:: Home ::

Coche Eléctrico

 

Las baterías
La clave del futuro del vehículo eléctrico es la batería recargable, a la que se ha dedicado un esfuerzo muy pequeño de investigación, en relación con otras tecnologías: la capacidad
de almacenamiento se ha duplicado cada diez años, cifra que palidece ante el desarrollo de la informática u otras tecnologías. Sólo en los últimos años, con el desarrollo de la telefonía móvil, se ha empezado a realizar inversiones importantes, aceleradas con la prevista generalización del automóvil eléctrico.
El coste de un vehículo eléctrico o de un híbrido enchufable depende de la batería en un porcentaje determinante. El tipo y la capacidad de la batería condicionan la velocidad máxima, la autonomía entre recargas, el tiempo de recarga y la duración de la batería. Los precios de las baterías se han reducido en los últimos años, y lo harán aún más a medida que aumente la demanda y se produzcan en grandes series.

Desde los primeros automóviles eléctricos, en algo más de 100 años hemos visto una evolución de las baterías notable: desde las vetustas de plomo-ácido o níquel-hierro, hasta las actuales de iones de litio, se ha conseguido aumentar más de 12 veces la autonomía de un coche eléctrico.

Gracias al importante salto tecnológico que han dado las baterías en los últimos años, cada vez más fabricantes de automóviles se han animado a desarrollar nuevos modelos de coches eléctricos, con promesas bastante atractivas para los próximos años, con autonomías que se moverán entre los 400 y los 600 km.

 

Las baterías son las encargadas de almacenar, mediante reacciones electroquímicas de oxidación/reducción, y suministrar la energía eléctrica que este tipo de vehículo necesita para su funcionamiento.

Las funciones principales de una batería de un vehículo eléctrico son:


En general, una batería electroquímica es un dispositivo capaz de convertir energía eléctrica en energía química durante el proceso de carga, y convertir la energía química en energía eléctrica durante la descarga. Una batería se compone de un conjunto de celdas. Cada celda está compuesta por tres elementos: 2 electrodos (positivo o ánodo y negativo o cátodo) inmersos en un electrolito (figura inferior).

 

Las prestaciones de una batería van a depender en gran medida de las características que tengan las celdas o elementos utilizados para su fabricación.

Hay dos formas de diseñar una batería:

 

 

Los parámetros electroquímicos utilizados para caracterizar una celda o una batería son:

 

Las principales tecnologías de baterías recargables son las siguientes:

En la tabla inferior podemos ver una comparativa de los valores característicos de cada tipo de batería.

 

 

Baterías de Ion-Litio
Actualmente la mayoría de los coches eléctricos que se comercializan recurren a baterías de iones de litio con electrólito líquido, esto es: el material que se encuentra entre el cátodo (electrodo negativo) y el ánodo (electrodo positivo), y que permite la transferencia de electrones, es una solución líquida.

Dentro de las baterías de iones de litio hay a su vez diferentes subtipos de estas, con pequeñas diferencias químicas, al emplear diferentes elementos en el cátodo y el ánodo, o diferentes proporciones entre estos (por ejemplo las baterías de litio-hierro-fosfato son las más económicas, aunque tienen también menos capacidad por unidad de volumen y masa).

En la figura inferior se puede ver la estructura y funcionamiento básico de una celda (célula) de baterías de Ion-Litio. La tensión que proporcionan es de 3,6V, aunque este valor depende mucho de la temperatura ambiente y de la carga.

 

El salto más importante que estamos viviendo ahora mismo, para pasar de autonomías homologadas de unos 150 a 200 km, hasta los actuales 400 a 500 km, ha sido gracias al empleo de nuevas celdas de batería de iones de litio con níquel y cobalto (aunque también ha ayudado una distribución de las celdas y componentes internos de la batería más compacta, que aprovecha mejor el volumen del paquete de batería).

Normalmente se emplean ánodos de grafito, o grafito y silicio, y cátodos de litio, níquel, cobalto y aluminio, por ejemplo Panasonic, para Tesla, o de litio, níquel, manganeso y cobalto, por ejemplo LG Chem, para Renault, Chevrolet, Opel, Volkswagen y otros fabricantes.

