laZEBRA bajan su resistencia ante una Ialla en ellas. Por esta razon, lassecuenciasdeceldasconectadasenseriequecontienenceldasconIallas continuaran Iuncionando |11|. Por otro lado, la bateria no requiere sistemas que ecualicen la carga de las celdas. La capacidad de descarga de la bateria es independiente de su rango de carga. La energia delabateriasolosepuedeveraIectadaaaltosrangosdedescargadondeseve reducido su voltaje. Otra gran ventaja de esta bateria es que puede ser utilizada en su rangocompletodecargasinperdersucapacidadinicial.LaZEBRAconservauna alta densidad de energia bajo altos rangos de exigencia de carga. Comoseveramasadelante,laexistenciadereaccionesIrenteaunasobrecargay sobredescargapermitenquelaZEBRAseaunabateriamuyresistenteantelos abusos en su utilizacion. Eso si, el Iuncionamiento de la bateria se vera perjudicado 21 si se utiliza repetidamente en condiciones de sobrecarga y sobre descarga, por lo que elsistemadecontrolprevienesuusoenestasregiones.Sinembargo,sedebetener enconsideracionqueanteunaIalladelsistemademonitoreolabateriacontinua siendosegura.PruebasrealizadasporelIabricantedemuestranquelabateriapuede ser sobrecargada hasta un 50 mas de su capacidad nominaly sobre descargada un 50 bajo su rango nominal. Labateriacuentaconunaseriedesistemasdeproteccion.Internamente,labateria tiene interruptores mecanicos (reles) y electronicos (IGBTs) en sus bornes, tanto para la conexion de la carga como para la del cargador. El sistema electronico monitorea variablescomolacargaelectrica,elvoltaje,lacorriente,latemperatura,la resistencia y el Iuncionamiento de cada uno de sus componentes. Tambien, la bateria monitorealascondicionesexternas,midiendoseelaislamientoelectricodelcircuito de potencia con respecto al chasis del vehiculo y la presencia de cortocircuitos en el mismo. Todalatecnologiaqueincluyeestabateria,laconvierteenunabateriamuy conIiable.LaspruebasrealizadasendiversosvehiculosloconIirman.TheSanta Barbara Electric Transportation Institute (SBETI) probo un autobus con 125 kWh de bateriasZEBRA.EsteautobusIueutilizadoeneltransportepublicodeldistritode Santa Barbara pudiendo circular 120 Km entre cada carga |14|. III.2. Componentes y Reacciones Qumicas de la Batera ZEBRA LabateriausaniquelentresIormas.LamasimportanteesenIormadeunpolvo comercialmentedisponiblequeIuncionacomoelectrodopositivo. Aproximadamente, se necesitan 120 g de polvo de niquel para cada una de las celdas queconIormanunabateria.Elmetalreaccionaconelelectrodonegativodesal comun(clorurodesodio)paraIormarclorurodeniquelysodiocuandolasceldas estan cargadas |13|. 22 Elniquelnuevamentevieneaparticiparcomocolector,presenteenunabarrade cobreconrecubrimientodelaaleaciondeniquelNO2200quellevaytraela corrienteelectricaalabateria.Elsodioestacontenidoenceldasdeacerocon carbono,yestasasuvezsealbergandentrodeunacajadebateriadedoblepared hecha de acero inoxidable. Figura III-2: Celda de bateria ZEBRA Conlabateriacargada,elelectrodopositivocentralconsiste,principalmente,de clorurodelniquelydesodiojuntoconelelectrolitoliquidoNaAlCl4,contenido dentro de un tubo solido de beta-alumina. Para mejorar el desempeo de la bateria, se haagregadohierroenestetubo.Deestamanera,seincluyeunanuevareaccion quimicaenelproceso.Ademas,paradisminuirlaresistenciainternadelaceldase modiIicolaIormadelelectrolitodealuminio,aumentandosusuperIicie,asicomo disminuyendo el grosor del mismo. Este cambio se puede observar en la Iigura III-3. 23 Figura III-3: ModiIicacion realizada al diseo del electrolitoSin embargo, la resistencia interna de la bateria no deja de ser considerable. Se vera almomentodelaspruebasqueaIectadegranmaneraelcomportamientodela bateria. En el siguiente graIico de la IiguraIII-4 se puede vercomo contribuyen los diIerentescomponentesenlaresistenciainternaycomovariaestaconladescarga. LagraIicadelaresistenciaestamostradaenIunciondelaproIundidaddedescarga (DOD o Deep OI Discharge), desde cero hasta 100. Figura III-4: Contribucion de componentes en la resistencia interna de una celda durante un proceso de descarga de dos horasNueva celda Celda antigua Cubierta de celda -electrolto 24 Labaterianopresentasolounareaccionalmomentodecargaydescarga.La incorporaciondenuevoscomponentesalabateria,asicomolasreaccionesalas sobrecargas y sobre descargas agregan mas (|10| y |13|). La reaccion quimica en la que se basa la bateria ZEBRA es la siguiente: Na NiCl Ni NaCl ++ 2 22descargacarga Esta reaccion genera un potencial de 2.58 V por celda. En la ecuacion, el proceso de carga es de izquierda a derecha y viceversa. Figura III-5: Reacciones en la celda al momento de la cargaComoyasemencionoanteriormente,paraaumentarlapotenciadelabateriase agregohierroenelelectrodopositivo.Conelhierropresentesesumalasiguiente nueva reaccion.2Na+ + 2e-2Na+ 2Na 2NaCl + Ni Ni2+ + 2e- + 2Cl- + 2Na+ NiCl22e- Beta-almina 2e- + _ 2e- -Al2O3 NaAlCL4 Carga T>270 25 Na FeCl Fe NaCl ++ 2 22descargacarga Esta nueva reaccion genera 2.35 V por celday ocurre cuando la celda tiene un bajo nivel de carga. De esta manera, se evita una mayor caida del voltaje al descargarse la bateria. Alsobrecargarlabateria,apareceunanuevareaccion.Estaincluyealaluminio presenteenelelectrodoytambiencolaboraenelprocesodealmacenamientode energia. 3 2 42 2 2 AlCl Na NiCl Ni NaAlCl + ++ descargacarga Al momento de sobre descargar la bateria tambien aparece el aluminio presente en la bateria. Como se aprecia en la siguiente reaccion. Na NaAlCl Al NaCl ++ 3 44descargacarga EsteconjuntodereaccionespermitequelaceldadelaZEBRAtengaunacurvade descarga como se puede apreciar en la Iigura III-6. 