en vehículo eléctrico e híbridos Jordi Cusidó i Roura Madrid 27 de abril de 2010

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1 Convertidores de potencia para aplicaciones en vehículo eléctrico e híbridos Jordi Cusidó i Roura Madrid 27 de abril de 2010

2 Objetivo del proyecto El Proyecto V.E.R.D.E. E tiene por finalidad investigar y generar conocimiento en los temas clave necesarios para la fabricación y comercialización de vehículos ecológicos en España, lo que permitiría: Reducir la dependencia energética del petróleo de nuestro país. Reducir las emisiones de CO2 en el sector del transporte y favorecer la penetración de las energías renovables. Garantizar el futuro del sector industrial y del I+D de la automoción en España.

3 VERDE Planteamiento-

4 Estructura del Sistema Vehículo Ecológico Actividad 6: Integración al sistema eléctrico del VE Diá tipo en invierno, Martes, Míercoles, Mio. EV + 3 Mio. EV Mio. EV +1 Mio. EV MW Recarga de EV sin control = Aumento de la punta por hasta 9000 MW Recarga de EV con gestión de la demanda = Demanda equilibrada por la noche + 4 Mio. EV + 3 Mio. EV +2 Mio. EV +1 Mio. EV hora Actividad 2: Baterías Actividad 5: Infr. recarga y comunicación con vehículo Actividad 3: Actividad 4: Tracción eléctrica Equipos de recarga Actividad 1: Definición de parámetros del proyecto y del demostrador Actividad 7: Construcción y validación en demostrador

5 Empresas líderes de actividades Actividad 1: Estudio y definición de tecnologías mecánicas y eléctricas en el vehículo eléctrico Actividad 2: Investigación y desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía Actividad 3: Investigación y desarrollo de sistemas de tracción eléctrica para PHEV y EV Actividad 4: Diseño y control de convertidores de carga y descarga de baterías para PHEV y EV Actividad 5: Sistemas de infraestructura local de recarga de energía para PHEV y EV Actividad 6: Integración de la carga del EV en el sistema eléctrico Actividad 7: Integración y validación en vehículo eléctrico de las tecnologías desarrolladas

6 VERDE ACTIVIDADES- 1. Estudio Etdi y Simulación ió de Arquitecturas t y Configuración ió 2. Sistemas de Almacenamiento 4. Sistemas de Carga 6. Red 3. Sistemas de Tracción 5. Infraestructura 7. Integración V.E.R.D.E.

7 VERDE ACTIVIDADES- Actividad 1: Estudio y definición de tecnologías mecánicas y eléctricas en el vehículo eléctrico OBJETIVOS: Investigación, diseño y evaluación de arquitecturas del VE. Estudio de configuraciones electro-mecánicas, balances energéticos. Determinación de rangos de operación, características y valores de los componentes para distintos modos de conducción. Investigación y desarrollo de estrategias de control y gestión energética sobre modelos de arquitecturas y componentes. Integración de modelos de régimen permanente y régimen transitorio para simulación eléctrica, térmica y mecánica. Empresa líder Desarrollo integral de vehículos Interlocutor tecnológico Sistemas de control de vehículo Estrategias de funcionamiento del vehículo Investigación y desarrollo de los algoritmos de control de vehículo

8 VERDE ACTIVIDADES- Actividad 2: Investigación y desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía OBJETIVOS: Estudio y comparación de diferentes métodos de almacenamiento de energía. Estudio de composición química y disposición de celdas. Mejora de la eficiencia energética de las celdas. Aumento de los rangos de temperaturas ambientales de funcionamiento y almacenamiento. Obtención de modelos eléctricos y térmicos de las nuevas baterías Estudio de los procesos de control de carga y descarga. Métodos de caracterización y de control del estado y gestión de las baterías (Battery Pack). Estudio de sistemas integrados de almacenamiento (Battery Pack). Validación de conclusiones sobre un demostrador experimental (Battery Pack). Empresa líder Desarrollo de celdas de Li-Ion Interlocutor tecnológico Tecnologías electroquímicas Battery-Pack y BMS Recuperación del Li de las baterías Caracterización Materiales y electrónica control de celdas Alternativas sistemas almacenamiento de energía Refrigeración del Battery-Pack

