Implantació del Vehicle Elèctric:

Revolució per a l’automoció

Workshop S.O.C., 25 d’Octubre de 2012Francesc González Balmas

VicePresident de STADirector Tècnic Autobusos de TMB

••IntroducciIntroduccióó

Evolució del sector de l’automoció

– El sector d’automoció és el 10% de la facturació agregada del sector industrial català (idescat), 40.000 llocs de treball directes, 15% de les exportacions catalanes al 2009

– Fabricants de turismes, ciclomotors i motocicletes, vehicles industrials, vehicles de transport urbà i interurbà i transformadors de segona fase.

– Hi ha un gran impacte de les polítiques governamentals i de les directrius de la UE (LIVE, Green Car Initiative, MOVELE, PIVE)

– Previsió de l’OCDE: expansió del mercat mundial, augment de més del 40% de les vendes al 2015 respecte 2009, però estancament a Europa.

El vehicle verd

CO2Consum de combustibles fòssils

Compromisos dels fabricants

• Reduir les emissions de CO2 a 120 gr./km. en el promig de la gamma de vehicles produïda a partir de 2012

• A Europa ja hi havia un compromís previ d’arribar a 140 gr/km el a partir del 2009

2020 = 95 g/km

Font:: Els reptes industrials

del vehicle verd a Catalunya

Moltes de les tecnologies en les que s’estàtreballant actualment són fruit de les necessitats del VE

Tendències tecnològiques en automoció

• La innovació intensiva en sistemes per estalviar consum de combustible i

emissions és una activitat clau per poder arribar a substituir el petroli a

llarg termini.

• Pot afirmar-se que ja ha començat una revolucirevolucióó tecnològicatecnològica orientada a

la cerca i utilització d’energies alternatives al petroli, sistemes de propulsió

associats, materials, electrificació de sistemes del vehicle, etc., que estan

generant nous sistemes de mobilitat.

Context

••Motors i emissionsMotors i emissions

Motors de combustió interna

Foto motor

aire

combustible

Diesel / Otto (gasolina)compresión ignición

CO2 + H2O

CO

NOx + HCnq + SOx

Emissions contaminants

Combustió pura

CO2 és un gas provinent de la combustió: no és un contaminant

Tendències en motors

• Introduction of new emission control technologies to both gasoline and diesel vehicles will meet all future air quality targets

0

20

40

60

80

100

120

1995 2000 2005 2010 2015 2020

CONOxVOCBenzenePM-dieselCO2SO2

CO2

Tai

lpip

e R

educ

tion

from

19

95 (

%)

Source: Auto Oil II

Significant investment by the automotive industry to reduce gaseous emission components means these will soon reach “sustainable” levels –new challenge is CO2

Motor Diesel

EmetEmet NOxNOx PlujaPluja ààcidacida

MoltMolt contaminantcontaminant

EmetEmet partpart íículescules sòlidessòlidesde C no de C no crematcremat fumfum

NocivesNocives perper a la a la sautsaut

EmetEmet menysmenys COCO22que que ll ’’OttoOtto

MMééss ecològic(Kyotoecològic(Kyoto ))

SistemesSistemes dd’’ injecciinjecci óó

IndirectaIndirecta

DirectaDirecta

+ + consumconsum / / -- sorollsoroll

-- consumconsum / + / + sorollsoroll1.1. Rail Rail comcom úú (alta (alta pressipressi óó))2.2. InjectorInjector bombabomba3.3. Bomba i Bomba i injectorsinjectors

TecnologiaTecnologia del del futurfutur ::--SimplificaciSimplificaci óó del sistemadel sistema--MoltMolt alta alta pressipressi óó > 2.000 > 2.000 barsbars--MenysMenys sorollsoroll

EGREGRFiltre Filtre de de partpart íículescules

InjecciInjecci óó commoncommon railrail

Compromisos dels fabricants

• Complir amb les exigents normes Euro 5 de reducció d’emissions contaminants per als turismes i comercials lleugers (nous tipus), des de setembre de 2009.

– Amb l’Euro 5 es regula per primera vegada el nivell d’emissió de partícules en motors diesel, obligant a instal.lar filtres de partícules.

– Per reduir els nivells de NOx fins alslímits permesos, també cal utilitzarcatalitzadors amb injecció d’urea.

Injecció d’Urea: reducció de NOx en motors diesel

Reducció del fum negre en motors dièsel

Indicador d’emissió

de CO2 > S’investiga

La seva aplicació a

l’automòbil…

Filtres de partícules

••VehiclesVehicles hhííbridsbrids

L’automòbil híbrid no és tan recent....

Lohner 1907

Vehicle dissenyat per FerdinandPorsche i fabricat per Lohner.

Estava equipat amb motor tèrmic

i motors elèctrics en les rodes

davanteres.

