Optimización de la Autonomía en Autobuses Eléctricos: Integración de Celdas de Combustible

En un Powertrain donde la única fuente de energía son las baterías a bordo, el rango eléctrico, es decir, la cantidad de kilómetros que el vehículo puede recorrer antes de que las baterías se descarguen completamente, depende de la energía del Battery pack embarcado. Los autobuses urbanos a baterías disponen de puntos de recarga rápida distribuidos por la ciudad para recargar parcialmente las baterías embarcadas y así garantizar la continuidad del servicio.

Inconvenientes de la Recarga Rápida

En el ámbito urbano, los puntos de recarga rápida (alta corriente) degradarán las baterías. Fuera del ámbito urbano, es decir, fuera del centro de ciudad, las distancias a recorrer son más largas y no hay muchos puntos de recarga; el autobús verá comprometido asegurar el servicio ya que no hay recarga para las baterías embarcadas. Una vez en cocheras, el tiempo de recarga de las baterías embarcadas es largo (varias horas) puesto que el fabricante de las baterías recomienda efectuar la carga de estas a baja corriente.

En un Powertrain donde además de baterías se dispone de una FC (celda de combustible), el autobús urbano podría cubrir también las rutas sin puntos de recarga, ya que el Sistema de la FC puede aportar energía de tracción además de recargar las propias baterías embarcadas.

Desafíos del Empleo de Celdas de Combustible

El principal inconveniente del empleo de la FC en aplicaciones de electromovilidad radica en:

• Baja eficiencia eléctrica: En torno al 50% de la energía de entrada se pierde en calor y en la alimentación de los equipos auxiliares que necesita la FC.
• Respuesta lenta a cambios de potencia: Las FC no pueden responder rápidamente ante cambios de potencia, no pueden entregar ni absorber picos. Es por ello por lo que toda arquitectura con FC necesita de un Battery pack de poca energía, pero capaz de entregar los picos de aceleración y cargarse con el pico de potencia debida al frenado regenerativo.

Consideraciones Clave

· La FC es unidireccional, es decir, solo entrega potencia, no puede absorber energía eléctrica. Es por esto por lo que el convertidor DC/DC asociado a la FC es también unidireccional.

· El Battery Pack es bidireccional, admite descarga (tracción) y carga (frenado regenerativo).

· Las cargas auxiliares siempre demandan potencia desde el bus DC de tracción. Esta potencia puede ser constante por simplicidad, aunque lo lógico es que sea variable en función de los equipos auxiliares activados en cada momento.

Estrategia Clásica de Hibridación FC + Baterías

1º) Aceleración: La potencia de tracción es proporcionada por el Battery Pack embarcado. Como el Battery Pack puede proporcionar picos de potencia elevados transitorios, mediante esta estrategia se consigue par de arranque y aceleración elevados. En este proceso el Battery Pack entrega energía de tracción + cargas auxiliares y la FC está apagada.

2º) Durante la aceleración y también a velocidad constante: Si la potencia de tracción alcanza un valor PFCMIN determinado, será el sistema FC quien tome el relevo al Battery pack y proporcione ahora toda la potencia de tracción + recarga del Battery Pack. Esta estrategia trata de que la FC solo aporte potencia dentro de su rango de máxima eficiencia. Si durante la tracción se reduce la potencia de tracción demandada por debajo del nivel PFCMIN, la FC se desconectará y será el Battery Pack el encargado de proporcionar la potencia demandada en dicha situación.

3) En las frenadas regenerativas el sistema FC no entregará potencia y la potencia de frenada cargará el Battery Pack. El SOC (State of Charge) del Battery Pack se establece inicialmente en el 50%. El Battery Pack se descargará cuando la potencia de tracción demanda sea inferior a PFCMIN, y se recargará desde la FC cuando la demanda de tracción supere PFCMIN. El nivel de potencia de carga del Battery Pack desde la FC depende de la limitación de potencia de la pila y de la limitación de corriente de carga admisible por el Battery Pack (son estos los valores a ajustar por el diseñador de la estrategia de hibridación entre FC y el Battery Pack). Dependiendo del tamaño del Battery Pack, el SOC (%) sufrirá una mayor o menor variación, pero en ningún caso debe permitirse superar el SOC máximo ni descargarse completamente.