Informe Final - Autos H y E - 20121130 PDF
Informe Final - Autos H y E - 20121130 PDF
Informe Final - Autos H y E - 20121130 PDF
Universidad de la República
Montevideo, Uruguay
Año 2012
Agradecimientos al equipo de trabajo
Participaron en el proyecto:
Dr. Ing. Gonzalo Casaravilla (Responsable), Dr. Ing. Mario Vignolo (Coordinador
General e investigador), Ing. Diego Oroño (Coordinador e investigador), Ing. Virgi-
nia Echinope, Ing. Alfonso Gonzalez, Ing. Francisco Souza, Ing.Sergio Santana, Dr.
Ing. Gabriel Eirea, Ing. Fernando Chiaramello, Ing. Pablo Toscano, Dr. Ing. Pedro
Curto, Ing. Gabriel Pena, Dr. Ing. Fernando Zinola, Ing. Andrés Cardozo, Ing. Car-
los Tutté, Gonzalo Hermida, Diego Bentancour, Marina Faraone, Alvaro Camargo
Ing. Gastón Hernandez, Lic. Cr. Fernando Constanzo como investigadores.
2
Índice general
Índice general 5
1. Introducción 11
1.1. Antecedentes del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2. Descripción del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3. Metodología de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4
5. Baterías secundarias para Autos Híbridos y Eléctricos 55
5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2. Primarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.3. Celdas o baterías Secundarias o Recargables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.4. Baterías de Níquel - Hidruro Metálico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.4.1. Características generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.4.2. Generalidades sobre la conformación de Níquel - Hidruros Metálicos . . . 58
5.5. Baterías Ion-Litio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.6. Baterías con Aleaciones Metálicas de Litio y Aleaciones de Carbón Litio . . . . . 61
5.6.1. Baterías de aleaciones de Carbón Litio [48] . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.6.2. Baterías de aleaciones metálicas de Litio [48] . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.6.3. Algunas comparaciones útiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.7. Baterías de Reserva y Térmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5
9. Motores eléctricos para autos híbridos y eléctricos 97
9.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
9.2. Motores de continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
9.2.1. Voltaje inducido en la espira giratoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
9.2.2. Par inducido inducido en la espira giratoria . . . . . . . . . . . . . . . . 100
9.2.3. Características constructivas de los motores reales . . . . . . . . . . . . . 101
9.2.4. Operación del motor de continua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
9.3. Motores de inducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
9.3.1. Campo magnético giratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
9.3.2. El deslizamiento y el modelo eléctrico del motor en régimen . . . . . . . 105
9.3.3. Potencia y par del motor de inducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
9.3.4. El modelo dinámico del motor de inducción [24] . . . . . . . . . . . . . . 109
9.3.5. Eciencia del motor de inducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
9.4. Motores de reluctancia variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
9.4.1. Funcionamiento de un motor de reluctancia . . . . . . . . . . . . . . . . 113
9.4.2. Características constructivas y desempeño . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
10.Convertidores 117
10.1. Convertidores DC-DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
10.1.1. Convertidor Chopper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
10.1.2. Convertidor Boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
10.1.3. Convertidores DC-DC Bidireccionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
10.2. Convertidores DC-AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
10.2.1. Inversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
10.2.2. PWM sinusoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
10.2.3. Control vectorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6
14.Desarrollo del parque automotor a futuro 157
14.1. Escenarios a futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
14.1.1. Variable explicativa - PIB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
14.1.2. Escenarios de crecimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
14.2. Evolución a futuro del parque automotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
14.2.1. Evolución a futuro del parque automotor - Escenario base . . . . . . . . 159
14.2.2. Introducción de vehículos eléctricos - Formulación de escenarios . . . . . 161
7
17.4. Algunos resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
17.4.1. Carga No Regulada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
17.4.2. Carga Regulada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
17.4.3. Carga y Descarga a la red (V2G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
8
21.3.4. Lugar de trabajo del vehículo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
21.4. Resultados obtenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
21.4.1. Prestaciones reales relevadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
21.4.2. Costos operativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
21.5. Análisis de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
9
Capítulo 1
Introducción
En los autos híbridos, el ahorro de combustible básicamente se obtiene por dos razones. Por una
parte por el uso de motores de explosión más ecientes (por ejemplo de ciclo Atkinson) [2][3]
pero que requieren la ayuda de un complemento eléctrico ya sea para lograr fuerza motriz a baja
velocidad o dicho de otra manera para permitir al motor de explosión funcionar a velocidad
constante óptima. Por otra parte no es despreciable el ahorro de energía por recuperación de
energía cinética durante el frenado utilizando en forma inversa el dispositivo eléctrico de fuerza
motriz. En la modalidad híbrida hay diversas conguraciones dependiendo qué fuerza motriz
actúa sobre la transmisión. Hay opciones en que tanto el motor de explosión y el eléctrico ac-
cionan la transmisión o opciones que una sola de ellas actúa y la otra es subsidiaria [2][3]. De
acuerdo a cómo se viene desarrollando el mercado, la opción más promisoria parece ser cuando
un motor de explosión a velocidad constante óptima arrastra un generador que entrega tensión
continua mediante un convertidor de la que se alimenta la batería y el convertidor que alimenta
10
a los motores eléctricos de tracción [4]. Este último sistema (motor eléctrico/convertidor) es
bidireccional por lo que permite la recuperación de energía al momento de frenado.
Un aspecto que viene tomando una relevancia creciente y que ya tiene al menos 10 años de
experiencias [6][7] es el concepto del usar la capacidad de acumulación de energía de los autos
eléctricos y/o generación de los autos híbridos para generar energía eléctrica en modalidad Ge-
neración Distribuida. En el caso de los autos eléctricos en la medida de que se deben cargar las
baterías desde la red ya se dispone del convertidor necesario. En el caso de los autos híbridos,
se dispone de una planta física capaz de generar en forma autónoma energía en base a com-
bustibles fósiles. En denitiva en ambos casos, en determinado momento y dependiendo de la
tecnología se dispone de energía almacenada (en baterías, hidrógeno, hidruros o simplemente
combustible fósil) que es posible volcarla a la red eléctrica. Esta posibilidad abre muchas po-
sibilidades y problemas. Ya hace unos años se podían leer conceptos tales como "de camino a
su casa un automovilista podrá dejar el auto en el estacionamiento del supermercado y cuando
salga verá que vendiendo energía durante la hora de compras ganó más plata que la que gastó
en las mismas"[6]. En este mismo artículo se estimaba que cada auto podría ser una unidad
de generación de entre 35 a 50 kW. En Uruguay hay en la actualidad del orden de 430.000
autos/camionetas/taxis [1], por lo que con que tan solo el 5 % del parque automotor tuviese la
11
posibilidad de generar energía en la red en ciertas horas del día (½en el pico de la demanda!)
signicaría una capacidad de generación distribuida de aproximadamente 1 GW. Esta capaci-
dad de generación distribuida sería más que suciente para suministrar energía en el pico de la
demanda, contribuir a posponer inversiones en generación, contribuir a disminuir pérdidas en
los sistemas de transmisión de energía, posponer inversiones en redes de transmisión y en algu-
nos escenarios de baja hidraulicidad contribuir a ltrar fuentes de energía de carácter aleatorio
como son la eólica y solar. El caso de sustituir una parte signicativa del parque automotor por
unidades puramente eléctricas, habrá que aumentar la oferta de energía eléctrica y se deberá
analizar el nuevo balance petrolero. Todo dependerá de la forma en que se suministre a futuro
la demanda. En el caso de una fuerte componente eólica los benecios al interactuar con un
parque de autos/baterías parecen promisorios. Incluso en el caso de comparar, frente al actual
rendimiento de un motor de combustión tradicional, parece más eciente generar en centrales
de mayor eciencia, transmitir y cargar autos eléctricos para luego usar la energía en transporte.
Respecto a las restantes tecnologías presentes en un auto eléctrico como ser los convertidores de
electrónica de potencia [2][7] el mayor desafío es estudiar éstos y los necesarios sistemas intrínse-
cos de seguridad. En el presente proyecto se estudiará la eventual fabricación de algunas partes
de autos híbridos o eléctricos. En particular no es trivial el sistema de control de recuperación
de energía y frenado [14][15][16][17] en los que la consigna es recuperar toda la energía posible
sin perder, o en todo caso aumentar, la seguridad de los automovilistas y transeúntes. Por lo
tanto de incursionar en una próxima etapa en la elaboración de un prototipo o la incorporación
de alguna de las tecnologías que es posible desarrollar en el Uruguay (como ser los convertidores
y el control) es imprescindible tener dominada localmente esta temática.
En denitiva de un adecuado estudio de las tecnologías que hay y que vendrán, en el marco
de las necesidades de trasporte y de energía del sistema nacional, el Uruguay debe apropiarse
de los conocimientos necesarios como para establecer políticas de estado en los que reere al
desarrollo de un parque automotor sustentable. Asociado con el conocimiento de las tecnologías
se deben sentar las bases para una metodología de abordaje sistémico de la temática en la que
se analice en conjunto las múltiples aspectos a ser tenidos en cuenta como ser evolución del
parque automotor, insumos de petróleo y energía eléctrica, impactos en los sistemas eléctricos,
barreras y costos.
En el primer módulo de estudios de tecnologías se incluyen los motores a explosión, las baterías,
las celdas de combustible, el almacenamiento de hidrógeno, los motores eléctricos, los converti-
dores y su control. En general son estudios en los que se analiza el estado de situación de cada
tecnología, se realiza una evaluación prospectiva, se generan los modelos de utilidad necesarios
para las restantes etapas del proyecto y se avalúa la eventual fabricación nacional. Respecto
12
a los modelos de utilidad deberán ser adecuados como para ser utilizados en el SimSEE. Esto
permite realizar los estudios de impacto técnico y económicos de la adopción de determinadas
estrategias de introducción de los autos híbridos o eléctricos en el sistema nacional.
Un tema a ser abordado en forma transversal durante todo el proyecto y para cada una de
las tecnologías analizadas, que en si mismo puede ser catalogado de tema de investigación o al
menos de innovación es la integración a herramientas de planicación energética como lo es el
SimSEE los modelos de autos híbridos y/o eléctricos de tal forma de su correcta evaluación al
momento de realizar los diversos estudios de impacto en el sistema eléctrico etc. en el segundo
módulo del proyecto.
Para cada uno de los estudios técnico económicos del segundo módulo caben algunas conside-
raciones particulares:
13
resultante del SimSEE de un determinado parque de generadores distribuidos (de acuerdo
a un escenario de evolución del parque automotor), el diferencial de energía que se obtiene
por la no utilización de las redes que correspondan y las eventuales consecuencias en la
expansión del sistema de reses asociado.
Impacto en la calidad del servicio eléctrico ante la proliferación de autos eléctricos con
capacidad de generación distribuida.
En este caso se realizará un estudio clásicos de penetración de generación distribuida
en redes de distribución. Una ventaja que presenta el concepto de utilizar la capacidad
almacenada en baterías, es que las unidades individuales pueden adaptarse a casi cualquier
requerimiento por parte del distribuidor (sin superar los valores nominales de tensión y
corriente) y en particular a la forma de conexión y desconexión o al comportamiento ante
la ocurrencia de huecos de tensión. En todos los casos lo que se conecta a la red es un
convertidor de electrónica de potencia el cual tiene la capacidad de poder responder en
forma más que inmediata, incluso en el marco de que la fuente primaria de energía sea
una celda de combustible.
14
convertidores.
Por otra parte en el caso de los estudios técnico económicos que se realizan en el proyecto se
busca establecer una metodología de análisis global de las diversas temáticas que intervienen
en el problema. Si bien cada uno de los estudios puede ser realizado con diversas estrategias
o herramientas, este proyecto de investigación hace especial énfasis en utilizar la herramienta
SimSEE para las mayoría de las evaluaciones de impacto del proyecto. La justicación de este
objetivo implícito es generar un marco conceptual que permita abordar este tipo de proble-
mas en forma sistemática permitiendo al investigado y/o técnico concentrarse en las hipótesis
y el análisis de resultados dejando el trabajo de cálculo y presentación de resultados a una
herramienta de fácil utilización, desarrollo y disponibilidad como el SimSEE.
15
Capítulo 2
Historia de los vehículos eléctricos
2.1. Introducción
Antes de poder realizar el estudio minucioso que busca este proyecto es de interés mirar bre-
vemente hacia atrás a n de contextualizar lo que ha sido la evolución histórica del transporte
eléctrico desde sus comienzos hasta la actualidad, pasando por los diversos vaivenes que ha
atravesado la industria. No es objetivo realizar un estudio profundo sino simplemente dejarle
al lector una somera idea de la historia que hay detrás.
16
Entre 1832 y 1839 (el año es incierto), el hombre de negocios escocés Robert Anderson, inventó
el primer vehículo eléctrico puro. El profesor Sibrandus Stratingh de Groningen, en Holanda,
diseñó y construyó con la ayuda de su asistente Christopher Becker vehículos eléctricos a escala
reducida en 1835.
La mejora de la pila eléctrica, por parte de los franceses Gaston Planté en 1865 y Camille
Faure en 1881, allanó el camino para los vehículos eléctricos. En la Exposición Mundial de
1867 en París, el inventor austríaco Franz Kravogl mostró un ciclo de dos ruedas con motor
eléctrico. Francia y Gran Bretaña fueron las primeras naciones que apoyaron el desarrollo ge-
neralizado de vehículos eléctricos. En noviembre de 1881 el inventor francés Gustave Trouvé
demostró un automóvil de tres ruedas en la Exposición Internacional de la Electricidad de París.
Justo antes de 1900, antes de la preeminencia de los motores de combustión interna, los auto-
móviles eléctricos realizaron registros de velocidad y distancia notables, entre los que destacan
la ruptura de la barrera de los 100 km/h, de Camille Jenatzy el 29 de abril de 1899, que alcanzó
una velocidad máxima de 105,88 km/h.
Los automóviles eléctricos, producidos en los Estados Unidos por Anthony Electric, Baker,
Detroit, Edison, Studebaker, y otros durante los principios del siglo XX tuvieron relativo éxi-
to comercial. Debido a las limitaciones tecnológicas, la velocidad máxima de estos primeros
vehículos eléctricos se limitaba a unos 32 km/h, por eso fueron vendidos como coche para la
clase alta y con frecuencia se comercializan como vehículos adecuados para las mujeres debido a
conducción limpia, tranquila y de fácil manejo, especialmente al no requerir el arranque manual
con manivela que si necesitaban los automóviles de gasolina de la época [19].
Figura 2.2: Camille Jenatzy en un coche eléctrico La Jamais Contente, 1899. [19]
Los autos eléctricos se fabricaron por docenas de empresas hasta principios de la década de
1920. Su reputación de conables, silenciosos y ecientes los hacía atractivos. A los médicos
que hacían visitas a domicilio les agradaba la idea de que el auto estaba listo tan pronto se
cargaba, eliminando el largo proceso de arranque de los autos de vapor o el molesto arranque de
manivela en los de gasolina. Un modelo popular era el Detroit Electric, fabricado por Anderson
Carriege Company de Detroit. Disponible en varios estilos de carrocería, incluyendo uno llamado
el cupé del médico, la marca tuvo sus mejores ventas a nes de la década de 1910 y principios
de los años veinte [20]. En la g. 2.3 se puede apreciar un anuncio del Detroit Eléctric.
17
Figura 2.3: Anuncio del Detroit Eléctric. [19]
La introducción del arranque eléctrico del Cadillac en 1913 simplicó la tarea de arrancar el
motor de combustión interna, que antes de esta mejora resultaba difícil y a veces peligroso.
Esta innovación, junto con el sistema de producción en cadenas de montaje de forma masiva
y relativamente barata implantado por Ford desde 1908 contribuyó a la caída del vehículo
eléctrico. Además las mejoras se sucedieron a mayor velocidad en los vehículos de combustión
interna que en los vehículos eléctricos. A nales de 1930, la industria del automóvil eléctrico
desapareció por completo, quedando relegada a algunas aplicaciones industriales muy concretas,
como montacargas (introducidos en 1923 por Yale), toros elevadores de batería eléctrica, o más
recientemente carros de golf eléctricos, con los primeros modelos de Lektra en 1954 [19].
Algunas de esas compañías ya eran parte de la industria automotriz, incluyendo la Kish Indus-
tries de Lansing, Michigan. Su anuncio del modelo Nu-Klea Starlite mostraba un auto con una
cubierta transparente tipo burbuja que según las cartas enviadas a los posibles compradores en
1961, estaba por llegar al mercado.
Con un precio de $3,950, sin radio o calefacción, el auto prometíauna carrocería bien diseña-
da, baterías de ácido de plomo para suministrar la energía, un alcance de unas 40 millas con
velocidades de unas 40 millas por hora. Para 1965, otra carta de Nu-Klea decía algo distinto.
Trabajamos mucho en el auto eléctrico, gastamos mucho dinero para terminarlo, y luego nos
quedamos sin fondos, por lo que ha sido temporalmente descartado. Nunca más se supo del
Nu-Klea.
La Henney Motor Company de New Cork usó el chasis y carrocería de un Renault Dauphine
18
Figura 2.4: Anuncio del Nuklea. [21]
para fabricar su auto eléctrico Henney Kilowatt en 1959, que se vendía por $3,600. Un Kilowatt
que se describió como en buenas condiciones se vendió en el 2005 en una subasta en Branson,
Mo. Por $5,194.
Renaults que han sido alterados son un tema que vuelve entre los fabricantes norteamericanos
de carros eléctricos. El MARS I y el MARS II, vehículos producidos en Michigan por Electric
Fuel Propulsión, eran Renault Dauphines y modelos R-10, respectivamente. En 1967 el MARS
II dio el impulso para una serie de cinco estaciones de carga rápida en los hoteles Holiday Inns,
junto a la carretera 94 entre Chicago y Detroit. En 1979-1980, el Lectric Leopard de la empresa
U.S. Electricar Corporation de Atole, Mass., tenía como base un Renault R-5 o el Le Car, como
se le conocía en el mercado norteamericano.
Uno de los autos eléctricos que se vendieron mejor fue el CitiCar, fabricado desde 1974 al 1976
por la Sebring- Vanguard Company en Sebring, Florida. Básicamente un carrito de golf con
corneta, luces, señales para doblar y limpiaparabrisas, el CitiCar tenía una cabina cerrada con
calefacción y radio opcionales, y tenía capacidad para dos personas algo apretadas. El CitiCar
fue reemplazado por el Comuta-car, un estilo idéntico con asientos para dos. En una subasta
reciente, un CitiCar modelo 1975 en buenas condiciones se vendió por $920.
19
Figura 2.5: Fotografía de un Citicar. [22]
Solectria, una compañía en Woburn, Mass., dice haber fabricado más de mil vehículos eléctricos.
Quizás el mejor conocido es el Solectria Force, basado en el subcompacto Geo de la General
Motors. En la década de 1990, Solectria ganó las carreras American Tour de Sol de la Asociación
de Energía Sostenible del Noreste varias veces.
El coche eléctrico EV-1, cuyas siglas signican vehículo experimental número 1, asemejaba en
su aspecto a un coupé de dos plazas, pero dándole en su diseño un toque mucho más futurista,
en la g. 2.6, se puede observar dicho diseño. La mayor parte de su estructura estaba construida
con aluminio y materiales reciclables. Contaba con un motor eléctrico con una potencia de 137
CV (100,7 kW) y una batería con la que se podían recorrer unos 200 kilómetros.
20
Sin embargo, General Motors decidió suspender su comercialización en 2003, después de pro-
ducir algo más de 1.000 unidades. Las principales petroleras estadounidenses y los intereses
económicos de la industria del automóvil y políticos provocaron la desaparición de este coche
eléctrico.
En 1996 General Motors fabrica el EV1, el primer automóvil eléctrico con altas prestaciones.
Esta decisión de GM estaba motivada por la Zero Emision Vehicle Mandatory del Estado de
California encaminada a promover los vehículos eléctricos de emisión cero. Para ello fabricó
unas 1.100 unidades de este vehículo biplaza durante dos fases de 1997 a 1999 y luego una
segunda hasta 2001. Durante este período estos vehículos fueron arrendados a otas y parti-
culares de California y Arizona por un período inicialmente de 3 años o 30.000 millas (48.000
km). La mayor parte de estos vehículos de acuerdo con la ZEV Mandatory recibieron una ayu-
da de hasta 13.000 dólares de subvención que recibía el fabricante. Muchos de sus propietarios
quisieron prolongar el leasing o incluso comprarlos. GM se negó en rotundo y se limitó a ejercer
sus derechos legales de retirar el vehículo y destruirlo.
La práctica de destrucción de los vehículos eléctricos por parte de sus fabricantes empezó en
2004 se revocó la ZEV Mandatory por la ZEV Regulatory, que era menos restrictiva, y daba
entrada a los vehículos híbridos y propulsados por gas o biocombustibles. Curiosamente, casi
de forma concertada, todas las marcas que habían suministrado coches eléctricos empezaron a
ejercer su derecho de retirar sus vehículos para su destrucción cuando se revocó la ZEV Manda-
tory. Lo curioso es que todos estos vehículos eléctricos de no más de 3 años estaban en perfecto
estado y funcionando con lo cual contribuían a mantener el aire limpio.
La primera que empezó con las destrucciones sistemáticas de sus vehículos fue GM con el EV1.
Sin embargo, pronto topó con la resistencia de algunos de sus propietarios que rápidamente
se organizaron en el movimiento Plug In America y DontCrush.com. Desde que iniciaron sus
acciones hasta la actualidad han evitado que alrededor de 1.000 vehículos de los 5.000 que han
fabricado entre las diferentes empresas de automóviles no hayan sido destruidos y continúen
circulando. Los vehículos eléctricos afectados por este interés de las empresas en eliminarlos
eran el EV1 de GM (1997-2001), el Toyota Rav4 EV (1997-2003), el Ford Range EV (1993-
2001), el Ford Think City (2001-2004), y el Nissan Passadena Hypermini. La lucha para evitar
la destrucción de vehículos eléctricos en perfecto estado empezó en 2004.
El EV1 se construyó con los mejores avances tecnológicos del momento. Este sedán de 2 pla-
zas podía recorrer un máximo de 140 millas (225 km) con la carga eléctrica completa de una
noche. Una parte del éxito de esta notable autonomía era su aerodinámica. Por ejemplo, su
coeciente de fricción era de 0,19 cuando la mayor parte de los automóviles comerciales están
en 0,30. La fricción aerodinámica disminuye la velocidad y la eciencia con lo que se incre-
menta el gasto de combustible o energía. Un buen coeciente aerodinámico supone siempre un
buen ahorro energético. Como coche tenía también una buena respuesta de aceleración: de 0
a 100 km en 9 segundos y disponía de las más avanzadas prestaciones típicas de los vehículos
de gama media-alta: cabina equipada con aire acondicionado, eleva lunas motorizado y cerrojo
centralizado, equipo de música con CD rom y radiocasette, lunas del parabrisas antireejo solar
electriclear, luna trasera con sistema de descongelación, avisador de la presión del neumático,
dirección asistida, asientos de cuero, instrumentación centro-montada y un panel de instrumen-
tación completo, especialmente del estado de carga.
21
Los EV1 de segunda generación se empezaron a fabricar en el 1999 y se equiparon con baterías
de níquel-metal hidruro (NiMH) desarrolladas por GM Ovonic Battery Corp. Las baterías de
NiMH no se ven afectados por la el frío extremo por lo que permitían su circulación por zonas
menos templadas. Para evitar problemas por el calentamiento de estas baterías se incorporaba
un sistema de refrigeración especíco. Para los EV1 de primera generación era imprescindible
instalar el sistema de refrigeración si se cambiaba a este tipo de baterías de nueva generación
y con una mayor autonomía.
En abril de 1998 en la zona sur de California había instalados unos 300 cargadores públicos,
muchos de ellos localizados en los parkings de supermercados populares. En estas instalaciones
gratuitas se conseguía una recarga del 20 al 80 % en tan sólo 45 minutos con el cargador de
6,6kW a 220 voltios. Los EV1 de segunda generación con baterías de NiMH conseguían la re-
carga del 80 % en 10 minutos con el cargador de 50 kW. El sistema de recarga eléctrico era por
inducción magnética.
Los EV1 sólo se alquilaban. En el Estado de California el precio de leasing era algo más barato
debido a los incentivos gubernamentales. El precio era de 399 dólares mensuales que incluía el
sistema de recarga en casa y uno de portátil para poder utilizar las estaciones de recarga pú-
blicas. El arrendamiento estaba regulado para 3 años o 30.000 millas. GM nunca se mostró con
claridad respecto a la posibilidad de que al nal del leasing pudiera ser adquirido en propiedad
(en parte debido a que los requerimientos gubernamentales que exigen el suministro de piezas
durante años y además argumentában que el rápido avance de la tecnología quizás no lo per-
mitiría de una forma rentable). En todo momento, la mayor parte de los usuarios manifestaron
su interés por adquirirlo en propiedad, deseo que nunca fue satisfecho y que terminó como en
las peores películas de terror.
No obstante, la realidad actual es bien diferente y todo indica a que no se volverá a asistir
a ningún otro asesinato de un coche eléctrico. Los avances tecnológicos realizados han sido
notables. Diversos fabricantes ya están desarrollando baterías de ión-litio con más capacidad
(y, por tanto, más autonomía de kilómetros) y con menos tiempo de recarga. Éste es el pilar
en el que se están basando los diversos proyectos en vías de investigación. Estas baterías son
las mismas que utilizan los teléfonos móviles.[23]
22
Capítulo 3
Tipologías de Vehículos Híbridos o
Eléctricos
3.1. Introducción
En este capitulo se describen las tipologías actuales correspondientes a las distintas congura-
ciones de sistemas de propulsión que existen para los vehículos híbridos y eléctricos.
24
la g. 3.1. Debido a que estos autos presentaban un alto peso, poca exibilidad y un bajo
performance este tipo de vehículos desapareció, siendo los mismos hoy en día, diseñados desde
cero.
En la g. 3.2 se puede observar el tren de tracción para un vehículo actual, donde se observan
tres sub-sistemas dos de los cuales son parte fundamental de los vehículos eléctricos de hoy en
día: el sub-sistema eléctrico de propulsión, el fuente de energía, y aquel compuesto por elemen-
tos auxiliares. El primero de estos esta compuesto por el controlador del vehículo, el convertidor
electrónico de potencia, el motor eléctrico, la transmisión mecánica y las ruedas. El sub-sistema
fuente de energía, incluye la fuente de energía (por ejemplo banco de baterías) la unidad de
gestión de la energía, y la unidad de reabastecimiento de energía. En esta unidad se encuentra
el convertidor DC/DC.
Teniendo en cuenta las entradas de control impuestas por el usuario del vehículo desde los
pedales (acelerador y freno), el controlador del vehículo provee las señales de control para el
convertidor electrónico de potencia, quien funciona como regulador del ujo de energía entre
el motor eléctrico y la fuente de energía. El ujo inverso o hacia atrás de energía es debido
al frenado regenerativo del EV, y esta energía regenerada (el motor funciona como generador
en esos casos) puede almacenarse nuevamente en la fuente de energía siempre y cuando dicha
fuente pueda ser receptora de energía. La mayoría de las baterías de los EV así como los ultra-
capacitores poseen la habilidad de aceptar energía regenerada.
25
Figura 3.2: Diagrama conceptual de un tren de tracción moderno. [24]
26
diferencial pueden ser integrados en una única pieza, al eje entre las ruedas.
27
3.4. Vehículos Híbridos (HEV)
Los vehículos eléctricos puros tienen un buen desempeño en el ámbito urbano, pero a la hora
de realizar recorridos de varios kilómetros la autonomía limita su capacidad no siendo aptos
para realizar viajes extensos. Para estos nes existen los vehículos híbridos los cuales están
constituidos por un motor eléctrico y otro de combustión interna.
Estos vehículos comparados con los convencionales de combustión interna son más ecientes,
consumen menos combustible y emiten menor cantidad de gases de efecto invernadero al am-
biente.
De acuerdo a cómo se dispongan los acoplamientos del motor eléctrico y del ICE interna exis-
ten varias arquitecturas en el sistema de tracción. Las conguraciones más populares son la
conguración serie y la conguración paralelo.
En la g. 3.4 se muestra una conguración serie. Como se observa está constituida por un
generador de combustión interna acoplado en serie con un motor eléctrico (ver Sección 3.4.1
por más detalles).
Existe un ujo de energía que corre desde el motor de tracción hacia el banco de baterías
producto de los frenos regenerativos, aumentando su eciencia al igual que los autos eléctricos.
En la g. 3.5 se muestra la conguración en paralelo (ver Sección 3.4.1 por más detalles). De
acuerdo a la forma de operar el motor eléctrico y el motor de combustión interna, existen
diferentes arquitecturas de acoplamiento mecánico a la transmisión mecánica del vehículo.
Esta conguración también se benecia con las ventajas que proporcionan los frenos regenera-
tivos.
28
Figura 3.5: Conguración en Paralelo de un HEV. [26]
La salida del generador eléctrico se conecta a una bus de potencia DC a través de un convertidor
electrónico controlable (inversor bidireccional). La fuente de energía bidireccional es un banco
de baterías conectado al bus de potencia DC mediante un convertidor electrónico de potencia
(convertidor DC/DC), controlable. El motor de tracción, puede funcionar o bien como motor
o bien como generador, y en movimiento de avance o retroceso. La trasmisión híbrida serie
proviene originalmente de un EV en el que se agrega un M/G adicional para ampliar el rango
operativo que está limitado por la densidad de energía pobre de las baterías.
2. Modo de tracción puramente a motor: La energía de tracción del vehículo proviene sola-
mente del M/G, mientras que las baterías ni alimentan y reciben energía desde la tras-
misión. Las máquinas eléctricas ocian como trasmisión eléctrica desde el motor a las
ruedas.
29
3. Modo de tracción híbrido: La energía de tracción es entregada por el M/G y las baterías,
sumadas ambas en el acoplador eléctrico
4. Modo tracción a motor y carga de batería: el M/G entrega energía para cargar las baterías
e impulsar el vehículo simultáneamente. La energía del M/G se divide en el acoplador
eléctrico
5. Modo freno regenerativo: El M/G se apaga y el motor de tracción se opera como generador
impulsado por la energía cinética o potencial del vehículo. La energía generada es cargada
a las baterías y reutilizada luego para propulsión.
6. Modo carga de batería: El motor de tracción no recibe energía y el M/G se opera solamente
para cargar las baterías.
7. Modo de carga de batería híbrido: Tanto el M/G como el motor de tracción operan como
generadores en frenado para cargar las baterías.
No hay conexión mecánica entre el ICE y las ruedas. Consecuentemente, el ICE puede
operarse potencialmente en cualquier punto sobre su mapa par-velocidad. Esta ventaja
particular, con un control de ujo de energía sosticado, permiten operar el ICE siempre
dentro de su región de máxima eciencia. La eciencia y las emisiones del ICE en esta
estrecha región puede mejorarse aún más mediante diseños especiales y tecnologías de
control, que son mas fáciles de implementar que en el dominio de operación completo.
Más aún, el desacople mecánico del ICE de las ruedas permite el uso de motores de alta
velocidad, donde es difícil impulsar las ruedas a través de un vínculo mecánico, tal como
turbinas de gas o plantas de energía que tienen respuestas dinámicas lentas (e.g. motor
Stirling)
Debido a que los motores eléctricos tienen un perl torque-velocidad que está muy cer-
ca de ser ideal para tracción, la trasmisión puede no necesitar trasmisión de múltiples
velocidades. Por lo tanto, la estructura puede simplicarse mucho y tener menor costo.
Al igual que en los EV, se pueden utilizar dos motores, cada uno impulsando un solo
neumático, y se puede remover el diferencial mecánico. Tal conguración tiene además
algunas ventajas como: el desacople de las velocidades de las ruedas, función similar a un
diferencial mecánico, y la función adicional de anti-deslizamiento, similar a un control de
tracción convencional. También, se pueden utilizar cuatro motores en las ruedas, cada uno
manejando un neumático. En tal conguración, la velocidad y el torque de cada neumáti-
co puede controlarse independientemente. Consecuentemente, la capacidad de conducción
(conductibilidad), del vehículo puede mejorarse signicativamente. Esto es muy impor-
tante para los vehículos todo terreno que usualmente operan en terreno escabroso, como
hielo, nieve o suelo blando.
La estrategia de control de la trasmisión puede ser simple, comparada con otras congu-
raciones, debido a su desacople mecánico entre el motor y las ruedas.
30
De todas formas, las trasmisiones híbrido-eléctricas tienen algunas desventajas como las que
siguen:
La energía desde el ICE, cambia su forma dos veces para alcanzar su destino -ruedas
(mecánica a eléctrica en el generador y eléctrica a mecánica en el motor de tracción). La
ineciencia del generador y del motor de tracción puede causar pérdidas signicativas.
Conguración Paralelo
Una trasmisión híbrido paralelo es una trasmisión en la que el motor suministra su energía
mecánica directamente a las ruedas en una forma similar a un vehículo convencional con motor
de combustión. El motor es asistido por un motor eléctrico que está acoplado mecánicamente
al eje. Las energías de los motores de combustión y eléctrico se acoplan juntas mediante un
acoplamiento mecánico, como se muestra en la g. 3.5.
Todos los posibles modos de operación mencionados para la trasmisión híbrida serie continúan
siendo válidos. Las mayores ventajas de la trasmisión híbrida paralelo sobre la serie son las
siguientes:
Tanto el motor eléctrico como el de combustión suministran torque a las ruedas sin con-
versión de energía, por lo cual las pérdidas de energía pueden ser menores.
Su mayor desventaja es el acoplamiento mecánico entre el ICE y las ruedas, como consecuencia
los puntos de operación del ICE no pueden ajustarse en una región acotada de par-velocidad.
Otra desventaja es la complejidad de la estructura y el control.
