Avenços tecnològics en vehicles elèctrics. Document elaborat per ERF per a Ecotendències CosmoCaixa 2015.

1. La innovació es mou amb electricitat
Avenços tecnològics en vehicles elèctrics
Febrer de 2015
Concepte, elaboració de continguts i disseny

2. Continguts
Els reptes tecnològics de la mobilitat elèctrica 3Els reptes tecnològics de la mobilitat elèctrica
Bateries
3
4
Modalitats de recàrrega
Tracció mecànica
11
18Tracció mecànica
Per saber-ne més 20
18
La innovació es mou amb electricitat. Avenços tecnològics en vehicles elèctrics 2

3. El t t lò iEls reptes tecnològics
de la mobilitat elèctrica
Els vehicles elèctrics no constitueixen
només un canvi tecnològic sinó que
comporten un canvi de paradigma de
la mobilitat La implantació del vehicle
Reptes tecnològics
BATERIES
MODALITAT DE
RECÀRREGA
TRACCIÓ
MECÀNICAla mobilitat. La implantació del vehicle
elèctric ha de fer front tant a reptes
tecnològics com a reptes socials i
econòmics o de mercat.
BATERIES RECÀRREGA MECÀNICA
Tecnologies innovadores comercialitzades els
En el cas dels reptes tecnològics, els
grans avenços se centren en la
resolució de les limitacions tècniques
i econòmiques entorn les bateries,
Tecnologies innovadores comercialitzades els
darrers 3-4 anys
i econòmiques entorn les bateries,
les modalitats de recàrrega i la
tracció mecànica.
Mitjançant tecnologies innovadores Reptes socials i econòmics
Tecnologies emergents i de futur
Mitjançant tecnologies innovadores
comercialitzades els darrers 3-4 anys
i tecnologies emergents i de futur, el
vehicle elèctric esdevindrà una opció de
mobilitat viable, competitiva i més
Reptes socials i econòmics
Rendibilitat atenent el sobrecost inicial del vehicle.
Oferta de vehicles i punts de recàrrega.
Reconversió del sector de l’automòbil i d’altres sectors
La innovació es mou amb electricitat. Avenços tecnològics en vehicles elèctrics 3
mobilitat viable, competitiva i més
sostenible.
Reconversió del sector de l automòbil i d altres sectors
auxiliars.

4. BateriesBateries
Capacitat, autonomia i recàrrega
Quants km puc recórrer
amb un vehicle elèctric
sense necessitat de
recàrrega?
Com emmagatzemar
l’energia elèctrica
del vehicle sense limitar les
seves prestacions?
Com carregar la bateria
perquè no suposi una
pèrdua de temps i de
comoditat per a l’usuari?
AUTONOMIACAPACITAT
• Capacitat de càrrega
RECÀRREGA
p
• Volum i Pes
• Eficiència
• Capacitat
d’emmagatzematge
• Nous tipus de bateria
• Capacitat de càrrega
• Potència pic
• Densitat energètica
• Durabilitat
• Cost
• Materials i reciclabilitat
• Tipus de connector
• Disseny
• Accés a estacions de
recàrrega
• Cicles de recàrrega
La innovació tecnològica permetrà avançar paral·lelament en la resolució d’aquests tres aspectes,
íntimament relacionats entre sí, on les bateries esdevenen la peça central.
• dels components
Bateries més lleugeres, amb menys temps de recàrrega i amb més capacitat
d’emmagatzematge d’energia; permetran més autonomia i recàrregues més ràpides i
distribuïdes.
La innovació es mou amb electricitat. Avenços tecnològics en vehicles elèctrics 4

