Baterias y Controlador de Lo Vehiculos Electricos

BATERÍA Y CONTROLADOR EN LOS VEHÍCULOS VEHÍCULOS ELÉTRICOS ELÉTR ICOS Ashly Biens, Enelisyer Fong y Julio Santander Universidad Tecnológica de Panamá Estudiantes de la Facultad de Ingeniería Eléctrica Abstracto.  La

principal motivación que persigue este proyecto, es la búsqueda de documentación  sobre los vehículos eléctricos fundamentalmente fundamentalmente en sus baterías y controladores.  Abordando la problemática problemática de las baterías para los vehículos eléctricos, ya que las baterías son el  punto débil de los prototipos eléctricos que están empezando a salir al mercado del automóvil. Sus  prestaciones limitadas y un alto precio relativo, hacen dura la competencia con vehículos convencionales de combustión. Sin embargo, existe una creciente demanda social de tecnologías limpias, más respetuosas con el medio ambiente que hacen especialmente deseable el desarrollo de vehículos eléctricos al menos para  su uso en un entorno urbano.

Términos claves: Batería, Controlador, Autos Eléctricos.

I. INTRODUCCIÓN El documento presentado trata de abarcar el tema sobre los vehículos eléctricos, el cual tiene como fin informar de manera general a cualquier  persona interesada en el tema. Además de  profundizarnos en sus baterías, debido a que nos  parece interesante interesante el tema. Debemos resaltar que estar informado de los autos eléctricos es muy importante, ya que son el futuro. ¿Por qué el futro? Simple, los vehículos eléctricos son amigables con el ambiente, además actualmente los vehículos de combustión interna lideran el mercado automotriz, sin embargo la fuente primaria utilizada para la creación de su combustible se está agotando y surge la necesidad de buscar alternativas a éste y una de las primeras formas en que se piensa son los autos eléctricos.  No obstante, no es tan sencillo como se cree  porque para todo este cambio se necesita diversos estudios sobre todo los de impacto. Este documento es un pequeño ejemplo de este tipo de estudio.

II. INVESTIGACIÓN A. Smart Grid Como aclaramos nosotros hemos fijado nuestra visión en un futuro, es por eso necesario aclarar este tema. La red eléctrica inteligente (smart grid en inglés) es una forma de gestión eficiente de la electricidad que utiliza la tecnología informática para optimizar la producción y distribución de electricidad con el fin de equilibrar oferta y demanda entre productores y consumidores. Esta idea surge gracias al auge en el desarrollo y avance de las tecnologías en información y comunicaciones (TIC). Una red inteligente envía electricidad desde los proveedores a los consumidores usando una tecnología digital  bidireccional para controlar las necesidades del consumidor. Esto ayuda a ahorrar energía y reducir costos. [1]

B. Encuesta Como sabemos la opinión de las personas forma  parte fundamental en la introducción algo innovador porque quisimos realizar esta encuesta. ¿Conoce usted que son las Smart Grids (Redes Inteligentes)?

El 70% de los encuestados no sabe que son las Smart Grid, las personas no están muy bien informadas acerca de este tema.

¿Sabe cómo funciona un vehículo eléctrico?

El 51% de los encuestados no sabe cómo funcionan los vehículos eléctricos. Suponemos que el restante 49% sabe cómo funciona  básicamente pero en realidad no sabe toda la ciencia que involucra. ¿Sabe el costo aproximado de un vehículo eléctrico?

Las personas tienen una idea del costo de un vehículo eléctrico porque estos rondas entre los $25 000 a $50 000 dólares. 45% dice que están entre los $ 15 000 y $ 30 000 y otro 18% dice que están entre los $ 30 000 y $ 50 000 dólares. ¿Cambiaría usted el uso de un vehículo de combustión interna (gasolina) por uno eléctrico?

Anuente del elevado costo de un vehículo eléctrico lo encuestados afirman que cambiarían un vehículo de combustión interna por uno eléctrico. Se puede apreciar lo preocupados y anuentes que están con el tema ambiental en el  planeta.

