05 MU Vehiculo Electrico

8/18/2019 05 MU Vehiculo Electrico

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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

[email protected]

www.modragon.edu/enele

mailto:[email protected]:[email protected]


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ELECTRONICA DE POTENCIA Presente y futuro de una Industria Referente en Euskadi Mondragon 10-6-2011

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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


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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


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Composición básica de un Vehículo Eléctrico

Años 90

Convertidor

Punto de recarga

Motor eléctrico

Caja reductora

Baterías

Batería auxiliar 12 V

Cargador baterías


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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


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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


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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



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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



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Ciclado térmico



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Ciclado térmico



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Máquina de inducción


Modelo vectorialPar y flujo desacoplados


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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


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Fabricante baterías Pb recomienda cargas de 8 horas


Potencia del cargador entre 2 y 3 Kw, asumible por red domésticaTamaño del cargador con convertidores de potencia HF reducido

Cargador embarcado


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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


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2001 Comercialización del Prius en todo el mundo

Vehículo Híbrido paralelo no enchufable

Autonomía en eléctrico 2 Km

Año 2000


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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


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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 ¡¡¡


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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


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Baterías de LiOn

Estado del arte tecnológico actual


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Características de las baterías de LiOn


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)


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Rango de funcionamiento celda LiOn


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)


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Arquitectura de un pack de baterías con BMS


Conector pack Batería

Módulo batería (4 a 12 celdas)

BMS

Sensor de corriente


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Fabricantes IGBTs comercializansoluciones para tracción eléctrica


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Módulos de IGBTs libres de soldaduras


Mayor nº ciclos de trabajo

Menor Rtérmica(ºC/W)

Mayor capacidad corriente

Aumenta fiabilidad

La tecnología IGBT

Capacidad de soportar

cortocircuitos


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Hardware de control


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


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Algoritmos de control avanzados íntegramente digitales




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Máquinas de tracción eléctrica


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



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Máquinas AC de imanes permanentes


Compactas

Topologías multipolares, reducen velocidad aumenta el par,apropiado para la tracción eléctrica

Máquina tracción Honda Accord



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Cargador de batería


Potencia 3 Kw

Comunicación con VE

Rangos de tensión batería 48-700Vdc

Añ 2011


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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


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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


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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


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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


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Futuro

Motor-Rueda

Futuro


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Futuro

Vehicle to Grid (V2G):

20h/día aparcado

4h/día aportando a la red

Futuro


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Futuro

Carga baterías inalámbrica en modo estático

Carga baterías inalámbrica en modo dinámico

Carril de carga, velocidad limitada 50 Km/h

Carril libre


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¿PREGUNTAS?

Línea de Investigación de Energía de MUMáquinas Eléctricas, Electrónica de Potencia y Sistemas de Almacenamiento

d d / l

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