5. Bateries
Tipologia Avantatges Desavantatges
Bateries
Tecnologies actuals i emergents
De manera genèrica les famílies deTipologia Avantatges Desavantatges
Àcid/Plom Econòmiques Requereixen manteniment
Pes elevat
Necessiten rodatge
De manera genèrica, les famílies de
bateries es classifiquen en:
• Bateries en medi aquós àcid
(bateries de plom), o alcalí
(bateries de níquel-cadmi, níquel-
hidrur metàl·lic -Ni-MH)g
Gel de plom Econòmiques
No tenen manteniment
Pes elevat
Necessiten rodatge
Níquel/Cadmi (NiCd) Econòmiques
No tenen manteniment
Tenen efecte memòria
• Bateries en medi orgànic en fase
líquida (ió de liti, liti-fosfat)
• Bateries en medi polímer
(liti/metall polímer).
En aplicacions industrials i de
Níquel/Metall (NiMH) Econòmiques
No tenen manteniment
Tenen efecte memòria
Ions de liti (LiIon) No tenen efecte memòria
Més densitat d’energia per pes i
Preu elevat
En aplicacions industrials i de
sistemes de transport, les bateries
basades en el liti estan substituint
ràpidament les d’àcid-plom i les de
níquel-hidrur metàl·lic (Ni-MH).
g p p
volum
Polímers de liti No tenen efecte memòria
Màxima densitat d’energia per pes
i volum
Preu elevat
P lí d G fè D it t èti lt l d E f d
Bateries
comercialitzades en
els darrers 3-4 anys
Polímers de Grafè Densitat energètica molt elevada
Llarga vida útil
Encara en fase de recerca
Ocupen massa volum, limitant
l’autonomia
Supercondensadors Resposta dinàmica ràpida
Alta eficiència del cicle
B i t i it t d l t i l t
Encara en fase de recerca
El voltatge varia amb l'energia
t d
Bateries en fase de
recerca i
desenvolupament
La innovació es mou amb electricitat. Avenços tecnològics en vehicles elèctrics 5
Baixa toxicitat dels materials emprats emmagatzemada
Font: Elaboració pròpia a partir de Espai compra verda. Vehicles elèctrics. Club EMAS.

6. BateriesBateries
Millorar l’autonomia,
una constant en la història del vehicle elèctric
L’any 1891 W. Morrison va fabricar un dels primer
vehicles elèctrics dels Estats Units d’Amèrica, amb
un motor de 4 CV que podia transportar 10un motor de 4 CV que podia transportar 10
persones a una velocitat de 32 km/h i gaudia d’una
autonomia de 80 km.
Cent vint anys després en el 2010 es van assolirCent vint anys després, en el 2010, es van assolir
autonomies de 200-250 km. En l’actualitat ja es
comercialitzen models de cotxes elèctrics amb
autonomies superiors als 400 km.
Quan conduirem vehicles elèctrics amb autonomies de
800‐1.000 km?
La innovació es mou amb electricitat. Avenços tecnològics en vehicles elèctrics 6

7. BateriesBateries
Autonomia dels principals models de cotxes
elèctrics en el mercat
Tesla Model S
435 km
BYD E6
280 k
Volkswagen e-Golf
Nissan LEAF
BMW i3
190 km
280 km
Kia Soul
210 km
Nissan eNV200
170 km
Ford Focus Electric
Renault Fluence ZE
Renault Zoé
200 km
Volkswagen e-Up!
Renault Kangoo ZE
160 km Citroën C-Zero / Peugeot ion:
150 km
Renault Twizy: 100 km
Smart Fortwo ED: 135 km
La innovació es mou amb electricitat. Avenços tecnològics en vehicles elèctrics 7

8. Bateries
Les bateries de polímers de liti basen el seu
Bateries
Polímers de liti
Les bateries de polímers de liti basen el seu
funcionament en quatre components bàsics: un
col·lector de corrent; un càtode compost per òxid de
vanadi, carbó i polímer; un electròlit (POE: polioxiatilè i
sals de liti); i un ànode de liti metàl·lic La sevasals de liti); i un ànode de liti metàl lic. La seva
autonomia pot arribar als 400 km.
Qui: LG Chemical CO i Renault. Aparentment s’està
desenvolupant per a Tesla i General Motors.
Quan: 2016.
El model de cotxe Kia Soul EV de Kia Motors, ja compta
amb aquesta tecnologia. Disposa de cel·les de polímers
de liti amb càtodes de Níquel, Cobalt i Manganès.
Amb una densitat energètica elevada de 200 Wh/kg i
una autonomia de 210 km, aquest vehicle ja es troba al
mercat.
La innovació es mou amb electricitat. Avenços tecnològics en vehicles elèctrics 8