C. Partes de un vehículo eléctrico Las partes básicas de un vehículo eléctrico son: un motor eléctrico, el controlador del motor y batería.

Controladores: comprueban el correcto funcionamiento por eficiencia y seguridad, regulando la energía que recibe o recarga el motor. [4] Baterías: en este caso, es la fuente de energía del vehículo. Se pueden recargar, y dependiendo de su capacidad, dependerá también su autonomía (Velocidad máxima que toma el automóvil). Suelen calentarse, por lo que deben tener un sistema de refrigeración adecuado. [4] El motor es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Todo motor se  basa en la idea de que el magnetismo produce una fuerza física que mueve los objetos. En los motores se utiliza la electricidad para crear campos magnéticos que se opongan entre sí, de tal modo que hagan moverse su parte giratoria, llamado rotor. En el rotor se encuentra un cableado, llamado bobina, cuyo campo magnético es opuesto al de la parte estática del motor (estator). El campo magnético de esta parte lo generan imanes permanentes, precisamente la acción repelente a dichos polos opuestos es la que hace que el rotor comience a girar dentro del estator. Si el mecanismo terminara allí, cuando los polos se alinearan el motor se detendría. Por ello, para que el rotor continúe moviéndose es necesario invertir la polaridad del electroimán, aquí es donde se separan los motores AC y DC,  pero de forma general así trabaja un motor eléctrico. [5] Precisamente por tener tan pocos elementos, y ser un sistema más simple que el de los coches que utilizan combustible son más eficientes. De h echo, como dato curioso, un coche eléctrico convierte entre el 60 y 90% de su energía en energía mecánica, y por lo tanto en movimiento. Sin embargo, los coches de combustión interna, sólo llegan estar entre un 15 y 20% de conversión. [4]

D. Funcionamiento básico de los vehículos eléctricos Los vehículos impulsados por electricidad o vehículos eléctricos son todos aquellos que  pueden conectarse a una fuente de alimentación externa para cargarse. Estos vehículos utilizan electricidad para abastecerse de toda o parte de la energía que necesitan y suelen incorporar frenado regenerativo para recargar la batería con energía capturada. [2]

Dependiendo del tamaño del vehículo varía entre los 10kWh/100km para un utilitario urbano y los 30kWh/100km de un microbús. Para un consumo medio de 15 kWh/100km. La autonomía de un coche eléctrico 150 km, es decir con un carga completa puede durar aproximadamente 150 km, con esto se puede concluir que se necesitarían aproximadamente 22.5 KWh para llenar al auto eléctrico, lo cual en nuestro país son aproximadamente $ 2.64. [7] Un vehículo eléctrico, básicamente utiliza la energía eléctrica suministrada por unas baterías recargables que a través de un controlador envía la  potencia desarrollada al motor. [2] El controlador toma energía de las baterías y se la entrega al motor. El acelerador va conectado a un  par de potenciómetros (resistencias variables), y estos potenciómetros proveen de la señal que le dice al controlador cuanta energía se supone que tiene que entregar. El controlador puede enviar varios niveles de potencia, controlando la velocidad. [3]

E. Tipos de vehículos eléctricos

F. Ventajas y desventajas de los vehículos eléctricos * Ventajas Este tipo de vehículo no emite gases contaminantes al medio ambiente, al igual que no hacen contaminación acústica.  No presentan desechos como aceites, filtros, repuestos, etc., que luego podrían contaminar el medio ambiente. Pueden ser utilizados de 2 formas: Ya sea con un motor hibrido (usando combustión y electricidad) o solamente uno eléctrico. Mientras que en los autos que usan combustible derivado del petróleo, rinden alrededor de 600 Km  por tanque lleno siendo eso un costo de 48.5 dólares, los autos eléctricos solo necesitaría 10.56 dólares aproximadamente.  No tiene gastos de mantenimiento, lo cual ahorra más dinero frente a los que genera un vehículo convencional. [6]

Vehículo eléctrico de baterías (EV-B): Estos coches están dirigidos por un motor eléctrico donde la energía es almacenada en la batería. Una vez que la energía de la batería se agota tiene que ser recargada antes de que el coche puede ser conducido de nuevo.

