COMO SELECCIONAR LAS BATERIAS

Estudio basado en baterías de plomo bajo costo El almacenamiento barato y eficaz de energía, en particular de electricidad, continúa siendo un tema fundamental para el diseño de vehículos eléctricos de bajo costo. Una tecnología de baterías de bajo costo, disminuiría las pérdidas de energía de las fuentes de energía clásicas (por ejemplo, la electricidad fuera de las horas punta) y en segundo lugar, daría un impulso a la energía renovable, en especial a las fuentes no constantes como el sol y el viento. Este efecto combinado reduciría significativamente la producción de CO2 y la dependencia de los combustibles fósiles. También abriría el mercado en masa a los V.E., que hoy sufren dificultades por las limitaciones que representa el peso de sus baterías. Otro factor importante a considerar referentes a las baterías son los cargadores de éstas, los cuales reponen la energía usada por un EV de igual manera que una bomba de combustible vuelve a llenar un tanque. La diferencia más significativa es que en EV se puede hacer durante la noche, en casa y mucho más cómodamente que ir a una estación de gasolina.

Selección de la batería

Parámetros de diseño

Los parámetros aquí enseñados se aplican a baterías de plomo ácido que por razones técnicas y económicas son más útiles para este tipo de aplicaciones, a continuación se muestra una tabla que hace la comparación entre las baterías de plomo ácido y las de níquel cadmio.

Tipo de Batería Ciclos de Vida US$ KWh Pb 35 – 45 KWHr

400 - 1000 100 - 150

NiCad 500 - 1000 400 - 800

Tabla # 1. Comparación de baterías.

Dado el costo de inversión y la similitud en duración de la batería se elige el de tipo plomo ácido. Rango del Banco de baterías

Para la selección apropiada de la batería que se debe usar se deben tener en cuenta varios parámetros aun cuando la vieja regla del dedo pulgar, en cuanto más plomo mayor el rango pero a su vez es menor el rendimiento debido al incremento del peso del vehículo. También es cierto que si se aumenta la tensión mejor será el rendimiento (aceleración y velocidad tope. Esto es, por supuesto, dependiendo del tipo de manejo del conductor y del controlador. Y aunque estas generalizaciones se ajustan a cualquier EV, no están muy lejanas de ser ciertas. Dos tipos de diseño ilustran lo anteriormente mencionado:

Rango Amplio: Sistemas de 96 a 120 V, utilizando baterías de ciclo profundo a 6 V. Esto entregara bastantes Ampere-Horas y el peso oscila entre 480 y 720 Kg. Este tipo de banco de baterías debe durar entre 2 y 3 años dependiendo del tipo de conducción Alto Rendimiento: Sistemas de 96 a 144 V, utilizando baterías de 12 V. Si utilizada baterías para partida el vehículo será ligero ( 200 a 350 Kg) y rápido, y las baterías duraran a la sumo de 3 a 6 meses. Si se utilizan batería de ciclo profundo, estas pueden durar entre un año y medio y dos años, pero el auto será más pesado dependiendo de la batería.

Para encontrar que tipo de diseño es el más apropiado para el banco de baterías, es necesario saber cuanta energía hay en el banco y cuanta energía el EV usa por kilómetro.

kmporusadaEnergía

bancoelenEnergíaRango

___

___=

La energía en le banco de baterías (cableado en serie) es los Amp-Hr nominales multiplicados por la tensión del banco. Los Amp-Hr nominales son la capacidad de corriente que pueden entregar durante un determinado tiempo. La mayoría de las baterías son medidas en un período de tiempo de 20 horas, este es un estándar usado para comparar las baterías y puede ser encontrado en las especificaciones de la mayoría de ellas. Este estándar debe ser ajustado a para el uso de un EV, pues en cuanto más

rápido se sustraiga corriente del banco, menos capacidad tendrá. Esto se debe a la química de la batería y su resistencia interna, por lo tanto la capacidad de una batería a la tasa de 20 Horas es mas que la capacidad de a 1 a la tasa de una hora (EV). La siguiente tabla suministrada por Trojan Battery Company ilustra el factor de conversión para encontrar la X tasa de horas dada la tasa a 20 horas. Conversión de tasa de 20 horas a X horas.

Tasa a X horas.

