Terrassa Mayo 2013 Sistemas de almacenamiento de energía para Automóviles. Estado actual JCEE ’13 Manuel Lamich Arocas Terrassa Mayo 2013 JCEE ’13 Índice • Introducción • Gráficas comparativas densidad de energía almacenada • Gráfica Energía/Potencia • Concepto de eficiencia de una batería • Comparativa características • Ventajas e Inconvenientes • “Novedades” • Conclusiones • Referencias bibliográficas 2 JCEE ’13 Terrassa Mayo 2013 Introducción 3 Terrassa Mayo 2013 JCEE ’13 Densidad de energía http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c6/Energy_density.svg 4 Terrassa Mayo 2013 JCEE ’13 Densidad de energía http://en.wikipedia.org/wiki/File:Secondary_cell_energy_density.svg 5 JCEE ’13 Terrassa Mayo 2013 Densidad de energía 6 JCEE ’13 Terrassa Mayo 2013 Energía/Potencia 7 Terrassa Mayo 2013 JCEE ’13 Concepto de Eficiencia • Coulombic efficiency: is the ratio of the coulombs discharged from the battery divided by the coulombs required to bring it back to the initial condition. • Energy efficiency: the fraction, usually expressed as a percentage, of the electrical energy stored in a battery by charging that is recoverable during discharging. • Coulometric efficiency: For a rechargeable battery: the fraction, usually expressed as a percentage, of the electrical charge stored in a battery by charging that is recoverable during discharging. Inefficiencies arise from current inefficiencies. The coulometric efficiency is always larger than the energy efficiency. Also called "ampere‐hour efficiency" "charge efficiency," and "coulombic efficiency." 8 Terrassa Mayo 2013 Comparativa características (1) Tipo Densidad energía (V) (MJ/Kg) Lead-acid 2,1 VRLA (1) 2 0.110.14 (Wh/kg) (Wh/l) Potencia Eficiencia Energia /Precio Autodesc arga (W/Kg) (%) (Wh/$) (%/mes) 30-40 60-75 180 70%92% 5-8 Ciclos Vida estimada Comerci alización Años 3%-4% 500800 5-8 (car), 20 (stat) <0.3 1001000 <5 1881 1,50 0.31 85 250 50 Ni-iron 1,2 0.18 50 50-55 100 65% Ni-cadmium 1,2 0.140.22 40-60 50150 400 70%90% NIH2 1,5 0.27 75 60 220 85% ↓↓↓ NiMH 1,2 0.110.32 30-90 140300 180 66% 0.51.5 Ni-zinc 1,6 0.220.36 60100 170280 900 86% 2-3.3 Li ion 3,6 0.58 160 270410 300 80%90% 2.8-5 5%10% 1200 2-3 1999 Li polymer 3,7 0.470.72 130200 300380 360 2.85.0 5% 500~ 1000 2-3 1992 Alkaline JCEE ’13 Tensión celda 5-7.3 20%40% 20% 30-50 1500 20.000 30% 1901 1956 15+ 1000 1990 400800 1920 9 Terrassa Mayo 2013 JCEE ’13 Comparativa características (2) Tensió n celda Densidad energía Potencia Eficiencia Energia /Precio Auto descarga (V) (MJ/Kg) (Wh/kg) (Wh/l) (W/Kg) (%) (Wh/$) (%/mes) LiFePO4 3,25 0.290.44 80120 170 1400 Li sulfur 2 0.941.44 260400 350 NanoTitanat e (Li-ion) 2,3 0.27 74 126 4001100 87-95% 0.51.0 Thin film Li 3,9 0.91.1 250300 1000 25006000 ?? ZnBr 1,8 0.210.29 60-80 3335 70% Vanadium redox 1,151,55 0.030.07 10-20 1525 80% NaS 2 0.43 120 170 15 Molten salt (ZEBRA) 2.58 0.32 90 160 150220 Super iron 1.7 1.4* 400 * Ciclos Vida estimada Comerciali zación Tipus Silver zinc (Zpower) 1.7 0.47 130 240450 0.73.0 89%92% 87% Años 2000+ 2004 ~1000 2003 900012000 20+ ?? 40000 ?? 2,5 2000 ??? 2009 20% 14 10(stat) 1980 0,55 molt petita 2500 15 2002 4.54 18% (dia) 3000+ 8+ ??? ??? 