Australia: ¿Cuánto cuesta manejar un VE versus un coche de gasolina?

 

Australia: ¿Cuánto cuesta manejar un VE versus un coche de gasolina?

Por: Bryce Gaton

Experto en vehículos eléctricos y colaborador de The Driven and Renew Economy. Trabaja en el sector EV desde 2008 y actualmente trabaja como entrenador/supervisor de seguridad eléctrica de EV para la Universidad de Melbourne.

 

 

Algunas personas quieren que creas que correr un VE es peor para el medio ambiente y cuesta más porque los propietarios de vehículos eléctricos necesitan electrones para cargar un EV en lugar de moléculas para rellenar un vehículo de gasolina o diesel. Aunque el primer punto ha sido desmentido muchas veces, es el segundo punto que abordaré aquí.

Los propietarios de EV saben que conducir un vehículo eléctrico de batería (BEV) es significativamente más barato que el de un motor de combustión interna (ICE), pero poner un solo número en el ahorro ofrecido por un BEV en comparación con su equivalente ICE es un poco más complicado.

 La razón? Depende de su elección de suministro eléctrico, así como de cuándo se carga.

 A continuación se muestra una tabla que resume el costo asociado a cada una de las cinco fuentes de carga, más un costo para lo que definí como una posible mezcla de estos.

Sin embargo, para aquellos (como yo) que quieren saber cómo se les ha llegado a las cifras, siguiendo la tabla están los detalles de la justificación, suposiciones, cálculos y fuentes de datos.

 

Supuestos, cálculos y fuentes de datos:

Siempre que es posible elegí los datos nacionales. Sin embargo, cuando se trata de tarifas eléctricas, estas son altamente variables y las estructuras tarifarias son más muchas. Para la electricidad más allá de una tarifa de tarifa única, elegí un estado medio de la carretera para fijar precios (Victoria, donde vivo) y me hice referencia a la oferta por defecto victoriana, o elegí un plan de electricidad victoriano donde la oferta por defecto no cubrió la opción (como el precio súper de pico EV).

Mis cinco fuentes principales de electricidad para un VE son las siguientes:

 Potencia de la red: tarifa de tarifa única.

Suministro de la red: a) tarifa fuera de la hora pico y b) tarifa Súper fuera de la pico      EV

Solar propio: tarifa de alimentación abandonada

Solo carga pública de CA

Solo carga rápida pública de CC

 Los cálculos se basan en 10.000 km al año, ya que hace que sea un número fácil trabajar para encontrar sus costos personales. (Por ejemplo: si haces 5.000 km al año, reducir a la mitad el número. Si haces 20.000 km, el doble de los ahorros. Si haces 15.000 km, agrega la mitad de la cantidad a la cifra de 10.000 km).

Para calcular el costo de carga por cada fuente de carga, asumí que el propietario del EV usaba SOLAMENTE esa fuente para la distancia de 10.000 km.

 El número final de costo de energía de mezcla "típica--se calculó entonces usando una aproximación basada en estudios sobre cómo los propietarios de vehículos de EV cargan sus coches.

 Con el fin de hacer una comparación lo más directa posible, se eligió el Hyundai Kona 2024, ya que es un SUV pequeño que se ofrece tanto en versión totalmente eléctrica como en versión gasolina de 2 litros.

 Supuestos:

    Comparación de vehículos: 2024 Hyundai Kona eléctrico versus Hyundai Kona gasolina

    Consumo de energía/combustible: BEV: 13,1 kWh/100km (Diseño de Australia Regla 81/02 ciclo de pruebas); ICE: 6.6 litros/100km (Diseño Australiano Rule 81/02 ciclo de pruebas)

    Distancia elegida para los cálculos: 10.000 km al año.

    Precio por litro: $1.82 por litro. (Punto de la gasolina australiana por 91 RON, Ene-Nov 2024)

 

Cálculos:

 Petrol Kona a 6.6L/100km:     10.000 km al año a $1,82/litro = $1201 (Australian Dollar)

 Electric Kona a 13,1 kWh/100km:

 Escenario 1:

Energía de red, tarifa única de 30,9 c/kWhd = $405

(En Australia varía según el estado y se encuentra entre 25 y 45 centavos por kilovatio-hora).

