ANÁLISIS COMPARATIVO DE ELEMENTOS DEL TREN DE POTENCIA DE VEHÍCULOS ELECTRICOS DE CLASE M Y N Elena Irene Jaimez Farnham Jaimez Irene Elena SEPTIEMBRE 2019 TRABAJO FIN DE GRADO PARA Elena Irene Jaimez LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE Farnham GRADUADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES DIRECTOR DEL TRABAJO FIN DE GRADO: José María López Martínez Resumen ejecutivo Una de las cuestiones que ha adquirido más relevancia en las últimas décadas se encuentra en la necesidad de reducir nuestras emisiones de gases de efecto invernadero. Y siendo el sector transportes uno de los principales emisores a nivel mundial, la reducción de la contaminación producida por este sector se presenta como un factor crucial para este fin. Es precisamente por ello que los órganos gubernamentales y administrativos están tomando medidas restrictivas a nivel mundial, y no sólo con el control del tránsito de vehículos convencionales de combustión, sino que también con la inversión en nuevas tecnologías para sustituir a este tipo de vehículos. La movilidad eléctrica ha demostrado ser una de las apuestas más exitosas de las nuevas tecnologías que han estado siendo desarrolladas, de manera que los vehículos eléctricos ya se han abierto camino en el mercado automovilístico. Y aunque solamente el 2’2% de la población de vehículos son eléctricos, esta cifra parece que continuará aumentando en los próximos años. La transición hacia una movilidad eléctrica resulta especialmente desafiante en el ámbito de vehículos de medio y alto tonelaje. Uno de los mayores retos que conlleva este cambio es minimizar el peso de las baterías, ya que, aunque sea una característica deseada para cualquier tipo de vehículo, es especialmente necesario tener baterías con altas densidades de energía para poder desplazar vehículos de elevados pesos brutos, y a la vez con un peso bajo para poder alcanzar autonomías medianamente altas. Además, los vehículos de medio y alto tonelaje son precisamente los responsables de la mayoría de las emisiones procedentes del sector transportes (aproximadamente un 40% de su total), y por ello esta transición es necesaria. El instituto PEM (Production Engineering of E-mobility Components) de la Universidad Técnica de Aquisgrán, en el cual se ha realizado este trabajo, se encarga de la investigación y desarrollo de la producción de elementos de vehículos eléctricos, y actualmente cuentan con el proyecto “Life” para vehículos pesados, precisamente para evaluar las mejores técnicas aplicables a la industria automovilística para alto tonelaje. Puesto que el mercado de vehículos eléctricos es relativamente nuevo, las compañías que fabrican este tipo de productos disponen de una cierta libertad para su diseño y su desarrollo. Pero esta falta de directrices en la producción conlleva que los fabricantes también tengan que aportar grandes labores investigativas previas, además de complicar el proceso de producción y de aumentar sus costes. Por este motivo es necesario establecer una serie de estándares en el mercado de vehículos eléctricos. Esta determinación favorecerá una maduración tecnológica más rápida y óptima en este sector, lo que a su vez permitirá acelerar la transición hacia una movilidad con un mayor porcentaje de vehículos eléctricos La Comisión Europea tiene establecidas mediante la ley comunitaria cuatro grandes categorías en las que clasifica todos los tipos de vehículos de carretera. Este agrupamiento es imprescindible para mantener una competitividad en la industria automovilística, posibilitando a los fabricantes obtener un beneficio del mercado interior de la Unión Europea y a su vez, exportar sus productos a países que se encuentran fuera de la Unión. Estas categorías impuestas por la Comisión Europea permanecen inalteradas de cara a la sustitución de los vehículos de motores de combustión por medios de transportes más limpios. Por tanto, la introducción de trenes de potencia eléctricos en nuestros vehículos solamente implica un cambio en la tecnología empleada, y el concepto de movilidad integrado por los vehículos convencionales permanece inalterado. En este trabajo se han analizado los componentes de los trenes de potencia de los vehículos eléctricos de batería de las clases M y N, respectivamente correspondientes a aquellos vehículos motorizados de al menos cuatro ruedas destinados al transporte de pasajeros y a los vehículos motorizados de al menos cuatro ruedas con la función del transporte de mercancías. Dentro de cada una de estas clases se han diferenciado también las categorías limitadas por pesos brutos. De esta forma, en la categoría M encontramos M1 (peso bruto inferior a 3,5 toneladas), M2 (peso bruto entre 3,5 y 5 toneladas) y M3 (peso bruto superior a 5 toneladas), y en la categoría N encontraremos N1 (peso bruto inferior a 3,5 toneladas), N2 (peso bruto entre 3,5 y 12 toneladas) y N3 (peso bruto superior a 12 toneladas). El tren de potencia de un vehículo se corresponde con el circuito que sigue la energía en éste, desde la entrada de la energía, su traspaso hasta la llegada al motor, y