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Proyecto Fin de Carrera Optimización de Vehículos Eléctricos de Rango Extendido Autor/es Víctor Júdez Gíl Director/es y/o ponente Mariano Muñoz Rodríguez Escuela de Ingeniería y Arquitectura Universidad de Zaragoza 2011/2012 Contenido 2 Optimización de Vehículos Eléctricos de Rango Extendido RESUMEN El objetivo de este estudio es elaborar una metodología para optimizar el tamaño de la batería (energía almacenada) y del extensor de rango (potencia máxima) aplicable a diferentes tipos de Vehículo Eléctricos de Rango Extendido. Los vehículos eléctricos se presentan como una solución prometedora a los problemas con los que se enfrenta el sector de transporte. Debido a su alta eficiencia los vehículos eléctricos son capaces de reducir considerablemente las emisiones locales y globales, así como reducir la dependencia que el trasporte tiene de los limitados y cada vez más costosos combustibles fósiles. Sin embargo los vehículos eléctricos presentan problemas importantes. La mayor parte de estos problemas derivan del alto precio y baja densidad energética que presentan actualmente las baterías, lo que conlleva a autonomías eléctricas no suficientes para la mayoría de los conductores. Para superar las deficiencias actuales de los vehículos eléctricos y acelerar la electrificación del automóvil los Vehículo Eléctricos de Rango Extendido pueden ser una solución atractiva. En estos vehículos se añade un motor térmico (extensor de rango) al tren de potencia de un vehículo eléctrico, el cual es capaz de recargar las baterías cuando la carga de estas ha sido totalmente consumida. La adición del extensor de rango elimina las limitaciones de autonomía que presentan los vehículos eléctricos y además permite ajustar el tamaño de la batería a la distancia típica recorrida diariamente, reduciendo por lo tanto el coste total del vehículo. Este estudio se ha centrado en analizar los patrones de conducción de los conductores para analizar que características influyen en el tamaño óptimo de la batería de del extensor de rango. Para ello se ha hecho uso de una amplia base de datos de conducción de vehículos. Así mismo se ha adaptado un método de optimización convexa para su utilización en el control y simulación de Vehículos Eléctricos de Rango Extendido. Los resultados del estudio muestran que el tamaño óptimo de la batería es fuertemente dependiente del precio de esta y de la distancia recorrida diariamente, la cual varía según el segmento de mercado sobre el que fijamos el estudio. El tamaño del extensor de rango debe decidirse según las prestaciones deseadas para el vehículo en trayectos largos, debiendo prestar especial atención a los requerimientos esperados en zonas montañosas. El proyecto demuestra que los Vehículos Eléctrico de Rango Extendido son una buena solución para reducir el consumo de combustible, siendo posible reducir el 70 % de uso de combustible con rango eléctricos reducidos (50-70km). Además estos vehículos podrían ser validos para un mayor porcentaje de conductores al no presentar limitaciones de autonomía y ser más competitivos en comparación con los vehículos eléctricos actuales. Contenido Contenido 1. Introducción .......................................................................................................................... 5 1.1. Contexto ........................................................................................................................ 5 1.2. Motivación y trabajos relacionados .............................................................................. 6 1.3. Objetivo y alcance del proyecto .................................................................................... 7 1.4. Organización de la memoria ......................................................................................... 7 2. El Vehículo Eléctrico de Autonomía Extendida. .................................................................... 9 2.3. Definiciones ................................................................................................................... 9 Vehículo híbrido: ................................................................................................................... 9 Vehículo hibrido eléctrico enchufable (PHEV): ..................................................................... 9 Vehículo eléctrico de baterías (BEV): .................................................................................... 9 2.4. Vehículo híbrido serie ................................................................................................... 9 2.5. Vehículo Eléctrico de Autonomía Extendida (REV). .................................................... 11 3. Análisis de los patrones de uso de los vehículos. ................................................................ 13 3.1. Ciclos de conducción para homologación. .................................................................. 13 3.2. Base de datos en patrones de conducción. ................................................................ 13 3.2.1. Test Site Sweden (TSS) ........................................................................................ 14 3.2.2. Distancia recorrida diariamente .......................................................................... 15 3.3. Los ciclos de conducción ARTEMIS. ............................................................................. 19 3.4. Método para optimizar Vehículos Eléctricos de Rango Extendido. ............................ 21 3.4.1. Simulación y control del tren de potencia de un vehículo hibrido. .................... 21 3.4.2. Aplicación del método de optimización convexa a REV. ..................................... 22 4. Diseño del tren de potencia de un vehículo eléctrico de rango extendido ........................ 25 4.1. Requerimientos de potencia por parte del motor eléctrico. ...................................... 25 4.2. Dimensionamiento del motor combustión-generador. .............................................. 29 4.2.1. Efecto de la velocidad media. ............................................................................. 29 4.2.2. Efecto de las pendientes ..................................................................................... 31 4.2.3. Otros efectos ....................................................................................................... 31 4.2.4. Estrategias de operación inteligentes. ................................................................ 32 4.2.5. Tamaño a seleccionar .......................................................................................... 33 4.3. Dimensionamiento de la batería ................................................................................. 34 4.3.1. Porcentaje de kilómetros conducidos eléctricamente. ...................................... 34 Contenido 4 4.3.2. Ratio Potencia-Energía ........................................................................................ 37 4.3.3. Precio de la bateria.............................................................................................. 39 5. Optimización de costes ....................................................................................................... 40 6. Comparación del tamaño optimo de batería para los 2 tipos de vehículos. ...................... 42 6.3 Definición de los nichos de mercado. ......................................................................... 42 6.3.4 Vehículo urbano ................................................................................................. 42 6.3.5 Vehículo de pasajeros para cualquier uso ........................................................... 42 6.3.6 Patrones de conducción para los dos tipos de vehículos .................................... 42 6.4 Comparación de ambos vehículos .............................................................................. 44 7. Consumos de combustible y autonomía. ............................................................................ 48 7.3 Consumo combustible en modo mantenimiento de carga (l/100km) ....................... 48 7.4 Consumo energético en modo puramente eléctrico (kWh/km)  Rango eléctrico (km) 49 7.5 Consumo combinado. Procedimiento Europeo híbridos. ........................................... 49 8. Comparación entre BEVs y REVs ......................................................................................... 52 9. Conclusiones y líneas futuras .............................................................................................. 55 9.3 Conclusiones................................................................................................................ 55 9.4 Líneas futuras .............................................................................................................. 56 10. Bibliografía ...................................................................................................................... 57 Introducción 5 1. Introducción 1.1. Contexto Este trabajo se enmarca dentro del proyecto FUEREX: Multi-fuel Range Extender with high efficiency and ultra-low emissions [1]. El proyecto esta cofinanciado por el Séptimo Programa Marco de la Comisión Europea y esta formado por un consorcio de 8 organizaciones (fabricantes de vehículos, proveedores, institutos de investigación y universidades). FUEREX tiene como objetivos: 1. Desarrollar 3 motores de encendido por chipa para su utilización como extensores de rango. Figura 1. 3 motores candidatos a desarrollar. 