1.0 OBJETIVO:
La finalidad de este trabajo es el planteamiento de un sistema híbrido baterías-celda de combustible para un vehículo eléctrico, que permita aprovechar las bondades de cada sistema de suministro de energía, seleccionando adecuadamente una celda de combustible de hidrógeno que pueda acoplarse al sistema eléctrico del vehículo.
1.1 INTRODUCCIÓN
El proyecto que dio origen a este trabajo fue el desarrollo de una motocicleta eléctrica híbrida (baterías-celda de combustible), realizado conjuntamente en el Instituto de Ingeniería y la Facultad de Ingeniería de la UNAM.
En esta tesis se describirán los antecedentes de la conversión de la motocicleta de sistema de combustión interna a tracción eléctrica, el desarrollo de la instrumentación para medir las distintas variables que permitan realizar su caracterización, así como el proceso de caracterización de la motocicleta eléctrica para obtener sus parámetros de operación (autonomía, corrientes máxima y promedio, potencias máximas y promedio).
Se darán a conocer los resultados y el análisis de las pruebas realizadas a la motocicleta eléctrica, operando únicamente con baterías. Con el análisis de los resultados se elegirá la celda de combustible adecuada para ese sistema eléctrico, así como el sistema de control, de producción y de almacenamiento de hidrógeno. Finalmente se hará el planteamiento para el acoplamiento de la celda de combustible al sistema eléctrico para lograr el sistema híbrido (baterías-celda de combustible).
El proyecto del vehículo híbrido a hidrógeno se planteó porque en el panorama energético de México y el mundo, los pronósticos anuncian escasez de petróleo en tan sólo diez años, por lo que es urgente empezar a desarrollar tecnologías alternativas para producción de energía y una opción viable como vector energético es el hidrógeno. Se puede obtener de fuentes renovables como la solar, la eólica o la biomasa y se considera fuente de energía limpia ya que en los procesos para producir energía eléctrica o trabajo mecánico, ya sea con celdas de combustible o por combustión, los residuos son agua y calor.
Actualmente el 90% de la producción de hidrógeno se hace mediante reformación de gas natural, este proceso sigue dependiendo de los hidrocarburos, el otro 10 % se realiza mediante la electrólisis del agua, método que se puede aprovechar en el futuro utilizando energías alternas.
Un planteamiento para la producción del hidrógeno utilizando energías renovables es tener un sistema de generación que esté conectado constantemente a la red de distribución eléctrica y en los momentos que exista poca demanda, con el excedente de energía en la red se puede producir el hidrógeno utilizando electrolizadores.
También en lugares donde no exista red de distribución de energía eléctrica, se puede tener un sistema de generación distribuida donde se le pueda dar un uso eficiente al hidrógeno producido, no sólo para generación de electricidad sino también para combustión.
Existen algunas ventajas hoy en día para la generación de energía utilizando hidrógeno; en las celdas de combustible se puede llegar a tener eficiencias de hasta un 80 % que en comparación a un motor de combustión interna con eficiencias de alrededor del 25%, es bastante significativo. La producción de hidrógeno por electrólisis también tiene altos grados de eficiencia, cercanas al 90 %, esto da un sistema de producción-generación en base al hidrógeno bastante eficiente. En el futuro y con la investigación de nuevas tecnologías, las eficiencias pueden mejorar y los costos se pueden reducir, esto es importante ya que las celdas de combustible son caras y tienen una vida muy corta.
Se planteó el sistema eléctrico híbrido, baterías-celda de combustible, ya que si se combinan los dos sistemas, se llega a tener una mejor relación costo-beneficio. En nuestro caso, se elige una celda de combustible que cubra la demanda básica de potencia y en los momentos en que se tenga un pico de demanda, las baterías aportarán la potencia necesaria para cubrirlo. En el momento en que no se consuma energía por parte del motor, la celda de combustible cargará las baterías. Así se logra tener un mejor desempeño de la celda de combustible evitando su degradación en los picos de corriente y se invierte menos dinero en ella.