26 OCV vs SOC01234-50 0 50 100SOC [ % ]OCV [ V ] Figura III-6: Voltaje en circuito abierto (OCV) versus estado de carga (SOC) para una celda de bateria ZEBRA a 300C 6 LaceldadelabateriaIuncionaaunatemperaturapromediode300C.Durantela carga, los iones de sodio se mueven a traves de la pared de beta alumina para Iormar el electrodo negativo de sodio liquido que es contenido por una cubierta de acero. El electrodopositivoporsuladocontieneNiCl2juntoconniquel.Lossegurosdela celda, que separan los electrodos y los aislan del aire, consisten en bandas adheridas portermo-compresionquelounenauncollardealIaalumina.Estesub-ensamble parcial, entonces es unido al tubo de beta alumina por un sello de vidrio. En la Iigura III-7 se puede apreciar una celda desmantelada observando los distintos componentes mencionados.LascaracteristicasdeunaceldadelabateriaZEBRAseresumenenlasiguiente tabla. 6 GraIico suministrado por MES-DEA 27 Tabla III-1: EspeciIicaciones de celda ZEBRA ML3 Celda ML3 Energa especfica120 Wh/Kg Potencia especfica ~150 W/Kg Capacidad38 Ah Peso685 g Voltaje c.a.2.58 V Ciclos de vida3000 Figura III-7: Elementos que componen una celda ZEBRA Los componentes de la celda suman un peso de 685g. Este peso se distribuye segun la siguiente graIica |11|. Beta-almina NaCl+Ni+Al+Fe 28 Figura III-8: Distribucion de peso de componentes por celda Elensamblecompletodelabateriaincluyealasceldasposicionadasverticalmente en una caja metalica con doble muralla. Entre las murallas se encuentra un espacio al vacio relleno con un aislante de 20 a 30 mm para asegurar bajas perdidas de calor. En general las perdidas de calor bordean los 150 W para una bateria de 30 kWh. De esta maneraelexteriordelabateriaseencuentraaunatemperaturaenpromedio10C superior a la ambiental,cuando su interior se encuentra a 300C. El interior incluye tambien un caleIactor electrico para calentar la bateria a su temperatura de operacion y mantenerla. Cuando se realizan descargas de alta potencia es necesario un sistema deenIriamiento.Estesistemautilizaenlamayoriadelosmodelosdebateria,aire comoreIrigerante.ElairecalienteevacuadosepuedeutilizarparacaleIaccionarla cabinadelvehiculo.Sinembargo,elventiladorconsumeenergiadelabateria.Para evitarsuIuncionamientoIrecuente,elaislamientodelasparedesdelabateriaesta diseado para que la bateria se mantenga en su uso corriente alrededor de 300C. De esta manera, se evita el uso periodico tanto del caleIactor como del ventilador. En el exterior de la caja, se incluye el microprocesador(BMI:BatteryManagement InterIace)quecomoIuncionprincipaltieneellograrqueelsistemaseaconIiabley seguro,protegiendolabateriadelabuso.LasprincipalesIuncionesdeestesistema son: 29 Regular la temperatura de la bateria Calcular el estado de carga Medir la resistencia de aislamiento electrico de la bateria Controlar el voltaje y la corriente Controlar los interruptores en los bornes de la bateria Controlar el cargador de la bateria Monitorear posibles Iallas Un diagrama de la bateria con todos sus sistemas se presenta en la Iigura III-9 |15|. Figura III-9: Distribucion de los elementos en la bateria ZEBRA Con todos los componentes mencionados se obtiene una bateria que segun el modelo puede llegar a pesar mas de 200Kg. El peso se distribuye en sus componentes segun la siguiente graIica |11|. 30 Figura III-10: Distribucion de peso de componentes de bateria ZEBRASe observa que el peso de la bateria se debe en su mayoria a las celdas. La caja de la bateria,apesardequeigualtieneunpesonodespreciable,eslivianaconsiderando quelabateriaestadiseadaparaaguantarIuertesimpactosyotrascondiciones adversas.III.3. Caractersticas de la Batera ZEBRA Utilizada LabateriaadquiridaIuelaZEBRAZ36-371-ML3P-76.Estabateriamassus accesorios tuvo un costo de aproximadamente $9 millones de pesos mas impuestos y envio ($12 millones de pesos totales aproximados). Las caracteristicas principales se resumenenlatablaIII-2.Elmodeloespococomun,siendolaunidadrecibidala septima en salir de la planta. 31 Tabla III-2: Caracteristicas por catalogo de bateria ZEBRA Z36 utilizadaCapacidad76 Ah Energa Almacenable 28,2 kWh Voltaje en Circuito Abierto (DOD 0-15) 371 V Voltaje Mximo en Regeneracin 446 V Voltaje de Operacin Mnimo 248 V Corriente Mxima de Descarga 224 A Potencia Mxima42 kWCiclos de vida Entre 1000 y 2000 ciclos Tipo de CeldaML 3P Nmero de Celdas por Batera 288 Peso de la batera incluyendo BMI 245 Kg Energa especfica sin BMI 118 Wh/Kg Densidad de energa sin BMI 186 Wh/l Energa disponible en descarga de 2 horas 24 kWh Potencia especfica167 W/Kg Densidad de Potencia 265 W/l Temperatura ambiente recomendada -40 a 50C Prdidas trmicas a 270C internos 130 W Sistema de enfriamientoAire Tiempo de calentamiento 24 Hrs a 230 VAC Las dimensiones de la bateria se pueden observar en la Iigura III-8. Para ser una sola bateria tiene un gran tamao, por lo que no es Iacil de ubicar en cualquier vehiculo.32 Figura III-8: Dimensiones bateria ZEBRA Z36 en milimetros LabateriaseadquiriocontodoslosaccesoriosperiIericosnecesarios.Juntoala bateriaseincluyosucargador,unmedidordigital,unsistemademonitoreopor computador, un ventilador y una serie de conectores. ElcargadoradquiridoIueelmodeloBC-336-Z-3-A,elcualtieneunapotenciade 3200 W y un voltaje de salida entre 288 y 395 V. Figura III-11: Cargador de bateria ZEBRA 33 El medidor digitaladquirido es el'CAN-Display 10-36 Vdc de Opus-Light. Este medidor cuenta con una pantalla LCD que muestra el voltaje de la bateria, corriente, potencia, estado de carga, temperatura y las alertas de error en el sistema. Figura III-12: CAN-Display Opus-Light Labateriapuedesermonitoreadaatravesdeuncomputador.Paraestoincluyeel soItwareZEBRAMonitorv2.5yunadaptadorPeakCanquepermiteconectarla bateriaaunpuertoUSBdeuncomputadorestandar.Deestamanera,sepueden monitoreartodaslasvariablesdelabateria,desactivarestadosdealerta,y reprogramaralgunascaracteristicasdelabateria(estaultimaopcionrequiereeluso declave).Ademas,atravesdeunsoItwaredecontrolremotodecomputadorcomo RemoteAdministratorsepuedemonitorearlabateriaadistanciaasicomorecibir asistencia tecnica del Iabricante. 