Estimacin y recuperacin del sistema de almacenamiento de energa electroqumica aplicado en vehculos elctricos

 

Estimation and recovery of the electrochemical energy storage system applied in electric vehicles

 

Estimativa e recuperao do sistema de armazenamento eletroqumico de energia aplicado em veculos eltricos

 

Jairo Edison Guasumba-Maila I

jguasumba@tecnoecuatoriano.edu.ec

https://orcid.org/0000-0002-0533-0397

 

Vctor Alfonso Garay-Cisneros II

vgaray@tecnoecuatoriano.edu.ec

https://orcid.org/0000-0001-6739-9309

 

 

 

 

Gerson Alexander Vasco-Vega III

gvasco2099@gmail.com

https://orcid.org/0000-0003-3031-1582

 

 

Mauro Danilo Simbaa-Manopanta III

mauromrx10@hotmail.com

https://orcid.org/0000-0001-8501-7757

 

 
 

 

 

 


Correspondencia: jguasumba@tecnoecuatoriano.edu.ec

Ciencias de la Tcnicas y Aplicadas

Artculos de investigacin

 

 

*Recibido: 16 de julio de 2021 *Aceptado: 30 de agosto de 2021 * Publicado: 08 de septiembre de 2021

 

       I.            Magster en Diseo Mecnico, Docente Investigador, Coordinador de Carrera de Mecnica y Electromecnica Automotriz, Instituto Superior Tecnolgico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

    II.            Magister en Educacin Mencin Gestin del Aprendizaje. Mediado por Tic, Docente investigador. Director de Vinculacin con la sociedad, Miembro del Consejo Acadmico Superior ISTTE, Instituto Superior Tecnolgico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

III.            Participante Investigador, Estudiante Tecnologa Superior en Electromecnica Automotriz, Instituto Superior Tecnolgico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

IV.            Participante Investigador, Estudiante Tecnologa Superior en Electromecnica Automotriz, Instituto Superior Tecnolgico Tecnoecuatoriano, Ecuador.


Resumen

La promocin de vehculos elctricos requiere el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energa a gran escala confiables, seguros y de bajo costo. Existe varias tecnologas en bateras y una de las ms importantes la batera de polmero de litio de estado slido se considera una de las tecnologas prometedoras a cumplir. los requisitos de EV. La estimacin de una batera energtica contribuye a predecir el comportamiento que esta tendr, cuando se encuentren funcionando en el vehculo elctrico, pero sus reacciones qumicas son difciles de predecir, y estas varan en funcin de ciertos parmetros como: la temperatura, el uso que se le haya dado, o tambin puede ser el tiempo que se mantengan funcionando. Se concluye que las bateras de ion-litio se someten a cargas y descargas muy rpidas, reducirn su vida til drsticamente, por lo que recomiendan hacer una mezcla en su funcionamiento, si se realiza una carga con pocos amperios se debe realizar una descarga con muchos amperios, con esto se obtendr el doble de ciclos de vida de una batera, esta forma es esencial para alargar la vida til de las bateras para nuestros vehculos elctricos

Palabras clave: vehculo; Almacenamiento de energa; vehculo elctrico; medio ambiente; estimacin de batera.

 

Abstract

The promotion of electric vehicles requires the development of reliable, safe, and low-cost large-scale energy storage systems. There are several battery technologies and one of the most important, the solid-state lithium polymer battery, is considered one of the promising technologies to deliver. EV requirements. The estimation of an energy battery helps to predict the behavior that it will have, when they are operating in the electric vehicle, but their chemical reactions are difficult to predict, and these vary depending on certain parameters such as: temperature, the use that is you have given, or it can also be the time that they keep running. It is concluded that lithium-ion batteries are subjected to very fast charges and discharges, they will drastically reduce their useful life, so they recommend making a mixture in their operation, if a charge with few amps is carried out, a discharge with many amps, with this you will get double the life cycles of a battery, this way is essential to extend the useful life of the batteries for our electric vehicles.

Keywords: vehicle; Energy storage; electric vehicle; environment; battery estimate.

 

Resumo

A promoo de veculos eltricos requer o desenvolvimento de sistemas de armazenamento de energia em grande escala confiveis, seguros e de baixo custo. Existem vrias tecnologias de bateria e uma das mais importantes, a bateria de polmero de ltio de estado slido, considerada uma das tecnologias promissoras a serem fornecidas. Requisitos de EV. A estimativa de uma bateria de energia ajuda a prever o comportamento que ela ter, quando estiver operando no veculo eltrico, mas suas reaes qumicas so difceis de prever, e estas variam dependendo de certos parmetros como: temperatura, o uso que voc deu, ou tambm pode ser o tempo que eles continuam correndo. Conclui-se que as baterias de on-ltio esto sujeitas a cargas e descargas muito rpidas, vo reduzir drasticamente sua vida til, por isso recomendam fazer uma mistura em seu funcionamento, se for realizada uma carga com poucos amperes, uma descarga com muitos amperes , com isso voc ter o dobro da vida til de uma bateria, desta forma essencial para estender a vida til das baterias dos nossos veculos eltricos.

Palavras-chave: veculo; Armazenamento de energia; veculo eltrico; meio Ambiente; estimativa da bateria..