200 10 Terrassa Mayo 2013 JCEE ’13 Ventajas/Inconvenientes Tipo Ventajas Lead-acid Inconvenientes Peso elevado y "reciclado" del Plomo Alkaline Muy baja auto descarga Aptas para descargas parciales i poca disponibilidad Ni-iron Muy larga vida Baja Eficiencia Ni-cadmium Gran potencia específica "Reciclado" del cadmio i "Efecto memoria" NIH2 Duración Recipiente a alta prensión i precio NiMH Disponibilidad y prestaciones equilibradas Ni-zinc Similares a NiMH con celdas de 1,6V Baja disponibilidad por ahora Li ion Densidad de energía alta Peligro de incendio … Li polymer Ídem Peligrosas i mal comportamiento a baja Temperatura LiFePO4 Prestaciones equilibradas Baja producción i falta de experiencia a largo termino Li sulfur Eficiencia Temperatura de funcionamiento 300-350º Nano Titanate (Liion) Muy rápidas de cargar Thin film Li Funcionamiento a altas temperaturas 150º Medidas pequeñas y experimentales ZnBr Acepta descargas profundas continuadas Solo aptas para Grandes instalaciones Vanadium redox Recarga por cambio del electrólito Gran tamaño NaS Nissan FEV-II General Motors 300º-350ºC Grandes Instalaciones Molten salt (ZEBRA) En desarrollo Super iron En investigación Silver zinc (Zpower) Honda EV+, Toyota RAV4-EV 270º-350ºC BMW i altres Muy caras 11 Terrassa Mayo 2013 Algunas novedades “Recientes” • Lithium Metal Polymer Battery from DBM Energy (Kolibri) Over 300 Wh/kg (estimated) Lifetime of 2500 Charge cycles without degradation 6 min charge time for 100 kWh 600 km without recharging (Audi A2, 90km/h, 98.8kWh) • Semi-Solid Lithium Rechargeable Flow Battery Energy densities of 300–500 Wh L-1 Specific energy 130–250 Wh kg-1 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201100152/full Lithium Air Battery Makes Progress JCEE ’13 Specific energy 1 - 3 kWh kg-1 http://newenergyandfuel.com/http:/newenergyandfuel/com/2011/03/28/the-lithium-airbattery-makes-progress/ 12 13 JCEE ’13 Terrassa Mayo 2013 Terrassa Mayo 2013 Webs recientes de “interés” • • • • JCEE ’13 • • http://www.extremetech.com/computing/153614‐new‐lithium‐ion‐ battery‐design‐thats‐2000‐times‐more‐powerful‐recharges‐1000‐times‐ faster (http://www.extremetech.com/wp‐ content/uploads/2013/04/ncomms2747‐f3.jpg) http://www.extremetech.com/computing/126745‐ibm‐creates‐breathing‐ high‐density‐light‐weight‐lithium‐air‐battery http://www.extremetech.com/computing/142155‐doe‐calls‐for‐a‐ chemical‐battery‐with‐5x‐capacity‐within‐5‐years‐can‐it‐be‐done http://www.extremetech.com/electronics/149779‐sodium‐air‐batteries‐ could‐replace‐lithium‐air‐as‐the‐battery‐of‐the‐future http://www.extremetech.com/extreme/151801‐aluminium‐air‐battery‐ can‐power‐electric‐vehicles‐for‐1000‐miles‐will‐come‐to‐production‐cars‐ in‐2017 http://gigaom.com/2013/01/14/13‐battery‐startups‐to‐watch‐in‐2013/ 14 Terrassa Mayo 2013 Referencias • • • • • • • • • • JCEE ’13 • http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c6/Energy_density.svg http://www.motor.es/noticias/toyota‐nueva‐generacion‐de‐baterias‐para‐coches‐ electricos.php http://www.madkatz.com/ev/batteryTechnologyComparison.html http://www.rtpnet.org/~teaa/battery.html http://www.mkbattery.com/images/VRLA_TechManual.pdf http://www.battcon.com/PapersFinal2009/ClarkPaper2009FINAL_12.pdf http://www.beutilityfree.com/content/pdf_files/NiFeFlyer.pdf http://www.mpoweruk.com/nickel_iron.html Iqbal Husain “Electric and hybrid vehicles: design fundamentals” Google llibres Alireza Khaligh and Zhihao Li; “Battery, Ultracapacitor, Fuel Cell, and Hybrid Energy Storage Systems for Electric, Hybrid Electric, Fuel Cell, and Plug‐In Hybrid Electric Vehicles: State of the Art”; IEEE Transactions on Vehicular Technology,; Vol.59, Iss.6; July2010; pp. 2806 ‐ 2814 Jennifer Bauman and Mehrdad Kazerani; “A Comparative Study of Fuel‐Cell–Battery, Fuel‐Cell–Ultracapacitor, and Fuel‐Cell–Battery–Ultracapacitor Vehicles”; IEEE Transactions on Vehicular Technology,; Vol.57, Iss.2; March 2008; pp. 760 ‐ 769 15