34 Figura III-13: ZEBRA monitor V2.5 El ventilador de 40 W incluido para enIriamiento Iuerza la circulacion del aire por el interior de la bateria. Este ventilador es accionado por el BMI. Ademas, se incluyen dos tubos de aluminio Ilexible para la admision y expulsion del aire. Figura III-14: Ventilador para enIriamiento de la bateria 35 IV.DESCRIPCIN DE VEHICULO EXPERIMENTAL ElvehiculoelectricodondeseinstalaralabateriaZEBRAcorrespondeaunacamioneta ChevroletLUVdelao1998dedoblecabina.EstacamionetaterminodesermodiIicada enelao1999transIormandoseenunvehiculoelectrico.Paraesto,selereemplazoel motoracombustionoriginaldelacamionetaporunmotorelectricoyelestanquede combustible por 26 baterias de plomo acido de 12 V. El resultado de esta modiIicacion Iue unvehiculoconunaautonomiade50kmyciertacapacidaddeIrenadoregenerativo, dependientedelestadodecargadelabateria(SOC).DuranteelIrenadoregenerativo,el motorpasaacomportarsecomogeneradordesacelerandoelvehiculoyentregandola energia generada de regreso a las baterias.Enelao2001,seinstaloenlacamionetaunsistemaauxiliardealmacenamientode energiacompuestoporultracapacitoresyunconvertidorbuck-boost.Undiagramadel vehiculo se puede observar en la Iigura IV-1. En este diagrama se pueden ver los diIerentes componentesenellugarenelcualseencontrabaninstaladosantesdecomenzarla transIormaciondelvehiculo.Sepuedeobservarqueloscomponentessedistribuiansolo entre el compartimiento del motor y el pick up del vehiculo. Este peso en el pick up (cerca de 650 Kg) y a la altura en que se encontraba provocaba inestabilidad en las curvas. 36 Figura IV-1: Distribucion Iisica de componentes en vehiculo electrico antes de instalar la bateria ZEBRA Elvehiculoelectricosepuededescomponerentrespartes:elsistemadepropulsion electrica, el sistema de almacenamiento de energiay los sistemas periIericos. En la Iigura IV-2 se puede observar como se relacionan los componentes cada sistema. A continuacion, se describen los componentes de cada uno de estos sistemas. 37 Figura IV-2: Diagrama de Ilujo de relacion de componentes IV.1. Sistema de Propulsin Elctrica Este sistema se compone de un controlador electronico, un inversor, motor electrico ytransmisionmecanica.LaIunciondeestesistemaestransIormarlaenergia electrica en mecanica de la manera mas eIiciente y viceversa. IV.1.1.El motor elctrico ElmotorcorrespondeaunmotorBrushlessDC(DCsinescobillas)deimanesde neodimio-hierro-boro,desarrolladoporlaempresanorteamericanaUQM(Unique Movility). Este motor, modelo SR318H, entrega una potencia nominal de 32 kW (43 hp)yunapotenciamaximade53kW(71hp).Sinembargo,elmotorpuede 38 desarrollar un torque maximo de 240 Nm desde 0 a 2200 rpm. De 2200 rpm a 7600 rpmselimitaaentregarsupotenciamaxima.Lacurvadetorquesepuedeobservar en la Iigura IV-3 y el motor puede operar en cualquier punto bajo esta curva. Figura IV-3: Curva de torque de motor de traccion El motor presenta otras dos ventajas importantes. La primera es su alta eIiciencia que rondael96(Unmotordieselidealpodriaenteoriallegaraun56deeIiciencia maxima). La segunda ventaja es su bajo peso de 47 Kg. Esta caracteristica le permite ostentar una densidad de potencia de 1.11 kW/Kg. ParasuIuncionamiento,elmotorrequiereseralimentadoconcorrientes trapezoidalesprovenientesdeuninversortriIasico.ElsistemadeenIriamientodel motor es por agua. 39 Figura IV-4: Motor UQM durante su instalacion en 1998 IV.1.2.Inversor de potencia ElinversorquecontrolaelmotoresdemarcaUQMmodeloCA49-300L.Este inversor puede manejar voltajes de entrada entre 250 y 400 Vdc.ElconversorestaIabricadocontransistorestipoIGBT(InsulatedGateBipolar Transistor)devaloresnominalesde600Vdcy600amperes.Estadiseadoparael control de motores Brushless DC entregando corrientes trapezoidales en su salida.ElinversorpermiteIrenadoregenerativotrabajandocomorectiIicadorpudiendo llevar el vehiculo casi a velocidad cero. El peso del inversor es de 13.1 Kg, se limita a una temperatura de trabajo de 55C y tiene un sistema de enIriamiento a base de agua. En la Iigura IV-5 se puede ver una imagen del inversor en su ubicacion actual |8|. 40 Figura IV-5: Inversor UQM instalado en el vehiculo IV.1.3.Controlador electrnico ComointerIazentreelconductoryelinversorseencuentraunmicroprocesador UQMmodeloEVPH332.EsterecogelareIerenciadetorqueentregadaporel conductorygeneralassealesnecesariasparaelinversor.Elsistemacalculael torque deseado en base a las posiciones del Ireno y el acelerador, donde el acelerar se interpreta como un comando de torque positivo y el Irenar como negativo.Ademas,paraeIectuarcadaoperacionelmicroprocesadorrecibevariablesque implican los limites de seguridad en la operacion del sistema. IV.1.4.Transmisin mecnica Paratransmisionmecanicaelvehiculomantienesucajadecambiooriginalde Chevrolet LUV. Esta transmision conecta el motor a un arbol de transmision que a su vez se conecta al puente trasero. En el puente trasero, cada rueda esta accionada por un semieje independiente desde el diIerencial.Lacajadecambiossemantienegeneralmenteen3marchaporqueellaseajustaa todo el rango de velocidades del vehiculo (cero hasta 120 km/h). Sin embargo, y con 41 elIindehacerpruebas,sepuedecambiardemarchasinlanecesidaddeembrague, cuidando de no acelerar el motor. IV.2. Sistema de Almacenamiento de Energa LaIunciondeestesistemaeselalmacenarlaenergiaprovenientedesdelared electricaparaluegoentregarselaalsistemadepropulsionysistemasperiIericos. Idealmente, este sistema debiera poder almacenar sin perdidas la mayor cantidad de