Factor de Conversión

1 0.57 2 0.67 3 0.74 4 0.77 5 0.82 6 0.84 7 0.86 8 0.87 9 0.89

10 0.91 20 1.0

Tabla # 2. Factor de conversión.

Nota: estos valores pueden ser un poco diferentes para cada batería

Se puede observar de la tabla anterior que a medida que se conduzca más rápido el rango decrecerá debido a capacidad disponible reducida. Esto no toma en cuenta la resistencia del viento la cual se incrementa con la velocidad. Ahora se necesita saber la energía o los Watts hora por kilómetro que el EV consumirá. A continuación se presentan los EV más populares y sus consumos en Watts hora por kilómetro.

Impact = 82 WH/km (Motor AC, muy buena aerodinámica) Metro = 100 WH/km (Motor de IP, buena aerodinámica) Metro = 125 WH/km (Motor DC, buena aerodinámica) Truck = 215 WH/km (Motor DC, mala aerodinámica)

Esta clasificación se desarrollo utilizando muchos tipos de vehículos y viajando a velocidades de autopista (100 km/h). Los números reflejan la eficiencia de los autos mencionados. Con la información entregada, el rango para un pequeño auto en una vía rápida será:

kmWhr

bancoVhrAmpRango

/125

)(57.020 ××⋅=

De la anterior ecuación podemos hacer una tabla para los tipos más comunes de baterías.

Tipo de bateria

Tasa 20 AH Tension Banco (V)

Peso banco (kg)

Rango (km)

Ciclo de Vida

Km/kg km x ciclos/kg

T-105 217 27.7 72 333 71.2 754 0.214 161.5 6V

96 444 95.0

120 555 118.7

T-125 235 30.0 72 360 77.2 650 0.214 139.3

96 480 102.9

120 600 128.6

T-145 244 32.3 72 387 80.1 650 0.207 134.5

96 516 106.8

120 645 133.5

T-875 165 28.6 72 258 54.2 540 0.210 113.5 8 V

96 344 72.2

120 430 90.3

27TM 105 23.6 72 258 34.5 210 0.134 28.1 12 V

96 189 46.0

27TMH 117 27.3 72 164 38.4 358 0.235 84.0

96 218 51.2

120 273 64.0

144 327 76.8

30XHS 130 30.0 72 180 42.7 325 0.237 77.1

96 240 56.9

120 300 71.1

144 360 85.4

5SHP 165 39.1 72 235 54.2 325 0.231 75.1

96 313 72.2

120 391 90.3

144 469 108.3

Tabla # 3. Baterías más comunes.

Tipo de Batería

Para la apropiada selección del tipo de batería de plomo ácido a utilizar hacemos las siguientes comparaciones:

Auto/UPS Deep Cycle Advanced lead Acid

Placas Delgadas Placas gruesas Placas más gruesas

Alta Potencia Baja Potencia 500 A Alta Potencia 10 Seg/ 800 Amp Alta Energía Alta Energía Poca Vida Larga Vida No es útil después de descargada 50%

Opera a 80 % de descarga

Tabla # 4. Comparaciones Baterías de plomo ácido .

Tomemos el ejemplo de el diseño de un vehiculo de 72 volt, Basado en lo anterior y ante las disponibilidades del mercado se recomienda el uso de baterías de ciclo profundo a 6V. Dado el análisis anterior se utilizará la batería Trojan Deep Cycle T-105, la cual reúne las características antes mencionadas o se pueden utilizar baterías RADESCA plomo acido ciclo profundo. El detalle de las características de este modelo de baterías se encuentra en el anexo de este informe. El banco de baterías del EV consistirá en 6 baterías de las características anteriormente mencionadas conectadas en serie para entregar una tensión de 72 V. (tensión Nominal del Motor DC). Por lo tanto las características generales del banco de baterías serán:

Capacidad 217 Ah @ 20h Voltaje Nominal 72 V Voltaje en flotación 81 V Voltaje de Ecualización 93 V Voltaje máximo de Carga 87 +/- 2.4 Voltaje Final de Corte 71.4 Máxima intensidad de Carga

22 Ah

Rango 71.2 km Peso 335 kg

Tabla # 5. Características generales del banco de baterías.

72 V

Figura # 1. Diagrama de conexión del banco de baterías.