2. Desarrollo de capacidades multi-fuel. Todos los motores serán optimizados para al menos un tipo de biofuel (bio etanol, bio gas, mezclas de biogás/hidrogeno) y al menos un combustible convencional (gasolina, CNG). 3. Integración de los extensores de rango en vehículos eléctricos de baterías. 4. Demostración y validación de la tecnología integrada mediante 3 vehículos prototipo. Los vehículos seleccionados dentro de FUEREX, nombrados de izquierda a derecha en la Figura 2, son:  Furgoneta de distribución (Iveco Daily).  General purpose passenger car (Volvo C30).  Vehículo de pasajeros enfocado a ambientes urbanos (Mini Cooper). Figura 2. 3 Vehículos en FUEREX Introducción 6 Chalmers University of Technology es la responsable dentro del proyecto de los estudios a nivel del vehículo. Los objetivos concretos del paquete de trabajo que lidera Chalmers son:  Crear ciclos de conducción adecuados para Vehículos Eléctricos de Rango Extendido.  Definir estrategias de control y dimensionamiento del Extensor de Rango.  Comparar los 3 vehículos seleccionados y sus tamaños óptimos de batería. Este proyecto ha intentado responder a algunas de las cuestiones planteadas anteriormente. Los objetivos concretos del estudio son expuestos en el apartado 1.3. 1.2. Motivación y trabajos relacionados Mundialmente existe una fuerte tendencia hacia la mejora de eficiencia y reducción de emisiones por parte del sector del transporte en general y de los vehículos de pasajeros en particular. En Europa en concreto una ley aprobada en 2008 fuerza a los fabricantes de automóviles a reducir las emisiones medias de sus nuevos vehículos a 130gr/CO2 para 2015 y propone una reducción de hasta 95 gr/CO2 para 2020. A estos requerimientos medioambientales se suma la escalada en el precio de los carburantes y la fuerte dependencia que el sistema de trasporte tiene de ellos. Los vehículos eléctricos se presentan como una solución prometedora a los problemas anteriormente mencionados. Estos vehículos son capaces de reducir al 100 % las emisiones locales al propulsarse haciendo únicamente uso de energía eléctrica y aunque no hay que olvidar que la energía eléctrica utilizada por estos vehículos proviene en muchos casos de combustibles fósiles, varios estudios [1][2] han demostrado que las emisiones de CO2 totales (well-to-wheel) son aproximadamente la mitad que las de un vehículo convencional. Sin embargo los vehículos eléctricos puros presentan cuatro desventajas importantes comparados con los vehículos convencionales: autonomía, tiempo de recarga, peso y coste. Todos estos problemas están relacionados con la tecnología de baterías. En primer lugar el precio de las baterías todavía es demasiado alto lo que hace que sea necesario reducir la autonomía (tamaño de la batería) para mantener contenido el coste del vehículo. En segundo lugar la densidad energética (kWh/kg) de estas es reducida, lo que hace que el peso total del vehículo se vea incrementado por la adición de baterías. Ambos factores afectan de una manera decisiva al rango eléctrico o autonomía del vehículo que se ve limitada en los modelos actuales a valores en torno a 160 km en condiciones favorables de conducción. Por último la recarga de la batería también representa una limitación importante. La infraestructura de recarga no está desarrollada y los tiempos de recarga son demasiado largos, lo que fuerza a limita en la mayoría de los casos a recarga el vehículo al finalizar el día en el hogar del propietario. Los vehículos eléctricos de rango extendido se presentan como una solución prometedora para acelerar la electrificación del automóvil. Añadiendo un extensor de rango (motor de combustión + generador) al vehículo eléctrico es posible reducir el tamaño de la batería, y por lo tanto su coste, adecuando el rango eléctrico a la distancia recorrida diariamente. La gran Introducción 7 mayoría de días el rango eléctrico del vehículo será suficiente para completar la distancia recorrida, mientras que para viajes más largos de lo habitual el extensor de rango se encarga de recarga la batería permitiéndonos continuar nuestro viaje más halla del rango eléctrico del vehículo, eliminando las limitaciones de autonomía que presentan los vehículos eléctricos puros. 1.3. Objetivo y alcance del proyecto Los principales objetivos del proyecto son:  Proponer un método para la optimización del tren de potencia de Vehículos Eléctricos de Rango Extendido.  Estudiar el tamaño óptimo de batería para dos tipos de Vehículos Eléctricos de Rango Extendido para dos tipos de vehículos.  Estudiar el tamaño óptimo del Extensor de Rango en función de las distintas situaciones de conducción. Para ello se pretende investigar cuales son los factores principales que afectan en el dimensionamiento de la batería y extensor de rango en Vehículo Eléctrico de Rango Extendido. El proyecto centra su atención en el estudio de los patrones de conducción de los conductores, poniendo especial énfasis en la distancia recorrida diariamente por los usuarios. Otros factores como la previsible reducción del precio de las baterías son incluidos en la optimización, sin embargo no se ha estudiado la influencia de factores como el precio de los combustibles fósiles o de la energía eléctrica. El método ha sido aplicado a dos vehículos ejemplo, un vehículo de uso general y un vehículo urbano, los cuales quieren representar dos importantes nichos de mercado dentro de los vehículos de pasajeros. Durante el estudio también se realiza un análisis de cuál es el posible potencial de reducción de combustible que estos vehículos y su posible aceptación por parte de los consumidores. Es importante remarcar que el objetivo del proyecto no es comparar los Vehículos Eléctricos de Rango Extendido con los vehículos convencionales, sino la propia optimización del tren de potencia de estos vehículos. 1.4. Organización de la memoria La memoria consta de 8 secciones principales las cuales están organizadas de una manera lógica empezando por las definiciones necesarias, el análisis de los patrones de conducción y descripción de la metodología utilizada, pasando por la muestra de resultados y realización de comparaciones para finalizar con las conclusiones y líneas futuras de trabajo. Los contenidos de cada sección son los siguientes: En el segundo apartado se describen los conceptos de vehículo híbrido serie y vehículo eléctrico de rango extendido. Introducción 8 Posteriormente en el apartado 3 se estudian los patrones de conducción y se define el método con el que se realizarán los diferentes estudios y optimizaciones del tren de potencia del vehículo. En La sección 4, denominada “Diseño del tren de potencia” se explican los principales mecanismos que dimensionan tanto el extensor de rango como la batería en un vehículo eléctrico de rango extendido, pretendiendo ser esta sección una guía del diseño de los Vehículo Eléctricos de Rango Extendido. En la sección 5 se describe la optimización de costes con la que se elige el tamaño óptimo de batería, para posteriormente en la sección 6 “Comparación del tamaño optimo de batería para dos tipos de vehículos” realizar una comparación de los resultados para un vehículo destinado a su uso urbano y un vehículo concebido para cualquier uso. En el apartado 8 se realiza una comparación principalmente cualitativa entre los vehículos eléctricos de rango extendido y los vehículos eléctricos puros. Por último en el apartado 9 se exponen las conclusiones que se pueden derivar del estudio y propone futuras líneas de investigación para continuar el trabajo realizado. El Vehículo Eléctrico de Autonomía Extendida. 9 2. El Vehículo Eléctrico de Autonomía Extendida. En esta sección se van a explicar en profundidad los conceptos de vehículo hibrido serie y de vehículo eléctrico de autonomía extendida. En la sección 2.3 también se definen otras topologías de vehículos nombradas con frecuencia a lo largo del estudio. 2.3. Definiciones Vehículo híbrido: Según la definición de vehículo híbrido dada por la SAE (Society of Automotive Engineers): Híbrido es todo aquel vehículo que se pueda impulsar con dos o más fuentes diferentes de potencia ya sea de forma conjunta o independientemente. En concreto en los vehículos híbridos eléctricos (HEV) el tren de potencia está compuesto por un motor de combustión, uno o más máquinas eléctricas y un almacenador de energía, típicamente una batería pero pudiendo ser también un supercapacitor. Dependiendo de su diseño los HEVs pueden operar en serie, paralelo o serie-paralelo. Para una detallada descripción de los vehículos híbridos y sus distintas configuraciones, ver [4]. Vehículo hibrido eléctrico enchufable (PHEV): Los denominados PHEV son HEV que además disponen de la posibilidad de recargar la batería mediante su conexión directa a la red eléctrica. Vehículo eléctrico de baterías (BEV): Vehículos propulsados por uno o más motores eléctricos. En el caso de un BEV la energía es suministrada por una batería que es recargada mediante su conexión a la red eléctrica. 