energia teniendo como limite su peso y espacio disponible. Ademas, el sistema debe entregar una potencia a lo menos igual a la exigida por el motor. IV.2.1.Fuente de almacenamiento de energa principal EstaIuncionlatuvieron26bateriasdeplomoacidomarcaSonnenscheinde12V conectadas en serie. Cada bateria tenia una capacidad de 50 Ah y un peso de 20 Kg sumandountotalde520Kg.Elconjuntototaldebateriaspresentabaunvoltaje nominal de 312V, una capacidad de 50 Ahy una potencia maxima de 88 kW. Estas baterias utilizan un electrolito tipo gel y no requieren mantencion.Paraaumentarlosciclosdevidadelasbateriasnoerarecomendabledescargarlas mas alla de un SOC de 60. Habia 5 baterias en la parte delantera del vehiculo y 21 en el pick-up (ver ubicacion en la Figura IV-1). IV.2.2.Cargador de bateras Lacamionetacontabaconuncargadorprogramadoparabateriasdeplomoacido marca Solectria, modelo BC3300. Este podia entregar una potencia de carga de hasta 3.3 kW y tenia un voltaje nominal de alimentacion de 220 Vac. 42 IV.2.3.Fuente de almacenamiento de energa auxiliar LaIuenteauxiliarsecomponedeunbancodeultracapacitoresyunconversorDC-DC.Suprincipalobjetivoeselapoyoalasbateriasdurantelasaceleracionesy Irenadodelvehiculo.Deestamaneraseleexigeunamenorpotenciaalaolas bateriasalargandosuvidautil.ComopuedeverseenlaIiguraIV-6,estaIuentese conecta en paralelo a la Iuente auxiliar y el inversor. Figura IV-6: Circuito de almacenamiento de energia antes de instalar bateria ZEBRA Losultracapacitoressoncondensadoreselectroquimicosdedoblecapaquetienen doselectrodosinmersosenunmaterialelectrolitico.Elalmacenamientodeenergia se produce por principio electrostatico. De esta manera, el proceso permite cualquier metododecarga,siemprecuandonosesobrepasenloslimitesdevoltajey temperatura (por exceso de corriente). Los ultracapacitores utilizados son de la marca Epcos. Cada uno tiene una capacidad de 2700 F y 2.3 V nominales. En el vehiculo se distribuyen en 5 bandejas que en total contienen 132 ultracapacitores. Asi se tiene un banco de aproximadamente 20 Faradios, 300 Vdc nominales, 121 kW 261 Why 96 Kg. En esta instalacion, todos los ultracapacitores se encontraban en el pick-up de la camioneta. 43 ElconversorDC-DCtienecomoIunciontransIerirlaenergiaentrelos ultracapacitores y el nodo bateria-inversor. Los ultracapacitores varian su tension con respectoalacargaquetienenyelnododepotenciamantieneunvoltaje mayoritariamenteporsobrelos300V.Latopologiautilizadacorrespondeauna conIiguracion Buck-Boost, la cual costa de dos IGBTs y una bobina LS de 1.3 mH y 200Anominales.LapotenciamaximaquepuedetransIerirelconversoresde60 kW. Paracontrolarelconversorbuckboostseutilizaunaestrategiadecontrol implementadaenunDSP.Paraestoelsistemadebemonitorearlavelocidaddel vehiculo,corrientedecargayestadodecargadelosultracapacitores.Laestrategia de control se presenta en la Iigura IV-7. Figura IV-7: Diagrama de estrategia de control IV.3. Sistemas Perifricos LossistemasperiIericosconsistenentodoslosequiposquetrabajana12Venel vehiculo.Dentrodeestosequipos,seencuentranlosdeagradocomoradioy ventilacion,laslucesylimpiaparabrisas.Perotambien,seencuentranequipos necesariosparaelIuncionamientodelvehiculo,comolabombadevacio,quees 44 indispensableparaelsistemadeIrenado,ylabombadelradiadorquepermitela circulacion de agua por el motor e inversor. ParatransIormarlosmasde300Vdelabateriaenlos12Vnecesariosparalos periIericos, el vehiculo cuenta con un conversor DC-DC que entrega 13.2 V y puede transIerir una potencia maxima de 750 W. 45 V.INSTALACIN DE BATERIA ZEBRA EN EL VEHICULO Lainstalaciondeunabateriadealtatecnologianoestansimplecomoponerunanueva bateria y conectar los bornes. Antes de la instalacion de la ZEBRA, se realizaron una serie de adaptaciones en el vehiculo. El proceso total de adaptacion del vehiculo e instalacion de labateriaysussistemastomo10meses.Acontinuacion,sedescribeelprocesode adaptacion y consiguiente instalacion de la bateria. V.1.Adaptacin del Vehculo LabateriaZEBRAesunabateriadealtatemperaturaquecuentaconunexcelente aislamientotermico.Apesardeestoultimo,encasosextremospodriallegar calentarse,loquepodriadaarcomponenteselectronicosquelarodeen.Poresta razon, se decidio dejar unicamente la bateria ZEBRA en el pick-up de la camioneta. Ademas,eranecesarioequilibrarelpesoperdidoporlaeliminaciondelasbaterias que se encontraban en la parte delantera del vehiculo. Sedeterminodistribuirlosultracapacitoresendosbandejasenlapartedelanteray tresenunacajadealuminioenlapartetraseradelacamioneta,bajoelpiso.Cada bandeja de ultracapacitores Iue examinada en busca de posibles Iallas de aislamiento o conexion.Las dos bandejas de la parte delantera se instalaron en soportes metalicos Iabricados especialmente para cada una. Para evitar Iallas de aislamiento electrico y amortiguar los movimientos del automovil, cada soporte se Iorro con goma esponjosa. Lacajadealuminioinstaladaenlapartetraserasesostieneconabrazaderas especiales mostradas enla FiguraV-1. Para prevenir Iallas de aislamiento electrico, elIondodelacajadealuminiosecubrioconIormalita.Lasbandejassesepararon entre ellasy de las murallas con tabiques de madera que Iueron apernados a la caja. Parareducirlaprobabilidaddeincendio,todalamaderautilizadaIuetratadacon igniIugo. 