31
Conguración Híbrida Serie-Paralelo
Se pueden combinar las características de las conguraciones Serie y Paralelo en lo que se conoce
como Conguración Híbrida Serie-Paralelo como se muestra en la g. 3.6
Para explicar el funcionamiento de este tipo de conguración es importante tener una idea
cualitativa de los modos de acoplamiento mecánico que se utilizan habitualmente en estas apli-
caciones.
32
Figura 3.7: Acople de velocidad (basada en imagen extraída de [25], pág. 138).
donde k1 y k2 son lo parámetros estructurales del acople que están descritos por las relaciones
de trasmisión que son usualmente constantes. Para el acople de torque, T3 , es el par de carga, y
T1 y T2 son pares de entrada al acople que son independientes uno del otro y pueden controlarse
independientemente. Sin embargo, debido a la restricción de la Ecuación 3.1, las velocidades
angulares ω1 , ω2 y ω3 están relacionadas y no pueden ser controladas independientemente, como
lo expresa:
ω1 ω2
ω3 = = (3.3)
k1 k2
Dispositivo de acople por Velocidad
Las potencias producidas por las dos plantas de energía se pueden acoplar juntas para sumar
sus velocidades. El dispositivo es análogo al acople de torque, el acople de velocidad es también
un dispositivo mecánico de 3 puertos de conexión y 2 grados de libertad, y los puertos tienen
las mismas características.
T1 T2
T3 = = (3.5)
k1 k2
El mínimo torque determina los otros dos. Un dispositivo de acople por velocidad típico es el
llamado engranaje planetario.
33
Engranaje Planetario
ω23 R2 Z2
i31−2 = 3
=− =− (3.6)
ω1 R1 Z1
donde ω13 y ω23 son las velocidades angulares de los engranajes corona y solar referidas, como
indica el supraíndice, al engranaje porta-planetario (cuando este está quieto), R1 y R2 son los
radios de los engranajes solar y corona respectivamente, y Z1 y Z2 son los números de dientes
de los engranajes solar y corona respectivamente. Aquí, se dene el giro contrario a las agujas
del reloj como velocidad positiva.
Figura 3.8: Engranaje planetario, usado para acoplamientos por velocidad (extraído de [25]
pág. 139).
Otro dispositivo usado como un acople de velocidad es un motor eléctrico con un estator libre,
en el cual el estator, usualmente jo al marco de referencia estacionario en un motor tradicional,
es liberado de dicho marco para formar una máquina de dos rotores. El rotor exterior (estator),
el interior y el entrehierro son tres conexiones. La energía eléctrica es convertida en energía
mecánica a través del entrehierro. La velocidad del motor, en términos usuales, es la velocidad
relativa del rotor interno con respecto al rotor externo. Debido al efecto de acción y reacción,
34
los torques que actúan en ambos rotores son siempre los mismos y resultan constantes, k1 = 1,
y k2 = 1. La relación de velocidades puede ser expresada como:
donde ωio , es la velocidad relativa del rotor con respecto a la velocidad del rotor exterior
(estator). La relación de torques puede ser expresada como:
Combinando los acoples de velocidad y par, uno puede establecer una transmisión híbrida en la
cual los acoples de torque y velocidad pueden elegirse de manera alternada. Dicha arquitectura
se muestra en la g. 3.9. Cuando se elige el modo de operación por acople de torque, el engranaje
planetario es usado solo como un reductor de velocidad y se obtiene una transmisión paralelo
típica con acople por torque. Cuando se elige el modo de acople por velocidad, la velocidad
del engranaje porta-planetario conectado a las ruedas es una combinación de las velocidades
del ICE y del motor eléctrico. Con la opción de elegir el modo de acople por velocidad o
par, se tienen más oportunidades de elegir la forma de operación del vehículo para optimizar su
desempeño. Por ejemplo, a bajas velocidades del vehículo, el modo de operación de combinación
de torque es mas apropiado para altas aceleraciones o subidas de colinas. Por otro lado, a
altas velocidades, el modo de operación con combinación de velocidades es mas apropiado para
mantener la velocidad del motor de combustión en su región óptima. Esta es la principal ventaja
de este tipo de arquitecturas, se puede elegir el mejor tipo de acoplamiento para las diferentes
situaciones de conducción en cuanto a desempeño del vehículo y eciencia. Sin embargo, estos
no pueden correr con ambos acoples al mismo tiempo, ya que no hay dos plantas de energía
disponibles.
Figura 3.9: Acople alternativo entre velocidad o par con engranaje planetario (extraído de [25]
pág. 145).
35
Arquitectura con ambos modos de acople
Agregando otra planta de energía, se puede obtener un tren de transmisión con ambos tipos
de acople. Un buen ejemplo de esto es el implementado en el Toyota Prius de Toyota Motor
Company. Este tipo de arquitectura está mostrado en la g. 3.10. Esta arquitectura utiliza un
engranaje planetario como dispositivo de acople de velocidad y un juego de engranajes de eje
jo como dispositivo de acople de torque. Un ICE es conectado al engranaje porta-planetario
del engranaje planetario, y un pequeño M/G(pocos kilowatts) es conectado al engranaje solar
para formar una conguración de acople de velocidad. El engranaje corona es conectado al eje
de las ruedas a través de un engranaje de eje jo (acople de torque). Mientras tanto, un motor
de tracción es también conectado al engranaje de ejes jo para formar la conguración de acople
por torque.
A bajas velocidades, el M/G opera con potencia negativa, esto es, generando. La potencia del
ICE es separada en dos partes: una parte va hacia el M/G y la otra al vehículo a través del
engranaje corona. Sin embargo a altas velocidades, mientras se trata de mantener la velocidad
del ICE por debajo de una velocidad dada, para tener altas eciencias de operación, el M/G
puede ser operado con velocidades negativas, esto es, rotando en la velocidad opuesta a la
velocidad del ICE. En este caso, la función del M/G es la de controlar la velocidad del motor
de combustión, esto es, desacoplar la velocidad del mismo de la velocidad de las ruedas.
Figura 3.10: Acople integrado de velocidad y par (extraída de [25] pág. 147).
36
3.5. Vehículos Híbridos Enchufables
El principio de funcionamiento de estos vehículos es el mismo que los híbridos a diferencia que
se conectan a la red eléctrica para cargar el banco de baterías.
Una característica muy importante de los EV y los híbridos enchufables a destacar, es que los
mismos tienen la capacidad de funcionar como generadores. Estos vehículos pueden aportar al
sistema eléctrico el remanente de energía acumulada en el banco de baterías, desempeñándose
como generación distribuida (microgeneración) en baja tensión en la matriz energética del país.
37
Capítulo 4
Eciencia y Tecnologías de motores de
combustión para autos Híbridos
4.1. Introducción
Los motores de combustión interna son quizás las máquinas térmicas más habituales y han
jugado un papel dominante en el campo de la generación de potencia y de la propulsión, desde
sus inicios en 1876 cuando Nikolaus August Otto (ingeniero alemán, 1832-1891) desarrolló el
(1)
primer prototipo de un motor de cuatro tiempos. En 1893 Rudolf Diesel (ingeniero francés,
1858-1913) desarrolló el motor que opera en el ciclo termodinámico que lleva su nombre. Desde
ese entonces estos motores se volvieron muy populares al utilizarlos como medios de propulsión
en vehículos de transporte. En 1900 existían 4142 coches en Estados Unidos [28] (principal
país fabricante de coches en esa época), en 1997 esa cifra alcanzaba los 600 millones en todo
(2)
el mundo y se estima que en 30 años más, crecerá al doble. Con un crecimiento de estas
características, es de esperar que la industria de la automoción sea una de las más activas en
lo que se reere a inversión y desarrollo.
El rendimiento térmico de estas máquinas trabajando de forma estacionaria suele rondar el 25-
30 % para ciclos Otto y 30-40 % para ciclos diesel. Esto quiere decir que al rededor de un 70 %
de la energía que entra con el combustible se pierde en el ciclo. Estos valores se incrementan
cuando los motores trabajan en regímenes de funcionamiento no estacionario, que es el caso
habitual de los motores utilizados en los vehículos de transporte.
En la actualidad el motor de combustión interna puede ser mucho más eciente mediante la
ayuda de un sistema de control adecuado [29]. En los últimos años los coches han incorporado
una serie de componentes eléctricos y electrónicos, los cuales reducen las emisiones de especies
nocivas y disminuyen el consumo de combustible, aumentan la seguridad y mejoran la mane-
jabilidad y el confort del pasajero. Taylor (2008) menciona que el uso de vehículos híbridos
con motores de combustión interna y eléctricos produce una reducción de los requerimientos de
energía cercanos al 21-28 %.
(1)
La primera propuesta de un ciclo de cuatro tiempos se asocia al ingeniero francés Alphonse Eugène Beau de
Rochas, hacia 1861. Sin embargo, Otto logró hacerse con la patente y hoy en día se le reconoce como el inventor
del ciclo que lleva su nombre [27].
(2)
Global warming, Focus on the future, 1997, Cars Emit Carbon Dioxide.
38
Con estos valores de rendimiento surge la siguiente pregunta: ¾por qué seguir utilizando estos
motores para el transporte?. Para responder la pregunta hay que tener en cuenta dos cosas.
Primero, la gran capacidad que tienen los combustibles de almacenar energía en un volumen
muy pequeño, la densidad energética del iso-octano es de 44,7M J/kg , esto permite una auto-
nomía muy buena para vehículos que tienen que recorrer grandes distancias. Segundo, que la
estructura de la industria automotriz ya está desarrollada y todos los actores tienen su lugar
en la cadena productiva.
Para describir la evolución termodinámica de los diferentes ciclos se utilizan modelos de Ter-
modinámica de Tiempos Finitos (TTF). Ésta es una rama dentro de la Termodinámica Clásica
del Equilibrio (TCE) que modela y optimiza las máquinas térmicas reales considerando explíci-
tamente las principales irreversibilidades que afectan a su evolución. Se basa principalmente en
modelar las ligaduras espacio-temporales asociadas a las diferentes fuentes de irreversibilidad,
siempre existentes en las máquinas térmicas reales, mediante parámetros macroscópicos y opti-
mizar una función adecuada con respecto a las variables características del problema. El modelo
teórico que se desarrolla a continuación se basa en esencia en los trabajos de Angulo-Brown y
otros [30, 31, 32], Calvo Hernández y otros [33, 34, 35] y Curto-Risso [36].
Al nal se presentan los resultados de los modelos aplicados a diferentes ciclos de conducción,
para determinar el consumo de combustible y la energía en las diferentes situaciones.
39
60
3
50
40
(bar)
30
p
20
10 2
4
0 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
V (×10−4 m3 )
Figura 4.1: Diagrama presión-volumen, simulado (realista) e ideal, para un motor de ciclo Otto.
p4 V4 p1 V1
rγb −1 − 1 − rγu −1 − 1
|Wrev | = (4.2)
γb − 1 γu − 1
Otra forma de calcular el trabajo reversible del ciclo es a partir del primer principio de la
termodinámica aplicado al ciclo:
donde Q23 corresponde al calor aportado al ciclo durante la combustión y Q41 al calor cedido
durante el enfriamiento. El rendimiento termodinámico se calcula a partir del trabajo mediante
la siguiente función:
|Wrev |
η= (4.4)
|Q23 |
Las capacidades calorícas y los índices politrópicos son calculados a partir de un promedio
sobre los intervalos de temperaturas considerados. A modo de ejemplo, tomando en cuenta la
composición química de la mezcla de gases en el cilindro y denotando u para los gases previos
a la combustión y b para los gases posteriores:
1 1
C v,23 = [Cv,u (T2 ) + Cv,b (T3 )] ; C v,41 = [Cv,b (T4 ) + Cv,u (T1 )]
2 2
y
40
Los mismos tipos de promedios se aplican a los otros procesos.
En el presente trabajo se consideran tres fuentes de irreversibilidad:
La transferencia de calor desde el uido de trabajo a los alrededores a través de las paredes
del cilindro
Para caracterizar e identicar con más claridad los términos de las pérdidas de trabajo debidas
a las diferentes irreversibilidades, la ec. (4.5) se escribe de la siguiente forma:
X
|W | = |Wrev | − |Wint | − |Wfric | − |WQ | ≡ |Wrev | − | Wl | (4.6)
donde |Wint | es la diferencia entre el trabajo reversible y el trabajo con irreversibilidades inter-
nas, |Wrev | − |WI |.
Nótese que según esta denición de rendimiento, la energía del combustible que no se quema
y se libera a la atmósfera no afectaría al mismo. Para asignar un valor más realista se utiliza
el rendimiento de conversión de combustible. Este se dene como el trabajo realizado por el
ciclo dividido la energía que entra al motor, que corresponde a la energía que entra con el
i
combustible (masa de combustible, mf , multiplicada por su poder caloríco, Qp ).
|W | |W |
ηf = = (4.9)
|Ef | mf Qip
La potencia se obtiene dividiendo el trabajo del ciclo por el tiempo de duración del mismo:
|W |
P = (4.10)
tciclo
41
4.2.2. Ciclo Diesel
Al igual que en modelo del ciclo Otto, la TTF parte de un modelo reversible para el ciclo Diesel.
En la g. 4.2 se representa el diagrama de la presión con respecto al volumen para un ciclo
ideal superpuesto, a modo de ejemplo, con un ciclo simulado (considerado como real). El ciclo
ideal está formado por un proceso de combustión isócora (2 → 3), un proceso de combustión
isóbara (3 → 4) y enfriamiento (5 → 1); y otros dos adiabáticos, compresión (1 → 2) y carrera
de potencia (expansión) (4 → 5). Durante los procesos de admisión y escape el trabajo que el
(4)
sistema ejerce se supone nulo .
60
50
40
3 4
(bar)
30
p
20
10 2
5
0 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
−4 3
V (×10 m )
Figura 4.2: Diagrama presión-volumen, simulado (realista) e ideal, para un motor de ciclo Diesel.
p4 V4γb p1 V1
V51−γb − V41−γb + p4 (V4 − V3 ) − rγu −1 − 1
|Wrev | = (4.11)
1 − γb γu − 1
Otra forma de calcular el trabajo reversible del ciclo es a partir del primer principio de la
termodinámica aplicado al ciclo:
donde Q51 al calor cedido durante el enfriamiento y QH corresponde al calor aportado al ciclo
durante la combustión:
(4)
Al igual que en el ciclo Otto, esta hipótesis es sucientemente realista, dado que la diferencia de presiones
entre la admisión y el escape es muy pequeña.
42
donde ma es la masa de aire que entra al ciclo, u es la energía interna (que tiene en cuenta la
energía química y sensible) y el subíndice s representa a la componente sensible de la misma.
|Wrev |
η= (4.14)
|QH |
Las irreversibilidades consideradas en este modelo (al igual que en el modelo del ciclo Otto), se
asumen proveniente de las tres fuentes mencionadas anteriormente: fricción, pérdidas de calor
e irreversibilidades internas. Nuevamente los indicadores principales que se consideran son la
potencia, P y el rendimiento, η. Para el cálculo se procede de la misma forma que para el ciclo
Otto.
Para obtener el trabajo real del ciclo, se obtiene el trabajo considerando únicamente las irre-
versibilidades internas, |WI | y se le restan los trabajos perdidos por fricción, |Wfric |, y pérdidas
de calor, |WQ |.
|W |
η= (4.16)
|QH |
y el rendimiento de conversión de combustible es:
|W | |W |
ηf = = (4.17)
|Ef | mf Qip
La potencia se obtiene dividiendo el trabajo del ciclo por el tiempo de duración del mismo:
|W |
P = (4.18)
tciclo
Al igual que en modelos de los ciclos vistos anteriormente, la TTF parte de un modelo reversible
para el ciclo Atkinson. En la g. 4.3 se representa el diagrama de la presión con respecto al vo-
lumen para un ciclo ideal superpuesto, a modo de ejemplo, con un ciclo simulado (considerado
como real). El ciclo ideal está formado por un proceso de combustión isócoroa (2 → 3), un en-
friamiento isócoro (4 → 5) y enfriamiento isóbaro (5 → 1); y otros dos adiabáticos, compresión
(1 → 2) y carrera de potencia (expansión) (3 → 4). Durante los procesos de admisión y escape
43
(5)
el trabajo que el sistema ejerce se supone nulo . Como se puede apreciar, el ciclo Atkinson es
similar al ciclo Otto pero con la expansión más grande que la compresión. De esta manera se
consigue un aumento de rendimiento a expensas de una disminución de la potencia especica
(potencia dividido volumen máximo) comparado con el ciclo Otto.
60
3
50
40
(bar)
30
p
20
10 2
4
1
0 5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
V (×10−4 m3 )
Figura 4.3: Diagrama presión-volumen, simulado (realista) e ideal, para un motor de ciclo
Atkinson.
p4 V4 p1 V 1
reγb −1 − 1 − p1 (V5 − V1 ) − rcγu −1 − 1
|Wrev | = (4.19)
γb − 1 γu − 1
Otra forma de calcular el trabajo reversible del ciclo es a partir del primer principio de la
termodinámica aplicado al ciclo:
donde Q41 al calor cedido durante el enfriamiento (tanto a volumen constante como a presión
constante) y QH corresponde al calor aportado al ciclo durante la combustión:
(5)
Al igual que en los ciclos anteriores, esta hipótesis es sucientemente realista, dado que la diferencia de
presiones entre la admisión y el escape es muy pequeña.
44
El rendimiento termodinámico se calcula a partir del trabajo mediante la siguiente función:
|Wrev |
η= (4.22)
|QH |
Las irreversibilidades consideradas en este modelo (al igual que en los modelos anteriores), se
asumen proveniente de las tres fuentes mencionadas anteriormente: fricción, pérdidas de calor
e irreversibilidades internas. Nuevamente los indicadores principales que se consideran son la
potencia, P y el rendimiento, η. Para el cálculo se procede de la misma forma vista anterior-
mente.
Para obtener el trabajo real del ciclo, se obtiene el trabajo considerando únicamente las irre-
versibilidades internas, |WI | y se le restan los trabajos perdidos por fricción, |Wfric |, y pérdidas
de calor, |WQ |.
|W |
η= (4.24)
|QH |
y el rendimiento de conversión de combustible es:
|W | |W |
ηf = = (4.25)
|Ef | mf Qip
La potencia se obtiene dividiendo el trabajo del ciclo por el tiempo de duración del mismo:
|W |
P = (4.26)
tciclo
En la siguientes secciones se describe con suciente detalle el cálculo de cada una de las contri-
buciones de las irreversibilidades mediante simples ecuaciones analíticas, así como también el
cálculo la temperatura de combustión.
45
con
TL |QL | |WI |
η = 1 − IR = 1 − IR = (4.28)
TH |QH | rev |QH |rev
Por lo tanto, el trabajo realizado por el ciclo considerando irreversibilidades internas se puede
escribir como |WI | = |QH |rev − IR |QL |rev . Aunque en los modelos que se vieron en las secciones
anteriores la absorción y cesión de calor entre el sistema y las fuentes externas no ocurre
en condiciones isotermas (como en los de tipo Carnot), esta formulación ha sido extensamente
utilizada en la literatura para estos modelos, tomando siempre IR como un parámetro constante
y fenomenológico [30, 35]. Angulo-Brown y otros [31] sostienen que para los ciclos Otto no
endorreversibles, IR puede ser interpretado como el cociente entre las capacidades calorícas
a volumen constante de los productos de combustión y los reactivos, IR = Cv,b /Cv,u , debido a
que la absorción y cesión de calor se producen en condiciones isócoras.
Ciclo IR
Otto 1.20
Atkinson 1.20
Diesel 1.15
Unicando la notación, |QL |rev = |Q41 | para ciclos Otto y Atkinson y |QL |rev = |Q51 | para ciclos
Diesel, el trabajo del ciclo considerando únicamente las irreversibilidades internas es:
donde |QL |rev en cada ciclo se obtiene a partir de la diferencia entre el calor cedido al sistema
|QH |rev y el |Wrev |, según su modelo correspondiente.
Por lo tanto:
|WI | = |QH |rev − IR (|QH |rev − |Wrev |) (4.30)
Formalmente se dene el trabajo de fricción como la diferencia entre el trabajo realizado por el
gas que realiza el ciclo cuando está dentro del cilindro, es decir, en las carreras de compresión
y expansión, y el trabajo útil que se comunica al cigüeñal.
46
Brevemente, se resumen a continuación las causas que provocan estas pérdidas de potencia:
Todos los sistemas auxiliares, bombas de agua y de aceite, bomba de combustible, alter-
nador, bombas secundarias para el control de emisiones, bomba del sistema de dirección
asistida o sistema de climatización consumen una parte del trabajo realizado por el gas,
Wa .
Wfric = Wp + Wrf + Wa
Globalmente este trabajo total depende de la carga externa y aumenta con la velocidad angular,
N .(6)
Una correlación empírica que incluye términos de bombeo y que se adapta bien al comporta-
miento de motores de encendido por chispa (ciclo Otto y Atkinson) con volúmenes entre 845 y
2000 cm3 , de cuatro cilindros, es la proporcionada por Barnes-Moss [42]:
Wfric = Vd C1 + C2 N + C3 N 2
(4.31)
C1 = 0,97
C2 = 0,15 × 10−3
C3 = 0,05 × 10−6
aunque algunas componentes dependen más bien de la velocidad media del pistón en la cámara
que de la velocidad angular en sí.
Para motores Diesel, la correlación que mejor aproxima a una amplia gama de motores de seis
cilindros según Millington [43] es:
Wfric = Vd C1 + C2 N + C3 Sp2
(4.32)
(6)
Suele utilizarse el símbolo N cuando se reere a la velocidad de giro expresada en revoluciones por minuto,
rpm.
47
en la que los coecientes valen:
C1 = 75000
C2 = 48
C3 = 400
donde es la velocidad media del pistón Sp = cN/60, con c la carrera del pistón.
En ambas correlaciones el resultado del trabajo es en W atts, el volumen desplazado debe estar
enm3 y (para la correlación de Diesel) la carrera debe estar en m.
B
Q̇l = πBh + x (T − Tw ) (4.33)
2
donde T es la temperatura instantánea del uido de trabajo dentro del cilindro, B es el diáme-
tro interior del cilindro, h es el coeciente de transferencia de calor, x la altura de la cámara
de combustión y Tw la temperatura de pared. Este sencillo procedimiento permite estimar las
pérdidas asociadas a la transferencia de calor a partir de un conjunto reducido de parámetros,
entre los cuales se incluye el tiempo de duración del ciclo.
En particular para el ciclo Otto y Atkinson, asumiendo que la principal transferencia de calor
tiene lugar durante el período de la carrera de potencia y tomando valores promedio para la
posición del pistón, x̄34 y la temperatura del uido, T 34 , se concluye que [37]:
B
Ql ' πhB + x34 (T 34 − Tw )t34 (4.34)
2
donde t34 es el tiempo de duración de la carrera de potencia. Desarrollando los términos, esta
ecuación se convierte en:
πhBt34 T3 V0 1−γ Tw
|Ql | = B+ (1 + re ) 1 + re − 2 (4.35)
4 Ap T3
Para el ciclo Diesel, se asume, también, que la principal transferencia de calor tiene lugar
durante el período de la carrera de potencia. Dado que hay dos procesos diferentes, las pérdidas
γ
se dividen en el proceso 3−4 a presión constante y el proceso 4−5 con pV constante. Tomando
valores promedio para la posición del pistón en cada proceso, x̄34 y x̄45 , y la temperatura media
48
del uido para cada proceso, T 34 y T 45 , la transferencia de calor se pueden representar mediante
la siguiente ecuación:
h c34 i h c45 i
|Ql | = 2Ap + Bπ h T 34 − Tw t34 + 2Ap + Bπ h T 45 − Tw t45 (4.36)
2 2
donde c34 y c45 son las carreras para los procesos 3−4 y 4−5 respectivamente, t34 es el tiempo de
duración de la carrera de potencia en el período a presión contante y t45 en el período adiabático.
Siguiendo la idea de los modelos de TTF se considera una reacción relativamente simple para
la combustión de la gasolina (para el caso de motores Otto y Atkinson) y del gasoil para el ciclo
Diesel. Es necesario resolver la reacción química para establecer la composición química de los
gases quemados, y así poder calcular su energía interna.
49
4.4. Aplicación de los modelos al cálculo de consumo
En esta sección se presenta la aplicación de los modelos presentados anteriormente para calcular
el rendimiento y consumo de energía, en diferentes ciclos de conducción (autopista, semi-urbano
y urbano). El estudio se restringe a los motores de ciclo Otto y Atkinsosn que son los que se
utilizan en tecnologías de autos híbridos.
En las secciones anteriores se presentaron los modelos para el cálculo de potencia y rendimien-
to para diferentes ciclos. Dada la naturaleza diferente de los motores en es necesario denir
diferentes variables de entrada para calcular el desempeño de los mismos.
En el caso del ciclo Otto basta con denir como variable de entrada la riqueza del combustible,
φ, la velocidad de giro, N y la relación de compresión, rc , sin embargo, dado que en el ciclo
Atkinson las carreras de compresión y expansión son diferentes, es necesario agregar como va-
riable de entrada la relación de expansión, re .
En la tabla 4.2 se presenta la lista de variables de salida para los modelos del ciclo Otto y
Atkinson.
P ot η Wrev WI Wroz Wq
W QH QL xCO2 xCO xH2
xH2O xO2 xN 2 γb γu T3
Tabla 4.2: Variables de salida para el modelo del ciclo Otto y Atkinson.
En la g. 4.4 se presenta el diagrama de funcionamiento para calcular el consumo (en km/l),
para los motores Otto y Atkinson a partir de diferentes ciclos de conducción.
La secuencia de cálculo se puede esquematizar de la siguiente manera:
Calculo del mecanismo del vehículo para obtener la potencia al eje requerida y la velocidad
de giro.
Calculo del promedio de los kilómetros recorridos por cada litro de combustible.
En la g. 4.5 se muestran los diferentes ciclos de conducción utilizados en este trabajo para el
cálculo de consumo de combustible y energía.
50
Figura 4.4: Diagrama de funcionamiento para calcular el consumo.
140
Autopista
Semi-urbano
120 Urbano
100
velocidad (km/h)
80
60
40
20
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
tiempo (s)
51
En la tabla 4.3 se presentan los valores de desempeño para ambos motores en un ciclo de
conducción por autopista. Cabe destacar la buena aproximación del modelo para ciclos Otto.
Si bien es un modelo simple, reeja valores muy cercanos a los reales.
En la tabla 4.4 se presentan los valores de desempeño para ambos motores en un ciclo de
conducción semi-urbano.
En la tabla 4.5 se presentan los valores de desempeño para ambos motores en un ciclo de
conducción urbano.
52
Capítulo 5
Baterías secundarias para Autos Híbridos
y Eléctricos
5.1. Introducción
En este capítulo se presenta una clasicación de las baterías de aplicación en transporte.
5.2. Primarias
Estas baterías no son fácilmente recargables eléctricamente y, por lo tanto, una vez descargadas
se descartan. Muchas celdas primarias en las que el electrolito esta contenido por un material
absorbente o separador (no hay electrolito libre o liquido), se denominan celdas secas. La batería
primaria es una fuente de energía conveniente, usualmente barata y liviana para dispositivos
electrónicos y eléctricos portátiles, iluminación, equipos fotográcos, juguetes, memoria de res-
paldo y muchas otras aplicaciones, proporcionando libertad de la alimentación utilizada.
Las ventajas generales de las baterías primarias son: buena conservación, alta densidad de
energía para regimenes de descarga bajos a moderados, pequeño tamaño y fácil uso. Aunque
se utilizan baterías primarias de gran capacidad en aplicaciones militares, señalización, ali-
mentación de emergencia, y muchas otras, la gran mayoría de las baterías primarias son las
familiares celdas cilíndricas individuales y los botones planos o baterías multicelda que utilizan
estas celdas como componentes.
54
por una energía primaria y entregando su energía a la carga demandada. Ejemplos son
sistemas automóviles o de aeronaves , fuentes tipo UPS, HEVs y sistemas de almacena-
miento de energía estacionario (SES).
Las baterías secundarias se caracterizan (además de por su propiedad de ser recargadas), por
la alta densidad de potencia, altas tasas de descarga, curvas de descarga planas y buena perfor-
mance a baja temperatura. Sus densidades de energía son generalmente más bajas que de las
baterías primarias. Su retención de carga es además más pobre que la mayoría de las baterías
primarias, sin embargo la capacidad de las baterías secundarias que se pierde en funcionamiento
puede restablecerse mediante recarga.
Algunas baterías, conocidas como de tipo recargable mecánicamente, son recargadas mediante
el reemplazo del electrodo descargado o empobrecido, usualmente el ánodo metálico, con uno
nuevo. Entre ellas, para la utilización en autos híbridos y eléctricos se han estudiado y desa-
rrollado las baterías de hidruros metálicos y las aleaciones metálicas de litio y aleaciones de
carbón litio.
55
Libre de mantenimiento.
La Asociación para los Vehículos de la Nueva Generación (PNGV-Partnership for the Next Ge-
neration Vehicles), se creó para permitir a los fabricantes y al gobierno norteamericano, cumplir
con una economía de combustible de 80 millas por galón de gasolina (unos 34 km/litro). Pa-
ra muchos fabricantes, los esfuerzos de desarrollo se centraron en la variedad de conceptos de
los HEVs, los cuales tienen muchas ventajas contra los EVs, ya que pueden funcionar sin la
necesidad de tener que recargar las baterías que son transportadas a bordo del vehículo por
otra fuente externa que no sea el motor de combustión. Para las conguraciones serie o para-
lelo, el motor eléctrico puede utilizarse para recargar las baterías. Hay una gran variedad de
opciones dentro de cada enfoque de baterías como ampliadora de rango, asistencia de energía o
modo dual. Es común describir un HEV como vehículo 70/30 o 90/10 donde la razón es la canti-
dad de energía suministrada por el ICE comparada con aquella de la unidad eléctrica y baterías.
La variedad de modos de operación para cada tipo de vehículo, conducen a tamaños de batería
en un rango extremadamente amplio (cualquiera entre 0.9 y 5 kWh). Para vehículos híbridos,
el tamaño de celda más pequeña utilizado es 6.5 Ah NiMH Celdas D y el tamaño mayor de
celda NiMH para HEV es de alrededor de 60 Ah. En el HEV Honda Insight, el conjunto de
baterías NiMH es de 900 Wh y consiste de celdas D de 6.5 Ah a 144 V. En contraste, el HEV
Toyota Prius es 1.8 kWh compuesto por celdas D de 6.5 Ah a 288 V. En el HEV General Motors
Precept, diseñado como 50/50 ICE sobre unidad eléctrica, se emplea una batería de NiMH de
4.2 kWh que consta de veintiocho módulos de 12 V con una capacidad de 12 Ah.
Larga vida.
Bajo costo.
56
5.4.2. Generalidades sobre la conformación de Níquel - Hidruros Me-
tálicos
Los hidruros metálicos generalmente son usados como electrodo negativo en un amplio número
de baterías en las que tienen lugar reacciones reversibles en conjunción con un electrolito acuoso
y Níquel como electrodo positivo.
M eH + OH − ↔ M e + H2 O + e− (5.2)
Algunas veces cuando se aplica un exceso de carga durante la recarga, ocurre la formación de
O2 , según:
1
2OH − → O2 + H2 O + 2e− (5.3)
2
El O2 difunde a través del electrolito y descarga el electrodo negativo.
Estas celdas tenían, en un principio, una energía especíca de unos 54 Wh/kg y una potencia
especíca de 200W/kg. Con el desarrollo de las investigaciones se ha alcanzado energías especí-
cas de 100 Wh/kg y una potencia especica de 1200 W/Kg. La densidad de energía a la que se
ha llegado es de 420 Wh/L. En general son diseñadas con un exceso de capacidad del electrodo
negativo. Las aleaciones metálicas que se utilizan para pequeños consumidores, están formadas
por multi componentes, típicamente alrededor de un 30 % son las denominadas tierras raras.
(lantánidos y actínidos).
Existen dos tipos importantes de aleaciones para obtener los Hidruros Metálicos. Estas pueden
ser identicados con las notaciones AB5 y AB2 . El desarrollo de estas aleaciones comenzó a
partir del trabajo del laboratorio de Philips en que se descubrió de forma fortuita la reacción
del gas Hidrógeno con LaN i5 . La estructura cristalina de este tipo de aleaciones es básicamente
de capas hexagonales de tipo CaCu5 . Las capas alternativas tendrán dos lantano y níquel, la
(1)
siguiente solo níquel y otra vez dos con lantano y níquel . La reacción del hidrógeno con el
material puede ser escrita como:
(1)
Proyecto ANII FSE 2009-05
57
Los Hidrógenos van a residir en los intersticios tetraédricos de los átomos que conforman la
estructura cristalina de la aleación. En ocasiones se cambia la composición de la aleación, sus-
tituyendo parte del níquel por aluminio o magnesio y/o cobalto, también es posible cambiar la
relación A/B.
Otra característica que pueden presentar estas aleaciones es que la supercie tiende a contener
regiones que son ricas en lantano combinado con oxigeno. Y por tanto hay grupos de níquel.
Estos grupos de níquel son permeables al hidrógeno y en estas condiciones el hidrogeno puede
entrar a la aleación con más facilidad.
Las aleaciones AB2 pueden presentar dos tipos diferentes de estructura cristalina y se ha en-
contrado que son más aptas para el almacenamiento de hidrogeno.
Para comparar estas dos formas, AB2 y AB5 , se puede decir que los dos sistemas pueden
proveer una alta densidad de carga almacenada pero puede ser en el orden de un 5 a 10 %
más altas en las AB2 . Sin embargo, hay una signicativa diferencia entre las características
electroquímicas. En el caso de la AB5 el potencial entregado por la celda es independiente del
estado de carga de la misma pero para las AB2 varia apreciablemente. El hecho de que el voltaje
decrezca sustancialmente durante la descarga para este tipo de Hidruros metálicos puede ser
considerado como una seria desventaja para su uso en baterías. Otra seria consideración en
los materiales AB2 es la cuestión de la oxidación y posterior corrosión particularmente en los
compuestos B del metal, lo que reduce la capacidad y el ciclo de vida del compuesto (5.1).