9. Bateries
Aquestes bateries tenen una densitat energètica molt
Bateries
Polímers de grafè
Aquestes bateries tenen una densitat energètica molt
elevada, una vida útil que dobla la de les bateries
d’ió liti, una recàrrega de 8 minuts, són un 77% més
barates que les anteriors, i amb una possible
autonomia de 800 1 000 km El seu principalautonomia de 800-1.000 km. El seu principal
desavantatge és que encara ocupen massa volum,
de manera que en la majoria de cotxes l’autonomia
real estaria limitada a 500 o 600 km.
Qui: Graphenano, empresa espanyola que produeix
grafè industrial des de 2012; la Universitat de
Córdoba; i Grabat Energy, una altra empresa
espanyola que fabricarà les cel·les de bateria.
Quan: 2017-2018.
El grafè
El grafè és carboni pur, però amb una estructura química
diferent (és el que s'anomena al·lòtrop). És un dels nous
t i l é t d d' t l Dmaterials més prometedors d'aquest segle. Des que es
va descobrir el 2004, descobriment que va suposar el
Premi Nobel de Física uns anys després, s'han realitzat
diferents treballs de recerca per a la seva aplicació en
bateries i supercondensadors.
La innovació es mou amb electricitat. Avenços tecnològics en vehicles elèctrics 9

10. Bateries
Nou sistema de capacitat anomenat Electrical Energy Storage
Bateries
Supercondensadors
Nou sistema de capacitat anomenat Electrical Energy Storage
Units (EESU), que es basa en l’aplicació de supercondensadors;
que permet subministrar energia per a un cotxe petit amb una
autonomia de 450 km. Es tracta d’un sistema basat en
ceràmiques i fabricat amb tècniques de circuits integrats adherint
Una revolució en el sector de
l’electromobilitat:
Reduir el pes,
minimitzar el temps de recàrrega,
ceràmiques i fabricat amb tècniques de circuits integrats, adherint
grans de pols de cristall de titanat de bari (amb molt alta
permitivitat) sobre la ceràmica.
Qui: EEStor, Cedar Park, Texas.
incrementar la durabilitat,
reduir els materials tòxics i
Obtenir una autonomia de més de
450 km!
Quan: No s’ha demostrat encara la seva viabilitat. Existeix cert
escepticisme entre els experts. Supercondensador
EESU
NiMH Plom àcid Ions de liti
Pes (kg/lliura) 135/300 780/1716 1660/3646 340/752
Un supercondensador és un condensador
elèctric que incrementa la seva capacitat
d’emmagatzematge d’energia mitjançant
plaques rugoses de materials com el
carboni o el grafè, a escala nanomètrica,.
Pes (kg/lliura) 135/300 780/1716 1660/3646 340/752
Volum (litres/polzada cúbica) 74.5/4541 293/17,881 705/43,045 93.5/5697
Rati d’autodescàrrega 0.02%/30 dies 5% / 30 dies 1% / 30 dies 1% / 30 dies
Temps de recàrrega del 100% 3-6 min > 3.0 h 3-15 h > 3.0 h
R d ió d l i l d id C M lt l t El t M lt l t
Mentre altres sistemes, com les bateries
convencionals, tenen una resposta lenta,
tant per disposar d’energia (sigui arrancada
forta o pujada) com per captar-la (frenada);
els supercondensadors tenen una resposta
Reducció del cicle de vida en
funció del temps que no es fa
servir la bateria
Cap Molt elevat Elevat Molt elevat
Materials tòxics Cap Sí Sí Sí
Efecte de la temperatura sobre
la capacitat d’emmagatzematge
Negligible Elevat Molt elevat Elevat
La innovació es mou amb electricitat. Avenços tecnològics en vehicles elèctrics 10
p p
dinàmica molt ràpida.
Comparativa de característiques de bateries de supercondensadors amb d’altres bateries.
Font: adaptació i traducció a partir d’informació de la Wikipedia.
la capacitat d emmagatzematge