46 Figura V-1: Caja de ultracapacitores traseros instalada LabobinaIuetrasladadaallugarocupadoantiguamenteporelestanquede combustible.Paraesto,sedebiomodiIicarelsoportedelabobina.Ademas,para protegerlabobinacontraelaguaoproyectilesquepuedarecibir,seleagregouna cubierta de plastico (detalles en anexo C). V.2.Instalacin de Perifricos de Batera LabateriaZEBRArequiereparasuIuncionamientodeunaseriedeaccesoriose instalaciones periIericas. Los principales accesorios requeridos son el cargador de la bateria, el medidor digital, el ventilador y una bateria auxiliar. El cargador de la bateria se instalo muyIacilmente. Este se ubico detrasdel asiento traserodelvehiculoapernandosealacarroceria.Deestamanera,seaprovechoun espacioperdidoenelinteriordelvehiculo.Estainstalacionsepuedeobservarenla Iigura V-2.47 Figura V-2: Montaje cargador de bateria El medidor digital se monto entre los asientos delanteros del vehiculo. La instalacion sepuedeobservarenlaIiguraV-3.Seaprovecholacajadondeseinstaloeste medidor para ubicar el terminal de conexion ZEBRA-computador. Todo el cableado pasa por debajo del tapiz. Figura V-3: Monitor digital instalado en el vehiculo 48 El ventilador se monto cerca de una de las ventanas traseras del cubre-pick-up, como se muestra en la Iigura V-4. En esta Iigura, se pueden apreciar tambien los tubos de ventilacion.Eltubodeevacuaciondelairecalientevaaunductodeescapebajoel vehiculo. Figura V-4: Ventilador instalado en el vehiculo Aldesconectarlaignicion,elcontroladordelabateriaZEBRA(BMI)abrela conexiondesusbornes,desconectandolaIuenteDC-DCydejandolosperiIericos del vehiculo desenergizados. Por esta razon, para alimentar estos sistemas auxiliares Iue necesario montar una bateria de plomo de 12 V y 40 Ah. Para su instalacion, Iue necesario crear una estructura para apoyar y sujetar la bateria, como se aprecia en la Iigura V-5. 49 Figura V-5: Bateria auxiliar montada en el vehiculo Paracargarlabateriaauxiliar,sediseoymontoelcircuitodelaIiguraV-6.Este circuito carga la bateria a 12,7 V a traves de la Iuente DC-DC cuando la ZEBRA esta activada, y permite que la bateria auxiliar alimente los sistemas periIericos cuando la ZEBRA se desconecta. El montaje de este circuito se muestra en la Iigura V-7. Figura V-6: Circuito de carga de bateria auxiliar 50 Figura V-7: Cargador de bateria auxiliar montado V.2.1.Conexin de perifricos LabateriaZEBRArequieredeunacantidadconsiderabledeconexiones.No obstante,parasimpliIicarlaIuturamantencionyreparaciondetodoelsistema,se utilizo una caja de interconexion. En esta caja se encuentran algunos de los Iusibles y es un punto de llegada y partida de todos los cables de los sistemas periIericos de la bateria. 51 Figura V-8: Diagrama de conexion de periIericos de bateria ZEBRA Figura V-9: Caja de Iusibles e interconexiones de bateria ZEBRA 52 V.3.Montaje de Batera Para instalar la bateria, se diseo e implemento un sistema de soportes en el pick-up. Estesistemadebemantenerlos245kgquepesalaZEBRAIirmementeasegurados al vehiculo. Ademas, debe amortiguar los movimientosy vibraciones del chasis, asi como tambien ayudar aevacuarel calor. Para esto, se construyo un marco deacero inoxidableconunabaseinteriordealuminio.Losbordesdeestemarcovan amortiguados con goma, Iorrada en papel de aluminio para ayuda a evacuar el calor. TodoestoIuemontadosobreotraestructurametalica,apernadaalchasisdela camioneta.Estaultimaestructuraestaposadasobreunacapadegomadealta resistenciaalatemperatura,cubiertaasuvezconunacapadealuminio.Para mantenerlabateriaaseguradaasubase,seIabricarondosarcosdeacero rectangularesquepresionanlosbordessuperioresdelabateria.Paradistribuirla presiondeestosarcosenlosbordes,seutilizarondosbarrasdeaceroenangulo recubiertas con goma. El resultado de este conjunto se muestra en la Iigura V-10. Figura V-10: Diagrama de bateria montada en la camioneta Acos de aceo 8aa en ngu1o Lsfucfua de sopofe a1 chas1s 8afe1a 8Ml Maco base 53 Por recomendacion del Iabricante, todas las piezas y partes de la camionetacercanas alabateriaIueronpintadasennegroopacocomoilustralaIiguraV-11.Deesta manera, el calor irradiado por la bateria es el optimo. Mas detalle de este montaje se encuentra en el anexo A. Figura V-11: Bateria ZEBRA montada en el pick-up Finalmente,laconIiguracionquepresentaelvehiculoeslaquesepuedeapreciarenlas Iiguras V-12, V-13 y V-14. 54 Figura V-12: Vista lateral de distribucion Iisica actual de componentes en vehiculo electrico Figura V-13: Vista Irontal de distribucion Iisica actual de componentes Figura V-14: Vista posterior de distribucion Iisica actual de componentes55 VI.PRUEBAS Y RESULTADOS EXPERIMENTALES Luego de instalada la bateria y revisados todos los sistemas, se comenzo el primer proceso decalentamientodelabateria.Duranteesteproceso,elradiadorinternodelabateriase enciendeporperiodosde20segundoscada30segundos.Elprocesodecalentamiento tomo aproximadamente 48 horas. Cuando la bateria alcanzo alrededor de 280C comenzo el periodo de carga. Esta primera carga demoro aproximadamente 12 horas. Se realizo una primera prueba de Iuncionamiento con excelente resultados. En esta primera prueba no se probo el Iuncionamiento de los ultracapacitores. Sin embargo, las pruebas con estesistemaseretrasarondebidoaquelabateriadetectounaIalladeaislamientoenlos ultracapacitores (mas detalle en anexo E). Durantelaspruebas,labateriasedescargohastavalorescercanosaun10SOC(90 DOD).EstelimitesedeterminoparaevitarqueelBMI(BatteryManagementInterIace) desconecte los interruptores internos de la bateria ZEBRA, lo que ocurre cuando se alcanza el 0 SOC (descarga completa). Se realizaron pruebas estaticas y dinamicas al vehiculo. Las pruebas estaticas corresponden aunestudiodelprocesodecargaydeautodescargadelabateria.Laautodescargaenla ZEBRA es un Ienomeno que se produce principalmente por la perdida de calor, que obliga aquelabateriautilicesupropiaenergiaparamantenersutemperaturadeoperacion.Las pruebasdinamicasconsistieronenmedirlaaceleraciondelvehiculoyendeterminarla autonomia del vehiculocon la nueva bateria. Todas las pruebas serealizaroncony sinel sistema de ultracapacitores encendido. VI.1. Anlisis de Carga ElanalisisdecargacomenzodesdeunSOCde10.Lasvariablesrelevantesse adquirieronacadaminutoconelsoItwareZEBRAMonitorv2.5.Losresultados obtenidosIuerontraspasadosaExcel,dondeseobtuvoelgraIicodelaIiguraVI-1. 