 Escenario 2:

Potencia de la red, tarifa típica de dos tipos fuera de la hora pico de 19.9c/kWh = $261

Potencia de red, tarifa multitasa, tasa súper fuera de la hora pico de 4.99c/kWh = $65.37

 Escenario 3: Car cargador solar, inteligente EV establecido en Solar Only:

A la tarifa de alimentación solar en la noca de 3.3c/kWh = 43,23 dólares

 Escenario 4: red pública Canción de CA por el 100% de todo el cobro h

A 45c/kWh: (nota, muchos cargadores de CA públicos siguen siendo gratuitos) = $590

 Escenario 5: red pública carga DC por el 100% de toda carga: A 65c/kWh: $851

 Ahora a encontrar un ahorro "promedio" para una conducción típica del EV. Los estudios han demostrado que entre el 70% y el 90% de todo el cobro se realiza en casa, el 5% o menos realizado por DC y el resto en el trabajo y/o estaciones públicas de carga de destino de CA. A los efectos de encontrar el ahorro promedio en el costo de combustible que ofrece un vehículo eléctrico de batería, se asumió lo siguiente para crear un perfil de carga "típico" para un conductor de vehículo eléctrico:

     80% de carga casera a una tasa de pico de 19,9c/kWh

    15% de carga de destino (media libre, mitad a 45c/kWh)

    5% de carga DC a 65c/kWh

 Para 10.000 km esto equivale a:

    Carga casero: $208.8

    Destino cargo: $44,25

    DC carga: $42.55

    Total: 295,60 dólares australianos

 Precio medio de kWh pagado por esos 10.000 km: $295.60/1310kWh = 22.52c/kWh

 

El vehículo eléctrico consume en dinero, cuatro veces menos que su equivalente a gasolina.

 

Datos:

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Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                              2024.-                       

La importancia de la ecualización para optimizar el rendimiento del banco de baterías.

 

La importancia de la ecualización para optimizar el rendimiento del banco de baterías.

 Los paquetes de baterías, especialmente los que se utilizan en vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía, suelen estar compuestos por varias unidades de baterías conectadas en serie. Si bien esta configuración ofrece un voltaje más alto, puede generar ineficiencias si las baterías individuales no funcionan de la misma manera. Aquí es donde entra en juego la ecualización de baterías.

 

Ecualización: equilibrio para una mejor vida útil de la batería

La ecualización de baterías es un proceso que garantiza que todas las baterías de un paquete alcancen el mismo estado de carga (SOC). Los métodos de equilibrio de celdas activo eliminan la carga de una o más celdas altas y la entregan a una o más celdas bajas. Las técnicas disipativas encuentran las celdas altas en el paquete y eliminan el exceso de energía a través de un elemento resistivo hasta que sus cargas coincidan con las celdas bajas.

 

Beneficios de las baterías equilibradas

Mayor capacidad utilizable: al mantener todas las baterías sincronizadas, la ecualización libera todo el potencial del paquete. Obtiene más "energía utilizable" de cada unidad.

Mayor seguridad: la sobrecarga o la descarga excesiva de baterías individuales puede provocar daños y riesgos de seguridad. La ecualización evita esto al mantener niveles de voltaje equilibrados. Mayor vida útil de la batería: las baterías equilibradas experimentan menos estrés y desgaste, lo que genera una vida útil general más larga para el paquete.

 

Por qué el equilibrio de la batería es fundamental

Las baterías tienen ligeras variaciones en la capacidad y las tasas de descarga. Cuando no están equilibradas, la batería más débil del paquete determina el rendimiento general. Continuar descargándolas cuando una sola unidad está agotada puede dañarla. De manera similar, cargar un paquete desequilibrado puede provocar la sobrecarga de baterías en buen estado.

Las baterías de litio se pueden sobrecargar sin dañar los materiales activos. El voltaje de ruptura del electrolito está peligrosamente cerca del voltaje terminal de carga completa, generalmente en el rango de 4,1 a 4,3 voltios/celda. Por lo tanto, se deben implementar controles y monitoreo cuidadosos para evitar que una sola celda experimente un sobrevoltaje debido a una carga excesiva.

 

 Las celdas individuales basadas en litio requieren monitoreo para que el voltaje de la celda no exceda los límites predefinidos de la química. Las celdas de litio conectadas en serie plantean un problema más complejo: cada celda de la cadena debe ser monitoreada y controlada. Aunque el voltaje del paquete puede parecer estar dentro de límites aceptables, una celda de la cadena en serie puede estar experimentando un voltaje dañino debido a desequilibrios entre celdas.

En el caso de las aplicaciones de vehículos eléctricos, es conveniente equilibrar las celdas para obtener la máxima capacidad utilizable del paquete de baterías. Durante la carga, una celda desequilibrada puede acercarse prematuramente al voltaje de fin de carga (normalmente de 4,1 a 4,3 voltios por celda) y hacer que el cargador se apague. El equilibrio de celdas es útil para controlar las celdas de mayor voltaje hasta que el resto de celdas puedan alcanzarlas. De esta manera, el cargador no se apaga hasta que las celdas alcanzan simultáneamente el voltaje de fin de carga.

