Estimacin y recuperacin del sistema de almacenamiento de energa
electroqumica aplicado en vehculos elctricos
Estimation and recovery of the
electrochemical energy storage system applied in electric vehicles
Estimativa e recuperao do sistema de
armazenamento eletroqumico de energia aplicado em veculos eltricos
Jairo Edison Guasumba-Maila I jguasumba@tecnoecuatoriano.edu.ec https://orcid.org/0000-0002-0533-0397 Vctor Alfonso Garay-Cisneros II vgaray@tecnoecuatoriano.edu.ec https://orcid.org/0000-0001-6739-9309
Gerson
Alexander Vasco-Vega III gvasco2099@gmail.com https://orcid.org/0000-0003-3031-1582 Mauro Danilo
Simbaa-Manopanta III mauromrx10@hotmail.com https://orcid.org/0000-0001-8501-7757
Correspondencia: jguasumba@tecnoecuatoriano.edu.ec
Ciencias de la Tcnicas y Aplicadas
Artculos de investigacin
*Recibido: 16
de julio de 2021 *Aceptado: 30 de agosto
de 2021 * Publicado: 08 de septiembre
de 2021
I.
Magster en Diseo Mecnico, Docente
Investigador, Coordinador de Carrera de Mecnica y Electromecnica Automotriz,
Instituto Superior Tecnolgico Tecnoecuatoriano, Ecuador.
II.
Magister en Educacin Mencin Gestin
del Aprendizaje. Mediado por Tic, Docente investigador.
Director de Vinculacin con la sociedad, Miembro del Consejo Acadmico Superior
ISTTE, Instituto Superior Tecnolgico Tecnoecuatoriano,
Ecuador.
III.
Participante Investigador, Estudiante Tecnologa Superior en Electromecnica Automotriz, Instituto
Superior Tecnolgico Tecnoecuatoriano, Ecuador.
IV.
Participante Investigador, Estudiante
Tecnologa Superior en Electromecnica Automotriz, Instituto Superior
Tecnolgico Tecnoecuatoriano, Ecuador.
Resumen
La promocin de
vehculos elctricos requiere el desarrollo de sistemas de almacenamiento
de energa a gran escala confiables, seguros y de bajo costo. Existe
varias tecnologas en bateras y una de las ms importantes la batera de
polmero de litio de estado slido se considera una de las tecnologas
prometedoras a cumplir. los requisitos de EV. La
estimacin de una batera energtica contribuye a predecir el comportamiento
que esta tendr, cuando se encuentren funcionando en el vehculo elctrico,
pero sus reacciones qumicas son difciles de predecir, y estas varan en funcin
de ciertos parmetros como: la temperatura, el uso que se le haya dado, o
tambin puede ser el tiempo que se mantengan funcionando. Se concluye que las
bateras de ion-litio se someten a cargas y descargas muy rpidas, reducirn su
vida til drsticamente, por lo que recomiendan hacer una mezcla en su
funcionamiento, si se realiza una carga con pocos amperios se debe realizar una
descarga con muchos amperios, con esto se obtendr el doble de ciclos de vida
de una batera, esta forma es esencial para alargar la vida til de las
bateras para nuestros vehculos elctricos
Palabras
clave: vehculo; Almacenamiento de energa; vehculo
elctrico; medio ambiente; estimacin de batera.
Abstract
The promotion of electric vehicles requires the
development of reliable, safe, and low-cost large-scale energy storage systems.
There are several battery technologies and one of the most important, the
solid-state lithium polymer battery, is considered one of the promising
technologies to deliver. EV requirements. The
estimation of an energy battery helps to predict the behavior that it will
have, when they are operating in the electric vehicle, but their chemical
reactions are difficult to predict, and these vary depending on certain
parameters such as: temperature, the use that is you
have given, or it can also be the time that they keep running. It is concluded that lithium-ion batteries are subjected to very
fast charges and discharges, they will drastically reduce their useful life, so
they recommend making a mixture in their operation, if a charge with few amps
is carried out, a discharge with many amps, with this you will get double the
life cycles of a battery, this way is essential to extend the useful life of
the batteries for our electric vehicles.
Keywords: vehicle; Energy storage; electric vehicle;
environment; battery estimate.
Resumo
A promoo de veculos eltricos requer o desenvolvimento
de sistemas de armazenamento de energia em grande escala confiveis, seguros e
de baixo custo. Existem vrias tecnologias de bateria e uma das mais
importantes, a bateria de polmero de ltio de estado slido, considerada uma
das tecnologias promissoras a serem fornecidas. Requisitos de EV. A estimativa
de uma bateria de energia ajuda a prever o comportamento que ela ter, quando
estiver operando no veculo eltrico, mas suas reaes qumicas so difceis de
prever, e estas variam dependendo de certos parmetros como: temperatura, o uso
que voc deu, ou tambm pode ser o tempo que eles continuam correndo.
Conclui-se que as baterias de on-ltio esto sujeitas a cargas e descargas
muito rpidas, vo reduzir drasticamente sua vida til, por isso recomendam
fazer uma mistura em seu funcionamento, se for realizada uma carga com poucos
amperes, uma descarga com muitos amperes , com isso
voc ter o dobro da vida til de uma bateria, desta forma essencial para
estender a vida til das baterias dos nossos veculos eltricos.
Palavras-chave: veculo; Armazenamento de energia; veculo eltrico;
meio Ambiente; estimativa da bateria..
Introduccin
Desde los aos 70, cuando tuvo lugar la 1 crisis del petrleo, se
comenz a tener una inquietud acerca del futuro de dicha energa, llegando al
punto de iniciar una bsqueda de nuevas fuentes de energa, ms baratas y que
pudieran ser obtenidas de forma ms independiente. Dicha crisis, junto con los
estudios realizados durante los aos 80 y 90 sobre la contaminacin en el
planeta, especialmente el denominado efecto invernadero, que podra acabar
con la capa de ozono de la atmsfera debido al excesivo uso de todo tipo de
gases, dio pie a una nueva conciencia relativa a la investigacin sobre el uso
de energas renovables ms favorables con el medio ambiente (Pelayo, 2013).