 

Introduccin

Desde los aos 70, cuando tuvo lugar la 1 crisis del petrleo, se comenz a tener una inquietud acerca del futuro de dicha energa, llegando al punto de iniciar una bsqueda de nuevas fuentes de energa, ms baratas y que pudieran ser obtenidas de forma ms independiente. Dicha crisis, junto con los estudios realizados durante los aos 80 y 90 sobre la contaminacin en el planeta, especialmente el denominado efecto invernadero, que podra acabar con la capa de ozono de la atmsfera debido al excesivo uso de todo tipo de gases, dio pie a una nueva conciencia relativa a la investigacin sobre el uso de energas renovables ms favorables con el medio ambiente (Pelayo, 2013). Junto con esos estudios, otra razn que impuls el inicio de la investigacin de vehculos elctricos ha sido el hecho de que cada vez quedan menos reservas de petrleo, lo que aumenta su precio considerablemente (Chowdhury et al., 2018)

El comportamiento medioambiental de los vehculos elctricos est directamente relacionado con la combinacin de electricidad que se utiliza durante el proceso de carga. Hoy en da, con un aumento constante de la electricidad renovable que se est introduciendo, su uso no siempre es ptimo (Oliveira et al., 2015). Con las crecientes demandas de energa, se requieren nuevas qumicas de batera ms all de la tecnologa de iones de litio para hacer frente a un mayor consumo de energa y promover la electrificacin del vehculo. En particular, las reas de conocimiento relacionadas con los vehculos elctricos han ganado importancia en todas las tecnologas de bateras examinadas, lo que refleja el impulso para producir sistemas de bateras de alta energa (Aaldering & Song, 2019).

Los vehculos elctricos (VE) ya fueron testados antes de los propios vehculos de combustible. Sin embargo, fueron desplazados por estos ltimos debido a que necesitaban un enorme tiempo de recarga para un ptimo funcionamiento y a la dificultad para almacenar grandes cantidades de energa, lo cual sigue siendo hoy en da el principal problema (Pelayo, 2013). La cadena energtica que conduce a la alimentacin de cualquier vehculo elctrico, coche, autobs, furgoneta, etc., parte de la generacin de energa primaria atendiendo a la estructura mixta que suponen las distintas centrales, la cual a su vez vara segn los entornos geogrficos de referencia (Martin y Bargallo Pernina, 2015; Pfleging, 2021).

 

Tabla 1 Datos de funcionamiento de vehculos elctricos (Fierro y Siguenza, 2017)

CARACTERISTIC AS

KIA SOUL

BYD E5

RENAUL

T KANGOO

NISSAN LEAF

RENAULT TWIZY

Tipo de Motor elctrico

Motor elctrico sncrono de imn permanente

Motor sncrono de imanes permanentes

Motor Elctrico 2.4 (Sncrono reversible)

Motor sncrono de corriente elctrica

motor elctrico asncrono

Tipo de corriente

AC

AC

AC

AC

AC

Potencia mxima CV

109CV

107CV

60 CV

109CV

17 CV

Potencia mxima kW/rpm

81.4

kW/rpm

160 kW/rpm

44 kW/rpm

80 kW/rpm

13 Kw/rpm

Par mximo

285

Nm/rpm

310

Nm/rpm

226

Nm/rpm

254

Nm/rpm

57Nm/rpm

Velocidad mxima

145 km/h

130 km/h

130 km/h

150km/h

80km/h

Aceleracin de 0-100 km/h

11.2 s

14 s

20,3 s

*

0 a 45 km/h

en 6,1 segundo

Consumo elctrico

21 kWh cada 100 km

*

155 Wh/km

20,4 kWh cada 100

63 Wh/km

Autonoma NEDC o EPA

212 km

220 km

170 km

117km

100km

 

 

El reemplazo de automviles convencionales por vehculos elctricos de batera (BEV) ofrece una oportunidad para reducir significativamente las futuras emisiones de dixido de carbono (Gorlin et al., 2016; Bebelis et al., 2013). Los vehculos elctricos (EV) se han desarrollado recientemente en niveles avanzados y, en particular, tambin se han desarrollado tecnologas de bateras. Aunque se ha avanzado en el desarrollo de la tecnologa de la batera, el uso no acompaa por completo al consumo de energa (Udhaya Sankar et al., 2019)..

A inicios del 2016 se inici en Ecuador la comercializacin de vehculos 100% elctricos para venta directa a usuarios en dos concesionarios locales, en otros casos se deba recurrir a procesos de importacin a travs de agencias a fin de acceder a este tipo de movilidad. En funcin de esta opcin se considera 5 vehculos elctricos, en la tabla 1 se menciona varios vehculos. Estos vehculos tipos: biplaza, sedan o todoterreno, cuentan con un motor sncrono en su mayora y potencias de 17 a 109 CV, y desarrollan velocidades hasta de 145 km/hr (Fierro y Siguenza, 2017). En este trabajo se aprecia varias caractersticas de la estimacin y recuperacin del sistema de almacenamiento, adems de su evolucin en la aplicacin de los vehculos elctricos.

 

Estimacin del sistema de almacenamiento en prototipos de vehculos elctricos

Las bateras son la fuente de energa para cualquier vehculo elctrico, a una velocidad, un voltaje mayor aumenta el rango y puede aumentar el par de torsin ascendente, sin embargo, un voltaje mayor no lo hace, se necesita una batera de tamao compacto para instalar en el scooter. El rendimiento del motor vara con la carga aplicada, se asumi que el peso colocado en el motor es de 110 kg, siendo el total del conjunto del scooter que incorpora el motor, chasis, batera y adicionalmente el del usuario. El scooter contiene una batera de plomo-cido de capacidad 24v, 10Ah; por lo tanto, se puede cargar de 200 a 250 Wh, funcionando a una velocidad adecuada de 15 km / h (Ganesh Murali et al., 2021). En suma, de vehculos similares un modelo impulsado por dos motores BLDC colocados en las ruedas traseras controlados independientemente por un controlador no lineal denominado Backstepping. El modelo se simul a travs del entorno Matlab/Simulink, para ello la batera se someti a diferentes condiciones (carga y velocidad) y lleg mostrar un resultado en la tabla 2 (Chergui, Nasri y Korhan, 2020).

 

 

 

Tabla 2. Variacin de la corriente de la batera, potencia de la batera y SOC, en diferentes fases de trayectoria.