 

Métodos de equilibrio de celdas al final de la carga

 Desviación de carga

El método de equilibrado de celdas mediante derivación de carga desvía selectivamente la corriente de carga alrededor de cada celda a medida que se cargan por completo (Figura 1). Este método se emplea de manera más eficiente en sistemas con índices de carga conocidos. La resistencia de derivación R está dimensionada para derivar exactamente la corriente de carga I cuando se alcanza el voltaje de celda completamente cargada V. Si la corriente de carga disminuye, la resistencia R descargará la celda derivada. Para evitar disipaciones de potencia extremadamente grandes debido a R, este método se utiliza mejor con cargadores de corriente escalonada con una corriente de fin de carga pequeña.

 

Las desventajas del método de derivación de carga son la necesidad de utilizar grandes resistencias de disipación de potencia, interruptores de alta corriente y requisitos de gestión térmica. Este método es más adecuado para sistemas que se cargan a menudo con pequeñas corrientes de carga.

 

Métodos de equilibrio de celdas activas

Emplean un elemento de transferencia de carga activa o convertidores de voltaje o corriente para mover energía de una celda a otra. Estos dispositivos pueden ser controlados de forma analógica o digital. Las dos clasificaciones principales de los métodos de equilibrio de células activas son la transferencia de carga y la conversión de energía.

 Transferencia de carga

Los mecanismos de equilibrio de células con transferencia de carga consisten en un dispositivo que elimina la carga de una célula seleccionada, la almacena y luego la entrega a otra célula. Existen varias realizaciones de esquemas de transferencia de carga, siendo la más notable un "condensador " (Figura 2).

   La electrónica de control cierra los interruptores adecuados para cargar el condensador C a través de la celda B1. Una vez que el condensador está cargado, los interruptores se abren. Luego, los interruptores se cierran para conectar el condensador C a través de la celda B2. Luego, el condensador suministra carga a B2 en función del diferencial de voltaje entre B1 y B2. 

 Las técnicas de transferencia de carga son de utilidad limitada para las aplicaciones de vehículos hibridos. Las químicas de litio ofrecen un voltaje en terminales de celda abierta relativamente plano en un amplio rango de SOC de 40% a 80% (Figura 5). Una celda con un SOC alto no tiene un V significativamente grande en comparación con una celda con un SOC bajo, a menos que una de esas celdas esté en un "codo" de voltaje por encima del 90 % del SOC o por debajo del 20 % del SOC.

 

Convertidor de energía

El balanceo de celdas mediante dispositivos de conversión de energía emplea inductores o transformadores para mover energía de una celda o grupo de celdas a otra celda o grupo de celdas. Dos métodos de conversión de energía activa son el transformador conmutado y el transformador compartido.

El método del transformador conmutado comparte la misma topología de conmutación que el método del condensador flotante (Figura 6). La corriente I se toma de todo el paquete y se conmuta al transformador T. La salida del transformador se rectifica a través del diodo D y se entrega a la celda Bn, que se determina mediante la configuración de los interruptores S. Se requiere un control electrónico para seleccionar la celda de destino y configurar los interruptores S.

 

 Este método puede equilibrar rápidamente las celdas bajas a costa de quitarle energía a todo el paquete. Las desventajas incluyen una alta complejidad, un gran número de piezas en términos de control, magnetismo e interruptores, y una baja eficiencia debido a las pérdidas de conmutación y las pérdidas magnéticas.

 

Método pasivo de equilibrio de celdas

 Resistencias disipativas

El método disipativo desvía celdas seleccionadas con resistencias de alto valor para quitar carga de las celdas más altas hasta que coincidan con la carga de las celdas más bajas (Figura 9). Este circuito es la implementación de equilibrio de celdas más simple y económica. Si se elige el valor de la resistencia de modo que I sea pequeño (capacidad <10 mA/Ahr), el tamaño de la resistencia física y la clasificación del interruptor pueden ser pequeños. Una resistencia de 10 mA/Ahr podría equilibrar celdas con valores extremadamente altos a una tasa del 1 % por hora.