2.4. Vehículo híbrido serie En un vehículo hibrido serie las ruedas son propulsadas por uno o más motores eléctricos, mientras que la electricidad demandada por este motor eléctrico puede ser suministrada por una batería o por un motor térmico unido a un generador eléctrico. El generador eléctrico convierte la energía mecánica proveniente de motor de combustión en energía eléctrica, la cual puede ser usada tanto para alimentar directamente el motor eléctrico como para recargar la batería. Debido a que no existe conexión mecánica entre el motor de combustión y las ruedas, el punto de operación de este puede ser elegido independientemente de la velocidad y la demanda de par del vehículo, y el motor de combustión puede ser controlado para operar en la zona de máxima eficiencia. Las prestaciones del vehículo (en términos de aceleración, máxima pendiente y velocidad máxima) son determinadas por el tamaño y características del motor eléctrico. Este motor de tracción también puede ser utilizado como generador permitiendo regenerar energía mientras frenamos para volverla a almacenar en la batería. Análisis de los patrones de uso de los vehículos. 16 suficientemente largo para cargar la batería, es posible que no haya un punto de recarga disponible y la recarga se tenga que realizar al concluir el día en un punto de recarga particular. Esta suposición será especialmente cierta durante los primeros años de implementación, ya que en estos momentos la infraestructura de recarga es todavía limitada y los vehículos deberán ser principalmente recargados al final del día en la casa de los propietarios. Incluso cuando la infraestructura de recarga este más consolida la gran mayoría de las recargas se realizarán al final del día al llegar al hogar o garaje del propietario. Esta tendencia estará provocada por varias razones:  Para los viajes por encima del rango eléctrico disponemos del extensor de autonomía, el que nos da la libertad de hacer largos recorridos sin tener que parar a recargar la batería. Los descansos que deben ser hechos durante un viaje largo no son suficientes para recargar la batería, y por lo tanto la mayoría de recargas se realizaran al finalizar el viaje.  Otra razón será el previsible mayor precio de energía eléctrica al recargar en las estaciones instaladas en la vía pública o parkings públicos. La empresa propietaria de las estaciones de recarga tiene unos gastos de instalación iniciales y unos gastos de mantenimiento más adelante, casi inexistentes para un particular. Además si se trata de una empresa privada su razón de ser es el de tener beneficios hará que el precio sea más elevado que la tarifa eléctrica del usuario. Esto hará que muchos de los días en los que la autonomía eléctrica es suficiente para completar el recorrido el usuario prefiera esperar a recargar de una forma más barata en su instalación particular. Debido a las razones anteriormente expuestas en este estudio se ha considerado como escenario base que el vehículo será cargado diariamente durante la noche. Bajo este supuesto se realizará la optimización del tamaño de batería en los apartados 10 y 5. Todos los viajes registrados en la base de datos han sido agrupados en días, acumulando la distancia recorrida en cada viaje en un valor de distancia recorrida diaria. La Figura 9 muestra la distribución acumulada de la distancia recorrida diariamente. En esta ocasión el 90% de los días se recorren 100 km o menos, distancia considerablemente mayor que los 23 km necesarios para acumular el 90% de viajes. Se puede observar también que el 70 % de los días la distancia recorrida es igual o menor a 50 km. Dejando a un lado los valores exactos mostrados en estas graficas, los cuales pueden cambiar fácilmente dependiendo de factores como la localización geográfica de los vehículos o del tipo de vehículos representados, es importante poner atención en la variabilidad que podemos encontrar entre distintos conductores. Cuando se trabaja con bases de datos y estadísticas es necesario poner atención no solo a los valores medios, sino también a la variabilidad y diferencias que se pueden encontrar dentro de la gran cantidad de datos. Por ello en la Figura 10 se ha representado la distancia diaria recorrida para distintas partes de la base de datos. En primer lugar se ha representado la distancia recorrida para el 10% de vehículos que recorren distancias más largas y más cortas (funciones morada y roja respectivamente). Además de eso se han representado la misma distribución para 3 conductores individuales. Análisis de los patrones de uso de los vehículos. 17 Figura 9. Distribución distancia recorrida diariamente. Figura 10. Variabilidad de la distancia diaria recorrida. En la figura anterior se puede observar que para completar el 70% de los días en el caso del 10% de conductores que conducen viajes más cortos es necesario un rango eléctrico de tan solo 25 km, la mitad que para la media de todos los conductores. Si por el contrario nos fijamos únicamente en el 10% de conductores que conducen viajes más largos la distancia se dobla respecto a la media, necesitando un rango eléctrico de más de 100 km para completar el mismo 70% de días totales. 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 Dias acumulados (%) Distancia (km) Average 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 Días acumulados (%) Distancia (km) Average 10 percentil 90 percentil 4147 5080 3051 Análisis de los patrones de uso de los vehículos. 18 Si indagamos todavía más en la base de datos se observa que las curvas que representan vehículos individuales presentan formas muy distintas que aquellas que engloban un gran número de conductores. Los saltos que se pueden observar en las curvas de los conductores individuales se deben a que para un conductor individual ciertos viajes se repiten con mucha más frecuencia que otros. El objetivo final de este trabajo es elegir el tamaño de baterías y motor-generador que ofrecen un menor coste total al usuario o propietario del vehículo. Como se ha mostrado en la Figura 10 distintos conductores presentan distintas distribuciones en la distancia diaria recorrida. Por lo tanto si quisiéramos minimizar el coste total de propiedad para cada conductor individual esto nos llevaría a un diseño o configuración distinta para cada usuario. Sin embargo este grado de personalización no es viable económicamente desde un punto de vista industrial, y por ello es necesario determinar un número limitado de configuraciones que satisfagan al mayor número posible de usuarios. Por ello es importante clasificar a los distintos conductores dependiendo de las características de conducción compartidas para de esta manera satisfacer al mayor número de conductores posibles con un número limitado de tamaños de batería. Desde el punto de vista psicológico del conductor el número de días en que este conduce su vehículo de una manera totalmente eléctrica, y por tanto no es necesario utilizar el motor de combustión, puede llevar a la idea de ‘tengo un vehículo eléctrico’. Hechos como el no tener que ir a la gasolinera habitualmente o simplemente oír el sonido del motor de combustión en contadas ocasiones pueden ser características que el usuario aprecie de su vehículo y que por lo tanto generen una satisfacción o sensación de calidad al cliente. Sin embargo si nos ceñimos a un pensamiento puramente racional, entendiendo racional como económico, lo que marca la economía de nuestro tren de potencia no es la cantidad de días que podemos conducir sin hacer uso alguno del motor de combustión, sino la cantidad o porcentaje de kilómetros que recorremos con una y otra fuente de energía. En la sección 4.3.1 se presentará una gráfica representando el porcentaje de la distancia total recorrida que puede ser recorrida con energía eléctrica dependiendo del tamaño de la batería. En las siguientes secciones estos resultados serán traducidos a términos monetarios para poder comparar desde un punto de vista económico la optimalidad del tren de potencia para distintos tamaños de batería. Análisis de los patrones de uso de los vehículos. 19 3.3. Los ciclos de conducción ARTEMIS. Como ya ha sido comentado anteriormente existe un problema adicional cuando nuestro objetivo es optimizar el diseño de un vehículo. El objetivo principal de los ciclos de conducción que se utilizan para homologación es el de proporcionar unos valores oficiales de consumo y emisiones con los que poder comparar distintos vehículos. Por el contrario para optimizar el diseño del tren de potencia debemos utilizar ciclos de conducción que representen de una manera realista y con suficiente detalle la manera en que los conductores utilizan sus vehículos. Dentro del alcance de este proyecto no estaba el crear nuevos ciclos de conducción, ya que esta es una tarea para la que se necesitan una gran cantidad de recursos. Por ello se decidió hacer uso de los conocidos y contrastados ciclos de conducción ARTEMIS. El objetivo del proyecto Europeo ARTEMIS fue el de desarrollar 3 ciclos de conducción (autopista, carretera rural y entorno urbano) representativos de las condiciones reales de uso de los vehículos y el reproducir la diversidad de condiciones de conducción. Estos ciclos de conducción fueron construidos haciendo uso de una amplia base de datos y haciendo uso de una metodología que fue ampliamente discutida y aprobada. La información detallada de las bases de datos que fueron utilizadas para construir los ciclos de conducción así como la metodología utilizada puede ser consultada en [7]. En las Figuras Figura 11 y Figura 12Figura 13 se muestran los perfiles de velocidad de los ciclos urbano, rural y de autopista. Figura 11. Ciclo Artemis urbano 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 0 200 400 600 800 1000 1200 speed (km/h) time (s) Artemis urban cycle Análisis de los patrones de uso de los vehículos. 20 Figura 12. Ciclo ARTEMIS rural Figura 13. Ciclo ARTEMIS autopista Los 3 ciclos de conducción en cuestión están disponibles para su descarga y utilización libre en [8]. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20 40 60 80 100 120 0 200 400 600 800 1000 1200 speed (km/h) time (s) Artemis road cycle 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20 40 60 80 100 120 140 0 200 400 600 800 1000 1200 speed (km/h) time (s) motorway ; maximum speed 150 km/h Análisis de los patrones de uso de los vehículos. 21 3.4. Método para optimizar Vehículos Eléctricos de Rango Extendido. 3.4.1. Simulación y control del tren de potencia de un vehículo hibrido. El problema de simular y controlar un vehículo hibrido se puede abordar mediante dos tipos de métodos. El primer método se basa en algoritmos heurísticos. En la mayor casos se tratan de normas lógicas que deciden según una serie de variables de entrada cual es la distribución de potencia en el tren de potencia en cada instante. Estos métodos presentan como desventaja el que no aseguran que el control óptimo (mínimo consumo) del tren de potencia. El segundo grupo de métodos son los llamados métodos de control óptimo. Presentan como ventaja la optimalidad del control, lo cual asegura el mínimo consumo posible. La contrapartida de este tipo de métodos es la necesidad de conocer la ruta (ciclo de conducción) para realizar la optimización, lo que hace difícil su implementación en el propio vehículo a tiempo real. Dentro de los métodos de control óptimo, Dynamic Programming (DP) es el más comúnmente usado. La principal ventaja de DP es la capacidad de utilizar modelos no lineares y no convexos de los distintos componentes, pudiendo mezclar en el mismo problema variable continuas y discretas. Sin embargo la principal desventaja de este método es la capacidad de computación necesaria para mantener los tiempos de simulación dentro de límites aceptables, además de la imposibilidad de manejar más de dos variables de simulación si queremos mantener este tiempo contenido. Con el fin de solucionar los problemas planteados por DP, dentro de Chalmers Univerversity of Technology se ha desarrollado un nuevo método de optimización de vehículos híbridos desarrollado en basado en optimización convexa. La principal ventaja de este método es la rapidez en comparación con DP y la posibilidad de manejar varias variables de optimización, pudiendo de esta manera optimizar el tamaño de los distintos componentes dentro del mismo algoritmo de optimización. Sin embargo el método no está exento de desventajas. El principal reto para la aplicación de un método de optimización convexa para el control de un vehículo hibrido es la no convexidad general del problema de optimización. Por ello gran parte del esfuerzo durante el desarrollo del método fue puesto en la convertir el problema de control de un vehículo híbrido en un problema de optimización convexa, realizando las aproximaciones necesarias manteniendo la exactitud en los resultados. En los artículos [9] y [10], se explica detalladamente el fundamento teórico del método así como los distintos pasos para convexizar el problema en cuestión y la definición del problema de optimización. El algoritmo ha sido desarrollado dentro del entorno de programación MATLAB. Es importante remarcar que este método de optimización convexa no ha sido desarrollado dentro de este estudio, sino que únicamente ha sido adaptado y aplicado para solucionar el problema de optimización del Vehículo Eléctricos de Rango Extendido. Análisis de los patrones de uso de los vehículos. 22 3.4.2. Aplicación del método de optimización convexa a REV. Como ha sido señalado en el apartado anterior el principal problema que presentan los métodos de control óptimo de vehículos híbridos es la necesidad de conocer con total exactitud el ciclo de conducción para el que va a ser simulado y optimizado el control del vehículo. Por ello en un principio este método de optimización convexa ha sido utilizado para la optimización de autobuses de trasporte urbano para los cuales es más sencilla la definición del ciclo de conducción, ya que siguen rutas prefijadas con anterioridad. Cuando se intenta trasladar el mismo problema a un vehículo de uso particular la definición del ciclo de conducción es mucho más complicada. Un ciclo de conducción para optimización debe representar todas las diferentes condiciones de conducción que el vehículo pueda tener que hacer frente a lo largo de su vida útil. Sin embargo no es posible representar en un ciclo de conducción toda la vida de un vehículo, ya que el ciclo de conducción sería extremadamente largo e imposible de manejar (tiempos de simulación demasiado largos) por el algoritmo de simulación. La dificultad reside en realizar un ciclo de conducción mucho más corto que represente con suficiente precisión todas las posibles situaciones de conducción que puedan afectar al diseño óptimo del vehículo. Debido a la dificultad para generar y validar dicho ciclo de conducción durante el desarrollo del proyecto se decidió la utilización de un método alternativo. El método en cuestión consiste en calcular el consumo de combustible y consumo energético del vehículo en modo de mantenimiento de carga (solo utilizando combustible) y modo puramente eléctrico respectivamente. Debido que de cada viaje conocemos la velocidad media del mismo, ambos consumo son correlacionados con la velocidad media del viaje. Un ejemplo de las correlaciones realizadas entre velocidad media y consumo de combustible y energético es mostrado en las Figuras Figura 14 yFigura 15. Como ya ha sido mencionado el vehículo es controlado es un modo eléctrico/modo mantenimiento de carga. Si la batería está cargada el vehículo circula en un modo totalmente eléctrico. Una vez la batería se descargar el RE entra en funcionamiento manteniendo el nivel de carga dentro de un margen permitido. Los consumos en ambos modos de funcionamiento son calculados con el método de optimización convexa descrito anteriormente. El tren de potencia (tamaño de batería y tamaño del RE) se define previamente a la simulación mediante el método de optimización convexa. En el caso del modo puramente eléctrico se trata únicamente de una simulación del modelo, ya que no existe ninguna variable que optimizar. En el caso del modo de mantenimiento de carga el método de optimización decide en cada momento cual es la utilización de cada componente (RE y batería) teniendo como restricción que el SoC debe ser el mismo al empezar y finalizar el ciclo de conducción. Así cada a cada viaje dentro de la base de datos se le asigna un consumo de combustible, un consumo eléctrico o ambos según el estado de carga de la batería y el modo de operación del vehículo. El consumo de los viajes se asigna siguiendo el orden cronológico en el que fueron realizados. Se comienza el primer viaje con la batería totalmente cargada y se van descontando Análisis de los patrones de uso de los vehículos. 23 los consumos de electricidad de los viajes realizados. Cuando la batería llega a su nivel mínimo de carga el consumo pasa a ser un consumo de combustible. Todos los viajes hasta que se vuelva a cargar la batería son realizados con combustible. Al final de cada día la batería es cargada completamente de nuevo. Figura 14. Correlacion velocidad mediaconsumo de combustible Figura 15. Correlación velocidad media - consumo energético 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0 20 40 60 80 100 120 140 Consumo enérgetico (kWh/km) Velocidad media (km/h) 0 1 2 3 4 5 6 7 0 20 40 60 80 100 120 140 Consumo de combustible (l/100 km) Velocidad media (km/h) Análisis de los patrones de uso de los vehículos. 24 El proceso es repetido para distintos tamaños de batería, simulando y asignando nuevos valores de consumos para los distintos viajes. Una vez que se disponen de los consumos de combustible y electricidad para todos los distintos viajes y tamaños de batería estos pueden ser fácilmente traducidos a términos económicos utilizando el precio del combustible (€/l) y el precio de la electricidad (€/kWh) como será explicado en el apartado 5 y de esta manera realizar una optimización de costes. También es fácilmente calculable la cantidad de kilómetros conducidos con una y otra fuente de energía como se mostrará en el apartado 4.3.2. En la Tabla 2 se muestras los principales datos necesarios para la simulación: Tabla 2. Datos de ambos vehículo simulados. Los mapas de eficiencia del Extensor de Rango, motor eléctrico y batería han sido modelados de la manera explicada en el artículo [9]. Por razones de confidencialidad estos mapas de eficiencia y los datos con los fueron construidos no pueden ser mostrados dentro de este estudio. Diseño del tren de potencia de un vehículo eléctrico de rango extendido 25 4. Diseño del tren de potencia de un vehículo eléctrico de rango extendido En las siguientes secciones (4.1,4.2 y 4.3) se va a analizar cuáles son los principales factores que afectan en el diseño y dimensionamiento tanto del extensor de rango como de la batería en un REV. 4.1. Requerimientos de potencia por parte del motor eléctrico. En el apartado 1 se ha explicado cual es el esquema del tren de potencia tanto de un vehículo híbrido serie como de un REV sin detallar cuáles son las potencias que deben tener los distintos componentes (motor eléctrico, extensor de autonomía y batería). Las características del motor eléctrico (Curvas de par y potencia) deben ser seleccionadas dependiendo de las prestaciones (aceleración, velocidad máxima, máxima pendiente) deseadas para nuestro vehículo. En este estudio el motor eléctrico se ha considerado determinado antes de comenzar el