Estas últimas tienen además la ventaja de que tienen también una mayor vida útil (aproximadamente el doble) que las batería de iones de litio "antiguas", mientras que mantienen o mejoran ligeramente la velocidad de recarga y apenas aumentan el peso de la batería (algo menos de un 10 %). Eso sí, son algo más caras, aunque el impacto en el precio final de venta del coche se quede entre un 5 y un 10 % aproximadamente.

Hemos pasado por tanto de una densidad energética de algo más de 250 Wh/l (y una energía específica de unos 100 Wh/kg) de las primeras baterías de iones de litio, hasta aproximadamente entre 400 Wh/l (180 Wh/kg) y 650 Wh/l (250 Wh/kg). Esta es la realidad presente en la que se basan la mayoría de los fabricantes para proponer nuevos modelos de coches eléctricos con una autonomía bastante digna, alrededor de los 500 km.

Los avances en la tecnología Li-ion presentan una oportunidad de duplicar la densidad energética desde 100Wh/kg a 250Wh/kg a través del uso de nuevos cátodos de alta capacidad, electrolitos de alto voltaje y el uso de nuevos materiales anódicos. Actualmente, está claro que casi se ha logrado el objetivo… por Tesla con baterías de densidad energética de 233 Wh/kg. El Nissan Leaf se conforma con 155 Wh/kg y el Renault Zoe 157 Wh/kg.

El diseño actual P90D de Tesla utiliza un bloque de baterías situado bajo el suelo de su chasis “monopatín” (figura inferior). Esto hace que el vehículo pueda almacenar un gran volumen de células de baterías maximizando el espacio interior del vehículo, aunque deja la batería indefensa en caso de accidente.

El nuevo pack de baterías P100D tiene la misma apariencia exterior y a primera vista también utiliza dos filas de células de iones de litio y, sin embargo, consigue almacenar 100kwh de densidad energética en el mismo modelo de batería que anteriormente contaba con 90kwh y pesaba solo un 4 % menos. Se trata de más de 11 veces la energía que un hogar británico medio utiliza en un día normal.

 

Ejemplo de baterías Ion-Litio utilizadas por los distintos fabricantes de coches:

Batería de Ion-Litio utilizada por el Mitsubishi i-MiEV.
Partimos de la célula Yuasa LEV50. Cada célula de Litio-ion (más exactamente Lithium Manganese Oxide, LiMn2O4), proporciona una tensión de 3,7V nominales, 50 Ah, todo ello empaquetado en un recipiente rectangular de 17 cm de largo, 11 de ancho y 4,5 de grueso, de algo menos de 2 kgs.

Se ponen 88 de esta células en serie, ni más ni menos. Estas celulas se agrupan en módulos de 4 unidades conectadas en serie, de modo que cada uno tiene unos 14.7V. y 50 A·h.

 

 

La batería se distribuye por los bajos de los asientos como se puede ver en la figura inferior.

 

 

En junio de 2011 el fabricante original del vehículo, Mitsubishi, anunció que instalará baterías de Toshiba con tecnología SCIB, basada en un ánodo de titanato de litio (Li2TiO3 o LTO). Dicha tecnología permite una intensidad de carga/descarga 2.5 veces superior a una batería típica de litio-ión y proporciona hasta 1.7 veces más autonomía, con un menor calentamiento que elimina la necesidad de refrigerarlas cuando la potencia consumida o aportada es alta. Además, es más resistente a un cortocircuito interno y mantiene los niveles de rendimiento incluso en temperaturas de hasta -30 ºC. Con esta tecnología el I-Miev será capaz de realizar una carga rápida bajo estándar CHAdeMO hasta el 80% en 15 minutos, 50% en 10 minutos y 25% en 5 minutos, lo cual acercará al pequeño coche eléctrico japonés a la rapidez de un repostaje convencional.

El Mitsubishi i-MiEV comparte estética y tecnología con sus hermanos, el Citröen C-Zero y Peugeot iOn. Es decir utiliza la misma batería, motor eléctrico y la parte electrónica para la gestión del funcionamiento del vehículo.