Para finalizar el tema de las baterías se mencionará el precio de estas en el mercado chileno, este fluctúa entre los 40 y 60 mil pesos.

Batería auxiliar ejemplo práctico.

Para alimentar los sistemas auxiliares a 12 V, se selecciono una batería de ciclo profundo para suministrar carga a los sistemas de iluminación, instrumentación, limpia parabrisas y demás accesorios que solicite el auto. La batería indicada es Exide Nautilus Gold, Modelo NG-31, y sus características se presentan en el anexo de este informe.

Figura # 2. Batería Auxiliar Nautilus.

Cable de conexión

Para la elección del cable de conexión del banco de baterías (entre baterías como también del banco al motor) se analizó la corriente máxima requerida por el motor dado sus características nominales y transitorias. Luego posemos calcular la corriente máxima que circulará, la cual se puede observar en la tabla # 11.

Potencia Mecánica Factor Parámetros de entrada

[Hp] [W] Eficiencia Voltaje [V] Corriente [A]

42 31332 0,8 72 543,9583333

Tabla # 6. Calculo corriente máxima circulante por el sistema.

Cabe destacar que la corriente promedio de circulación por el sistema es de aproximadamente de 200 amperios y la corriente máxima corresponde al estado transitorio del motor. Con lo cual la corriente máxima que debe circular por el cable de conexión es de 540 amperios aproximadamente por una duración de 5 minutos. Luego de este pequeño análisis se establece que el tipo de cable a elegir es del tipo soldadora, el cual reúne todas las características antes mencionadas. El precio de este producto en el mercado fluctúa entre los 2500 y los 3200 pesos. Dado que en el laboratorio de alta tensión se encuentra un cable de características similares, se realizan pruebas sobre este cable para determinar su uso o no. Prueba de cable conexión

Para realizar a prueba de resistencia del cable mencionado, se utiliza un transformador de corriente, un voltímetro, un amperímetro y un medidor de temperatura, conectados de acuerdo a la figura # 2.

AC

I

V

T

ConductorTransformadorde Corriente

Figura # 2. Diagrama de conexión de prueba.

A continuación se presentan las tablas y gráficos referentes a las pruebas realizadas en el laboratorio, sobre el cable de conexión del banco de baterías. En la tabla # 12 se muestran los datos obtenidos de

la experiencia. Estos corresponden al voltaje y temperatura sobre el cable, además del tiempo de duración de la conexión.

Prueba Conductor Laboratorio

φ = 9,5mm L= 59 cm

Ip = 500 A

Tabla # 7. Características del conductor.

t [seg] V [V] T[°C]

20 0,113 11,5 40 0,141 12,2 60 0,142 14,4

80 0,142 17,6 100 0,143 19,4 120 0,145 22,8

140 0,146 24,6 160 0,147 27,3 180 0,146 30,9

200 0,148 33,9 220 0,147 34,6 240 0,148 38,5

260 0,149 40,1 280 0,149 42,6 300 0,153 43,1

320 0,153 44,6 340 0,153 46,3 360 0,153 49

380 0,151 49,5 400 0,151 52,8 420 0,152 54,4

Tabla # 8. Datos muestreados sobre el cable.

Para tener un referente visual del comportamiento del cable, se grafican los datos. En este se observa el buen comportamiento del cable permitiendo una caída de tensión de 0.153 V por cada 60 cm aproximadamente y un calentamiento máximo después de estar sometido a una corriente de 500 A durante 7 minutos de 54.4 °C

Gráfico # 1. Caída de Tensión en extremos del cable.

Gráfico # 2. Temperatura en el Conductor.

Por lo tanto y observando que el conductor fue sometido a una prueba de 7 minutos tiempo que consideramos suficiente teniendo en cuenta que el motor solo solicitara corrientes de esta envergadura durante lapsos cortos de tiempo, y además de que no presentó sobrecalentamiento para

Caida de Tensión en el Conductor

0,1

0,11

0,12

0,13

0,14

0,15

0,16

20

60

10

0

14

0

18

0

22

0

26

0

30

0

34

0

38

0

42

0

Tiempo [seg]

Vo

lta

je [

V]

Voltaje

Temperatura en el Conductor

0

10

20

30

40

50

60

20

60

100

140

180

220

260

300

340

380

Tiempo [seg]

Tem

pera

tura

[°C

]

Temperatura

este tipo de corrientes se recomienda que sea utilizado para la conexión de baterías y a su vez la alimentación al motor DC.