dimensionamiento del resto de componentes. Conocida la potencia eléctrica demandada por el motor eléctrico, esta puede ser suministrada por la batería, por el RE o por cualquier combinación de las dos fuentes de potencia. Para poder utilizar la máxima capacidad del motor eléctrico la suma de potencia que el RE y la batería pueden suministras debe ser igual o mayor a la máxima potencia demanda por el motor eléctrico: Donde: = Potencia motor eléctrico. = Rendimiento motor eléctrico. = Potencia del Extensor de Rango. = Potencia de la batería. Debe tenerse en cuenta que es no necesariamente la máxima potencia mecánica del motor eléctrico, sino la potencia en la que el cociente es máximo. En el caso de un REV existen otras dos restricciones que limitan el proceso de diseño del tren de potencia:  En primer lugar, si el REV se diseña para tener un modo eléctrico en el que las máximas prestaciones están disponibles, la máxima potencia proveniente de la batería debe ser igual a la máxima posible potencia demandada por el motor eléctrico. Diseño del tren de potencia de un vehículo eléctrico de rango extendido 32 Otros aspectos como el uso de auxiliares (calefacción, climatización, iluminación) tienen también una influencia en la demanda media de potencia. Las simulaciones han sido realizadas considerando una demanda de potencia media por parte de los sistemas auxiliares de 1000W. Este valor podría variar dependiendo del uso que el usuario haga del sistema de climatización así como de las condiciones ambientales modificando ligeramente la potencia media demandada. El estudio exhaustivo de la influencia de estos factores queda fuera del alcance de este proyecto, y deberá ser analizado en mayor detalle en sucesivas investigaciones. 4.2.4. Estrategias de operación inteligentes. Una estrategia de operación inteligente del tren de potencia puede permitir utilizar un conjunto motor de combustión/generador más pequeño sin comprometer las prestaciones en los recorridos más largos o en condiciones exigentes como puertos de montaña. Estas estrategias de operación inteligentes se basan en el conocimiento de las condiciones futuras de conducción y en la anticipación por parte del sistema de control. Si el sistema de control prevé una futura necesidad de energía extra, el vehículo deja de operar en modo totalmente eléctrico (aunque en ese momento hubiese carga suficiente en la batería) y el extensor de rango entra en funcionamiento con intención de mantener o incluso incrementar el nivel de carga actual y disponer de una reserva de energía suficiente con la que hacer frente sin dificultades a las condiciones de conducción futuras. Dependiendo del grado de implicación del conductor en la toma de decisión:  El conductor debe activar un ‘modo montaña’. En este modo el extensor de autonomía produciría más potencia de la necesaria desde el inicio del viaje intentando cargar o al menos mantener el nivel de carga de la batería. Cuando se llegase a la zona con una alta demanda de energía, por ejemplo un puerto de montaña, tendríamos suficiente energía almacenada en la batería para suministrar durante un periodo de tiempo prolongado el exceso de potencia que no puede ser dado por el extensor de autonomía. La desventaja de esta opción reside en que la decisión de cambiar el modo de conducción reside en el propio conductor, el cual no tiene por qué conocer el perfil de terreno o simplemente no tomar la decisión adecuada.  La segunda opción es predefinir la ruta haciendo uso de GPS. Antes de comenzar el viaje el usuario debería introducir el destino deseado. Con ello el GPS calcularía la ruta más conveniente y basándose en el perfil de la ruta, límites de velocidad y otros posibles factores como el estilo de conducción del usuario o el uso de los auxiliares (calefacción, sistemas de entretenimiento,..etc.) el sistema sería capaz de estimar la energía necesaria para recorrer la ruta y ajustar la producción de energía por parte del extensor de rango a la demanda energética del recorrido. Sería la opción con la que se podrían controlar las necesidades energéticas de una manera más eficiente para mantener en todo momento las prestaciones esperadas por parte del usuario. La única Diseño del tren de potencia de un vehículo eléctrico de rango extendido 33 desventaja se encuentra en que es necesario que el usuario introduzca el destino para que el sistema funcione.  Una estrategia más sofisticada, pero transparente para el conductor, sería intentar predecir la ruta que el conductor va a tomar. De una forma similar a la forma en que un ordenador elige la mejor jugada en una partida de ajedrez, todas las posibles rutas están siendo permanentemente chequeadas calculando la posibilidad de tomar una ruta con una demanda de energía superior a las reservas actuales. Si el sistema determina que es probable que en un futuro cercano se necesite una energía extra se mandará la orden al extensor de rango para anticiparse y crear la reserva de energía con la que poder cubrir las futuras demandas de potencia. 4.2.5. Tamaño a seleccionar La elección del tamaño necesario o deseable para el extensor de rango debe ser hecha teniendo en cuenta dos factores principales: prestaciones y coste. El tamaño elegido para el RE debe asegurar en todo momento el nivel de prestaciones esperado o al menos el mínimo aceptado por el consumidor. La elección de un RE demasiado ajustado en términos de potencia puede dar lugar a situaciones en las que el vehículo presente limitaciones importantes que pueden crear una gran insatisfacción en el usuario. Por otra parte es importante reducir el coste en la medida de lo posible, utilizando componentes más pequeños y por lo tanto más baratos. Desde un punto de vista del fabricante es posible que la mejor solución sea optar por un extensor de rango ligeramente sobredimensionado, que sea capaz de hacer frente en todo momento a las posibles demandas medias de potencia. Clientes descontentos con el rendimiento de su vehículo y la mala publicidad por parte de medios especializados al descubrir limitaciones en las prestaciones podrían provocar, más aun en una tecnología nueva y poco conocida, un rechazo inicial de los REV por parte de los consumidores. La recomendación dada por este estudio es optar inicialmente por un RE de una potencia aproximada de 35-38 Kw para el vehículo de uso general. Para el vehículo urbano es posible que un RE de 25 Kw fuese suficiente, ya que raramente será usado en zonas montañosas y los requerimientos que los usuarios hacen sobre estos vehículos son habitualmente menores. A medida que este tipo de vehículos sean introducidos en el mercado y los fabricantes puedan entender de una forma más precisa el uso que los usuarios dan a sus vehículos, será posible ajustar el tamaño del RE al uso real que los usuarios hacen de ellos. Diseño del tren de potencia de un vehículo eléctrico de rango extendido 34 4.3. Dimensionamiento de la batería En este apartado se van a discutir cuales son los principales mecanismos que afectan en el dimensionamiento de la batería. La optimización de costes mediante la cual se encuentra el tamaño óptimo de la batería será explicada en la sección 1 y los resultados derivados de esta serán mostrados y discutidos en la sección 1. 4.3.1. Porcentaje de kilómetros conducidos eléctricamente. La principal razón para la frecuentemente llamada electrificación del automóvil es la reducción de las emisiones globales y locales, así como reducir la dependencia energética del petróleo. Aunque los REVs no cortan el 100 % de las emisiones locales, ya que todavía se necesita combustible para realizar viajes más largos que el rango eléctrico del vehículo, son una solución interesante para reducir la cantidad de combustible utilizado. La cantidad de kilómetros conducidos de manera eléctrica también determina la economía del tren de potencia. Con los precios de la energía eléctrica y de los combustibles fósiles actuales el kilometro eléctrico es significativamente más barato que el kilometro conducido con combustible y por lo tanto al aumentar la fracción de kilómetros eléctricos se reduce el coste de operación (€/km) del vehículo. En la Figura 20 se muestra el porcentaje de kilómetros totales que pueden ser conducidos eléctricamente en función del tamaño de la batería. Figura 20. Porcentaje de kilómetros eléctricos. 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Kilometros electricos (%) Tamaño batería (kWh) 4 hours 6 hours 8 hours 10 hours 12hours Daily Diseño del tren de potencia de un vehículo eléctrico de rango extendido 35 Para realizar la anterior Figura 20 se ha considerado como escenario base que el vehículo es recargado cada noche (línea naranja). Además se han añadido otros casos suponiendo que permitimos recargar el vehículo cada vez que el tiempo de parada es mayor de 4, 6, 8,10 y 12 horas respectivamente. Si estudiamos la figura se puede observar que incluso tamaños de baterías pequeños, y por lo tanto rangos eléctricos reducidos, pueden reemplazar una cantidad considerable de kilómetros conducidos con combustible por kilómetros conducidos eléctricamente. Cargando el vehículo únicamente durante la noche, el 70% de kilómetros totales pueden ser conducidos eléctricamente con una batería de 16 kWh y el 50% de kilómetros con una batería tan pequeña como 9kWh. La razón que explica porque los REV pueden ser una solución interesante es la necesidad de optar por baterías cada vez más grandes sí queremos un rango eléctrico mayor. Esto significa que tanto el coste como el peso de batería aumentan considerablemente aun cuando raramente será utilizado el rango eléctrico completo de la batería. En la Figura 20 se puede observar como la pendiente de las curvas disminuye al aumentar el tamaño del paquete de baterías. La tendencia de la curva muestra que si quisiéramos conducir el 100% de kilómetros eléctricamente sería necesario disponer de una batería extremadamente grande, lo que conllevaría a un coste inicial de vehículo difícilmente amortizable con el futuro ahorro en combustible. Mientras que los primeros kWh reducen considerablemente la cantidad de kilómetros conducidos con combustible, a medida que aumentamos en tamaño de la batería esta es menos efectiva en su tarea de reducir el uso de combustible. En la Figura 21 se muestra la derivada de la Figura 20, la cual muestra cual es el incremento de kilómetros eléctricos conducidos por kWh adicional de batería. Figura 21. Aumento del % de kilómetros eléctricos por kWh adicional. 