Junto con esos estudios, otra razn que impuls el inicio de la investigacin
de vehculos elctricos ha sido el hecho de que cada vez quedan menos reservas
de petrleo, lo que aumenta su precio considerablemente (Chowdhury et al.,
2018)
El comportamiento medioambiental de los vehculos elctricos est
directamente relacionado con la combinacin de electricidad que se utiliza
durante el proceso de carga. Hoy en da, con un aumento constante de la
electricidad renovable que se est introduciendo, su uso no siempre es ptimo
(Oliveira et al., 2015). Con las crecientes demandas de energa, se requieren
nuevas qumicas de batera ms all de la tecnologa de iones de litio para
hacer frente a un mayor consumo de energa y promover la electrificacin del
vehculo. En particular, las reas de conocimiento relacionadas con los
vehculos elctricos han ganado importancia en todas las tecnologas de bateras
examinadas, lo que refleja el impulso para producir sistemas de bateras de
alta energa (Aaldering & Song, 2019).
Los vehculos elctricos (VE) ya fueron testados antes de los propios
vehculos de combustible. Sin embargo, fueron desplazados por estos ltimos
debido a que necesitaban un enorme tiempo de recarga para un ptimo
funcionamiento y a la dificultad para almacenar grandes cantidades de energa,
lo cual sigue siendo hoy en da el principal problema (Pelayo, 2013). La cadena
energtica que conduce a la alimentacin de cualquier vehculo elctrico,
coche, autobs, furgoneta, etc., parte de la generacin de energa primaria
atendiendo a la estructura mixta que suponen las distintas centrales, la cual a
su vez vara segn los entornos geogrficos de referencia (Martin y Bargallo
Pernina, 2015; Pfleging, 2021).
Tabla 1 Datos de
funcionamiento de vehculos elctricos (Fierro y Siguenza, 2017)
CARACTERISTIC
AS |
KIA SOUL |
BYD E5 |
RENAUL T KANGOO |
NISSAN LEAF |
RENAULT TWIZY |
Tipo de Motor
elctrico |
Motor elctrico
sncrono de imn permanente |
Motor sncrono de imanes permanentes |
Motor
Elctrico 2.4 (Sncrono reversible) |
Motor
sncrono de corriente elctrica |
motor
elctrico asncrono |
Tipo de
corriente |
AC |
AC |
AC |
AC |
AC |
Potencia
mxima CV |
109CV |
107CV |
60 CV |
109CV |
17 CV |
Potencia
mxima kW/rpm |
81.4 kW/rpm |
160 kW/rpm |
44 kW/rpm |
80 kW/rpm |
13 Kw/rpm |
Par mximo |
285 Nm/rpm |
310 Nm/rpm |
226 Nm/rpm |
254 Nm/rpm |
57Nm/rpm |
Velocidad
mxima |
145 km/h |
130 km/h |
130 km/h |
150km/h |
80km/h |
Aceleracin
de 0-100 km/h |
11.2 s |
14 s |
20,3 s |
* |
0 a 45 km/h en 6,1
segundo |
Consumo
elctrico |
21 kWh cada 100 km |
* |
155 Wh/km |
20,4 kWh cada 100 |
63 Wh/km |
Autonoma
NEDC o EPA |
212 km |
220 km |
170 km |
117km |
100km |
El reemplazo de automviles convencionales por vehculos elctricos de
batera (BEV) ofrece una oportunidad para reducir significativamente las
futuras emisiones de dixido de carbono (Gorlin et al., 2016; Bebelis et al.,
2013). Los vehculos elctricos (EV) se han desarrollado recientemente en
niveles avanzados y, en particular, tambin se han desarrollado tecnologas de
bateras. Aunque se ha avanzado en el desarrollo de la tecnologa de la
batera, el uso no acompaa por completo al consumo de energa (Udhaya Sankar
et al., 2019)..
A inicios del 2016 se inici en Ecuador la comercializacin de vehculos
100% elctricos para venta directa a usuarios en dos concesionarios locales, en
otros casos se deba recurrir a procesos de importacin a travs de agencias a
fin de acceder a este tipo de movilidad. En funcin de esta opcin se considera
5 vehculos elctricos, en la tabla 1 se menciona varios vehculos. Estos
vehculos tipos: biplaza, sedan o todoterreno, cuentan con un motor sncrono en
su mayora y potencias de 17 a 109 CV, y desarrollan velocidades hasta de 145
km/hr (Fierro y Siguenza, 2017). En este trabajo se aprecia varias
caractersticas de la estimacin y recuperacin del sistema de almacenamiento,
adems de su evolucin en la aplicacin de los vehculos elctricos.
Estimacin del sistema de almacenamiento
en prototipos de vehculos elctricos
Las bateras son la fuente de energa para cualquier vehculo elctrico,
a una velocidad, un voltaje mayor aumenta el rango y puede aumentar el par de
torsin ascendente, sin embargo, un voltaje mayor no lo hace, se necesita una
batera de tamao compacto para instalar en el scooter. El rendimiento del
motor vara con la carga aplicada, se asumi que el peso colocado en el motor
es de 110 kg, siendo el total del conjunto del scooter que incorpora el motor,
chasis, batera y adicionalmente el del usuario. El scooter contiene una
batera de plomo-cido de capacidad 24v, 10Ah; por lo tanto, se puede cargar de
200 a 250 Wh, funcionando a una velocidad adecuada de 15 km / h (Ganesh Murali
et al., 2021). En suma, de vehculos similares un modelo impulsado por dos
motores BLDC colocados en las ruedas traseras controlados independientemente
por un controlador no lineal denominado Backstepping. El modelo se simul a
travs del entorno Matlab/Simulink, para ello la batera se someti a
diferentes condiciones (carga y velocidad) y lleg mostrar un resultado en la
tabla 2 (Chergui, Nasri y Korhan, 2020).
Tabla 2. Variacin de la
corriente de la batera, potencia de la batera y SOC, en diferentes fases de
trayectoria.
