SEDE MATRIZ CUENCA
CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA AUTOMOTRIZ
Trabajo de titulación previo a la obtención del título de Ingeniero Mecánico Automotriz
PROYECTO TÉCNICO:
“MODELADO MATEMÁTICO PARA LA PREDICCIÓN DE LA VIDA ÚTIL DE LA BATERÍA DE ALTO VOLTAJE DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO KIA SOUL MEDIANTE CICLOS EXPERIMENTALES DE CARGA Y DESCARGA”
AUTORES:
NARVÁEZ MURILLO BRAYAN MAURICIO TOALONGO MORQUECHO OSCAR GEOVANNY
TUTOR:
ING. ADRIAN XAVIER SIGÜENZA REINOSO M. SC.
II
CESIÓN DE DERECHOS DE AUTOR
Nosotros, NARVÁEZ MURILLO BRAYAN MAURICIO, con documento de identificación N°2100399464, y TOALONGO MORQUECHO OSCAR GEOVANNY, con documento de identificación N°0106431307, manifestamos nuestra voluntad y cedemos a la Universidad Politécnica Salesiana la titularidad sobre los derechos patrimoniales en virtud de que somos autores del Trabajo de Titulación: “MODELADO MATEMÁTICO PARA LA PREDICCIÓN DE LA VIDA ÚTIL DE LA BATERÍA DE ALTO VOLTAJE DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO KIA SOUL MEDIANTE CICLOS EXPERIMENTALES DE CARGA Y DESCARGA”, mismo que ha sido desarrollado para optar por el título de: Ingeniero Mecánico Automotriz, en la Universidad Politécnica Salesiana, quedando la Universidad facultada para ejercer plenamente los derechos cedidos anteriormente.
En aplicación a lo determinado en la Ley de Propiedad Intelectual, en nuestra condición de autores nos reservamos los derechos morales de la obra antes citada. En concordancia, suscribimos este documento en el momento que hacemos entrega del trabajo en formato impreso y digital a la biblioteca de la Universidad Politécnica Salesiana.
______________________________ Brayan Mauricio Narváez Murillo
2100399464
______________________________ Oscar Geovanny Toalongo Morquecho
III
CERTIFICACIÓN
Yo declaro que bajo mi tutoría fue desarrollada el Trabajo de Titulación: “MODELADO MATEMÁTICO PARA LA PREDICCIÓN DE LA VIDA ÚTIL DE LA BATERÍA DE ALTO VOLTAJE DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO KIA SOUL MEDIANTE CICLOS EXPERIMENTALES DE CARGA Y DESCARGA”, realizado por: Brayan Mauricio Narváez Murillo y Oscar Geovanny Toalongo Morquecho, obteniendo el Proyecto Técnico que cumple con todos los requisitos estipulados por la Universidad Politécnica Salesiana.
Cuenca, enero 2019
______________________________ Ing. Adrián Xavier Sigüenza Reinoso, M. Sc.
IV
DECLARATORIA DE RESPONSABILIDAD
Nosotros, Brayan Mauricio Narváez Murillo, con documento de identificación N°2100399464, y Oscar Geovanny Toalongo Morquecho, con documento de identificación N°0106431307, autores del Trabajo de Titulación: “MODELADO MATEMÁTICO PARA LA PREDICCIÓN DE LA VIDA ÚTIL DE LA BATERÍA DE ALTO VOLTAJE DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO KIA SOUL MEDIANTE CICLOS EXPERIMENTALES DE CARGA Y DESCARGA”, certificamos que el total contenido del Proyecto Técnico, son de nuestra exclusiva responsabilidad y autoría.
Cuenca, enero 2019
Brayan Mauricio Narváez Murillo Oscar Geovanny Toalongo Morquecho 2100399464 0106431307
V
AGRADECIMIENTO
Primeramente, Agradezco a Dios y a la virgen María por brindarme salud y cualidades que me permitieron luchar día tras día, guiándome en esta etapa importante de mi vida.
De igual manera, agradezco a mis padres que me dieron la vida y supieron guiarme en todo el trayecto de mi vida, apoyándome no solo económicamente sino también emocionalmente, formándome como persona. Siempre compartieron en mi vida en los buenos y malos momentos y gracias a ellos culmino esta carrera y puedo convertirme en Ing. Mecánico Automotriz.
Mis hermanos pilar fundamental para mí, me acompañaron como amigos y me apoyaron con sus consejos, abrazos les agradezco mucho.
Para finalizar, agradezco a todos los docentes de la institución quienes me brindaron sus conocimientos y experiencias. En especial al Ing. Adrián Sigüenza quien no guio como tutor y amigo en nuestro proyecto de titulación.
VI
DEDICATORIA
Dedico este proyecto:
A Dios, la Virgen María y al niño Jesús Rey de Reyes que me guiaron por el camino correcto y me dieron las fuerzas para luchar y superar los obstáculos que presenta la vida
A mi padre Mauro Macario Narváez Cedillo y a mi madre Alexandra Doris Murillo Reyes consejeros y amigos que siempre estuvieron a mi lado apoyándome y dándome todo su amor. Muchas veces pasaron por momentos difícil pero nunca se dieron por vencidos, de dicha forma me enseñaron a seguir mis sueños sin importar lo difíciles que fueran.
A mis hermanos y mi sobrino que me apoyaron en cada paso que daban, muchas veces necesitaba un amigo y en ellos encontré todo el cariño y comprensión.
VII
AGRADECIMIENTO
Le agradezco a Dios por bendecirme y guiarme en el camino correcto a lo largo de toda mi vida permitiéndome culminar esta meta anhelada.
Le doy gracias a mis padres Manuel y Aida por apoyarme en todo momento y creer en mí, por los valores que me inculcaron y por todo el sacrificio que realizaron para darme la oportunidad de tener una excelente educación. A mi prometida Susana por el apoyo, la paciencia y amor incondicional en los momentos más difíciles de mi vida, por enseñarme a luchar cada día para formarme como un excelente persona y profesional.
Al Ing. Adrián Sigüenza por su confianza y dedicación a lo largo de la carrera quien con sus conocimientos y consejos permitieron la realización de este proyecto.
VIII
DEDICATORIA
A mis padres Manuel Jesús Toalongo Idrovo y mi Aida Beatriz Morquecho Salto que fueron los seres que me dieron la vida y gracias a su bendición pude salir adelante, por aportar su granito de área para que hoy me convierta en una persona de bien y poder formarme profesionalmente, a pesar de la distancia siempre me han apoyado durante toda mi vida y me han dado fortaleza para hacer que este sueño sea posible.
De manera muy especial dedico este proyecto, al pilar de mi vida mi prometida, que fue el motor que me impulso para la culminación de esta meta, gracias a su apoyo, su tolerancia y sobre todo su amor me fortaleció en los buenos y malos momentos enseñándome que todo se puede lograr con esfuerzo y dedicación.
A mis hermanos una parte esencial de mi vida ya que con sus ánimos y su guía pude tomar las decisiones correctas.
IX
RESUMEN
Esta investigación se enfoca en la obtención de un modelo para la predicción de la vida útil de la batería de alto voltaje del vehículo Kia Soul a partir de parámetros de deterioro de la misma. La investigación inicial contempla los factores que causan el desgaste y alteran la autonomía normal del VE (Vehículo Eléctrico). Posteriormente se establecen rutas que permitan la medición de los factores de degradación teniendo en cuentas criterios de movilidad y condiciones geográficas.
Seguidamente mediante método experimental se procede a la obtención de los datos de degradación, considerando las diferentes rutas y condiciones propuestas en los procesos de carga y descarga de la batería de alto voltaje.
A continuación, se verifica y se analiza los datos mediante métodos estadísticos que pueden generar errores en la estimación con el propósito de encontrar el estado de vida inicial de la batería y generar el modelo que rija su comportamiento mediante un software matemático.
Finalmente, se procedió al análisis de resultados en los cuales se utiliza algoritmos estadísticos, ilustraciones que permiten la validación del modelo para el establecimiento de las conclusiones de la investigación, de manera que el factor más importante es el consumo de corriente eléctrica, el cual se produce por diferentes componentes del vehículo como la calefacción, elementos auxiliares, modos de conducción; afectando la autonomía del VE Kia Soul y reduciendo la vida útil de la batería.