Tiempo (s)

CONSUMO DE BATERA

Intensidad (A)

Potencia (W)

SOC (%)

 

PI

Backstepping

PI

Backstepping

PI

Backstepping

0

0

0

0

0

50

50

1

6,72

4,31

1432

921

49,98

49,99

6

17,03

12,06

3561

2551

49,89

49,91

20,18

21,68

18,44

4454

3815

49,37

49,39

25,17

5,5

8,69

1144

1805

48,97

49

Fuente: (Chergui, Nasri y Korhan, 2020).

 

La simulacin para la estimacin de una batera energtica contribuy a predecir el comportamiento que esta tendr, cuando se encuentren funcionando en el vehculo elctrico. El modelado de la batera es un proceso complejo, sus reacciones qumicas son difciles de predecir, y estas varan en funcin de ciertos parmetros como: la temperatura, el uso que se le haya dado, o tambin puede ser el tiempo que se mantengan funcionando, pero para este proyecto se utilizar un modelo sencillo que garantiza buenos resultados. Para calcular la tensin del circuito abierto, que depende de la profundidad de descarga (DoD), y del estado de carga (SoC), siendo SoC=1- DoD, el bloque de configuracin de las bateras que viene dado por el esquema planteado en la figura 1 (Moreno, 2015).

 

Figura 1. Bloque de constantes para la configuracin de la batera (Moreno, 2015)

 

Para ingresar en Simulink, se necesita integrar el resultado en funcin del tiempo, como se observa en la figura 2. Para el bloque de estado de carga, se necesit dividir la carga entre la capacidad original de la batera, una vez realizados todos los bloques, se procedi a la unin de todos ellos, teniendo en cuenta que es necesario unir la salida del estado de carga (SoC) con la entrada de tensin del circuito abierto y se tiene como resultado el porcentaje del estado de carga de la batera en cada instante del tiempo que dura la simulacin (Moreno, 2015)

 

Figura 2. Bloque de carga (Moreno, 2015)

 

La batera del transporte elctrico es el ncleo de la vida til de la batera del vehculo elctrico y la estabilidad del rendimiento, por lo cual el soporte o la cada de su rendimiento determina la calidad general del vehculo elctrico. Los cargadores de automviles elctricos estn afectando de manera directa la eficiencia y la vida til de la batera. Este diseo utiliz el microordenador de un solo chip como control primordial, capacidad de control de microcontrolador confiable, el puerto de E/S y los beneficios de bajo voltaje y bajo consumo de energa. Este diseo realiz una carga rpida y pudo alimentar automticamente el cargador del vehculo elctrico analgico, para que el proceso sea ms seguro, por lo cual se puede utilizar extensamente (Wang y Wu, 2016).

Las estimaciones del estado de carga (SOC) y del estado de salud (SOH) de la batera de iones de litio son importantes en un sistema de gestin de bateras. En este artculo, se presenta un mtodo para la estimacin conjunta de SOC y SOH basado en un observador de modo deslizante dual (DSMO) considerando el factor de desvanecimiento de la capacidad. Se construye un modelo de circuito equivalente con una red de condensadores y resistencias para representar los comportamientos dinmicos de las bateras de iones de litio. SOC y SOH no son variables medibles y deben estimarse, por lo tanto, los observadores deben reconstruir los estados y parmetros internos del sistema. El diagrama de bloques de DSMO para la estimacin conjunta de SOC y SOH se muestra en la figura 3 (Chen, Ma y Chen, 2018).

 

Figura 3. Diagrama de bloques de DSMO para estimacin de SOC y SOH (Chen, Ma y Chen, 2018).

 

El modelo de batera propuesto y el DSMO son programados por Matlab / Simulink, debe verificar la viabilidad de la estimacin conjunta de SOC y SOH basada en DSMO. Las simulaciones basadas en DSMO se llevan a cabo en el ciclo de pruebas urbanas estndar japons JC08. El valor SOC de la batera disminuy del 81,5% al 73,4%, el SOC estimado sigue de cerca la referencia y el error de estimacin del SOC converge a61%. Adems, los resultados de la simulacin de la estimacin de SOH basada en DSMO se muestran en la figura 4. El error de estimacin de SOH es cercano a cero, lo que significa que el DSMO propuesto tiene una alta precisin de estimacin y un buen rendimiento de seguimiento (Chen, Ma y Chen, 2018).

 

Figura 4. Resultados de SOH estimados bajo JC08 (Chen, Ma y Chen, 2018).

En el siguiente estudio, se simul en la plataforma MATLAB-Simulink, los componentes relevantes del sistema elctrico, as como se identificaron las ecuaciones correspondientes para la verificacin de este. El controlador de carga de la batera es una herramienta responsable de la longevidad de las bateras, su importancia radica en emplear un sistema de gestin (BMS) de batera en el diseo de BEV's de sistema elctrico. Un BMS muestra el voltaje de la batera, la corriente, temperatura, estado de carga (SoC), medicin y el equilibrio celular. El estado de carga expresa la capacidad restante de la batera que podra verse afectada por la temperatura, la tasa de descarga y duracin de la batera. La relacin entre la carga residual disponible y la capacidad nominal es el SoC (Abulifa et al., 2018). En la figura 5, el voltaje y la corriente de la batera est expuesta, la curva de corriente de la batera sigue al motor y las curvas de par requeridas vencen al aumento en la demanda de par, pudiendo notar el aumento de corriente de la batera (Abulifa et al., 2018).

 

Figura 5. Resultados de voltaje y corriente (Abulifa et al., 2018).

 

La simulacin de BMS, sistema que gestiona una batera recargable. Para vehculos elctricos, todo el modelo y todos los dems bloques funcionales de BMS se implementan en la caja de herramientas Simulink de MATLAB. El BMS se implement para proteger la batera y que funcione ms all de sus lmites de seguridad, monitoreando su estado de carga (SoC) y su estado de salud (SoH). El FLC (Controlador de lgica Difuso) est diseado para estimar la SoC de batera de plomo cido, denotando que la vida til de la batera se reduce con el aumento de temperatura, o a su vez esta se acorte segn su tiempo de uso. Con los resultados obtenidos en la figura 6, se concluye que el modelo implementado en MATLAB, tiene un sistema de gestin muy eficiente para indicar el estado de la batera SoC y SoH (Kumar, Khare y Chaturvedi, 2016).