Conexiones

Para conectar las baterías entre si y al motor se selecciono el conductor de sección 70 mm2, al cual se le hicieron las respectivas pruebas para intensidades de corriente que se manejaran. Para conectar este conductor a las baterías se compraron terminales de aluminio de calibre 2/0 que se unirán la conductor por presión. Los terminales que poseen las baterías son los universales que aseguran una buena conexión con el conductor, aunque en las baterías se pueden implementar tres tipos de terminales como lo ilustra la siguiente figura # 3:

Figura # 3. Tipos de terminales de baterías.

Para la conexión también se necesitan de un par de golillas, una de presión y otra plana, para garantizar una unión rígida y que no permita perdidas y calentamiento de los terminales.

Figura # 4. Cables de Conexión de las baterías.

Disposición Física

Las doce (12) baterías para la alimentación del motor serán ubicadas de la siguiente manera: Un banco de seis (6) baterías Serra instalado en la parte delantera del vehículo compartiendo el mismo espacio con el motor y su controlador. Un segundo banco de seis (6) baterías Serra instalado en la parte posterior del auto, porta maletas, la disposición de las baterías Serra como se ilustra en la siguiente figura:

Figura # 5. Disposición de las baterías en el interior del vehículo.

Para el montaje de los bancos de baterías mencionados anteriormente es necesario tener en cuenta los siguientes aspectos: Rack de baterías Es necesaria la implementación de un rack (soporte) para las baterías, pues es necesario que estas queden rígidas y no presenten movimientos bruscos mientras el vehículo se encuentre en movimiento. Se diseñaron los soportes para dos grupos de 6 baterías, parte delantera y trasera, se utilizó lamina de hierro en sección “L” de las siguientes dimensiones (25 x 25 x 4)mm . Una vez sea ensamblado este debe ser pintado para evitar que la corrosión empeore las propiedades del hierro y este en un momento falle como soporte. Compartimiento de las baterías Las baterías deberían ser encerradas en cajas cuando quiera sea posible, esto es absolutamente esencial si comparten espacio en la cabina de pasajeros. Esta “caja” mejorara el rendimiento e regulara la temperatura de las baterías. Además, en un accidente protegerá tanto las baterías como los pasajeros. Y durante la operación y el proceso de carga, imposibilitara el paso de gases a la cabina de pasajeros. Por economía, la caja puede ser hecha de tablas de madera con un grosor recomendado de 16 mm (5/8”) y como mínimo 12 mm (1/2”. Para su ensamblaje se recomienda hacerlo por medio de tornillos. Una vez sea ensamblada se recomienda que sea pintada para proteger la madera e impedir su temprano deterioro.

M

La implementación de una caja para las baterías será necesaria para aquellas que irán ubicadas en la parte posterior del auto. Aislamiento y ventilación El aislamiento puede ser una segunda capa entre la caja y las baterías. Esta se puede hacer con espuma de polurietano de un grosor aproximado de 12 mm (1/2”). Las baterías que sean guardadas en cajas necesitan ser ventiladas, especialmente si por alguna razón se ubican en la cabina, pues existe un pequeño riesgo de explosión por acumulación de hidrógeno, aunque esto sucede en muy pocas ocasiones. Es mas importante remover os gases que causen corrosión y sean no amigables para los pasajeros. Durante la conducción este puede ser un sistema de ventilación pasiva, pues se produce muy poco gas. Unas aberturas serán necesarias para evacuar el poco gas que se produce, y como el hidrógeno es un elemento más liviano que el aire este tendera a subir, por lo cual dichas aberturas pueden ser ubicadas en la parte superior. Sin embargo, durante el proceso de carga si se necesita ventilación, se recomienda el uso de un ventilador que no produzca cualquier tipo de arcos o chispas eléctricas. Lo más cómodo y recomendado para este tipo de casos es cablear el ventilador de tal manera que se encienda cuando se conecte el cargador. Para las aberturas lo más recomendable es utilizar accesorios en PVC, pues se pueden encontrar codos de distintos grados de abertura y adaptadores de sección cuadrada a circular.

Figura # 6. Disposición de las baterías y su rack.