9 VERDE ACTIVIDADES- Actividad 3: Investigación y desarrollo de sistemas de tracción eléctrica para PHEV y EV OBJETIVOS: Análisis y diseño de acoplamientos electromecánicos y sistemas de recuperación de energía. Estudio y diseño de máquinas eléctricas compactas (Motor Axial / Radial) Investigación y desarrollo de estructuras de control de máquinas. Diseño y desarrollo de convertidores electrónicos de potencia específicos para las nuevas máquinas:. Estudio y diseño de la integración y control del conjunto convertidor máquina. Investigación y desarrollo de sistemas y algoritmos para la supervisión y la detección de fallos en la cadena de tracción. Desarrollo de modelos eléctricos y térmicos de los nuevos accionamientos. Estudio de la refrigeración. Caracterización del comportamiento del accionamiento. Empresa líder Desarrollo sistemas de tracción eléctrica Interlocutor tecnológico Cadena tracción de solución motor en rueda Materiales ferromagnéticos para motores eléctricos Diseño de convertidores Sistemas de control del conjunto motor+inversor Investigación motores SRM y convertidores resonantes Materiales y procesos para chapa magnética Equipos de ensayo Materiales magnéticos y optimización refrigeración Configuraciones de convertidores Investigación de imanes avanzados

10 VERDE ACTIVIDADES- Actividad 4: Diseño y control de convertidores de carga y descarga de baterías para PHEV y EV Empresa líder Desarrollo sistemas de carga y convertidores OBJETIVOS: Estructuras de electrónica de potencia para la reducción del tamaño, peso y coste de los elementos constituyentes del cargador. Interlocutor tecnológico Diseño y control de convertidores de potencia Aleaciones de Al de alta conductividad Materiales de alta conductividad Ref rigeración mediante células termoeléctricas Interruptores de potencia Estudios de métodos de conmutación de convertidor AC/DC. Estudio del calentamiento de los convertidores. Determinación ió de la topología óptima. Estrategias de control del sistema para los diferentes modos de carga y descarga. Caracterización del cargador. Determinación de parámetros. Modelización del flujo de cargas en el cargador. Determinación de canales de comunicación con la infraestructura para los diferentes modos de recarga y descarga con la infraestructura.

11 VERDE ACTIVIDADES- Actividad 5: Sistemas de infraestructura local de recarga de energía para PHEV y EV OBJETIVOS: Estudio y diseño de la infraestructura de recarga con capacidad de telecontrol y telemetría. Estudio y diseño del sistema de transmisión y contaje de energía suministrada/proporcionada por el VE. Desarrollo de sistemas de gestión de la demanda eléctrica sobre las infraestructuras de recarga (microred, V2G). Caracterización y modelado del punto de recarga. Transmisión no convencional de energía e información: soluciones inalámbricas. Demostrador de punto de recarga para vehículo eléctrico. Empresa líder Implementación y gestión de los puntos de recarga Interlocutor tecnológico Estudio infraestructuras de recarga Determinación estándares actuales y futuros Electrónica de medida punto recarga y comunicaciones Transferencia de energía y recarga inalámbrica Comunicaciones del vehículo con la infraestructura Módulo de conexión entre poste de recarga y vehículo Software de gestión demanda energía Electrónica del sistema de contaje Comunicaciones con infraestructura Tecnología de acople inductivo i Sistema de potencia del poste de recarga

12 VERDE ACTIVIDADES- Actividad 6: Integración de la carga del EV en el sistema eléctrico INGENIERÍA: Servicios de ingeniería para sector eléctrico DISTRIBUCIÓN: Transporte y distribución de electricidad NETWORK FACTORY: Innovación en redes de distribución DISTRIBUCIÓN: Transporte y distribución ib ió de electricidad id d RENOVABLES: Generación electricidad con fuentes renovables Gestión de la red de transporte de electricidad Operación del sistema y gestión de la demanda Software para gestión de energía Algoritmos de análisis y gestión de red Comunicaciones poste recarga con subestación eléctrica Simulaciones impacto sobre redes eléctricas Estudios de integración del EV con generación renovable Software de gestión del VE Estudios de impacto en las redes eléctricas Caracterización eléctrica y estudio de servicios V2G Comunicaciones para software de gestión de energía Demostrador de microgeneración para integración EV Estudios de integración a Smartgrid y de nuevos servicios V2G OBJETIVOS: Investigación del comportamiento del VE sobre la infraestructura eléctrica local Optimización de la carga de los VE mediante el uso de energías renovables. Desarrollo de un modelo completo de infraestructura. Gestión estratégica de la oferta y demanda energética Modelado y planificación del flujo de energía sobre VE. Investigación sobre servicios avanzados