No va tenir continuïtat perquè les

Bateries de Pb – Àcid no tenien

càrrega – recàrrega ni estable ni suficient per controlar el procés de

recuperació d’energia i la transició

Motor tèrmic – Motor elèctric,

entre d’altres factores de l’època.

(materials, mecanismes, etc.)

Els primers híbrids

Sèrie (Extended Range)- Motor tèrmic > Motor elèctric/Generador > Motor elèctric de tracció/Bateries

- Cas de l’Opel AmperaParal·lel – Motor tèrmic + Motor elèctric/Generador > Transmissió a rodes

mecànica (no funciona en elèctric pur)- Cas de l’Honda Civic/InsightParal·lel – Sèrie – Motor tèrmic + Motor elèctric /Generador > Transmissió

mixta a rodes mecànica - elèctrica contínuament variable en funció de la demanda de potència i de la càrrega de les bateries (funciona en elèctric pur)

- Cas del Toyota Prius i LexusVariant Plug – in – Recàrrega de bateries independent (connexió a xarxa) per

funcionar en elèctric pur), amb autonomia limitada- Cas del futur Toyota Prius i Lexus

Tipus d’Híbrids

Esquema elèctric i electrònic del VH Sèrie

•Xarxa

Elèctrica 220v

•Electrònica

de control

•Motors

de tracció

•Rodes•Dispositius

elèctrics

•Bateries

350 – 400 V cc

•Inversor

cc-ca

•Transformador

cc > cc

•Carregador

bateries

(inversor ca – cc)

•Electrònica de potència

Vehicle

Motor Térmic

Generador

• Els avantatges són el consum de combustible similar al diesel, menorsemissions de CO2, silenci de funcionament i recuperació de l’energiade frenada.

• Els inconvenients són el pespes, el cost, la complexitat i no proporcionar estalvi de combustible si es condueix 100% del temps en carretera i autopista.

• Es consideraba una solució transitòria, principalment a Japó i EE.UU., però actualment tenen cada vegada més presència també a Europa.

Avantatges i inconvenients dels V. Híbrids

Exemples de Vehicles Híbrids en producció

Toyota Prius: Sèrie-Paral.lel

Honda CRZ: Paral.lel

••VehiclesVehicles elelèèctricsctrics

Esquema elèctric i electrònic del Vehicle Elèctric Pur

•Xarxa

Elèctrica 220v

•Electrònica

de control

•Motors

de tracció

•Rodes•Dispositius

elèctrics

•Bateries

350 – 400 V cc

•Inversor

cc-ca

•Transformador

cc > cc

•Carregador

bateries

(inversor ca – cc)

•Electrònica de potència

Vehicle

Exemples de VE: Nissan Leaf

• Autonomia de 160km

• Bateries recarregables al 80% de la seva

capacidad en aprox. 30min

• Càrrega completa de bateries en 8h

• Motor elèctric capaç de donar 107CV de potència amb

un par màxim de 280 Nm

• Velocitat màxima de 140km/h

• Motor síncron 47kW / 180Nm

• Autonomia 160 km

• (mode 10/15 Japó)

• Vmax 130km/h

• 4 places

• Bateria Ion Liti 16kW/h

• (pes 200kg)

• Recàrrega 7h/220 V – 30min

• 50kW corrent trifàsica

Exemples de VE: Mitsubishi MIEV

Exemples de VE: Peugeot – Michelin

Nínxols de mercat

• Motos, vehicles industrials i vehicles de serveis i transport, flotes de serveis, carrossament de vehicles de transport i comercials i fabricants de segona fase.

Vehicle Elèctric Pur

• La indústria de l’automòbil està immersa en una veritable revolucirevolucióótecnològicatecnològica: res tornarà a ser igual, perquè ll’’automòbil estautomòbil estàà canviant per canviant per complet, impulsat per la hibridacicomplet, impulsat per la hibridacióó i la electrificacii la electrificacióó

• El que resulta evident és que, si a partir d’ara, els Governs i les empreses d’automoció inverteixen decididament i intensiva en aquest tipus de vehicles, el que semblava un somni es podria convertir en realitat molt el que semblava un somni es podria convertir en realitat molt abans del que era previsible fa molt poc temps i els VPE podrienabans del que era previsible fa molt poc temps i els VPE podrien ser dser d’ú’ús s massiu en pocs anysmassiu en pocs anys

A grans trets, el VE requereix R+D en els següents camps:

– Bateries i supercondensadors

– Electrònica de potència

– Màquines elèctriques

– Il.luminació

– Petits motors elèctrics

– Gestió telemàtica

– Dispositius de comunicació

– Software de control i seguretat

– Reducció de pes

– Sistemes complementaris d’alimentació elèctrica

Tendències tecnològiques del VE

• La implantació del VE viurà 3 fases diferenciades, i serà un procés gradual (1):

– Posicionament industrial: nínxols i flotes de VE i VH.