Tiempo (s) |
CONSUMO DE
BATERA |
|||||
Intensidad
(A) |
Potencia (W) |
SOC (%) |
||||
|
PI |
Backstepping |
PI |
Backstepping |
PI |
Backstepping |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
50 |
50 |
1 |
6,72 |
4,31 |
1432 |
921 |
49,98 |
49,99 |
6 |
17,03 |
12,06 |
3561 |
2551 |
49,89 |
49,91 |
20,18 |
21,68 |
18,44 |
4454 |
3815 |
49,37 |
49,39 |
25,17 |
5,5 |
8,69 |
1144 |
1805 |
48,97 |
49 |
Fuente: (Chergui, Nasri y
Korhan, 2020).
La simulacin para la estimacin de una batera energtica contribuy a
predecir el comportamiento que esta tendr, cuando se encuentren funcionando en
el vehculo elctrico. El modelado de la batera es un proceso complejo, sus
reacciones qumicas son difciles de predecir, y estas varan en funcin de
ciertos parmetros como: la temperatura, el uso que se le haya dado, o tambin
puede ser el tiempo que se mantengan funcionando, pero para este proyecto se
utilizar un modelo sencillo que garantiza buenos resultados. Para calcular la
tensin del circuito abierto, que depende de la profundidad de descarga (DoD),
y del estado de carga (SoC), siendo SoC=1- DoD, el bloque de configuracin de
las bateras que viene dado por el esquema planteado en la figura 1 (Moreno,
2015).
Figura 1. Bloque de
constantes para la configuracin de la batera (Moreno, 2015)
Para ingresar en Simulink, se necesita integrar el resultado en funcin
del tiempo, como se observa en la figura 2. Para el bloque de estado de carga,
se necesit dividir la carga entre la capacidad original de la batera, una vez
realizados todos los bloques, se procedi a la unin de todos ellos, teniendo
en cuenta que es necesario unir la salida del estado de carga (SoC) con la
entrada de tensin del circuito abierto y se tiene como resultado el porcentaje
del estado de carga de la batera en cada instante del tiempo que dura la
simulacin (Moreno, 2015)
Figura 2. Bloque de
carga (Moreno, 2015)
La batera del transporte elctrico es el ncleo de la vida til de la
batera del vehculo elctrico y la estabilidad del rendimiento, por lo cual el
soporte o la cada de su rendimiento determina la calidad general del vehculo
elctrico. Los cargadores de automviles elctricos estn afectando de manera
directa la eficiencia y la vida til de la batera. Este diseo utiliz el
microordenador de un solo chip como control primordial, capacidad de control de
microcontrolador confiable, el puerto de E/S y los beneficios de bajo voltaje y
bajo consumo de energa. Este diseo realiz una carga rpida y pudo alimentar
automticamente el cargador del vehculo elctrico analgico, para que el
proceso sea ms seguro, por lo cual se puede utilizar extensamente (Wang y Wu,
2016).
Las estimaciones del estado de carga (SOC) y del estado de salud (SOH)
de la batera de iones de litio son importantes en un sistema de gestin de
bateras. En este artculo, se presenta un mtodo para la estimacin conjunta
de SOC y SOH basado en un observador de modo deslizante dual (DSMO)
considerando el factor de desvanecimiento de la capacidad. Se construye un
modelo de circuito equivalente con una red de condensadores y resistencias para
representar los comportamientos dinmicos de las bateras de iones de litio.
SOC y SOH no son variables medibles y deben estimarse, por lo tanto, los
observadores deben reconstruir los estados y parmetros internos del sistema.
El diagrama de bloques de DSMO para la estimacin conjunta de SOC y SOH se
muestra en la figura 3 (Chen, Ma y Chen, 2018).
Figura 3. Diagrama
de bloques de DSMO para estimacin de SOC y SOH (Chen, Ma y Chen, 2018).
El modelo de batera propuesto y el DSMO son programados por Matlab /
Simulink, debe verificar la viabilidad de la estimacin conjunta de SOC y SOH
basada en DSMO. Las simulaciones basadas en DSMO se llevan a cabo en el ciclo
de pruebas urbanas estndar japons JC08. El valor SOC de la batera disminuy
del 81,5% al 73,4%, el SOC estimado sigue de cerca la referencia y el error de estimacin
del SOC converge a61%. Adems, los resultados de la simulacin de la estimacin
de SOH basada en DSMO se muestran en la figura 4. El error de estimacin de SOH
es cercano a cero, lo que significa que el DSMO propuesto tiene una alta
precisin de estimacin y un buen rendimiento de seguimiento (Chen, Ma y Chen,
2018).
Figura 4. Resultados
de SOH estimados bajo JC08 (Chen, Ma y Chen, 2018).
En el siguiente estudio, se simul en la plataforma MATLAB-Simulink, los
componentes relevantes del sistema elctrico, as como se identificaron las
ecuaciones correspondientes para la verificacin de este. El controlador de
carga de la batera es una herramienta responsable de la longevidad de las
bateras, su importancia radica en emplear un sistema de gestin (BMS) de
batera en el diseo de BEV's de sistema elctrico. Un BMS muestra el voltaje
de la batera, la corriente, temperatura, estado de carga (SoC), medicin y el
equilibrio celular. El estado de carga expresa la capacidad restante de la
batera que podra verse afectada por la temperatura, la tasa de descarga y
duracin de la batera. La relacin entre la carga residual disponible y la
capacidad nominal es el SoC (Abulifa et al., 2018). En la figura 5, el voltaje
y la corriente de la batera est expuesta, la curva de corriente de la batera
sigue al motor y las curvas de par requeridas vencen al aumento en la demanda
de par, pudiendo notar el aumento de corriente de la batera (Abulifa et al.,
2018).
Figura 5. Resultados
de voltaje y corriente (Abulifa et al., 2018).
La simulacin de BMS, sistema que gestiona una batera recargable. Para
vehculos elctricos, todo el modelo y todos los dems bloques funcionales de
BMS se implementan en la caja de herramientas Simulink de MATLAB. El BMS se
implement para proteger la batera y que funcione ms all de sus lmites de
seguridad, monitoreando su estado de carga (SoC) y su estado de salud (SoH). El
FLC (Controlador de lgica Difuso) est diseado para estimar la SoC de batera
de plomo cido, denotando que la vida til de la batera se reduce con el
aumento de temperatura, o a su vez esta se acorte segn su tiempo de uso. Con
los resultados obtenidos en la figura 6, se concluye que el modelo implementado
en MATLAB, tiene un sistema de gestin muy eficiente para indicar el estado de
la batera SoC y SoH (Kumar, Khare y Chaturvedi, 2016).