El método de equilibrio de celdas disipativo puede funcionar de forma continua, con las resistencias encendiéndose y apagándose según sea necesario. La eficacia de la técnica disipativa se puede mejorar mediante la aplicación de algoritmos de control adaptativos y de aprendizaje. Las ventajas son el bajo coste y la baja complejidad. Las desventajas son las elevadas pérdidas de energía. Para aplicaciones de vehículos eléctricos, una resistencia de 10 mA/Ahr podría especificar una corriente de resistencia de 1 A para un paquete de baterías de 100 Ahr, lo que significa una resistencia de 4 W por celda de litio (4 V/celda). Valores tan elevados podrían dar lugar a un diseño costoso con requisitos de gestión térmica.

 

 En resumen

Varios métodos de equilibrio de celdas son adecuados para aplicaciones de vehículos eléctricos. Los métodos de derivación de carga funcionan bien, pero están limitados por la cantidad de corriente que se debe disipar. El método de transformador compartido es aplicable, pero es costoso en términos de magnetismo y cantidad de piezas. El método disipativo es aplicable y es el más rentable. Los métodos de transferencia de carga serían prohibitivamente caros debido a los interruptores necesarios para manejar las grandes corrientes de carga máxima de los condensadores.

 

 Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                                    2024.-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sensor Hall, un dispositivo presente en nuestras vidas

 

Sensor Hall, un  dispositivo presente en nuestras vidas

La tecnología servo (sistema auxiliar que se utiliza para control) es sinónimo de velocidad y precisión, para lo cual, se vale de diversos dispositivos de retroalimentación que permiten determinar la exactitud del cumplimiento de las variables involucradas en el control de movimiento. Cuando se implementa correctamente, la retroalimentación posicional puede permitir que múltiples actuadores se muevan juntos de manera sincrónica, utilicen posiciones de memoria preestablecidas y se desplacen con mayor exactitud y precisión. Tanto los codificadores ópticos como los sensores de efecto Hall son populares para leer la retroalimentación posicional de un motor con buena precisión; sin embargo, cada opción de retroalimentación ofrece diferentes beneficios que pueden favorecer a determinadas aplicaciones más que a otras. En este artículo se trata  la retroalimentación magnética la cual ofrece precisión, pero también costo-beneficio en el posicionamiento inteligente para obtener:

 

- Alta sensibilidad

- Soportar altas temperaturas

-Repetibilidad y estabilidad

- Garantía de continuidad de la operación

Dentro de este esquema, el sensor Hall es un aliado clave para dichos fines.

 

 Principios básicos del sensor de efecto Hall

El principio de funcionamiento de dicho sensor fue descubierto por  Edwin Herbert Hall (1855 -  1938) quien  fue un físico estadounidense. Hall trabajó en la universidad de Harvard. Descubrió el efecto que lleva su nombre en 1879 mientras trabajaba en su tesis doctoral en física, recibió el doctorado en 1880. Este efecto consiste en la aparición de un campo eléctrico transversal a un conductor sobre el que circula una corriente eléctrica en presencia de un campo magnético. Los experimentos de Hall mostraban que los portadores de cargas eran partículas cargadas negativamente.

 El efecto Hall implica necesariamente un material conductor a través del cual transita corriente eléctrica y sobre la cual se ejerce una fuerza magnética de manera perpendicular. En términos prácticos, a una placa conductora se le aplica un voltaje en sus extremos, por lo que, los electrones comienzan a fluir linealmente del polo negativo al positivo; sin embargo, al acercarles un imán de forma perpendicular, las cargas positivas y negativas son enviadas hacia los extremos transversales y se produce, con ello el voltaje transversal Hall (VH).

           

 Video en: https://www.youtube.com/watch?v=pEjzUqLAJAM

El efecto Hall está estrechamente relacionado con la fuerza de Lorentz, la cual refiere que cuando una partícula cargada está en reposo dentro de un campo magnético, tal partícula no sufre la acción de ninguna fuerza; sin embargo, cuando la partícula se encuentra en movimiento, al estar cerca de un campo magnético experimenta la acción de dicha fuerza magnética.

                      

Concretamente, por ejemplo, un cable de cobre por el que pasa una corriente eléctrica no responde a la proximidad de algún imán mientras esté desenergizado. Una vez que se enciende la fuente de poder que provee corriente a lo largo del cable, este se mueve porque  reacciona a la fuerza magnética del  campo en el que está sumergido.

La salida de este sensor puede ser proporcional a la intensidad y dirección del campo magnético, o puede ser binaria, según los componentes electrónicos integrados en el paquete de detección.

 

 

Apliaciones  del efecto Hall

Es ampliamente utilizado como sensor de proximidad, posición, corriente y velocidad, por lo tanto, las ventajas que ofrecen a la tecnología servo son innumerables. Los sensores de efecto Hall, particularmente, suelen estar hechos de semiconductores (silicio o germanio), por ello, miden el voltaje Hall en dos de sus caras cuando se les coloca en un campo magnético.