 

Figura 6. Vida til de batera vs temperatura (Kumar, Khare y Chaturvedi, 2016).

 

El conjunto de batera que simula el comportamiento de una batera real y genera seales que llevan informacin sobre el estado de la batera para el controlador de carga, el alcance y configuracin del solucionador requerido para los modelos correctos. El resultado prctico de la investigacin es el modelo informtico del dispositivo de carga de batera multifuncional destinado a la prueba virtual de los parmetros del sistema de control bajo diferentes estrategias de carga y algoritmos de control (Martyanov, Solomin y Korobatov, 2015). En el mismo sentido, el anlisis de datos para Li-Ion, los anlisis basados en la entrada y salida de los parmetros de descarga se procesaron en SimulinkMATLAB. Calculando la carga actual que utiliza el telfono celular, cuando se usa para llamadas, internet en WiFi y visualizacin de pelculas es de aproximadamente 0.24A, 0.25A y 0.26 A respectivamente. El esquema se traz en la biblioteca Simulink con una corriente de descarga cargada de 0,24 A, 0,25 A, 0,26 A y 0,1 A, respectivamente (Kurniawan et al., 2016). Adems, la primera seccin representa la cada de voltaje exponencial cuando la batera est completamente cargada. El ancho de esta regin es de unos veinte minutos, la segunda seccin representa la carga que se pudo extraer de 1.2661 Ah, en ms de dos horas. Simulink proporciona un entorno para el anlisis de la descarga de la batera de iones de litio como se observa en la figura 7. Las bateras de iones de litio tienen ventajas en voltaje constante, voltaje exponencial y descarga de corriente nominal, la recomendacin para futuros estudios e investigaciones es hacer un anlisis completo, no solo de descarga sino tambin de las caractersticas de carga (Kurniawan et al., 2016).

Figura 7. Caracterstica de descarga a la corriente nominal (Kurniawan et al., 2016).

 

En el mismo sentido se discute el estado de carga de la batera de iones de litio modelada por Matlab / Simulink. El diseo y la simulacin de la batera de iones de litio de carga multiestado basada en el paquete de opciones con las que trabaja el software se muestra en la figura 8, en donde la caracterstica del modelo de batera es de 12 voltios y 30 Ah. El estado de carga (SOC) se mide y se aplica para evaluar la caracterstica de carga / descarga de la batera. Los mltiples estados de carga aplicados para llenar la capacidad de la batera se evalan con el fin de lograr una alta eficiencia. Los resultados de la simulacin de carga en el nivel de batera voltaje, SOC, corriente de carga normal y carga multiestado con Vth = 11,5V y Vth = 12,5V se pueden apreciar en la figura 9 (Poonsuk y Pongyupinpanich, 2017).

 

Figura 8. Carga en el nivel de batera voltaje, SOC y corriente de carga (Poonsuk y Pongyupinpanich, 2017).

El siguiente artculo realiza la simulacin de una batera ZEBRA mediante el entorno MATLAB/Simulink. El objetivo principal de este trabajo es desarrollar un procedimiento operativo estndar para el diseo, simulacin y anlisis de bateras para Vehculos Elctricos Hbridos. El modelo consta de una fuente de voltaje ideal (EO) y una resistencia en serie interna equivalente constante (ESR), as mismo puede aumentar la vida til de la batera en un 15%, lo que a su vez tiene un gran impacto en el costo de mantenimiento de los vehculos elctricos. El modelo de batera Zebra propuesto en la figura 9, se puede analizar en el futuro en el modo trmico para reducir la temperatura, lo que mejora an ms el rendimiento (VimalRaj et al., 2019).

 

Figura 9. Modelo simulink de sistema hbrido (VimalRaj et al., 2019).

 

Se analiza un modelo emprico de envejecimiento para una celda de xido de litio y manganeso, que se basa en mediciones de envejecimiento. Al principio, se comparan los dos modelos PMSM diferentes en cuanto a precisin y tiempo de clculo, posteriormente los resultados del modelo de batera para el envejecimiento del calendario se comparan con el envejecimiento medido, al final se mostraron los resultados generales del modelo para el tren motriz. Los modelos PMSM se implementaron y probaron utilizando una parte del ciclo de certificacin de emisiones de motocicletas armonizado en todo el mundo (WMTC), que se redujo para adaptarse a la potencia del scooter. En la figura 10, la velocidad de rotacin resultante ωmech se visualiza, la lnea punteada roja muestra la demanda de velocidad y la lnea continua la velocidad alcanzada ωt cuando se usa el modelo sin inversor destinado a un horizonte de simulacin largo (Rechkemmer, Zhang y Sawodny, 2017).

Figura 10. Velocidad Wmech resultante (Rechkemmer, Zhang y Sawodny, 2017).

 

Uno de los desafos que enfrentan las bateras de iones de litio es la degradacin. La prediccin precisa de la vida til restante de la batera es esencial para que el sistema de gestin de la batera garantice un funcionamiento confiable y un mantenimiento oportuno, y tambin es fundamental para las aplicaciones de la batera de segunda vida. Despus de presentar los mecanismos de degradacin, este documento proporciona una revisin completa y oportuna de enfoques hbridos, basados en modelos y basados en datos para el pronstico de la vida til de la batera (Hu et al., 2020)

 

Prueba de autonoma de las bateras

Los vehculos elctricos presentan ventajas indiscutibles frente a los vehculos de combustin interna especialmente en el tema ambiental, sin embargo, todas estas ventajas se ven opacadas por la autonoma que puede brindar la batera del vehculo elctrico, el combustible de un vehculo convencional se lo puede cargar en cuestin de minutos, pero la energa de las bateras requiere algunas horas para que puedan estar en ptimas condiciones de funcionamiento (Colomer Ferrndiz, Saiz Gabaldn y Colomer Font, 2016). Para la prueba de la autonoma de la batera se utiliza la siguiente ecuacin, donde: 𝐶𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎= capacidad de la batera; 𝐶𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜=capacidad promedio; 𝑣𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜=velocidad promedio