58
Tabla 5.1: Datos extraídos de [48] y [46].
El material de electrodo positivo es típicamente oxido metálico con estructura de capas, como el
Oxido de Cobalto-Litio (LiCoO2 ), o un material con una estructura tunelizada, como el Oxido
de Manganeso-Litio (LiM n2 O4 ), sobre un colector de papel aluminio. El material de electrodo
negativo es típicamente un carbón grafítico, también un material en capas, sobre un colector
de cobre. En el proceso de carga/descarga, los iones de litio son insertados o extraídos desde
un espacio intersticial entre capas atómicas dentro de los materiales activos.
Una desventaja de las baterías Li-ion es que se degradan cuando se descargan por debajo de
los 2 V y pueden ventear cuando son sobrecargadas debidos a que no poseen un mecanismo
químico para manejar la sobrecarga diferente de la química acuosa de celda. Las baterías Li-
ion típicamente emplean circuitería de manejo y dispositivos de desconexión mecánica para
proveerle protección de sobre-descarga, sobre-carga o condiciones de sobre temperatura. Otra
desventaja de los productos Li-ion es que pierden capacidad permanentemente a temperaturas
o
elevadas (65 C ), aunque a ritmo menor que la mayoría de los productos NiCd o NiMH. La
Tabla 5.5, nos ofrece una comparativa entre ventajas y desventajas, importante a la hora de
decidir si este tipo de baterías resulta adecuado para una aplicación particular.
59
Desde el primer anuncio de la batería Li-ion en 1991, la tecnología de baterías Li-ion ha crecido
de una forma sin precedentes por lo que actualmente se considera como la batería recargable
del futuro más promisoria. Aunque en estado de desarrollo, la batería Li-ion ya ha ganado
aceptación para aplicaciones de EV y HEV. La batería de Li-ion utiliza intercalación material
de carbón litiado (LixC) para el electrodo negativo en lugar de litio metálico, una intercalación
de oxido con transición de metal litiado (Li1−x My Oz ) para el electrodo positivo y una solución
liquida orgánica o un polímero solido para el electrolito. Los iones de litio están meciéndose a
través del electrolito entre los electrodos positivo y negativo durante la descarga y carga. La
reacción electroquímica general se puede describir como:
Durante la descarga, se liberan iones de litio desde el electrodo negativo que migran a través
del electrolito y son recogidos por el electrodo positivo. Durante la carga el proceso es el
inverso. Los materiales posibles para el electrodo positivo pueden ser Li1−x CoO2 , Li1−x N iO2
y Li1−x M n2 O4 que tiene las ventajas de estabilidad en el aire, alta tensión y reversibilidad de
la reacción de intercalación de litio. El tipo Lix C/Li1−x N iO2 , vagamente llamado C/LiN iO2
o simplemente llamado batería Li-ion basada en níquel, tiene una tensión nominal de 4 V, una
energía especica de 120 Wh/kg, una densidad de energía de 200 Wh/litro, y una potencia
especica de 260 W/kg. Las basadas en cobalto, tienen energía especíca y densidad de energía
más alta, pero con un costo más alto e incremento signicativo de tasa de auto descarga. Las
basadas en manganeso, tienen el costo más bajo y su energía especica y densidad de energía
se encuentra entre los valores de las basadas en cobalto y basadas en níquel.
Mientras que las baterías de electrodos negativos de Litio tienen menor peso por unidad de
carga, también generarán menor potencial. En cambio, celdas con menor actividad de Litio
tienen mayores potenciales, entregando un menor potencial eléctrico y cargando con un peso
mayor. Adicionalmente, algunos problemas que presentan las baterías de Litio elemental son:
Problemas de recargabilidad
Cambio de forma
Formación de dendritas
Crecimiento lamentoso
60
Runaway térmico
El grato es anfótero, por lo que tanto cationes como aniones pueden ser insertados en su es-
tructura. En caso de ser cationes, toda la estructura del grato tomara una carga negativa y
viceversa si son los iones negativos los que entran a la red cristalina. La inserción del Litio en la
estructura se produce en etapas ordenadas, llenándose las capas individualmente, es decir, que
una vez que un Li entra, los demás Li entraran con mayor facilidad entre las dos mismas capas
de carbono en que entro el primero. Esto es porque el Li que entra primero debilita las uniones
de van der Waals entre las capas de carbono haciendo que sea más fácil (efecto catalítico) la
entrada de los siguientes átomos. Desde luego, existen otras complicaciones sobre este compor-
tamiento que no se mencionan aquí. Al entrar los Litios a la red del carbón, se produce un
reordenamiento de la estructura y un aumento del volumen de la misma. Las capas de carbono
quedan enfrentando sus carbonos, la de arriba con la de abajo, estructura A-A-A. Esto quiere
decir que los hexágonos ahora quedaran concéntricos, y colocados entre ellos se encontrara el
Litio alojado. No entre todos los hexágonos se aloja un litio, sino que la máxima cantidad de
litio que se puede intercalar estará en la relación LiC6 .
Una importante consideración en el uso de estos materiales carbonáceos como electrodo nega-
tivo es la observación de la pérdida de capacidad durante el primer ciclo de carga-descarga, lo
cual implica colocar una extra cantidad de material en el electrodo positivo para contrarrestar
esta pérdida de capacidad durante la fabricación de la batería, de modo de aportar esta canti-
dad de litio que permanece atrapada en la estructura. Esto implica, consecuentemente un extra
peso y volumen en la celda total.
Se sabe que, electrodos con una estructura de grato mas perfectamente ordenada, reaccionarán
con el litio a potenciales más negativos y como resultado, el voltaje entregado será dependiente
de este factor y del estado de carga. Para que la estructura carbonacea este más ordenada es
necesario calentarla a altas temperaturas durante su producción, lo cual consume energía. El
valor de la capacidad máxima teórica es de 372 mAh/g, mientras que los valores típicos que se
obtienen son del rango de 300 a 350 mAh/g.
61
aleaciones, necesariamente provoca una reducción de la actividad de litio y por tanto una re-
ducción del voltaje entregado. También presentan un peso y volumen adicional por la presencia
de otras especies no involucradas directamente en las reacciones electroquímicas, comparán-
dolas con las que usan puro litio. Además, el valor teórico máximo de la densidad de energía
especica, como el de la densidad de energía, siempre son más reducidas también que el de la
batería con electrodo de litio puro.
Estas baterías, están diseñadas para conservar durante largos periodos el estado de carga, a
temperatura ambiente, antes de ser usadas. Esto es debido a que la cinética de descarga es muy
lenta. En general estas baterías son adecuadas a temperaturas un poco más altas, en el entorno
o
de los 400 - 450 C.
Con el objetivo de alcanzar una densidad de corriente apreciable, manteniendo baja la carga
microscópica local y la densidad de ujo de partículas, se suele producir los electrodos que están
en conjunción con electrolitos puros, de forma que presenten una alta porosidad microscópica.
Así, se tendrá en ellos una alta área de reacción. Esta forma constructiva, sin embargo, contrae
algunas desventajas a tener en cuenta, estas son:
Que la micro estructura presenta baja resistencia mecánica cuanto más porosa es.
Además, los electrodos así construidos presentan la necesidad de un periodo de activación donde
se establece la estructura reversible. Una forma de alcanzar una buena reversibilidad sería
conseguir que la micro estructura tenga la habilidad de acomodar cualquier cambio de volumen
que pueda resultar de la reacción que tiene lugar internamente y de esto hay interesantes
estudios que involucran una modicación de la estructura del área supercial para obtener
mayor espacio para que la estructura crezca y se comprima posteriormente. Desde luego, el
cambio de volumen está directamente relacionado con la cantidad de litio que entrará en la
estructura cristalina de la aleación.
62
Tabla 5.4: Comparación, peso, volumen y eciencia entre las diferentes variantes propuestas.
63
Capítulo 6
Celdas de combustible para Autos
Eléctricos
6.1. Introducción
Los Vehículos con celdas de combustible (CVs) utilizan electricidad generada por una celda
de combustible para mover un motor eléctrico. La celda de combustible permite una reacción
electroquímica controlada, que transforma el combustible en electricidad y subproductos, pro-
metiendo eciencias interesantes y bajo ruido. Cuando se utiliza hidrógeno el subproducto es
agua, que no tiene mayores efectos contaminantes. Si se utilizan alcoholes (como etanol o meta-
nol) el subproducto será monóxido de carbono pero es de esperar una disminución comparativa
de las emisiones respecto del combustible fósil, y si el alcohol es de origen orgánico, de todas
maneras el balance de carbono en todo el ciclo de vida del combustible será mucho mejor que
en el caso de los derivados del petróleo.
Por otro lado, los FCV serán más ecientes que los ICE, razón por la cual en toda la cadena
podrán generar eciencias energéticas importantes, además de minimizar las emisiones. No
obstante, en principio los FCV son bastante menos ecientes que los BEV, cuando ambos se
comparan en un contexto similar. Por ejemplo, Eaves and Eaves calculan la electricidad que
se debe generar para lograr 60 kWh en las ruedas de un vehículo, y concluyen que en el caso
del BEV son 79 kWh, mientras que en el FCV son 202 kWh. Otros esquemas de distribución o
producción del hidrógeno que el manejado por Eaves podrían mejorar estos valores, eliminando
eventualmente las pérdidas en el caño o sustituyendo la electrólisis, pero de todas formas
estamos hablando de aproximadamente el triple de energía para lograr la misma energía en las
ruedas. Esto en el entendido de que los vehículos tengan pesos y potencias similares.
En 1839, William Grove descubrió el principio básico de funcionamiento de las celdas de com-
bustible revirtiendo la electrolisis del agua para generar electricidad a partir del hidrógeno y
el oxígeno. El principio que el descubrió permanece vigente aun hoy. Una celda de combustible
64
es un dispositivo electroquímico que convierte de manera continua energía química en energía
eléctrica (y algo de calor) durante el tiempo en que se le provea combustible y oxidante. Las
celdas de combustible presentan similitudes con las baterías, en cuanto a que comparten la
naturaleza electroquímica del proceso de generación de energía; y con los motores a diferencia
de las baterías, en cuanto a que consumen algún tipo de combustible de manera continua.
A diferencia de las baterías o los motores, una celda de combustible no necesita ser recargada,
opera tranquilamente y ecientemente, y cuando el hidrógeno es usado como combustible genera
solo energía y agua potable (se abreviará celda de combustible por CdC). Debido a lo anterior,
es que son llamados motores de emisión nula. Desde el punto de vista termodinámico, la mayor
diferencia es que los motores térmicos están limitados por su eciencia de Carnot mientras que
las CdC no. La CdC de Grove era un recipiente frágil llenado con acido sulfúrico diluido, en el
cual eran sumergidos electrodos de platino. Desde allí hasta las tecnologías modernas de CdC
ha habido un largo y tortuoso camino.
Figura 6.1: (a) La electrolisis del agua. El agua es separada en hidrógeno y oxígeno al hacerle
pasar una corriente eléctrica a través de ella. (b) Una pequeña corriente uye. El oxígeno e
hidrógeno están siendo recombinados y generan energía en un proceso inverso (par galvánico o
pila). [46]
65
Otra manera de ver a las CdC, es decir que el combustible hidrógeno está siendo quemado en
la reacción simple:
Sin embargo, se produce energía eléctrica en lugar de liberarse energía en forma de calor. El
experimento mostrado en las Figuras 1(a) y 1(b) presenta una demostración del principio básico
de las celdas de combustible, pero las corrientes producidas son muy pequeñas. Las principales
razones por las cuales estas corrientes son bajas son:
Para solucionar estos problemas, los electrodos son usualmente construidos chatos, con una pe-
queña capa de electrolito. La estructura del electrodo es porosa para que ambos, el electrolito
por un lado y el gas por el otro puedan penetrarlo. Esto es para tener el mayor contacto posible
entre al electrodo, el electrolito, y el gas. Sin embargo, para entender como la reacción entre
el hidrógeno y el oxígeno produce corriente eléctrica, y donde es que entran los electrodos, se
necesita considerar por separado las reacciones que se producen en cada uno de los electrodos.
Estos detalles importantes varan para diferentes tipos de CdC, pero se verá ahora el tipo más
simple, que a su vez es el más común.
En el ánodo de las CdC de acido electrolítico, el gas hidrógeno se ioniza, liberando electrones
+
y creando iones H (o protones):
Esta reacción libera energía. En el cátodo, el oxígeno reacciona con electrones tomados desde
+
el electrodo, y con los iones H tomados desde el electrolito para formar agua:
Claramente, para que estas dos reacciones se sigan produciendo de manera continua, los elec-
trones producidos en el ánodo deben pasar a través de un circuito eléctrico hacia el cátodo.
+
Además, los iones H deben pasar a través del electrolito. Ciertos polímeros pueden además ser
+
fabricados para contener iones H móviles (Ej. Naon). Estos materiales son llamados membra-
nas de intercambio de protones. Comparando las ecuaciones podemos ver que dos moléculas de
hidrógeno serán necesarias por cada molécula de oxígeno si se quiere que el sistema se mantenga
+
balanceado. Debe notarse que el electrolito solo debe permitir a los iones H pasar a través de
él, y no a los electrones. De otra manera, los electrones pasaran a través del electrolito, no por
el circuito exterior, y todo se perderá.
66
Figura 6.2: Estructura básica de una CdC cátodo - electrolito - ánodo. [46]
Figura 6.2: Reacciones en los electrodos y el ujo de carga para una CdC de acido electrolítico.
Notar que aunque los electrones negativos uyen desde el ánodo hacia el cátodo, la corriente
convencional uye desde el cátodo hacia en ánodo.
En las CdC con electrolito alcalino, la reacción es en general la misma, pero las reacciones en
−
cada electrodo son diferentes. En una alcalina, los iones de hidroxilo (OH ) están disponibles
y libres. En el ánodo, estos reaccionan con el hidrógeno, liberando energía y electrones, y
produciendo agua:
En el cátodo, el oxígeno reacciona con los electrones tomados desde el electrodo, y el agua en
−
el electrolito, formando nuevos iones OH :
Para que estas reacciones se produzcan de manera continua, los iones OH − deben poder pasar
a través del electrolito, y debe haber un circuito eléctrico para que los electrones pasen desde el
67
ánodo hacia el cátodo. Además, comparando las ecuaciones anteriores vemos que, como con el
electrolito ácido, se necesita el doble de cantidad de hidrógeno que de oxígeno. Esto es mostrado
en la Figura 6.3.
Figura 6.3: Las reacciones en los electrodos y el ujo de las cargas para una CdC alcalina. Los
electrones uyen desde el ánodo al cátodo, pero la corriente convencional positiva uye desde
el cátodo hacia el ánodo. [46]
Notar que aunque el agua es consumida en el cátodo, es creado el doble de rápido en el ánodo.
Hay muchos tipos diferentes de CdCs, con diferentes electrolitos. Es posible distinguir seis
grandes tipos de CdC, dependiendo del tipo de su electrolito. Estas son las celdas de membrana
de intercambio de protones o las de membrana de intercambio de polímero (PEMFCs), las celdas
alcalinas (AFCs), las celdas de acido fosfórico (PAFCs), las de carbonato fundido (MCFCs),
las de oxido solido (SOFCs), y las de metanol directo (DMFCs). Los detalles de las reacciones
son diferentes en cada caso. Sin embargo, no es apropiado repasar cada ejemplo aquí.
1. El uso de catalizadores.
2. Elevando la temperatura.
68
Figura 6.4: Diagrama de Energías en función de la coordenada de reacción. [46]
Las primeras dos pueden ser aplicadas a cualquier reacción química. Sin embargo la tercera
es especial para las CdCs y es muy importante. Si se considera una reacción tal cual la de la
−
ecuación 2, se ve que los iones de gas combustible OH son necesarios, al igual que la necesaria
energía de activación. Luego, esteacercamiento −
entre los iones de combustible H2 y OH debe
ocurrir en la supercie del electrodo, mientras los electrones producidos son eliminados. Esta
reacción, que involucra combustible u oxígeno (generalmente un gas), con el electrolito (solido
o líquido) y con el electrodo es a veces llamada la fase de tres contactos. Este vínculo entre
estas tres cosas es un tema muy importante en el diseño de Celdas. Claramente, el ritmo al
cual estas reacciones tengan lugar será proporcional a la supercie del electrodo. Esto es muy
importante. De hecho, la supercie del electrodo es un tema tan vital, que el rendimiento de
un diseño de Celda es muchas veces citado en términos de corriente por centímetro cuadrado.
Como ya fue mencionado, el electrodo esta diseñado de manera porosa. Esto tiene el efecto de
incrementar la supercie efectiva de la misma. Las celdas de combustible modernas tienen una
micro-estructura que les permite tener supercies de contacto que pueden ser cientos o incluso
miles de veces su ancho por alto. El diseño micro-estructurado de fabricación de una celda de
un electrodo de una CdC, es por lo tanto un tema muy importante para estas. Además de
estas consideraciones de la supercie de contacto, los electrodos pueden tener que incorporar
un catalizador y soportar altas temperaturas en un ambiente corrosivo.
69
buenos conductores, pero si cada celda está operando solo a 0.7V, entonces aun una pequeña
baja de tensión es importante. Aunque es el método más sencillo, este no es el que se usa.
Un método mucho mejor de interconexión es usando placas bipolares. La placa bipolar sirve
como medio de alimentación de oxígeno al cátodo y gas combustible al ánodo. Aunque debe
haber una buena conexión eléctrica entre los dos electrodos, los dos suministros deben estar
estrictamente separados. Dichas placas bipolares tienen una forma acanalada y son fabricadas
a partir de un buen conductor como el grato o el acero inoxidable. Tal forma acanalada, tiene
canales para que los gases puedan uir por sobre las caras de los electrodos. Al mismo tiempo,
son fabricadas de tal manera de que hagan un buen contacto eléctrico con la supercie de cada
electrodo alternado. El banco de celdas, tiene canales verticales para alimentar con hidrógeno
los ánodos y tiene canales horizontales para alimentar con oxígeno (o aire) a los cátodos. El
resultado es un bloque sólido en el cual la corriente eléctrica pasa ecientemente, directa a
través de las celdas, en lugar de pasar por las supercies de cada electrodo uno después del
otro. El diseño de una placa bipolar no es nada simple, difíciles, frágiles y caras a la hora de
fabricarlas.
Figura 6.5: Un banco de tres celdas donde se muestra como las placas bipolares conectan el
ánodo de una celda con el cátodo de su vecina. [46]
El arreglo mostrado en la g. 6.5 ha sido simplicado para mostrar el principio básico de las
placas bipolares. Sin embargo, el problema del suministro de gas y el cuidado de prevenir per-
didas signica un poco mas de complejidad en el diseño real de bancos de celdas. Debido a
que los electrodos deben ser porosos, los mismos permiten perdidas de gas sobre sus extremos.
El resultado es que dichos extremos de los electrodos deben ser sellados. El combustible y el
oxígeno pueden ser suministrados a los electrodos usando colectores especiales. Debido a estos
70
sellados, el hidrógeno deberá solo entrar en contacto con los ánodos ya que es suministrado ver-
ticalmente a través del banco de CdC. Análogamente, con el oxígeno en los cátodos de manera
horizontal. Este arreglo con los colectores tiene la ventaja de la simplicidad, pero sin embargo
tiene dos grandes desventajas.
La primera es la dicultad de enfriar el sistema. Las CdC están lejos del 100 % de eciencia, y
son generadas cantidades considerables de energía en forma de calor al igual que energía eléc-
trica. En la práctica estos tipos de CdC tienen que ser enfriadas con el aire reactante pasando
por los cátodos. Esto signica que el aire tiene que ser suministrado a un ritmo mayor que el
que demanda la química de la Celda, a veces esto es suciente para enfriar la celda, pero es
una pérdida de energía.
La segunda desventaja es que la juntura alrededor de los extremos de los electrodos no está pre-
sionada uniformemente, ya que en los puntos donde hay canales, la juntura no está presionada
rmemente contra los electrodos. Esto resulta en una alta probabilidad de pérdidas de gases
reactivos. Un arreglo más común, requiere unas placas bipolares más complejas. Estas placas
se fabrican más largas en relación a los electrodos, y tienen canales extras recorriendo el banco
de celdas. Entonces un banco típico de celdas tiene varias conexiones, dos para los bornes de
conexión eléctrica, una para el suministro de hidrógeno, otra para el suministro de oxígeno, y
otra para el suministro del refrigerante.[46]
Si se apuesta a las celdas de combustible en base a alcohol, hay que tener en cuenta que
los alcoholes a partir de biomasa se deben producir con las características adecuadas y los
volúmenes y costos necesarios para una escala global. Los vehículos en base a etanol ya
71
elevaron el nivel de precios de algunos granos y productos agrícolas simplemente por un
pequeño aumento de demanda en EEUU y Brasil, no está claro que existan los volúmenes
adecuados con la disponibilidad de tierra agrícola necesaria.
Si, en cambio se utiliza electrólisis a partir de energía eólica, hidráulica o solar, esto
permite desacoplar la oferta de viento, agua o radiación solar de la demanda de energía,
que es uno de los problemas críticos que limita el desarrollo de estas formas de energía
primaria alternativa.
Se pueden usar electrólisis a partir de centrales nucleares, que son muy poco agresivas
desde el punto de vista de las emisiones de efecto invernadero. Incluso se puede plantear
una producción directa de H2 a partir de H2O a muy altas temperaturas en reactores
nucleares, sin pasar por electricidad, lo cual es muy eciente.
Se puede usar electrólisis a partir de centrales hidráulicas que hoy no siempre pueden
utilizar todo el caudal disponible por estar en línea con la demanda, y desperdician energía
dejando pasar agua del embalse cuando sobra.
72
Capítulo 7
Almacenamiento de hidrógeno para Autos
Eléctricos
7.1. Introducción
En este capítulo se estudian las diferentes posibilidades para almacenamiento de hidrógeno en
vehículos eléctricos, presentando sus ventajas y desventajas. A su vez se realiza un análisis
tecnoeconómico respecto del almacenamiento de hidrógeno. Por último se brindan algunos
aspectos críticos en la distribución de hidrogeno referidas particularmente a temas de seguridad.
74
Tabla 7.1: Evaluaciones tecno-económicas de sistemas de almacenamiento de hidrógeno en trans-
porte. a: Código para el costo relativo. 1: menor costo de capital (= $10/kg de H2 ), 5: Mayor
costo.
Hay cuatro dicultades asociadas con el proceso de licuefacción (Proceso Linde -Hampsen):
75
3. El proceso de refrigeración está limitado por Carnot y la eciencia es cero a cero K. La
o
temperatura de licuefacción es solo 20 C superior.
BMW ha usado hidrógeno líquido en vehículos con motores de combustión interna. Los tanques
de almacenamiento en los vehículos eran de tipo francos de Dewar (el frasco de hidrógeno líqui-
do es inmerso en un segundo frasco de nitrógeno líquido para prevenir la absorción de calor por
radiación). Las paredes son de 3cm de grueso conteniendo una lámina de aluminio entrelazado
con esteras de bra de vidrio.
Más recientemente Daimler Benz exhibió un automóvil con celda de combustible a hidrógeno
líquido. La diferencia con el anterior es que la alimentación de hidrógeno de este vehículo se
hace en forma gaseosa y calentado a la temperatura requerida. El calor perdido por la celda de
combustible puede ser ecientemente usado con este propósito.
Para el almacenamiento, los hidruros de metales o aleaciones son los ideales ya que absorben
y desorben hidrógeno reversiblemente. Las características de absorción/desorción de hidrógeno
en un metal o aleación se representan en una graca presión-composición-temperatura o desde
el punto de vista electroquímico de potencial en función del tiempo (g. 7.1).
76
Figura 7.1: Curva de potencial vs. tiempo para la carga de hidrógeno y formación de hidruros
fase α y β y para la descarga posterior.
constante se vuelve más pequeña, por lo que la absorción de hidrógeno será menor.
El rango de presiones que son de interés para almacenamiento de hidrógeno van de 1 a 5 atm.
o
Es necesario que la desorción de hidrógeno se dé por debajo de los 100 C. Según la g. 7.2
las aleaciones e FeTi y VNb son las potenciales candidatas Las aleaciones AB5 son usadas
predominantemente en electrodos de las baterías recargables de hidruros de Ni/metal ya que
tienen la característica ideal de máxima absorción de hidrógeno (un átomo de hidrógeno por
cada átomo de metal).
Figura 7.2: Presión de equilibrio para la absorción de Hidrógeno por algunas aleaciones metá-
licas, en función de la temperatura.
Toyota, Honda y Mazda han lanzado vehículos con hidrógeno almacenado como hidruros de
metal. En todos los casos se utilizaron aleaciones AB5 . Por causa del bajo contenido de hidró-
77
geno la autonomía de los vehículos eran de aproximadamente 200 km o menos con un sistema
completamente cargado.
Una propuesta alternativa es el uso de hidruros iónicos como el N aBH4 y u combinación con
agua para generar hidrógeno, por ejemplo:
Estas reacciones son algo exotérmicas y deben ser llevadas a cabo de manera controlada. En el
caso de NaBH4, el control de pH y el uso de catalizador son esenciales. Estos sistemas fueron
propuestos para aplicaciones en transporte pero presentan algunas desventajas:
Estos hidruros son muy estables y su regeneración desde los productos son muy caros e
intensivos del punto de vista energético.
Transportar una gran cantidad de agua es esencial para la reacción. El peso y el volumen
del agua tienen que ser tenido en cuenta al determinar la densidad energética y la energía
especíca en el sistema de almacenamiento.
Hay cuestiones de seguridad a tener en cuenta cuando se combinan con agua. Las reac-
ciones deber hacerse en reactores óptimamente diseñados.
Los productos óxidos e hidróxidos son altamente corrosivos. Esto hace que la selección
del material del contenedor sea bastante desaante.
78
Tabla 7.2: Detalles de un pequeño hidruro metálico utilizado como contenedor para el almace-
namiento de Hidrógeno. Es utilizado en equipos electrónicos portables.
El costo y performance de los sistemas de almacenamiento a bordo para vehículos con celdas de
combustible fue estimada por Directed Technologies, Inc. y Ford Motor Company, asumiendo
que estos sistemas son producidos en masa. Los costos de producción en masa de $1000 por
auto son estimados para cilindros avanzados de gas comprimido que pueden contener hidrógeno
a 350 bar. Los costos de hidrógeno líquido se proyecta que sean de $500 por auto. Finalmente,
los costos de sistemas con hidruros de metal están menos caracterizados, ya que están algo más
lejos de la comercialización, pero se proyecta que sean algunos miles de dólares por auto.
79
Un esquema de distribución de hidrógeno hasta el consumidor nal requiere obras impor-
tantísimas (gasoductos, tanques de almacenamiento, estaciones de servicio alternativas
que pueden ser muy particulares (se maneja gas licuado a bajas temperaturas, etc.)). En
los EEUU por ejemplo, el costo de las estaciones de servicio se ha estimado entre 100 y
600 mil millones de dólares, y el de las tuberías de hidrógeno entre 0.6 y 1.4 millones de
dólares por milla. En denitiva, de todas las formas de vehículos alternativos que se están
manejando, los FCV son los que aún tienen varios aspectos en desarrollo y requieren
inversiones de I+D importantes y largos tiempos para llegar al mercado. En rigor, los
HEV ya están comercialmente disponibles en los mercados más desarrollados, aunque se
pueda considerar que todavía no compiten masivamente con los vehículos convencionales
(ICE), y los BEVs son tecnología madura aunque aún con baja autonomía, dependiendo
del desarrollo de baterías avanzadas, pero los FCV no han llegado aún a esa etapa o
existen experiencias más de tipo demostrativo.
Hidrógeno producido a partir de gas natural en plantas de reformado con vapor y distri-
bución en camiones como hidrógeno líquido a las estaciones de servicio.
Hidrógeno producido a partir de gas natural en plantas de reformado con vapor y distri-
bución de hidrógeno gas a escala pequeña por tuberías a las estaciones de servicio.
Fuentes de hidrógeno proveniente de las industrias químicas, por ejemplo exceso de capa-
cidad en las renerías que hayan actualizado su capacidad de producción de hidrógeno,
con distribución por tuberías a las estaciones de servicio.
Hidrógeno producido en las estaciones de servicio a pequeña escala por reformado de gas
natural con un steam-reformer.
Hidrógeno producido a pequeña escala por electrolisis de agua en las estaciones de servicio
o incluso en los hogares.
Habrá que avanzar en otros métodos como la gasicación de biomasa, residuos sólidos munici-
pales, electrolisis potenciada por energía eólica o solar. El costo de capital de desarrollar una
gran infraestructura de recarga de hidrógeno gaseoso para vehículos con celdas de combustible
ha sido estimada por muchos autores, estando en el rango de cientos a miles de dólares por auto,
dependiendo de la vía de suministro de hidrógeno y de la demanda. Al principio el costo de las
estaciones de servicio serían considerablemente más altas que las anteriores pero luego que se
hayan instalado varias el costo de capital debería decrecer. El mejor suministro de hidrógeno
es especico de cada lugar, dependiendo de los costos locales de la energía, el tamaño de la
demanda, y la distancia de más cercana de la fuente de hidrógeno.
80
El costo de crear una infraestructura para el hidrógeno ha sido comparada con la de combusti-
bles alternativos. Análisis tecno-económicos revelaron que el costo de capital de infraestructura
para hidrógeno por auto, basado en las opciones de suministro de hidrógeno a mediano plazo, es
comparable con el de una infraestructura para metanol, asumiendo altos niveles de implemen-
tación y vehículos altamente ecientes. Mantener la corriente infraestructura de gasolina sería
más costoso que implementar una nueva infraestructura basada en la producción de hidrógeno
vía reformado de gas natural. La infraestructura basada en el carbón con secuestro de CO2
y distribución e hidrógeno se proyecta que sea más costosa que la anterior así como las rutas
renovables de obtención de hidrógeno.
La energía de ignición es baja para los tres combustibles comparados con fuentes reales como
chispas electrostáticas. Para el hidrógeno es de un orden inferior que para metano y gasolina
bajo condiciones estequiometrias. Pero en el límite inferior de inamabilidad, el punto donde es
más probable que ocurran problemas, la energía de ignición es similar para metano e hidrógeno.
Si una fuga de hidrógeno se da en un espacio cerrado, una gran variedad de mezclas pueden
ocurrir, aumentando la probabilidad de encontrar una fuente de ignición. Por esta razón, que
el almacenamiento de hidrógeno y la recarga se hagan en el exterior siempre que sea posible o
en un sector interior bien ventilado.
81
Durante el mantenimiento y recarga es importante evitar producir mezclas inamables, exclu-
yendo el aire de los tanques de almacenamiento líneas de recarga, etc. Esto se puede lograr con
cerraduras dobles en las líneas y manteniendo una presión positiva en las líneas y tanques. Si
es necesario las líneas deberán purgarse con nitrógeno antes de su llenado con hidrógeno. El
hidrógeno se quema con una ama invisible e irradia poco calor por lo que se utilizan detecto-
res infrarrojo o pinturas especiales sensibles al calor en equipos de hidrógeno que permiten una
rápida detección. Para asegurar el empleo y estandarización de prácticas seguras en el uso de
hidrógeno, se han desarrollado códigos y estandarizaciones para hidrógeno y sistemas de celdas
de combustible. El desarrollo de sensores de hidrógeno más conables y de mas bajo costo es
un área en la que se está avanzando.
82
Capítulo 8
Estudio de la disposicion carga/descarga
de celdas de Li-ion y Ni-MH
Las baterías de NiMH alcanzan una densidad energética especíca de aproximadamente el doble
−1
que las primeras baterías Ni-Cd que se fabricaron, 70-80 W hKg , y una capacidad especíca
−1
de 60-70 AhKg . Es por esto, y porque además se evita el uso de componentes tóxicos, que
se han sustituido a las baterías de Ni-Cd en diversas aplicaciones. [51]
84
8.2. Baterías Li-ion
8.2.1. Introducción
Las baterías de Li-ion están compuestas por electrodos basados en materiales en el cual pue-
den insertarse y de-insertarse iones litio reversiblemente durante muchos ciclos. Como material
anódico se utiliza grato u otro carbón, lo cual tiene propiedades más favorables frente al uso de
Li puro como ánodo, por ejemplo la velocidad de carga, la ciclabilidad y también la seguridad
se ve mejorada con el uso de ánodos basados en carbono.
Una desventaja es la autodescarga, que es mucho mayor con el uso de estos ánodos de carbono.
Por otra parte, los cátodos en estas baterías pueden ser variados, por ejemplo, espinelas de
manganeso (LiM n2 O4 ), aleación níquel cobalto manganeso (NCM).
8.2.2. Experimentación
Se evalúan tres dispositivos electroquímicos diferentes, dos baterías secundarias. Se estudia el
desempeño de una batería de Ni-MH comercial de marca VIPOW 9V 6F22 de capacidad no-
minal de 180mAh, y de una batería comercial de Li-ion para cámara de video digital de marca
Fits SON. NP-FE1, cuyo potencial y capacidad nominal son de 3.6V y 450mAh respectivamente.
85
8.2.3. Resultados
Las baterías de NiMH y Li-ion estudiadas en el marco del proyecto presentan capacidades
máximas de 180 y 450mAh respectivamente. En el rango de potencial establecido para las
medidas en cada caso se determinaron capacidades máximas y de retención (g. 1 y 2).
Figura 8.1: Curvas de potencial vs. capacidad de descarga de la batería de Ni-MH. Tanto la
carga como la descarga se realizaron a 90mAh.