X
SUMMARY
This research focuses on obtaining a model for the prediction of the useful life of the high-voltage battery of the Kia Soul vehicle from deterioration parameters of the same. The initial research considers the factors that cause the wastage and alter the normal autonomy of EV (Electric Vehicle). Subsequently, routes were establishes to allow the measurement of degradation factors taking into account yardstick of mobility and geographical conditions.
Then, by means of an experimental method the degradation data are obtained, considering the different routes and conditions proposed in the loading and unloading processes of high voltages battery.
To continue, the data are verified and analyzed by statistics methods that can generate errors in the estimation with the purpose to find the battery in initial life status and generate the model to govern its behavior through mathematical software.
Finally, is proceeded to the analysis of results using statistical algorithms, illustrations that allow the validation of the model for the establishment of conclusions of the investigation, so the most important factor is the consume of electric current, its produced by different components of the vehicle as heating, auxiliary elements, driving modes; affecting the autonomy of EV Kia Soul and reducing the useful life on the battery.
XI
Índice general
Cesión de derechos de autor ... II Certificación ... III Declaratoria de responsabilidad... IV Agradecimiento ... V Dedicatoria... VI Agradecimiento ... VII Dedicatoria... VIII Resumen ... IX Summary ... X
Capítulo 1: Revisión de la fundamentación teórica ... 1
1.1. Desarrollo. ...1
1.1.1. Batería eléctrica ... 1
1.2. Tipos de baterías para vehículos eléctricos. ...2
1.2.1. Baterías Ácido plomo. ... 3
1.2.1.1. Plomo Ácido ... 3
1.2.1.1.1. Funcionamiento de la batería plomo-ácido ... 3
1.2.1.1.2. Características generales de las baterías de plomo-ácido... 3
1.2.2. Baterías a base de Níquel... 4
1.2.2.1. Baterías de níquel-cadmio (NiCd). ... 4
1.2.2.1.1. Funcionamiento de la batería níquel-cadmio. ... 5
1.2.2.1.2. Características generales de las baterías de níquel-cadmio. ... 5
1.2.2.2. Baterías de níquel-hidruro metálico (Ni-MH). ... 6
1.2.2.2.1. Funcionamiento de la batería níquel-hidruro metálico. ... 6
1.2.2.2.2. Características generales de las baterías de níquel-cadmio. ... 6
1.2.3. Baterías litio ... 7
1.2.3.1. Batería de ion litio (Li-ion) ... 7
1.2.3.1.1. Funcionamiento de batería ion litio ... 7
1.2.3.1.2. Características generales de las baterías de ion litio. ... 9
1.2.3.2. Baterías de polímero delitio (LiPo) ... 9
XII
1.3. Características físicas y químicas de una batería ...10
1.3.1. Definiciones generales:... 10
1.3.2. Definiciones de capacidad: ... 11
1.3.3. Definiciones de partes componen la batería: ... 12
1.3.4. Definiciones de funcionamiento de las baterías: ... 12
1.3.5. Definiciones de estados de una batería: ... 13
1.4. Factores de degradación de la batería de alto voltaje. ...14
1.4.1. Pérdida de capacidad. ... 14
1.4.2. Incremento de resistencia interna. ... 15
1.4.3. Almacenamiento. ... 15
1.4.3.1. Estado de carga (SOC) ... 16
1.4.3.2. Temperatura a la que está la batería. ... 16
1.4.3.3. Tiempo que está almacenada la batería. ... 16
1.4.4. Profundidad de descarga (DOD) ... 16
1.5. Tipos de recarga para baterías. ...17
1.5.1. Carga súper lenta. ... 17
1.5.2. Carga lenta. ... 17
1.5.3. Carga semi-rápida. ... 17
1.5.4. Carga rápida. ... 17
1.5.5. Carga súper rápida ... 17
1.6. Ciclos de vida de las baterías. ...18
Capítulo 2: Determinación de parametros de degradación en ciclos de descarga y carga ... 19
2.1. Parámetros de degradación en ciclos de descarga y carga. ...19
2.1.1. Modos de degradación de la batería de Polímero de Litio. ... 19
2.2. Metodología de pruebas. ...20
2.2.1. Proceso de descarga de la batería. ... 20
2.2.2. Proceso de carga de la batería... 22
2.2.3. Instrumentos utilizados en la medición. ... 24
2.2.3.1. Sistema de alto voltaje Kia Soul. ... 24
2.2.3.2. Cargador. ... 24
XIII
2.2.3.4. Pinza amperimétrica. ... 26
2.2.3.5. Tarjeta de adquisición de datos. ... 27
2.2.3.6. Software Empleados. ... 29
2.2.3.6.1. Software Emolab 2.0.2 ... 29
2.2.3.6.2. Software Tiempo/Corriente. ... 29
2.2.4. Diagrama de conexión Ciclo Carga-Descarga... 30
2.2.5. Selección de Rutas. ... 31
2.3. Obtención de datos para la determinación de la salud inicial de la batería. ....31
2.3.1. Ruta 1 Carretera Panamericana Redondel de Monay (Cuenca) – Azogues. 32 2.4. Obtención de datos de modelado matemático. ...35
2.4.1. Ruta 2 Universidad Politécnica Salesiana (Cuenca) – Mirador Tres Cruces (Cajas). 35 2.4.2. Ruta 3 Av. Ordoñez Lasso – Camino a San Pedro del Cebollar. ... 42
2.4.2.1. Datos experimentales obtenidos en el ciclo de descarga ... 46
Capítulo 3: Determinación del modelo matemático de predicción de la vida útil de la batería ... 50
3.1. Ensayos experimentales de descarga. ...50
3.1.1. Análisis de ensayos en la ruta Monay (Cuenca) – Azogues. ... 50
3.1.2. Análisis de ensayos ruta Universidad Politécnica Salesiana (Cuenca) – Mirador Tres Cruces (Cajas) ... 52
3.1.3. Análisis de ensayos ruta Av. Ordoñez Lasso – Camino a San Pedro del Cebollar. ... 60
3.2. Ensayos experimentales de carga. ...66
3.2.1. Análisis de ensayos en el ciclo carga ruta Universidad Politécnica Salesiana (Cuenca) – Mirador Tres Cruces (Cajas). ... 67
3.2.2. Análisis de ensayos ciclo carga Ruta Av. Ordoñez Lasso – Camino a San Pedro del Cebollar. ... 72
3.3. Método de estandarización de muestras experimentales. ...73
3.3.1. Diagrama de caja proceso de descarga ... 74
3.3.1.1. Diagrama descarga ruta 1 ... 74
3.3.1.2. Diagrama descarga ruta 2 ... 76
3.3.1.3. Diagrama descarga ruta 3 ... 77
XIV
3.3.2.1. Diagrama de carga ruta 2 ... 78
3.3.2.2. Diagrama de caja ruta 3 ... 80
3.4. Análisis de los valores atípicos en diferentes rutas ...81
3.4.1. Valores atípicos en el proceso de descarga ... 81
3.4.2. Valores atípicos en el proceso de carga ... 83
3.5. Determinación del estado de salud(soh) ...84
3.6. Obtención de la ecuación que caracteriza la degradación de la batería de alto voltaje...85
3.6.1. Red Neuronal ... 85
3.6.1.1. Neurona artificial ... 86
3.6.2. Parámetros de entrenamiento para el proceso de descarga... 87
3.6.3. Parámetros de entrenamiento para el proceso de carga. ... 88
3.6.4. Creación de red neuronal artificial. ... 90
3.6.4.1. Características de entrenamiento red neuronal ... 91
3.6.4.1.1. Tipo de red ... 91 3.6.4.1.2. Algoritmo ... 91 3.6.4.1.3. Función de entrenamiento ... 91 3.6.4.1.4. Función de trasferencia ... 92 3.6.4.1.5. Número de neuronas... 95 3.6.4.1.6. Número de capas. ... 95 3.6.4.1.7. Número de iteraciones(epochs) ... 95 3.6.4.1.8. Aprendizaje(Show)... 96 3.6.4.1.9. Tasa de aprendizaje(mu) ... 96
3.6.5. Obtención de modelado matemático en base a proceso de descarga ... 96
3.6.6. Obtención de modelado matemático en base a proceso de carga ... 99
Capítulo 4: Comprobación del modelo matemático mediante algoritomo estadístico . 100 4.1. Error cuadrático medio ...100
4.1.1. Simulación de la red artificial en el proceso de descarga. ... 101
4.1.1.1. Gradiente y tasa de aprendizaje en el proceso de descarga. ... 101
4.1.1.2. Rendimiento MSE en el proceso de descarga. ... 102