0% 1% 1% 2% 2% 3% 3% 4% 4% 5% 5 10 15 20 25 30 35 % kilometros electricos extra/kWh Tamaño batería (kWh) Diseño del tren de potencia de un vehículo eléctrico de rango extendido 36 Se puede observar como la curva desciende al aumentar el tamaño de la batería, indicando que cada kWh adicional es menos eficaz a la hora de reducir el número de kilómetros conducidos con combustible. Se podría decir que los primeros kWh de batería son más rentables, ya que la inversión hecha en ellos se recuperará fácilmente debido al menor conste del kilometro eléctrico. Sin embargo a medida que aumenta el tamaño de la batería los kWh adicionales ayudan cada vez menos a aumentar el porcentaje de kilómetros conducidos eléctricamente, y por lo tanto será más difícil amortizar el aumento de coste inicial causado por una batería mayor. Valores similares han que los mostrados en la Figura 20 se pueden encontrar en [11]. Volts Stats recoge información acerca del rendimiento y uso por parte de más de 1000 propietarios del Chevrolet Volt que voluntariamente ceden los datos de sus vehículos con esta página web. Con un paquete de baterías de 16 kWh los conductores registrados en esta web de presentan más de un 75 % del total de kilómetros conducidos exclusivamente con energía eléctrica proveniente de la batería. Figura 22. % kilómetros eléctricos Volts Stats. En la página oficial del vehículo [12] también se puede encontrar unos interesantes contadores en los que se muestra en tiempo real la cantidad total de kilómetros recorridos por los propietarios del vehículo y cuántos de estos han sido conducidos eléctricamente. Todos los vehículos vendidos están equipados con el sistema OnStar que registra datos del vehículo en tiempo real así como diferentes servicios para el conductor. Aproximadamente 2/3 partes del total de kilómetros recorridos por los usuarios del vehículo han sido utilizando la energía eléctrica proveniente de la red. Figura 23. Distancia eléctrica/ distancia total de todos los Chevrolet Volt vendidos. Diseño del tren de potencia de un vehículo eléctrico de rango extendido 37 La diferencia entre ambas fuentes se puede deber a que los usuarios que registran sus vehículos en el recurso Volts Stats son probablemente usuarios orgullosos del uso que hacen de su vehículo y que quieren mostrarlo y compartirlo con otros conductores, mientras que en la página oficial del vehículo están registrados sin excepción todos los kilómetros realizados con el modelo hasta la fecha. Como se mostrará en el apartado 6.4 y más concretamente en la Figura 29 la cantidad de kilómetros eléctricos es fuertemente dependiente del uso que cada usuario hace de su vehículo y por lo tanto del tipo de conductores en el que fijemos la atención. Sin embargo es importante destacar que en términos globales los resultados proporcionados por otros medios son muy similares al 70 % de kilómetros totales que de acuerdo con lo mostrado en la Figura 20 una batería de 16 kWh podría realizar eléctricamente. 4.3.2. Ratio Potencia-Energía Como ya ha sido mencionado en varias ocasiones, si el objetivo es disponer de un modo eléctrico completamente capaz en término de prestaciones, la batería debe ser capaz de alimentar al motor eléctrico con toda la potencia eléctrica que este pueda demandar. De esta manera la máxima potencia disponible por parte de la batería queda automáticamente definida una vez que la potencia y rendimiento del motor eléctrico son conocidos. Diferentes vehículos híbridos requieren diferentes ratios de descarga por parte de la batería. En general las baterías se pueden calificar como baterías optimizadas en términos de energía o en términos de potencia. Los denominados HEV usan baterías optimizadas para dar potencia, ya que al no poder recargar la batería desde una fuente externa la función principal de la batería es proporcionar potencia al motor eléctrico y no almacenar energía. En el caso de los PHEV y BEV en los que es posible recargar la batería conectando a la red de suministro, la batería tiene también una función de depósito de energía y por lo tanto tiende a ser de mayor tamaño. Esto hace que sea posible optar por baterías más pobres en términos de potencia, ya que la potencia total demandada será conseguida debido al mayor tamaño de esta (mayor numero de celdas totales). En la Figura 24 se muestra como el coste específico ($/kWh) de la batería es fuertemente dependiente del ratio potencia/ energía (W/Wh) de la batería. A medida que el ratio potencia/energía aumenta el coste de la batería por kWh aumenta en consonancia. Las baterías optimizadas para suministrar potencia, aunque más caras por kWh, resultan mucho más baratas por kW. Con las baterías optimizadas en términos de energía sucede lo contrario. El coste por kWh es menor, mientras que se necesita una batería mayor y por lo tanto más cara para conseguir la misma potencia de la batería. En el siguiente apartatado 4.3.3 se ha modelado el coste específico de la batería (€/kwh) como funcion de propio tamaño de esta utilizando la Figura 24. Diseño del tren de potencia de un vehículo eléctrico de rango extendido 38 Figura 24. Coste especifico en función del ratio potencia-energía. Diseño del tren de potencia de un vehículo eléctrico de rango extendido 39 4.3.3. Precio de la bateria El factor más determinante para la futura introducción de los vehículos eléctricos y de los vehículos híbridos enchufables es sin duda el precio de las baterías. Existen muchas y variadas previsiones de cuál será el precio de las baterías en un futuro próximo, siendo en la mayoría de ocasiones 2020 el año de referencia. Los precios estimados por kWh varían desde los muy optimistas que pronostican valores de 160$/kWh hasta los 450$/kWh en 2020 [13][14]. Incluso los precios actuales son difíciles de pronosticar, pero según varias fuentes podrían rondar los 600-800$/kWh [15]. Ya que el objetivo de este estudio no es el de pronosticar el precio que podrán alcanzar en un futuro las baterías, se ha preferido tomar 3 niveles de precios y estudiar qué influencia tiene esa variación en el precio de las baterías en el óptimo que encontramos. Figura 25. Precio de la batería En la Figura 25 se puede observar que en este modelo de precios se ha introducido el fenómeno descrito en la sección anterior: el precio por kWh aumenta al disminuir el tamaño de la batería (kWh), ya que si la potencia a suministrar es la misma se hace necesario optar por baterías más potentes y por consecuencia más caras. 0 100 200 300 400 500 600 700 0 5 10 15 20 25 30 35 Precio bateria (€/kWh) Tamaño batería (kWh) Future optimistic Future base case Future pesimistic Optimización de costes 40 5. Optimización de costes La optimización de costes tiene como objetivo encontrar cual es el tamaño de batería que minimiza el coste total de propiedad del vehículo. Este coste total lo podemos dividir en dos costes secundarios: Por un lado tenemos el coste inicial de vehículo. Al aumentar el tamaño de la batería el precio del vehículo aumenta en consonancia con esta. A la hora de buscar el óptimo no se ha incluido en el precio inicial el coste del resto del vehículo, ya que esto solo influiría el valor del coste total pero no el tamaño de óptimo de batería. De la misma manera no se ha considerado ninguna posible subvención a este tipo de vehículos, ya que aunque los haría más competitivos frente a otros vehículos no tiene influencia en el tamaño óptimo de batería. Por otro lado está el coste de operación o coste por kilometro. Al aumentar el tamaño de la batería disminuye el coste de operación ya que aumenta el porcentaje de kilómetros conducidos haciendo uso de energía eléctrica, y con los precios actuales el kilometro eléctrico es considerablemente más barato que el kilómetro conducido con combustible. El coste de operación depende de varios factores:  Distancia total recorrida en el periodo de amortización.  Precios de electricidad y combustible.  Patrones de conducción: Determinan la fracción de kilómetros recorridos con ambas fuentes de energía y el consumo en cada modo de conducción. La suma de ambos costes (coste inicial y coste de operación) determinan el coste total de propiedad del vehículo durante su vida útil: Los 3 distintos costes están representados en la Figura 26. Figura 26. Coste total de propiedad. 