56 Con el Iin de observar con mayor claridad las curvas se multiplico por 10 la escala de corriente.Proceso de carga -1001020304050607080901000:00:000:30:041:00:081:30:112:00:152:30:183:00:223:30:264:00:294:30:335:00:375:30:406:00:446:30:487:00:517:30:558:00:588:31:029:01:069:31:0910:01:1310:31:1711:01:2011:31:24Tiempo (hr:min:seg)SOC (%) y Corriente/10 (A)310320330340350360370380390400Voltaje (V)SOC (%)Corriente (A*10)Voltaje (V) Figura VI-1: Analisis de carga de bateria ZEBRA Durantelacarga,elBMIcontrolatodoelprocesomidiendoycalculandovariables del sistema. El BMI controla al cargador mediante una seal de PWM (Pulse Width Modulation o Modulacion de ancho de pulso). Si la bateria se encuentra al momento de conectarse a la red electrica a una temperatura inIerior a 280 C, se comienza un procesodecalentamientodelabateriahastaalcanzarestatemperatura.Luego comienza la carga. La carga presenta varias etapas.Laprimeraetapaseprolongapor20minutos.Alabateriacomienzan ingresando8.3A.Estacorrientebajapaulatinamentehasta7,6Aque corresponden a 0.1 C (0,1 veces la capacidad en Ah de la bateria). 57 La etapa siguiente es la mas larga. Aqui, el control de la bateria mantiene una corriente de carga constante de 7.6 A. Esto continua hasta que el voltaje de la bateria llega a 384.4 V. Este valor corresponde al voltaje maximo de carga. Enunaterceraetapasemantieneconstanteelvoltajeen384.4V.Durante este periodo, la corriente que ingresa a la bateria va disminuyendo lentamente y se mantiene hasta que la bateria llega a un SOC de un 90. En esta etapa a un SOC de 90 el proceso de carga se detiene. La bateria se descargaconunacorrienteentre400y500mAaunSOCde89.7.Este procesotomaalrededorde10minutos.ElIabricanteexplicaqueestose realiza para despolarizar las celdas de la bateria (pasar rapidamente de voltaje decargaavoltajedecircuitoabierto).Luegodequelabateriaquedacon corriente nula por 5 minutos, el BMI busca la presencia de celdas con Iallas. De no existir ninguna, la carga prosigue. Enestaultimaetapa,lacargacontinuaavoltajeconstantede384.4V.Esto continua hasta que la corriente de carga cae bajo 1 A. En este punto la carga sedetieneyseajustalacapacidaddelabateriaa76AhyelSOCa99.9. Esto muestra que hay errores en la lectura de la capacidad de la bateria. Elprocesototaldecargatomo11horasy3minutos.Sinembargo,esteproceso puededurarmas,yaquesialmomentodelacarga,labateriaseencuentraauna temperatura inIerior a 280C, comienza un proceso de calentamiento.VI.2. Autodescarga por Mantencin de Temperatura Cuando la bateria ZEBRA se encuentra en reposo o desconectada de la red electrica, debe mantener su temperatura utilizando su propia energia. Esto es un problema,ya quesisedejalabateriaenesteestadopormuchotiemposepuededescargar.Este Ienomeno se puede asimilar a la autodescarga de muchas baterias, que corresponde a unIenomenonormalencualquiersistemaquimico.Estareaccionaumentaconla temperatura.58 LosdiIerentestiposdebateriapresentandiIerentesrangosdeautodescarga.Las mejoresbateriasdeplomoacidotienenunaautodescargade5mensualo50 anual.Lasbateriasdeniquelcadmioyniquelhidrurometalicotienenunnivelde autodescarga de 10 el primer dia y luego 10 por mes. Este nivel de autodescarga aumenta con los aos. Las baterias de ion de litio tienen un rango de autodescarga de 3 a 5 el primer mes para luego mantenerse entre 1 y 2 mensual. ParaanalizarlaautodescargadelabateriaZEBRA,semonitoreolabateria desconectadadelaredelectricadurante18horas.EnlaIiguraVI-2sepresentael SOC y la temperatura de la bateria en el tiempo.Autodescarga por mantencin de temperatura9091929394959697989917:00:1417:30:1818:00:2118:30:2519:00:2919:30:3220:00:3620:30:3921:00:4321:30:4722:00:5022:30:5423:00:5823:31:010:01:050:31:091:01:121:31:162:01:192:31:233:01:273:31:304:01:344:31:385:01:415:31:456:01:496:31:527:01:567:31:598:02:038:32:079:02:109:32:1410:02:1810:32:2111:02:25Tiempo (hr:min:seg)SOC (%)266266.5267267.5268268.5269269.5270270.5271Temperatura (C)SOC (%) Temperatura (C) Figura VI-2: Monitoreo de autodescarga de bateria En el graIico se pueden apreciar claramente los ciclos de calentamiento y enIriado de labateria.ElBMImantienelatemperaturadelabateriaentre267y270.8C.Cada procesodecalentamientohacequeelSOCbaje1.34enpromedio(1,34de 59 perdida de energia por ciclo). La bateria se encuentra perdiendo 100 W promedio por mantencion de temperatura. Cada ciclo de calentamiento y consiguiente enIriamiento duraenpromedio3hrs10min47seg.ConestainIormacion,yasumiendoqueel procesocontinuaconsumiendolamismacantidaddeenergiaporciclo,sepuede concluirquelabateriapierdeel100desucargaluegode9diasy21horas aproximadamente. Elsegundogrupodepruebascorrespondioalaspruebasdinamicas.Pararealizarla adquisicion de datos durante estas pruebas, se utilizo el soItware de control del convertidor Buck-Boost del sistema de ultracapacitores. Este soItware permite la adquisicion de datos aunconlosultracapacitoresdesconectados,loquepermitiolaobtenciondeinIormacion tambien en esta ultima condicion de operacion. Para estas pruebas, se veriIico que siempre existiera una presion en las ruedas delanteras de 45 psi y en las traseras de 50 psi. VI.3. Pruebas de Aceleracin Cuando la potencia que puede entregar la bateria de un vehiculo electrico es inIerior a la del motor, esta pasa a ser una piedra de tope en la aceleracion del vehiculo.Serealizaronpruebasdeaceleracionconelsistemadeultracapacitoresysineste. Los resultados promedio se muestran en la tabla VI-1. Tabla VI-1: Mediciones de aceleracion Tiempo de aceleracin (seg.) 0-40 Km/h0-60 Km/h0-80 Km/h Pruebas sin ultracapacitores 7,8 14,424,9 Pruebas con