13 VERDE ACTIVIDADES- Actividad 7: Integración y validación en vehículo eléctrico de las tecnologías desarrolladas OBJETIVOS: Integración de demostradores de tecnologías en un demostrador funcional completo. Determinación de los balances energéticos entre componentes y medida de los parámetros de Empresa líder Construcción y validación del vehículo Interlocutor tecnológico Balances medioambientales Normalización Battery-Pack funcionamiento i y control. Motor eléctrico e inversor Estudio del comportamiento Cargador térmico, eléctrico y electrónico del conjunto. Equipos de ensayo Definición de criterios para la normalización y redacción de las regulaciones referentes a la seguridad. Análisis del Ciclo de Vida del conjunto de vehículo eléctrico y Infraestructura eléctrica y comunicaciones Algoritmos de gestión de la demanda Celdas y Análisis Ciclo Vida de la batería p g componentes. Comportamiento electromagnético

14 Distribución geográfica participantes EMPRESA LIDER Centro Tecnico de Seat, S.A. (CTS) GRANDES EMPRESAS ENDESA INGENIERIA ENDESA DISTRIBUCIÓN ENDESA NETWORK FACTORY IBERDROLA IBERDROLA RENOVABLES COBRA SIEMENS CEGASA LEAR CIRCUTOR FICOSA MAVILOR INFRANOR TECNICAS REUNIDAS REE PYME's GREEN POWER MAPRO AIA ROVALMA OPI's CTM ASCAMM UPC AICIA IIT LABEIN-TECNALIA CIRCE IREC CNM (CSIC) IIC ICMA (CSIC) ROBOTIKER CARLOS TERCERO LEITAT CIDETEC COORDINACION CTM

15 VERDE Incrementos Tecnológicos- Estudio y desarrollo de arquitecturas de propulsión eléctrica que permitan autonomías de 250 km en modo solo eléctrico, con energía almacenada de 32 kwh, con consumo medio de combustible de 2l/100km, y velocidades máximas de 175 km/h, y emisiones menores de 35gr CO 2 /km. Diseño y desarrollo de un sistema de refrigeración integrado para motores, baterías y convertidores en el PHEV y EV con temperatura de operación de batería a 35ºC, componentes electrónicos a 50ºC y motor eléctrico a 65ºC, capacidad calorífica Q T >25 kwh Desarrollo de celdas de baterías químicas (tecnología tentativa, ión litio) en configuraciones de celda plana y celda cilíndrica con conductividad iónica >10-3 S cm -1, densidades de energía de 450 Wh/l, energía específica superior a 250Wh/kg, 2500 ciclos de carga/descarga y carga al 95% en t<15 m. Desarrollo de un bloque de batería química ( battery pack ) de 32 kwh de energía y 120kW de potencia, y 800W/kg de potencia específica, plenamente operativa con temperaturas externas de entre -25ºC y +75ºC. Diseño y desarrollo un inversor de 380/660 V, 50kW de potencia, eficiencia global > 90%, y temperatura máxima de operación de 125ºC. Diseño y desarrollo de un motor eléctrico de imanes permanentes en configuración PM RF (radial flux) y convertidor de dos niveles con 380/660 V, 80 kw de potencia, velocidad base de n=3000 rpm, par motor máximo de =254 Nm, I máx =150 A, eficiencia global > 90%, y temperatura máxima de operación de 150ºC. Diseño y desarrollo de un motor eléctrico PM RF de 20 kw con convertidor empotrado en escudo y refrigeración integrada, eficiencia global > 95%, y temperatura máxima de operación de 125ºC. Diseño y desarrollo de un cargador bidireccional de baterías con Vin= 230VAC/400VAC400DC,, Vout=400VDC densidad de potencia de 6 kw/litro, potencia específica de 5 kw/kg, potencia total máxima de 40kW, y eficiencia global >90% para potencias de 40kW.