4.1.2. Simulación de la red artificial en el proceso de carga. ... 105
XV
4.1.2.2. Rendimiento MSE en el proceso de carga. ... 106
4.2. Coeficiente de correlación ...108
4.2.1. Coeficiente de correlación en el proceso de descarga. ... 109
4.2.2. Coeficiente de correlación en el proceso de carga. ... 111
4.3. Predicción de la vida útil de la batería de alyo voltaje ...113
Conclusiones ... 114
Recomendaciones ... 117
Bibliografía ... 118
XVI
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Elementos de una celda. ... 2
Figura 2. Batería de plomo-acido. ... 3
Figura 3. Batería de níquel-cadmio. ... 5
Figura 4. Batería de níquel-hidruro metálico... 6
Figura 5. Proceso de carga y descarga de batería de ion-litio. ... 8
Figura 6. Batería de polímero de litio. ... 9
Figura 7. Diagrama del proceso para la obtención de parámetros de descarga. ... 21
Figura 8. Diagrama del proceso para la obtención de parámetros de carga. ... 23
Figura 9. Elementos constitutivos del sistema de alto voltaje ... 24
Figura 10. Cargador AV aerovironment. ... 25
Figura 11.Pinza amperimétrica CA/CC Fluke i1010 ... 27
Figura 12. Tarjeta de adquisición de datos NI USB-6212. ... 28
Figura 13. Interfaz gráfica Programa Emolab 2.0.2 ... 29
Figura 14. Interfaz gráfica software empleado. ... 30
Figura 15. Ruta Carretera Panamericana. Redondel de Monay (Cuenca) – Azogues. ... 33
Figura 16. Universidad Politécnica Salesiana (Cuenca) - Tres Cruces (Cajas)... 37
Figura 17. Ruta Av. Ordoñez Lasso – Camino a San Pedro del Cebollar. ... 44
Figura 18. Consumo de corriente en el proceso de descarga... 50
Figura 19. Consumo de corriente en ciclo descarga (Primeras Condiciones). ... 53
Figura 20. Consumo de corriente en ciclo descarga (Segundas Condiciones). ... 54
Figura 21. Consumo de corriente en ciclo descarga (Terceras Condiciones). ... 56
Figura 22. Consumo de corriente en ciclo descarga (Cuartas Condiciones). ... 57
Figura 23. Ensayo ciclo descarga (Ruta 1- Condición adicional). ... 59
Figura 24. Consumo de corriente en ruta corta (Primer Grupo de condiciones). ... 61
Figura 25. Consumo de corriente en ruta corta (Segundo Grupo de condiciones). ... 62
Figura 26. Ensayos ciclo descarga ruta 2 (Tercer Grupo de condiciones). ... 64
Figura 27. Ensayos consumo de corriente ruta 2 (Cuarto Grupo de condiciones). ... 65
Figura 28. Pruebas ciclo Carga (Primer Grupo de condiciones). ... 68
Figura 29. Ensayos ciclo carga ruta 1 (Segundo Grupo de condiciones). ... 69
Figura 30. Experimentos ciclo carga ruta 1 (Tercer Grupo de condiciones). ... 70
Figura 31. Ciclos carga ruta 1 (Cuarto Grupo de condiciones). ... 71
Figura 32. Ensayo proceso de carga ruta 1(Quinta condición). ... 72
Figura 33. Corriente de carga ruta 3. ... 73
Figura 34. Características de diagrama de caja. ... 74
Figura 35. Diagrama de caja ruta Cuenca-Azogues. ... 75
Figura 36. Diagrama de caja ruta Cajas. ... 76
Figura 37. Diagrama de caja ruta Cuenca... 77
Figura 38. Diagrama de caja de proceso de carga ruta 2. ... 79
Figura 39. Diagrama de caja de proceso de carga ruta 3. ... 80
Figura 40. Red neuronal artificial. ... 85
Figura 41. Neurona artificial. ... 86
XVII
Figura 43. Función de activación sigmoidal. ... 93
Figura 44. Función de activación tangente hiperbólica. ... 94
Figura 45. Arquitectura de red neuronal empleada. ... 94
Figura 46. Interfaz de entrenamiento de Matlab. ... 95
Figura 47. Parámetros de entrenamiento de red en Matlab. ... 96
Figura 48. Modelo matemático RNA ... 96
Figura 49. Diagrama de bloques en el proceso de carga. ... 99
Figura 50. Interfaz de entrenamiento en el proceso de descarga. ... 101
Figura 51. Gradiente de red neuronal de ruta 2. ... 102
Figura 52. Estimación del MSE en el proceso de descarga. ... 103
Figura 53. Interfaz de entrenamiento en el proceso de carga. ... 105
Figura 54. Gradiente de red neuronal de ruta 2 proceso de carga. ... 106
Figura 55. Estimación del MSE en el proceso de carga. ... 107
Figura 56. Coeficiente R en el proceso de descarga. ... 109
Figura 57. Coeficiente R en el proceso de carga. ... 111
XVIII
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Descripción Interfaz Cargador. ... 25
Tabla 2. Especificaciones técnicas Pinza Amperimétrica CA/CC Fluke i1010. ... 26
Tabla 3. Especificaciones técnicas tarjeta de adquisición de datos NI USB-6212. ... 28
Tabla 4. Descripción de ruta 1. ... 32
Tabla 5. Especificaciones técnicas Corredor E35. ... 34
Tabla 6. Descripción de ruta 2. ... 37
Tabla 7. Especificaciones técnicas Av. De las Américas. ... 38
Tabla 8. Especificaciones técnicas Av. Ordoñez Lasso ... 39
Tabla 9. Especificaciones técnicas Calle Vieja. ... 40
Tabla 10. Especificaciones técnicas Héroes de Verdeloma. ... 41
Tabla 11. Descripción ruta 3... 43
Tabla 12. Especificaciones técnicas Av. De los Cerezos. ... 45
Tabla 13. Datos de proceso de descarga de VE Kia Soul... 46
Tabla 14. Parámetros de descarga en ruta 1. ... 51
Tabla 15. Parámetros de ensayos primeras condiciones... 52
Tabla 16. Parámetros de ensayos segundas condiciones. ... 54
Tabla 17. Parámetros de ensayos terceras condiciones. ... 55
Tabla 18. Parámetros de ensayo cuarta condición. ... 57
Tabla 19. Consumo de corriente promedio de cada grupo de experimentos. ... 58
Tabla 20. Parámetros de pruebas adicional ruta 1. ... 59
Tabla 21. Parámetros de ensayos ruta 2 (Primera condición). ... 60
Tabla 22. Parámetros de ensayos ruta 2 (Segunda condición). ... 62
Tabla 23. Parámetros de ensayos ruta 2 (Tercera condición). ... 63
Tabla 24. Parámetros de ensayos ruta 2 (Cuarta condición). ... 65
Tabla 25. Consumos promedios de corriente de cada grupo de pruebas (Ruta 2). ... 66
Tabla 26. Parámetros de experimento ciclo carga (Primera condición). ... 67
Tabla 27. Parámetros de experimento ciclo carga (Segunda condición). ... 68
Tabla 28. Parámetros de experimentos ciclo carga (Tercera condición). ... 69
Tabla 29. Parámetros de experimentos ciclo carga (Cuarta condición). ... 70
Tabla 30. Parámetros de ensayo ciclo carga (Quinta condición). ... 71
Tabla 31. Parámetros de ensayo ciclo carga (Ruta 3)... 72
Tabla 32. Parámetros característicos del diagrama de caja ruta 1. ... 75
Tabla 33. Parámetros característicos del diagrama de caja ruta 2. ... 77
Tabla 34. Parámetros característicos del diagrama de caja ruta 3. ... 78
Tabla 35. Parámetros característicos del diagrama de caja ruta 2 en el proceso de carga. ... 79
Tabla 36. Parámetros característicos del diagrama de caja ruta 3 en el proceso de carga. ... 81
Tabla 37. Representación de valor atípico referente al número de muestras de descarga. ... 82
XIX
Tabla 39. Estimación de estado de salud. ... 84
Tabla 40. Parámetros considerados durante el ensayo de descarga. ... 87
Tabla 41. Datos de entrada red neuronal en el proceso de descarga. ... 87
Tabla 42. Datos de salida red neuronal en el proceso de descarga. ... 88
Tabla 43. Parámetros considerados durante el ensayo de carga. ... 89
Tabla 44. Datos de entrada red neuronal en el proceso de carga... 89
Tabla 45. Datos de salida de red neuronal en el proceso de carga. ... 90
Tabla 46. Parámetros estadísticos en el proceso de descarga. ... 103
Tabla 47. Parámetros estadísticos en el proceso de carga. ... 107
Tabla 48. Coeficientes de correlación de ensayos de descarga. ... 110
1
Capítulo
1
Revisión de la fundamentación teórica.