86
Figura 8.2: Curvas de potencial vs. capacidad de descarga para batería de Li-ion. Tanto la carga
como la descarga se realizaron a 125mAh.
La capacidad máxima de carga y descarga en el rango de potencial de trabajo así como también
la capacidad de retención de la batería de Li-ion, resultan en 289.55mAh, 276.52mAh y 94,8 %
respectivamente.
Tabla 8.1: Valores de las pendientes halladas a través de curvas de descarga (E vs. C) de NiMH
−1
y Li-ion, expresadas en mΩh .
87
Tabla 8.2: Valores de las diferencias en el estado de carga y descarga para la curva de caidas
de potencial (cronopotenciometrías) (E vs. C) para Ni-MH y Li-ion en potenciales y energías.
88
Figura 8.4: Dependencia de la Capacidad con la densidad de corriente para la batería de Ni-MH.
89
Figura 8.6: Dependencia de la Capacidad con la densidad de corriente para la batería de Li-ion.
90
Figura 8.8: Diagramas de Nyquist para batería de Ni-MH a 70 y 50 % de SOC.
91
Tabla 8.3: Parámetros obtenidos mediante el ajuste con el circuito equivalente para el sistema
Ni-MH.
92
Figura 8.11: Diagramas de Nyquist para batería de Li-ion a 100, 82, 66 y 50 % de SOC.
8.2.4. Discusión
La curvas en color negro de la g. 1 representan las descargas del ciclo 1 al 10 (se muestran los
ciclos 1,3,4,6 y 10) y en rojo las descargas del ciclo 10 al 20 (se muestran los ciclos 11,13,14,16,18
y 19). La capacidad de descarga lograda en el intervalo de potenciales de trabajo representa el
70.4 % de la capacidad teórica de la pila. El perl E vs. t (cronopotenciometrías) durante las
primeras diez descargas tiene el mismo comportamiento y la capacidad máxima se observa en el
ciclo 9. Mientras que en los segundos diez ciclos ocurre un cambio en el perl de las descargas y
se alcanzan siempre capacidades levemente menores a las del ciclo 9, aunque estas son, siempre
mayores que las obtenidas en todos los demás ciclos del 1 al 10.
93
Tabla 8.4: Parámetros obtenidos mediante el ajuste con el circuito equivalente para el sistema
Li-ion.
Las g. 3 y 4 muestran el comportamiento del sistema Ni-MH con la densidad de corriente, la
carga en estas experiencias se realizó siempre a 90mAh, y el mejor desempeño en la capacidad
−2
de descarga se obtiene con una densidad de corriente de 18mAcm y vale 129.9mAh. Lo mismo
se representa en las g. 5 y 6 para sistemas LIB. En este caso la mejor performance para la
−2
capacidad de descarga se obtiene con una densidad de corriente de 90mAcm y vale 290 mAh.
El circuito equivalente para una batería de Ni-MH en el estudio de EIS puede representarse me-
diante una capacitancia en serie con una resistencia Rs en paralelo con una resistencia asociada
a la transferencia de carga y una impedancia de Warburg, como muestra el esquema de la g.
9. La g. 5 exhibe los diagramas de Nyquist para el sistema en 3 diferentes estados de carga
luego del ciclo de carga- descarga número 20. Lo primero que se observa es el aumento en el Rs
cuando pasamos del ciclo 10 al 20, lo cual provoca una caída de potencial, que puede asociarse
94
al deterioro del separador, aumentando así la resistencia total de la batería. Los valores de Rs
pueden considerarse constantes con respecto al ciclado y el SoC de la batería por lo antes men-
cionado, y se encuentran relacionados al desempeño de potencial de la misma. Por otra parte los
valores de Rt varían con el número de ciclo y puede relacionarse al estado de carga de la batería.
El deterioro de las baterías puede seguirse utilizando esta metodología, dado que el mismo pue-
de ser causado por pérdidas de potencial o capacidad, lo cual puede seguirse experimentalmente
mediante la determinación del Rt y Rs .
Las g. 10 y 11 corresponden a diagramas de Nyquist para LIB, la forma de la curva a frecuencias
altas se asemeja a un semicírculo, mientras que a bajas frecuencias se observa una recta con
o
ángulo de 45 aproximadamente. El valor de Rs tiene tendencia a mantenerse constante para
un tiempo dado de la vida útil de la batería, como se observa en los diagramas correspondientes
al 82 y 66 %, ambos realizados simultáneamente. Un aumento en el Rs se da con el número
de ciclos, pues el diagrama al 50 % de SOC fue realizado luego de 5 ciclos de carga-descarga
con respecto a los anteriores, entonces podemos decir que ocurre algo similar a lo discutido
anteriormente para baterías Ni-MH, o sea que el parámetro Rs se ve afectado por el deterioro
del separador, conectores y también debido a la formación de electrolito sólido de interfase.
95
Capítulo 9
Motores eléctricos para autos híbridos y
eléctricos
9.1. Introducción
Tradicionalmente por su tecnología madura y de simple control, los motores eléctricos utili-
zados en los sistemas de propulsión de los EV y los HEV han sido los motores de corriente
continua. Contando con la ventaja de gran exibilidad de control del motor en determinado
punto de su curva par velocidad, estos motores tienen la gran desventaja de que requieren de
un mantenimiento periódico asociado a las escobillas y anillos colectores.
El presente capítulo trata de abordar las particularidades de cada uno de estos motores en
aplicaciones de tracción, partiendo de los principios que rigen el funcionamiento de los mismos,
desarrollando a partir estos las expresiones de las variables físicas y eléctricas que permiten
representar y analizar cada uno de estos, para llegar a describir con detalle la aplicación de los
mismos en sistemas de propulsión.
96
9.2. Motores de continua
Los vehículos eléctricos utilizan diferentes tipos de motores eléctricos. Sin embargo, una forma
sencilla de entender un motor eléctrico es analizar un motor de corriente continua o motor de
continua. Este tipo de motor es muy utilizado en aplicaciones tales como herramientas portáti-
les, juguetes, accionamientos de alza cristales eléctricos en autos, y electrodomésticos pequeños
como el secador de pelo; aun si son alimentados por corriente alterna (en cuyo caso tendrán un
recticador). Sin embargo también son utilizados como tracción motora.
El funcionamiento del motor de corriente continua se explica a partir de una sola espira con-
ductora que gira sobre un eje jo y representa el bobinado rotor o armadura como muestra la
g. 9.1. La espira se encuentra inmersa en un campo magnético B establecido por un par de
polos magnéticos que constituyen el estator de la máquina, indicados por N y S en la g. 9.1.
~
eind = (~v × B).l (9.1)
Cuando un segmento perpendicular al campo magnético recorre una cara polar, por ejemplo el
polo magnético norte y pasa a la otra cara polar, el vector v×B de la ecuación 9.1 cambia de
97
sentido. El voltaje inducido en dicho segmento cambia de polaridad bajo esta cara polar (polo
magnético sur) y se mantiene constante hasta que vuelve a cruzar por frente al polo magnético
norte. Si se graca el voltaje eind en función del tiempo se obtiene la curva de la g. 9.2.
Figura 9.3: Espira conductora con escobillas y anillos colectores. La imagen muestra dos posi-
ciones de la espira luego de girar α grados. [25]
98
Los conductores semicirculares son los colectores y los contactos jos las escobillas del motor de
corriente continua. Estos componentes permiten conmutar la tensión en bornes de las escobillas
cuando cambia la polaridad de la tensión en los segmentos de la espira para obtener una tensión
continua con la forma mostrada en la g. 9.4. Este proceso llamado conmutación establece la
tensión continua en el rotor de la máquina.
Por tanto el voltaje generado en el motor depende del producto del ujo magnético por la
velocidad de rotación y por un parámetro que representa la construcción del rotor.
F~ = i(~l × B)
~ (9.4)
T = r.F.sen(θ) (9.5)
El par inducido en el motor depende del producto del ujo por la corriente y por una constante
que representa la construcción del rotor.
99
9.2.3. Características constructivas de los motores reales
El tipo de construcción de devanados más sencilla que se utiliza en los motores de cd modernos
es el devanado en serie simple o devanado imbricado. Un devanado imbricado simple consta de
bobinas que contienen una o mas espiras y los dos extremos de cada bobina salen de colectores
adyacentes. Una característica de este tipo de devanados es que tienen tantas trayectorias de
corrientes en paralelo a través de la máquina como polos en la misma.
El voltaje inducido en un motor real será el producto del número de segmentos conductores
por trayecto de corriente por el voltaje en cada conductor:
Si se expresa la ecuación 9.7 en términos del ujo φ, donde φ = B.Ap siendo Ap el área de cada
polo, obtenemos que:
Eind = Kφω (9.8)
K1 l
donde la constante K = depende de las características constructivas. Si se expresa la
Ap
velocidad en términos de revoluciones por minuto (n) se obtiene:
Eind = K 0 φn (9.9)
π
K0 = K (9.10)
30
El par inducido que será igual al número de segmentos conductores multiplicado por el par en
cada conductor. Si Ia es la corriente total del inducido:
En términos de ujo:
Tind = Kφ.Ia (9.12)
100
Un aspecto fundamental de las características constructivas del motor en aplicaciones de trac-
ción lo determina el circuito magnético que establece el ujo en la máquina. En las guras
precedentes se mostró el circuito magnético de imán permanente para generar el campo mag-
nético. Este tipo de motores no requieren circuito externo para controlar el campo y esta es su
principal ventaja. En contraparte, no es posible variar el ujo de campo, el cual es jo y depende
del tipo de material, y por tanto no se puede variar la velocidad del motor controlando el ujo,
como si se puede lograr con los circuitos de excitación externos mediante control de corrien-
te. Sin embargo existen aplicaciones en EV que utilizan motores de imanes permanentes. En
estos se controla la velocidad por medio del voltaje de alimentación y la resistencia de armadura.
Si bien los imanes permanentes presentan el problema de desmagnetización, en los últimos años
se han desarrollado materiales magnéticos nuevos que tienen las características deseadas para
evitar este problema. Tal es el caso de los materiales ceramicomagnéticos (ferrita) y los materia-
les de tierras raras. Sus curvas de magnetización presentan una densidad de ujo residual Bres
muy grande e intensidad de magnetización coercitiva (corriente desmagnetizante) tan grande
como sea posible como indica la g. 9.6.
También es posible utilizar electroimanes para establecer el ujo magnético en la máquina. Estos
son los llamados circuitos de campo. El campo magnético establecido de esta forma puede
ser controlado fácilmente variando la corriente que circula por los bobinados. La principal
desventaja es que la corriente eléctrica genera calor en los bobinados lo que repercute en la
eciencia del motor. Existen tres tipos clásicos de circuitos de campo o circuitos de excitación.
Estos son los circuitos de excitación independiente, excitación paralelo y excitación serie como
se muestra en la g. 9.7.
101
Figura 9.7: Tipos de excitación de los motores de continua. [25]
Los circuitos de excitación paralelo y serie no poseen el control de velocidad y torque que re-
quiere la aplicación de vehículos eléctricos. La excitación paralelo es particularmente difícil de
controlar. Si se reduce la tensión de alimentación se produce el debilitamiento del ujo mag-
nético, que a su vez reduce la tensión inducida Eind . El par inducido, proporcional al ujo y a
la corriente de armadura (Ia ), evolucionará según cual de las dos variables (ujo y corriente)
resulte determinante, puesto que la reducción de Eind produce a su vez un aumento de la co-
rriente Ia . En todo el rango de velocidades es de esperar que la corriente Ia se imponga sobre
el ujo, incrementando el par y por tanto la velocidad del motor. Pero a bajas velocidades este
control puede no tener efectos e inclusive invertir su comportamiento disminuyendo la velocidad.
La excitación serie tiene la ventaja de entregar alto par a velocidades bajas (lo que es deseable
en aplicaciones de tracción) pero cae rápidamente a medida que la velocidad aumenta.
El motor de excitación independiente permite un control independiente del ujo y del voltaje
inducido. Esto posibilita que los requerimientos de par a una determinada velocidad puedan
ser alcanzados con gran exibilidad. Por esta razón los motores de excitación independiente son
los motores de continua más usados en vehículos eléctricos.
102
Figura 9.8: Control de velocidad de un motor de continua con excitación independiente.
103
Figura 9.9: Intensidad magnética H y densidad magnética B resultante en un devanado trifásico.
[57]
~ = µH
B ~ (9.19)
~ est (t) = B
B ~ aa0 (t) + B
~ bb0 (t) + B
~ cc0 (t) = (1,5BM sin(wt))~x − (1,5BM cos(wt))~y (9.20)
La g. 9.9 representa el devanado trifásico y los vectores intensidad de campo magnético ~
H
y densidad de campo ~.
B La g. 9.10 muestra el campo magnético del estator, del rotor y el
campo neto que en fase con el voltaje inducido neto. La corriente inducida en el rotor estará
retrazada un angulo θR de la tensión inducida, lo que se corresponde a un componente inductivo
◦
del bobinado rotor. El campo inducido por la corriente del rotor desfasa 90 de la corriente.
104
Figura 9.10: Campo magnético resultante de los campos de estator y rotor. [57]
ndes
s= × 100 % (9.22)
nsinc
De esta ecuación se puede ver que si el rotor gira a velocidad síncrona, s=0, mientras que si
el rotor está estacionario, s=1. El funcionamiento normal del motor de inducción estará entre
estos límites. La velocidad mecánica será:
nm = (1 − s)nsinc (9.23)
ωm = (1 − s)ωsinc (9.24)
RC : modela las pérdidas en el hierro, perdida por histéresis y por corrientes de Foucault.
XM : es la reactancia magnetizante, modela la permeabilidad magnética del hierro.
R1 : resistencia del bobinado del estator.
X1 : modela la fuga del ujo magnético en los bobinados del estator.
R2 : resistencia del bobinado de rotor pasada al estator.
X2 : modela las fugas del ujo magnético en el rotor pasado al lado del estator.
105
Figura 9.11: Modelo eléctrico del motor de inducción visto desde el estator. [57]
106
Partiendo de la expresión de la potencia disponible Pconv = Tind ω y utilizando el circuito
equivalente eléctrico se puede obtener una expresión del par inducido en el motor de inducción.
(1 − s) 2
Pmec = Tind ω = 3R2 I (9.25)
s
3Vth2 R2 (1 − s)
Tind = h i (9.26)
R2 2
sω Rth + s + (Xth + X2 )2
2πnmec
ω= (9.27)
60
2
Xm
Rth = R1 (9.28)
X1 + Xm
Xth = X1 (9.29)
Xm
Vth = Vφ p 2 (9.30)
(R1 + (X1 + Xm )2 )
La curva par velocidad es casi lineal entre el punto de plena carga y vacío (nsinc). En este
R
intervalo la resistencia 2e es mucho mayor que la reactancia X2 , por lo que la corriente
s
del rotor, el campo y la Tind aumentan linealmente conforme disminuye el deslizamiento.
107
El par inducido encuentra su máximo valor a un deslizamiento mayor que el de plena
carga, dos o tres veces el correspondiente a este valor según el motor.
El par de arranque es mayor al de plena carga, por lo que el motor puede arrancar con
cualquier carga que pueda alimentar a plena carga.
Si el motor gira en sentido contrario en relación con el campo magnético, el par se invierte
deteniendo rápidamente el motor para tratar de girar en la otra dirección.
Aplicando la Ley de Faraday en los bobinados del estator se tienen las siguientes ecuaciones:
dψas (t)
vas (t) = rs ias (t) + (9.31)
dt
dψbs (t)
vbs (t) = rs ibs (t) + (9.32)
dt
dψcs (t)
vcs (t) = rs ics (t) + (9.33)
dt
Donde:
Aplicando la Ley de Faraday en los bobinados del rotor se tienen las siguientes ecuaciones:
dψar (t)
var (t) = rr iar (t) + (9.34)
dt
dψbr (t)
vbr (t) = rr ibr (t) + (9.35)
dt
dψcr (t)
vcr (t) = rr icr (t) + (9.36)
dt
108
Donde:
Matricialmente se expresaran las ecuaciones de acoplamiento magnético para los ujos de esta-
tor y rotor. Tanto las corrientes como los ujos son magnitudes instantáneas.
− Lsm − Lsm
Lls + Lsm cos(θr) cos(θr + 2π ) cos(θr − 2π )
ψas 2 2 ias 3 3 iar
ψbs = − Lsm Lls + Lsm − Lsm × cos(θr − 2π
ibs + Lsr ) cos(θr) cos(θr + 2π ) × ibr (9.37)
2 2 3 3
ψcs − Lsm − 2Lsm
Lls + Lsm ics cos(θr + 2π
3
) cos(θr − 2π3
) cos(θr) icr
2
− Lrm − Lrm
Llr + Lrm cos(θr) cos(θr − 2π ) cos(θr + 2π )
ψar i ias
2 2
ar 3 3
ψbr = − Lrm Llr + Lrm Lrm
− 2 × ibr + Lsr cos(θr + 2π ) cos(θr) 2π
cos(θr − 3 ) × ibs (9.38)
2 3
ψcr − Lrm − Lrm Llr + Lrm icr cos(θr − 2π3
) 2π
cos(θr + 3 ) cos(θr) ics
2 2
Donde:
En la práctica, para estudios y análisis, las magnitudes rotóricas del motor de inducción se re-
(1)
eren al estator. Multiplicando por la relación de vueltas las corrientes rotóricas (iar , ibr , icr ),
las tensiones rotóricas (var , vbr , vcr ) y los ujos magnético rotóricos (ψar , ψbr , ψcr ), se obtiene las
corrientes, tensiones y ujos rotóricos vistos del estator respectivamente. Por otro lado multi-
2
plicando la relación de vueltas al cuadrado (n ), por la resistencia rotórica (rr ), la inductancia
mutua entre los bobinados del rotor (Lrm ), la inductancia de fuga del rotor (Llr ), se obtienen
las magnitudes vistas del estator. De aquí en más a los efectos de realizar de los análisis siempre
se tomará en cuenta el rotor referido al estator.
De acuerdo a las ecuaciones expuestas, la dinámica del motor de inducción esta caracteri-
zada por un sistema de primer orden de seis ecuaciones diferenciales. Además dicho sistema
de ecuaciones se encuentra acoplado debido a las ecuaciones de acoplamiento magnético, que
a su vez, son dependientes del tiempo a través del ángulo θr . Transformando este sistema al
dominio Park se presentan importantes ventajas al momento de analizar la dinámico del motor.
(1) Ns
Relación de vuelta n=
Nr , donde Ns es el número de vueltas del bobinado estatórico y Nr es el número
de vueltas del bobinado rotórico
109
Aplicando la transformada de Park a cada una de las ecuaciones que denen la dinámica del
motor, ecuaciones de tensión y de acoplamiento magnético, se obtiene el siguiente juego de
ecuaciones en el dominio de Park.
dψds
Vds = rs .ids + − ω.ψqs (9.39)
dt
dψqs
Vqs = rs .iqs + + ω.ψds (9.40)
dt
dψ0s
V0s = rs .i0s + (9.41)
dt
Ecuaciones de tensión del Rotor:
dψdr
Vdr = rr .idr + − (ω − ωr ).ψqr (9.42)
dt
dψqr
Vqr = rr .iqr + + (ω − ωr ).ψdr (9.43)
dt
dψ0r
V0r = rr .i0r + (9.44)
dt
Las magnitudes están referidas a un marco de referencia arbitrario girando a una velocidad ω
donde los subíndice d y q son los ejes. En las ecuaciones rotóricas, ωr es la velocidad angular
del rotor .
Donde:
Ls = Lls + Lm .
Lr = Llr + Lm .
Lm : Inductancia de magnetización.
Las seis ecuaciones de tensiones y las seis ecuaciones de acoplamiento magnético encontradas
en el dominio Park con un marco de referencia arbitrario, describen el modelo dinámico del
motor de inducción.
110
Control de velocidad del Motor de Inducción
El método más común de control de velocidad de los motores de inducción es el control V /Hertz
constante. Es un método de control escalar que consiste en variar en forma simultánea la tensión
y la frecuencia. Por un lado si se controla la frecuencia de alimentación eléctrica del bobina-
do estatórico se puede controlar la velocidad del campo giratorio y por lo tanto la velocidad
mecánica del motor. Por otro lado se tiene que el ujo magnético generado en el estator es di-
rectamente proporcional a la tensión y inversamente proporcional a la frecuencia, por lo tanto
para que no se produzca saturación de hierro se tiene que variar, como se mencionó anterior-
mente, simultáneamente la tensión y la frecuencia tal que en todo momento se esté generando
el campo magnético nominal para que no se subutilice el hierro, o sea, V (t)/f (t) = V n/f n.
Este método es muy utilizado en el ámbito industrial, pero en aplicaciones donde el motor se
encuentra operando en condiciones dinámicas, en baja velocidad y en velocidad nula tiene bajo
rendimiento.
Partiendo de las ecuaciones halladas en el dominio Park del modelo dinámico del motor, y
con el objetivo de lograr un modelo matemático que permita realizar el control de par y velo-
cidad en forma similar al de un motor de corriente continua, se desarrollará el siguiente análisis.
El motor analizado es de jaula de ardilla con neutro aislado, entonces las tensiones rotóricas y
las componentes homopolares son nulas. Se reescriben las ecuaciones de tensión estatóricas y
rotóricas del modelo dinámico con estas condiciones.
dψds
Vds = rs .ids + − ω.ψqs (9.51)
dt
dψqs
Vqs = rs .iqs + + ω.ψds (9.52)
dt
Ecuaciones de tensión del Rotor:
dψdr
0 = rr .idr + − (ω − ωr ).ψqr (9.53)
dt
dψqr
0 = rr .iqr + + (ω − ωr ).ψdr (9.54)
dt
Si se alinea el eje d del marco de referencia del sistema dq con el ujo magnético rotórico ψr ,
se obtiene el siguiente resultado.
111
el eje d, ids .
dψr rr rr
= − .ψr + Lm .ids (9.59)
dt Lr Lr
Dada la expresión del par en el dominio Park:
3 P
T = . .(ψqr .idr − ψdr .iqr ) (9.60)
2 2
Considerando que ψqr es nulo, Ecuación 9.56, despejando la corriente iqr de la Ecuación 9.58 y
sustituyéndola en la Ecuación 9.60, se obtiene la ecuación del par del motor de inducción en el
dominio Park con el marco de referencia denido:
3 P Lm
T = . . ψdr (ids ).iqs (9.61)
2 2 Lr
Como se observa en la ecuación 9.61, se tiene una ecuación del par análoga a la del motor de
corriente continua, ecuación 9.12. Se controla el par del motor de inducción con magnitudes
independientes entre sí, el ujo magnético rotórico que depende de ids , y la corriente iqs .
112
Figura 9.14: Esquema del funcionamiento del motor de reluctancia variable. [58]
Sin embargo, el rotor es mucho más simple, más barato y resistente que los motores de in-
ducción. Además, al utilizar un núcleo de alta permeabilidad magnética el par que se produce
113
Figura 9.15: Rotor y estator del motor de reluctancia variable. [58]
dentro de un volumen determinado será superior al producido por aquellos. Combinando esto
con las posibilidades de una mayor velocidad signica una mayor densidad de potencia dispo-
nible.
Estas características hacen de este motor una alternativa muy simple y de bajo costo para
aplicaciones en EV.
114
Capítulo 10
Convertidores
Los convertidores electrónicos de potencia junto con el motor eléctrico y los controladores elec-
trónicos, forman parte del sistema de propulsión de los EV y de los HEV. De acuerdo a lo
requerido por el conductor, los controladores electrónicos comandan el convertidor para que es-
te controle el funcionamiento del motor eléctrico, produciendo el par y la velocidad adecuados
a cada situación.
Convertidores DC-DC, los que a partir de una fuente de tensión continua cambian y
regulan la tensión, obteniendo a la salida una señal continua con el valor deseado. Estos
se pueden encontrar por ejemplo, en comandos de Motores de Corriente Continua cuando
se utiliza este tipo de motor como motor de tracción para el vehículo, o también como
adaptadores ' que convierten una baja tensión (por ejemplo de las baterías de tracción),
a una tensión algo más elevada que se distribuye por el vehículo en un Bus DC para
alimentar otros sub-sistemas. Esto último permite utilizar una menor cantidad de baterías
para lograr una tensión determinada con la consiguiente disminución de la masa total
de vehículo, además de tener otras ventajas para un mejor aprovechamiento y cuidado
durante la vida útil de las baterías (carga y descarga a tensión constante, menor ripple
de corriente de carga y descarga, etc.).
Convertidores DC-AC, los que a partir de una fuente de tensión continua, generan a la
salida una señal sinusoidal de amplitud y frecuencias controladas. Estos se encontrarán,
principalmente, en diseños de EV y HEV que utilicen un Motor de Corriente Alterna
como motor de tracción.
El objetivo de este capítulo será entonces introducir algunos conceptos fundamentales de los
Convertidores comúnmente utilizados en las diferentes arquitecturas de EV y HEV a modo de
relevamiento del estado del arte.
116
10.1. Convertidores DC-DC
10.1.1. Convertidor Chopper
Los Choppers se utilizan para el control de Motores DC debido a una serie de ventajas como
por ejemplo, alta eciencia, exibilidad en el control, bajo peso, pequeño tamaño, rápida res-
puesta y regeneración a muy bajas velocidades. Los Motores DC de excitación independiente
se pueden utilizar como motores de tracción, debido a la exibilidad de control de tensión de
armadura y campo.
El Chopper ofrece una serie de ventajas para el control de motores DC en lazo abierto y en lazo
cerrado debido a la alta frecuencia de operación, la que resulta en un ripple de tensión de salida
de alta frecuencia y por consiguiente menos ripples en la corriente de armadura del motor y una
menor región de conducción discontinua en la curva Par-Velocidad. Una reducción en el ripple
de corriente de armadura, reduce las pérdidas en la armadura. Una reducción o eliminación de
la región de conducción discontinua mejora la regulación en velocidad y la respuesta transitoria
de la unidad.
117
Figura 10.1: Principio de operación de un Chopper Step-Down (o clase A): (a) Circuito básico
de Chopper; (b)-(e) Formas de onda.
Z T Z δT
1 1
Va = va dt = V dt = δV. (10.1)
T 0 T 0
Controlando δ entre 0 y 1, la tensión de carga puede variar desde 0 hasta V; entonces el
Chopper permite obtener una tensión variable de una fuente de tensión DC ja. La llave S
puede controlarse de diversas formas variando el parámetro δ. Las tecnologías de control se
pueden dividir en dos categorías:
118
1. TRC de Frecuencia Constante: El período T del Chopper se mantiene jo y el Período
ON de la llave se hace variar para controlar el parámetro δ
2. TRC de Frecuencia Variable: Aquí δ varía, o bien manteniendo ton constante y variando
T o bien modicando ambos ton y T
En el control de frecuencia variable con ton constante, se obtiene una tensión de salida baja
a bajas frecuencias de Chopper. La operación del Chopper a baja frecuencias afecta negativa-
mente la performance del motor. Además, la operación de un Chopper con frecuencias variables
vuelve difícil el diseño de un ltro de entrada. En consecuencia, el control de frecuencias variable
es poco utilizado.
El CLC, también conocido como Control Punto por Punto, δ se controla indirectamente median-
te el control de la corriente de carga dentro de ciertos valores máximos y mínimos especicados.
Cuando la corriente de carga alcanza el valor máximo especicado, la llave desconecta la carga
desde la fuente y la vuelve a conectar cuando la corriente alcanza el valor mínimo especicado.
Si la carga es un Motor DC, este tipo de control es, en efecto, de Frecuencia Variable-Tiempo
ON variable.
Las siguientes son observaciones importantes, extraídas de la forma de onda de la g. 10.1:
El diagrama y las formas de onda en régimen se muestran en la g. 10.2. Este Chopper se
conoce como Chopper Clase B. La presencia de la señal de control iC indica la duración para
119
que la llave pueda conducir si está polarizada en directo. Durante el Período de choppeo T, esta
permanece cerrada durante un intervalo 0 ≤ t ≤ δT y permanece abierta durante un intervalo
δT ≤ t ≤ T . Durante el período ON, iS crece desde iS1 hasta iS2 , aumentando por consiguiente
la magnitud de la energía almacenada en la inductancia L. Cuando se abre la llave, la corriente
uye a través del paralelo de la carga y el capacitor C. Dado que la corriente es forzada contra
una tensión más alta, la variación de la corriente es negativa. Esta decrece desde iS2 hasta iS1 ,
el período OFF de la llave. La energía almacenada en la inductancia L y la energía suministrada
por la fuente de baja tensión se suministran a la carga. El capacitor C tiene dos propósitos. En
el instante de apertura de la llave S, la corriente de fuente, iS , y la corriente de carga, ia , no
son la misma. Si no estuviera C, el apagado de la llave forzaría a las corrientes a tener el mismo
valor. Esto causaría una alta tensión inducida en la inductancia L y en la inductancia de carga.
Otra razón para utilizar el capacitor C es reducir el ripple de tensión de carga. El propósito del
diodo D es prevenir cualquier ujo de corriente desde la carga por la llave S o la fuente V.
Figura 10.2: Principio de operación de un Chooper Step-Up (o clase B): (a) Circuito básico de
Chopper; (b)-(d) Formas de onda.
Z T
1
Vab = vab dt = Va (1 − δ) (10.2)
T 0
La tensión media en la inductancia L es:
Z T Z iS2
1 di 1
VL = (L )dt = Ldi = 0 (10.3)
T 0 dt T iS1
La tensión en la fuente:
120
V = VL + Vab (10.4)
V
V = Va (1 − δ) o Va = (10.5)
1−δ
De acuerdo a la ec. 10.5, teóricamente la tensión de salida Va puede variar desde V hasta ∞
controlando δ entre 0 y 1. En la práctica, Va puede controlarse desde V hasta una tensión más
alta, que depende del capacitor C, y los parámetros de la carga y el Chopper.
Debería ser capaz de proporcionar alta y baja tensión de salida (modos Buck y Boost).
Debe ser capaz de controlar corriente, para carga de la batería y permanecer dentro de
los límites de los bobinados del motor.
El control debe ser capaz de operar en los cuatro cuadrantes y moverse de uno a otro sin
problemas.
Las tensiones de prueba debería oscilar entre 0 y 50V, pero el diseño debría ser escalable
a niveles de tensión y energía superiores.
La corriente de prueba debería estar entre 0 y 10A, pero debería ser también escalable.
Chopper de 4 Cuadrantes
Un convertidor Chopper se denomina de 4 cuadrantes cuando es capaz de transportar energía
en ambas direcciones y aumentar o disminuir la tensión. Una conguración típica se muestra
en la g. 10.3. Cuando se operan las llaves en cierto sentido, la topología será similar a la de
los convertidores buck o boost ya vistos, y en consecuencia se puede aplicar la misma dinámica
(con pequeñas modicaciones). Las tablas 10.1 y 10.2 muestran qué llaves y qué diodos están
activos en cada modo de operación.
121
Figura 10.3: Convertidor de 4 Cuadrantes.
122
Se trata de un convertidor buck-boost en el que los ujos de energía se dan en ambas direcciones.
La llave S1 se utiliza para la conversión Boost y la llave S2 , se utiliza para el modo Buck.
Durante la operación Buck, S1 está cerrada y S2 está abierta. La energía uye desde la fuente
de alta tensión (Bus DC), hacia la fuente de baja Vbat . La caída de tensión en el inductor es:
y la corriente a través del inductor crece hasta Imax , dependiendo de los valores de L y durante
Tof f , la corriente uye a través del diodo D2 ; la corriente de carga baja hasta el valor nal. El
valor medio de la corriente de carga está dado por:
Imax + Imin
IL = (10.7)
2
En la operación Boost, la energía uye desde Vb at hasta VB usDC . Cuando S2 está encendida,
la corriente uye a través de L y se cumple:
VL = −Vbat (10.8)
Cuando S2 se apaga, la corriente del inductor uye a través de D1 y carga la tensión de batería:
Este tipo de convertidores, tienen el comportamiento que se puede apreciar en [59], [60] y [61],
entre otras, y su diseño, también tiene aplicaciones más especícas como las descritas en [64].
Las estrategias de diseño de un Convertidor con estas características, se muestran en [63], y a
partir de esta idea es que se consideró el diseñar un Convertidor DC/DC Bidireccional, para
utilizarlo en las simulaciones del EV a desarrollar.
Para un convertidor Boost como el de la g. 10.5, trabajando en Modo de Conducción Continua,
se demuestra que la transferencia entre la Tensión de Salida VO y el Ciclo de Trabajo d, tiene
la expresión de la ec. 10.10
123
Se dene entonces un juego de parámetros según el comportamiento requerido al Convertidor:
Vin = 100V
VO = 500V
d = 0,8
C = 10mF
rC = 18mΩ
L = 30µHy
rL = 10mΩ
Para este juego de parámetros, se diseña un Compensador Serie que permita obtener el compor-
tamiento requerido, con márgenes de estabilidad apropiados para la aplicación. El compensador
diseñado, tiene la Transferencia que se muestra en la ec. 10.11
Frecuencia de Corte: 65 Hz
◦
Margen de Fase: 81.2
que son características deseables en el comportamiento en lazo abierto del conjunto Compensador-
Convertidor DC/DC).
124
Figura 10.6: Respuesta en Frecuencia del Convertidor+Compensador Serie.
Estos diseños, junto al modelo de Convertidor DC/DC Bidireccional descrito antes, se cargan en
el software Simulink y se corren simulaciones para vericar el desempeño del sistema diseñado.
El modelo Simulink ensayado se muestra en la g. 10.7, y el resultado del ensayo en la g. 10.8.
125
Figura 10.8: Modelo Simulink del sistema Convertidor DC/DC-Controlador.