 

 

Batería de Ion-Litio de TESLA
El Tesla Model S coloca el paquete de baterías plano, con poca altura, bajo el suelo del habitáculo, ocupando al máximo el espacio disponible entre los dos ejes. La batería colabora con la rigidez torsional del coche y al suponer mucho peso, muy abajo, ayuda a rebajar el centro de gravedad del coche, y mejorar la estabilidad.

Emplea celdas cilíndricas de iones de litio Panasonic NCR18650A de 3070mAh y 3,6 V (nominal) colocadas en vertical y separadas entre sí para disipar mejor el calor.

 

Es un poco difícil decir cuántas celdas hay, porque los 85kWh de la batería son de capacidad útil, y no se precisa cuál es la capacidad bruta de la batería. Tesla, como otros fabricantes, es celoso de decir con exactitud cuánto margen de seguridad dejan, pero algo de margen tiene que haber, pues para alargar la vida útil de las baterías no se recargan al 100% ni se descargan al 0%.

Si el margen es similar al que dejaban en las baterías del Tesla Roadster, se venía a aprovechar el 93% de la capacidad bruta de las baterías, y eso implicaría tener una batería de unos 91,4 kWh brutos, con lo que debería de haber cerca de 8.300 celdas (unas 7.690 como mínimo para los 85 kWh). Sí confirmó Tesla que la batería lleva más de 7.000 celdas (para no pillarse los dedos y no contar demasiado). Solo las celdas pesarían entre 358 y 383 kg aproximadamente.

 

La batería del Tesla Model S está climatizada, tanto en refrigeración como en calefacción por líquido, con una mezcla de agua y glicol (para evitar el congelamiento en invierno con temperaturas bajo cero).

En principio esta estructura de batería con muchas celdas pequeñas con intersticios entre ellas, y la refrigeración por líquido, permite soportar mejor las altas temperaturas de las recargas a muy alta potencia de los supercargadores.

Tesla Motors da una garantía de ocho años y kilometraje ilimitado a la batería de 85 kWh (la de 60 kWh se queda con 200.000 km). El resto del coche viene con una garantía más convencional de cuatro años y 80.000 km. En la figura inferior se puede ver el interior de una batería de un Tesla Model S.

 

El Tesla Model S (figura inferior) se puede pedir con dos capacidades de baterías. El más barato, viene con el paquete de baterías de 60 kWh, que homologa en Europa, en ciclo combinado (NEDC) 375 km de autonomía. Con el paquete de baterías de 85 kWh, homologa en Europa en ciclo NEDC 500 km de autonomía. Este modelo ademas e más potente, e incluye el uso de la recarga ultra-rápida de los supercargadores.

 

Bateria Ion-litio del Nissan Leaf
El Nissan Leaf, tiene una batería de 48 módulos conectados en serie, y cada uno de esos módulos lleva cuatro celdas y es de 7,6 V (2 celdas en serie de 3,8V) y 66,2 Ah (dos grupos en paralelo de 33,1 Ah). Su nomenclatura es 48S 2P 2S. En resumen, obviando los módulos el Leaf lleva dos grupos paralelos de 33,1 Ah y cada uno de esos grupos lleva 96 celdas de 3,8 V en serie. En total 3,8 V x 96 celdas son los 364,8 V del pack y 364,8 V x 33,1 Ah x 2 son los 24 kWh de capacidad del pack (24.150 Wh). En total esta batería lleva 192 celdas.

 

 

Baterías Zebra (NaNiCl)
El THINK City coche eléctrico pequeño de fabricación en Noruega, tiene una batería de cloruro de sodio y níquel (NaNiCl), tambien conocidas como Zebra. En algunos países se vende este coche también con una batería de iones de litio, del mismo tipo que usan otros automóviles eléctricos, como el Mitsubishi i-MiEV.

La batería del THINK City está ubicada en la zona inferior del habitáculo, debajo de los asientos. El motor está delante, junto con el resto de los elementos mecánicos. La tracción es delantera.