En esta sección se realiza un análisis teórico de los componentes de formación de una batería y sus características funcionales, además se dar a conocer la evaluación de las baterías utilizadas en los vehículos eléctricos(VE). Mediante este análisis se da conocer el tipo de batería de alto voltaje que es utilizado en el vehículo Kia Soul.
Luego se analiza parámetros que interviene en el funcionamiento de la batería (voltaje, corriente, resistencia) con el fin de identificar los factores que degradan a la batería de alto voltaje y reducen la vida útil de la misma.
Finalmente, se describe el método de recarga de las baterías de alto voltaje que se consideran para el análisis experimental en el vehículo Kia Soul.
1.1. DESARROLLO.
1.1.1. Batería eléctrica
Un batería eléctrica o acumulador consiste de un dispositivo conformado por celdas electroquímicas que convierten la energía química en corriente eléctrica.
2
Figura 1. Elementos de una celda. Fuente: (Burgos C. , 2013)
Una celda de batería está formada de cuatro componentes principales para su funcionamiento: ánodo, cátodo, electrolito y separador. Las celdas se agrupan en una sola unidad mecánica y eléctrica llamada módulo de batería. Los módulos están conectados eléctricamente para formar un paquete de baterías, que alimenta los sistemas de accionamiento de control, confort y seguridad de los vehículos.
Una batería funciona mediante un proceso de reducción-oxidación. Este se basa en la oxidación de un componente (pierde electrones) y el otro disminuye (gana electrones). Se produce una diferencia de voltaje en los terminales, que con la presencia de un consumidor cierra el circuito liberando una corriente eléctrica.(Ferrer, 2011)
1.2. TIPOS DE BATERÍAS PARA VEHÍCULOS ELÉCTRICOS.
Actualmente en el mercado mundial existen diferentes tipos de baterías, que se caracterizan por sus diferentes componentes internos y externos, en el cual cada sistema tiene su propia combinación de materiales que determinan la capacidad, voltaje, vida útil entre otros parámetros.
3
1.2.1. Baterías Ácido plomo. 1.2.1.1. Plomo Ácido
El acumulador plomo-ácido (Pb-ácido) es empleado debido a que pueden proporcionar la corriente necesaria para el movimiento de diversos tipos de motores eléctricos con un bajo costo.
Figura 2. Batería de plomo-acido. Fuente: (BOSCH, 2014)
1.2.1.1.1. Funcionamiento de la batería plomo-ácido
Esta tiene una característica de configuración en la cual utiliza como electrolito una disolución de ácido sulfúrico que a su vez interviene en las reacciones electroquímicas de carga-descarga, este tipo de batería consta de una placa positiva(ánodo) recubierta de dióxido de plomo y la placa negativa(cátodo) que es de plomo con estructura muy porosa actuando como material activo. (Alba & Muñoz, 2017)
1.2.1.1.2. Características generales de las baterías de plomo-ácido.
Se analiza las características correspondientes a la batería mediante las ventajas y desventajas que presentan.
4
Ventajas
Contiene elevado voltaje por celda (2 V), por lo tanto, se puede alcanzar elevada tensión, aunque se tenga un mínimo de celdas conectadas en serie. (BOSCH, 2014)
El 97 por ciento del plomo de las baterías se puede reciclar manteniendo limpio el medio ambiente. (VZH)
Posee una tasa de auto-descarga inferior al 0,1%.(Díaz, Sumper, Oriol, & Villafáfila, 2012)
Su eficiencia operacional se encuentra entre el 75 a 80%.(Díaz, Sumper, Oriol, & Villafáfila, 2012)
Genera gran capacidad para abastecer picos de corriente altos durante el desarrollo de la descarga.(Martínez, 2017)
Desventajas
Requieren de un mantenimiento constante.(Gonzaléz, 2015)
Las reacciones de reducción-oxidación produce el deterioro y corrosión de los electrodos.
Peso elevado debido a la utilización de plomo.
Según datos obtenidos de Renewable and Sustainable Energy Reviews la vida útil es de baja entre 500 a 1000 ciclos. (Díaz, Sumper, Oriol, & Villafáfila, 2012) Baja energía especifica 30 a 50 Wh/kg.
Deterioro ante descargas profundas y sobrecargas.(Martínez, 2017) Debido a la sobrecarga que se produce pierde electrólito.
1.2.2. Baterías a base de Níquel.
1.2.2.1. Baterías de níquel-cadmio (NiCd).
Esta batería presenta un largo ciclo de vida (depende de los niveles de descarga de cada ciclo), además de bajos requerimientos de mantenimiento. En condiciones normales el voltaje medio de trabajo es de 1,2 V.
5
Figura 3. Batería de níquel-cadmio. Fuente: (Systems, 2016)
1.2.2.1.1. Funcionamiento de la batería níquel-cadmio.
Conformada por una celda positiva mediante un electrodo de Hidróxido de níquel, cadmio para electrodo negativo y la solución alcalina (Hidróxido de potasio) actúa como electrolito. Dentro de la carcasa ambos electrodos se encuentran aislados por un separador y se muestran enrollados en forma espiral.
1.2.2.1.2. Características generales de las baterías de níquel-cadmio.
Las cualidades de este tipo de baterías serán descritas en una serie de ventajas y desventajas.
Ventajas
Vida cíclica larga superior a 1500 ciclos de descarga. Alta energía especifica 60Wh/kg.
Menor frecuencia de mantenimiento.
Mayor duración con respecto a baterías de plomo-acido Entrega mayor corriente en un menor tiempo
6
Desventajas
Alto costo, aproximadamente 10 veces a un sistema plomo acido. Alta toxicidad de cadmio, dificultad de disposición final.
Sufren efecto memoria este tipo de baterías. Relativa baja tensión.
1.2.2.2. Baterías de níquel-hidruro metálico (Ni-MH).
Estos acumuladores han remplazado el cadmio, mediante la aleación metálica para poder almacenar como cátodo al hidrogeno siendo más amigables con el medio ambiente. Proporcionan un voltaje de 1,2 V y capacidad entre 0,8 y 2,9 Ah.
Figura 4. Batería de níquel-hidruro metálico. Fuente: (PREAM, 2015)
1.2.2.2.1. Funcionamiento de la batería níquel-hidruro metálico.
Este tipo de batería emplea oxihidróxido de níquel (𝑁𝑖𝑂𝑂𝐻) como ánodo e Hidruro metálico como cátodo.
1.2.2.2.2. Características generales de las baterías de níquel-cadmio.
Las características de este tipo de baterías serán descritas en una serie de ventajas y desventajas.
Ventajas
Densidad de energía buena Superior a 150 W/l
Cuentan menor efecto memoria que las baterías de tipo Ni-Cd Potencia especifica alta superior a 2 W/kg
7 Energía especifica elevado superior a los 90 Wh/kg
Desventajas
Elevado costo.
Menor tolerancia al abuso: sensibles a sobrecargar y descargas completas. Dificultad de fabricación.
1.2.3. Baterías litio
1.2.3.1. Batería de ion litio (Li-ion)
La batería de litio es un dispositivo que permite la acumulación de energía eléctrica, empleando la sal de litio en su electrolito generando los iones necesarios que dan paso a la reacción electroquímica entre el cátodo y ánodo.
Los principales inconvenientes de los acumuladores comunes (Pb-acido, Ni-Cd, Ni-MH), son sus materiales activos debido a sus capacidades de energías específicas, por ello desde los 80 se comenzó a desarrollar baterías las cuales permitan ser más eficientes (Hamel, 2011), por lo cual se utilizó el litio debido a sus propiedades en la tabla periódica y por ende en la fabricación de baterías se tendría un peso reducido.
