Academia Nacional de Ingeniería 7 de abril de 2015 Ing. Claudio Damiano TRANSPORTE ELÉCTRICO ESTADO ACTUAL Y PROSPECTIVA: LOS ACUMULADORES DE ENERGÍA Y SU RECARGA.

ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGIA Y COSTOS BREVE HISTORIA ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGIA Y COSTOS PROSPECTIVA: LA ACUMULACION DE ENERGÍA Y LA RECARGA.

Historia del automóvil eléctrico 1828: Hungría Record mundial de velocidad, 105 km/h, en 1899. Le jamáis contente

Historia del automóvil eléctrico Argumentos de venta: distinción y fácil manejo.

Historia del automóvil eléctrico Edison Electric, 1913 Probó batería de Ni-Fe ! …pero: tarifas eléctricas fueron más caras que la nafta el mantenimiento de baterías, complicado la autonomía, escasa. … y apareció el arranque eléctrico!

ESTADO ACTUAL DE LAS TECNOLOGIAS DEL TRANSPORTE ELECTRICO A BATERÍAS

El presente Pike´s Peak 2011: 515 km/h China: 130 mill. – Mundo: 235 mill. 2015?: + de 700 km/h

La Formula e estructuras, motor y electrónica de control En general … Tecnologías de estructuras, motor y electrónica de control están maduras. Las baterías y sistemas de recarga son las limitantes a la masificación

Primera generación: Segunda generación: Con leves cambios en las plataformas existentes se acomodan el motor y el almacenamiento energía. Segunda generación: vehículos nacidos para el accionamiento a baterías

Esquemas de 2da. generación

Ventas mundiales de autos eléctricos Stock global de EV’s: 670.000 Source: Global EV Outlook 2015

Ventas mundiales de autos eléctricos Source: Global EV Outlook 2015

TRANSPORTE ELECTRICO A BATERÍAS DESARROLLO DE LAS TECNOLOGIAS DEL TRANSPORTE ELECTRICO A BATERÍAS

Quienes están investigando

Cuanto dinero se mueve en torno al EV? Source: Global EV Outlook 2015

TRANSPORTE ELECTRICO A BATERÍAS TECNOLOGIAS DEL TRANSPORTE ELECTRICO A BATERÍAS SISTEMAS DE TRACCION

Motores: Esquema mas utilizado Brushless Con escobillas

Caso In-wheel

Doble estator

Motores 600 VDC ! Casi 450 HP Source: GKN-EVO

Motores múltiples Caso 2 motores: efecto diferencial

Motores múltiples Caso 4 motores: torque vectoring (ESP)

Caso 4 motores: torque vectoring (Super ESP, autoadaptivo, con frenado regenerativo)

Necesitan caja de cambios los EVs ? Mantener al motor eléctrico cerca de su régimen óptimo puede ahorrar hasta un 15% de energía, pero … mas kilos y volumen, y menos confiabilidad.

TRANSPORTE ELECTRICO A BATERÍAS COMPARTIMIENTOS PARA BATERIAS TECNOLOGIAS DEL TRANSPORTE ELECTRICO A BATERÍAS COMPARTIMIENTOS PARA BATERIAS

Investigación en compartimientos para baterías Batería como parte de la estructura Sistemas de gerenciamiento de temperaturas Sistema de presurizacion / ventilacion Ejemplo: ventilación Caso: subida a 800 msnm. Una bateria que mide 100x50x30 cm, tendrá un volumen de 150 L, con 50 L de aire. Sin ventilación, subiria la presion interna en 90 mbar, que ejercerían 450 kg sobre la superficie de 0.5 m², rompiendo los sellos. Lo mismo pasa con salpicaduras de agua.

Investigación: compartimientos como parte de la estructura

Investigación: Gerenciamiento térmico del pack de baterías:

Gerenciamiento térmico del pack de baterías: dificultad para remover el pack del vehículo (battery swapping)

Investigación: Gerenciamiento térmico del pack de baterías de un Formula e

TRANSPORTE ELECTRICO A BATERÍAS TECNOLOGIAS DEL TRANSPORTE ELECTRICO A BATERÍAS LAS BATERIAS

Baterias Li-ion

Nuevas químicas Lithium-Titanate, Lithium-sulphur, Zinc-air, Magnesium, Aluminium-ion, Lithium-air Nuevas químicas >400 Wh/kg 140 kg 80 kg 140 Wh/kg* 170 Wh/kg* 200 Wh/kg* 200 kg 140 kg Conventional Li-ion Batteries Año 2012 35

El 90% de las baterías de Li fabricadas actualmente son LFP

Ejemplo de modernas baterías Anode: Silicon-Carbon Cathode: High Capacity Manganese Rich (HCMR™) Unique crystal structure Layered – layered: Ni, Co, Mn and Li2MnO3. Nanocoating enhance cycle life Innovation on particle morphology (size, shape, distribution, tap density & porosity) POROSIDAD

Avances en Electrolitos: Solid State

Quienes están investigando Una sola empresa (GYuasa – Japón) invierte tanto como USA. Esfuerzos por transparentar el futuro: http://www.cse.anl.gov/batpac/

Quienes están proveyendo Inversión en manufactura de celdas 2011-2015

Geografía del Litio Afganistán?