Figura 6. Vida til
de batera vs temperatura (Kumar, Khare y Chaturvedi, 2016).
El conjunto de batera que simula el comportamiento de una batera real
y genera seales que llevan informacin sobre el estado de la batera para el
controlador de carga, el alcance y configuracin del solucionador requerido
para los modelos correctos. El resultado prctico de la investigacin es el
modelo informtico del dispositivo de carga de batera multifuncional destinado
a la prueba virtual de los parmetros del sistema de control bajo diferentes
estrategias de carga y algoritmos de control (Martyanov, Solomin y Korobatov,
2015). En el mismo sentido, el anlisis de datos para Li-Ion, los anlisis
basados en la entrada y salida de los parmetros de descarga se procesaron en
SimulinkMATLAB. Calculando la carga actual que utiliza el telfono celular, cuando
se usa para llamadas, internet en WiFi y visualizacin de pelculas es de
aproximadamente 0.24A, 0.25A y 0.26 A respectivamente. El esquema se traz en
la biblioteca Simulink con una corriente de descarga cargada de 0,24 A, 0,25 A,
0,26 A y 0,1 A, respectivamente (Kurniawan et al., 2016). Adems, la primera
seccin representa la cada de voltaje exponencial cuando la batera est
completamente cargada. El ancho de esta regin es de unos veinte minutos, la
segunda seccin representa la carga que se pudo extraer de 1.2661 Ah, en ms de
dos horas. Simulink proporciona un entorno para el anlisis de la descarga de
la batera de iones de litio como se observa en la figura 7. Las bateras de
iones de litio tienen ventajas en voltaje constante, voltaje exponencial y
descarga de corriente nominal, la recomendacin para futuros estudios e
investigaciones es hacer un anlisis completo, no solo de descarga sino tambin
de las caractersticas de carga (Kurniawan et al., 2016).
Figura 7.
Caracterstica de descarga a la corriente nominal (Kurniawan et al., 2016).
En el mismo sentido se discute el estado de carga de la batera de iones
de litio modelada por Matlab / Simulink. El diseo y la simulacin de la
batera de iones de litio de carga multiestado basada en el paquete de opciones
con las que trabaja el software se muestra en la figura 8, en donde la
caracterstica del modelo de batera es de 12 voltios y 30 Ah. El estado de
carga (SOC) se mide y se aplica para evaluar la caracterstica de carga /
descarga de la batera. Los mltiples estados de carga aplicados para llenar la
capacidad de la batera se evalan con el fin de lograr una alta eficiencia.
Los resultados de la simulacin de carga en el nivel de batera voltaje, SOC,
corriente de carga normal y carga multiestado con Vth = 11,5V y Vth = 12,5V se
pueden apreciar en la figura 9 (Poonsuk y Pongyupinpanich, 2017).
Figura 8. Carga en
el nivel de batera voltaje, SOC y corriente de carga (Poonsuk y
Pongyupinpanich, 2017).
El siguiente artculo realiza la simulacin de una batera ZEBRA
mediante el entorno MATLAB/Simulink. El objetivo principal de este trabajo es
desarrollar un procedimiento operativo estndar para el diseo, simulacin y
anlisis de bateras para Vehculos Elctricos Hbridos. El modelo consta de
una fuente de voltaje ideal (EO) y una resistencia en serie interna equivalente
constante (ESR), as mismo puede aumentar la vida til de la batera en un 15%,
lo que a su vez tiene un gran impacto en el costo de mantenimiento de los
vehculos elctricos. El modelo de batera Zebra propuesto en la figura 9, se
puede analizar en el futuro en el modo trmico para reducir la temperatura, lo
que mejora an ms el rendimiento (VimalRaj et al., 2019).
Figura 9. Modelo
simulink de sistema hbrido (VimalRaj et al., 2019).
Se analiza un modelo emprico de envejecimiento para una celda de xido
de litio y manganeso, que se basa en mediciones de envejecimiento. Al
principio, se comparan los dos modelos PMSM diferentes en cuanto a precisin y
tiempo de clculo, posteriormente los resultados del modelo de batera para el
envejecimiento del calendario se comparan con el envejecimiento medido, al
final se mostraron los resultados generales del modelo para el tren motriz. Los
modelos PMSM se implementaron y probaron utilizando una parte del ciclo de
certificacin de emisiones de motocicletas armonizado en todo el mundo (WMTC),
que se redujo para adaptarse a la potencia del scooter. En la figura 10, la
velocidad de rotacin resultante ωmech se visualiza, la lnea punteada
roja muestra la demanda de velocidad y la lnea continua la velocidad alcanzada
ωt cuando se usa el modelo sin inversor destinado a un horizonte de
simulacin largo (Rechkemmer, Zhang y Sawodny, 2017).
Figura 10. Velocidad
Wmech resultante (Rechkemmer, Zhang y Sawodny, 2017).
