Dimensionamiento de las baterías

En el presente apartado se va a dimensionar las baterías para poder realizar las maniobras de adelantamiento y permitir que el vehículo se mueva en autopista de forma totalmente eléctrica. Para moverse en carreteras que no contasen con catenaria o en ciudad, sería necesario hacer un estudio más completo, estudiando si sale más rentable desde el punto de vista económico, de carga y ambiental ampliar las baterías o implementar otro tipo de sistema de tracción como puede ser un motor de combustión interna tradicional o algún sistema que reduzca el impacto ambiental como puede ser el hidrógeno o el gas natural. Para realizar el dimensionamiento de las baterías se va a buscar la situación de adelantamiento más desfavorable para las mismas y se va a ir reduciendo el tamaño de las baterías en sucesivas simulaciones hasta conseguir los resultados deseados. Se recuerda que en el apartado 4.4.3 se definió una batería de 12700 celdas (190 en serie y 67 en paralelo) en una primera aproximación con la que el vehículo tenía una autonomía de unos 50 km muy superior a la necesaria para realizar la maniobra de adelantamiento. El parámetro que se va a modificar es el número de celdas en paralelo, ya que el número de celdas en serie está determinado por la tensión de la batería.

6.7.1 Maniobra más desfavorable

En primer lugar, se va a elegir la maniobra de adelantamiento más desfavorable para las baterías. En esta maniobra, el coche que circula por la izquierda irá a una velocidad constante de 24 m/s, limitando la velocidad de adelantamiento del camión. El líder circulará a una velocidad de 23 m/s que es la velocidad límite para que el camión decida adelanta, ya que a velocidades superiores el tráiler determina que la velocidad es demasiado cercana a su velocidad máxima como que sea rentable realizar el adelantamiento. Sin embargo, cuando el camión está muy cerca de superar la posición del líder, éste último acelera poniéndose a una velocidad de 25 m/s, superior a la que circula el coche que va por el carril izquierdo. Por lo tanto, el camión decide abortar la maniobra de adelantamiento, decelerando levemente para conseguir cumplir la distancia de seguridad con el líder y volver al carril derecho volviendo a conecta el pantógrafo a la línea aérea de contacto. Las velocidades de los tres vehículos se muestran en la siguiente imagen, donde en verde se muestra la velocidad del líder, en azul la del coche que circula por la izquierda, en rojo la velocidad deseada calculada por el camión y en amarillo la velocidad del mismo. Las velocidades mostradas son las recogidas por el sensor, es por ello que aparece cierta oscilación en las señales.

Carlos García Sánchez 83 Figura 6.50. Velocidad de los diferentes vehículos obtenida por los sensores durante la simulación

de dimensionamiento de las baterías en m/s

En la siguiente figura se muestra las distancias con el vehículo que circula por el carril izquierdo y con el líder, así como las distancias de seguridad con ambos coches. Como se puede ver, el camión mantiene la distancia de seguridad con el líder hasta que decide adelantarle, a partir de ese momento mantiene la distancia de seguridad con el coche que circula por la izquierda. Cuando el camión ha rebasado levemente al líder, éste último acelera por lo que el camión decide abortar la maniobra y volver al carril derecho. En total la dura un tiempo de unos dos minutos.

Figura 6.51. Distancia entre los diferentes vehículos durante la simulación de dimensionamiento de las baterías en m

En la figura 6.52. se muestra las variables eléctricas durante la simulación, en este caso para una batería de 90 celdas en paralelo. En ella se puede ver como el pantógrafo se mantiene desconectado durante toda la maniobra, obteniendo el camión la energía de las baterías. Por último, se muestran las energías consumida y regenerada durante la simulación.

6. DISEÑO DE SISTEMAS DE CONTROL

84 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) Figura 6.52. Valor de las variables eléctricas durante la simulación de dimensionamiento de las

baterías

6.7.2 Dimensionamiento de las baterías

A continuación, se repite la simulación anterior para diferentes configuraciones de baterías. El criterio para seleccionar una batería es que utilice aproximadamente un 50% de su energía máxima. No se elige un número mayor ya que hay que tener en cuenta que factores como la temperatura o el deterioro temporal de la batería podría reducir su rendimiento, por lo que hay que utilizar un margen amplio que impida que el vehículo se quede sin energía durante el adelantamiento. Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente figura:

Carlos García Sánchez 85

Las configuraciones de batería utilizadas se muestran en la tabla inferior: Nº celdas en serie Nº celdas en paralelo Nº celdas totales Energía de la batería Precio de la batería Peso de la batería Color en la gráfica 190 90 17.100 139,194 KWh 34.799 € 736 Kg 190 67 12.730 103,622 KWh 25.906 € 548 Kg 190 30 5.700 46,398 KWh 11.600 € 245 Kg 190 15 2.850 23,199 KWh 5.800 € 123 Kg 190 10 1.900 15,466 KWh 3.867 € 82 Kg 190 8 1.520 12,372 KWh 3.093 € 65 Kg 190 6 1.140 9,279 KWh 2.320 € 49 Kg 190 5 950 7,733 KWh 1.933 € 41 Kg

Tabla 6.5. Comparación de las diferentes configuraciones de batería

En la Tabla 3.3 se indicó un precio medio de 0,35 €/Wh para las baterías y una densidad de energía media de 128 Wh/Kg. Sin embargo, la compañía estadounidense Tesla, asegura que sus próximos vehículos montarán baterías con un coste medio de 0,15 €/Wh y con una mayor densidad de energía de 250 Wh/Kg [28]. Por lo tanto, para la estimación se usará un precio medio de 0,25 €/Wh y 189 Wh/Kg.

Como se puede ver, una batería de 950 celdas consume algo menos del 50% de la carga total de la batería por lo que cumple el objetivo. Como se puede ver, esta batería tiene un coste aproximado de 1.933 € y un peso de 41 Kg muy inferior a la batería elegida en una primera aproximación de 12.730 celdas.

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