11. Modalitats de recàrregaModalitats de recàrrega
Ràpida, lenta, nocturna
Sabies que...
• Ara es pot recarregar el 65% de les bateries d’un cotxe elèctric en 15
minuts (ràpida) o en 8 hores per cotxe i 4 hores per moto (lenta).
• La xarxa de recàrrega compta amb 300 punts de recàrrega (150 per aLa xarxa de recàrrega compta amb 300 punts de recàrrega (150 per a
motos) a la via pública a Barcelona (uns 320 a tot Catalunya).
• La recàrrega nocturna afavoreix una millor gestió del sistema elèctric, a
més de potenciar l’aprofitament d’energies renovables, sobretot de
l’eòlica.
• Per cada 100 km d’autonomia, la recàrrega suposa un cost mitjà de 1,6
€!
La innovació es mou amb electricitat. Avenços tecnològics en vehicles elèctrics 11
Tipus i temps de recàrrega. Font: Plataforma LIVE Tipus de connectors de vehicle elèctric.
Font: ICAEN

12. Modalitats de recàrrega
Estacions de recàrrega ultraràpida de bateries a
Modalitats de recàrrega
Carregador ultraràpid
Estacions de recàrrega ultraràpida de bateries a
120 kW de potència en corrent altern, que
permeten carregar en 20 minuts la meitat de la
bateria dels cotxes Model S de Tesla, obtenint en
aquests 20 minuts més de 200 km d’autonomiaaquests 20 minuts més de 200 km d autonomia.
El sistema, anomenat “Supercharger”, és gratuït
per als propietaris de l’esmentat model de cotxe.
Qui i on: Tesla. Arreu del món ja existeixen 377Qui i on: Tesla. Arreu del món ja existeixen 377
estacions, de les quals 135 a Europa, amb un total
de 2.030 punts de recàrrega. Es preveu que al llarg
del 2015 els supercarregadors de Tesla arribin a
Espanya.Espanya.
La innovació es mou amb electricitat. Avenços tecnològics en vehicles elèctrics 12
Estacions de Supercharger a Àsia (esquerra), a Estats Units (centre) i a Europa (dreta). Any: 2015.
Font: Tesla.

13. Modalitats de recàrrega
Xarxa d’estacions on es poden canviar les bateries
Modalitats de recàrrega
Intercanvi ràpid de bateria
Xarxa d estacions on es poden canviar les bateries
del model Tesla Model S i obtenir així una bateria
completament carregada. L’intercanvi es fa en un
temps màxim de 3 minuts, però ja s’està treballant
en reduir lo a 90 segons o menysen reduir-lo a 90 segons o menys.
Qui i on: Tesla. Actualment, Tesla està fent una
prova pilot d’aquesta tecnologia amb els seus
clients, en una única estació ubicada entre Los
Angeles i San Francisco (Harris Ranch).
La innovació es mou amb electricitat. Avenços tecnològics en vehicles elèctrics 13

14. Modalitats de recàrrega
Substituir les bateries elèctriques per una
Modalitats de recàrrega
Carrosseria recarregable
Substituir les bateries elèctriques per una
carrosseria recarregable amb una combinació
de materials innovadors: fibra de carboni, resina
de polímer, nanomaterials i supercondensadors
estructuralsestructurals.
La carrosseria (terra, sostre, portes i capó)
emmagatzema energia i es recarrega mitjançant
la frenada regenerativa o en connectar-se a una
xarxa elèctrica. Amb aquesta tecnologia
innovadora es redueix el pes de vehicle en un
15% i s’aconsegueix una autonomia en la
carrosseria de 130 km.
Qui: Volvo Car Group, en col·laboració amb
l’Imperial College of London.
Quan: Prova experimental després de 3 anys
de recerca.
La innovació es mou amb electricitat. Avenços tecnològics en vehicles elèctrics 14