 

𝑪𝒃𝒂𝒕𝒆𝒓𝒊𝒂 𝑽𝒑𝒓𝒐𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐

𝑨𝒖𝒕𝒐𝒏𝒐𝒎𝒊𝒂 =

𝑪𝒑𝒓𝒐𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐

Esta ecuacin sirve para encontrar la autonoma del vehculo mediante clculos, se tiene que comprobar dicha autonoma en diferentes ciclos de conduccin, esto debido a que en estos se encontraran con pendientes y los distintos tipos de carreteras, la vida til de las bateras es an un problema, ya que no pueden otorgarle un sistema de recarga, ni de proteccin a las bateras, es por ello por lo que se vuelve primordial el uso adecuado de las bateras en cuanto a un modelo de conduccin adecuado para otorgar una autonoma aceptable.

El sistema de almacenamiento de energa es el sistema ms importante, ya que cumple funciones como manejar y determinar el flujo de energa, es por ello por lo que la batera de los motores elctricos es el principal tema de estudio, y el constante avance por mejorar autonoma y brindar ms capacidad de almacenaje (Sharma, Panwar y Tripathi, 2020). Hoy en da tenemos en nuestros medios diversos tipos de bateras clasificadas entre bateras primarias, secundarias y supercondensadores, las cuales funcionan a travs de un electrolito, que se encarga de permitir el desplazamiento de electrones a travs de reacciones qumicas, hoy existen muchos almacenadores de energa (Sharma, Panwar y Tripathi, 2020). Es por ello que para su anlisis no solo se enfoca en componentes individuales de la batera o solo su comportamiento en sus terminales, para obtener un resultado diferente e ntegro se requiere modelar el flujo de energa absorbido y entregado por la batera, es decir se necesita el modelo elctrico dinmico, para no solo analizar el comportamiento elctrico y trmico en sus ciclos de descarga y carga, sino tambin se puede generar una configuracin la cual permita con su modelo analizar distintos vehculos elctricos e hbridos, el mismo modelo ayudara a la creacin al desarrollo de un nuevo vehculo elctrico el cual podr evitar estudios de autonoma y menorar tiempos de anlisis individuales, por el hecho de ya poseer un modelo de configuracin adecuada (Benabdelaziz y Maaroufi, 2017).

 

Recuperacin de energa de bateras

Se denomina ciclo de vida de la batera a la descarga completa y luego de recarga completa. El rango de vida de una batera esta aproximadamente entre los 2000 y 8000 ciclos y en promedio el tiempo de vida de una batera esta aproximadamente en el rango de 18 meses a 36 meses. Al llegar a su vida til estas no mueren, sino que su eficiencia columbia se va deteriorando considerablemente es decir la carga de la batera a descargarse ms rpido y su capacidad de recarga disminuye por completo. La carga repetida debilita a la batera, as como el calentamiento repetido, con la finalidad de reducir los efectos adversos producidos por la carga repetida se recomienda utilizar cargadores bateras establecidos por el fabricante, como referencia se tiene la figura 11(Guambo Daquilema, 2019).

Las bateras, son consideradas como las bateras recargables, las cuales permiten un almacenamiento, y un sistema de carga y descarga para mejorar el rendimiento de un vehculo elctrico, en la tabla 3 se aprecia las reacciones de energa electroqumicas (Park, 2012).

 

Figura 11. Ciclo de vida de la batera (Guambo Daquilema, 2019)

 

Tabla 3 Bateras Secundarias (Sharma, Panwar y Tripathi, 2020)

Bateras secundarias

Material del ctodo

Material del nodo

Electrolito / reaccin

Voltaje nominal (V)

Capacidad prctica (W h / kg)

Plomo-cido

PbO 2

Pb

H 2 SO 4 solucin acuosa

Pb + SO 4 2− ↔ PbSO 4 + 2e -

(nodo)

PbO 2 + 4H + + SO 4 2− + 2e - ↔

PbSO 4 + 2H 2 O (ctodo)

PbO 2 + 2PbSO 4 + Pb ↔ PbSO 4 +

2H 2 O (reaccin total)

2

3050

Niquel Cadmio

NiOOH

CD

Solucin acuosa de KOH

Cd + 2OH - ↔ Cd (OH) 2 + 2e -

(nodo)

2NiOOH + 2H 2 O + 2e - ↔ 2Ni

(OH) 2 + 2OH - (ctodo)

2NiOOH + Cd + 2H 2 O ↔ Ni (OH )

2 + Cd (OH) 2 (reaccin total)

1.2

50

Hidruro de nquel-metal

NiOOH

Aleacin de hidrgeno adsorbido

Solucin acuosa de KOH

H 2 + 2OH - ↔ 2H 2 O + 2e -

(nodo)

2NiOOH + 2H 2 O + 2e - ↔ 2Ni

(OH) 2 + 2OH - (ctodo)

2NiOOH + H 2 ↔ 2Ni (OH) 2 (total reaccin)

1.2

100

Iones de litio

LiCoO 2

C + Li / Li

Electrolito orgnico con sal de litio Li (C) ↔ Li (1- x ) (C) + x Li + + x e

- (nodo) x Li + + x e - + Li (1- x ) CoO 2 ↔ LiCoO 2 ( ctodo)

Li (C) + Li (1- x ) CoO 2 ↔ LiCoO 2

(reaccin total)