* Desventajas

Vehículo eléctrico híbrido (H-EV): Estos coches tienen 2 fuentes de energía: un motor de gasolina o diesel, además de un motor eléctrico. El motor eléctrico por lo general se combina con el motor de gasolina/diesel, pero también puede impulsar el coche eléctricamente a una corta distancia.

Son de tamaño pequeño.

Vehículo eléctrico de autonomía extendida (EREV): Estos coches tienen un motor eléctrico como la unidad de accionamiento principal, que alimenta el vehículo 100% del tiempo. La diferencia es que los vehículos eléctricos de autonomía extendida cuentan con un pequeño motor de gasolina o diesel, que proporciona energía a la unidad de accionamiento eléctrico cuando la carga de la batería se agota. [2]  Nosotros enfocamos todo el estudio en los vehículos eléctrico de batería debido a estos no utilizan combustibles fósiles de ninguna manera.

Su batería no puede ser cargada en cualquier lugar. Se necesita una toma Son de baja potencia.

Tiene un alto precio. La autonomía frente a un auto convencional es mucho menor, que viene siendo de unos 150 Km frente a los 600 Km de los coches de combustible fósil.  Necesitan entre 6 y 8 horas para recargarse completamente mientras que los otros es cuestión de unos minutos. [6]

G. Controladores en los vehículos eléctricos Es uno de los temas en los que nos enfocamos, debido a que es aquel que está más relacionado a Smart Grid en los vehículos eléctricos. Además es aquel que permitirá la optimización del consumo eléctrico. Este fue un estudio realizado por estudiantes de doctorado y sus profesores de la Universidad de Louisville.

El enfoque adoptado para minimizar el impacto de carga de los vehículos en los cargos por demanda fue calcular un factor de capacidad cada intervalo de 15 minutos del ciclo de facturación. Cada uno de los métodos de pronóstico utiliza en tiempo real medido datos para calcular el número de  posibles vatios que se pueden cobrar durante el  próximo intervalo de 15 minutos. Modelo de pronóstico regresivo Este modelo basa su predicción de la potencia suministrada en base a los datos de un día anterior (clima, calefacción y las cargas de enfriamiento, época del año, día de la semana, etc.). Todos los estudios se realizaron en 149 días, con este modelo se obtuvo un aumento de $41 553 en la demanda de electricidad y un margen de seguridad del 5%. La demanda máxima aumento 39 veces más en los 14 406 intervalos de 15 minutos estudiados con un promedio de carros de 346.

I. Tipos de baterías Para el estudio de las baterías se necesitara conocer algunos términos Capacidad: La capacidad de una batería es la cantidad medida de amperios hora (Ah), que  puede suministrar o aceptar una batería. Densidad de Energía: Energía que puede almacenar una batería por unidad de volumen (Wh/l) [2]. Energía Específica: Energía que puede almacenar una batería por unidad de peso (Wh/kg).  Batería de Plomo ácido

Las baterías de plomo son un tipo de batería común en vehículos convencionales, no híbridos. Ventajas:

Modelo de extrapolación Este modelo extrapola en base al promedio de los últimos 15 minutos de demanda para el siguiente  periodo e incorpora un factor de seguridad del 95%. Con este modelo se obtuvo un margen de seguridad del 10%. Se incrementó la demanda en $24 861. Su demanda máxima aumento 35 veces con un promedio de 270 en cada intervalo de 15 minutos.

• Alta tensión por celda (2 V/celda) lo que pe rmite

obtener baterías de mayor tensión con un número menor de celdas conectadas en serie. • Excelente capacidad para suministrar picos de corriente altos durante la descarga. • Su tasa de auto-descarga mensual es de las más  bajas, aproximadamente un 5%. • Alta eficiencia, por encima del 80 por ciento. • Facilidad de reciclado.