Como se puede apreciar en la g. 10.8, con la corriente circulando en ambos sentidos (desde y
hacia la batería), el convertidor diseñado mantiene el valor medio de la tensión en el Bus DC
en aprox. 500 V según lo requerido inicialmente, con lo cual se concluye que el diseño funciona
según lo especicado. Por lo tanto este convertidor se utilizará en la simulación del Sistema
EV.
Cuando los EV y los HEV tienen como motor de propulsión un motor eléctrico de corriente
alterna, se utilizan Convertidores DC/AC denominados inversores, debido a que su fuente de
energía es continua (baterías, celdas de combustibles, etc.).
Los inversores están constituidos por llaves apagables y diodos de potencia como se muestra
en la g. 10.9. Las llaves y los diodos se distribuyen en las tres ramas donde se alimenta el
motor trifásico. En la rama donde se conecta la fase a se tiene las llaves y los diodos S1, S4,
D1, D4 respectivamente, en la rama donde se conecta la fase b se tiene S3, S6, D3, D6, y la
126
rama donde se conecta la fase c se tiene S5, S2, D5, D2.
Una forma simple de obtener una señal trifásica a la salida del convertidor aunque con un
elevado contenido de armónicos, es comandar cada rama tal que generen una onda cuadrada
o
completa y estén desfasada 120 entre si. Como en los motores trifásicos el único armónico que
produce par mecánico efectivo es el fundamental, entonces dicho motor se movería. Esta forma
de generar una señal trifásica no es del todo buena, debido a que el resto de los armónicos no
producen par pero producen corrientes adicionales por las bobinas con las pérdidas en el cobre
y en el hierro asociadas llevando a una subutilización del motor, el que deberá sobredimensio-
narse para la aplicación con tensión de alimentación con estas características.
En el control de los inversores uno de los principales objetivos es reducir o eliminar el residuo
armónico. Según los requerimientos de la aplicación y las herramientas disponibles se pueden
implementar dos técnicas de control, técnicas que eliminan explícitamente determinados ar-
mónicos, por ejemplo, PWM ( Pulse Width Modulation ) calculado, y técnicas de reducción del
contenido armónico no deseado, por ejemplo, control por desfasaje de ondas o PWM sinusoidal.
127
señal triangular se envía una señal tal que se cierran las llaves S1, S3, S4 y se abren la llaves
S4, S6 y S2 teniendo una tensión negativa. Las tensiones de las tres fases se muestran en las
g. 10.10(b),(c),y(d).
Figura 10.10: (a)Señales de referencias Va , Vb , Vc junto con la señal portadora triangular Vtr .
(b)Tensión fase a. (c)Tensión fase b. (d)Tensión fase c (extraída de [25]).
f
Si la señales de referencia tienen una frecuencia , la señal portadora triangular tiene entonces
una frecuencia p.f, donde p se denomina razón de frecuencia. A los efectos prácticos es conve-
niente que p sea impar y en este caso la onda generada tendrá simetría de segunda especie y
no se generan armónicos pares. Al aumentar p el espectro se ve desplazado hacia la derecha,
apareciendo como primer armónico con valor importante el de frecuencia p.f y la componente
fundamental no se ve afectada. Con esta técnica de reducción de armónicos se esta desplazando
el espectro de energía de los armónicos superiores hacia frecuencias mayores, por lo que su
incidencia en la carga se hace menos nociva.
Por otro lado a la razón entre la amplitud de la onda de referencia y la onda portadora triangular
se le denomina índice de modulación ( m = A/Am ). Al modicar m varía el valor de la amplitud
del primer armónico de tensión de salida en forma proporcional. Por lo tanto podemos variar la
frecuencia y la amplitud de alimentación del motor variando las tensiones de referencia Va , Vb , Vc ,
y podemos reducir la distorsión armónica aumentando el valor de p en la onda portadora.
128
En la g. 10.11 se ilustra el inversor conectado al motor de corriente alterna, el control de PWM
sinusoidal y las formas de onda más relevantes.
Figura 10.11: Inversor DC-AC con Modulación de Ancho de Pulso: (a) Topología del inversor;
(b) Señales de Control; (c) Tensión de referencia trifásica y portadora triangular; (d)Tensión
de la fase a; (e) Tensión de la fase b; (f ) Tensión de la fase c.
129
10.2.3. Control vectorial
El Inversor de Electrónica de Potencia para Control Vectorial de motores de inducción, tienen
la misma topología que se muestra en la g. 10.11a. Las llaves de potencia en una misma ra-
ma (a, b o c), nunca deben estar ambas en conducción, ya que esto causaría un cortocircuito.
Por otro lado, si ambas llaves en una misma rama están en corte, la tensión entre los bornes
correspondientes será desconocido para el sistema de control del inversor. El circuito podrá
completarse a través de los diodos superior e inferior y en consecuencia, la tensión será igual
o bien al bus positivo (+) o al negativo (-). Por lo tanto el inversor se controla de forma de
que en una misma rama alguna de las llaves superiores está encendida y la llave de abajo está
apagada o viceversa, la llave de arriba está apagada y la de abajo encendida. Dado que solo
está permitida la combinación de dos estados de las llaves en cada rama, se puede asignar una
variable de conmutación binaria a cada fase del inversor. Por lo tanto, sólo hay ocho estados
lógicos posibles para todo el circuito de potencia.
Vistos como fasores, estos ocho estados posibles se pueden representar en el plano como se
muestra en la g. 10.12. Se suele llamar a estos vectores como espaciales y es usual una re-
presentación en el plano complejo donde la componente α es la componente real y β es la
imaginaria. Con esta convención se puede denir cada vector como
v = qa + aqb + a2 qc (10.12)
donde a = ej2π/3 .
Hay dos conguraciones que generan voltaje nulo (V0 y V7 ) y corresponden a qa qb qc = 000
o qa qb qc = 111. El vector V1 está alineado con el eje α
y corresponde con la conguración
◦ ◦
qa qb qc = 100, mientras que los vectores V3 y V5 están desfasados 120 y 240 respectivamente y
corresponden a las conguraciones qa qb qc = 010 y qa qb qc = 001 respectivamente. Una explicación
detallada del origen de esta representación se puede encontrar en [66].
V3 V2
Vref
V4 V0 V1
V7 α
V5 V6
130
En esta representación, un voltaje trifásico sinusoidal balanceado recorre una circunferencia con
velocidad angular igual a la frecuencia angular de la señal sinusoidal, tal como está indicado en
la g. 10.12. Si se desease generar una salida con estas características, el valor instantáneo de
la referencia se encontraría en algún lugar de la circunferencia. El control vectorial de tensión
permite aproximar este valor utilizando modulación por ancho de pulso (PWM) de manera
que el promedio del voltaje en un período de conmutación sea igual al valor instantáneo de la
referencia. De hecho, este método de control permite generar voltajes de salida arbitrarios, no
necesariamente sinusoidales, siempre y cuando la frecuencia de conmutación sea lo suciente-
mente alta con respecto al ancho de banda de la señal de referencia.
El control vectorial puede utilizarse de esta forma para controlar la tensión sinusoidal a la salida
del inversor o también controlar directamente la corriente de salida, mediante un método más
elaborado que fuera propuesto en [65].
131
Capítulo 11
Motor Eléctrico en Régimen Generador
Frenado Regenerativo
El ejemplo de funcionamiento del motor de continua es muy claro para introducir el concepto.
En la g. 11.1 se muestra un motor de continua de un EV, alimentado por una batería de
tensión Vb , Cm en el eje. Un instante después el conductor acciona el freno
que entrega un par
y conmuta de posición la llave S . La batería deja de entregar corriente al motor y la energía
(1)
mecánica se disipa en la resistencia RL frenando el vehículo . En estas condiciones el par neto
en el eje es resistente, Cr en la g. 11.2, y se compone del par debido al rozamiento con el aire,
el par de fricción y el par generador. El par generador lo produce la fem generada por el rotor
que establece la corriente Ig a través de RL . Si en lugar de la resistencia RL se coloca la batería
y acondicionamos la tensión inducida en el rotor para cargar la misma como en la g. 11.3, se
puede recargar las baterías cada vez que se acciona el freno.
(1)
Un vehículo con frenos convencionales, disipa toda la energía cinética del movimiento (energía mecánica)
en calor por rozamiento entre los patines y el tambor de freno.
132
Figura 11.2: Motor de continua funcionando como generador.
El generador de inducción únicamente es capaz de producir potencia activa, por lo que requiere
tomar potencia reactiva de un capacitor u otra fuente que proporcione esta potencia para man-
tener el campo magnético del estator. Esta fuente debe controlar a su vez la tensión en bornes
del generador, ya que en ausencia de una corriente de campo, el generador no puede controlar
su voltaje de salida.
133
Figura 11.4: Curva del motor inducción en la región generador.
En los EV y EHV la potencia reactiva se toma del capacitor ubicado a la salida del conversor
DC-DC de la g. 11.3, y el control de tensión lo establece el inversor de tensión que alimenta
el motor trifásico.
(2)
La expresión no considera las pérdidas mecánicas, en el núcleo y misceláneas.
134
El par inducido en el generador puede expresar como:
La curva del par del generador síncrono con polos salientes se muestra en la g. 11.5.
V 1 dV
Pd = .(M gfr + ρa CD AV 2 + M δ )
1000 2 dt
donde M is la masa del vehículo, g es la aceleración de la gravedad, fr es el coeciente de
rozamiento, ρa es la densidad del aire, CD el coeciente de fricción aerodinámica, A es área
frontal del vehículo, V es la velocidad y δ el factor de inercia rotacional.
135
Cuando el motor eléctrico realiza tracción sobre las ruedas la potencia Pd es positiva, y cuan-
do el motor no realiza tracción la potencia Pd negativa corresponde a la potencia debido a la
energía cinética de movimiento del vehículo. Integrando esta expresión en el tiempo durante
el transcurso de un ciclo de conducción, se puede estimar la energía necesaria para mover el
vehículo y la energía necesaria para el frenado.
La g. 11.6 muestra las energías de tracción y de frenado durante un ciclo de conducción FTP75.
La energía de frenado al nal del ciclo de conducción representa más del 50 % de la energía de
tracción. En otros ciclos de conducción la energía de frenado puede representar hasta el 80 %
de la energía de tracción (por ejemplo, en el ciclo de conducción New York).
Figura 11.6: Energía de tracción y freno para el ciclo de conducción urbano FTP75. Extraído
de [25].
136
Figura 11.7: Porcentaje de la energía de frenado en relación a la potencia de frenado en un ciclo
de conducción urbano FTP75. Extraído de [25].
Otros ciclos de conducción son comparados en la tabla 11.1 donde se tabulan los rangos de
potencias para los cuales el 85 % de la energía de frenado es consumida.
Tabla 11.1: Rangos de potencia de frenado para los cuales se consume el 85 % de la energía
total de frenado en los distintos ciclos de conducción. Extraído de [25].
Si se analiza la g. 11.7 y la tabla 11.1 se puede ver que con un motor de 20kW, se recupera
el 100 % de la energía total de frenado en el ciclo de conducción FTP75 y más del 85 % en el
ciclo de New York.
La línea sólida sobre el gráco de barras representa la potencia en kW del motor eléctrico que
recupera el 85 % de la energía total de frenado en el ciclo de conducción. Cabe señalar que
esta línea se corresponde aproximadamente con la curva de potencia en un control típico de
par velocidad de los autos eléctricos: un primer tramo donde la potencia es proporcional a la
velocidad hasta una velocidad base (par constante), y un segundo tramo donde la potencia se
mantiene constante con el aumento de la velocidad (par decreciente).
137
Figura 11.8: Potencia de frenado en función de la velocidad en los distintos ciclos de conducción.
Extraído de [25].
Esta información resulta fundamental en el diseño del motor eléctrico a los efectos de ajustar
el motor para determinadas prestaciones, pero también para conocer el desempeño y rendi-
miento de esperar en determinado ciclo de conducción. Nuevamente se pone de maniesto la
dependencia del ciclo de conducción para la elección del motor.
2. la potencia máxima que puede circular en el tren eléctrico de potencia, compuesto por la
máquina eléctrica, los convertidores y la batería.
138
Cuando el conductor desea frenar el vehículo, la señal de comando enviada por intermedio del
pedal de freno, puede entenderse como una señal de par deseado. La estrategia más eciente
desde el punto de vista energético es proporcionar la totalidad de ese par deseado mediante
freno regenerativo, hasta un cierto umbral predenido que representa el par máximo que puede
proporcionar la máquina eléctrica. Si el par deseado excede este valor, la diferencia se propor-
ciona mediante el freno mecánico de fricción [25, 67].
Esta estrategia es posible siempre y cuando la potencia total no exceda el máximo. Dado que
la potencia es el producto de par por velocidad, dependiendo de la velocidad del vehículo el
par regenerativo puede llegar a ser menor que el umbral, aumentando entonces la necesidad de
frenado mecánico.
Otra estrategia, que simplica el control asociado, es mantener una relación de par entregado
sobre par deseado constante durante todo el rango, tanto para el par mecánico como el rege-
nerativo. De esta forma no es necesario un control sosticado del freno mecánico y se pueden
utilizar sistemas de freno mecánico convencionales. Como desventaja, la cantidad de energía
recuperada es menor que en el caso anterior.
Estas dos estrategias se denominan frenado regenerativo serial y frenado regenerativo para-
lelo respectivamente en [67], ilustrado en la g. 11.9.
139
Capítulo 12
Simulación del Sistema de Propulsión
Eléctrico
Los sistemas eléctricos y electrónicos descritos en los capítulos anteriores fueron integrados en
una simulación para un caso de estudio. La simulación comprende:
2. un convertidor DC-DC que eleva la tensión hasta 500V, con su control asociado;
4. una máquina que actúa como motor o generador en función del par requerido por el
sistema de control;
5. un modelo del conductor que entrega un par deseado de referencia en función de la diferen-
cia entre la velocidad real y la deseada (esta última denida por en ciclo de conducción);
6. un modelo del automóvil que calcula el par ejercido sobre la máquina en función de la
velocidad;
Para desarrollar los modelos se utilizó Matlab/Simulink. Cada uno de los subsistemas fue dise-
ñado y probado de manera independiente. Finalmente se integraron todos los componentes en
una única simulación, que permite una evaluación global del desempeño del EV.
Se presentan a continuación cada uno de los subsistemas por separado y por último la simula-
ción global con los resultados de desempeño obtenidos para una conguración de parámetros y
ciclo de conducción representativos.
140
12.1. Convertidor DC-DC
Se modeló un convertidor bidireccional utilizando llaves ideales. La carga del convertidor es el
inversor conectado a la máquina eléctrica, que se modelaron como una fuente de corriente a
los efectos de probar este bloque. Si la corriente es negativa la máquina actúa como motor y
la potencia uye desde la batería a través del convertidor DC-DC; si la misma es positiva la
máquina actúa como generador y la corriente uye hacia la batería a través del mismo conver-
tidor. Del lado de la batería, se modeló como una fuente ideal de tensión continua de 100V.
Para diseñar el control se realizó un modelo de pequeña señal de la transferencia entre el ciclo
de trabajo y el voltaje de bus, a partir del cual se denió la realimentación adecuada para lograr
estabilidad y una buena respuesta dinámica frente a cambios en la carga.
El modelo Simulink se muestra en las g. 12.1, 12.2 y 12.3. Se utilizó la biblioteca SimPo-
werSystem en tiempo continuo con modelos de llaves ideales. Los parámetros de la simulación
incluyen el método de integración ode23tb de paso variable con un tiempo mínimo de 100ns y
uno máximo de 1µs. Estos valores resultan adecuados para una frecuencia de conmutación de
50kHz que fue la elegida.
141
Figura 12.2: Bloque Simulink de la etapa de potencia del convertidor DC-DC.
Los resultados de la simulación se muestran en la g. 12.4. Se puede observar que ante va-
riaciones de la corriente de carga bastante abruptas la respuesta del convertidor es adecuada,
manteniendo el voltaje del bus dentro de una banda del 1% alrededor de su valor nominal.
Esto se verica para ujos de corriente en ambos sentidos.
142
100
50
Iload (A)
0
−50
−100
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
400
200
IL (A)
−200
−400
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
510
505
Vout (V)
500
495
490
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
t (s)
Figura 12.4: Resultados de la simulación del convertidor DC-DC. Arriba: corriente de carga;
medio: corriente por el inductor; abajo: voltaje del bus de continua.
El aspecto más elaborado de esta simulación es el control vectorial de corriente para comandar
el inversor. Se reutilizó el modelo presentado en [24], ajustando los parámetros de acuerdo al
nuevo motor utilizado.
La referencia de corriente para el inversor proviene de calcular el par requerido para el motor.
En esta simulación se toma como entrada, ya que en un sistema completo deberá estar denido
por el conductor del vehículo mediante el pedal acelerador.
La carga de par del motor se calcula en función del modelo estándar del comportamiento diná-
mico del automóvil, presentado por ejemplo en [25, 67], que consiste en una suma de la inercia,
el arrastre del aire, la fricción del terreno y la pendiente. En total este par de carga tiene una
fuerte dependencia con la velocidad del vehículo.
143
Figura 12.5: Modelo Simulink del inversor y el motor.
El resultado se muestra en la g. 12.6. Se observa que el control logra seguir el par solicitado,
tanto en aceleración como en frenado regenerativo. La velocidad varía de manera acorde.
100
50
Par (Nm)
−50
−100
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
4
Vel. rotor (rad/s)
−1
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
t (s)
Figura 12.6: Resultados de la simulación del inversor y el motor. Arriba: par solicitado y par
entregado; abajo: velocidad del rotor.
144
12.3. Control de frenado
Para el control de freno regenerativo se dene un par de umbral por debajo del cual toda la
carga la soporta la máquina trabajando en modo generador. Por encima de este umbral se
activa el freno mecánico generando una señal de comando igual al par total necesario menos el
umbral, mientras que la máquina soporta este par de umbral.
El modelo Simulink se muestra en la g. 12.7. Se genera una referencia de velocidad a partir de
la cual se calcula el par necesario para mover el vehículo. El bloque FRENO HIBRIDO hace
la comparación del par de carga con el par umbral y toma la decisión de activar o no el par de
freno mecánico.
Los resultados de la simulación se muestran en la g. 12.8. Se muestra el par total necesario,
que es función de la velocidad del vehículo. Cuando el par excede el umbral como consecuencia
de una frenada brusca (aproximadamente en t = 23s), se activa el freno mecánico y se satura
el par que actúa sobre el generador.
145
100
80
Velocidad (m/s)
60
40
20
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
500
0
Par total (Nm)
−500
−1000
−1500
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Par regenerativo y mecanico (Nm)
1000
500
−500
−1000
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
t (s)
Figura 12.8: Resultados de la simulación del control de freno regenerativo. Arriba: velocidad
del vehículo; medio: par total necesario (línea sólida) y par de umbral (línea punteada); abajo:
par del motor (línea sólida) y par del freno mecánico (línea sólida).
Este modelo se muestra en la g. 12.9. La entrada principal es la curva de velocidad de un ciclo
de conducción típico. Un bloque controlador simulará la acción del conductor que producirá
un par de referencia para ser enviado al motor. El bloque de control de freno regenerativo
activará un par de carga mecánico cuando el umbral sea excedido o de acuerdo a cualquier
otra estrategia que se desee programar. El modelo es modular y permite modicar con facilidad
cualquiera de las partes para realizar estudios comparativos.
146
Sistema
Eléctrico
Control
Velocidad
Dinámica
Freno
Es necesario aclarar que el período de conmutación del convertidor DC/DC es mucho menor
que las constantes de tiempo del resto de los subsistemas. Esto hace muy difícil poder simular
este bloque en conjunto con el resto, ya que el paso de integración debería ser mucho menor
que el óptimo. Como se desean tiempos de simulación del orden de cientos de segundos, se
encuentran limitaciones muy grandes en términos de tiempos de cómputo y memoria. Por lo
tanto, se ha decidido separar la dinámica del convertidor DC/DC del resto e incorporar el con-
junto del convertidor DC/DC y la batería como una fuente de tensión. Esto permite realizar
la simulación en tiempos razonables y no afecta la calidad de la misma, ya que según se ha
visto más arriba, la regulación del convertidor DC/DC es muy buena y puede considerarse una
fuente de tensión a los efectos de simular el resto del sistema.
En la g. 12.10 se muestra una parte del Ciclo de Conducción ensayado con el resultado obte-
nido. Se observa sobre el comienzo del ciclo la frenada brusca que genera un pico de corriente
ingresando en la batería.
147
Ciclo de Conduccion Con Freno Regenerativo
60
Velocidad (km/h) 50
40
30
20
10
−10
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
200
0
Par (Nm)
−200
−400
−600
40
20
0
Ibat (A)
−20
−40
−60
−80
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
t (s)
Para comparar los resultados, se muestra en la g. 12.11 la misma simulación pero sin incluir el
mecanismo de freno regenerativo. Se observa que la corriente por la batería es siempre positiva.
En la g. 12.12 se muestra la potencia entregada por la batería con y sin frenado regenerativo. El
área de diferencia entre las dos curvas representa la energía recuperada gracias a esta técnica. En
la tabla 12.4 se compara la energía total consumida en la batería para ambos casos. La diferencia
representa una reducción del consumo de 32 % gracias al uso del frenado regenerativo.
148
Ciclo de Conduccion Sin Freno Regenerativo
60
Velocidad (km/h) 50
40
30
20
10
−10
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
150
100
Par (Nm)
50
−50
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
40
30
20
Ibat (A)
10
−10
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
t (s)
Además del ahorro de energía, el frenado regenerativo permite un ahorro en el desgaste del
freno mecánico, aumentando su vida útil. Este fenómeno puede ser estudiado y cuanticado
si se incorpora a la simulación presentada un modelo de dicho desgaste en función de las
condiciones de operación, lo cual excede el alcance del presente trabajo.
149
Potencia entregada por la baterÃ-a
60
50
40
Velocidad (km/h)
30
20
10
−10
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
4
x 10
2
0
Potencia (W)
−1
−2
−3
Con freno regenerativo
Sin freno regenerativo
−4
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
t (s)
Figura 12.12: Resultados de simulación: potencia entregada por la batería con y sin frenado
regenerativo.
150
Capítulo 13
Caracterización y evolución del parque
automotor
13.1. Introducción
Con el objetivo de caracterizar el parque automotor tomando una porción del mismo para su
estudio, se denieron las categorías de interés particular y se obtuvo una base de datos para el
periodo 1993 a 2008, años en los que se contaba con la mayor cantidad de datos.
A partir de la base de datos del parque se obtuvo la correlación entre la evolución de éste y el
PBI. Se eligió esta variable por ser un indicador a nivel nacional del estado de la economía que
demostró guardar una correlación importante con la evolución del parque tanto a nafta como
a gasoil.
152
13.3. Porción del parque para el estudio
Debido a que es mas probable que la sustitución por autos eléctricos se registre mayormente
dentro de cierto rango de vehículos, se limitó el análisis para éstos. Así se denió como la
porción del parque automotor de nuestro interés a los vehículos que cumplían con las siguientes
características:
Hasta 2 TON
Máximo 5 puertas
Dentro de los vehículos con estas características se denieron las siguientes categorías de interés:
Combustible
1. nafta
2. gasoil
Lugar de uso
1. Montevideo
2. Interior
Así se obtuvo la porción del parque automotor de interés separado en 4 categorías, por lugar
de uso y combustible del mismo. Cabe aclarar que se tomó como hipótesis que el lugar de
empadronamiento es el lugar de uso.
En algunos casos no se logró obtener suciente cantidad de datos como para conformar una
base de datos completa, por lo que se utilizaron diferentes metodologías, según información que
se contaba, para estimar los datos faltantes.
153
Para los años entre 1993 y 2005 se tenían los datos del parque automotor total para las ca-
tegorías a estudiar, pero sin una distribución por departamentos. En estos casos se estimaron
los datos de cada categoría por departamento tomando como hipótesis que la distribución por
departamento se mantenía igual a la registrada en el año 2006.
Para el año 2006 se tenían los datos del anuario estadístico de transporte del MTOP que dis-
crimina en las mismas categorías que se utilizaron para este informe. Debido a esto, este año
se utilizó como base para las estimaciones.
Para el periodo 2007-2008, a partir de las bases de datos que las intendencias departamentales
suministraron al MIEM (DNE), se obtuvieron los datos para cada categoría. Debido a que no
todas las intendencias entregaron los datos requeridos, no se obtuvo una base de datos com-
pleta para estos años. Para estimar los datos faltantes en esos departamentos se realizaron dos
estimaciones: una para los departamentos del interior y otra para Montevideo.
Para Montevideo la evolución se linealizó entre el año 2006 y 2009 ya que se contaba con las
bases de datos entregadas por la intendencia para esos años.
Para el interior se asumió que la evolución para el año 2007 y el 2008 de los departamentos sin
datos se comportaba igual al promedio de los departamentos con que sí se contaba con datos.
154
Tabla 13.2: Base de datos para el periodo 2006-2008.
13.6. Evolución
Una vez realizado el procesamiento descrito sobre los datos disponibles, se completó la base de
datos con la evolución del parque automotor para el periodo 1993-2008. Para nuestro análisis
sólo nos dedicamos a observar la evolución del parque discriminado según Interior y Montevi-
deo. La división en cada departamento del interior no se utiliza ya que se asumen parques de
iguales características para todos los departamentos.
155
Capítulo 14
Desarrollo del parque automotor a futuro
Para calcular la evolución futura del parque se realizó primeramente un análisis de la evolución
histórica del parque. Para estos efectos se discriminaron los vehículos según su combustible
(nafta o gasoil) y no se realizó una discriminación según el lugar de uso.
En la g. 14.1 se presentan las evoluciones históricas del parque automotor total que surge de
la base de datos obtenida del procesamiento detallado anteriormente, discriminado por com-
156
(1)
bustible. Asimismo se incluye la evolución histórica del PIB expresado en miles de pesos . El
coeciente de correlación entre la serie de valores históricos del parque automotor a gasoil y del
PIB es 0,79, mientras que el coeciente de correlación del parque automotor a nafta y del PIB
es 0,77. Estos coecientes de correlación altos permiten que se considere para el análisis que la
evolución a futuro del parque automotor se puede asociar a la evolución prevista para el PIB.
Para cada uno de los escenarios del estudio de la OPP se formula una tasa anual de crecimiento
del PBI que se supone constante para todo el período 2008 - 2030. En la tabla 14.1 se presentan
los porcentajes de crecimiento anual para el PBI en cada escenario.
Si se comparan estas tasas de crecimiento con los valores históricos que se han registrado
con respecto al PIB (g. 14.2) se puede observar que, si bien algunos años salen por fuera
de lo que prevén los valores de los escenarios, en general se mantienen dentro del rango de
variación previsto. Vale la pena aquí resaltar que por más que en algunos años las tasas de
crecimiento superen ampliamente la prevista en el escenario más optimista (ENE), las tasas
para los escenarios del estudio de OPP se mantienen constantes durante todo el período por
lo que es razonable esta diferencia a los efectos de contemplar los vaivenes que se observan
en la evolución histórica donde se presentan años con tasas negativas. De hecho, la tasa de
(1)
fuente: www.dne.gub.uy a partir de datos del Banco Central - "PBI a precios de productor en miles de
pesos, a precios constantes de 1983".
(2)
Estos grupos son Agroindustrias grandes I, Agroindustrias II, Innovadores TICs, Innovadores BIO, Industria
intensiva en Mano de Obra, Industria insumos importados, Turismo y Logística y Transporte
157
Escenarios
crecimiento promedio histórica del PIB de acuerdo a los datos presentados es del 3,25 %, valor
muy próximo a la tasa prevista en el escenario Dinámico.
Es así que partiendo de los datos históricos obtenidos de la base de datos presentada anterior-
mente se realizaron las proyecciones a futuro del crecimiento del parque automotor en los tres
escenarios (ENE, Dinámico y Mínima). En las g. 14.3, 14.4 y 14.5 se presenta la evolución
del parque automotor a nafta, gasoil y total respectivamente, para cada uno de los escenarios
descritos anteriormente.
158
1200000
1000000
Cantidad de vehículos a nafta
800000
ENE
600000 Dinámico
Mínima
400000
200000
0
2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 2026 2028 2030
600000
500000
Cantidad de vehículos a gasoil
400000
ENE
300000 Dinámico
Mínima
200000
100000
0
2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 2026 2028 2030
159
1800000
1600000
1400000
Cantidad total de vehículos
1200000
1000000 ENE
Dinámico
800000 Mínima
600000
400000
200000
0
2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 2026 2028 2030
Se puede observar de los grácos que en el escenario ENE el parque automotor llega casi a
triplicarse en el 2030, con respecto a la cantidad de vehículos existentes al 2008. A su vez, en
el escenario Dinámico Intermedio el parque se duplica en el mismo período, mientras que en
escenario de Mínima el parque crece un 50 %.
Estas serían entonces las cifras que cabría esperar para el parque automotor en Uruguay en
distintos escenarios de desarrollo del país cuyo denominador común es que durante todo el
período analizado no se produce la introducción de vehículos alternativos como híbridos o
eléctricos. Desde el punto de vista de la introducción de vehículos alternativos estos casos
constituirían el Escenario Base.
160
El desarrollo también de la infraestructura de la red eléctrica de Baja Tensión que permita
la recarga de los vehículos en predios de uso público o en su defecto, de una red de de
recambio de baterías.
La evolución de los precios de los combustibles fósiles, ya sea por ser competidores directos
de la electricidad a nivel del usuario nal como por ser alternativas a otras fuentes para
la generación de electricidad.
La evolución de los límites planteados a las emisiones de CO2 y los compromisos asumidos
por los países.
El desarrollo de las smart grids como factor para generar el mejor acoplamiento de la
demanda de energía eléctrica de los vehículos eléctricos a la curva de demanda típica de
un sistema eléctrico.
Todos estos factores inciden no solo en la cantidad de vehículos eléctricos que se pueden espe-
rar ingresen al mercado en los años futuros, sino en la velocidad con que se realiza la eventual
transición del parque actual a un parque con participación importante de los vehículos eléctricos.
Impact of Electric Vehicles [68] realizado para el Directorate - General for Climate
En el estudio
Action (DG CLIMA) de la Unión Europea, se plantean distintos escenarios para la penetración
de los vehículos eléctricos que dependen de la evolución prevista de los factores mencionados.
Los benecios impositivos para los vehículos eléctricos no tendrán mejoras signicativas
con respecto a la situación actual.
Se producen mejoras en la eciencia de los vehículos con motor a combustión dentro del
rango de lo esperado para el período.
Muchos consumidores continúan siendo reticentes a cambiar por vehículos eléctricos mien-
(3)
tras que el costo total. asociado a los mismos continúa siendo mayor que el correspon-
diente para los vehículos tradicionales. Mientras se mantiene esa situación los vehículos
eléctricos resultan una opción interesantes solo para los consumidores innovadores.
(3)
el costo total tiene en cuenta el costo de adquisición, el costo de mantenimiento, los impuestos, la patente,
el seguro, el combustible y la vida útil del vehículo.
161
La capacidad de producción y la disponibilidad de puestos de carga dejará de ser una
limitante recién a partir del 2025.
El precio de los combustibles fósiles tiene una evolución al alza pero dentro de lo esperado
para el período.
El costo de las baterías no se reduce tanto como lo que se espera en el escenario Realista.
Se produce un desarrollo hacia la reducción de emisiones y la mejora de la eciencia de
los vehículos con motor a combustión.
Con el tiempo, los benecios impositivos hacia los vehículos eléctricos se van reduciendo.
El costo de los combustibles fósiles tiene la misma evolución que en el escenario Realista.
Por último, en el escenario Optimista se asume que:
El costo total de los vehículos eléctricos se vuelve competitivo con el correspondiente para
vehículos con motor a combustión.
Se asume que a partir del 2025 existirán puestos donde sea posible realizar cargas rápidas.
Se asume de todas formas que durante el período 2010 - 2020 aún existirán limitacio-
nes asociadas a la capacidad de producción, el escepticismo de los consumidores y a la
infraestructura de la red eléctrica.
Los Vehículos Completamente Eléctricos (VCE) que solo tienen un motor eléctrico y no
poseen motor a combustión.
Los Vehículos Híbridos Enchufables (VHE) que tienen un motor a combustión, un motor
eléctrico y baterías que se pueden cargar desde la red eléctrica.
Los Vehículos Eléctricos de Rango Extendido (VERE) que además del motor eléctrico
poseen un motor a combustión que se puede utlizar para cargar las baterías y extender
el alcance del vehículo. Las baterías se pueden cargar desde la red eléctrica.
Los Vehículos con Motor a Combustión Interna (VMCI) que son los vehículos convencio-
nales, que utilizan combustibles derivados del petróleo para su funcionamiento.
162
En base a las características de cada escenario y de acuerdo al modelado realizado de las evolu-
ciones de los factores relevantes para el desarrollo y la introducción de los vehículos eléctricos,
se plantea que la penetración de cada tecnologia será la que se presenta en la tabla 18.1.
Tabla 14.2: Porcentaje de penetración de las distintas tecnologías consideradas en cada escena-
rio.
De estos porcentajes se observa que los vehículos híbridos enchufables (VHE) son los que ten-
drán más participación en el mercado, mientras que los vehículos completamente eléctricos
(VCE) serán los más rezagados.
Asumiendo que la cantidad total de vehículos del parque previsto a futuro no cambia debi-
do a la introducción o no de vehículos eléctricos, a los efectos de ponderar la evolución de la
introducción de vehículos eléctricos en el parque uruguayo se adoptaron los porcentajes de par-
ticipación presentados en la tabla 18.1 para cada uno de los escenarios de evolución planteados
en la sección 14.2.1.