Este tipo de baterías constan con un diferencia de tensión potencial de reducción de -3.040V, que produce una inestabilidad termodinámica, es decir no permiten usar electrolitos acuosos debido a la oposición que presenta el litio con el agua para ello se reemplazó utilizando los electrolitos orgánicos para el cambio iónico.(Betancur, 2016)(Hamel, 2011)
El mayor potencial electroquímico produce una capacidad energética de 3860 Ah/Kg, que radica en tener una cantidad menor de material para lograr el almacenaje de energía y reducción de peso, además esta batería puede permanecer inactiva en un periodo de 10 a 20 años comparado con otras baterías, debido a la pasivación del litio que genera una defensa a la descarga.(Betancur, 2016)
1.2.3.1.1. Funcionamiento de batería ion litio
Basados en procesos de inserción-desinserción de iones de litio (Li+), utilizan capas de interrelación como electrodos y una capa de electrolito.
8 El electrodo positivo contiene litio inicialmente ionizado en los cuales puede ser oxido de cobalto (LiCoO2) o de fosfato de hierro de litio (LiFePO4) y el electrodo negativo este hecho de carbón(grafito).
Las primeras baterías fueron comercializadas por Sony en la cual se utilizó como electrodo positivo al oxido de cobalto litio, para el electrodo negativo carbón-Li y como electrolito una disolución de la sal, sin embargo, se han propuestos varios compuestos de intercalación que permita ser estables a durante los ciclos de carga-descarga con el fin de prolongar la vida de la batería y aumentar su capacidad energética.(Hamel, 2011)
Ciertos materiales utilizados para el ánodo y cátodo distinguen la familia de la batería de ion litio entre las cuales tenemos:
Fosfato de hierro y litio (LiFePO4)
Óxido de cobalto de níquel-manganeso de litio ((LiNiMnCoO2) Óxido de aluminio de cobalto de níquel y litio (LiNiCoAlO2) Óxido de titanato de litio (LiTiO2)
Óxido de espinela de litio y manganeso (LiMn2O4).(Noshin, y otros, 2012) Durante el proceso de carga se retira algunos iones del cátodo que se mueven a través del electrolito para llegar al ánodo y permanecen ahí en este instante la batería almacena energía, cuando se descarga ocurre lo contrario los iones vuelven atreves del electrolito hacia el cátodo, alimentando la carga.(Gonzaléz, 2015)
Figura 5. Proceso de carga y descarga de batería de ion-litio. Fuente: (Noshin, y otros, 2012)
9
1.2.3.1.2. Características generales de las baterías de ion litio.
Se analizan las ventajas y desventajas que presentan este tipo de baterías.
Ventajas
Alta densidad energética 80 a 150 Wh/kg.
Alta potencia especifica entre 400 a 500 W/kg.(Díaz, Sumper, Oriol, & Villafáfila, 2012)
Poseen una alta eficiencia alrededor de 78% con más de 3500 ciclos. No necesitan mantenimiento.(Martínez, 2017)
Desventajas
El costo es mayor comparado con otro tipo de baterías.(Gonzaléz, 2015) Necesitan un circuito de seguridad debido a que deben mantener los límites de
tensión en el proceso de carga y descarga. Baja capacidad de descarga.(Martínez, 2017)
1.2.3.2. Baterías de polímero delitio (LiPo)
Este tipo de batería se diferencia de las de ion litio debido a que utiliza un polímero como electrolito consiguiendo un almacenamiento muy superior de energía, sigue el mismo principio de funcionamiento de las baterías de ion litio. (Martínez, 2017)
La utilización del polímero permite la construcción de baterías con grosores de 1 milímetro, cada celda tiene un voltaje máximo de entre 3,7 y 4,2V.
Figura 6. Batería de polímero de litio. Fuente: (Padrón, 2013)
10 Su principal problema es que sufre una baja conductividad por la resistencia que oponen, con lo cual no hace que tenga una disminución de capacidad de descarga, además de aumentar la temperatura este tipo de características hace que estas baterías se utilicen en algunas aplicaciones, para este problema se añade un gel al electrolito como refrigerante.(Padrón, 2013)
1.2.3.2.1. Características generales de las baterías de polímero de litio.
Las características se asemejan a las baterías de ion litio entre las cuales tenemos:
Ventajas
Alta densidad energética.
No necesitan mantenimiento. (Padrón, 2013) Bajo porcentaje de auto-descarga.
Poco peso debido al uso de polímero.
Desventajas
Precio elevado.
Necesitan un circuito de seguridad.
Pueden explotar si se perforan. (Martínez, 2017)
1.3. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y QUÍMICAS DE UNA
BATERÍA
1.3.1. Definiciones generales:
Celda: es el elemento que puede estar colocada en serie o paralelo con el fin de generar valores elevados de corriente y tensión. El voltaje de cada celda para las baterías de litio oscila entre 3,3 y los 3,7 V.
Baterías primarias: este tipo de baterías no son recargables. Utilizan como materiales para su reacción química zinc-carbono y zinc-dióxido de manganeso.
11 Batería secundaria: este tipo de baterías pueden ser recargadas. Utilizan diferentes combinaciones de productos químicos (plomo-ácido, níquel-cadmio, iones de litio y polímero de iones de litio).(MIT, 2008)
1.3.2. Definiciones de capacidad:
Capacidad: es la cantidad de electricidad que guarda la batería para posteriormente poder descargarla se mide en amperios-hora (Ah)(Martínez, 2017). La magnitud de la capacidad (C) se obtiene mediante la siguiente fórmula:
𝐶 = ∫ 𝑖 ∗ δt 𝑡2 𝑡1
Ecuación 1
Capacidad nominal: es la cantidad de energía que puede entregar una batería, desde su máximo valor de tensión hasta llegar a una determinada descarga. Se mide en un ambiente de temperatura fija.
Capacidad real: capacidad que entrega la batería desde su valor de tensión máximo en plena carga y en condiciones diferentes de funcionamiento comparadas con la capacidad nominal. Esta capacidad puede ser mayor o menor dependiendo de la descarga que se realiza y a que temperatura.
Capacidad retenida: es la cantidad de energía que conserva la batería después de un lapso de inactividad.
Energía especifica (Wh/kg): energía por unidad de peso que guarda la batería. Densidad de potencia(W/l): es la potencia que puede entregar una batería por
unidad de volumen.(MIT, 2008)
Densidad de energía(W/l): es la porción de energía eléctrica almacenada por unidad de volumen de la batería.
Potencia especifica(W/kg): es la cantidad de potencia obtenida por kilogramo de la batería.
Eficiencia energética: se define como la proporción de energía otorgada por una batería, a la cantidad de energía eléctrica requerida para devolverla al estado anterior a la descarga.(Larminie & Lowry, 2012)
12
1.3.3. Definiciones de partes componen la batería:
Electrodo: es el límite de un conductor en enlace con un medio, al que suministra o almacena una corriente eléctrica, cada celda cuenta con un electrodo positivo y negativo.
Electrolito: su característica es de un buen conductor iónico, en un rango de temperatura de (25 – 60 ºC) se comporta como un conductor electrónico Este es un líquido o disolvente orgánico en el cual se encuentra disuelta una sal, ácido o base responsable de la conductividad iónica. (Vélez, 2015)
Ánodo: es el electrodo donde tiene lugar la reacción de oxidación. Cátodo: es el electrodo donde tiene lugar la reacción de reducción.
Separador: los separadores son materiales no activos que no participan en las reacciones electroquímicas. Proporcionan un camino para el transporte de iones que es esencial para el funcionamiento de la batería y el contacto físico separado entre el ánodo y el cátodo.(Park, 2012)
1.3.4. Definiciones de funcionamiento de las baterías:
Auto descarga: es la disminución de capacidad nominal cuando la batería se encuentra en circuito abierto en un periodo de un mes. Estos fenómenos son independientes en cada electrodo y se asocian con reacciones redox.
Ciclo de vida: es un indicador de cuánto tiempo se puede usar la batería y se expresa en números de ciclo. El proceso de carga y descarga completa forma un ciclo.