El desarrollo de vehículos híbridos en la actualidad ha tenido un impacto importante en la sociedad y los fabricantes de vehículos comerciales han iniciado la comercialización de los primeros vehículos híbridos (gasolina-baterías). Como sabemos es importante empezar a actuar para evitar la contaminación ambiental, mejorar o cambiar los sistemas energéticos para evitar la desmedida explotación de hidrocarburos. La ventaja de los sistemas híbridos es que es posible aprovechar las propiedades de ambos sistemas (motor eléctrico- motor de combustión interna) y con un control inteligente para la adecuada interacción de cada elemento, brinde una mayor eficiencia, un mejor desempeño y un menor índice de contaminación. Existen complementos en el sistema híbrido como es el frenado regenerativo, donde el motor eléctrico en el momento en que el coche está en movimiento y se quiere frenar se convierte en un generador para cargar las baterías. Esto permite recuperar una pequeña parte de la energía que normalmente se disipa en las balatas. En comparación con un automóvil de combustión interna que tiene índices de consumo de gasolina promedio de 11.7 km/l, el automóvil híbrido brinda alrededor de 25 km/l, lo cual es una gran ventaja para ahorrar combustible y contaminar menos. El sistema que nosotros proponemos es un sistema híbrido puramente eléctrico, ya que no se usa el motor de combustión interna: en su lugar, la celda de combustible alimentada por hidrógeno suministrará electricidad en paralelo con las baterías al motor eléctrico. Con este diseño se propone un sistema que no dependa de los hidrocarburos para su funcionamiento.
1.2 CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO
La motocicleta eléctrica se modificó en prácticamente toda su estructura, se cambió el motor de combustión interna por un motor eléctrico, el chasis se transformó principalmente de la parte trasera, dejando un eje con dos llantas, tipo triciclo. Se agregaron amortiguadores y espacios para colocar las baterías y motor eléctrico y debajo del asiento se instaló el controlador de velocidad (troceador). La estructura está hecha con tubos y ángulos de acero. Cuenta con un freno de tambor delantero. El acelerador está típicamente colocado en el manubrio, y con un chicote llega a un acelerador electrónico (variador de voltaje) que regula el voltaje de salida del controlador de velocidad.
Dimensiones:
-Largo: 183 cm
-Ancho: 58 cm
-Alto: 93 cm
-Peso: 100 kg
1.2.1 CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS
El sistema eléctrico está formado por 3 componentes principales:
-Motor eléctrico
-Baterías
-Controlador y algunos otros componentes secundarios de protección y medición, conectados como se muestra en la figura 1:
FIGURA 1. DIAGRAMA ELÉCTRICO DEL VEHÍCULO
-MOTOR ELÉCTRICO
Existen diferentes tipos de motores eléctricos que se clasifican principalmente por el tipo de alimentación eléctrica a la que están conectados, en: motores de corriente alterna y motores de corriente directa. Los motores de corriente continua o directa, tienen la ventaja de que sus controladores de velocidad son sencillos, económicos y tienen altos pares de arranque. Los motores de corriente alterna son ligeros, tienen menor volumen, requieren poco mantenimiento y son más eficientes, pero sus controladores de velocidad (inversores) son bastante más complejos y caros que los de los motores de corriente directa.
Los motores de corriente directa tienen distintas configuraciones:
-Excitación en Serie: El campo magnético lo obtiene de una bobina conectada en serie con el inducido, por lo que la misma corriente fluye en los dos circuitos. La corriente depende de la velocidad y del par. Puede ofrecer un alto par de arranque.
FIGURA 2: MOTOR CON CAMPO EN SERIE
-Excitación en Derivación: El campo magnético está conectado en paralelo con el circuito interno del inducido. La corriente en esta configuración es prácticamente independiente de la velocidad y la corriente es proporcional al par. No ofrece gran cantidad de par.
FIGURA 3: MOTOR CON CAMPO EN PARALELO
-Excitación Independiente: Reciben el campo magnético de una fuente externa a su circuito interno, ya sea una bobina o un imán permanente. Tienen un excelente par de arranque y una alta eficiencia debido al campo constante.
FIGURA 4: MOTOR CON CAMPO INDEPENDIENTE
-Excitación Compuesta: Tiene los dos circuitos de campo, en paralelo y en serie, por lo que da como resultado una combinación de los dos tipos de motores.