Mercados de baterías

Costos y Precios

LA RECARGA DEL AUTOMOVIL ELECTRICO. SU IMPACTO EN LA RED. RECARGAS SOBRE EL EV O CON “BATTERY SWAPPING”? EN EL HOGAR? EN LA VÍA PÚBLICA? EN LA OFICINA? EN EL SHOPPING? A QUE VALORES LLEGARÁN LAS POTENCIAS DE CARGA? HABRÁ APOYO A LA RED (V2G - UPS)? SERÁN RECARGAS CON ENERGÍA LIMPIA? BATERÍAS DE MENOR COSTO COMPITEN CON PROYECTOS DE SMART GRID?

Recarga de baterías (EVSE) Potencias de carga EU y USA: Normales entre 3 y 24 kW. Pero hay cargadores de 50 kW y Tesla vende el de 120 kW! Argentina: monofásico,10 A = 2.2 kW. Con conector especial y en Tarifa 1, puede llegar a 10 kW.

Estaciones de carga en la vía pública En el mundo: 15000 de carga rápida 95000 de carga lenta

Actores involucrados en la recarga

SE TRABAJA EN MEJORAR LA Recarga de baterías Conectores SE TRABAJA EN MEJORAR LA INTEROPERABILIDAD Y SEGURIDAD IEC 61851 MENEZES vs. CHADEMO

Aspectos Básicos de la IEC 61851 NORMAS Aspectos Básicos de la IEC 61851 Puente cultural entre la ingeniería automotriz y la eléctrica. Para diseñadores y fabricantes de vehículos y cargadores, y distribuidoras eléctricas. Describe características y condiciones de operación de cargador, conexión y vehículo, que aseguren a operador y terceros, cuando el EV esta puesto a tierra. En A.C. hasta 1000 V y en D.C. hasta 1500 V. La IEC 62196 es específica para conectores.

Comunicaciones durante la carga – SAE J 1772 NORMAS Comunicaciones durante la carga – SAE J 1772

Recarga rápida de baterías Proyecto Tesla: 120 kW

Recarga a 450 kW !

RECARGA EN VEHICULOS PESADOS SIEMENS’ eHIGHWAY TEST TRACK GERMANY

Otros sistemas de Recarga: sin cables. IEC 61980

Otra clase de recargas rápidas: cambio de electrolito

Otra clase de recargas rápidas: String cell

Otra clase de recargas rápidas: String cell

Otra clase de carga rápida: Range extenders Baterías Al-aire

VEHICULOS ELECTRICOS : COSTOS DE ADQUISICIÓN Y OPERACIÓN

Formas de adquisición I3 + X5 Renault Zoe - battery not included

Costos adquisición (USA)

Costos abastecimiento En Argentina: Nafta $11 / litro, 11 km/litro Cn= 1 $/km Electricidad (sin subsidio), 0.48 $/kWh, 9 km/kWh Ce=0.053 $/km Cn = 20 * Ce Efecto riqueza: más km recorridos

Costos para el sistema eléctrico por cada automóvil vendido Para carga a 2.2 kW, 10 kWh/dia, en pico: 1000 u$s en distribución: suburbio y ciudad. 5000 u$s en generación: caso Ciclo combinado + transmisión + transporte gas + desarrollo yacimiento, ó 6000 u$s caso Hidro + transmisión.

Efectos de la recarga - Ejemplo PG&E presentó plan de 25000 puntos de carga en California (el mayor plan de USA) Costo estimado: U$S 654 millones (U$S 26mil por punto). Un cliente residencial típico pagaría sólo U$S 0.70 adicionales por mes (en el período 2018 – 2022) Asociaciones de Consumidores rechazan que el Plan se pague con la Tarifa. Recordar que ya existen 650.000 EV’s en el mundo.

Desafíos: Seguridad en vía pública Tesla S World’s Safest Vehicle (NHTSA Test)

Desafíos: Seguridad

Como sigue la historia?

Desafíos Oportunidades Tecnologías mejorando rápidamente, con poca información sobre velocidad de evolución Altos incentivos Impacto en la red eléctrica y en la seguridad en vía pública: adecuación de infraestructuras Oportunidades Automóvil abastecido con Nueva Generación limpia. Recarga administrada: V2G, carga bidireccional Optimización de smart grids Menos mantenimiento: Car sharing

Muchas gracias! Ing. Claudio Damiano cdamiano@enre.gov.ar