3.6

150-200

Litio-azufre

S

Li

Electrolito lquido

Li 2 S 8 + 2e - + 2Li + ↔ 2Li 2 S 4

Li 2 S 4 + 2e - + 2Li + ↔ 2Li 2 S 2 Li 2 S 2 + 2e - + 2Li + ↔ 2Li 2 S

2.15

26002800

Litio-aire

LiCoO 2

C

Electrolito lquido o en gel 2Li + O 2 ↔ Li 2 O 2

4Li + 6H 2 O + O 2 ↔ 4 (LiOH H 2 O)

3.1

36205200

 

Es por ello por lo que al analizar el vehculo elctrico con bateras de Plomo-cido, como Li-ion obtuvimos una eficiencia de ambos tipos de bateras muy semejante, pero las pruebas y ciclos de conduccin realizados otorg mejores resultados y ms aceptables con las bateras de Li-ion, por muchos factores como por ejemplo peso que es un factor muy importante en un tren de potencia de motor elctrico, as como la eficiencia de sistema que permite entregar la potencia y torque sin prdidas, y la eficiencia del sistema de almacenamiento, que nos otorga mayor autonoma, mejorando nuestros ciclos de conduccin, como se puede observar en la tabla 4. Segn Soares Dos Santos et al., (2020) se pudo demostrar que en las aplicaciones de dos bancos de bateras, en momentos en los que se necesitaban picos de velocidad superiores a 78,5 km / h, el vehculo con la arquitectura propuesta no poda cumplir con la solicitud, de la misma manera al analizar la temperatura de funcionamiento encontramos que las bateras de plomo-cido trabajan con temperaturas ms bajas que las de Li-ion, lo mismo que no se presenta como un inconveniente puesto que tienen rangos de temperatura de trabajo diferentes y esto no se presenta como una falla o inconveniente (Soares Dos Santos et al., 2020), de esta forma se rompen barreras para la comercializacin de los vehculos elctricos, hbridos o enchufables en el parque automotor ecuatoriano puesto que despus de todo el anlisis se observa de manera global que los avances continuos en bateras est superando a los sistemas de los MCI (Cueva Snchez et al., 2018).

 

 

 

 

 

 

Tabla 4: Comparacin de los parmetros de los modelos propuestos (Soares Dos Santos et al., 2020)

Tipo de arquitectura de simulado

Eficiencia del motor (%)

Eficiencia desde el banco de pilas (%)

Peso del vehculo (Kg)

Peso del banco de pilas (Kg)

Plomo cido Pb

82

77

1,583

275

Ion litio (Li- ion)

82

88

1,372

64

MCI

22

-

1,467

-

 

 

El desarrollo de bateras mejoradas de litio y azufre, nuestro trabajo se centra en la comprensin mecnica de los procesos que ocurren dentro de la batera. En particular, estudiamos el mecanismo del proceso de carga y obtenemos informacin resuelta espacialmente sobre los intermedios en solucin y en fase slida en dos ubicaciones de una batera Li2S-Li en funcionamiento: el ctodo y el separador. Utilizando los datos generados, identificamos un mecanismo de carga en un electrolito estndar basado en DOL-DME, que es consistente tanto con el primer proceso de carga como con los posteriores (Gorlin et al., 2016).

Existe una solucin al cambiar su arquitectura para acoplar la batera con un supercondensador para tener un ciclo de batera de alta velocidad y una mejor capacidad. Un supercondensador proporciona ms energa a la batera en caso de que se necesite ms energa. En este diseo y arquitectura, el supercondensador y la batera se consideran unidades diferentes y, desde el punto de vista de la ingeniera elctrica, se considera un sistema hbrido (Udhaya Sankar et al., 2019).

Uno de los problemas clave es el consumo de energa no montono acompaado de cambios frecuentes durante el proceso de descarga de la batera. Una solucin prctica es acoplar la batera con un supercondensador, que es bsicamente una celda electroqumica con una arquitectura similar, pero con una capacidad de velocidad ms alta y mejor ciclabilidad. En este diseo, el supercondensador puede proporcionar el exceso de energa requerida mientras la batera no lo hace. Adems de la batera y el supercondensador como unidades individuales, el diseo de la arquitectura del sistema hbrido correspondiente desde el punto de vista de la ingeniera elctrica es de suma importancia (Kouchachvili et al., 2018).

Los procesos que empleaban una combinacin de procesamiento mecnico y pasos hidro y pirometalrgicos parecan capaces de obtener materiales adecuados para la (re) fabricacin de bateras de iones de litio. Por otro lado, los procesos que se basan en pasos pirometalrgicos son robustos, pero solo capaces de recuperar componentes metlicos (Velzquez-Martnez et al., 2019).

Los nuevos sistemas electroqumicos basados en bateras para la recuperacin de litio se han considerado mtodos prometedores de recuperacin de litio, aunque no se han considerado para aplicaciones de agua de mar debido a la concentracin extremadamente baja de Li +. ac se mira la capacidad de capturar Li + en un perodo de tiempo sustancialmente corto en comparacin con los procesos convencionales a una velocidad al menos 3 veces ms rpida que la de los procesos de adsorcin, y nuestro enfoque no requiri productos qumicos cidos o txicos a diferencia de otras tecnologas de recuperacin. Adems, mediante el funcionamiento consecutivo del sistema, se obtuvo una solucin de recuperacin de litio que contena 190 mM de Li + con solo un pequeo consumo de energa (3,07 Wh gLi-1), y la pureza de Li + se increment al 99,0% (Kim et al., 2019).

El aumento de las prestaciones electroqumicas debido al texturizado lser de los materiales de almacenamiento de energa est probado actualmente a escala de laboratorio. Se presentar el procesamiento lser de componentes de electrodos, a saber, colectores de corriente, nodos y ctodos. Se generaron diferentes tipos de arquitecturas de electrodos, como agujeros, rejillas y lneas; se ilustra su impacto en el rendimiento de la batera. El aumento del rendimiento de la batera se activa al controlar la cintica de difusin de iones de litio en electrodos porosos llenos de electrolito lquido (Pfleging, 2021).

