Download - 05 MU Vehiculo Electrico
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
1/39
Pasado y Presente del Vehículo Eléctrico
ELECTRONICA DE POTENCIA
Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi
Mondragon 10-6-2011
José Mª Canales
Investigador Línea Energía MU
www.modragon.edu/enele
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
2/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-2011
2
Ley de California: California Air Resource Board aprueba ley que obliga a los
fabricantes de automóviles a comercializar un mínimo de vehículos de emisión
cero.
Años 90
GM comercializa el EV1
1117 unidades fabricadas
Renault y grupo PSA muy activos en el desarrollo de vehículos eléctricos.
MU e Iberdrola inician investigación sobre vehículos híbridos
Renault Express Camión recogida RSU
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
3/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-2011
3
MU, Iberdrola y Mondragon
Vehículo Eléctrico: Diseño íntegro del ZEUS
Años 90
Velocidad máxima 90 Km/h
Peso 1300 Kg
Autonomía 50-75 Km
Cargador 2.2 Kw 8horas
Potencia 18Kw 25 CV
Baterías Pb 144V 110Ah 15.8 Kwh
Motor Asíncrono 70 Vac 150A 10000rpm
Inversor trifásico a IGBTs
Carrocería de fibra y epoxy
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
4/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-2011
4
Composición básica de un Vehículo Eléctrico
Años 90
Convertidor
Punto de recarga
Motor eléctrico
Caja reductora
Baterías
Batería auxiliar 12 V
Cargador baterías
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
5/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-2011
5
Esquema eléctrico de un Vehículo Eléctrico
Años 90
Pack de baterías
48 a 144 Vdc
10-20 Kwh
DC
3~
AC
Batería auxiliar
12 Vdc
+
-
DC
DC
Inversor trifásico
15 – 30 Kw
Convertidor
0,5-2 Kw
AC DC
Cargador
de baterías
2-5 Kw
Red
Máquina tracción
0-8000 rpm
15-30 Kw
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
6/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-2011
6
Microcontroladores
Estado del arte tecnológico años 90
CPU 16 bits coma fija
20 MHz
Periféricos incluidos en el Core:
AD
Capture/Compare
WatchdogUART
Capacidad de cálculo aumenta
Control Vectorial Digital para regular
máquinas AC en par y en velocidad
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
7/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-2011
7
Control de Máquina Inducción
MConvertidor
ia
ib
v
*
Va*
ids
ids
*iqs
iqs
*
r
r*
2
3
Transf.Inv.Park
v
*
Vb
*
Vc*
2
3
Trans.Park
i s
is
sen(
(
r))cos(( r))
vds
*
vqs
*
E
Control digital
Estado del arte tecnológico años 90
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
8/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-2011
8
Convertidor de tracción
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
Alta impedancia de entrada MOSFET
Alta corriente y tensión de bloqueo BJT
Limitaciones:Tensión bloqueo 600-1200V
Tecnología reciente, poco madura
No cortocircuitables
Ciclado térmico
Estado del arte tecnológico años 90
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
9/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-2011
9
Convertidor de tracción
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
Alta impedancia de entrada MOSFET
Alta corriente y tensión de bloqueo BJT
Limitaciones:Tensión bloqueo 600-1200V
Tecnología reciente, poco madura
No cortocircuitables
Ciclado térmico
Estado del arte tecnológico años 90
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
10/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-2011
10
Convertidor de tracción
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
Alta impedancia de entrada MOSFET
Alta corriente y tensión de bloqueo BJT
Limitaciones:Tensión bloqueo 600-1200V
Tecnología reciente, poco madura
No cortocircuitables
Ciclado térmico
Estado del arte tecnológico años 90
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
11/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-2011
11
Máquina de inducción
Estado del arte tecnológico años 90
Modelo vectorialPar y flujo desacoplados
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
12/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-2011
12
Estado del arte tecnológico años 90
Baterías de Pb Acido
Tracción eléctrica
500 ciclosProfundidad descarga 80% SOC
Tasa descarga 1C a 2C
35 Wh/kg
Capacidad variable con tasa de descarga
Formatos de 2V, 6V y 12V
ZEUS se elevó a 144Vdc
12 baterías 12V/110Ah conectadas en serie
15 Kwh 430 Kgr
Autonomía 50 a 75 Km, según velocidad
Aparecen desequilibrios de tensión entre celdas que afectan al Estadode Carga (SOC)
Necesidad de un BMS (Battery Management System):
Estimación del SOC
Ecualización durante la carga
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
13/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-2011
13
Fabricante baterías Pb recomienda cargas de 8 horas
Estado del arte tecnológico años 90
Potencia del cargador entre 2 y 3 Kw, asumible por red domésticaTamaño del cargador con convertidores de potencia HF reducido
Cargador embarcado
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
14/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-2011
14
Ley de California finalmente no se lleva adelante
Se supera la crisis económica.