Sobrecarga: se genera cuando una batería es sometida a un proceso continuo de carga esto puede causar la perdida de la eficiencia en las reacciones electroquímicas de cada celda. (Park, 2012)
Voltaje en los terminales: es el voltaje que tiene la batería en sus extremos es decir sus terminales, esta varía con los parámetros de corriente de carga y descarga y generalmente con el estado de carga.
Voltaje de circuito abierto: se genera cuando sus terminales no están conectados a una resistencia, dependiendo del factor de estado de carga de la batería.
13 Resistencia interna: es la resistencia que se encuentra dentro de la batería. Depende del estado de carga de la batería. Al aumentar la resistencia de la batería se reduce la eficiencia de esta.
Voltaje nominal: es el voltaje de referencia de la batería.
Voltaje de corte: es el voltaje mínimo permitido. Este voltaje generalmente define que la batería está completamente descargada.
Tiempo de recarga normal(h): es el periodo que se demora la batería para ser recargada completamente. (MIT, 2008)
1.3.5. Definiciones de estados de una batería:
Profundidad de descarga (DOD):es una indicación de la cantidad de electricidad que ya se extrae de una batería en relación con su capacidad. Es la relación de la integral de la corriente de descarga sobre la constante o variable de la capacidad, es un valor adimensional expresado en porcentaje.
𝐷𝑂𝐷 =∫ 𝑖 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎(𝑡)𝛿𝑡 𝑡
0
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑
Ecuación 2
Estado de carga (SOC): es un indicio de la cantidad de electricidad todavía disponible de la batería en relación con su capacidad en determinadas condiciones de descarga. 𝑆𝑂𝐶 = 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑝𝑟á𝑐𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑆𝑂𝐶 =𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 − ∫ 𝑖 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎(𝑡)𝛿𝑡 𝑡 0 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 Ecuación 3
14 El SOC es un valor adimensional expresado en porcentaje y puede determinarse con la profundidad de descarga que se muestra a continuación:
𝑆𝑂𝐶 = 1 − 𝐷𝑂𝐷
Estado de energía (SOE): es el vínculo que existe entre la cantidad de energía disponible y la cantidad total de energía almacenada.
Estado de salud (SOH)%:es un indicador de envejecimiento o falla de una batería. Se puede evaluar como la cantidad de electricidad medida durante una descarga completa en relación con la capacidad nominal o la capacidad máxima alcanzada o inicial durante su vida útil.(Park, 2012)
𝑆𝑂𝐻 =𝐶 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝐶 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙
El SOH puede además definirse conociendo el estado de carga de la batería. (Semanjski & Gautama, 2016)
𝑆𝑂𝐻 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝐶 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑎𝑙 100% ∗ (𝑆𝑂𝐶1− 𝑆𝑂𝐶2)
Ecuación 4
1.4. FACTORES DE DEGRADACIÓN DE LA BATERÍA DE ALTO
VOLTAJE.
Las baterías de alto voltaje pueden sufrir envejecimiento o degradación debido a factores internos como externos entre ellos tenemos la temperatura, la capacidad, la resistencia interna, entre otros.
1.4.1. Pérdida de capacidad.
La capacidad de la batería siempre va referenciada a un régimen de descarga marcado por el fabricante está perdida se produce en cada ciclo de carga y descarga, como consecuencia la reducción de la capacidad afecta en autonomía del vehículo.(Gandiaga, 2016)
15
1.4.2. Incremento de resistencia interna.
La resistencia interna mayor para la celda se produce cuando existe un aumento de la concentración y cambio de potenciales del electrodo, lo cual conlleva a mayores tasas de reaccione durante los ciclos electroquímicos produciendo la oxidación de los electrolitos y la transformación irreversible de litio, lo que causa el envejecimiento de la batería.(Dhameja, 2002)
No existe concepto teórico el que permita determinar la resistencia interna sin embargo esta se la puede obtener mediante los parámetros de voltaje y corriente. (Martínez, 2017)
𝑅𝐵 = 𝑉𝑜 − 𝑉 𝐼 Ecuación 5 Siendo RB: Resistencia interna V0: Tensión de vacío
V: Tensión de la batería con la carga. I: Intensidad suministrada por la batería.
1.4.3. Almacenamiento.
Todas las baterías sufren una auto descarga gradual durante un período de tiempo debido al uso o el almacenamiento.
Produciendo la pérdida de capacidad útil de la batería ya que se presentan reacciones parásitas dentro de una celda de batería recargable. La tasa de pérdida es una función de la química de la celda y del ambiente de temperatura que experimenta la célula.
El almacenamiento en condiciones diferentes de temperatura incrementa la tasa de auto descarga por lo tanto provoca cambios químicos en la celda lo que lleva a que esta no pueda recuperar su capacidad.(Dhameja, 2002)
16 Se debe considerar los siguientes factores durante el almacenamiento de la batería:
Estado o porcentaje de carga. Temperatura a la que está la batería. Tiempo que está almacenada la batería.
1.4.3.1. Estado de carga (SOC)
Para almacenar una batería el SOC optimo es de alrededor el 40% de carga, pudiendo mantenerla almacenada entre un rango del 15% al 85%. Mantener una batería almacenada al 100% y a altas temperaturas implica mayor degradación, incluso cuando el uso de la batería es excesivo.(Dhameja, 2002)
1.4.3.2. Temperatura a la que está la batería.
Dependiendo del tipo de batería, el calor excesivo generado durante el proceso de carga y descarga tiene un efecto perjudicial sobre la batería. La distribución de temperatura depende de la química celular, las propiedades de materia y las condiciones de operación de la batería, produciendo la descomposición del separador y del electrolito que da como resultado la evaporación del electrolito y que las celdas se sequen. Estos efectos se aceleran cuando se tiene altas temperaturas de operación, por lo cual lo óptimo es evitar altas temperaturas, y mantenerla entre una temperatura de 15 °C a 30°C. (Dhameja, 2002) (Gandiaga, 2016)
1.4.3.3. Tiempo que está almacenada la batería.
Mantener mayor tiempo almacenada implica mayor degradación. (Gandiaga, 2016)
1.4.4. Profundidad de descarga (DOD)
Mientras la profundidad de descarga sea mayor la vida de la batería será más corta, manteniendo una relación exponencial con el número de ciclos de operación. (Gandiaga, 2016)
17
1.5. TIPOS DE RECARGA PARA BATERÍAS.
Existen varios tipos de carga de las baterías según la velocidad, es decir cuánto tiempo lleva para completar la carga completa de la batería, esta depende directamente de la potencia disponible producto de la velocidad de carga, es decir qué periodo tarda la batería para ser recargada. (Union, 2018)
1.5.1. Carga súper lenta.
Se realiza con una conexión monofásica, la magnitud de corriente es limitada a 10 A o menos, la carga de un vehículo eléctrico de 22 a 24 kWh tarda alrededor de diez y doce horas. Este proceso de carga es aconsejable debido a que no afectan la vida útil de la batería.(Union, 2018)
1.5.2. Carga lenta.
Denominado recarga normal. Se realiza con una conexión monofásica debido a la potencia que demanda es de 3,6 kW. Se realiza a 16 A con lo cual la carga de las baterías puede llevar ente seis y ocho horas. Los puntos de carga pueden ser en domicilio o centros de trabajo. Este proceso es utilizado ya que no genera calor durante el proceso de carga por lo cual esta no se ve afectada.(Union, 2018)(Iberdrola, 2018)
1.5.3. Carga semi-rápida.
Se realiza una conexión trifásica debido a que se procede a una potencia de 22 kW, los puntos de recarga suelen situarse en vías públicas, generando una autonomía desde 150 km que tarda un periodo de una hora u hora y cuarto.(Bueno & Juan, 2017)(Union, 2018)(Iberdrola, 2018)
1.5.4. Carga rápida.
Se utiliza una conexión trifásica debido a la potencia alta entre 44 y 50 kW. La recarga de 22 a 24 kWh de capacidad se realiza en media hora, sin embargo, lo frecuente es hacer una recarga de la batería entorno al 80% o 90%. (Union, 2018)(Iberdrola, 2018)
1.5.5. Carga súper rápida
Se realiza mediante una potencia elevadamente alta de 150 kW mediante una conexión trifásica, la recarga de las baterías puede realizarse en un tiempo de cinco a diez minutos.