Desventajas: Modelo con previsión de una semana

• Elevado peso debido a la uti lización

de plomo

como material activo. Este modelo también estima la demanda del siguiente periodo de 15 minutos, sin embargo utiliza datos en base a una semana anterior. Se obtuvo un margen de seguridad del 5% y un incremento de la demanda de $179 310. La demanda aumentó 3 106 más con un promedio de 360 carros en cada intervalo.

• Baja energía especifica menor a un 30 -50

H. Baterías

• Se ven afectadas seriamente por la corrosión de

Las baterías (o acumuladores) son sistemas electroquímicos cuyo objetivo es almacenar energía. Cuanto más vacías están las baterías, más rápido se recargan. Cuanto más llenas, más cuesta que se llenen. Se necesitan toma de 220 V para una buena recarga.

• Necesidad de mantenimiento periódico.

Wh/kg. • Corta vida cíclica (500 o 600 ciclos de carga -

descarga). • No aceptan carga rápida, por lo que se nece sitan

largos periodos de tiempo para la recarga. • Baja resist encia ante sobrecargas y descargas accidentales. sus electrodos. Aplicación de las baterías de plomo ácido: Plomo-Acido: utilizadas sobre todo en los automóviles convencionales como baterías de arranque. Plomo-Gel: Sin necesidad de mantenimiento, se utilizan mucho en los vehículos eléctricos.

Plomo-Silicona: Comienzan a hacer su aparición en el mercado, ofrecen más resistencia que las  baterías tradicionales. [8]  Batería de Ni-Cd (Nickel Cadmio)

• Una mayor densidad energética y mayor energía

específica, que el NiCd. •Tecnología libre de cadmio contaminante). •Pueden ser cargadas con un convencional.

Utilizan un cátodo de hidróxido de níquel y un ánodo de un compuesto de cadmio y un electrolito de hidróxido de potasio. Sin embargo, su densidad de energía es de tan solo 50 Wh/kg, por lo que  poseen una capacidad media. Admiten sobrecargas, además de poder seguir siendo cargadas cuando ya no admiten más carga (aunque no se almacene).

• Seguras, además son menos pesadas.

Ventajas:

de carga.

• Tecnología muy establecida. • Buen comportamiento en un amplio m argen

Gran

robustez

ante

abusos

eléctricos

Desventajas: • Alta razón de auto descarga, entre un 15 a un

20% por mes. • Menor fiabilidad que las baterías Ni-Cd, • No soportan fuertes descargas. • Voltaje bajo de 1,2V por celda. • Vida media de aproxima damente 300-500 ciclos • Tiempos de carga superiores al Ni -Cd. [8]

y

mecánicos. • Gran fiabilidad, no fallan de forma repentina como las baterías de plomo-acido. Desventajas:

• Precio elevado, en comparación con las baterías de plomo-acido (por encima de los 300 €/kWh). • Dentro de los componentes utilizados en la

fabricación de estas baterías se encuentra el cadmio, elemento altamente contaminante. • Actualmente ya no se fabrican en muchos de los

 países desarrollados. • Autodescarga de un 1 0% mensual. • La tensión nominal es de 1,2 V/celda, u n

cargador

de

temperaturas (-40 º C - 60 º C). • Admiten sobrecargas, se pueden seguir cargando cuando ya no admiten más carga, aunque no la almacenan. • Vida cíclica larga (superior a los 1.500 ciclos, d e dos a tres veces lo alcanzado por la tecnología de  plomo-acido). •

(menos

valor

 bastante bajo por celda. Aplicaciones batería Nickel-cadmio Unos de los usos más frecuentes es en juguetes, equipos estéreos y máquinas fotográficas. [8]  Batería de Ni-Mh (Nickel Metal-Hidruro)

Su principal diferencia con las baterías Ni-Cd diferencia que en la batería de NiMH utiliza un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de una aleación de hidruro metálico, que las hacen libre de cadmio. Ventajas:

Aplicaciones de batería Ni-MH Actualmente algunas motos están probando éstas  baterías. Incluyen todos los vehículos de propulsión totalmente eléctrica como: General Motors EV1, Honda EV Plus, Ford Ranger EV, Scooter Vectrix. Vehículos híbridos como el Toyota Prius, Honda Insight o las versiones híbridas, de los Ford Escape, Chevrolet Malibu y Honda Civic Hybrid también las utilizan. [8]  Batería Ni-Zn (Nickel Metal-Zinc)

Sus características no contaminantes hacen de la  batería Nickel-Zinc un potencial competidor de las clásicas baterías de plomo e incluso las de  Nickel Cadmio. Son dos veces más caras que las baterías de plomo  pero también ofrece una densidad energética doble comparada a la batería de plomo (80 Wh/kg para  Ni-ZN, 30 Wh/kg para el plomo). [8] Aplicaciones de Ni-Zn En unas pruebas realizadas en un Prius se reemplazó la batería de Ni-MH por una de Ni-Zn, la autonomía en modo eléctrico aumentó cerca de un 30%, mientras que el precio de las baterías disminuye en un 25%. Además tienen otras ventajas, ya que no necesitan sistemas de refrigeración, son completamente reciclables, y no tienen metales tóxicos como plomo, mercurio, cadmio, etc. [9]

Estas baterías de Ni-Zn son consideradas como ideales para reemplazar las baterías de los actuales vehículos híbridos o microhíbridos, generalmente de Ni-MH, que tengan sistemas Start/Stop, frenos regenerativos, o algún método de recuperación de energía para ayudas momentáneas.

- Las baterías de Ión Litio al ser baterías más compactas permiten manejar más carga, lo que hay que tener en cuenta para lograr automóviles eléctricos prácticos. [8]

 Batería Ión-Litio

La idea era desarrollar un documento completo y general acerca de los vehículos eléctricos para lograr que cualquier persona interesada en el tema estuviera debidamente informada, sin embargo en el transcurso de la investigación nos pareció atractivo profundizar un poco en lo que son los controladores y baterías, partes esenciales de los vehículos eléctricos.

Hay que recordar que el litio (LI) es el metal más ligero que existe, ya que al tener únicamente tiene tres protones, su peso atómico es muy bajo. Su utilización se extendió con el uso de los ordenadores portátiles y los móviles. Ahora esta tecnología se está empezando a usar en los vehículos eléctricos.

III. RESULTADOS

Ofrece una densidad energética importante, del orden de 110 a 160 Wh/kg pero su precio es aún muy alto.

 Nos interesamos en la batería y los controladores debido a que son las partes que permitirán optimizar a éstos autos y así hacer posible el cambio de los autos convencionales en estas maravillas andantes.

La densidad de energía de una batería de la familia del litio es aproximadamente más del doble que en una batería de níquel-Cadmio.

IV. POSIBLES CONCLUSIONES

Los investigadores aseguran que la batería de litio  puede alcanzar un potencial muy superior al actual. El voltaje de una celda de la familia de litio oscila entre los 3.3 a 3.7 Voltios, lo que permite diseñar  baterías de una única celda que se utilizan especialmente en teléfonos con una batería de níquel-cadmio sería necesario utilizar tres células conectadas en serie. Ventajas: • Alta densidad de en ergía. • Alta energía especifica. • Alta capacidad de descarga en algunos tipos de

 baterías de litio. • No necesitan de mantenimiento. • Sin efecto memoria. • Bajo efecto de auto descarga.

Desventajas: • Requiere un circuito de seguridad para mantene r

los límites de voltaje máximo y mínimo por celda. • Los lugares fríos afectan su carga • Limitaciones en su transporte aéreo. • Precio superior a otras baterías.

Aplicación de Ion-Litio - Su uso se ha popularizado en aparatos como teléfonos móviles, agendas electrónicas, ordenadores portátiles y lectores de música.