16 VERDE Escenarios- CONCEPTO VALOR UNIDADES CONCEPTO VALOR UNIDADES Coche Coche Tipo vehículo Clase A (Leon) Tipo vehículo Clase A (Leon) Potencia motor combustión Otto 52 KW Par máximo motor combustión 112 Nm Potencia motor combustión - - Peso motor combustión 86 kg Par máximo motor combustión - - Cambio DQ200 (DGS 7 vel) Peso motor combustión - - Estructura ICE+embrague+ME+DQ200 Cambio Reductora i=4 Autonomía eléctrica aprox 50 km Estructura ME+Reductora Peso 1419 kg Autonomía eléctrica 200 km Volumen depósito combustible 55 l Peso 1410 kg Volumen maletero min 250 l Consumo gasolina balance batería 4,0 l/100 km Volumen depósito combustible - - Emisiones ciclo NEFZ modo híbrido 95 g CO2/km Volumen maletero min 238 l Batería Consumo gasolina 0 l/100 km Tipo baterías Li-Ion Emisiones ciclo NEFZ 0 g CO2/km Energía neta (rango 10-90% SOC) 12 KWh Batería Potencia estable 40 KW Tipo baterías Li-Ion Potencia pico (30 s) 80 KW Energía 40 KWh Tensión 300 V Rango de tensiones de trabajo V Potencia estable 80 KW Peso 120 kg Potencia pico (30 s) 120 KW Rango temperaturas externas -20 / 50 º C Tensión 600 V Refrigeración Aire convección forzada Peso 270 kg Temperatura máx interna 50 º C Ciclos carga/descarga 80% a 25ºC 2500 ciclos Curva carga/descarga ver documento anexo Tracción eléctrica Tipo motor PMSM-RF Potencia mec máxima motor 40 KW Potencia mec nominal motor 28 KW Par máximo motor 250 Nm Par nominal motor 100 Nm Rango velocidades rpm Velocidad nominal 1528 rpm Dimensiones motor sec embrague-cambio mm Peso estator + rotor 16 kg Temperatura máx trabajo 125 º C Potencia inversor 45 KW Tensiones inversor 300VCC/300VAC V Rango tensiones entrada inversor VCC V Dimensiones inversor 250x200x120 mm Peso inversor 6 kg Cargador onboard Tensiones entrada 230 Mono-400 Tri VAC / 300 VCC Tensiones salida 350 VCC / 12 V Potencia 20 KW Peso 16 kg Dimensiones 340x250x180 mm Temperatura máx trabajo 50 º C Carga bidireccional Estandar / Semirapida Modos de carga Refrigeración Rizado máximo Agua / 70ºC max / 200 l/h <7Vpp <0,5App 12 V Rango temperaturas externas -20 / 50 º C Temperatura máx interna 50 º C Ciclos carga/descarga 80% a 25ºC 2500 ciclos Tracción eléctrica Tipo motor PMSM-RF Potencia mec máxima motor 85 KW Potencia mec nominal motor 50 KW Par màximo motor 650 Nm Par nominal motor 350 Nm Rango velocidades rpm Velocidad nominal 1249 rpm Dimensiones motor 270x270x115 mm Peso estator + rotor 80 kg Temperatura máx trabajo 150 º C Potencia inversor 90 KW Tensiones inversor 600VCC/600VAC V Dimensiones inversor 280x230x185 mm Peso inversor 12 kg Cargador onboard Tensiones entrada 230 Mono-400 Tri VAC / 600 VCC Tensiones salida 600 VCC / 12 V Potencia 20 KW Peso 16 kg Dimensiones 340x250x180 mm Temperatura máx trabajo 50 º C Carga bidireccional

17 VERDE Aplicación Convertidores- WP2.- Sistema de compensado de carga en baterías (Subsistema BMS) 1. Tecnologías a investigar 1. Convertidores electrónicos DC/DC [Hopkings et al., 1991], [Tang et al., 2000] 2. Requerimientos: 1. Alta frecuencia de conmutación 2. Alta temperatura de trabajo 3. Alta densidad de potencia (tamaño compacto) 3. Reto tecnológico inmediato Diseño de convertidores DC/DC con salida en corriente para equilibrado de celdas según consignas de tensión de celda y umbral de actuación decidido por microprocesador

18 VERDE Aplicación de Convertidores- Convertidor Elevador para extraer la energía sobrante de las celdas hacia el Battery Pack Pérdidas debidas a la frecuencia de conmutación de los interruptores (señal PWM)

19 VERDE Aplicación de Convertidores- WP3.- Desarrollo de convertidores para control de motores eléctricos con dispositivos de conmutación y diodos de alta frecuencia de conmutación y alta potencia con elevadas prestaciones térmicas [Emadi et al, 2008], [Mantoot et al., 1997] 1. Tecnologías: a investigar 1. Convertidores reversibles [Lee et al., 2009] 2. Inversores de dos niveles hard y soft switching 3. Inversores de tres niveles hard y soft switching ([Mi et al., 2008], [Zhong et al., Convertidores Z-source [Xu et al., 2008) 5. Elevadores/reductores (reversibles) DC/DC 2. Requerimientos: 1. Altas corrientes 2. Alta tensión de trabajo (entre 300VDC y 600VDC) 3. Alta temperatura de trabajo 3. Reto Tecnológico inmediato Diseño y desarrollo un inversor de 380/660 V, 50kW de potencia, eficiencia global > 90%, y temperatura máxima de operación de 125ºC