Uno de los desafos que enfrentan las bateras de iones de litio es la
degradacin. La prediccin precisa de la vida til restante de la batera es
esencial para que el sistema de gestin de la batera garantice un funcionamiento
confiable y un mantenimiento oportuno, y tambin es fundamental para las
aplicaciones de la batera de segunda vida. Despus de presentar los mecanismos
de degradacin, este documento proporciona una revisin completa y oportuna de
enfoques hbridos, basados en modelos y basados en datos para el pronstico de
la vida til de la batera (Hu et al., 2020)
Prueba de autonoma de las bateras
Los vehculos elctricos presentan ventajas indiscutibles frente a los
vehculos de combustin interna especialmente en el tema ambiental, sin
embargo, todas estas ventajas se ven opacadas por la autonoma que puede
brindar la batera del vehculo elctrico, el combustible de un vehculo
convencional se lo puede cargar en cuestin de minutos, pero la energa de las
bateras requiere algunas horas para que puedan estar en ptimas condiciones de
funcionamiento (Colomer Ferrndiz, Saiz Gabaldn y Colomer Font, 2016). Para la
prueba de la autonoma de la batera se utiliza la siguiente ecuacin, donde: 𝐶𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎= capacidad de la batera; 𝐶𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜=capacidad promedio; 𝑣𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜=velocidad promedio
𝑪𝒃𝒂𝒕𝒆𝒓𝒊𝒂 ∗ 𝑽𝒑𝒓𝒐𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐
𝑨𝒖𝒕𝒐𝒏𝒐𝒎𝒊𝒂 =
𝑪𝒑𝒓𝒐𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐
Esta ecuacin sirve para encontrar la autonoma del vehculo mediante
clculos, se tiene que comprobar dicha autonoma en diferentes ciclos de
conduccin, esto debido a que en estos se encontraran con pendientes y los
distintos tipos de carreteras, la vida til de las bateras es an un problema,
ya que no pueden otorgarle un sistema de recarga, ni de proteccin a las
bateras, es por ello por lo que se vuelve primordial el uso adecuado de las
bateras en cuanto a un modelo de conduccin adecuado para otorgar una
autonoma aceptable.
El sistema de almacenamiento de energa es el sistema ms importante, ya
que cumple funciones como manejar y determinar el flujo de energa, es por ello
por lo que la batera de los motores elctricos es el principal tema de
estudio, y el constante avance por mejorar autonoma y brindar ms capacidad de
almacenaje (Sharma, Panwar y Tripathi, 2020). Hoy en da tenemos en nuestros
medios diversos tipos de bateras clasificadas entre bateras primarias,
secundarias y supercondensadores, las cuales funcionan a travs de un
electrolito, que se encarga de permitir el desplazamiento de electrones a
travs de reacciones qumicas, hoy existen muchos almacenadores de energa
(Sharma, Panwar y Tripathi, 2020). Es por ello que para su anlisis no solo se
enfoca en componentes individuales de la batera o solo su comportamiento en
sus terminales, para obtener un resultado diferente e ntegro se requiere
modelar el flujo de energa absorbido y entregado por la batera, es decir se
necesita el modelo elctrico dinmico, para no solo analizar el comportamiento
elctrico y trmico en sus ciclos de descarga y carga, sino tambin se puede
generar una configuracin la cual permita con su modelo analizar distintos
vehculos elctricos e hbridos, el mismo modelo ayudara a la creacin al
desarrollo de un nuevo vehculo elctrico el cual podr evitar estudios de
autonoma y menorar tiempos de anlisis individuales, por el hecho de ya poseer
un modelo de configuracin adecuada (Benabdelaziz y Maaroufi, 2017).
Recuperacin de energa de bateras
Se denomina ciclo de vida de la batera a la descarga completa y luego
de recarga completa. El rango de vida de una batera esta aproximadamente entre
los 2000 y 8000 ciclos y en promedio el tiempo de vida de una batera esta
aproximadamente en el rango de 18 meses a 36 meses. Al llegar a su vida til
estas no mueren, sino que su eficiencia columbia se va deteriorando
considerablemente es decir la carga de la batera a descargarse ms rpido y su
capacidad de recarga disminuye por completo. La carga repetida debilita a la
batera, as como el calentamiento repetido, con la finalidad de reducir los
efectos adversos producidos por la carga repetida se recomienda utilizar
cargadores bateras establecidos por el fabricante, como referencia se tiene la
figura 11(Guambo Daquilema, 2019).
Las bateras, son consideradas como las bateras recargables, las cuales
permiten un almacenamiento, y un sistema de carga y descarga para mejorar el
rendimiento de un vehculo elctrico, en la tabla 3 se aprecia las reacciones
de energa electroqumicas (Park, 2012).
Figura 11. Ciclo de
vida de la batera (Guambo Daquilema, 2019)
Tabla 3 Bateras
Secundarias (Sharma, Panwar y Tripathi, 2020)
Bateras secundarias |
Material del ctodo |
Material del nodo |
Electrolito /
reaccin |
Voltaje
nominal (V) |
Capacidad prctica (W h / kg) |
Plomo-cido |
PbO 2 |
Pb |
H 2 SO 4
solucin acuosa Pb + SO 4
2− ↔ PbSO 4 + 2e - (nodo) PbO 2 + 4H + + SO 4 2− + 2e - ↔ PbSO 4 + 2H 2 O
(ctodo) PbO 2 + 2PbSO 4 +
Pb ↔ PbSO 4 + 2H 2 O
(reaccin total) |
2 |
3050 |
Niquel Cadmio |
NiOOH |
CD |
Solucin
acuosa de KOH Cd + 2OH -
↔ Cd (OH) 2 + 2e - (nodo) 2NiOOH + 2H 2
O + 2e - ↔ 2Ni (OH) 2 + 2OH
- (ctodo) 2NiOOH + Cd +
2H 2 O ↔ Ni (OH ) 2 + Cd (OH) 2
(reaccin total) |
1.2 |
50 |
Hidruro de nquel-metal |
NiOOH |
Aleacin de
hidrgeno adsorbido |
Solucin
acuosa de KOH H 2 + 2OH -
↔ 2H 2 O + 2e - (nodo) 2NiOOH + 2H 2
O + 2e - ↔ 2Ni (OH) 2 + 2OH
- (ctodo) 2NiOOH + H 2
↔ 2Ni (OH) 2 (total reaccin) |
1.2 |
100 |
Iones de
litio |
LiCoO 2 |
C + Li / Li |
Electrolito
orgnico con sal de litio Li (C) ↔ Li (1- x ) (C) + x Li + + x e - (nodo) x
Li + + x e - + Li (1- x ) CoO 2 ↔ LiCoO 2 ( ctodo) Li (C) + Li
(1- x ) CoO 2 ↔ LiCoO
2 (reaccin
total) |
3.6 |