En la tabla 14.3 se presentan, para los distintos escenarios de evolución del parque y de penetra-
ción de los vehículos eléctricos, las cantidades totales de vehículos de cada tipo que compondrán
el parque automotor desde el año 2010 hasta el 2030. Como ya se mencionó, en estos números
se asumió que, con respecto a los totales manejados en el Escenario Base, la introducción de
vehículos eléctricos sustituye a los vehículos con motor a combustión interna. En particular, en
la discriminación entre nafta y gasoil, se asumió que el 75 % de los vehículos eléctricos sustitu-
ye vehículos que hubieran sido alimentados a nafta y el restante 25 % sustituye vehículos que
hubieran sido alimentados a gasoil.
163
Tipo de vehículo Escenarios 2010 2015 2020 2025 2030
ENE 0 0 10297 52567 184497
Realista Dinámico 0 0 8664 41160 134435
Mínima 0 0 6937 30039 89431
ENE 0 0 10297 26283 83862
VHE Pesimista Dinámico 0 0 8664 20580 61107
Mínima 0 0 6937 15019 40650
ENE 0 0 10297 91992 301904
Optimista Dinámico 0 0 8664 72030 219985
Mínima 0 0 6937 52568 146341
ENE 0 0 0 13142 67090
Realista Dinámico 0 0 0 10290 48885
Mínima 0 0 0 7510 32520
ENE 0 0 0 0 12221
VERE Pesimista Dinámico 0 0 0 0 8130
Mínima 0 0 0 0 0
ENE 0 0 0 39425 134180
Optimista Dinámico 0 0 0 30870 97771
Mínima 0 0 0 22529 65040
ENE 0 0 0 13142 50317
Realista Dinámico 0 0 0 10290 36664
Mínima 0 0 0 7510 24390
ENE 0 0 0 0 16772
VCE Pesimista Dinámico 0 0 0 0 12221
Mínima 0 0 0 0 8130
ENE 0 0 0 26283 117407
Optimista Dinámico 0 0 0 20580 85550
Mínima 0 0 0 15019 56910
ENE 419893 535902 676239 813790 887673
Realista Dinámico 407982 484554 569001 637207 646809
Mínima 393140 425614 455568 465037 430279
ENE 419893 535902 676239 853215 1026046
VMCI - Nafta Pesimista Dinámico 407982 484554 569001 668077 747635
Mínima 393140 425614 455568 487566 497352
ENE 419893 535902 676239 754653 698983
Optimista Dinámico 407982 484554 569001 590901 509319
Mínima 393140 425614 455568 431243 338816
ENE 212243 270882 343147 421526 487668
Realista Dinámico 206222 244927 288731 330059 355343
Mínima 198720 215135 231171 240879 236386
ENE 212243 270882 343147 434667 533792
VMCI - Gasoil Pesimista Dinámico 206222 244927 288731 340349 388951
Mínima 198720 215135 231171 248389 258743
ENE 212243 270882 343147 401813 424771
Optimista Dinámico 206222 244927 288731 314624 309513
Mínima 198720 215135 231171 229614 205898
Tabla 14.3: Cantidad de vehículos por tipo para cada uno de los escenarios de evolución del
parque y de penetración de las distintas tecnologías.
164
Dadas las características del parque resultante a futuro, los vehículos eléctricos que ingresa-
rían continuarían consumiendo combustibles derivados del petróleo en menor medida que los
actuales dado que parte de sus necesidades energéticas se cubrirían mediante el consumo de
electricidad. En el caso límite, los vehículos completamente eléctricos (VCE) se alimentarían
exclusivamente a través del consumo de electricidad.
A los efectos de estimar el consumo de electricidad que ocasionarían los distintos escenarios
de composición del parque, se entendió pertinente expresar el consumo de electricidad de los
distintos tipos de vehículos eléctricos en función del consumo de electricidad de un vehículo
completamente eléctrico (VCE). Es así que, en base al estudio mencionado anteriormente para
la UE, se adoptó que un vehículo híbrido enchufable (VHE) consume el 60 % de la electricidad
que consume un VCE y que un vehículo eléctrico de rango extendido (VERE) consume el 75 %
de la electricidad que un VCE.
Escenarios 2010 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030
ENE 0 0 1017 2135 3362 4707 6178 16001 25656 36236 47811 60452 89140 120546 154869 192324 233137
Realista Dinámico 0 0 906 1875 2912 4018 5198 13271 20975 29202 37979 47334 68800 91711 116141 142169 169877
Mínima 0 0 781 1587 2419 3277 4162 10431 16183 22116 28235 34545 49289 64496 80178 96344 113008
ENE 0 0 1017 2135 3362 4707 6178 9082 11125 13350 15770 18398 30081 42886 56897 72201 88894
Pesimista Dinámico 0 0 906 1875 2912 4018 5198 7532 9095 10759 12527 14406 23217 32628 42669 53373 64773
Mínima 0 0 781 1587 2419 3277 4162 5920 7017 8148 9313 10514 16633 22946 29456 36169 43089
ENE 0 0 1017 2135 3362 4707 6178 26164 46998 69850 94870 122217 174416 231529 293917 361965 436084
Optimista Dinámico 0 0 906 1875 2912 4018 5198 21701 38424 56290 75361 95698 134619 176147 220418 267571 317755
Mínima 0 0 781 1587 2419 3277 4162 17056 29645 42632 56027 69841 96442 123877 152164 181326 211381
165
Capítulo 15
Modelado de la demanda del parque
automotor híbrido - eléctrico
15.1. Introducción
El advenimiento de vehículos híbridos y eléctricos, hace que exista una transferencia de la
demanda energía del transporte hacia el sector eléctrico. Esta transferencia trae aparejado di-
ferentes impactos desde el consumo de energía eléctrica y de petróleo hasta una redistribución
energética del país. Pensando en un Uruguay con diferentes niveles de inserción de automóviles
eléctricos e híbridos a mediano y largo plazo, es necesario poder realizar estudios de impacto y
planicación energética y regulatoria asociada a cumplir con estos cometidos.
Se modela un día laboral típico, en esto se tienen en cuenta los viajes realizados y las
horas de salida y de llegada promedio de los vehículos.
166
Se consideran cinco períodos del día diferentes:
• Madrugada: de 0 a 7.
• Mañana: de 7 a 11.
• Día: de 11 a 16.
• Tarde: de 16 a 21.
• Noche: de 21 a 24.
Los vehículos pueden estar en dos ubicaciones: Casa, Afuera. La carga sólo se encuentra
disponible en la casa.
En los casos donde se impone un tipo de política de carga, se asume que se cuenta con
cargadores inteligentes los cuales se podrán programar para optimizar su carga/descarga
de la red en diferentes horarios.
Tanto la carga como la descarga de la batería (en particular cuando entrega energía a la
red), fueron tomadas como constantes. O sea que si la batería tiene 24 kWh de carga y se
carga en 6 horas, la potencia que tomará de la red será de 4 kW durante todo el período.
Estas características son consideradas en la simulación dependiendo del tipo de auto elegido.
167
15.3. Modelado de la ota de autos
El modelado de la ota de autos consta de dos grandes partes, en la primera se genera el
escenario donde se quiere trabajar y las condiciones y en la segunda se realiza la simulación.
La generación de escenario a su vez consta de cinco partes diferenciadas: sorteo de vehículos,
distancias de viajes (cortos y largos), cantidad de viajes por período del día, asignación de
viajes y horas de salida. Incluso en esta etapa de generación de escenario se elige el tamaño
de la ota así como también la velocidad media de los vehículos. Para esta última se eligió
una velocidad media de 15 km/h producto de un estudio realizado por otro de los grupos de
trabajo del proyecto. En las próximas secciones se describen cada uno de los pasos mencionados.
El generador de escenarios considera dos tipos de viajes que puede realizar un auto: largo y
corto. Para elegir la distancia de los viajes de cada uno de los autos del parque automotor se
sortea con dos distribuciones normales centradas en 8 km (para el caso de los viajes largos) y
en 2 km (para los viajes cortos), con desviaciones estándar de 2 km y 1 km respectivamente.
Estos parámetros también son ajustables por el usuario pensando en realizar la simulación en
otro contexto, si se quisiera hacer una simulación para días no laborales estas distancias son un
parámetro a modicar.
En la g. 15.1 se observa un mapa de la zona metropolitana de Montevideo para brindar una
idea de las distancias involucradas.
168
15.3.2. Cantidad de viajes por período del día
Luego de tener denidas las distancias de los viajes es necesario localizarlas en los distintos
períodos del día. El generador de escenarios supone un máximo de tres viajes largos y cinco
viajes cortos en el día. Por otra parte no se permite tener más de cinco viajes en ningún período
del día, y en la madrugada el tope es de dos viajes.
Luego de hecha está asignación se asignan los viajes cortos donde primero que nada se verica
si el vehículo tiene o no viajes largos, en caso de no tener viajes largos, los dos primeros viajes
cortos son asignados en el período de mañana y tarde y se sortean los siguientes. En caso
de tener viajes largos los viajes cortos son sorteados en el día con la misma distribución de
probabilidades que el 3er viaje largo mencionado anteriormente.
Al nalizar de asignar los viajes largos se repite el procedimiento de generar horas de salida
para cada periodo del día pero para los viajes cortos, nuevamente chequeando que estos no se
solapen con los viajes anteriormente planicados.
169
Figura 15.2: Diagrama de ujo de la simulación.
15.4.1. Inicialización
En la inicialización se carga el escenario generado por el Generador de escenarios y se dene
el estado inicial de la ota, el tiempo donde comienza la simulación, cuantos días se quiere
simular, el lugar donde se ubica la ota (todos comienzan en el hogar), y el estado inicial de la
batería de los vehículos.
Estado andando
El consumo del auto se dene como cuánto se usa de batería para poder recorrer un kilómetro,
el término batería de la ec. 15.1 corresponde al tamaño de la batería de dicho vehículo en kWh.
bateria(kW h)
Consumo(kW h/km) = (15.1)
autonomia(km)
170
Entonces, se calcula la potencia consumida por el auto según la ec. 15.2.
Cuando el auto termina el recorrido antes de que termine el paso de tiempo, se calcula la
potencia media durante el paso.
Estado cargando
Para modelar la carga del vehículo se tomo la hipótesis de que el auto se carga linealmente.
La potencia tomada de la red es constante en el lapso de carga, entonces es posible calcular la
potencia tomada de la red según la ec. 15.3.
bateria(kW h)
P (kW ) = (15.3)
tiempo de carga(h)
Si termina de cargar antes de que termine el paso se calcula la potencia media durante todo el
paso.
Estado generando
En este caso el auto le entrega energía a la red. Este estado es habilitado solamente cuando se
permite la opción V2G (Vehicle to grid). Se consideró que la descarga de la batería es realizada
de la misma forma que la carga, según la ec. 15.4.
bateria(kW h)
P (kW ) = (15.4)
tiempo de carga(h)
Estado estacionado
Para el caso en que el auto está estacionado no se consume ni se genera potencia por lo tanto
la potencia es es cero, ec. 15.5.
P (kW ) = 0 (15.5)
Para la simulación se consideran tres estados posibles: Parado, Andando y Cargando. Para cada
paso de simulación el vehículo cambia o no de estado de acuerdo a probabilidades iguales a 0 o
1. No se considera el estado Generando (o entregando energía a la red) ya que la idea es usar
este estado para un caso particular y no en el caso base. Por lo tanto el caso Generando es un
171
caso particular del caso Parado donde a su vez se habilita una bandera booleana que indica las
horas que es posible generar.
Los cambios de estado son realizados de acuerdo al valor de las probabilidades de transición
que se muestran en la g. 15.3, su cálculo se describe a continuación.
172
Probabilidad de estacionar (PAP )
Como no existe la posibilidad de pasar del estado Andando al estado Cargando, esta probabi-
lidad se puede calcular según la ec. 15.7
PP P = 1 − PP A − PP C (15.10)
PAA P∗A 0
T = 0 PAA PAP (15.11)
PP C P∗A PP P
15.5. Resultados
En esta sección se muestran algunos de los resultados obtenidos. El simulador permite realizar
innidad de casos en un tiempo muy reducido por lo que es imposible abarcar en este trabajo
todas las combinaciones analizadas. Antes de mostrar los resultados, resulta interesante mencio-
nar el especial cuidado que hay que tener con las condiciones iniciales y el tiempo de simulación
de forma de obtener resultados coherentes. Posteriormente se muestran los resultados para los
tres casos de estudio. Estas simulaciones fueron realizadas para un parque de 3000 vehículos.
173
Pero para el estudio de impacto se realizaron simulaciones con un paquete de 500 vehículos, tal
como se explica en el siguiente capitulo.
La manera de que no sucedan estos efectos es simulando más de un día. Mediante diferentes
simulaciones del sistema se encontró de que tomar 5 días de simulación era una buena medida
para no depender del estado inicial de carga de las baterías. Por otra parte se tomo 0.3 como
carga inicial teniendo en cuenta que es el valor más representativo promedio de la hora de
comienzo de la simulación.
(1)
State of charge
174
15.5.2. Carga no regulada
En este caso se presenta la situación de lo que sucedería si no hubiese ningún tipo de incentivo
o penalización para cargar en ciertas horas. En el programa esto se traduce en permitir que el
usuario pueda cargar su vehículo siempre y cuando tenga cargador disponible. En la g. 15.6
se muestra la curva obtenida.
Tal como era de esperarse, la mayoría de los usuarios llegan a sus hogares y ponen a cargar los
vehículos generando un pico para las 21 horas. Esto generaría un gran inconveniente para el sis-
tema Uruguayo pensando en una gran incorporación de esta tecnología puesto que corresponde
con la hora del pico de la demanda de energía convencional [83].
175
Figura 15.7: Carga regulada entre las horas 19 y 23.
Luego resulta interesante dejar libre la posibilidad de entregar y de consumir energía de la red
para todas las horas del día y ver lo que sucedería. Se aprecia en la g. 15.11 un constante
intercambio entre generación y demanda.
Por último en la g. 15.12 se muestra la demanda neta de energía (donde los valores negativos
corresponden con inyecciones de energía a la red), en la cual se observa la uctuación entre
generación y demanda.
176
Figura 15.9: Carga y Descarga (V2G entre las horas 19 y 23).
177
Figura 15.12: Demanda neta de energía (Carga y descarga todas las horas).
178
Capítulo 16
Impacto en la demanda de energía
eléctrica asociada con la reconversión del
parque de automóviles
16.1. Introducción
En capítulos anteriores se realizó un desarrollo de las consideraciones básicas necesarias vincu-
ladas con la tecnología de autos híbridos y eléctricos que permitieron realizar un modelado de
cómo seria la demanda de energía asociada con el parque automotor híbrido eléctrico para una
ota que se desarrollara particularmente en Montevideo, Uruguay.
Por otra parte se caracterizó el crecimiento del parque automotor en el Uruguay y se brindaron
diferentes escenarios de penetración de autos híbridos y eléctricos mirando a futuro, particu-
larmente de cara a 2030.
En este capítulo se busca utilizar dicha información junto con proyecciones de desarrollo del
parque generador de energía del Uruguay y de la demanda de energía eléctrica, de forma tal
de poder evaluar el impacto en la demanda de energía eléctrica asociado con la reconversion
del parque de automoviles que trae aparejado la aparición de nuevas cargas/generadores en el
sistema.
El capítulo comienza explicando el modelado utilizado y luego se muestran los resultados de las
simulaciones. Asimismo estas simulaciones servirán de input para poder evaluar otros impactos,
los cuales serán desarrollados en capítulos posteriores.
La metodología desarrollada en este capítulo toma como referencia los trabajos [77] y [73], y
las simulaciones fueron realizadas sobre el software SimSEE.
180
para los proyectos de expansión de la generación y una mirada a largo plazo. A continuación
se comentan las hipótesis utilizadas para dicho modelado.
En la g. 16.1 se puede apreciar la demanda de energía (en GWh) para cada año hasta el 2033.
Es importante aclarar que esta es la demanda base que no incluye la eventual demanda que
podrían agregar el parque automotor, la cual será propia de cada uno de los casos que serán
estudiados en este capítulo.
181
Parque térmico
El parque térmico se lo puede dividir en tres grandes grupos, de acuerdo a su combustible: la
generación en base a fuel oil, la generación en base a gas oil y la generación en base a gas natural.
5ta unidad de central Batlle y Ordoñez con 75 MW, se sacaría de servicio a partir del
2021.
6ta unidad de central Batlle y Ordoñez con 120 MW, se sacaría de servicio a partir del
2021.
Sala B de central Batlle y Ordoñez con 50 MW, se sacaría de servicio a partir del 2015.
Central Punta del Tigre 300 MW (hasta 2014 donde empieza a trabajar con Gas Natural).
Por último en lo que reere a la generación con gas natural, los proyectos asumen el éxito en
la construcción de la planta regasicadora a partir del año 2014:
Central de Ciclo combinado con entrada escalonada desde 2014, con una etapa inicial de
180 MW y llegando a 480 MW para 2016, luego se asume una expansión más adelante de
esta misma fuente de generación, existiendo en 2029 unos 660 MW.
Generación Hidroeléctrica
Se modelan las 4 centrales existentes en la actualidad en Uruguay:
Central Hidroeléctrica Rafael Terra (Bonete): la única modelada con embalse con 120
MW.
182
Generación Eólica
La política energética antes mencionada supone una fuerte incorporación de energía de origen
eólico, en la g. 16.2 se muestra la evolución en la potencia de energía eólica instalada entre
2015 y 2030. Se asume para esta fecha existan disponibles unos 2600 MW de potencia de origen
eólico instalada.
Intercambios internacionales
Para el modelado realizado teniendo en cuenta la incertidumbre asociada no se modelaron
contratos de compra o venta de energía con los países vecinos. Respecto a los intercambios el
único modelado realizado reere a la posibilidad de exportar excedentes de vertimiento o de
generación eólica.
183
Se decidió elegir por tres grandes grupos de escenarios de acuerdo a la penetración planteada:
Realista, Pesimista, Optimista, que siguen la misma cadencia que la desarrollada originalmente,
aunque se abandona la clasicación en ENE, Dinámico y Mínima. Lo que se hace para llevar
estos tres casos a uno único es un promedio ponderado con los pesos de cada uno de estos
escenarios que en denitiva se encuentra bastante cerca del escenario Dinámico.
En la tabla 16.1 se muestra la cantidad de autos (híbridos y eléctricos puros) por año de acuerdo
a cada uno de los escenarios.
Por otra parte se eligen otros tres grandes grupos de escenarios de acuerdo al tipo de carga
y regulación existente, tal cual se habían denido en el capítulo Modelado de la demanda del
parque automotor híbrido - eléctrico : Carga Regulada, Carga No Regulada y Carga y Descarga a
la Red (V2G). Este segundo grupo no cambia la cantidad sino la forma de la demanda asociada
al parque.
184
16.5.1. Expansión pesimista
La expansión pesimista se presenta como el escenario más conservador en lo que respecta a la
penetración de esta tecnología en el mercado considerando unos 150.000 vehículos para 2030.
En las g. 16.3, 16.4 y 16.5 se observa la diferencia entre la demanda neta de energía para los
casos no regulados, regulados, y carga y descarga a la red respectivamente para este caso.
Figura 16.3: Demanda de energía con y sin autos (caso pesimista - no regulado).
Figura 16.4: Demanda de energía con y sin autos (caso pesimista - regulado).
185
Figura 16.5: Demanda de energía con y sin autos (caso pesimista - V2G).
En este caso se observa para 2030 un aumento de la demanda de un 5.25 %, 5,79 % y un 8.34 %
para los casos no regulado, regulado y V2G respectivamente. Cómo era de esperar no existen
diferencias signicativas entre los casos regulado y no regulado puesto que la energía deman-
dada por el parque automotor es básicamente la misma, dichas diferencias se pueden explicar
por el hecho de que se está realizando una simulación con paso semanal con lo que no se puede
llegar a apreciar a un 100 % las diferencias horarias. Por otra parte se está comparando un
promedio anual de incremento (en 2030) con otro.
Respecto del caso V2G el aumento era de esperar puesto que si bien se contribuye con la red
entregando energía en la hora pico, esto implica tener que cargar el vehículo por más horas
posteriormente implicando en un aumento neto de la energía demandada, con lo cual si bien
se contribuye para dar el pico la demanda en el valle es mucho más grande y durante más horas.
Estas consideraciones se mantienen para los casos que se verán a continuación Realista, y
Optimista.
186
Figura 16.6: Demanda de energía con y sin autos (caso realista - no regulado).
Figura 16.7: Demanda de energía con y sin autos (caso realista - regulado).
187
Figura 16.8: Demanda de energía con y sin autos (caso realista - V2G).
188
Figura 16.9: Demanda de energía con y sin autos (caso optimista - no regulado).
Figura 16.10: Demanda de energía con y sin autos (caso optimista - regulado).
189
Figura 16.11: Demanda de energía con y sin autos (caso optimista - V2G).
Para nalizar se puede observar en este caso un aumento de un 10.50 %, 11.57 % y 16.69 %
respectivamente para las tres modalidades de carga sugeridas. Se ve que se podría llegar a
un aumento signicativo de la demanda neta de energía aunque como se verá en el siguiente
capítulo a costa de alisar la curva de la demanda.
190
Capítulo 17
Impacto en la curva de demanda de
energía asociada con la capacidad de
almacenamiento de los vehículos eléctricos
17.1. Introducción
En el capítulo anterior se presentó el impacto en la demanda neta de energía eléctrica debido
a distintos niveles de incorporación de vehículos híbridos y eléctricos, así como también frente
a diferentes alternativas de carga. Como se pudo observar las principales diferencias se ven al
pasar de un escenario de incorporación a otro, el objetivo de este capítulo es evaluar el impacto
en la curva de la demanda debido a diferentes estrategias de carga, donde se observaran los
principales cambios entre una estrategia y otra y no tanto entre diferentes niveles de penetra-
ción a menos de un factor de escala.
Este capítulo en cierta forma completa el análisis comenzado en el capítulo anterior en lo que
respecta al impacto en la demanda de energía eléctrica.
17.2. Motivación
Estudios iniciales sobre como participa el vehículo eléctrico en la red, están de acuerdo en apro-
vechar los horarios de valle como carga de las baterías, como modo de utilizar de manera más
eciente las inversiones realizadas en la infraestructura de la red eléctrica. Para ello se requiere
algún tipo de regulación que imponga que esto se pueda llevar a cabo de esta manera (ya sea
con una señal de precios, con una bonicación o lisa y llanamente restringiendo la carga de
vehículos en ciertas horas del día). Así es que surgen los modelos de carga regulada y no re-
gulada. De más está decir que la regulación es necesaria puesto que el comportamiento natural
del usuario del vehículo eléctrico, que no tiene ningún tipo de restricción, sería cargarlo apenas
puede hacerlo.
Un ejemplo se obtuvo del plan MOVELE hasta el 2014, donde se muestra una curva de demanda
y la participación esperada de los vehículos eléctricos. En la g. 17.1 se observa dicha curva.
192
Figura 17.1: Alisamiento de la curva programa MOVELE. [74] [85]
Esta tecnología de carga inteligente se conoce como V2G (vehicle-to-grid), aspecto que también
debe ser complementado con otros incentivos -principalmente económicos- que modiquen la
conducta de los propietarios de los vehículos.
Se utilizaron cuatro postes de energía de acuerdo al orden el poste 1 abarca la hora pico de
energía de cada día de la semana, el poste 2 las cuatro horas que rodean a la hora pico, el poste
4 son las seis horas de más baja demanda del día (el valle) y por último el poste 3 son las horas
restantes del día.
193
Como se cuenta con la evaluación de lo que sucede en cada uno de los postes lo que se hizo fue
caracterizar la diferencia en la demanda por poste entre los escenarios con y sin autos y para
cada una de las estrategias de carga antes mencionadas. Luego se tiene el incremento porcen-
tual en cada uno de estos postes. A continuación, se considero un día promedio de demanda
y se normalizo pasándolo a por unidad de forma tal de que no importe el año en que se esté
manejando dicha información, ya que lo que sucede año a año es un crecimiento en la misma
proporción para cada punto de la curva de la demanda.
Con el día promedio de demanda de energía normalizado, se identicaron los postes y a cada una
de las horas del día se le aplicó el aumento (o reducción) porcentual por poste que resultaron de
la simulación. De esta forma se pudo construir una curva horaria con y sin vehículos eléctricos
pese a que la simulación fuera de paso semanal.
En la g. 17.2 se aprecian ambas curvas (con y sin vehículos eléctricos) y en el pico de la demanda
el aumento es de aproximadamente un 22 % promedio respecto al escenario sin vehículos
Figura 17.2: Curva horaria en caso no regulado con y sin vehículos eléctricos.
194
17.4.2. Carga Regulada
En el caso en que se de algún tipo de incentivo o penalización para no cargar en la hora pico
lo que se observa es que se produce un alisamiento en la curva de la demanda, aumentando
uniformemente durante todo el día y manteniéndose el pico de la misma forma. En la g. 17.3
se pueden apreciar ambas curvas.
Figura 17.3: Curva horaria en caso regulado con y sin vehículos eléctricos.
Figura 17.4: Curva horaria en caso V2G con y sin vehículos eléctricos.
195
Este fenómeno que se aprecia en la g. 17.4 podría ser tan signicativo como para implicar
una reducción en el 35 % del pico de la demanda, trasladando dicho pico para el horario del
mediodía.
196
Capítulo 18
Impacto en la demanda de petróleo
asociada con la reconversión de parque de
automóviles
18.1. Introducción
La incorporación de autos eléctricos al parque automotor en sustitución de vehículos tradicio-
nales de combustión interna ocasiona variaciones en el consumo previsto a futuro de derivados
de petróleo como nafta y gasoil, los cuales se sustituyen por electricidad que permite la carga
de las baterías de los vehículos eléctricos.
En este informe se presenta el impacto en el consumo de nafta y gasoil que se genera por la
incorporación de vehículos eléctricos al parque vehicular en base a los escenarios planteados
para su evolución en el período 2012 a 2030. A partir de la cantidad de vehículos que se prevé
se incorporarán y del modelo de la demanda de energía eléctrica atribuible a la carga de los
mismos, a través de las simulaciones energéticas realizadas, se analiza la variación en la estruc-
tura de abastecimiento de la demanda total del sistema a futuro, así como el impacto energético
considerando en conjunto el parque vehicular objetivo del estudio y el sistema eléctrico.
198
Para cada escenario de desarrollo del país se formularon tres escenarios de penetración de
vehículos eléctricos [69], el escenario Realista, el escenario Pesimista y el escenario Optimista.
En la tabla 18.1 se presentan los índices de penetración de cada categoría de vehículos eléctricos
en cada uno de los escenarios.
Los Vehículos Completamente Eléctricos (VCE) que solo tienen un motor eléctrico y no
poseen motor a combustión
Los Vehículos Híbridos Enchufables (VHE) que tienen un motor a combustión, un motor
eléctrico y baterías que se pueden cargar desde la red eléctrica
Los Vehículos Eléctricos de Rango Extendido (VERE) que además del motor eléctrico
poseen un motor a combustión que se puede utlizar para cargar las baterías y extender
el alcance del vehículo. Las baterías se pueden cargar desde la red eléctrica
Los Vehículos con Motor a Combustión Interna (VMCI) que son los vehículos convencio-
nales, que utilizan combustibles derivados del petróleo para su funcionamiento
199
Para la evaluación del impacto en la demanda de combustibles se seleccionó para el análisis el
escenario de crecimiento del país denominado como Dinámico intermedio [68] (1) .
18.2.2. Datos
Para determinar el consumo de combustible del parque existente y futuro se consideraron los
parámetros de la tabla 18.2 con respecto al consumo y rendimiento del tipo de vehículos que
componen el parque objeto del estudio.[87]
Estos datos están basados en el parque existente en Uruguay al 2006. A partir de los mismos
se realizaron promedios ponderados para determinar el recorrido medio de un vehículo a nafta
y un vehículo a gasoil así como los rendimientos medios, entre los vehículos comprendidos
en el parque objetivo, tomando como base la cantidad de vehículos de cada tipo para ese
año. En la tabla 18.3 se detallan los valores promedios obtenidos así como el poder caloríco
correspondiente a la nafta (95 supra) y el gasoil que han sido considerados. Cabe destacar que el
valor de la la Recorridos medios ponderados (km/año) eléctrico” de esta gura corresponde a
que no todos los vehículos eléctricos que se incorporan al parque son puramente eléctricos, sino
que al ser híbridos o eléctricos de rango extendido tienen un consumo de combustible asociado
que es obviamente menor que el asociado a un vehículo convencional. Se asumió aquí que el
40 % del recorrido anual de estas dos categorías de vehículos se realiza a partir de nafta.
(1)
El escenario Dinámico intermedio es un escenario posible y con un buen desempeño de crecimiento eco-
nómico. En el mismo algunos sectores presentan un desempeño en crecimiento de PIB y exportaciones bueno
pero que no alcanzan los valores máximos establecidos en el escenario ENE. No constituye un escenario que se
alcanza fácilmente sino que requiere de un esfuerzo importante
200
Para determinar el impacto tanto en el consumo de derivados de petróleo, así como de ener-
géticos en su conjunto, que la incorporación de vehículos eléctricos ocasionaría en el país se
consideró también el impacto en el sector eléctrico ocasionado por la demanda de la carga de
baterías asociada a este tipo de vehículos.
A partir del modelado de la demanda que surge de las proyecciones realizadas, se realizó la si-
mulación en SimSEE del abastecimiento del sistema eléctrico en escenarios con y sin vehículos
eléctricos. Como se mencionó anteriormente, los escenarios seleccionados para estas simulacio-
nes corresponden al escenario de crecimiento de PIB denominado como Dinámico y para cada
una de las hipótesis de penetración de vehículos eléctricos: Pesimista, Optimista y Realista.
Dado que los resultados de SimSEE se obtienen en unidades de energía eléctrica (MWh) y
reeren a la energía eléctrica efectivamente generada, se utilizaron los factores de la tabla 18.4
para determinar el consumo de combustible para los distintos tipos de centrales modeladas.
Los rendimientos que se presentan con respecto a las centrales se obtuvieron de datos de UTE
y del informe Evaluación de la disponibilidad de residuos o subproductos de biomasa a nivel
nacional”[88].
18.3. Resultados
Se presentan aquí los resultados obtenidos para los distintos escenarios estudiados. Los resul-
tados se separan en dos partes, una primera donde se presentan exclusivamente los ahorros en
consumo de nafta y gasoil que se obtienen de la incorporación de vehículos eléctricos sustitu-
yendo los vehículos con motor a combustión interna. En la segunda parte, estos resultados se
adicionan en términos energéticos a los combustibles requeridos para generar la energía eléc-
trica para abastecer la demanda, considerando como parte de esta demanda el consumo de
electricidad de los vehículos eléctricos.
201
Figura 18.1: Reducción del consumo de nafta.
Puede observarse que los ahorros llegan a casi un 35 % en el caso del consumo de nafta y casi
a un 25 % en el caso del gasoil. Esto es consistente con que se asumió una menor sustitución
de vehículos a gasoil por vehículos eléctricos. Es importante recordar que estos porcentajes de
ahorro se han calculado no con respecto al consumo de combustibles del parque automotor
total de Uruguay sino que están expresados con respecto a la evolución del consumo del total
de vehículos de las categorías que se asumieron como con mayor probabilidad de ser sustituidos
(2)
por vehículos eléctricos .
(2)
De acuerdo al capítulo Caracterización y evolución del parque automotor” dichas categorías corresponden
a automóviles de uso particular y transporte liviano. En el año 2006 esta porción del parque automotor repre-
sentaba del orden del 80 % del total de vehículos y tenía una participación del orden del 90 % en el total de
consumo de nafta y 27 % en el total de consumo de gasoil
202
18.4. Evolución del consumo energético total
A partir de los resultados de consumo de nafta y gasoil obtenidos para cada uno de los esce-
narios considerados resulta de interés analizar el impacto de los ahorros registrados cuando se
considera el consumo energético de esta porción del parque automotor y su impacto en el con-
sumo de combustibles para suministrar la demanda de electricidad que considera la alteración
que ocasionaría esta nueva fuente de demanda eléctrica.
Es así que a partir de las simulaciones del abastecimiento de la demanda para todos los escena-
rios seleccionados se analizó la composición del suministro de la demanda de energía eléctrica
total y se determinó la cantidad de energía en miles de toneladas equivalentes de petróleo (ktep)
que involucraría el suministro conjunto de la demanda de nafta, gasoil y electricidad.
En cada uno de los escenarios a futuro se asumió la misma estrategia de expansión del sistema
de generación. La expansión a futuro se realizará exclusivamente a través de la incorporación
de energía eólica y de ciclos combinados que utilizarán gas natural. Se prevé asimismo la incor-
poración de centrales de generación a partir de biomasa.
203
Figura 18.4: Consumo de fueloil para generar energía eléctrica.
204
Figura 18.6: Consumo de biomasa para generar energía eléctrica.
Cabe notar que el gas natural se asume disponible recién a partir del año 2014. Por otro lado,
la biomasa si bien tiene un costo asociado a su energía, se asume en su mayoría como autodes-
pachable o con un costo variable menor al de las centrales a gas, por lo que es la fuente que se
utiliza mayoritariamente una vez que se ha generado lo disponible a partir de la energía eólica
e hidráulica, antes que el gas natural, que sería el energético a partir del cual se completaría el
suministro de la demanda una vez que se encuentre disponible para el sistema. Esta congura-
ción desplaza la generación a partir de fuel oil y gasoil por resultar menos económicas.
Si bien la energía eléctrica obtenida a partir de biomasa representa siempre un entorno del 10 %
del total de energía eléctrica demandada (nunca llega al 20 %), se puede observar que el bajo
rendimiento del proceso de generación asociado a esta fuente hace que en realidad la energía
asociada a la biomasa antes de su transformación en energía eléctrica sea superior a los otros
energéticos considerados. Asimismo vale aquí la consideración que la biomasa constituye una
fuente considerada primaria que se aprovecha directamente para la generación de electricidad,
mientras que tanto el gasoil como el fueloil son combustibles secundarios que han surgido del
renamiento del petróleo, por lo que se están comparando energéticos de distinto grado de
procesamiento.