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0 10 20 30 40 Coste total (€) Tamaño batería (kWh) Fuel+Electricity Battery Total Optimización de costes 41 El mínimo de la curva de coste total determina el tamaño óptimo de batería. Desde un punto de vista matemático este es el punto en el la pendiente de las curvas de coste inicial y coste de operación se iguala (con distinto signo) haciendo cero la pendiente de la curva del coste total. En la siguiente tabla se muestran los principales parámetros utilizados durante la optimización de costes: Precio combustible 1.7 €/l Precio electricidad 0.12 €/kWh Precio batería Valores mostrados en la Figura 25 Kilómetros totales recorridos 150.000 km Tabla 3. Valores utilizados en la optimización de costes. Consumos de combustible y autonomía. 48 7. Consumos de combustible y autonomía. En esta sección se van a presentar los consumos de combustible cuando el vehículo opera en modo mantenimiento de carga (únicamente gasolina) y el consumo energético y rango eléctrico cuando se utiliza únicamente la energía proveniente de la batería. Por último se presentaran valores de consumo de combustible total en homologación. Ambos consumos han sido calculados para distintos ciclos de conducción. Además del NEDC se han simulado otros 5 ciclos de conducción ARTEMIS cubriendo el espectro de velocidades medias de conducción. Los vehículos seleccionados han sido:  Volvo C30: Batería 14 kWh, Extensor de Rango 35 Kw.  Mini: Batería 11 kWh, Extensor de Rango 15 kw. 7.3 Consumo combustible en modo mantenimiento de carga (l/100km) Ciclos de conducción Volvo C30 Mini NEDC 3.73 3.88 Artemis Urban 3.58 3.72 Artemis Road 3.53 3.65 Artemis motorway 5.5 ----- Artemis9 4.97 ----- Artemis12 6.04 ----- Tabla 4. Consumo combustible en modo mantenimiento de carga (l/100 km) En la Tabla 4 se puede observar como los consumo de combustible en modo mantenimiento de carga son muy contenidos. En el caso del Volvo C30 se consigue un consumo de 3.73 l/100km en el NEDC. Este consumo es comparable al obtenido por un vehículo diesel actual de las mismas características. Sin embargo a medida que los ciclos de conducción son más rápidos (Artemis motorway, Artemis 12) el consumo de combustible aumenta considerablemente, registrando peores valores de consumo que los que obtendría un vehículo convencional. El en caso del Mini no se han registrado los valores de consumo de combustible para los 3 ciclos de conducción más rápidos ya que el tamaño del Extensor de Rango no permite mantener el nivel de carga en esos ciclos de conducción. La razón de porque el Mini registra peores valores de consumo que el Volvo C30, aun siendo el primero un vehículo más ligero, reside en los peores rendimientos de unos RE y baterías más pequeños. Consumos de combustible y autonomía. 49 7.4 Consumo energético en modo puramente eléctrico (kWh/km)  Rango eléctrico (km) Ciclos de conducción Volvo C30 Mini NEDC 0.1368 (66.8) 0.1464 (49.3) Artemis Urban 0.1213 (73.8) 0.1355 (53.3) Artemis Road 0.1190 (75.2) 0.1360 (53.1) Artemis motorway 0.2121 (47.7) 0.2180 (33.1) Artemis9 0.1897 (53.3) 0.1924 (37.5) Artemis12 0.2296 (44.0) 0.2337 (30.9) Tabla 5. Consumo energético (kWh/km) y rango eléctrico (km) en modo puramente eléctrico. En la Tabla 5 se puede observar como el consumo energético y por lo tanto el rango eléctrico varía considerablemente dependiendo del ciclo de conducción. Mientras que en un ciclo totalmente urbano como el Artemis Urban se pueden se pueden alcanzar rangos eléctricos de más de 70 km con una batería de 14 kWh, este se ve reducido a menos de 50 km en ciclos de conducción más rápidos como el Artemis Motorway. Por ello sería recomendable que el lugar de facilitar un único valor de rango eléctrico, el propio fabricante facilitase un rango de valores entre los que la autonomía del vehículo puede variar según las condiciones de conducción. Esto ayudaría al usuario a entender el producto y no sentirse engañado cuando el vehículo no alcanzase el rango eléctrico anunciado. 7.5 Consumo combinado. Procedimiento Europeo híbridos. Los valores de consumo de combustible y consumo energético presentados en las secciones 7.3 y 7.4 representan los consumos que presentarían ambos vehículos en ambos modos de funcionamiento. Sin embargo el procedimiento de homologación europeo proporciona un solo dato de consumo ponderado (además del rango eléctrico). Este consumo de combustible es calculado como: Donde: FC= Consumo combustible. FCCS= Consumo de combustible en modo mantenimiento de carga. Batería descargada a su mínimo nivel. FCCD= Consumo de combustible en modo eléctrico. Batería cargada completamente. DE= Rango eléctrico del vehículo (km). Consumos de combustible y autonomía. 50 DAV= 25 km (distancia media recorrida en combustible entre dos recargas de la batería). Ya que para un REV el consumo de combustible en modo eléctrico es cero, la ecuación queda como: Donde el cociente representa la fracción de kilómetros recorridos con combustible asumiendo que como valor promedio entre dos recargas se recorren 25 km haciendo uso de combustible. Todos los detalles del procedimiento de homologación europeo pueden consultados en el reglamento UN ECE R101 [16]. Utilizando los valores de consumo de combustible y rango eléctrico mostrados en las Tablas Tabla 4 Tabla 5 para el NEDC los consumos de combustible ponderados para ambos vehículo en homologación serían los siguientes: FC_Volvo= 1.02 l/100 km FC_Mini= 1.3 l/100 km Se puede observar que consumos homologados de 1l/100 km pueden ser fácilmente obtenidos con rangos eléctricos cercanos a 70 km. Anunciar vehículos con un consumo de combustible de 1l/100km, o justo por debajo de este valor, puede ser un buen argumento de venta para los fabricantes, y posiblemente una razón para ajustar el tamaño de batería (rango eléctrico) a los valores necesarios para alcanzar esa sorprendente cifra de consumo. Sin embargo, aunque es el consumo de combustible que el vehículo podría llegar a tener en toda la distancia recorrida (contando también los kilómetros eléctricos), este dato no ayuda a comprender el consumo real del vehículo en los distintos modos de conducción. Esto puede llevar a confusión por parte del usuario cuando descubra que el consumo de combustible cuando el vehículo circula haciendo uso únicamente de este es considerablemente mayor que el homologado. El procedimiento para homologar el consumo de vehículos híbridos enchufables en los Estados Unidos es distinto y le aporta una mayor cantidad de información para comparar y entender cuál es el consumo en los distintos modos de operación del vehículo. Al contrario que en el reglamento Europeo que solo suministra un valor ponderado del consumo de automóvil, el reglamento estadounidense presenta consumos en ambos modos de conducción, el rango eléctrico del vehículo además de otras indicaciones sobre coste y ahorro de combustible y emisiones. La EPA (Environmental Protection Agency) es la encargada de llevar a cabo las homologaciones y provee a los nuevos vehículos vendidos con una pegatina (Figura 32) que contiene toda la información acerca del consumo e eficiencia energética del vehículo. Consumos de combustible y autonomía. 51 Figura 32. Pegatina de la EPA para PHEV. Comparación entre BEVs y REVs 52 8. Comparación entre BEVs y REVs Como ha sido mencionado en varias ocasiones durante la discusión, debido al alto peso y coste de las baterías parece razonable adaptar el tamaño de la batería a la típica distancia recorrida diariamente, mientras que los para los viajes más largos que el rango eléctrico del vehículo disponemos de un motor combustión/generador con el que recargar las baterías y continuar el trayecto. Sin embargo es importante no olvidar que el coste del RE debe ser añadido al coste total de un vehículo completamente eléctrico (con unas menores baterías). El atractivo de este tipo de vehículos en comparación con los vehículos puramente eléctricos reside en que el RE sea significativamente mejor en términos de coste, peso y volumen y funcionalidad que las baterías a las que remplaza. En términos de peso y volumen el extensor de rango iguala a las baterías, mientras que en funcionalidad (autonomía, tiempo de recarga) mejora sustancialmente a las baterías que remplaza. Durante el proyecto FUEREX ha sido estimado que el coste del extensor de rango para una producción de aproximadamente 500.000 motores/año debería ser de 2500 € para el sistema completo (motor combustión, generador, electrónica de potencia y tanque de combustible). La tecnología de motores, a diferencia de la de baterías, es una tecnología madura y por lo tanto no es probable que su coste disminuya dramáticamente en los próximos años. La Tabla 6 muestra cuantos kWh podrían ser añadidos si invertimos el coste del extensor de autonomía en baterías adicionales en función del precio del kWh. Precio bateria (€/kWh) 850 750 650 550 450 350 250 150 kWh adicionales 2,94 3,33 3,85 4,55 5,56 7,14 10,00 16,67 Tabla 6. kWh extra. En la tabla anterior se puede observar que incluso si el precio de las baterías se reduce a valores de 250 €/kWh, con el precio estimado de 2500€ para el extensor de rango esto solo sería suficiente para 10 kWh adicionales en baterías. Esto significa que un REV de 16 kWh sería comparable en precio inicial con un BEV de 26 kWh. Sin embargo la funcionalidad de ambos vehículos no es comparable, ya que el BEV dispondría de una autonomía de unos 180 km en condiciones favorables (pudiéndose disminuir hasta poco más de 100 km) mientras que para el REV la autonomía no representa un problema al poder hacer uso del motor/generador el los viajes que excedan la autonomía eléctrica. Sin embargo es posible que para ciertos conductores la autonomía que ofrece un BEV sea suficiente para satisfacer sus necesidades