FIGURA 5: MOTOR CON CAMPO COMPUESTO
La motocicleta cuenta con un motor eléctrico de corriente directa, marca Applied Motors Inc., de tipo excitación independiente con imanes permanentes, con las siguientes características:
-Voltaje nominal: 36 V
-Corriente nominal: 35 A
-Velocidad: 3600 RPM
-Potencia nominal: 1.5 HP (1.1 kw)
-Par:2.1lb/ft
–BATERÍAS
FIGURA 6: MOTOR DE IMANES PERMANENTES
Una batería es un dispositivo electroquímico que almacena energía en forma química. Al conectar sus terminales a una carga, la energía química se convierte en energía eléctrica debido a la diferencia de potencial y al flujo de corriente en la carga eléctrica conectada a ella. Está formada por celdas que tienen dos electrodos (positivo y negativo) y se conectan en serie para aumentar el voltaje.
Las baterías tienen una resistencia interna que puede variar dependiendo de su estado de carga; normalmente se quiere que su resistencia interna sea baja para que puedan entregar mayor cantidad de energía en un determinado tiempo y tengan menos pérdidas.
Características de las baterías:
-Capacidad: La capacidad está expresada en amperes-horas (Ah) y nos dice la cantidad de corriente que se puede tomar de la batería durante un determinado tiempo. Normalmente se puede obtener este dato utilizando una gráfica que indica el tiempo de descarga y la capacidad a esta tasa de descarga. La eficiencia de la batería puede variar dependiendo del rango de descarga, si se utiliza una mayor cantidad de corriente en un determinado tiempo la eficiencia será menor, si se utiliza poca corriente en el mismo tiempo la eficiencia será mayor. Existen baterías de ciclo profundo que se pueden descargar hasta en un 80%, pero si la batería no es de este tipo puede perder hasta un 40% de su capacidad inicial.
-Voltaje Nominal: Es la suma de los voltajes producidos por cada una de las celdas que componen la batería. Para una batería Plomo-Ácido con 6 celdas, con voltajes nominales de 2 V por celda, da un voltaje nominal de 12 V.
-Vida útil: La duración de una batería está dada por los ciclos de carga-descarga a la que se somete. Normalmente una batería puede perder entre el 2 % y el 25 % de su capacidad cada año. La vida de una batería está ligada a las temperaturas de funcionamiento, si se someten a temperaturas altas en la carga o descarga los materiales con que están hechas se degradarán y su vida disminuirá.
–Densidad de energía: Nos indica la cantidad de energía por unidad de volumen: Wh/l.
-Energía específica: Nos indica la cantidad de energía por unidad de peso Wh/kg. Actualmente la batería con menor densidad de energía es la batería de plomo-ácido y la que tiene mayor densidad es la de aluminio–aire.
-Densidad de Potencia: Expresa qué tan rápidamente se puede obtener energía de una batería que tiene un volumen determinado. A partir de este dato se puede obtener la corriente máxima que puede entregar. La densidad de potencia se expresa en W/l.
-Potencia específica: Expresa qué tan rápidamente se puede obtener energía de una batería que tiene un peso determinado. A partir de este dato también se puede obtener la corriente máxima que puede entregar. La potencia específica se expresa en W/kg.
-Eficiencia: Es la relación porcentual entre la energía eléctrica recibida en el proceso de carga y la energía que la batería almacena y que puede entregar durante la descarga. La batería de plomo-ácido tiene eficiencias que pueden ser de más del 90%.
-Batería Plomo-Ácido:
FIGURA 7: COMPARACIÓN DE BATERÍAS
Fueron fabricadas por primera vez por Gaston Planté en 1859. Este tipo de baterías son las más económicas del mercado ya que sus materiales son baratos y abundantes. Los electrodos internos están hechos de Plomo así como el electrodo negativo y positivo de cada placa. El material activo de la placa positiva es el óxido de plomo (PbO2), y su electrolito es ácido sulfúrico, cuentan con separadores entre placas, para evitar el contacto e impedir que se produzca un corto circuito. Tienen una energía específica de 25 a 35 Wh/kg, lo que es bajo en comparación a las demás pero tienen una buena potencia específica, alrededor de 200 W/kg, lo cual es adecuado para la aceleración de vehículos eléctricos. Ofrece alrededor de 1000 ciclos de carga-descarga al 80%.
EL PRESENTE TEXTO ES SOLO UNA SELECCION DEL TRABAJO ORIGINAL. PARA CONSULTAR LA MONOGRAFIA COMPLETA SELECCIONAR LA OPCION DESCARGAR DEL MENU SUPERIOR.