18 Hay que considerar que este modelo de recarga genera elevadas temperaturas y las baterías de ion de litio no las soportan, por lo cual no es aconsejable realizar este tipo de carga para salvaguardar la vida útil de la batería. (Bueno & Juan, 2017)(Union, 2018)
1.6. CICLOS DE VIDA DE LAS BATERÍAS.
La vida útil de una batería no es medida en tiempo (Semanas, meses, años), sino por los procesos de carga-descarga que en ella se realizan sin que sea necesario una descarga total, es decir, si el acumulador se somete a un régimen de muchos ciclos diariamente de trabajo durara una menor cantidad de tiempo, pero en cambio, si la batería es sometida a un régimen de trabajo de pocos ciclos diariamente puede durar una mayor cantidad de tiempo.
De dicha forma, hay que considerar la profundidad de descarga que está sometido este elemento, si es moderada la descarga y solo algunas veces se alcanza una profundidad elevada, la batería soportara un mayor número de ciclos. Caso contrario, si se realiza mayor número de descargas profundas la vida útil y cantidad de ciclos irá disminuyendo progresivamente. (Ortiz B. , 2018)
19 CAPÍTULO 2: DETE RMINACIÓN DE PARAMET RO S DE DEG RADACIÓN EN CICLO S DE DE SCARGA Y CARGA
Capítulo 2.
Determinación de parámetros de degradación
en ciclos de descarga y carga.
2.1. PARÁMETROS
DE
DEGRADACIÓN
EN
CICLOS
DE
DESCARGA Y CARGA.
En el presente capitulo se define los modos de degradación de la batería de alto voltaje de polímero de litro, sin embargo, se centra especialmente en la degradación por medio de procesos de carga y descarga; además se presenta el método para la adquisición de datos; los instrumentos a emplearse (Tarjeta de adquisición de datos, pinza amperimétrica, cargador del vehículo eléctrico), posterior se describe las rutas a emplearse para el estudio y de igual manera las condiciones a las cuales el automóvil estará sometido para el proceso de descarga y posterior carga.
2.1.1. Modos de degradación de la batería de Polímero de Litio.
La degradación de los acumuladores de litio se puede caracterizar por dos aspectos importante: La pérdida de capacidad que se puede producir en ellas, así como también el incremento en la resistencia interna, dichos aspectos se producen por diferentes métodos como:
Efecto de almacenamiento. (SOC y temperatura).
Efecto de profundidad de descarga. (DOD)
20 Para el estudio se emplea los efectos que producen los ciclos de carga y descarga de la batería de polímero de litio, lo que puede intervenir en diferentes consecuencias como que a mayor velocidad de carga la temperatura de la batería incrementa y como resultado la degradación de la batería aumenta.
2.2. METODOLOGÍA DE PRUEBAS.
El modelado matemático se realiza por medio de la degradación que producen los ciclos de carga y descarga, para ello se plantea una metodología investigativa basados en procesos a seguir para la toma de datos característicos de la batería de alto voltaje del vehículo eléctrico Kia Soul EV.
Se efectúa los ciclos de carga y descarga siguiendo el proceso correspondiente, los cuales indican los pasos a seguir para una correcta realización de las pruebas y posterior toma de datos.
2.2.1. Proceso de descarga de la batería.
Los pasos mediante el cual se realiza la prueba de descarga se representan en el siguiente diagrama (Refiérase a la figura 7), teniendo en cuenta para la aplicación del proceso las siguientes consideraciones:
Se verifica que el estado de carga del vehículo eléctrico se encuentre al 100% para cada prueba. En el caso de no encontrarse totalmente cargado se procede a realizar el proceso de carga.
Instrumentos de medición los cuales deben estar en perfectas condiciones estos son: pinza amperimétrica, tarjeta de adquisición de datos y ordenador.
Se debe sincronizar los softwares empleados; el programa Emolab 2.0.2 mediante el puerto OBDLink Mx el cual permite la conexión bluetooth con la computadora del vehículo y para el software Tiempo/Corriente se realiza el enlace con el conjunto pinza amperimétrica-Tarjeta de adquisición de datos.
21
INICIO
Verificar si el vehículo está cargado al 100%
¿Está el vehículo cargado totalmente? Realizar el proceso de
carga
Abrir capó y conectar instrumentos de medición
Cerrar capó
Sincronizar e iniciar softwares
Encender vehículo
Iniciar ruta de prueba
Iniciar toma de datos en softwares
Finalizar ruta
Finalizar toma de datos
Apagar vehículo Guardar resultados del
ciclo de descarga Desconectar instrumentos de medición FIN SI NO
Figura 7. Diagrama del proceso para la obtención de parámetros de descarga. Fuente: Autores
22
2.2.2. Proceso de carga de la batería.
Los pasos mediante el cual se realiza la prueba de carga se representan en el siguiente diagrama, pero para la aplicación se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones:
Los instrumentos empleados en el proceso de descarga se utilizan para la obtención de los datos para la carga.
Al momento en el que se conecta el cargador al vehículo hay que tener en consideración de que la estación de carga no muestre ningún indicativo de fallo, si ese no es el caso se observa que en el tablero se encienden luces indicativas de que el proceso de carga se lleva a cabo.
Al finalizar cualquier prueba se verifica que los datos hayan sido tomados correctamente sin el indicio de algún fallo o error, caso contrario la prueba se realizara nuevamente.
23
INICIO
Abrir compartimiento del cargador y capó Conectar instrumentos de medición Encender y alistar ambos softwares Conectar el cargador
Tomar datos del ciclo de carga
¿Se encuentra totalmente cargado?
Finalizar toma de datos Verificar si el vehículo está
totalmente cargado
SI
Guardar resultados del ciclo de carga
Desconectar el cargador e instrumentos de medición
Cerrar capó y compartimiento de carga
FIN
NO
Figura 8. Diagrama del proceso para la obtención de parámetros de carga. Fuente: Autores
24
2.2.3. Instrumentos utilizados en la medición. 2.2.3.1. Sistema de alto voltaje Kia Soul.
El sistema de alto voltaje del vehículo eléctrico está conformado por los siguientes elementos los cuales se puede observar en la figura 9.
1.-Batería de alto voltaje. 4.-Caja conexión de alto voltaje 7.-Caja reductora. 2.-Unidad electrónica de control de potencia (Inversor, convertidor, controller)
5.-Cables de alta tensión
3.-Cargador 6.-Motor eléctrico
Figura 9. Elementos constitutivos del sistema de alto voltaje Fuente: (Meganeboy, 2017)
2.2.3.2. Cargador.
Cargador de modelo EVSA-RS AeroVironment permite la carga del vehículo eléctrico, posterior al aplicar el ciclo de descarga el cual proporciona una corriente constante que permite realizar un proceso de carga lenta-rápida el cual será explicado a continuación.
25 El cargador cuenta con las siguientes opciones en su interfaz (Refiérase a la figura 10). La estación de carga cuenta con un conector modelo SAE J1772 el cual se conecta al puerto de carga del vehículo eléctrico Kia Soul EV.
Figura 10. Cargador AV aerovironment. Fuente: Autores.
En la tabla 1 se observa las partes de cargador del vehículo Kia Soul
Tabla 1. Descripción Interfaz Cargador. Fuente: Autores.
1.- START. Permite iniciar el proceso de carga.
5.-VEHICLE CONNECTED. Indica que el vehículo ha sido conectado correctamente a la estación de carga, además de muestra cuando la carga se ha realizado en su totalidad.
2.-STOP. Permite detener un proceso de carga cuando esta se está realizando.
6.-VEHICLE CHARGING. Indica que el vehículo se encuentra realizando un proceso de carga.
3.-POWER PRESENT. Demuestra que la estación de carga tiene la potencia necesaria para el proceso de carga.
7.-TROUBLE. Al encenderse demuestra que ha ocurrido algún inconveniente por lo que es necesario detener la carga.
26 4.-READY TO CHARGE. La estación de
carga esta lista para utilizarse.
2.2.3.3. Tipo de Carga.
La estación de carga modelo EVSA-RS AeroVironment permite la recarga del vehículo de modo lento suministrando a la batería de alto voltaje una corriente constante de aproximadamente 16 A. la estación de recarga presenta una conexión a la red eléctrica de 220 V, por lo que para dicha acción se demandara una potencia aproximada de 3,5 KW de potencia. En aproximadamente 6 horas se realiza el proceso total de carga del vehículo Kia Soul EV.