15. Modalitats de recàrregaModalitats de recàrrega
Sense cables per inducció
Sistema de recàrrega sense fils combinat amb unSistema de recàrrega sense fils combinat amb un
sistema intel·ligent d’aparcament, dirigit a vehicles
elèctrics o híbrids endollables. Aquest sistema permet
carregar la bateria del cotxe mentre aquest es troba
estacionat amb un procés de recàrrega molt simpleestacionat, amb un procés de recàrrega molt simple.
La recàrrega es realitza mitjançant una tecnologia de
ressonància magnètica o inducció, que transmet
l’electricitat resultant dels canvis d’intensitat del camp
magnètic entre una bobina situada en el terra de
l’aparcament i una altra en el vehicle que rep la
càrrega. Els seus avantatges són:
El 80% de la bateria es carrega en 15 minuts (elg (
100% en 25-30 minuts).
La gran versatilitat de l’estació de càrrega.
Es considera un bon sistema per a flotes de transport
(autobusos que es recarreguen en les parades per
CIRCE (Centro de Investigación de Recursos y
Consumos Energéticos de la Universidad de Zaragoza) i(autobusos que es recarreguen en les parades, per
exemple).
Qui: Toyota.
g g )
Endesa també treballen en aquesta tecnologia. La seva
implantació, però, encara resulta complexa, i s’està
treballant en la recàrrega en marxa de vehicles, com és
el cas d’autobusos a Màlaga.
La innovació es mou amb electricitat. Avenços tecnològics en vehicles elèctrics 15
y
Quan: Es troba en període de proves al Japó.

16. Modalitats de recàrregaModalitats de recàrrega
Metrolinera
Consisteix en realitzar una càrrega ràpida de la bateriaConsisteix en realitzar una càrrega ràpida de la bateria
del cotxe mitjançant l’energia excedent de la frenada
dels trens.
L'acumulador de Siemens SITRAS SES, instal·lat en
una estació de metro, és una peça clau. La seva funció
bàsica és l'emmagatzematge d'energia cinètica
generada pels trens durant els cicles de frenada i la
devolució d'aquesta energia emmagatzemada
posteriorment.
La càrrega es realitza en 20 minuts.
La metrolinera se situa en el carrer Doctor Esquerdo,
48, a Madrid: / SINC
Qui: Train2Car, projecte Innpacto del Ministeri
d’Economia i Competitivitat. Aplicat a Metro Madrid.
Quan: Es troba en fase de prova pilot.
El sistema és pioner. Nomésp
existeix un programa pilot similar
a Califòrnia.
La innovació es mou amb electricitat. Avenços tecnològics en vehicles elèctrics 16

17. Modalitats de recàrregaModalitats de recàrrega
Tròlei i cable aeri per a busos
Busbaar Gran carregador que permet la càrregaBusbaar. Gran carregador que permet la càrrega
complerta dels autobusos en 3 minuts mitjançant tròlei i
cable aeri. S’està treballant també en el Trukbaar, dirigit
a camions de recollida de la brossa.
Aquesta tecnologia s’utilitza en flotes d’autobusos que
tenen dos motors elèctrics, connectats a l’eix de
darrere, i un gran pack de bateries de liti amb una
capacitat total de 100 kWh. Compta també amb un
motor diesel que funciona com a generador elèctric en el
cas que les bateries es quedin sense càrrega suficient.
Qui: Opbrid empresa espanyola amb seu a GranadaQui: Opbrid, empresa espanyola amb seu a Granada,
conjuntament amb el fabricant d’autobusos Hybricon.
Quan: Es troba en fase de prova a Umea, Suècia.
La innovació es mou amb electricitat. Avenços tecnològics en vehicles elèctrics 17

18. Tracció mecànicaTracció mecànica
Vehicles Elèctrics d’Autonomia Estesa
Els Vehicles Elèctrics d’Autonomia Estesa són
vehicles elèctrics de bateria que porten un motor
de combustió interna secundari que funciona
com un generador elèctric que recarrega lescom un generador elèctric que recarrega les
bateries quan aquestes es descarreguen en
excés. Això permet garantir la plena autonomia
del vehicle, fins i tot en el cas de no disposar de
cap endoll de recàrrega en milers de km.cap endoll de recàrrega en milers de km.
Qui: Els models de cotxes elèctrics Opel Esquema de funcionament d’un Vehicle Elèctric d’Autonomia Estesa
Font: www ibil es
Ampera i BMW i3 REX.
El vehicle BMW i3 REX compta amb una
autonomia de 170 km en mode elèctric, però
també duu un motor complementari de 2
Font: www.ibil.es
I els cotxes híbrids endollables?
Els cotxes híbrids endollables disposen cada vegada
de més autonomia en mode elèctric cosa que permettambé duu un motor complementari de 2
cilindres (motor de moto BMW) i un petit dipòsit
de gasolina de 9 litres, que permet carregar
completament de nou la bateria quan es
descarrega.
de més autonomia en mode elèctric, cosa que permet
eliminar les emissions contaminants en la seva
circulació per dins de ciutats. Entre els vehicles que
ofereixen 50 km o més en mode elèctric trobem l'Audi
A3 e-tron, el Volkswagen Golf GTE o el Mitsubishi
Outlander P-HEV, vehicles comercialitzats els darrers
La innovació es mou amb electricitat. Avenços tecnològics en vehicles elèctrics 18
descarrega. ,
dos anys a preus equivalents a d'altres models de la
seva gamma.