20 VERDE Aplicación de Convertidores- WP4.- Desarrollo de nuevos cargadores de baterías de alta densidad de potencia 1. Tecnologías a investigar: 1. Rectificadores reversibles AC/DC]. 2. Convertidores DC/DC interleaving Buck y Boost con o sin aislamiento galvánico (Flyback o Forward) [Garcia et al., 2006] 3. convertidores de medio puente o puente completo con aislamiento galvánico, también denominados DAB ( Dual Active Bridge ) [Yamamoto et al., 2006]. 4. convertidores resonantes [Chuang et al., 2009], 2. Requerimientos: 1. Altas corrientes: 130 A DC y 32 A AC 2. Alta tensión DC de trabajo (entre 300VDC y 600VDC) 3. Alta temperatura de trabajo 3. Reto Tecnológico inmediato 1. Diseño y desarrollo de un cargador bidireccional de baterías con Vin=230VAC/400VAC 400DC, Vout=400VDC densidad de potencia de 6 kw/litro,,potencia específica de 5 kw/kg, potencia total máxima de 40kW, y eficiencia global >90% para potencias de 40kW

21 VERDE Aplicación de Convertidores- WP5.- Desarrollo de interruptores bidireccionales AC y DC de bajas pérdidas en conducción, y operativos en DC y AC para el punto de recarga (por ejemplo, dos transistores t de potencia y sus diodos d de libre circulación ió conectados en serie back to back ), drivers de potencia, aislamiento galvánico entre control y potencia, protección contra sobre tensiones y sobre corrientes, fuentes (flotantes) de alimentación, ió etc. 1. Tecnologías: 1. Interruptores reversibles AC hasta 400 VAC y 32/67 A 2. Interruptores reversibles DC hasta 600 VDC y 133 A 2. Requerimientos: 1. Altas corrientes 2. Alta tensión de trabajo (entre 300VDC y 600VDC) 3. Reto Tecnológico inmediato Diseño y desarrollo de un infraestructura de recarga (poste de recarga) con interruptor controlado AC/DC basado en IGBTs, flujo y contaje bidireccional de energía y posibilidad de Carga Rápida en 400 VAC/68 A, Carga Estándar en 230 VAC/70A, (típicamente 16 A), y Carga Súper Rápida en 400 VCC/ 200ª.

22 VERDE Aplicación Semiconductores de Banda Ancha- Si semiconductors: Temperatura de unión por debajo de 125ºC * SiC semiconductors: Temperatura de unión de hasta 225ºC, aunque operación óptima a 175 ºC Actualmente, la mayoría de los dispositivos de potencia comercializados están basados en Si y en GaAs. Sin embargo, estos materiales son semiconductores de banda prohibida (BandGap) estrecha y no cumplen todas las características que antes se han citado como óptimas para las NUEVAS aplicaciones de potencia. (alta temperatura de operación, alta tensión inversa de trabajo, y bajas pérdidas de conmutación. El rápido desarrollo que durante la última década han experimentado los semiconductores de gap ancho (SiC, Diamante, GaN) los hace muy atractivos como potenciales candidatos para las aplicaciones de alta potencia y alta temperatura.

23 VERDE Aplicación Semiconductores de Banda Ancha- El SiC es uno de los semiconductores de gap ancho que fue inicialmente estudiado, sobre todo para aplicaciones de alto voltaje Más recientemente, se han desarrollado dispositivos de heterounión basados en GaN que han conseguido trabajar a altas corrientes y con tensiones de ruptura muy elevadas.. La conductividad térmica, estabilidad térmica y química, campo de ruptura y anchura del gap del GaN son similares a los del SiC. Sin embargo, una de las ventajas del GaN frente al SiC es una velocidad de pico y una movilidad de los electrones mayores. Además, el hecho de que el GaN permita perfectamente una tecnología og de heterounión (con sus ternarios AlGaN y InGaN), hacen de este material semiconductor la opción más atractiva para el desarrollo de dispositivos transistores de efecto campo (FET) que funcionen a altas potencias y altas temperaturas. Comparados con los MESFETs (transistores de efecto campo metalsemiconductor) convencionales, los diseños FET basados en heteroestructuras (EIFET) permiten obtener movilidades más altas, un mejor confinamiento de carga y mayores tensiones de ruptura de puerta

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