150-200 |
Litio-azufre |
S |
Li |
Electrolito
lquido Li 2 S 8 + 2e
- + 2Li + ↔ 2Li 2 S 4 Li 2 S 4 + 2e - + 2Li + ↔ 2Li 2 S 2 Li 2 S 2 +
2e - + 2Li + ↔ 2Li 2 S |
2.15 |
26002800 |
Litio-aire |
LiCoO 2 |
C |
Electrolito
lquido o en gel 2Li + O 2 ↔ Li 2 O 2 4Li + 6H 2 O
+ O 2 ↔ 4 (LiOH H 2 O) |
3.1 |
36205200 |
Es por ello por lo que al analizar el vehculo elctrico con bateras de
Plomo-cido, como Li-ion obtuvimos una eficiencia de ambos tipos de bateras muy
semejante, pero las pruebas y ciclos de conduccin realizados otorg mejores
resultados y ms aceptables con las bateras de Li-ion, por muchos factores
como por ejemplo peso que es un factor muy importante en un tren de potencia de
motor elctrico, as como la eficiencia de sistema que permite entregar la
potencia y torque sin prdidas, y la eficiencia del sistema de almacenamiento,
que nos otorga mayor autonoma, mejorando nuestros ciclos de conduccin, como
se puede observar en la tabla 4. Segn Soares Dos Santos et al., (2020) se pudo
demostrar que en las aplicaciones de dos bancos de bateras, en momentos en
los que se necesitaban picos de velocidad superiores a 78,5 km / h, el vehculo
con la arquitectura propuesta no poda cumplir con la solicitud, de la misma
manera al analizar la temperatura de funcionamiento encontramos que las
bateras de plomo-cido trabajan con temperaturas ms bajas que las de Li-ion,
lo mismo que no se presenta como un inconveniente puesto que tienen rangos de
temperatura de trabajo diferentes y esto no se presenta como una falla o
inconveniente (Soares Dos Santos et al., 2020), de esta forma se rompen
barreras para la comercializacin de los vehculos elctricos, hbridos o
enchufables en el parque automotor ecuatoriano puesto que despus de todo el
anlisis se observa de manera global que los avances continuos en bateras est
superando a los sistemas de los MCI (Cueva Snchez et al., 2018).
Tabla 4: Comparacin de los
parmetros de los modelos propuestos (Soares Dos Santos et al., 2020)
Tipo de
arquitectura de simulado |
Eficiencia del motor (%) |
Eficiencia desde el banco de pilas
(%) |
Peso del
vehculo (Kg) |
Peso del
banco de pilas (Kg) |
Plomo cido
Pb |
82 |
77 |
1,583 |
275 |
Ion litio
(Li- ion) |
82 |
88 |
1,372 |
64 |
MCI |
22 |
- |
1,467 |
- |
El desarrollo de bateras mejoradas de litio y azufre, nuestro trabajo
se centra en la comprensin mecnica de los procesos que ocurren dentro de la
batera. En particular, estudiamos el mecanismo del proceso de carga y
obtenemos informacin resuelta espacialmente sobre los intermedios en solucin
y en fase slida en dos ubicaciones de una batera Li2S-Li en funcionamiento:
el ctodo y el separador. Utilizando los datos generados, identificamos un
mecanismo de carga en un electrolito estndar basado en DOL-DME, que es
consistente tanto con el primer proceso de carga como con los posteriores
(Gorlin et al., 2016).
Existe una solucin al cambiar su arquitectura para acoplar la batera
con un supercondensador para tener un ciclo de batera de alta velocidad y una
mejor capacidad. Un supercondensador proporciona ms energa a la batera en
caso de que se necesite ms energa. En este diseo y arquitectura, el
supercondensador y la batera se consideran unidades diferentes y, desde el
punto de vista de la ingeniera elctrica, se considera un sistema hbrido
(Udhaya Sankar et al., 2019).
Uno de los problemas clave es el consumo de energa no montono
acompaado de cambios frecuentes durante el proceso de descarga de la batera.
Una solucin prctica es acoplar la batera con un supercondensador, que es
bsicamente una celda electroqumica con una arquitectura similar, pero con una
capacidad de velocidad ms alta y mejor ciclabilidad. En este diseo, el
supercondensador puede proporcionar el exceso de energa requerida mientras la
batera no lo hace. Adems de la batera y el supercondensador como unidades
individuales, el diseo de la arquitectura del sistema hbrido correspondiente
desde el punto de vista de la ingeniera elctrica es de suma importancia
(Kouchachvili et al., 2018).
Los procesos que empleaban una combinacin de procesamiento mecnico y
pasos hidro y pirometalrgicos parecan capaces de obtener materiales adecuados
para la (re) fabricacin de bateras de iones de litio. Por otro lado, los
procesos que se basan en pasos pirometalrgicos son robustos, pero solo capaces
de recuperar componentes metlicos (Velzquez-Martnez et al., 2019).
Los nuevos sistemas electroqumicos basados en bateras para la
recuperacin de litio se han considerado mtodos prometedores de recuperacin
de litio, aunque no se han considerado para aplicaciones de agua de mar debido
a la concentracin extremadamente baja de Li +. ac se mira la capacidad de capturar
Li + en un perodo de tiempo sustancialmente corto en comparacin con los
procesos convencionales a una velocidad al menos 3 veces ms rpida que la de
los procesos de adsorcin, y nuestro enfoque no requiri productos qumicos
cidos o txicos a diferencia de otras tecnologas de recuperacin. Adems,
mediante el funcionamiento consecutivo del sistema, se obtuvo una solucin de
recuperacin de litio que contena 190 mM de Li + con solo un pequeo consumo
de energa (3,07 Wh gLi-1), y la pureza de Li + se increment al 99,0% (Kim et
al., 2019).
El aumento de las prestaciones electroqumicas debido al texturizado
lser de los materiales de almacenamiento de energa est probado actualmente a
escala de laboratorio. Se presentar el procesamiento lser de componentes de
electrodos, a saber, colectores de corriente, nodos y ctodos. Se generaron
diferentes tipos de arquitecturas de electrodos, como agujeros, rejillas y
lneas; se ilustra su impacto en el rendimiento de la batera. El aumento del
rendimiento de la batera se activa al controlar la cintica de difusin de
iones de litio en electrodos porosos llenos de electrolito lquido (Pfleging,
2021).