2.2.3.4. Pinza amperimétrica.
Empleada para la medición de la corriente la pinza amperimétrica CA/CC Fluke i1010, cuenta con las siguientes características las que se presenta en la Tabla 2. Este modelo es empleado por el motivo de su alto rango de medición.
Tabla 2. Especificaciones técnicas Pinza Amperimétrica CA/CC Fluke i1010. Fuente: (Corporation, 2018)
Modelo Pinza Amperimétrica. I1010
Temperatura eficaz. -10 °C a +50 °C (14 °F a 122 °F) Temperatura de almacenamiento. -20 °C a +60 °C (-4 °F a +140 °F) Altitud Operativa No Operativa 0 m – 2000 m 0 m – 12000 m
Señal de salida. 1 mV por amp de CC o CA
Voltaje de Trabajo 600 V rms, CAT. III máximo en la entrada
Gama de corriente especificada: 1 A – 600 A CA rms * 1 A – 1000 A CC
27
Gama de corriente Utilizable: 0,5 A – 1000 A
Exactitud de CC (con cero ajustado, conductor centrado)
2,0 % + 0,5 A (0 A – 1000 A)
Amplitud de banda 10 kHz
Figura 11.Pinza amperimétrica CA/CC Fluke i1010 Fuente: (Distrelec, 2018)
2.2.3.5. Tarjeta de adquisición de datos.
La tarjeta de adquisición modelo NI USB-6212 se utiliza conjuntamente con un ordenador y la pinza amperimétrica descrita en este mismo documento, se emplean para la obtención de datos de corriente de la batería de alto voltaje del vehículo Kia Soul, en el ciclo de carga-descarga. Las características se pueden observar en la Tabla 3.
28
Figura 12. Tarjeta de adquisición de datos NI USB-6212. Fuente: (Industry, 2018)
Tabla 3. Especificaciones técnicas tarjeta de adquisición de datos NI USB-6212. Fuente: (Instruments, 2018)
Modelo.
NATIONAL INSTRUMENTS NI USB-6212
Número de Canales. 9 diferenciales o 16 de terminación única.
Resolución ADC 16 bits.
Frecuencia de Muestreo.
Máximo Canal Único 400 kS/s
Frecuencia mínima 0 S/s
Resolución de tiempo 50 ns
Precisión de tiempo 50 ppm de frecuencia de muestreo
Tensión Máxima de trabajo para entradas analógicas.
29
2.2.3.6. Software Empleados.
Para la comunicación entre el ordenador y la tarjeta de adquisición de datos se emplea dos softwares para corroborar la información obtenida, los cuales permiten la toma de variables que se aplica en capítulos posteriores.
2.2.3.6.1. Software Emolab 2.0.2
Emolab 2.0.2 software diseñado por el Ing. Paul Ortiz permite la adquisición de 69 variables características del automóvil Kia Soul Ev mediante la conexión a la computadora del vehículo por medio de un puerto OBDLink Mx, que realiza la conexión bluetooth, adquiriendo de esta forma los datos que representa los ciclos de carga y descarga que está sometido durante las rutas de prueba.
Figura 13. Interfaz gráfica Programa Emolab 2.0.2 Fuente: (Ortiz I. P., 2018)
2.2.3.6.2. Software Tiempo/Corriente.
Mediante el uso de la tarjeta de adquisición y pinza amperimétrica permite la toma del consumo de corriente del vehículo al ser sometido al ciclo de carga y descarga. Presentando en su interfaz la gráfica característica de su comportamiento en la cual los datos de prueba se toman cada segundo. Para ello se configura la interfaz de comando en la cual se puede variar la frecuencia de muestreo.
30
Figura 14. Interfaz gráfica software empleado. Fuente: Autores.
2.2.4. Diagrama de conexión Ciclo Carga-Descarga.
Para el proceso de adquisición de datos en ciclo Descarga se aplica el siguiente modo de conexión de los elementos anteriormente descritos (refiérase al anexo F):
En cambio, en los procesos de carga la conexión es relativamente la mismo con el único cambio de que aumenta el uso del cargador del vehículo eléctrico, por lo que se obtiene el siguiente método de conexión:
Vehículo Electrico (Kia Soul EV)
Pinza Amperimetrica Tarjeta de adquisicion de datos. Ordenador (Emolab 2.0.2 y Programa Tiempo/Corriente) Cargador. Vehículo Electrico (Kia Soul EV) Pinza Amperimetrica Tarjeta de adquisicion de datos. Ordenador (Emolab 2.0.2 y Programa Tiempo/ Corriente)
31
2.2.5. Selección de Rutas.
Por medio de metodología investigativa se procede a plantear rutas, de las cuales se obtiene datos característicos del funcionamiento del vehículo eléctrico en diferentes condiciones de estudio. Para ello se plantea tres rutas con las siguientes características:
Primera: una ruta con una gran longitud que permita un ciclo de descarga en su totalidad, pero sin contar con grandes esfuerzo o puntos de críticos como: elevadas pendientes, permite de esta forma mantener el consumo de corriente de manera estable.
Segunda: un recorrido que esfuerce al vehículo eléctrico a sus mayores esfuerzos y como resultado mayores consumos, presentando en este recorrido elevadas pendientes, curvas pronunciadas, y un recorrido largo, logrando de esta manera una descarga casi en su totalidad.
Tercera: una ruta corta pero que presente un punto crítico en la Ciudad de Cuenca, es decir, que cuenta con una pendiente pronunciada en su recorrido que ofrecerá un esfuerzo y consumo mayor en la batería de alto voltaje.
2.3. OBTENCIÓN DE DATOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LA
SALUD INICIAL DE LA BATERÍA.
Mediante la ruta 1 descrita a continuación se procede a la obtención de datos para el cálculo de la salud inicial de la batería de alto voltaje del vehículo eléctrico Kia Soul. Dicha ruta fue tomada debido a longitud la cual permite una descarga progresiva, no presentan pendientes pronunciadas y permite el uso de conducción modo Cruise casi en la totalidad de su recorrido. Presenta las siguientes condiciones:
Velocidad Modo Cruise: 80 Km/h
Longitud de la ruta: 53,53 Km
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2.3.1. Ruta 1 Carretera Panamericana Redondel de Monay (Cuenca) – Azogues.
La ruta mencionada presenta una carretera que permite la conducción en modo Cruise a una velocidad de 80 Km/h lo que permite mantener al vehículo de pruebas en un rango de consumo aproximado.
Este recorrido tiene su inicio en el redondel de Monay sector Hospital José Carrasco Artiaga y finaliza en el Cantón Azogues. La carretera panamericana cuenta casi en su totalidad con 4 carriles en cada dirección de conducción, debido a la amplitud y números de carriles presentes en esa vía se puede realizar la prueba de consumo en su totalidad sin la variación de velocidad, esta ruta tiene una velocidad límite de 90 Km/h por lo que no habría ningún impedimento de aplicar la velocidad Cruise seleccionada. Cuenta con 4 redondeles en su recorrido lo que se toma en cuenta para el estudio, ya que como consecuencia presenta un error de consumo el cual no interviene en el estudio de la salud inicial de la batería de alto voltaje.
A continuación (Tabla 4) se puede observar la descripción de la ruta que presenta la carretera panamericana Cuenca-Azogues:
Tabla 4. Descripción de ruta 1. Fuente: Autores
Inicio ruta Final Ruta Tiempo realizado Recorrido Redondel de
Monay
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Figura 15. Ruta Carretera Panamericana. Redondel de Monay (Cuenca) – Azogues. Fuente: Autores
Las especificaciones de la ruta 1 para el estudio de este proyecto se visualiza en la tabla 5.
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Tabla 5. Especificaciones técnicas Corredor E35. Fuente: (Cuenca, 2016)
Especificaciones técnicas Ruta.
Denominación Corredor E35
Tipo de corredor Periférico
Sentido Sureste-Suroeste
Cualidades Geométricas.
Longitud (Km) 18,27 Tipo de intersección
Direccionalidad Doble vía Semaforizadas 2
N de carriles promedio 6 No semaforizada 38 N de intersecciones 40 T 33
Nodos con viario principal
10 Cruz 2
Nodos con vario local 30 Rotonda 3 Tramos homogéneos Si Distribuidor 2 Otros Ninguno