Año 2000
Los vehículo convencionales reducen los consumos y emisiones
de CO2, aumentan en autonomía y prestaciones.
Las ventas de automóviles se incrementan.
El vehículo eléctrico queda relegado a un segundo plano
Sin embargo
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
15/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-2011
15
2001 Comercialización del Prius en todo el mundo
Vehículo Híbrido paralelo no enchufable
Autonomía en eléctrico 2 Km
Año 2000
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
16/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201116
Batería
Tipo: Batería de níquel e hidruro metálico
Tensión nominal: 201,6 V
Número de módulos: 28
Capacidad (Ah): 6,5 (3 h)Peso: 39 kG
Motor eléctrico
Tipo: Síncrono de imán permanente
Tensión nominal: 500 V
Potencia máxima: 82 CV (61 kW)Par motor máximo: 400@0-1200 Nm/rpm
Peso: 104 kg
Año 2000
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
17/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201117
Año 2008
Crisis financiera mundial
Caída de ventas de automóviles
Toyota Prius supera el millón de vehículos vendidos
Mercedes y Lexus comercializan vehículos híbridos de gama alta
!!! El Vehículo Eléctrico vuelve a
la actualidad ¡¡¡
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
18/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201118
Versiones de vehículos con tracción eléctrica
Año 2008
Peso
batería
(Kgr)
Potencia
Máxima
(kW)
Energía/
Autonomía
(kWh)/(Km)
Densidad
energía
(Wh/Kgr)Híbrido HEV 50 40-60 1,5-3 2-5Km 30-60
Híbrido enchufable
PHEV
120 65 10 60Km 60
Eléctrico EV 250 75 30 200Km 130
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
19/39
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
20/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201120
Baterías de LiOn
Estado del arte tecnológico actual
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
21/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201121
Características de las baterías de LiOn
Estado del arte tecnológico actual
Tensión de celda 3,2 – 3,7 Vdc
Corriente descarga 2C-8C y de carga 0,2C-3C
60 - 130 Wh/kg
>1200 ciclos
Profundidad de descarga 80% SOC
Precio elevado (>30% del precio del VE)
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
22/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201122
Rango de funcionamiento celda LiOn
Estado del arte tecnológico actual
Necesario un BMS (Battery Management System)
Apertura circuito principal por Imax, Tmax, Tmin,Vmax o Vmin en cualquier celda del pack
Ecualización en los procesos de carga
Estimación del estado de carga (SOC) y salud (SOH)
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
23/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201123
Arquitectura de un pack de baterías con BMS
Estado del arte tecnológico actual
Conector pack Batería
Módulo batería (4 a 12 celdas)
BMS
Sensor de corriente
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
24/39
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
25/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201125
Convertidor de tracción
Estado del arte tecnológico actual
Fabricantes IGBTs comercializansoluciones para tracción eléctrica
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
26/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201126
Módulos de IGBTs libres de soldaduras
Estado del arte tecnológico actual
Mayor nº ciclos de trabajo
Menor Rtérmica(ºC/W)
Mayor capacidad corriente
Aumenta fiabilidad
La tecnología IGBT
Capacidad de soportar
cortocircuitos
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
27/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201127
Hardware de control
Estado del arte tecnológico actual
Microcontroladores 16-32 bit coma fija y flotante
50 a 200 Mhz
Periféricos AD, PWM, Captures, UART, SPI, I2C, CAN
RAM y Flash
+
MCU
FPGADispositivo de Lógica Programable
Descarga de tareas al microcontrolador:
Ordenes de disparo a los IGBTs (PWM, SVM)
Alarmas hardware
Filtros digitales
E t d d l t t ló i t l
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
28/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201128
Algoritmos de control avanzados íntegramente digitales
Estado del arte tecnológico actual
E t d d l t t ló i t l
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
29/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201129
Máquinas de tracción eléctrica
Estado del arte tecnológico actual
Tesla Roadster Máquina de Inducción375VAC 380Nm 180Kw 12.000 rpm
Th!nk City Máquina de Inducción
34 Kw
La tendencia son las máquinas AC de imanes permanentes
E t d d l t t ló i t l
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
30/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201130
Máquinas AC de imanes permanentes
Estado del arte tecnológico actual
Compactas
Topologías multipolares, reducen velocidad aumenta el par,apropiado para la tracción eléctrica
Máquina tracción Honda Accord
E t d d l t t ló i t l
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
31/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201131
Cargador de batería
Estado del arte tecnológico actual
Potencia 3 Kw
Comunicación con VE
Rangos de tensión batería 48-700Vdc
Añ 2011
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
32/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201132
Año 2011
Métodos de carga baterías LiOn. CCVC
Corriente
Constante
Típico C/8
Tensión
constante
Fin de carga
cuando
corriente < C/20
Más seguro
Recomendado para garantizar el número de ciclos de vida
Añ 2011
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
33/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201133
Año 2011
30 minutos
Métodos de carga baterías LiOn. Carga rápida
40 a 100Adc en la batería
Afecta a la vida de la batería
El BMS debe intervenir si alguna celda supera límites de tensión y/o
temperatura
C l i
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
34/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201134
Conclusiones
La autonomía del Vehículo Eléctrico es su caballo de batalla
250Kg 160-200Km VE vs 70Kg 700-1000Km Coche Convencional
Los motores eléctricos y convertidores de potencia para tracción
eléctrica son tecnologías maduras y encajan perfectamente en
las prestaciones exigidas por un vehículo
Los vehículos híbridos se están mostrando como una alternativa
para la incorporación de la tracción eléctrica a los vehículosconvencionales.
La mayoría de las grandes marcas de automóviles han realizado
desarrollos de tracción eléctrica, híbridos o eléctricos puros.
La Electrónica de Potencia es una de las tecnologíasclave en la tracción eléctrica.
F t
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
35/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201135
Futuro
En países desarrollados en el 90% del uso cotidiano del coche
no se superan los 100 Km de distancia, el VE encaja¡¡¡
En países en desarrollo la mayor parte de la población no
dispone de automóviles, el VE puede ser su primer coche¡¡¡
F t
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
36/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201136
Futuro
Motor-Rueda
Futuro
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
37/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201137
Futuro
Vehicle to Grid (V2G):
20h/día aparcado
4h/día aportando a la red
Futuro
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
38/39
ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-201138
Futuro
Carga baterías inalámbrica en modo estático
Carga baterías inalámbrica en modo dinámico
Carril de carga, velocidad limitada 50 Km/h
Carril libre
-
8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico
39/39
¿PREGUNTAS?
Línea de Investigación de Energía de MUMáquinas Eléctricas, Electrónica de Potencia y Sistemas de Almacenamiento
d d / l