205
Figura 18.7: Composición del abastecimiento de la demanda de electricidad - escenario sin
vehículos electricos.
En la g. 18.8 se presenta la energía a partir de fuel oil, gasoil y gas natural que es necesaria
para cubrir la demanda de electricidad y de combustibles para el parque vehicular objeto del
estudio. En la demanda de energía eléctrica, para los escenarios Pesimista, Optimista y Realista
se incluye la demanda de electricidad correspondiente a los vehículos eléctricos. En la g. 18.9 se
adiciona a la anterior, la energía proveniente de la biomasa utilizada para generar electricidad.
206
Figura 18.9: Energía de combustibles asociados al suministro de la demanda de energía eléctrica
y parque vehicular considerado - fuel oil, gasoil, gas natural y biomasa.
En la g. 18.10 se presenta la diferencia entre cada escenario con vehículos eléctricos y el
escenario sin vehículos eléctricos, de la energía necesaria para suministrar la demanda eléctrica y
de combustible para vehículos, expresada n forma porcentual con respecto a la energía necesaria
en el escenario sin vehículos eléctricos. Se considera aquí la energía proveniente de fuel oil, gasoil
y gas natural. La g. 18.11 presenta la misma información pero adicionando en todos los casos
la energía proveniente de la biomasa.
207
Figura 18.11: Ahorro de energía - fuel oil, gasoil, gas natural y biomasa.
Puede observarse que en todos los años, en el escenario Optimista se produce un ahorro neto de
energía producida por el efecto de incorporar vehículos eléctricos, reducir el consumo de nafta
y gasoil en el parque vehicular, y suministrar energía eléctrica para el transporte. Se consigue
aquí un ahorro debido a que la energía necesaria para el transporte a través de los vehículos
eléctricos se genera con tecnologías más ecientes, en este caso generación de energía eléctrica
a gas natural, que la combustión en un motor de un vehículo convencional.
Se observa asimismo, que los ahorros disminuyen cuando se considera la energía proveniente de
biomasa. Esto resulta lógico pues la eciencia supuesta para la quema de la biomasa (26 %) es
comparable con la que se obtiene en un vehículo con motor a combustión interna que funciona
a nafta.
Estas tendencias podrían indicar que si se lograran escenarios más agresivos en cuanto a la
sustitución de vehículos eléctricos se estaría mejorando la eciencia en el consumo de energía
en general. Por otra parte, el cambio de los resultados al considerar o no la biomasa hace
que quede en evidencia que la sustitución de vehículos convencionales por vehículos eléctricos
aporta a la reducción de consumo energético en general siempre que se esté generando la energía
eléctrica necesaria a partir de tecnologías más ecientes de generación, como podrían ser los
ciclos combinados.
208
Capítulo 19
Impacto en la expansión y eciencia de las
redes por la utilización de la capacidad de
almacenamiento y generación distribuida
de los autos eléctricos
19.1. Introducción
Cuando los vehículos eléctricos toman carga del sistema donde se conectan, para cargar sus ba-
terías, se comportan como una demanda adicional, imponiendo a la red los costos característicos
de un consumidor, expresados normalmente en la forma de peajes, que se calculan mediante
las metodologías usuales de asignación [89]. Sin embargo, tal como se describió en capítulos
anteriores, en determinadas circunstancias los vehículos pueden también entregar energía a la
red, lo cual representa una capacidad de generación distribuida, que puede ser utilizada para
aliviar las redes, en particular durante las horas pico del sistema. Desde el punto de vista de la
expansión y eciencia de las redes, los efectos de la generación distribuida son principalmente
dos, el impacto en las pérdidas y el impacto en el uso de la red, aunque también un adecua-
do desarrollo de la misma permite lograr impactos positivos en la conabilidad y regulación
de tensión [91]. A continuación se muestra con ejemplos sencillos, el impacto de la generación
distribuida (GD) en las pérdidas y en la utilización de la red de distribución.
210
Figura 19.1: Ejemplo de red de distribución radial con GD.
La red se encuentra alimentada desde una subestación en el punto T. Existen dos cargas (D1
y D2) conectadas en los puntos A y B, y un generador distribuido (G) conectado en el punto
C. Las potencias demandadas por D1 y D2 son constantes e iguales a 200 kW. G tiene una
capacidad de generación de 400 kW. Asumiremos que la distancia entre el punto A y el punto
B es la misma que entre B y C y que además la distancia entre T y A es el doble que entre A
y B. Las impedancias de cada tramo de la red son las indicadas en la gura. Para simplicar
los cálculos, haremos las siguientes hipótesis:
Los módulos las tensiones en todas las barras son iguales a 1 p.u.
xr
Tomaremos como potencia base 100 kW y un valor de r = 0,001p.u. Con las hipótesis realizadas
es sencillo demostrar que las pérdidas en una línea (l ) pueden ser calculadas multiplicando el
valor de la resistencia (r ) por el cuadrado del ujo de potencia activa por la línea (p):
Para el caso de la g. 19.1 con el generador entregando 400 kW, resultan los ujos de potencia
activa indicados en la g. 19.2.
211
Para este caso las pérdidas totales en la red resultan: l = 0,001. (22 + 42 ) = 0,02p.u. , es decir
2 kW. Si ahora consideramos que el generador G no está presente en la red, resultan los ujos
de la g. 19.3.
Para este caso, las pérdidas en la red resultan: l = 42 . (2. 0,001) + 22 . 0,001 = 0,036p.u.,es decir
3.6 kW.
En conclusión podemos decir entonces que para el ejemplo particular de esta red de distribu-
ción, la presencia del generador G produce una reducción en las pérdidas de 3.6 kW a 2 kW, o
sea 44 %.
Es importante observar, sin embargo, que para el caso del generador conectado existe un valor
de potencia inyectada para el cual las pérdidas comienzan a ser mayores que en el caso en que
no existe generador o en que la inyección de potencia de éste es nula. Por otra parte, además,
existe un valor de potencia inyectada para el cual las pérdidas son mínimas. Este valor de po-
tencia se puede calcular y está en el orden de los 250 kW, siendo las pérdidas en la red para este
caso un poco mayores a 1 kW. Por otra parte, la generación dentro de la red de distribución
disminuye los ujos en la red de transmisión que la alimenta y por lo tanto las pérdidas en esta.
212
entre el ujo real y la capacidad de la línea o cable. En efecto, si se mira lo que ocurre con el
ujo de potencia en el tramo TA, se observa que antes de la conexión del generador, el ujo
era de 400 kW, mientras que con el generador entregando 400 kW el ujo en TA desciende a
0 kW. Distintos valores en TA pueden obtenerse según la potencia que entregue el generador,
pudiendo inclusive superar los 400 kW si la potencia entregada es lo sucientemente elevada
(mayor a 800 kW). Nuevamente, el impacto en la red provocado por la GD podrá ser positivo
(disminución en el uso) o negativo (aumento en el uso) dependiendo de los ujos iniciales en la
red, de la ubicación de la GD y de la cantidad de potencia inyectada por ésta.
A los efectos de este primer trabajo en el tema, se pretende estimar un impacto a nivel prome-
dio en el sistema eléctrico uruguayo, por lo que se utilizarán los costos de red asociados a la
demanda de un MW adicional en la hora pico del sistema. Para ello se utilizarán los resultados
obtenidos en [90], en el cual se determina un valor a partir de dos metodologías distintas, una
basada en el estudio de inversiones pasadas asociadas al incremento de la demanda pico en la
red, y la otra utilizando los valores de peajes vigentes. Ambas metodologías, llevan a valores
similares (38.5 USD/kW-mes y 35.25 USD/kW-mes, respectivamente), por lo cual se utilizará
para este trabajo el valor promedio entre ambos, 36.9 USD/kW-mes.
Sin regulación: No admite entrega de energía hacia la red, el usuario del vehículo realiza
la carga cuando desea (mayormente hay carga al regreso de la jornada laboral).
Con regulación: No admite entrega de energía hacia la red, pero el usuario del vehículo
no puede cargar en la hora pico de demanda.
213
V2G (Vehicle 2 grid): Es como el escenario Con Regulación, pero admitiendo entrega
de energía a la red, la cual se realiza en las horas pico de demanda.
Para el escenario Con Regulación, la carga de los vehículos se produce en las horas fuera de
pico y por lo tanto el impacto en las redes es en términos generales neutro.
Para el escenario Sin regulación, la penetración de los vehículos eléctricos produce costos
adicionales en el sistema que se pueden estimar en base al costo de red asociado a un MW
adicional. En la siguiente tabla se muestran los costos anuales, en cada unos de los casos sin
regulación. Se observa que para el escenario medio (realista) los costos adicionales son del orden
de 10 MMUSD en 2020, 70 MMUSD en 2025 y 260 MMUSD en 2030.
Para el escenario V2G, la carga de los vehículos se produce en las horas fuera de pico, no
imponiendo costos adicionales en la red. Sin embargo, los vehículos entregan su carga remanente
de baterías en las horas de pico, actuando como una capacidad distribuida que disminuye la
necesidad de capacidad en los circuitos, generando ahorros que se traducen en postergación
de inversiones. Para el caso medio (realista), se observan ahorros del orden de 14 MMUSD en
2020, de 100 MMUSD para 2025 y 370 MMUSD para 2030.
214
Capítulo 20
Impacto en la calidad del servicio eléctrico
ante la proliferación de autos eléctricos
con capacidad de generación distribuida
20.1. Introducción
La incorporación de autos eléctricos al parque automotor puede ocasionar diversos efectos en
el sistema eléctrico al tratarse de nuevas cargas que aparecen en forma distribuida en la red de
baja tensión.
Entre estos efectos se pueden mencionar: el deterioro de la calidad del suministro eléctrico debi-
do al aumento de la presencia de armónicos de corriente ocasionados por la conexión de cargas
no lineales a la red como son los cargadores necesarios para cargar las baterías de los vehículos,
el registro de huecos de tensión ante la conexión de los cargadores de los vehículos o cuando los
mismos se conecten para inyectar energía a la red en el caso que sea posible, la variación del
perl de tensiones de la red de Distribución, entre otros.
En este capítulo se presenta un estudio sobre los efectos que podría ocasionar la incorporación
masiva de vehículos eléctricos en determinadas topologías de circuitos de baja tensión de la red
de Distribución de Montevideo, en particular, la afectación del nivel de tensión de la red así
como el nivel de contaminación armónica que se podría registrar.
Para evaluar dichos efectos, se seleccionaron circuitos de tres barrios de la ciudad de Monte-
video donde, dado el nivel económico de su población, se presupone que serán las zonas de la
ciudad donde se observará una mayor penetración de este tipo de tecnología de vehículos. Los
barrios seleccionados fueron Pocitos, Punta Carretas y Carrasco.
Se modelaron distintos escenarios de incorporación y para cada uno de ellos se evaluó el nivel
de contenido armónico de la red y su compatibilidad con las normas aplicables [96], así como
la cargabilidad del circuito y la desviación de tensión que se ocasionaría en la red.
216
cortocircuito de la red a partir de la cual sean alimentados, en base a la resolución ENRE 99/97
[98].
En dicho software, se modeló la red trifásica de baja tensión partiendo de los transformadores
de media a baja tensión. La red aguas arriba el transformador se representó tomando en cuenta
la potencia de cortocircuito disponible en dicho punto.
Los usuarios se representaron como cargas lineales compuestas por una serie de resistencia e
inductancia.
En la determinación del modelado, se debe tener en cuenta la diversidad entre las distintas
fuentes de generación de armónicos, pues de otra forma, se pueden sobreestimar las consecuen-
cias producidas por el conjunto de cargadores funcionando simultáneamente.
Para este estudio se adoptó el modelado que surge del estudio realizado por W.M. Grady [95].
En dicho estudio se determina un modelo aplicable para un cargador de baterías que se conec-
tará a una red con varios otros cargadores funcionando en paralelo.
Para esta determinación se parte de los registros de las corrientes armónicas de un cargador
real. Dado que la potencia que consume el cargador varía durante el proceso de carga de la
misma, a partir de los datos iniciales se determina el espectro armónico para distintas potencias
del cargador.
217
probabilidad asociada que toma en consideración la distancia media típica recorrida por los
vehículos y el rango de autonomía que proveen las baterías.
En el estudio referido, a partir del análisis de la potencia consumida por un único cargador,
asumiendo que cada cargador se opera en forma independiente, se determina el contenido
armónico ocasionado por un conjunto de cargadores, tomando en cuenta las variables detalladas
anteriormente. Los resultados analíticos que se obtienen se corroboran a través de un algoritmo
computacional que utiliza el método Monte Carlo para determinar la potencia consumida por los
cargadores seleccionando aleatoriamente el comienzo de la carga de la batería y el estado inicial
de carga de la batería. Como resultado se observa que, distribuyendo uniformemente durante
un período de ocho horas el tiempo de comienzo de la carga, se obtiene que los valores medios y
la varianza de la corriente consumida por el conjunto de cargadores aumenta desde cero hasta
un valor máximo en un tiempo menor o igual al tiempo que le lleva llegar a ese máximo a un
cargador operando sobre una batería completamente descargada. La corriente consumida por el
conjunto de cargadores queda en ese valor máximo en forma constante, formando una meseta,
hasta luego disminuir en forma monótona hacia cero (g.s 20.1 y 20.2 - adaptado de [95]).
Tanto la solución analítica como los cálculos empleando el método Monte Carlo muestran que
la potencia media y las corrientes armónicas medias convergen a un mismo valor al considerar
un número de cargadores mayor o igual a 7.
Figura 20.1: Valor medio y varianza de la potencia consumida con respecto al tiempo .
218
Figura 20.2: Valor medio de la corriente para los armónicos 3, 5, 7 y 9.
Se determina entonces el comportamiento estadístico, del punto de vista de las corrientes ar-
mónicas consumidas, de un grupo de cargadores y en particular las corrientes armónicas con-
sumidas en en período de meseta (tabla 20.1).
Tabla 20.1: Valores estadísticos de las corrientes armónicas durante el período constante.
219
Figura 20.3: Forma de onda de la corriente consumida por el cargador en p.u.
Modalidades de carga
A los efectos de este estudio se supuso que los vehículos que mayoritariamente se incorporarían
al parque automotor serían los más pequeños en términos de baterías debido a que se asume que
el costo de los mismos será más accesible. Es por ello que se asumió que los vehículos tendrían
una batería con una capacidad de 16 kWh.
La carga de la batería puede ser rápida o lenta, dependiendo de las características de la misma.
En este estudio se analizaron tres tipos de carga, la carga baja o lenta, la carga media y la carga
rápida. Evidentemente el cargador requerido para cada uno de los tipos de carga es diferente
pero se asume que mantiene el contenido armónico relativo presentado en 20.2.2.
Para la carga lenta se asume que la potencia máxima consumida por el cargador es de 2.4 kW y
que la batería se carga completamente, partiendo de un estado de total descarga, en un tiempo
de seis horas. Para la carga media, la potencia máxima consumida por el cargador es de 3.6
kW y la batería llega a una carga completa en 4 horas. Por último, para la carga rápida la po-
tencia máxima consumida por el cargador es de 11.4 kW y la batería completa se carga en 1 hora.
Del punto de vista del modelo adoptado para el programa de simulación, los cargadores para los
vehículos se modelaron como fuentes de corriente para cada una de las componentes armónicas
conectadas en paralelo.
220
20.3. Circuitos y escenarios seleccionados
20.3.1. Circuitos estudiados
De acuerdo a los escenarios previstos a nivel país para la incorporación de vehículos eléctricos
al parque vehicular nacional, en las hipótesis más optimistas el porcentaje de participación de
estos vehículos con respecto al total llega a un 33 % al año 2030.
En las g. 20.4, 20.5 y 20.6 se presenta un esquema de los circuitos modelados en estas zonas,
basados en tendidos reales de la red de distribución de baja tensión de UTE.
221
En los tres casos se modeló la red de un circuito de baja tensión a partir de la salida del trans-
formador de media a baja tensión. En el caso de Carrasco se trata de una red puramente aérea.
En el caso de Pocitos se trata de una red subterránea con cable que alimenta directamente un
edicio de apartamentos y en el caso de Punta Carretas se trata de una red que sale en forma
subterránea por cable de la subestación y luego pasa a una red aérea de la que se alimentan
usuarios individuales y agrupamientos de algunos apartamentos.
Los datos de la red considerada para cada uno de los circuitos así como los usuarios modelados
se detallan en las tablas 20.2 y 20.3.
222
CARRASCO POCITOS PUNTA CARRETAS
Usuario Potencia (kW) Tipo de suministro Usuario Potencia (kW) Tipo de Suministro Usuario Potencia (kW) Tipo de suministro
1 6,6 MONOFÁSICO 1 2,2 MONOFÁSICO 1 5,5 MONOFÁSICO
2 6,6 TRIFÁSICO 2 3,8 TRIFÁSICO 2 9,2 MONOFÁSICO
3 6,5 TRIFÁSICO 3 2,2 MONOFÁSICO 3 15 TRIFÁSICO
4 5 TRIFÁSICO 4 4,6 MONOFÁSICO 4 1,32 MONOFÁSICO
5 12 TRIFÁSICO 5 3,7 TRIFÁSICO 5 2,2 MONOFÁSICO
6 6 TRIFÁSICO 6 3 TRIFÁSICO 6 2,2 MONOFÁSICO
7 30 TRIFÁSICO 7 3 TRIFÁSICO 7 2,8 MONOFÁSICO
8 3 TRIFÁSICO 2,3 MONOFÁSICO
9 3 MONOFÁSICO 2,2 MONOFÁSICO
10 3 TRIFÁSICO 8 2,2 Apto MONOFÁSICO
11 3 TRIFÁSICO 9 5,5 MONOFÁSICO
12 3 TRIFÁSICO 8,8 MONOFÁSICO
13 3 TRIFÁSICO 6,6 MONOFÁSICO
14 3 TRIFÁSICO 10 4,4 Apto MONOFÁSICO
15 6 TRIFÁSICO 11 2,25 MONOFÁSICO
16 3 TRIFÁSICO 12 5,5 MONOFÁSICO
17 3 TRIFÁSICO 13 7,6 TRIFÁSICO
18 3 TRIFÁSICO 14 5,5 MONOFÁSICO
19 3 TRIFÁSICO 15 2,2 MONOFÁSICO
20 3 TRIFÁSICO 16 2,2 MONOFÁSICO
21 3 TRIFÁSICO 3,3 MONOFÁSICO
22 3 MONOFÁSICO 17 7,4 Apto MONOFÁSICO
23 3 TRIFÁSICO 18 6,6 MONOFÁSICO
24 5,7 TRIFÁSICO 19 6,6 MONOFÁSICO
25 3 TRIFÁSICO
26 3 TRIFÁSICO
27 3 TRIFÁSICO
28 5,35 TRIFÁSICO
29 3 TRIFÁSICO
30 9 TRIFÁSICO
31 3 TRIFÁSICO
32 6 TRIFÁSICO
33 3 TRIFÁSICO
34 3 TRIFÁSICO
35 3 TRIFÁSICO
36 6 TRIFÁSICO
37 3 TRIFÁSICO
38 3 TRIFÁSICO
39 3 TRIFÁSICO
40 3 TRIFÁSICO
41 3 TRIFÁSICO
223
Figura 20.7: Esquema del circuito modelado en PSIM para el caso de Punta Carretas.
El rango a partir de las 20 horas se seleccionó pues se asume que la mayoría de los usuarios
cargará su vehículo una vez que haya llegado a su casa. El rango a partir de las 23 horas
sería factible si se adoptara alguna política de eciencia en la carga de los vehículos con el
objetivo de efectuar la carga fuera del pico del sistema. Asimismo, al ser una situación de
menor carga constituye un peor caso en cuanto al impacto relativo de las corrientes armónicas
en el sistema. Por último, se simuló un escenario de mínima carga del sistema, que equivale a la
carga registrada a las 4:00, para evaluar el impacto de la carga rápida, también en el supuesto
que constituye un peor caso en cuanto al impacto relativo de las corrientes armónicas en el
sistema.
224
Figura 20.8: Curva de carga diaria residencial en Montevideo.
20.4. Resultados
Se presentan aquí los resultados obtenidos en cuanto a la Distorsión Armónica Total en tensión
(THD) obtenida en cada uno de los nodos de conexión de usuarios y el valor máximo registrado
de la misma en la red.
225
Tabla 20.4: Resultados circuito Carrasco - Carga Lenta.
226
Tabla 20.6: Resultados circuito Carrasco - Carga Rápida.
Como puede observarse, la distorsión armónica total (THD) en tensión nunca supera el límite
admisible del 5 % según la norma IEEE519 [96]. Se observa que la distorsión es mayor durante
la carga media pero que no varía demasiado con la demanda de los usuarios, fuera de lo de-
mandado por los cargadores de baterías.
En esta situación la corriente máxima por la línea de baja tensión nunca supera el límite
permanente de corriente admisible por la misma.
227
Tabla 20.7: Resultados circuito Pocitos - Carga Lenta.
La distorsión armónica total (THD) en tensión supera el límite admisible del 5 % según la
norma IEEE519 [96] para el caso de cargadores de carga media tanto en el horario de 20:00
a 24:00 como en el horario de 23:00 a 2:00. La distorsión es entonces mayor durante la carga
media y en este caso aumenta levemente al aumentar la demanda de los usuarios, fuera de lo
228
demandado por los cargadores de baterías.
En esta situación la corriente máxima por el cable de baja tensión llega exactamente al valor
de corriente nominal del mismo en el caso de la carga media realizada a partir de las 20 horas.
229
Tabla 20.11: Resultados circuito Punta Carretas - Carga Media.
230
Tabla 20.12: Resultados circuito Punta Carretas - Carga Rápida.
En el circuito representado aquí, a diferencia de los casos anteriores, la gran mayoría de los
usuarios tienen suministro monofásico por lo que la distribución de los cargadores para los
casos de carga lenta y carga media se realizó de la misma forma que se encuentran distribuidos
los usuarios, que se asume que es en la forma más equilibrada posible, por lo que para todas
las condiciones de demanda de los usuarios, la distribución de los cargadores es la misma.
La distorsión armónica total (THD) en tensión, si bien es mayor que en los casos anteriores,
nunca supera el límite admisible del 5 % según la norma IEEE519 [96]. Se observa que la dis-
torsión es mayor durante la carga media pero no varía signicativamente ante la variación de
la demanda de los usuarios.
En los casos simulados, salvo en la situación de carga rápida, siempre se supera el límite de
corriente admisible del conductor en régimen permanente al menos en una de las tres fases. En
231
los casos de carga media se supera el valor de corriente nominal para las tres fases.
Tabla 20.13: Límites para usuarios BT con potencia contratada menor o igual a 10 kW.
232
Sin embargo, para el caso de clientes con potencia contratada superior a los 10 kW, los límites
se expresan como porcentaje a la corriente contratada (correspondiente a la potencia contra-
tada por el usuario). De esta manera, para consumidores importantes en términos absolutos
(Amperes), se tolera más polución armónica en quienes tienen mayor potencia contratada.
Tabla 20.14: Límites para usuarios BT con potencia contratada mayor a 10 kW.
Con el modelo de cargador de baterías analizado, los regimenes de carga manejados (lenta,
media y rápida), aplicando el Reglamento 99/97 del ENRE se tendría la siguiente situación:
Si el cliente tiene una potencia contratada que no supera los 10 kW, entonces no se cum-
pliría la reglamentación (recordar que en este caso los límites están dados en Amperes).
Si el cliente tiene una potencia contratada igual o superior a 10 kW, entonces cumple
la reglamentación (recordar que en este caso los límites están dados en % de la corriente
contratada).
En las g. 20.9 y 20.10 se presentan grácamente los mismos resultados anteriormente mencio-
nados.
233
Figura 20.9: Límites de emisión armónica individual - Cagas lenta y media. P <10 kW.
Entonces, en el caso argentino, para tener la posibilidad de efectuar cargas lenta o media en
su domicilio, el cliente debería contratar una potencia de al menos 10 kW. Si el cliente quisiera
disponer de la posibilidad de efectuar carga rápida, entonces tendría que contratar una potencia
de al menos 23.5 kW.
Es importante destacar que en países donde los PEVs han tenido mayor penetración, las cargas
rápidas se realizan en estaciones de servicio, mientras que las cargas lenta y media se realizan
en los domicilios de los usuarios.
234
Por otra parte, como se puedo observar en la Sección 20.3.1, las potencias contratadas por los
clientes de UTE en las zonas donde probablemente se dé la mayor penetración de PEVs son en
general inferiores a 10 kW. Por tanto, suponiendo la hipótesis de que los referidos clientes no
variarán drásticamente el resto de su consumo individual, la aplicación de una reglamentación
con límites similares a la 99/97 del ENRE (en el escenario de penetración de PEVs supuesto)
podría signicar económicamente inconveniente para los futuros usuarios de PEVs, y un even-
tual cambio importante en la infraestructura de las redes de distribución de UTE (se recuerda
que dicho cambio no se justicaría por problemas de caídas de tensiones excesivas o distorsión
armónica en tensión).
Es importante observar que no se ha hecho énfasis en la carga rápida, puesto que se supone
que por tratarse de estaciones de servicio, el costo de la potencia a contratar será una variable
más para que el inversor estime su costo inicial y de mantenimiento del negocio. Es decir, la
determinación del impacto de la Reglamentación en este caso ameritaría un análisis económico
más detallado, que excede el alcance de este trabajo. Lo mismo para el impacto en la infraes-
tructura de las redes de distribución, en donde las estaciones de servicio pueden ser asimilables
a cualquier otra actividad económica que necesite contratar la misma potencia.
235
Capítulo 21
Experiencias en la Conversión de un
Vehículo de la Flota de UTE a
Eléctrico[99]
21.1. Introducción
Como una empresa del Estado Uruguayo, UTE asume un rol proactivo en la promoción de
soluciones energéticas más convenientes para la sociedad uruguaya, en concordancia con las po-
(1)
líticas del Estado. En ese marco se creó en UTE un grupo multidisciplinario con profesionales
de diferentes sectores de la empresa, para estudiar la viabilidad de los vehículos eléctricos y el
impacto de su incorporación masiva en el Uruguay.
Con el objetivo de tener un banco de pruebas, y poder evaluar el desempeño técnico y econó-
mico de los vehículos eléctricos en la condiciones particulares de nuestro país, es decir, con las
condiciones de manejo que existen en el Uruguay y la diferente geografía que existe en Mon-
tevideo , y también, para poder identicar barreras a la hora de poder habilitar legalmente a
estos vehículos para su circulación, se decidió como primer hito contar con un vehículo eléctrico
propio.
En ese sentido, existen dos opciones posibles: a) obtener un vehículo elaborado completamente
en fábrica por alguna marca de la industria automotriz que fabriquen dichos vehículos, o, b)
convertir un vehículo convencional de combustión interna. Debido a que a nivel mundial esta
tecnología está en una etapa de investigación y desarrollo, y algunos fabricantes tienen mode-
los desarrollados en forma limitada circulando en países desarrollados, y por otro lado, en el
Uruguay existe una empresa con la capacidad técnica y experiencia en conversión de vehículos
de combustión interna a eléctrico puros, se resolvió en esta primera etapa la conversión de un
vehículo de la ota de la empresa, pasando a ser eléctrico puro.
(1)
UTE: Administración Nacional de Usinas y Trasmisiones eléctricas
236
21.2. Características del vehículo
El vehículo que se convirtió es una camioneta FIAT Fiorino del año 2000. Se sacó el motor de
combustión interna y todos los componentes que necesita esta tecnología para su funcionamien-
to: radiador, caño de escape, tanque de combustible y ltros de aceite, aire, combustible.
El vehículo cuenta con un motor eléctrico, un banco de baterías formado por 8 baterías AGM
selladas de ciclo profundo, un cargador on board, indicador digital en el tablero, sistema de
frenos regenerativos con asistencia por vacío en las 4 ruedas, y mantiene la caja de cambios
original del vehículo (5 marchas hacia delante y 1 marcha atrás) con tracción delantera.
Se instaló un medidor de energía monofásico dentro del vehículo, que registra la energía que se le
inyecta al banco de batería en cada carga. De esta manera se registra toda la energía, indepen-
dientemente del lugar de carga del vehículo.El vehículo cuenta con un sistema de seguimiento
satelital que permite su ubicación en forma remota.
237
21.3. Camino recorrido
Desde el desarrollo de la conversión hasta la actualidad, se han recorrido diferentes caminos
que se explicarán en los siguientes puntos.
21.3.1. Conversión
La conversión se realizó contratando a una empresa nacional con experiencia local e internacio-
nal. Dentro de los costos, se encuentran los de mano de obra y de los componentes eléctricos.
Estos últimos no tienen ningún tipo de benecios scales, pagando por ende todos los impuestos
para su ingreso al país, aumentando signicativamente el costo total que implicó el trabajo.
Asimismo, inicialmente se había diseñado el vehículo contando con baterías de 180Ah, las que
no pudieron obtenerse en un breve plazo, decidiéndose una modicación por baterías de 150Ah.
La cantidad de baterías debió determinarse buscando un equilibrio entre la autonomía necesaria
para el uso que se le daría al vehículo, y el peso total del banco de baterías.
21.3.3. Trámites
Una vez nalizado el trabajo técnico de conversión, se procedió a realizar los trámites de habi-
litación para que el vehículo pudiera circular en la vía pública. Se contactó a la Intendencia de
Montevideo (IM), generándose un expediente para que habilitara el cambio de motor. Luego
de varias semanas de gestiones con las autoridades de la IM, se denió un nuevo procedimiento
para que los siguientes vehículos eléctricos convertidos sean habilitados en un tiempo sensible-
mente menor al incurrido por UTE.
Una de las trabas que surgió fue que el motor no contaba con un número de serie de fábrica,
al tratarse de un motor fabricado especialmente para la empresa uruguaya que realizó la con-
versión. Actualmente existe un procedimiento en la IM para autorizar los cambios de motor
(generalmente de nafta a gas-oil), en el que los importadores de los motores generan un docu-
mento de importación por cada motor, de modo que la IM pueda controlar ese mercado.
La IM procedió al marcado del motor con un número propio, realizando el importador las ges-
tiones ante la Dirección Nacional de Aduanas, quién scalizó el motor, dando el visto bueno y
de esa manera regularizando el trámite en la IM.
Otro de los temas que resolvió la IM fue determinar el valor a cobrar por la Patente de Rodados
, ya que este vehículo no se encuentra en la tabla de vehículos (si bien gura la marca, modelo
y año, no existe ninguno con motor eléctrico). Por más que el valor del vehículo es superior a
uno similar de combustión interna (por el costo de la conversión, motor, equipos electrónicos y
238
baterías), se mantuvo el mismo valor de la patente.
A los efectos de circular por la vía pública, fue necesario modicar la póliza de seguros emitida
por el Banco de Seguros del Estado, empresa que presta ese servicio a UTE. Luego de una
inspección técnica, en pocos días se dio el visto bueno y la unidad quedó cubierta por el seguro,
adicionando a la prima el valor de la conversión y descontando el valor del motor sustituido.
Esto llevó a que se decidiera un cambio en los usuarios del vehículo, pasando a ser utilizado por
el Departamento de Ventas Montevideo, que realiza una actividad denominada Divulgación Es-
colar, donde funcionarios de UTE brindan charlas a alumnos de 6to año de enseñanza Primaria
sobre uso eciente y seguro de la energía eléctrica. En este caso el modo de manejo es menos
agresivo, los choferes planican el día para realizar cargas parciales durante el medio día si es
necesario. Por otro lado, uno de los temas a tratar en dichas charlas es el Vehículo Eléctrico y
los escolares pueden apreciarlo directamente, viendo entre otras cosas, la baja contaminación
sonora.
En base a la experiencia sobre los estilos de manejo, se detectó la necesidad de dar una charla
a los choferes del Dpto. de Ventas Montevideo sobre el modo de optimizar la conducción de
este vehículo. Si bien en una primera instancia se había considerado que esto no era necesario,
la realidad indicó que se trata de una nueva tecnología con sus particularidades que deben
atenderse.
239
Tabla 21.1: Prestaciones relevadas
240
En esta primera etapa, no se cuanticaron las ventajas que presentan los vehículos eléctricos
frente a los vehículos de combustión interna, en relación a los costos de mantenimiento. El
tiempo de uso del vehículo es aún breve para evaluar la vida útil de las baterías.
Como se muestra en la g. 21.1, el vehículo queda en modo Reserva luego que la tensión en el
banco de baterías es menor a 91V, limitando la velocidad a 50km/h (tensión en el banco entre
86V y 91V), y limitando la velocidad a 30km/h (tensión en el banco menor a 86V).
(2)
Costo de Nafta Super 95 SP correspondiente al 29/05/2012. Costo de Energía Eléctrica correspondiente al
precio de Valle de la Tarifa Doble Horario Residencial de pliego vigente desde el 01/01/2012. Tipo de cambio
Interbancario 20,348$/USD correspondiente al cierre de 28/05/2012.
241
Capítulo 22
Conclusiones nales
22.1. Introducción
El proyecto Hacia un transporte automotor racional y eciente: Autos Híbridos y Eléctricos
comenzó en el año 2011 y nucleó a diferentes investigadores de diversas áreas, como Ingeniería
Eléctrica, Mecánica y Química. Asimismo también participaron actores fuera de la órbita de la
Universidad de la República como es el caso de UTE, y la Dirección Nacional de Energía. En
este capítulo se realiza un pequeño recorrido sobre lo que han sido los diferentes aportes de los
grupos de trabajo del proyecto de forma de dar cierre a esta etapa así como también generar
un espacio de reexión de cara al futuro.