 

Mtodos de recuperacin de energa

Estimacin de la batera SOC para un vehculo elctrico hbrido usando el mtodo de recuento de Culombio. En la actualidad los vehculos elctricos poseen la aceptacin de un gran nmero de transportistas y peatones como una tecnologa prometedora para la reduccin de emisiones de gases de efecto invernadero los cuales son muy perjudiciales para el medio ambiente, los vehculos elctricos de encuentran como principales pioneros para desarrollar un sistema de transporte autnomo. Actualmente la principal tecnologa de almacenamiento de energa que se utilizan en vehculo elctricos son las bateras de iones de litio, el avance de la tecnologa ha permitido aumentar la autonoma y prestaciones de estas bateras. Para poder evaluar las prestaciones que nos brinda los vehculos elctricos es necesario disponer de modelos que realizan simulaciones reales tanto de las bateras como del mismo vehculo elctrico. La autonoma que puede brindar un vehculo elctrico es considera como el punto clave, tanto para el desarrollo como para la comercializacin de estos. La autonoma que pueda brindar las bateras est relacionada con la cantidad de energa almacenada y la energa restante que dispone la batera, que es el estado de carga (SOC). Los vehculos elctricos requieren una fuente de alimentacin a bordo, el cual suministre la energa al motor y este pueda proporcionar movimiento al vehculo. Las bateras electroqumicas han venido realizando ese papel, actualmente estas bateras estn sujetas a un rendimiento en termino de volumen de energa y masa. Una carga y descarga inadecuada producirn una cada en el rendimiento de la batera, reduciendo considerablemente su vida til y el correcto funcionamiento de esta, el SOC indica cmo mejorar una batera, su confiabilidad, extender su vida til y optimizar la estrategia de distribucin de energa de los vehculos (Zine et al., 2018).

El mtodo de integracin de corriente (mtodo de columbio), se basa en el nmero de amperios- hora dentro y fuera de la batera del vehculo elctrico. La precisin del mtodo depende del sensor de corriente, la eficiencia coulombica debe ser reflejada en el mtodo de recuento de columbio dependiendo de la carga y descarga de la batera. Para La determinacin del estado de carga se requiere el conocimiento del estado de carga inicial, la estimacin de la batera pro este mtodo se define de la siguiente manera (Zine et al., 2018). Mientras el estado de carga inicial sea conocido el mtodo de recuento de culombios se vuelve bastante exacto, pero, si no se tiene el estado de carga inicial el mtodo se vuelve menos preciso. Adems, la eficiencia coulombica que nos ofrece la batera depende mucho de las condiciones de funcionamiento como la temperatura, la corriente, etc. El mtodo de recuento de culombio es utilizado ampliamente debido a su simplicidad y efectividad ya que fue probado en varios experimentos en bateras de ion-litio (Zine et al., 2018).

Mtodo experimental. La batera utilizada para este estudio es una batera AGM Plomo-acido con voltaje nominal de 12V y una capacidad de 100Ah.

 

 

 

 

Tabla 5: Caractersticas de la batera

parmetro

valor

Fabricante

VISION

Modelo

6FM100E-X

Capacidad nominal

100Ah

Voltaje nominal

12V

Cargando/ descargando

Tensin de corte (13,8/10,8 V)

Corriente de carga recomendada (0.25C)

25 A

Corriente de descarga mxima

(tiempo corto<5s)900A

Vida de diseo

10 aos

Temperatura de funcionamiento (carga/descarga)

-10C -60C/ -20C -60C

Material de la carcasa

ABS

Peso

29 Kg

 

 

Proceso de carga y descarga, Se realiza la carga de la batera con una fuente de energa estable, esta fuente se regula a 14 voltios y a unos 5,5 A y se mide respectivamente el voltaje y la corriente utilizando un multmetro y un sensor de pasillo cada 10 minutos hasta que la batera este completamente cargada. Al momento de desconectar la batera, debe estar en 13,92V y 0,89A, esta prueba se lo realiza durante 5 das lo que equivale a 91 080 segundos o 23.5 horas, la resistencia variable es conectada a la batera a una temperatura ambiente, la resistencia se regula a 10 Amperios en el proceso de descarga y el valor de esta resistencia no vara durante este proceso. Adems, el voltaje y corriente de la batera se miden cada 5 minutos, luego de 10 horas con 17 minutos la tensin de corte alcanza 10.8 V, al llegar a este valor se procede a desconectar la resistencia, figura 12 (Zine et al., 2018; Cueva et al., 2018).

 

Figura 12. Banco de Pruebas (Zine et al., 2018).

En el anlisis de los factores que intervienen en el desgaste y estimacin de las bateras de ion-litio, para conocer las variables externas y de estado interna con el que se pudo estudiar el comportamiento de las celdas que componen una batera de ion-litio. Continuando con la parte del modelado terico, se tom en cuenta frmulas que permitieron calcular las variables de las bateras que afectan a los parmetros elctricos y trmicos de las celdas, como se observa en la figura 13, con la ayuda del programa Matlab Simulink (Pico, Pazmio y Ponce, 2021).

 

Figura 13. Clculo de carga y descarga (Pico, Pazmio y Ponce, 2021)

 

De estas frmulas se especifica que (i) representan la corriente de la batera, (E) la tensin en los bornes, (EO) la tensin del circuito abierto, (K) es la constante de resistencia, (QMAX) es la mxima capacidad de la batera, (A) es la tensin exponencial, (B) es la capacidad exponencial y el (SoC) es el estado de carga. Tambin se toma en cuenta frmulas para la representacin calorfica en el simulado de batera (Pico, Pazmio y Ponce, 2021). Se especifica que (H) es el calor que se genera y (T) es la temperatura de las celdas, ests dos se las considera uniformes. La conexin de las celdas se puede dar en serie o en paralelo dependiendo los resultados que se necesite obtener de las bateras, para este estudio se utiliz la conexin en serie, luego se procedi a realizar las simulaciones en Matlab- Simulink, partiendo como base los datos especificados de 15 celdas con una conexin en serie y una intensidad de 55 Ah, que son con las que cuenta la batera utilizada para el estudio. La primera parte consisti en simular el desgaste prematuro de la batera teniendo en cuenta las diferentes profundidades de descargas con lo que se obtuvieron los resultados expresados en la figura 14 (Pico, Pazmio y Ponce, 2021).