de trasporte, ya que debido al uso que le dan al vehículo no necesitan disponer de mayor autonomía. Así se plantea la siguiente pregunta: ¿Para cuantos conductores un vehículo puramente eléctrico podría ser su primer y único vehículo disponible? Para tratar de responder esta pregunta se ha vuelto a hacer uso de la base de datos disponible. Para cada vehículo dentro de la base de datos se ha calculado que tamaño de batería se hubiese necesitado para completar todos los viajes realizados. Con esta información se ha construido la Figura 33 que muestra que porcentaje de los conductores totales podrían haber Comparación entre BEVs y REVs 53 realizado sus viajes con un determinado tamaño de batería. El enfoque en este caso es necesariamente distinto al tomado hasta ahora, ya no es posible tomar estadísticas de grupos de conductores, sino que es necesario fijar la atención en cada conductor por separado y estudiar sus necesidades individuales. Figura 33. Potenciales usuarios de un vehículo eléctrico. La anterior Figura 33 representa el número de conductores de la base de datos para los que un BEV con un determinado tamaño de batería les hubiese sido suficiente para satisfacer sus necesidades de trasporte, sin embargo eso no significa que estos consideraran suficiente el rango eléctrico del vehículo. En primer lugar la base de datos es limitada y es posible que no haya captado todas las necesidades del conductor, en según lugar el llamado “Range Anxiety” hace que la autonomía demanda por los usuarios será mayor que la realmente necesitan, ya que estos quieren tener la seguridad de que el rango eléctrico del vehículo es suficiente si hay algún imprevisto. Atendiendo únicamente a los viajes que los distintos conductores realizaron los vehículos actuales solo son validos para aproximadamente un 35% de conductores. Este valor se reducirá considerablemente debido a los viajes no captados (cada conductor ha sido seguido por no más de dos meses) y debido a la percepción de los conductores de necesitar más rango eléctrico del que realmente utilizan. El principal problema que presentan los vehículos eléctricos actuales es que no cubren el 100% de necesidades de transporte de un usuario medio, y por lo tanto esto puede reducir su penetración en el mercado significativamente. Por esa razón los vehículos eléctricos sin extensor de autonomía solo serán capaces de reemplazar aquellos vehículos que son utilizados exclusivamente para trayecto cortos y conocidos, quedando reducido su uso a entornos urbanos o aplicaciones concretas, los que representan un segmento relativamente pequeño del mercado. En otras palabras, a medio plazo es probable que los vehículos eléctricos consigan convertirse en el segundo vehículo del hogar, así como vehículos para flotas, mientras que raramente serán el primer o único coche de la familia. Los REVs sin embargo, 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Conductores potenciales (%) Tamaño batería (kWh) Comparación entre BEVs y REVs 54 presentan una autonomía ilimitada y por lo tanto son validos para un mayor segmento de mercado aun cuando el extensor de rango solo será importante en un pequeño porcentaje de viajes. Los REV o PHEV también solucionan el problema de la falta de infraestructura, ya que estos vehículos no son tan dependientes de la implantación de una infraestructura de recarga para su introducción en el mercado, ya que disponen de una fuente adicional de energía (combustible) para los viajes que excedan el rango eléctrico del vehículo. Conclusiones y líneas futuras 55 9. Conclusiones y líneas futuras 9.3 Conclusiones La electrificación del automóvil diversificara considerablemente la variedad de tecnologías de propulsión. Mientras que con el vehículo de combustión convencional una única solución técnica puede ser valida para una gran cantidad de aplicaciones, la baja densidad energética y alto coste de las baterías requiere una optimización específica para cada aplicación. El proceso de electrificación esta siendo y será progresiva, comenzando con pequeñas hibridaciones con las que disminuir consumos (manteniendo prestaciones), pasando por PHEV y REV los cuales ya disponen de una conexión directa a la red eléctrica para finalizar con los BEV. De esta manera los distintos conceptos eléctricos junto con el vehículo de combustión convencional compartirán cuotas de mercado durante un importante periodo de tiempo. En este estudio en concreto se ha mostrado que la solución al problema de encontrar el tamaño de batería óptimo para REV no es única. Para poder satisfacer a distintos tipos de conductores será necesario ofertar, incluso dentro de un mismo modelo, distintos tamaños de batería que se adecuen a las necesidades de los distintos compradores potenciales. El tamaño del extensor de rango también deberá ser cuidadosamente ajustado para satisfacer las prestaciones esperadas por el conductor. Así como el problema de encontrar el tamaño de batería se puede plantear como una optimización de costes, la elección del extensor de rango debe ser entendida más como un compromiso entre las prestaciones del vehículo en largos recorridos y el coste del propio RE. Potencias demasiado ajustadas del RE podrían provocar situaciones en las que el conductor vería limitadas las prestaciones de su vehículo, pudiendo crean una gran insatisfacción y rechazo hacia el producto. Por ello la recomendación de este estudio es el optar por un RE ligeramente sobredimensionada que asegure unas buenas prestaciones en toda situación, al menos hasta que se pueda conocer con mayor exactitud el uso que los conductores hacen de este tipo de vehículo. Durante el proyecto se ha comprobado además el potencial que tienen estos vehículos para aunar las ventajas de vehículos eléctricos y convencionales. Los REV son capaces de reducir el consumo de combustible respecto aun vehículo convencional en aproximadamente un 70%, manteniendo la funcionabilidad y prestaciones de un vehículo convencional. Es precisamente la funcionalidad (autonomía) lo que convierte a este tipo de vehículos en una opción más atractiva para un mayor número de usuarios en comparación con el vehículo eléctrico puro. El rango eléctrico de los vehículos eléctricos actuales no se ajusta al uso que los conductores dan a su vehículo o incluso más importante, al rango que los conductores esperan de un vehículo basándose en los bien conocidos vehículos de combustión actuales. Sin embargo es difícil predecir como los patrones de conducción y el uso que se le da a los vehículos se verán influenciados en un futuro por factores sociales y económicos. Nuevos estilos de vida y comportamientos sociales pueden cambiar la forma en que usemos nuestros vehículos y por lo tanto las demandas que tengamos sobre ellos. Conclusiones y líneas futuras 56 9.4 Líneas futuras Para un mejor conocimiento de mercado y de los conductores sería necesario ampliar el estudio a distintas zonas geográficas, investigando las diferencias en los patrones de conducción entre distintos países. Así mismo sería de gran interés estudiar las diferencias en los patrones de conducción entre distintos tipos de vehículos y vehículos situados en diferentes áreas, como zonas urbanas y entornos rurales. Esto proporcionaría un mejor entendimiento de los conductores lo que podría derivar en productos mejor a adaptados a las necesidades de cada consumidor. Para ello es necesario la realización de bases de datos más amplias y representativas, y en la medida de lo posible de dominio público, para que tanto empresas del sector, como institutos de investigación y universidades pudieran hacer uso de ellas y de esta manera diseñar vehículos e infraestructuras de recarga adecuadas a las necesidades de los usuarios. El estudio también podría ser ampliado analizando la influencia que el previsible aumento del precio de los combustibles, la cantidad de kilómetros recorridos anualmente o el periodo de amortización tendrían en el tamaño óptimo de la batería y en la futura aceptación de estos vehículos. Desde el punto de vista del fabricante, un estudio incluso más interesante sería calcular cuales serían los tamaños de batería (dado un número limitado de opciones) que maximizarían la satisfacción del cliente o el beneficio de la empresa. La diferencia con el estudio realizado recaería en que el proceso de definición de los nichos de mercado sería simultáneo (no serían definidos con anterioridad) y la optimización calcularía al mismo tiempo que vehículos y para que usuarios se minimiza el coste total de propiedad. Analizando los resultados sería posible identificar para que grupo de conductores sería adecuado cada vehículo y los patrones de conducción y posible características compartidas que definen a ese grupo de conductores (distancia recorrida diariamente, tipo de vehículo, localización del vehículo... etc.). Por último, un punto que queda fuera del alcance de este proyecto, pero que es de vital importancia para la introducción de estos vehículos, es la educación e información de los clientes por parte de los fabricantes e instituciones competentes. Los potenciales usuarios deben conocer el producto y entenderlo para poder elegir el vehículo que más se adecua a sus necesidades. Con el fin determinar el tamaño de batería que mejor se adecua a cada cliente sería interesante desarrollar un pequeña herramienta con la que los usuarios pudieran determinar cual es el vehículo que mejor se adapta a sus necesidades. Bibliografía 57 10. 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