 

 Estos sensores son completamente electrónicos, por lo que, pueden realizar su función de manera distante; son inmunes al ruido electrónico, así como al polvo y no tienen partes móviles, aspectos que los hacen aún más confiables en su funcionamiento. Se describe dos tipos de detección de efecto Hall:

Los sensores unipolares responden a un polo del imán, lo que permite realizar mediciones en solo la mitad del rango de movimiento.

Los bipolares responden tanto a los polos norte como sur de un imán y permiten realizar mediciones en ángulos más amplios.

  Aplicaciones específicas:

1. Medición de Campos Magnéticos

Los sensores de efecto Hall,  pueden medir la magnitud y dirección de un campo magnético. Estos sensores son ampliamente utilizados en una variedad de campos, incluyendo la física experimental, la geología y la industria automotriz. Los vehículos tienen un número excepcional de piezas móviles y los sensores  se pueden implementar para monitorear las operaciones internas. Al tener mejor detección, se puede mejorar la eficiencia en automóviles  tradicionales y vehículos eléctricos. En los autos, se utilizan para medir la velocidad de las ruedas, la posición del cigüeñal, la temperatura del motor, el flujo de combustible y la posición del acelerador, entre otras aplicaciones.

 

2. Detección de la Corriente Eléctrica

El efecto Hall también se utiliza para medir corrientes eléctricas sin necesidad de contacto directo. En comparación con otras técnicas de medición de corriente, los sensores de efecto Hall ofrecen la ventaja de no interferir con el circuito eléctrico que se está midiendo. Estos sensores se usan comúnmente en la industria electrónica y de energía para medir corrientes de alta frecuencia o alta intensidad.

 3. Identificación de las Propiedades de los Materiales

El voltaje Hall generado en un material puede revelar propiedades fundamentales del mismo, como la densidad y tipo de portadores de carga (electrones o huecos). Por lo tanto, el efecto Hall es una herramienta útil en la investigación de semiconductores, permitiendo identificar y caracterizar nuevos materiales.

 4. Control y Posicionamiento en Sistemas Electrónicos

Por ejemplo, en los motores brushless (sin escobillas) de corriente continua, se utilizan para determinar la posición del rotor y así controlar el tiempo de conmutación de los devanados del estator. Además, estos sensores se encuentran en los controles de joystick de muchos dispositivos, desde consolas de videojuegos hasta equipos industriales, proporcionando información precisa sobre la posición del control.

 5. Uso en Biomedicina

El efecto Hall también ha encontrado aplicaciones en el campo de la biomedicina. Los biosensores basados en este efecto son capaces de detectar biomoléculas magnéticas y se utilizan en técnicas de diagnóstico médico, como la detección de bacterias o la medición de la concentración de ciertos iones.

 6. En la Física del Estado Sólido

El efecto Hall es esencial para explorar nuevas fases de la materia y entender fenómenos exóticos como la superconductividad y el aislamiento topológico.

 

Fortalezas y debilidades de los sensores de efecto Hall

 Beneficios

Detección sin contacto: Los sensores de efecto Hall no requieren contacto físico con su elemento de detección Hall, lo que reduce el desgaste y aumenta la vida útil del dispositivo.

Robustez: son más robustos y resistentes a factores ambientales como el polvo, la suciedad y la vibración, lo que aumenta su confiabilidad general en aplicaciones con condiciones operativas adversas.

Instalación sencilla: son relativamente fáciles de instalar y requieren menos alineación en comparación con los codificadores ópticos.

Menor costo: generalmente tienen un precio más asequible en comparación con los codificadores ópticos.

 

 Desventajas

Menor resolución: los sensores de efecto Hall suelen tener una resolución más baja en comparación con los codificadores ópticos, lo que puede causar limitaciones en su idoneidad para aplicaciones que requieren una precisión muy alta.

Velocidad limitada: tienen más limitaciones en términos de la velocidad máxima a la que pueden detectar con precisión la posición.

Interferencia magnética: Los imanes internos de los sensores de efecto Hall pueden verse afectados por la interferencia magnética del exterior, lo que afecta la precisión y confiabilidad de la retroalimentación en ciertos entornos.

Sensibilidad a la temperatura: las propiedades magnéticas de los sensores de efecto Hall pueden verse afectadas debido a las variaciones de temperatura, lo que puede requerir compensación o calibración adicional en aplicaciones con grandes cambios en el rango de temperatura.

 

Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                                    2024.-