baterias y controlador de lo vehiculos electricos
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BATERÍA Y CONTROLADOR EN LOS
VEHÍCULOS ELÉTRICOS 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
en sus baterías y controladores.
Abordando la 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 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 hecho,
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
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.
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.
Vehículo eléctrico de autonomía extendida (E-
REV): 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.
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]
* Desventajas
Su batería no puede ser cargada en cualquier
lugar. Se necesita una toma
Son de baja potencia.
Son de tamaño pequeño.
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.
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.
Modelo con previsión de una semana
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.
H. Baterías
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.
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:
• Alta tensión por celda (2 V/celda) lo que permite
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:
• Elevado peso debido a la utilización de plomo
como material activo.
• Baja energía especifica menor a un 30-50
Wh/kg.
• Corta vida cíclica (500 o 600 ciclos de carga-
descarga).
• No aceptan carga rápida, por lo que se necesitan
largos periodos de tiempo para la recarga.
• Baja resistencia ante sobrecargas y descargas
accidentales. • Se ven afectadas seriamente por la corrosión de
sus electrodos.
• Necesidad de mantenimiento periódico.
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)
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).
Ventajas:
• Tecnología muy establecida.
• Buen comportamiento en un amplio margen 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, de
dos a tres veces lo alcanzado por la tecnología de
plomo-acido).
• Gran robustez ante abusos eléctricos 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 10% mensual.
• La tensión nominal es de 1,2 V/celda, un 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:
• Una mayor densidad energética y mayor energía
específica, que el NiCd.
•Tecnología libre de cadmio (menos
contaminante).
•Pueden ser cargadas con un cargador
convencional.
• Seguras, además son menos pesadas.
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 aproximadamente 300-500 ciclos
de carga.
• Tiempos de carga superiores al Ni-Cd. [8]
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.
Batería Ión-Litio
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.
Ofrece una densidad energética importante, del
orden de 110 a 160 Wh/kg pero su precio es aún
muy alto.
La densidad de energía de una batería de la
familia del litio es aproximadamente más del
doble que en una batería de níquel-Cadmio.
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 energía.
• 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 mantener
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.
- 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]
III. RESULTADOS
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.
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.
IV. POSIBLES CONCLUSIONES
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/coches-
hibridos-alternativos/coches-electricos-que-
son-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-de-
los-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-y-
tesis/conocimientos/ciencias-
formales/estudio-de-baterias-para-vehiculos-electricos-1907903
[9] http://www.bolido.com/2012/09/las-baterias-
de-zinc-tendrian-mayor-autonomia-y-menor-
costo/
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. (biens-
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.