ultracapacitores 6,59,915,3 Mejora por uso de ultracapacitores 16,131,338,5 60 Lasmedicionesserealizaronconuncronometroyobservandoelvelocimetrodel vehiculo,porloquepuedenexistirerroresdehastaunsegundo.Sinembargo,las diIerentes mediciones presentaron una baja variacion. Ademas, todas las mediciones se realizaron con la bateria cargada sobre un 70 SOC. RecordemosquelapotenciamaximadelabateriaZEBRAZ36esde42kWyla potenciamaximarecomendadaparaelmotordetraccionesde53kW.Los ultracapacitores suman cerca de 45 kW peak. AcausadelainsuIicientepotenciadelabateria,durantelasaceleracionessinel sistema de ultracapacitores el voltaje caia bajo 250 V. Esta caida del voltaje provoca unapobreaceleracion.Labajadelvoltajequepuedeentregarlabateriaprovoca tambien la interrupcion del Iuncionamiento del inversor, generando interrupciones en la aceleracion del vehiculo. El Ienomeno se puede apreciar en el graIico de la Iigura VI-3. Prueba de aceleracin sin ultracapacitores0510152025303540450 1 2 3 4 6 7 8 9 10 11 12 13 14 16 17 18 19 20 21 22 23 24 26 27 28 29 30 31 32 33 34 36 37Tiempo (seg)Potencia (KW)0102030405060708090Velocidad (km/h)Potencia Motor Velocidad (km/h) Figura VI-3: Velocidad y potencia durante aceleracion de 0 a 80 Km/h sin ultracapacitores 61 En el graIico, cada caida abrupta de potencia corresponde al apagado del inversor del motorporunabajadevoltajebajo250Vdc.Estoprovocaunadisminuciondela aceleracion que se suma al eIecto de menor potencia de la bateria.Caberesaltartambien,queenlapruebadeaceleracionsinultracapacitoresnose utilizo regeneracion, por lo que la potencia cae a cero en el Irenado. Los resultados son muy distintos con ultracapacitores, obteniendose una aceleracion mayory mas suave. Un ejemplo de aceleracion de 0 a 80 km/h con ultracapacitores se puede ver en el graIico de la Iigura VI-4.Prueba de aceleracin con ultracapacitores-50-40-30-20-1001020304050600 3 5 8 10 12 13 16 18 21 23 25 26 28 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51Tiempo (seg)Potencia (KW)0102030405060708090Velocidad (km/h)Pot bateraPot ultracapPot cargaVelocidad (km/h) Figura VI-4: Velocidad y potencia durante aceleracion de 0 a 80 Km/h con ultracapacitores Un punto importante a resaltar del graIico es que la potencia maxima de la carga es de 62,5 kW. Esto implica que en una aceleracion Iuerte se le puede exigir mas de la potenciamaximarecomendadaparaelmotor(53kW).Estopuedeserpeligrosoya que se pueden deteriorar los imanes del motor. Siseobservaelcomportamientodelapotenciaentregadaporlabateriaylos ultracapacitores,seapreciaclaramentequelaspotenciasmaximasseentreganen 62 momentodistintos.Lapotenciamaximaentregadaporlosultracapacitoresesde47 kW.Seobservaclaramentecomolapotenciadelosultracapacitoresdisminuye mientras se van descargando. Al mismo tiempo, la potencia entregada por la bateria vaaumentando,llegandoaunmaximode28,9kW.Altrabajarconpotencias menores, la bateria suIre un menor deterioro. Esto debiera traducirse en una vida mas larga de la ZEBRA. VI.4. Pruebas de Autonoma Uno de los grandes problemas de los vehiculos electricos ha sido su baja autonomia. Enlaactualidad,lasnuevasbateriasestanpermitiendomejorarestacaracteristica considerablemente. Pararealizarlaspruebasdeautonomiaseseleccionarondostiposdecircuitode prueba. Uno de los circuitos es lento, teniendo una velocidad promedio de 30 Km/h y una velocidad maxima de 60 Km/h. El circuito presenta gran cantidad de detenciones porcrucespeatonaleseintersecciones,asicomograncantidaddecurvascerradasa baja velocidad. Este circuito simula un andar similar al centro de Santiago. Ademas, cuandosecirculaporestecircuitonoseexigemuchoalmotor.Lacorrientede entrada al sistema de traccion diIicilmente sobrepasa 100 A. Elsegundocircuitopermitevelocidadesmasaltasllegandohasta80Km/hy obteniendounavelocidadpromediode40Km/h.Enestecircuitoseleexigeuna mayoraceleracionalmotorllegandoamedirseunacorrientedeentradaalinversor de210A.EstecircuitosimulaunacirculacionmixtaencallesconbajotraIicoy autopistas urbanas. Durantelaspruebassinultracapacitores,nosepuedeutilizarlaregeneracionenla bateria cuando existe un alto SOC. Esto se debe a que el voltaje de la bateria sube a nivelespeligrososalrecibirenergia.Labateriapuedesobrepasar400Vensus bornes,voltajequeprovocaladesactivaciondelinversorporloscircuitosde 63 seguridad. La regeneracion se activo al sobrepasar el 50 de descarga. A este nivel de SOC, el voltaje diIicilmente llega a 400 V. EnlaspruebasconultracapacitoresseutilizoIrenoregenerativodurantetodoel proceso. No hay problemas con alzas de voltajes de la bateria debido a que el control del buck-boost evita que esto ocurra. En la tabla VI-1 se presentan los resultados obtenidos en las pruebas de autonomia. Para medir la autonomia se utilizo el cuentakilometros del vehiculo. La autonomia se determino para niveles de descarga de la bateria cercanos a un 90. Tabla VI-2: Mediciones de autonomia Autonoma medida (Km) Circuito rpidoCircuito lento Prueba sin ultracapacitores 99,4106,8 Prueba con ultracapacitores 110,1124,6 Mejora por uso de ultracapacitores 10,7616,67 Losresultadosdeautonomiasobrepasaronlasexpectativas.Aunqueseleexijaalta corriente durante el ciclo, se sigue obteniendo una muy buena autonomia.Con las baterias de plomo acido diIicilmente se pudo alcanzar una autonomia de 50 Km.Ademas,coneltiempo,eldeteriorodelasbateriasdeplomoacidodisminuyo este valor. Durantelapruebaconultracapacitores,nosenotomayordiIerenciadel comportamiento del vehiculo con los niveles de descarga de la bateria. No ocurrio lo 64 mismoalnoutilizarlos.AnivelesdedescargainIerioresaun50,elvoltajedela bateria cae a valores inIeriores a 300V al acelerar.OtropuntoanalizadoIueelrendimientodelvehiculo,medidoenkilometros