saliendo finalmente en forma de energía mecánica por los ejes motrices de éste. En el caso de un vehículo eléctrico, los componentes que integran su tren de potencia son el sistema de carga, la batería, el conversor DC/DC o DC/AC, el motor eléctrico y la transmisión. De los cinco elementos nombrados en el párrafo anterior, son la batería y el motor eléctrico los dos componentes más relevantes y, por tanto, este trabajo se ha centrado en obtener un mayor número de datos de estos dos elementos. La batería es el componente encargado de recibir energía en forma de corriente continua durante su carga y acumularla como energía electroquímica. Durante su descarga esta energía es expulsada también como corriente continua. Los datos más relevantes para analizar de la batería son el tipo de tecnología empleada para sus celdas, el tiempo de carga y los distintos métodos posibles para ello, y la capacidad de la batería. Este último dato es el que determina la energía máxima que es capaz de acumular el paquete de baterías que está integrado en el vehículo y, por tanto, la distancia máxima que puede recorrer el vehículo sin necesidad de ser recargado. El motor eléctrico transforma la energía eléctrica que recibe en forma de corriente continua o corriente alterna (dependiendo del tipo de motor del que se trate) en energía mecánica, empleada para mover las ruedas motrices. En el motor los datos de mayor relevancia serán el tipo de motor empleado, y los respectivos máximos de potencia y torque. Estos dos últimos parámetros serán buenos indicadores de rendimiento, y su comparación entre distintos modelos permitirá comprobar la existencia de algún tipo de correlación. El análisis comparativo (o “benchmarking” en inglés) permite comparar distintos procesos y rendimientos parametrizados que se utilizan en la práctica industrial, de forma que es posible analizar cuáles son las mejores prácticas del sector y cuáles son las compañías que las están desarrollando. Es particularmente interesante en la industria automovilística y ha tenido siempre un cierto énfasis en las labores investigativas de las distintas empresas. Este proyecto incluye un total de 167 de los que se han obtenido una serie de datos reunidos en tablas Excel y se han podido comparar entre ellos, tanto por categorías individuales como en conjunto total. Puesto que no todos los datos estaban disponibles, se han representado gráficamente aquellos datos con mayor accesibilidad, que a la vez son de los más característicos para su correspondiente elemento del tren de potencia. La visualización gráfica permite apreciar con mayor facilidad las diferencias entre estos valores para los distintos modelos incluidos en el trabajo. El análisis comparativo también ha podido reflejar las diferencias entre las distintas categorías de vehículos, demostrando un escaso número de modelos en ciertas categorías, como en las M2 y N3. Además, los vehículos destinados al transporte de pasajeros presentan un desarrollo mucho más extenso que aquellos empleados para el transporte de bienes. Los coches eléctricos de baterías (categoría M1) han empezado a alcanzar una madurez tecnológica que les está permitiendo empezar a competir en el mercado con vehículos convencionales de gasolina. A su vez, los autobuses eléctricos han estado aumentando con el fin de mejorar la calidad del aire en zonas urbanas. Los alcances registrados para todos los vehículos de todas las clases presentan valores superiores a 100 km en una sola carga de batería. Sin embargo, por encima de este valor, las autonomías varían en un espectro muy amplio, llegando hasta los 450 km en una carga para algunos de los modelos de Tesla. Esto demuestra la inexistencia de una dirección determinada en los valores de todas las categorías. La capacidad de las baterías también ha demostrado presentar índices muy dispersos para las seis categorías incluidas. Los valores oscilan entre los 20 kWh para algunos vehículos de clase M1, con alcances y pesos relativamente bajos, hasta los 500 kWh para algunos vehículos de clase M3, que tienen que transportar pesos elevados y a la vez obtener una autonomía lo suficientemente elevada. Además de lo mencionado en los últimos dos párrafos, la esperada correspondencia entre autonomía sí se ha podio observar con una ligera correlación, de forma que, para lograr obtener mayores autonomías, es necesaria una mayor capacidad de energía en la batería. Y también hemos notado como para algunos vehículos de alto tonelaje y alta capacidad, la autonomía es relativamente baja debido a la carga que tienen que llevar. Aún así, hay también muchos modelos que se salen de estas relaciones, de forma que hay vehículos con bajas autonomías, bajas capacidades y a la vez bajos tonelajes, a la vez que vehículos con altas autonomías, altas capacidades y altos tonelajes. Estos dos aspectos dificultan también la definición de una tenencia específica para los paquetes de batería en los vehículos eléctricos de batería. Respecto a las características del motor, tanto potencia máxima alcanzada como par máximo presentan valores dentro de un rango muy amplio.