Este trabajo presenta dos partes bien diferenciadas. Los primeros capítulos del proyecto denen
el estado del arte de la tecnología y la situación actual en el mundo, mientras que la segunda
mitad del documento se muestran resultados obtenidos por los diferentes grupos de trabajo del
proyecto de forma de darle valor agregado y autóctono al desarrollo de este trabajo.
A su vez se hizo una mención al caso paradigmático del EV-1 de General Motors, que deja
de maniesto que las estrategias de impulso y promoción de los autos eléctricos en el mercado
automotriz, deberán tener en cuenta los intereses contrapuestos que surgen.
242
Se estudiaron las conguraciones existentes así como también diferentes arquitecturas posibles
para los sistemas de tracción.
Al día de hoy hay varios inconvenientes a tener en cuenta para que esta propuesta tecnoló-
gica tenga éxito, uno de ellos es el que deriva de la antigüedad de la industria automotriz.
Ésta ya está desarrollada y todos sus actores, directos e indirectos, tienen su lugar en la cade-
na productiva, cambiar esto implicaría demasiados recursos para esta industria, repercutiendo
fuertemente en la economía global.
Otro inconveniente que todavía no ha resuelto esta nueva tecnología, en particular para vehícu-
los eléctricos exclusivamente, es la capacidad de almacenamiento de energía. En un kilogramo
243
de combustible se almacenan 44,7 MJ, mientras que en la batería de un vehículo eléctrico se
almacenan 1,22 MJ por kilogramo, si el rendimiento de los motores a combustible es del 30 %
y el de los motores eléctricos fuera del 100 %, aún en estas condiciones los motores a gasoli-
na tendrían 11 veces más capacidad de acumular energía útil (es decir 11 veces más autonomía).
Además no hay que perder de vista, la fuente de la producción de energía eléctrica, si ésta
es más contaminante o tiene menor rendimiento que el motor, no tendría sentido convertir el
parque automotor por razones ambientales.
El estudio intrínseco de cada batería fue realizado mediante el modelado teórico de las ecuacio-
nes para la irreversibilidad del sistema por matlab en las curvas de polarización de las baterías
estudiadas. Se observó como factores principales de denición en los perles energéticos la trans-
ferncia de carga, en cuanto a la densidad de corriente de intercambio y el factor de simetría,
mas que los asociados con la transferencia de masa.
Se realizó un estado del arte de las baterías níquel-hidruro metálico con las baterías litio-ión
en contraposición con las celdas de combustible de hidrógeno. Se denieron los estados de
carga, los cuales denen entre un 20 y 80 % el accionar en motores híbridos, mediante medidas
244
directas de potencial de circuito abierto e impedancia potenciostática para la constante de
tiempo capacitiva encontrada.
Los estados de carga y descarga se pueden seguir perfectamente mediante los Diagramas de
Nyquist en la espectrocopía de impedancia electroquímica. Las dos baterías muestran dos cir-
cuitos equivalentes diferentes; Ni-MH con un circuito tipo Randless y una Warburg por difusión
de especies, mientras que Li-ion muestra un circuito mas complejo que requiere de 3 elementos
interfaciales.
Si bien los motores eléctricos son tecnologías muy maduras, el diseño de los mismos representa
un factor determinante para su aplicación en EV, como sucede con los motores de reluctancia
variable, que presentan desempeños mejores que los anteriores en aplicaciones de EV, pero
requieren de un diseño sosticado para su uso.
22.8. Convertidores
Para sistemas de propulsión de autos eléctricos con motores eléctricos de corriente alterna, la
conversión de energía desde las baterías hasta el motor se puede realizar adaptando el nivel de
245
tensión continua por medio de un convertidor DC-DC. De esta forma se puede implementar
un inversor no aislado que trabaje desde el nivel de tensión continua óptimo para manejar el
motor de alterna, al mismo tiempo que se selecciona el valor de tensión continua para el banco
de baterías que optimiza la relación capacidad-tamaño.
Se presentaron las características más sobresalientes de los motores eléctricos más utilizados
en aplicaciones de EV y EHV, principalmente cuando se utilizan en régimen generador. Se
presentaron los principios del frenado regenerativo, los criterios de diseño y las estrategias de
control más utilizadas.
Se desarrolló un modelo de auto eléctrico con banco de baterías, convertidor DC/DC, inversor,
motor/generador de inducción, dinámica del automóvil y control de freno regenerativo. El mo-
delo permite incorporar fácilmente distintas estrategias de control, de frenado regenerativo y
ciclos de conducción.
246
Las categorías de interés comprendieron los automóviles de uso particular y transporte liviano,
con una capacidad de hasta cuatro personas, un peso de hasta 2 Toneladas y un máximo de
5 puertas. Para la confección de la base de datos se clasicaron los vehículos de acuerdo al
combustible que consumen (nafta, gasoil) y de acuerdo a la zona del país donde se encuentran
(Montevideo, Interior).
La base de datos se confeccionó con datos disponibles a partir del Ministerio de Transporte y
Obras Públicas (Anuario estadístico de transporte 2007), del Ministerio de Industria, Energía y
Minería - Dirección Nacional de Energía, que contaba con el registro automotor de gran parte
de las intendencias, y del Instituto Nacional de Estadística que contaba con algunos registros
de la estadística de evolución del parque automotor.
La evolución a futuro del parque automotor objeto del estudio se realizó a partir del crecimien-
to esperado del Producto Bruto Interno (PBI), dada la alta correlación que esta variable ha
presentado en el pasado con el desarrollo del parque automotor en Uruguay. Se consideraron
tres escenarios para la evolución del PBI que surgen de un estudio realizado por OPP: Estrate-
gia Uruguay III Siglo Aspectos productivos [69]. Éstos son el Escenario Normativo Estratégico
(ENE), el Intermedio y el de Mínima. De acuerdo a la estimación de crecimiento del PBI para
cada uno de estos escenarios, se observa que el parque automotor a futuro llega a triplicarse al
año 2030 en el ENE, con respecto a la cantidad de vehículos existentes al 2008. En el Escenario
Dinámico Intermedio el parque se duplica en el mismo período mientras que en el Escenario de
Mínima el parque crece un 50 % también en ese período.
A su vez, a partir de estos escenarios base de desarrollo del parque automotor, se desarrollaron
escenarios para la introducción de vehículos eléctricos. De acuerdo con un estudio realizado
para la Comunidad Europea (Impact of Electric Vehicles - Directorate General for Climate
Action)[68] donde se toman en consideración los distintos aspectos que pueden inuir en el
desarrollo y la incorporación de vehículos eléctricos, se formularon tres escenarios para simular
la introducción de este tipo de vehículos en el parque automotor: Pesimista, Realista y Opti-
mista.
Dentro de cada escenario de introducción, se pondera la cantidad vehículos del parque de-
pendiendo de si se trata de Vehículos Completamente Eléctricos (VCE), Vehículos Híbridos
Enchufables (VHE), Vehículos Eléctricos de Rango Extendido (VERE) o los Vehículos con Mo-
tor a Combustión Interna (VMCI)
En todos los escenarios planteados se observa que los VHE son los que tendrán más participa-
ción en el mercado, mientras que los VCE serán los más rezagados.
En los todos los escenarios planteados el desarrollo del mercado automotor para los vehículos
eléctricos comienza a registrar un impacto en el total de vehículos a partir del año 2020. Para el
año 2030 en el escenario de mayor incorporación de vehículos eléctricos (Escenario Optimista),
el total de este tipo de vehículos (suma de las categorías VCE, VHE y VERE) representará
el 33 % del total del parque automotor, mientras que para el Escenario Pesimista el total de
vehículos eléctricos representará el 7 % del parque automotor para el año 2030.
247
22.11. Modelado de la demanda del parque automotor hí-
brido - eléctrico
En este capítulo se presentó un modelo para la demanda de energía del parque automotor
híbrido-eléctrico ajustado a la realidad Uruguaya de forma de utilizarlo para realizar los diver-
sos estudios de impacto sobre la penetración de este tipo de tecnología en el Uruguay.
Este modelo sienta la base para el resto de las simulaciones y estudios realizados en el resto del
trabajo.
Es importante para destacar de cualquier manera, más allá de los resultados obtenidos la
metodología utilizada que permiten realizar mejoras modulares sin tener que afectar lo que ya
se realizó. Otro aspecto a destacar del simulador es la rapidez con la que corre, obteniendo los
resultados en cuestión de minutos en computadoras convencionales.
Se simularon nueve casos diferentes, para tres escenarios de penetración de autos híbridos y
eléctricos (Pesimista, Realista, Optimista) y para tres escenarios de carga: no regulada, regu-
lada y carga y descarga a la red (V2G).
Se vio que para el caso más pesimista de incorporación sin permitir un régimen de carga y
descarga a la red se podría dar una aumento en la demanda neta de energía de aproximadamente
un 5.5 % respecto de la proyección a 2030, mientras que en el otro extremo para el caso más
optimista considerando un régimen V2G se podría llegar a un 16.69 % de incremento en la
demanda de energía respecto del escenario tendencial.
Se estudiaron los efectos para las tres alternativas de carga: sin regulación, con regulación,
carga y descarga a la red. En el primer caso se ve que se genera un sobre-pico en la hora de
248
más demanda de energía que podría implicar un aumento de hasta un 22 % de dicho pico. En
el segundo caso se ve que la curva se suaviza siendo menos pronunciado el pico respecto del
valle. En el último caso se ve que aparece un alivio en el pico de la demanda, donde los autos
vuelcan a la red su excedente de carga. Este fenómeno puede ser tan signicativo como para
reducir el pico de la noche en un 35 % pasando a estar el pico en el mediodía.
Se concluye necesaria la regulación para evitar efectos negativos sobre las redes y tener en cuenta
estos fenómenos para la planicación y desarrollo de estas. Alguno de los efectos negativos son
Impacto en la expansión y eciencia de las redes por la utilización de
estudiados en el capítulo
la capacidad de almacenamiento y generación distribuida de los autos eléctricos.
Del análisis realizado y considerando el consumo asociado a la porción del parque vehicular
correspondiente a los automóviles de uso particular y transporte liviano, surge que se podría
generar una disminución en el consumo de nafta cercano al 35 % y de gasoil cercano al 25 %
hacia el año 2030, en el escenario Optimista que es el que prevé mayor sustitución de vehículos
convencionales por vehículos eléctricos.
Por otro lado, cuando se estudia cómo la demanda de energía eléctrica adicional debido a los
vehículos eléctricos altera la composición de la generación del conjunto de la demanda de ener-
gía eléctrica, se observa que aumenta la generación a partir de biomasa y de gas natural.
249
Estas tendencias podrían indicar que si se lograran escenarios más agresivos en cuanto a la
sustitución de vehículos eléctricos se estaría mejorando la eciencia en el consumo de energía
en general. Por otra parte, el cambio de los resultados al considerar o no la biomasa hace
que quede en evidencia que la sustitución de vehículos convencionales por vehículos eléctricos
aporta a la reducción de consumo energético en general siempre que se esté generando la energía
eléctrica necesaria a partir de tecnologías más ecientes de generación, como podrían ser los
ciclos combinados.
Los vehículos híbridos y eléctricos que se conectan al sistema presentan un potencial de ahorro
en infraestructura de redes, cuando los ciclos de descarga y carga de baterías se coordinan con
las horas de pico y fuera de pico del sistema respectivamente. Esta situación se puede lograr
a través de señales tarifarias que reejen los costos y benecios que imponen los usuarios en
la red, con cargos que penalicen el consumo para la carga de baterías en horas pico y a su vez
paguen a los usuarios por inyectar potencia en estas horas.
El caso Sin regulación es desaconsejable, siendo el caso V2G el óptimo desde el punto de vista
del uso de la red eléctrica. Para este caso, y en un escenario medio, los ahorros a largo plazo
en infraestructura de red podrían llegar a 370 MMUSD anuales.
Para evaluar dichos efectos, se seleccionaron circuitos de tres barrios de la ciudad de Monte-
video donde, dado el nivel económico de su población, se presupone que serán las zonas de la
ciudad donde se observará una mayor penetración de este tipo de tecnología de vehículos. Los
barrios seleccionados fueron Pocitos, Punta Carretas y Carrasco.
250
aplicables (IEEE 519) así como la cargabilidad del circuito y la desviación de tensión que se
ocasionaría en la red.
De acuerdo a los resultados obtenidos no se registran problemas con la Total Harmonic Dis-
tortion (THD) en tensión, para los circuitos seleccionados como representativos de Carrasco,
Pocitos y Punta Carretas. Solo en el circuito de Pocitos y con carga media se obtienen valores
ligeramente superiores al 5 % establecido por IEEE 519. Debe tenerse en cuenta que estos re-
sultados se obtuvieron considerando que en cada uno de los hogares de los referidos barrios, se
dispondría de dos vehículos del cual uno de ellos es eléctrico. Esto constituye un caso hipotético
extremo, que si bien no representa lo que sucedería en un eventual escenario de penetración de
vehículos eléctricos, nos permite denir una cota extrema para la THD.
Por otra parte, en el mismo escenario de penetración de vehículos eléctricos tampoco se registran
problemas signicativos con la caída de tensión en las salidas de las subestaciones analizadas.
Con respecto a la emisión individual de armónicos de corriente, se desprende que los usuarios
deberían contratar potencias superiores a los 10kW a los efectos de cumplir con la reglamen-
tación de emisión armónica de acuerdo a la resolución ENRE 99/97. Corresponde mencionar
que los límites del ENRE manejados se desprenden esencialmente de la normativa internacional
IEC (IEC 61000- 3- 2 e IEC 61000-3-12) que en forma estricta reeren a equipamiento eléctrico
conectado a la red y no a usuarios. Por ello, y porque en el presente estudio se supuso que el
resto del equipamiento del usuario que está conectado a la red conjuntamente con el cargados,
no consume (o inyecta) armónicos a la red, se entiende que debería estudiarse la normativa
aplicable directamente a los equipos (cargadores) y no a los usuarios. Siguiendo en esta direc-
ción, se arma que quizás deba revisarse las exigencias en cuanto a emisión de armónicos para
los equipos cargadores de baterías para vehículos eléctricos.
Se vio que los costos operativos son bajos. El bajo costo de la energía eléctrica en comparación
con la nafta, hace que en operación el vehículo eléctrico sea económicamente más conveniente
que los vehículos de combustión interna.
En cuanto al valor de la Patente de Rodados que cobra la IM, deberá analizarse en el Congreso
de Intendentes si ese valor es coherente con una política del Estado en cuanto a fomentar el
uso de esta tecnología. A nivel de Montevideo, el mayor generador de contaminación sonora
son los vehículos a combustión. La incorporación de vehículos eléctricos implicará una drástica
251
disminución de la misma, logrando benecios tangibles a corto plazo para los ciudadanos.
Asimismo, los vehículos eléctricos no tienen emisiones de CO2. En el caso de Uruguay, muy
probablemente la energía utilizada para cargar las baterías será de origen renovable. Al igual
que se realiza en varias comunas de otras partes del mundo, sería lógico que se planteara una
exoneración por al menos 5 años de la Patente de Rodados, así como exonerar de los cos-
tos de estacionamiento tarifado en la vía pública. De esta manera, se demostrará con hechos la
intención de apoyar la incorporación de una tecnología limpia para el transporte en las ciudades.
Si bien las prestaciones relevadas en la práctica con las condiciones particulares de manejo en
nuestro país presentan una sensible diferencia con las prestaciones de diseño, la experiencia
para UTE ha sido valorada como muy positiva.
A nivel mundial se le está dando un gran impulso ideológico para comenzar a migrar el parque
automotor de combustión a eléctrico. Este impulso esta amparado en la mejor eciencia y en la
protección medioambiental que conlleva el uso de esta tecnología, pero debe superar las barreras
económicas y sociales para instalarse denitivamente en el seno de la sociedad.
Para lograr el advenimiento de los vehículos eléctricos en el mercado no alcanza solamente con
el desarrollo tecnológico, aumentar la eciencia y disminuir los costos, sino que es necesario
dar señales regulatorias y un impulso gubernamental. Hay que llegarle al usuario nal para que
elija los vehículos eléctricos, ya que no hay que dejar de lado que son los consumidores quienes
van a determinar el éxito de la penetración y del cambio.
Hay que tener en cuenta que no es solamente el vehículo, sino que se requiere toda una in-
fraestructura alrededor; se necesita una estrategia y una logística que deben de abordar los
municipios, las compañías eléctricas, etc. Es decir que hay una serie de cambios y modicacio-
nes que se tienen que dar en simultaneo.
252
Los vehículos híbridos y eléctricos van a cumplir un rol fundamental en el futuro, lo que no se
sabe bien de que manera se va a hacer la transición y cuando, pero si que este es el camino
correcto.
253
Apéndice A
Tabla comparativa de las diferentes
baterías utilizables para vehículos
eléctricos
Figura A.1: Tabla comparativa de las diferentes baterías utilizables para vehículos eléctricos
254
255
Índice de guras
6.1. (a) La electrolisis del agua. El agua es separada en hidrógeno y oxígeno al hacerle
pasar una corriente eléctrica a través de ella. (b) Una pequeña corriente uye. El
oxígeno e hidrógeno están siendo recombinados y generan energía en un proceso
inverso (par galvánico o pila). [46] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.2. Estructura básica de una CdC cátodo - electrolito - ánodo. [46] . . . . . . . . . . 68
6.3. Las reacciones en los electrodos y el ujo de las cargas para una CdC alcalina.
Los electrones uyen desde el ánodo al cátodo, pero la corriente convencional
positiva uye desde el cátodo hacia el ánodo. [46] . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.4. Diagrama de Energías en función de la coordenada de reacción. [46] . . . . . . . 70
6.5. Un banco de tres celdas donde se muestra como las placas bipolares conectan el
ánodo de una celda con el cátodo de su vecina. [46] . . . . . . . . . . . . . . . . 71
256
7.1. Curva de potencial vs. tiempo para la carga de hidrógeno y formación de hidruros
fase α y β y para la descarga posterior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7.2. Presión de equilibrio para la absorción de Hidrógeno por algunas aleaciones me-
tálicas, en función de la temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
10.1. Principio de operación de un Chopper Step-Down (o clase A): (a) Circuito básico
de Chopper; (b)-(e) Formas de onda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
10.2. Principio de operación de un Chooper Step-Up (o clase B): (a) Circuito básico
de Chopper; (b)-(d) Formas de onda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
10.3. Convertidor de 4 Cuadrantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
10.4. Convertidor DC-DC Bidireccional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
10.5. Esquema de Convertidor Boost para el diseño del controlador. . . . . . . . . . . 124
257
10.6. Respuesta en Frecuencia del Convertidor+Compensador Serie. . . . . . . . . . . 126
10.7. Modelo Simulink del sistema Convertidor DC/DC-Controlador. . . . . . . . . . 126
10.8. Modelo Simulink del sistema Convertidor DC/DC-Controlador. . . . . . . . . . 127
10.9. Convertidor DC/AC denominado Inversor (extraída de [25]). . . . . . . . . . . . 128
10.10.(a)Señales de referencias Va , Vb , Vc junto con la señal portadora triangular Vtr .
(b)Tensión fase a. (c)Tensión fase b. (d)Tensión fase c (extraída de [25]). . . . . 129
10.11.Inversor DC-AC con Modulación de Ancho de Pulso: (a) Topología del inversor;
(b) Señales de Control; (c) Tensión de referencia trifásica y portadora triangular;
(d)Tensión de la fase a; (e) Tensión de la fase b; (f ) Tensión de la fase c. . . . . 130
10.12.Respresentación de voltajes trifásicos en el espacio vectorial. . . . . . . . . . . . 131
258
14.4. Evolución a futuro del parque automotor a gasoil. . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
14.5. Evolución a futuro del parque automotor total. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
259
19.1. Ejemplo de red de distribución radial con GD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
19.2. Flujos con el generador G inyectando potencia a la red. . . . . . . . . . . . . . . . . 212
19.3. Flujos con el generador G desconectado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
20.1. Valor medio y varianza de la potencia consumida con respecto al tiempo . . . . . 219
20.2. Valor medio de la corriente para los armónicos 3, 5, 7 y 9. . . . . . . . . . . . . 220
20.3. Forma de onda de la corriente consumida por el cargador en p.u. . . . . . . . . . 221
20.4. Esquema del circuito de Carrasco. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
20.5. Esquema del circuito de Pocitos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
20.6. Esquema del circuito de Punta Carretas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
20.7. Esquema del circuito modelado en PSIM para el caso de Punta Carretas. . . . . 225
20.8. Curva de carga diaria residencial en Montevideo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
20.9. Límites de emisión armónica individual - Cagas lenta y media. P <10 kW. . . . 235
20.10.Límites de emisión armónica individual - Carga rápida. . . . . . . . . . . . . . . 235
A.1. Tabla comparativa de las diferentes baterías utilizables para vehículos eléctricos 255
260
Bibliografía
[1] Balance Nacional En Energía Útil De Uruguay 2006. Estudios de base para el diseño
de estrategias y políticas energéticas: relevamiento de consumos de energía sectoriales en
términos de energía útil a nivel nacional. Montevideo, 7 de Julio de 2009. MIEM-DNETN.
Proyecto OPP-BM 4598-UR-PNUD-URU/01/010.
[2] The state of the art of electric, hybrid and fuel cell vehicles C.C. Chan, Proceedings of
IEEE, Vol. 95 No. 4, April 2007.
[3] Power electronics for hybrid-drive systems. Renken, F.; Wolf, J. Power Electronics and
Applications, 2007 European Conference on 2-5 Sept. 2007 Page(s):1 - 10
[4] Top 10 tech cars. Voelcker, J. Spectrum, IEEE, Volume 46, Issue 4, April 2009 Page(s):42
- 4910 techo cars 2009
[5] Changing the electricity game. Nourai, A.; Schafer, C. Power and Energy Magazine, IEEE.
Volume 7, Issue 4, July-Aug. 2009 Page(s):42 - 47
[6] Cars as power plants? It could-and should-happen!. Roman, H.T. Power and Energy Ma-
gazine, IEEE, Volume 4, Issue 3, May-June 2006 Page(s):96 - 94.
[7] Charge! EVs power up for the long haul. Toepfer, C.B.; Spectrum, IEEE, Volume 35, Issue
11, Nov. 1998 Page(s):41 - 47
[14] Regeneration in electric vehicles. Miller, R.H.; Brockman, J.J.; Kusko, A. Vehicular Tech-
nology Conference, 1978. 28th IEEE. Volume 28, 22-24 March 1978 Page(s):156 - 156
[15] Optimization of parallel regenerative braking control strategy. Zhang Jingming; Song Bao-
yu; Niu Xiaojing; Vehicle Power and Propulsion Conference, 2008. VPPC '08. IEEE 3-5
Sept. 2008 Page(s):1 - 4
261
[16] Signal interfacing for hybrid electric vehicular electronics and an implementation study.
Hartavi, A.E.; Can Uygan, I.M.; Sezer, V.; Acarman, T.; Guvenc, L.; Kilic, V.; Yildirim,
M.; Vehicular Electronics and Safety, 2008. ICVES 2008. IEEE International Conference
on 22-24 Sept. 2008 Page(s):151 - 156
[17] A control method of accelerator of an electric vehicle. Sugisaka, M.; Tanaka, H.; Hara, M.;
SICE-ICASE, 2006. International Joint Conference 18-21 Oct. 2006 Page(s):5300 - 5303
[18] http://motor.terra.es/especiales-coches/articulo/coches-electricos-ecologicos-61026.htm
[19] http://es.wikipedia.org/wiki/VehiculoElectrico
[20] http://siguiendolassenales.blogspot.com/2008/11/un-poco-de-historia-autos-
elctricos.html
[21] http://www.sloshspot.com/
[22] http://wonkatehabla.blogspot.com
[23] http://www.evwind.es/
[24] Autos Híbridos y Eléctricos, Sergio Santana, Martín Mora, Gastón Hernandez, Gonzalo
Casaravilla, Fernando Berrutti. Proyecto de n de carrera de Ingeniería Eléctrica, año
2010, Montevideo, Uruguay.
[25] Modern Electric, hybrid electric and fuell cell vehicles-fundamentals theory and design
Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, and Ali Emadi, 2nd ed., CRC Press LLC, New York, 2009.
ISBN: 0849331544.
[26] http://www.mecanicavirtual.org/index.php/
[27] Ronald M. Dell. Clean Energy. Royal Society of Chemistry, Cambridge., 2004.
[28] Grolier. The Automobile. New Book of Popular Science 6th ed, Republic of China., 1978.
[29] L. Guzzella and C. H. Onder. Introduction to Modeling and Control of Internal Combustion
Engine Systems. Springer, Berlin, 2004.
262
[34] A. Calvo Hernández, J. M. M. Roco, A. Medina, and S. Velasco. An irreversible and
optimized four stroke cycle model for automotive engines. Eur. J. Phys., 17:1118, 1996.
[35] J. M. M. Roco, A. Medina, A. Calvo Hernández, and S. Velasco. Ciclo Otto con irreversi-
bilidades. Revista Española de Física, 12:3943, 1998.
[36] P. L. Curto-Risso, A. Medina, and A. Calvo Hernández. Theoretical and simulated models
for an irreversible Otto cycle. J. Appl. Phys., 104:094911(111), 2008.
[37] M. Mozurkewich and R. S. Berry. Optimal paths for thermodynamic systems: The ideal
Otto cycle. J. Appl. Phys., 53 (1):3442, 1982.
[38] S. Özkaynak, S. Götkun, and H. Yavuz. Finite-time thermodynamic analysis of a radiative
heat engine with internal irreversibility. J. Phys. D: Appl. Phys., 27:113943, 1994.
[39] S. Özkaynak. The theoretical eciency limits for a combined cycle under the condition of
maximum power output. J. Phys. D: Appl. Phys., 28:202428, 1995.
[40] J. Chen. The maximum power output and maximum eciency of an irreversible Carnot
heat engine. J. Phys. D: Appl. Phys., 27:114449, 1994.
[41] J. B. Heywood. Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill, 1988.
[44] Y. Ge, L. Chen, F. Sun, and C. Wu. Reciprocating heat-engine cycles. Applied Energy,
81:397, 2005.
[45] X. Qin, L. Chen, F. Sun, and C. Wu. The universal power and eciency characteristics
for irreversible reciprocating heat engine cycles. Eur. J. Phys., 24:359366, 2003.
[46] James Larmine; Andrew Dicks; Fuel Cell Systems Explained ; Editorial John Wiley y Sons.
Ltd; Año 2000; England
[47] Supramaniam Srinivasan; Fuel Cell From Fundamentals to Application ; Editorial Springer;
United States of America; Año 2009
[48] Robert A. Huggins; Advanced Batteries - Material science Aspects ; Editorial Springer; Año
2009 United States of America
[49] Masaki Yoshio; Ralph J. Brodd; Akiya Kozawa (Eds.); Lithium - Ion Batteries Science
and Technologies ; Editorial Springer; United States of America
[50] The state of the art of electric, hybrid and fuel cell vehicles C.C. Chan, Proceedings of
IEEE, Vol. 95 No.4, April 2007
[51] Aifantis K.E., Hackney S.A., Kumar R.V. High Energy Density Lithium Batteries: Mate-
rials, Engineering, Applications. 2010. Wiley-VCH.
263
[52] Nazri G-A., Pistoia G. Lithium Batteries: Science and Technology. 2003. Springer Science
and Business Media.
[53] Cheng S., Zhang J., Zhao M., Cao C. Journal of Alloys and Compounds 1999. 292-295.
814-820.
[55] Hammouche A., Karden E., De Donker R.W. Journal of Power Sources. 2004. 127, 105-111.
[57] Máquinas Eléctricas, Stephen J. Chapman, 4ta ed, 2005, Mc Graw-Hill Companies, Inc.
[58] Electric Vehicle Technology Explained, James Larminie, John Lowry, 2003, Wiley
[59] Role of High Power Semiconductor Devices in Hybrid Electric Vehicles, Madhwi Kumari,
P.R. Thakura and D.N. Badodkar. IEEE 978-1-4244-7882-8/11, 2011.
[60] A Bidirectional Power Converter for Battery of Plug-in Hybrid Electric Vehicles, Zheng
Chen, Ziling Nie, Yuhong Fu, and Chris Chunting Mi, Department of Electric and Com-
puter Engineering, University of Michigan-Dearborn, IEEE 978-1-4244-5226-2/10
[61] Design of a Bidirectional Buck-Boost DC/DC Converter for a Series Hybrid Electric Vehi-
cle Using PSCAD/EMTDC D.R Northcott, S. Filizandeh, A.R. Chevrels, IEEE 978-1-
4244-2601-0/09
[62] Dynamic Modeling and Control of Hybrid Electric Vehicle Powertrain Systems, B.K. Powel,
K.E. Bailey, S.R. Cikanek, October 1998.
[63] Design and construction of a bidirectional DCDC converter for an EV application, Magnus
Hedlund, Uppsala Universitet, Febrero 2010
[64] Bidirectional DC-DC converter fed drive for electric vehicle system, Premananda Pany,
R.K. Singh, R.K. Tripathi, International Journal of Engineering, Science and Technology
Vol. 3. No. 3, 2011, pp. 101-110.
[65] Control strategy of active power lters using multiple voltage source PWM converters,
IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. IA-22, pp. 460-465, Akagi, H. and Nabae, A., 1986.
[66] Pulse Width Modulation for Power Converters: Principles and Practice, Holmes, D., Lipo,
T., 2003
[67] Benchmarking of regenerative braking for a fully electric car,Varocky, B.J., Nijmeijer, H.,
Jansen, S., Besselink, I.J.M., Mansvelder, R., 2011. Eindhoven: Eindhoven University of
Technology.
[68] Impact Of Electric Vehicles ICF International & Ecologic Institute, April 2011.
[69] Estrategia Uruguay III Siglo - Aspectos productivos Ocina de Planeamiento y Presupuesto
- Presidencia de la República, Agosto 2009.
264
[70] Anuario estadístico de transporte Dirección nacional de transporte - Ministerio de trans-
porte y obras públicas, 2007.
[71] Plan Estratégico de Energía para Montevideo (PEDEM) Convenio IM-UDELAR/FI - In-
tendencia Municipal de Montevideo, Julio 2010
[72] Parque automotor del país - 1993 a 2005 Instituto Nacional de Estadística.
[73] Master Thesis Impact of the electric vehicle on the electric system Mélaine Rousselle, KTH
Electrical Enginering, 2009
[75] http://www.chevrolet.es/nuestros-modelos/volt/
[78] Stochastic Modeling of Power Demand due to EVs Using Copula, Alicja Lojowska, Student
Member, IEEE, Dorota Kurowicka, Georgios Papaefthymiou, Member, IEEE and Lou van
der Sluis, Senior Member, IEEE
[79] The impacts of extra load from EVs in the Netherlands: A North-West Europe case study
Alicja Lojowska, Ana Roxana Ciupuliga, Georgios Papaefthymiou and Ecofys Germany
GmbH Electric Power Systems Group, Delft University of Technology- The Netherlands
[80] Probabilistic Modeling of EV Charging and Its Impact on Distribution Transformer Loss
of Life Sachin Argade, Visvakumar Aravinthan, Ward Jewell Department of Electrical
Engineering and Computer Science Wichita State University Wichita, KS, USA
[81] Plug-in HEV Charging for Maximum Impact of Wind Energy on Reduction of CO2 Emis-
sions in Propulsion Rakesh Patil, Jarod Kelly, Hosam Fathy, Zoran Filipi
[82] Distribution of PEV Charging Resources to Balance Transformer Life and Customer Sa-
tisfaction Q. Gong, S. Midlam-Mohler, V. Marano, G. Rizzoni. Center for Automotive
Research The Ohio State University Columbus, OH, USA
[87] Estudio Del Consumo De Energía Del Sector Transporte - Estudios de base para el diseño
de estrategias y políticas energéticas: relevamiento de consumos de energía sectoriales en
términos de energía útil a nivel nacional MIEM/DNE - Fundación Bariloche - Programa
de Estudios e Investigaciones en Energía, Diciembre 2008.
265
[88] Evaluación De La Disponibilidad De Residuos O Subproductos De Biomasa A Nivel Na-
cional Ing. Carlos Faroppa - MIEM/DNE, Setiembre 2010.
[89] Cost-causality based taris for distribution networks with distributed generation, Mario
Vignolo. PhD Tesis, año 2007, Montevideo, Uruguay.
[92] Allocation of losses in distribution systems with embedded generation, Mutale, J., Strbac,
G., Curcic, S., Jenkins, N., IEEE Proc.-Gener. Transm. Distrib. 147(1), 1-8, 2000, Monte-
video, Uruguay.
[93] IEC 61000-3-2: Electromagnetic Compatibulity (EMC) - Part 3-2: Limits - Limits for
harmonic current emissions (equipment unput current lower than 16 A per phase. 2001.
International Electrotechnical Commission.
[94] IEC 61000-3-12: Electromagnetic Compatibulity (EMC) - Part 3-12: Limits - Limits for
harmonic currents produced by equipment connected to public low-voltage systems with
input current >16 A and <75 A. 2004. International Electrotechnical Commission.
[95] A Statistical Method for Predicting the Net Harmoic Currents Generated by a Concentra-
tion of Electric Vehicle Battery Chargers P.T Staats; W. M. Grady; A. Arapostathis; R.S.
Thallam, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 12, No. 3, July 1997.
[96] IEEE 519 - 1992: Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power Systems 1992. IEEE.
[97] Reglamento de Calidad de Servicio de Distribución de Energía Eléctrica Octubre 2010.
URSEA.
[98] Resolución ENRE N◦ 99/97- Anexo. Base Metodológica para el Control de la Emisión de
Perturbaciones Producto Técnico - Etapa 2 Enero 1997. ENRE.
[99] Vehículo Eléctrico: de la teoría a la práctica. Experiencias en la Conversión de un Vehículo
de la Flota de UTE a Eléctrico Ing. Gastón Hernández y Lic. Cr. Fernando Costanzo, Junio
2012.
266