Mtodos de recuperacin de energa
Estimacin de la batera SOC para un vehculo elctrico hbrido usando
el mtodo de recuento de Culombio. En la actualidad los vehculos elctricos
poseen la aceptacin de un gran nmero de transportistas y peatones como una
tecnologa prometedora para la reduccin de emisiones de gases de efecto
invernadero los cuales son muy perjudiciales para el medio ambiente, los
vehculos elctricos de encuentran como principales pioneros para desarrollar
un sistema de transporte autnomo. Actualmente la principal tecnologa de
almacenamiento de energa que se utilizan en vehculo elctricos son las
bateras de iones de litio, el avance de la tecnologa ha permitido aumentar la
autonoma y prestaciones de estas bateras. Para poder evaluar las prestaciones
que nos brinda los vehculos elctricos es necesario disponer de modelos que realizan
simulaciones reales tanto de las bateras como del mismo vehculo elctrico. La
autonoma que puede brindar un vehculo elctrico es considera como el punto
clave, tanto para el desarrollo como para la comercializacin de estos. La
autonoma que pueda brindar las bateras est relacionada con la cantidad de
energa almacenada y la energa restante que dispone la batera, que es el
estado de carga (SOC). Los vehculos elctricos requieren una fuente de
alimentacin a bordo, el cual suministre la energa al motor y este pueda
proporcionar movimiento al vehculo. Las bateras electroqumicas han venido
realizando ese papel, actualmente estas bateras estn sujetas a un rendimiento
en termino de volumen de energa y masa. Una carga y descarga inadecuada producirn
una cada en el rendimiento de la batera, reduciendo considerablemente su vida
til y el correcto funcionamiento de esta, el SOC indica cmo mejorar una
batera, su confiabilidad, extender su vida til y optimizar la estrategia de
distribucin de energa de los vehculos (Zine et al., 2018).
El mtodo de integracin de corriente (mtodo de columbio), se basa en
el nmero de amperios- hora dentro y fuera de la batera del vehculo
elctrico. La precisin del mtodo depende del sensor de corriente, la
eficiencia coulombica debe ser reflejada en el mtodo de recuento de columbio
dependiendo de la carga y descarga de la batera. Para La determinacin del
estado de carga se requiere el conocimiento del estado de carga inicial, la
estimacin de la batera pro este mtodo se define de la siguiente manera (Zine
et al., 2018). Mientras el estado de carga inicial sea conocido el mtodo de
recuento de culombios se vuelve bastante exacto, pero, si no se tiene el estado
de carga inicial el mtodo se vuelve menos preciso. Adems, la eficiencia
coulombica que nos ofrece la batera depende mucho de las condiciones de
funcionamiento como la temperatura, la corriente, etc. El mtodo de recuento de
culombio es utilizado ampliamente debido a su simplicidad y efectividad ya que
fue probado en varios experimentos en bateras de ion-litio (Zine et al.,
2018).
Mtodo experimental. La batera utilizada para este estudio es una
batera AGM Plomo-acido con voltaje nominal de 12V y una capacidad de 100Ah.
Tabla 5: Caractersticas de
la batera
parmetro |
valor |
Fabricante |
VISION |
Modelo |
6FM100E-X |
Capacidad
nominal |
100Ah |
Voltaje
nominal |
12V |
Cargando/
descargando |
Tensin de
corte (13,8/10,8 V) |
Corriente de
carga recomendada (0.25C) |
25 A |
Corriente de
descarga mxima |
(tiempo corto<5s)900A |
Vida de
diseo |
10 aos |
Temperatura
de funcionamiento (carga/descarga) |
-10C -60C/
-20C -60C |
Material de
la carcasa |
ABS |
Peso |
29 Kg |
Proceso de carga y descarga, Se realiza la carga de la batera con una
fuente de energa estable, esta fuente se regula a 14 voltios y a unos 5,5 A y
se mide respectivamente el voltaje y la corriente utilizando un multmetro y un
sensor de pasillo cada 10 minutos hasta que la batera este completamente
cargada. Al momento de desconectar la batera, debe estar en 13,92V y 0,89A,
esta prueba se lo realiza durante 5 das lo que equivale a 91 080 segundos o
23.5 horas, la resistencia variable es conectada a la batera a una temperatura
ambiente, la resistencia se regula a 10 Amperios en el proceso de descarga y el
valor de esta resistencia no vara durante este proceso. Adems, el voltaje y
corriente de la batera se miden cada 5 minutos, luego de 10 horas con 17
minutos la tensin de corte alcanza 10.8 V, al llegar a este valor se procede a
desconectar la resistencia, figura 12 (Zine et al., 2018; Cueva et al., 2018).
Figura 12. Banco de
Pruebas (Zine et al., 2018).
En el anlisis de los factores que intervienen en el desgaste y
estimacin de las bateras de ion-litio, para conocer las variables externas y
de estado interna con el que se pudo estudiar el comportamiento de las celdas
que componen una batera de ion-litio. Continuando con la parte del modelado
terico, se tom en cuenta frmulas que permitieron calcular las variables de
las bateras que afectan a los parmetros elctricos y trmicos de las celdas,
como se observa en la figura 13, con la ayuda del programa Matlab Simulink
(Pico, Pazmio y Ponce, 2021).
Figura 13. Clculo de
carga y descarga (Pico, Pazmio y Ponce, 2021)
De estas frmulas se especifica que (i) representan la corriente de la
batera, (E) la tensin en los bornes, (EO) la tensin del circuito abierto,
(K) es la constante de resistencia, (QMAX) es la mxima capacidad de la
batera, (A) es la tensin exponencial, (B) es la capacidad exponencial y el
(SoC) es el estado de carga. Tambin se toma en cuenta frmulas para la
representacin calorfica en el simulado de batera (Pico, Pazmio y Ponce,
2021). Se especifica que (H) es el calor que se genera y (T) es la temperatura
de las celdas, ests dos se las considera uniformes. La conexin de las celdas
se puede dar en serie o en paralelo dependiendo los resultados que se necesite
obtener de las bateras, para este estudio se utiliz la conexin en serie,
luego se procedi a realizar las simulaciones en Matlab- Simulink, partiendo
como base los datos especificados de 15 celdas con una conexin en serie y una
intensidad de 55 Ah, que son con las que cuenta la batera utilizada para el
estudio. La primera parte consisti en simular el desgaste prematuro de la
batera teniendo en cuenta las diferentes profundidades de descargas con lo que
se obtuvieron los resultados expresados en la figura 14 (Pico, Pazmio y Ponce,
2021).