recorridosporcadakWhdeenergiaelectricaconsumido.Paraestoseutilizoel medidordeenergiaenkWhqueinstaladoenellaboratorio.Luegodedescargarla bateria durante una prueba de autonomia, se media la energia consumida recargando la bateria nuevamenteaun 100.Los kilometros recorridos durante la prueba,y la diIerenciaentreelvalorIinalenkWhobservadoenelmedidoryeldeiniciode carga,permitentenerlarelaciondekmrecorridosporkWhconsumidos.Alser tomados los datos desde el medidor, se incluyen las perdidas en el cargador (que son minimas). Los resultados obtenidos son los que se aprecian en la tabla VI-3. Tabla VI-3: Comparacion de rendimiento del vehiculo en Km/kWh Rendimiento (Km/kWh) Batera ZEBRA Bateras de plomo cido Circuito rpidoCircuito lento Sin ultracapacitores 3,093,643,83 Con ultracapacitores 3,253,894,48 Mejora por uso de ultracapacitores 5,186,8716.97 Losresultadosmostradosdelasbateriasdeplomoacidoseextrajerondepruebas realizadas anteriormente en un circuito lento. ComparandolasbateriasdeplomoacidoconlabateriaZEBRA,ladiIerenciade rendimientosedebeprincipalmentealmenorpesodeestaultima.Seobserva tambien que el uso de ultracapacitores es mas beneIicioso para la bateria ZEBRA que 65 paralasbateriasdeplomoacido.EstosedebeaquelabateriaZEBRAtieneuna potencia menor que sus antecesoras.Porotrolado,seapreciaqueparaelcircuitolento,losultracapacitoresson considerablemente mas beneIiciosos que para el rapido. Lo anterior se debe a que en circuitoslentosydeaceleracionescortaslosultracapacitoresnoalcanzana descargarse. A consecuencia de esto, la potencia se extrae casi exclusivamente de los ultracapacitores que son mas eIicientes, dejando la bateria solo para recargarlos. Para uncircuitorapidolaentregadepotenciasecomparteentrelosultracapacitoresyla bateria.Deestamanera,elregimensehacemasineIicientedebidoalasperdidas resistivas en la bateria. Para poder obtener el alto rendimiento observado con anterioridad, se debe evitar que entreenIuncionamientoelcaleIactordelabateria.Paraesto,labateriadebeser usadapreIerentementeentramoslargosdetiempoparaqueseencuentreaalta temperatura al momento de detenerse. Asi, seevita el encendido del caleIactor para mantenerlatemperaturaaltaoparacalentarlatemperaturaantesdelprocesode carga.Ademas,esbuenoutilizarlabaterialomasprontoposibleluegodequeesta termina su carga. 66 VII.ANLISIS DE RESULTADOS LosresultadosobtenidosmuestranquelabateriaZEBRAsecombinamuybienconlos ultracapacitores.EnlossiguientesparraIosseharaunbreveanalisiscomparativodelos resultados obtenidos. VII.1.Ultracapacitores versus una batera ZEBRA ms grande Luegodeverlosresultadoseslicitopreguntarsesiesequivalentereemplazarlos ultracapacitores por su peso equivalente en una bateria ZEBRA mas grande. Desdeelpuntodevistadelapotencia,siretiramoslosultracapacitoresylos compensamosconunabateriaZEBRAdemayorpotenciaparaequipararlos resultadostenemosquevercuantapotenciaentregariaestabateriamayor.La potencia especiIica de la bateria ZEBRA Z36 es de 167 W/Kg. La potencia maxima de la actual bateria es de 42 kW. Si le agregamos el peso equivalente en el equipo de ultracapacitores(alrededorde120Kg),tendriamosunabateriaZEBRAde62kW. EstapotenciaessuIicienteparaelmotorymuysimilaralmaximoentregadoenla practica por el sistema. Sin embargo, esta es la potencia maxima que puede entregar labateria.Duranteunaaceleracion,elvoltajedelabateriacontinuariacayendoa valoresenlosqueseapagariaelinversordelvehiculo.Ademas,pasadosun50 SOClapotenciadelabateriacaeriaaunmas,aumentandoesteproblema.Porotro lado,solosepodriautilizarelIrenadoregenerativobajoestascondicionesde descarga de la bateria (50 SOC o menor). Con respecto a la autonomia, con una bateria mayor se tendrian cerca de 42,36 kWh disponibles,50,2masdeenergiaalmacenable.Elrendimientomedidoparael circuitolentodebierasersimilaralqueseobtendriaconunabateriaZEBRAde mayor tamao. Con este dato se puede estimar una autonomia maxima de 160,4 Km, mas de lo obtenido con la bateria actual y ultracapacitores. Sin embargo, la eIiciencia de un sistema sin ultracapacitores seria inIerior por lo que el costo de cada kilometro recorrido seria mayor al de un sistema con ultracapacitores. 67 Parapoderconcluircualsolucionesmejor,sedebenconocerloscostosdeIinitivos tanto de la bateria ZEBRA como el de un sistema de ultracapacitores en caso de una produccionmasivadeambossistemas.Ademas,sedeberaesperarlosresultadosa IuturodelniveldeinIluenciadelosultracapacitoresenlavidautildelabateria. Finalmente,sedebenconsiderarlaspreIerenciasdelconsumidorconrespectoal comportamiento del vehiculo con ultracapacitores o con una bateria mayor. VII.2.ComparacindeCaractersticasdelVehculoElctricoconsus Similares a Combustin Interna. En el mercado se encuentra la camioneta Chevrolet LUV doble cabina con dos tipos demotorizaciones,2,2litrosagasolinay2,8litrosdiesel.Enlasiguientetablase presentalascaracteristicasdecatalogodeestascamionetas7,comparadasconla version electrica. Tabla VII-1: Comparacion de caracteristicas de versiones de Chevrolet LUV 2,2 Gasolina2,8 DieselElctrica Potencia Mxima 109.5 HP4800 RPM 98,6 HP 3800 RPM 71 HP desde 2200 RPM Torque Mximo 170 Nm3800 RPM 225 Nm 4800 RPM 240 Nm desde 0 a 2200 RPM Peso1325 Kg1600 Kg1650 Kg (est.) Dentrodelosvalorespresentados,sedestacaeltorquequepresentaelmotor electrico.Sinembargo,estacaracteristicanoseapreciaenlasaceleraciones obtenidasenlasmediciones.Estosedebeaqueelvehiculoelectricosemantuvo siempreconlacajadecambioenterceramarcha.Paraobtenermejores aceleraciones,sedeberiamantenerelmotortrabajandoentre0y2200RPM.Para 7 Fuente: www.chevrolet.cl 68 esto,serequeririaunacajadecambioscalibradaparamanteneresterangode velocidades.Pero,siempresedebemantenerenconsideracionqueunacajade cambios disminuye la eIiciencia de