 

Figura 14. Ciclos vs profundidad de descarga (Pico, Pazmio y Ponce, 2021).

 

Las tres curvas tienen la siguiente descripcin: curva celeste (100%), curva naranja (90%) y la curva gris (80%), sometiendo cada una a diferentes profundidades de descarga. Con esto se pudo deducir que con una carga de 90% y una descarga de 80% se pudo lograr 3408 ciclos. En otro caso podemos observar que cuando se carga 90% y se descarga un 20% se llegan a tener 662 ciclos. Estos anlisis permitieron deducir que, cuando la batera se carga a un lmite menor de su capacidad mxima, se obtendr un mayor nmero de ciclos teniendo una vida ms prolongada. Las curvas obtenidas en la figura 15, muestran que las bateras de ion-litio con la carga y descarga del (80%) al (30%), representada por la curva naranja, presentan un mayor nmero de ciclos, obteniendo as mayor duracin que la curva celeste representada por un (80%) a (20%) (Ortega y Gomez, 2019)

 

Figura 15. Barrido de carga a diferentes "C" (Pico, Pazmio y Ponce, 2021).

Con los resultados obtenidos se demostr que cuando las pilas secundarias de ion-litio se someten a cargas y descargas muy rpidas, reducirn su vida til drsticamente, por lo que recomiendan hacer una mezcla en su funcionamiento, si se realiza una carga con pocos amperios se debe realizar una descarga con muchos amperios, con esto se obtendr el doble de ciclos de vida de una batera que si se realizara una carga y descarga con altas corrientes. Tambin se confirm que cuando las bateras funcionan a una temperatura bajo 0C, los ciclos de vida tambin disminuyen en gran cantidad, as como tambin sucede en el caso de trabajar a altas temperaturas, concluyendo as que las bateras de ion-litio deben evitar ciclos de carga y descarga a temperaturas muy bajas o altas para poder prolongar su vida til (Pico, Pazmio y Ponce, 2021).

En la figura 16 se presente el voltaje de descarga en funcin del tiempo, si esta simulacin se compara con la hoja de datos podemos ver que varan ligeramente, esta variacin puede darse por la impresin al extraer los parmetros del modelo de la batera. Al transcurrir las 10 horas el voltaje de descarga se encuentra en 10.8 V y esto de lo denomina voltaje de corte, el 10.8 V no corresponde a la descarga completa pero este valor es adecuado para el estado de carga mnimo que se lo puede representar con casi el 20% (SOC=20%). El anlisis de la grfica 1-1 da a conocer que la descarga experimental se ajusta a la simulacin, al final se apreciar que la tencin de 10.8 voltios se alcanza luego de 10 horas con 17 minutos, esto indica que la capacidad de la batera vara segn los parmetros en la cual la batera est funcionando, parmetros como la temperatura, modo de carga, corriente de descarga etc. Adems, el voltaje brindado por el fabricante estn relacionadas con condiciones de funcionamiento ideales (Zine et al., 2018). Para realizar la simulacin se tomaron en cuenta las siguientes condiciones: 𝑆𝑂𝐶0 = 100%; 𝑉𝑑𝑖𝑠𝑖𝑛𝑡 = 12.6 𝑉; 𝑉𝑑𝑖𝑠𝑒𝑛𝑑 = 10.8 𝑉; 𝑇𝑑𝑖𝑠𝑠𝑢𝑚 = 36000 𝑠

El voltaje de carga en funcin del tiempo, el valor de 12.6 voltios se mantiene tanto para la simulacin y para la hoja de datos, esto se da por el estado de carga inicial que es del 20%, el voltaje de carga aumenta rpidamente hasta llegar a estabilizarse en 13.8 voltios hay varios rangos en donde se existen cambios notorios. La fase de carga depende de varios factores como lo son la temperatura ambiental, voltaje y corriente de carga, modo de carga, etc. Para evitar sobrecarga la batera, el voltaje que suministra el cargador es cortado al verificar que la corriente es igual a 0.85 Amperios correspondiente a un tiempo de 20 horas (Zine et al., 2018).

 

 

Figura 16. Voltaje de descarga en funcin del tiempo (Zine et al., 2018)

 

Conclusiones y recomendaciones

En este artculo presentamos las aplicaciones, las prestaciones electroqumicas debido a los materiales de almacenamiento de energa esto pasa por varios componentes como los electrodos, colectores de corriente, nodos y ctodos, que influyen directamente en el rendimiento de la batera, sin perder de vista el electrolito lquido de nuestros vehculos elctricos.

Las bateras de iones de litio son actualmente uno de los dispositivos de almacenamiento de energa electroqumica ms importantes, que alimentan los vehculos elctricos y algunas ms que son requeridas para su optimizacin. La conexin de las celdas se puede dar en serie o en paralelo dependiendo los resultados que se necesite obtener de las bateras, se aplica gran variedad de modelos y simulaciones en Matlab- Simulink, con el fin de estimar la vida til y simularse el desgaste prematuro de la batera.

Se estableci que cuando las pilas secundarias de ion-litio se someten a cargas y descargas muy rpidas, reducirn su vida til drsticamente, por lo que recomiendan hacer una mezcla en su funcionamiento, si se realiza una carga con pocos amperios se debe realizar una descarga con muchos amperios, con esto se obtendr el doble de ciclos de vida de una batera que si se realizara una carga y descarga con altas corrientes. De forma general esto es esencial para alargar la vida til de las bateras para nuestros vehculos elctricos.

 

 

 

 

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