Figura 14. Ciclos vs
profundidad de descarga (Pico, Pazmio y Ponce, 2021).
Las tres curvas tienen la siguiente descripcin: curva celeste (100%),
curva naranja (90%) y la curva gris (80%), sometiendo cada una a diferentes
profundidades de descarga. Con esto se pudo deducir que con una carga de 90% y
una descarga de 80% se pudo lograr 3408 ciclos. En otro caso podemos observar
que cuando se carga 90% y se descarga un 20% se llegan a tener 662 ciclos.
Estos anlisis permitieron deducir que, cuando la batera se carga a un lmite
menor de su capacidad mxima, se obtendr un mayor nmero de ciclos teniendo
una vida ms prolongada. Las curvas obtenidas en la figura 15, muestran que las
bateras de ion-litio con la carga y descarga del (80%) al (30%), representada
por la curva naranja, presentan un mayor nmero de ciclos, obteniendo as mayor
duracin que la curva celeste representada por un (80%) a (20%) (Ortega y
Gomez, 2019)
Figura 15. Barrido de
carga a diferentes "C" (Pico, Pazmio y Ponce, 2021).
Con los resultados obtenidos se demostr que cuando las pilas secundarias
de ion-litio se someten a cargas y descargas muy rpidas, reducirn su vida
til drsticamente, por lo que recomiendan hacer una mezcla en su
funcionamiento, si se realiza una carga con pocos amperios se debe realizar una
descarga con muchos amperios, con esto se obtendr el doble de ciclos de vida
de una batera que si se realizara una carga y descarga con altas corrientes.
Tambin se confirm que cuando las bateras funcionan a una temperatura bajo
0C, los ciclos de vida tambin disminuyen en gran cantidad, as como tambin
sucede en el caso de trabajar a altas temperaturas, concluyendo as que las
bateras de ion-litio deben evitar ciclos de carga y descarga a temperaturas
muy bajas o altas para poder prolongar su vida til (Pico, Pazmio y Ponce, 2021).
En la figura 16 se presente el voltaje de descarga en funcin del
tiempo, si esta simulacin se compara con la hoja de datos podemos ver que
varan ligeramente, esta variacin puede darse por la impresin al extraer los
parmetros del modelo de la batera. Al transcurrir las 10 horas el voltaje de
descarga se encuentra en 10.8 V y esto de lo denomina voltaje de corte, el 10.8
V no corresponde a la descarga completa pero este valor es adecuado para el
estado de carga mnimo que se lo puede representar con casi el 20% (SOC=20%).
El anlisis de la grfica 1-1 da a conocer que la descarga experimental se
ajusta a la simulacin, al final se apreciar que la tencin de 10.8 voltios se
alcanza luego de 10 horas con 17 minutos, esto indica que la capacidad de la batera
vara segn los parmetros en la cual la batera est funcionando, parmetros
como la temperatura, modo de carga, corriente de descarga etc. Adems, el
voltaje brindado por el fabricante estn relacionadas con condiciones de
funcionamiento ideales (Zine et al., 2018). Para realizar la simulacin se
tomaron en cuenta las siguientes condiciones: 𝑆𝑂𝐶0 = 100%; 𝑉𝑑𝑖𝑠𝑖𝑛𝑡 = 12.6 𝑉; 𝑉𝑑𝑖𝑠𝑒𝑛𝑑 = 10.8 𝑉; 𝑇𝑑𝑖𝑠𝑠𝑢𝑚 = 36000 𝑠
El voltaje de carga en funcin del tiempo, el valor de 12.6 voltios se
mantiene tanto para la simulacin y para la hoja de datos, esto se da por el
estado de carga inicial que es del 20%, el voltaje de carga aumenta rpidamente
hasta llegar a estabilizarse en 13.8 voltios hay varios rangos en donde se
existen cambios notorios. La fase de carga depende de varios factores como lo
son la temperatura ambiental, voltaje y corriente de carga, modo de carga, etc.
Para evitar sobrecarga la batera, el voltaje que suministra el cargador es
cortado al verificar que la corriente es igual a 0.85 Amperios correspondiente
a un tiempo de 20 horas (Zine et al., 2018).
Figura 16. Voltaje de
descarga en funcin del tiempo (Zine et al., 2018)
Conclusiones y recomendaciones
En este artculo presentamos las aplicaciones, las prestaciones
electroqumicas debido a los materiales de almacenamiento de energa esto pasa
por varios componentes como los electrodos, colectores de corriente, nodos y
ctodos, que influyen directamente en el rendimiento de la batera, sin perder
de vista el electrolito lquido de nuestros vehculos elctricos.
Las bateras de iones de litio son actualmente uno de los dispositivos
de almacenamiento de energa electroqumica ms importantes, que alimentan los
vehculos elctricos y algunas ms que son requeridas para su optimizacin. La
conexin de las celdas se puede dar en serie o en paralelo dependiendo los
resultados que se necesite obtener de las bateras, se aplica gran variedad de
modelos y simulaciones en Matlab- Simulink, con el fin de estimar la vida til
y simularse el desgaste prematuro de la batera.
Se estableci que cuando las pilas secundarias de ion-litio se someten a
cargas y descargas muy rpidas, reducirn su vida til drsticamente, por lo
que recomiendan hacer una mezcla en su funcionamiento, si se realiza una carga
con pocos amperios se debe realizar una descarga con muchos amperios, con esto
se obtendr el doble de ciclos de vida de una batera que si se realizara una
carga y descarga con altas corrientes. De forma general esto es esencial para
alargar la vida til de las bateras para nuestros vehculos elctricos.
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