19. Tracció mecànicaTracció mecànica
Rodes amb tracció aïllada
Projecte VEUREE. El motor elèctric que s’incorpora a cadascuna de les quatre rodes és de tipus axial,
de rotor pla, la qual cosa permet reduir-ne substancialment la dimensió i augmentar-ne la potència. El
nou vehicle elèctric serà capaç de maximitzar l’eficiència energètica, fent que cada roda actuï com a
propulsora. D’aquesta manera, s’elimina la pèrdua d’energia a través dels trens mecànics que té llocpropulsora. D aquesta manera, s elimina la pèrdua d energia a través dels trens mecànics que té lloc
amb el sistema clàssic de tracció.
Quan: Al llarg del 2015.
Qui: Grup de recerca MCIA del Campus de la UPC a Terrassa, conjuntament amb investigadorsj g
del Centre Tecnològic de Manresa. La plataforma la fabricarà l’empresa TC Technologies i en la
iniciativa hi participen també el Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI), la Benemérita
Universidad de Puebla (BUAP-Mèxic), el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) de
Mèxic i l’empresa filial espanyola de la multinacional suïssa Infranor.
La innovació es mou amb electricitat. Avenços tecnològics en vehicles elèctrics 19

20. Recàrrega ràpida per inducció Endesa
Per a saber-ne més...
Recàrrega ràpida per inducció. Endesa.
http://www.endesa.com/es/conoceendesa/lineasnegocio/principalesproyectos/Endesayelvehiculoelectrico
Pla Director de Mobilitat de la Regió Metropolitana de Barcelona 2013-2018. Eix 8. Promoure l’eficiència energètica i
l’ús de combustibles nets. Servei de Mobilitat de l’ATM.
http://www atm cat/web/pdf/ca/ dir pdm estudis/desplegament eix8/files/desplegament eix8 pdfhttp://www.atm.cat/web/pdf/ca/_dir_pdm_estudis/desplegament_eix8/files/desplegament_eix8.pdf
Everest Project. http://www.c-e-int.co.uk/pages/everest_237745.cfm
Projecte VEUREE. http://veuree.goplek.com/
Projecte Train2Car. Metro Madrid.
http://www.metromadrid.es/es/conocenos/proyectos_en_marcha/Proyectos_IDi/Proyecto06/
Opbrid Fast Charge Station for Urban Buses. https://www.youtube.com/watch?v=l7gWDUrTAqg
Diagnosi i perspectives del vehicle elè ctric a Catalunya. Joan Pallisé (coord.). Informe del CADS 10. Generalitat de
Catalunya. 2010.
http://www.ecotendenciascosmocaixa.org/documents/12603/17023/Diagnosi_perpectives_vehicle_electric.pdf
Espai compra verda. Vehicles elèctrics. Club EMAS.
http://www.clubemas.cat/mm/file/jornades/jornada%20CV%202009/fitxaCVvehicleselectrics.pdf
Cotxes elèctrics en el mercat amb major autonomia. http://www.1cocheelectrico.es/coches-electricos-y-autonomia/j p y
Evolución histórica del vehículo eléctrico. Endesa. http://www.endesavehiculoelectrico.com/vehiculo-electrico/el-
vehiculo/historia
La innovació es mou amb electricitat. Avenços tecnològics en vehicles elèctrics 20