• Es prendran les decisions estratègiques i es faran les inversions tecnològiques i productives. Retorns minsos. Incorporació de noves indústries.

– Màxima complexitat industrial: alta quota de mercat dels PHV i augment de les vendes de VE per a usos urbans.

• Es combinarà la producció de sèrie llarga amb curta. S’ampliarà la gamma de productes i de tecnologies. Alta complexitat de la demanda pels fabricants de sistemes i components.

– Industrialització massiva: VE tindrà una gran part de la quota de mercat. Es fabricarà de forma massiva.

• Grans canvis respecte a la primera fase en tipus de clients, mercats, tecnologies, productes, prestacions i usos.

(1) Font: Els reptes industrials del vehicle verd a Catalunya

La incorporació del VE

La incorporació del VE

••ComponentsComponents: :

sistemessistemes

dd’’emmagatzematgeemmagatzematge

dd’’energiaenergia

Reptes dels sistemes d’emmagatzematge d’energia

• Emmagatzematge d’energia

– Millora en materials, cost, disponibilitat, fabricació, disseny i packaging de les cel.les, reciclabilitat i anàlisi del cicle de vida.

• Un pack de Ió Li de 16 a 20 kWh pesa de 180 a 220kg i ocupa un volum de 150 a 200 litres.

• Pes i volum són factors limitatius per disposar d’una densitat de càrrega que proveeixi una autonomia de 450km i un temps de recàrrega curt.

• Les bateries de Ió Li tenen tensions de treball 3 vegades superiors a les de Ni-Hi, i possibiliten tensions de 400 V per al motor elèctric, amb intensitats de corrent menors per una potència donada.

• Fins el 2016 no s’espera que es pugui doblar l’energia específica per cel.la(de 140 Wh/kg a 250 Wh/kg ) per aconseguir una autonomia del voltant de 300km.

• Els supercondensadors també són interessants per la seva rapidesa de càrrega per recuperació d’energia

Reptes dels sistemes d’emmagatzematge d’energia

Comparació dels principals sistemes

Powers of 80% of portableelectronics

Sistemes intel.ligents de recàrrega

– Les xarxes de recàrrega intel.ligentstenen raó de ser gràcies a la capacitat d’emmagatzemar energiade les bateries, que podran fer càrrega nocturna aprofitant l’energiaeòlica sobrant i cedir-la al sistema quan calgui.

CONCEPTE SMART CONCEPTE SMART GRIDS GRIDS -- SIEMENSSIEMENS

Ultracondensadors

• Alguns vehicles, com els autobusosurbans, han optat peremmagatzemar l’energia en ultracondensadors.

• Les característiques delscondensadors permeten una ràpidacàrrega i descàrrega d’aquests, comportament molt adequat al ciclede conducció d’un autobús urbà

Càrrega vehicles

A les ciutats es disposa de llocs per fer una càrrega ràpida dels vehicles. En funció del % de càrrega el temps pot variar entre 10 i 30 minuts.

CÀRREGA RÀPIDA

Càrrega vehicles

Tant a les cases unifamiliars com en els edificis es poden instal·lar punts de càrrega lenta.

CÀRREGA LENTA

••ConclusionsConclusions

Conclusions

• Els vehicles elèctrics purs, a 10 anys vista, tindran moltes aplicacions, urbanes i periurbanes, en rangs d’autonomia entre 40 i 80 km diaris.

• La recàrrega serà principalment nocturna, en llocs tancats o en pàrquings públics.

• El motor de combustió interna encara té camí per recórrer i per millorar en eficiència i emissions. La visió actual sobre la utilització de vehicles elèctrics purs, en substitució dels híbrids o dels de motor de c. i. Tot dependrà de l’evolució, no sols de l’autonomia de les bateries, sinó del temps de recàrrega i la vida associada de les bateries.

Conclusions

• Els vehicles elèctrics purs obren moltíssimes possibilitats en infraestructures, comunicacions, gestió del consum i de la recàrrega etc.

• Així mateix, obren grans expectatives per al disseny, el desenvolupament i la fabricació de nous vehicles.

• Formació: Enginyers, tècnics i mecànics (electrònics) hauran de formar-se tenint en compte els nous conceptes de mobilitat.

• Ocupabilitat : Desgraciadament, i tenint en compte les previsions de la OCDE, el no increment del parc global de vehicles a Europa fará que es produeixi un canvi d’especialitats, però no de quantitat total de gent ocupada al sector.

MoltesMoltes grgr ààciescies perper la la vostravostra atenciatenci óó

STAsta@stauto.org

www.stauto.org