Los vehículos eléctricos a nuestro parecer es el futuro de las industrias automotrices. Como se sabe en algún momento los combustibles fósiles se agotaran a su totalidad por ende debemos contar con una alternativa para cuando se  presente esta realidad. Una de las opciones que tenemos son los autos eléctricos los cuales nos permitirán seguir transportándonos de un lugar a otro. Pero aún no están perfeccionados, puesto que actualmente se están teniendo problemas. La manera de solucionarlo es a través de la optimización de sus  baterías y de sus controladores, es por eso que quisimos profundizarnos en estos temas. Este artículo presenta de manera sintetizada y lo más simple posible nuestros resultados, el cual esperamos le sean útiles a cualquier persona que se interese en el tema. De por sí solos los autos eléctricos presentan una revolución innovadora en esta tan necesaria “fiebre

verde”

que

estamos

viviendo,

la

optimización de estas dos partes de esenciales en todo vehículo eléctrico permitiría que se ahorre aún más la energía, así como reducir la contaminación que se produce, para que así las futuras generaciones disfruten del planeta, como lo hacemos nosotros.

V. REFERENCIAS

[1] http://es.wikipedia.org/wiki/Red_el%C3%A9 ctrica_inteligente [2] http://www.motorpasion.com/cocheshibridos-alternativos/coches-electricos-queson-y-como-funcionan [3] http://aktuaya.org/index.php?option=com_co ntent&view=article&id=464 [4] http://www.elmorrocotudo.cl/admin/render/n oticia/27817 [5] http://www.ojocientifico.com/2011/09/29/mot or-electrico-como-funciona [6] http://www.taringa.net/comunidades/todointer  esante/7338381/Beneficios-y-desventajas-delos-autos-electricos.html [7] http://es.wikipedia.org/wiki/Veh%C3%ADcul o_el%C3%A9ctrico#Energ.C3.ADa [8] http://es.youscribe.com/catalogue/informes-ytesis/conocimientos/cienciasformales/estudio-de-baterias-para-vehiculoselectricos-1907903 [9] http://www.bolido.com/2012/09/las-bateriasde-zinc-tendrian-mayor-autonomia-y-menorcosto/

VI. BIOGRAFÍAS Ashly Biens  Nació el 12 de diciembre de 1994 en la ciudad de Panamá, Panamá. Realizó sus estudios primarios en el Centro Educativo Básico General Ascanio Villalaz Paz, ubicada en la ciudad de Panamá. (2000 al 2006). Luego fue trasladada al Instituto José Dolores Moscote donde realizó sus estudios secundarios obteniendo el certificado de tercer año (2007 al 2009). Y también el diploma de Bachillerato en Ciencias. (2010 al 2012). Actualmente cursa el segundo semestre del primer año de la Licenciatura en Ingeniería Eléctrica y Electrónica en la facultad de Ingeniería Eléctrica en la Universidad Tecnológica de Panamá, ubicada en la ciudad de Panamá. Su área de interés es la Electrónica y la Potencia. ([email protected]).

Enelisyer Fong Enelisyer Carjuanish Fong Bultrón. Nació el 26 de abril del 1995 en Chitré, Herrera. Realizó sus estudios completos  primarios en la escuela Federico Escobar, ubicada en Juan Díaz. Culminó sus estudios secundarios en el Instituto José Dolores Moscote, ubicada en Parque Lefevre, obteniendo su título de bachiller en Ciencias Tradicional. Actualmente cursa el segundo semestre del primer año de la universidad tecnológica de Panamá en la Carrera de Licenciatura en Ingeniería Electromecánica en la facultad de Ingeniería Eléctrica. Su área de interés es la robótica ([email protected]).

Julio Santander  Nació el 12 de diciembre de 1994 en la ciudad de Panamá. Cursó la primaria completa en la Escuela Gran Bretaña ubicada en el corregimiento de Pedregal, distrito de Panamá. Sus estudios secundarios los realizó en el Instituto José Dolores Moscote ubicado en Parque Lefevre donde obtuvo en Bachiller en Ciencias Tradicionales. Actualmente estudia Licenciatura en Ingeniería Eléctrica y Electrónica en la Universidad Tecnológica de Panamá. ([email protected]).