La batería de este coche (figura inferior), cuya identificación completa es ZEBRA Z36-371-ML3X-76 (habitualmente abreviada como ZEBRA Z36), tiene un voltaje nominal de 371 voltios, su energía total son 28,2 kWh y su energía aprovechable 23 kWh. Pesa 243 kg. Es decir, tiene una densidad energética de 116 Wh/Kg. La batería de un Mitsubishi i-MiEV, que es de iones de litio, pesa 230 kg y almacena 16 kWh; esto es, tiene una densidad energética de 70 Wh.

 

Esta batería de cloruro de sodio y níquel tiene algunas ventajas con respecto a las de iones de litio: es más robusta, puede funcionar en un rango de temperatura ambiente más amplio y su fabricación es más económica. Además, —al contrario de lo que sucede con las de iones de litio— la temperatura ambiente no afecta apenas a su rendimiento. Esto se debe a que este tipo de baterías funcionan a una temperatura interna de entre 260 y 350º C.

Por eso, tiene un gran aislamiento térmico y cuando no se usa una parte de la energía que almacena se destina constantemente a mantenerla caliente. Una vez que la batería ya está caliente, se utilizan constantemente 100 W para mantener la temperatura de funcionamiento. Cuando está en funcionamiento, la propia reacción química de la batería desprende el calor necesario para mantener esa temperatura.

 

Esto hace que, si no se usa el THINK City y se tiene sin enchufar, la batería se vaya descargando. El manual especifica que en estas condiciones la batería dura «más de una semana» y aconseja que se tenga enchufado siempre que no se utilice.

En caso de que se no vaya a usarse durante un tiempo y no se pueda (o no se quiera) dejarlo enchufado, el autocalentamiento y el consumo de energía se puede desconectar mediante un botón en la caja de fusibles. Esto hace que la batería poco a poco llegue a la temperatura ambiente. El manual advierte de que es mejor evitar este ciclo térmico, aunque la batería lo tolera. Cuando se quiera volver a utilizar el coche, habrá que enchufarlo previamente para que la batería vuelva a alcanzar la temperatura de funcionamiento. Si la temperatura ambiente son 20º C, este proceso tarda 30 horas.

El cargador que viene con el coche puede ajustarse mediante un botón para que cargue con 10 ó 16 A de intensidad. Así, la batería del THINK City puede cargarse aunque se tenga poca potencia disponible (se necesita una potencia disponible de 2.200 W como mínimo). Partiendo de una batería totalmente descargada, con 16 A de corriente tarda 11 horas en cargarse totalmente; en 7 horas se carga a un 80% de su capacidad. Si se carga a 10 A, los tiempos aumentan alrededor de un 30% (14,3 y 9,1 horas, respectivamente).

 

Batería de níquel-hidruro metálico (Ni-MH)
Esta batería ampliamente utilizada por Toyota en sus modelos híbridos como el Prius, Auris, etc, no es una batería comparable con las de Ion-litio que hemos visto, en cuanto a tamaño y capacidad, pero nos sirve para conocerla.

 

Una batería de níquel-hidruro metálico (Ni-MH) es un tipo de batería recargable que utiliza un ánodo de oxidróxido de níquel (NiOOH), como la batería de níquel cadmio, pero su cátodo es de una aleación de hidruro metálico. Esto permite eliminar el cadmio, que es muy caro y, además, representa un peligro para el medio ambiente. Asimismo, posee una mayor capacidad de carga (entre dos y tres veces más que la de una pila de NiCd del mismo tamaño y peso) y un menor efecto memoria. Por el contrario, presentan una mayor tasa de auto descarga que las de NiCd (un 30% mensual frente a un 20%), lo cual relega a estas últimas a usos caracterizados por largos periodos entre consumos (como los mandos a distancia, las luces de emergencia, etc.), mientras que son desplazadas por las de NiMH en el de consumo continuo.

 

Cada celda de Ni-MH puede proporcionar un voltaje de 1,2 voltios y una capacidad entre 0,8 y 2,9 amperio-hora. Su densidad de energía llega a los 80 Wh/kg. Este tipo de baterías se encuentran menos afectadas por el llamado efecto memoria, en el que en cada recarga se limita el voltaje o la capacidad (a causa de un tiempo largo, una alta temperatura, o una corriente elevada), imposibilitando el uso de toda su energía, Algunos de sus inconvenientes son las “altas” temperaturas que alcanzan durante la carga o el uso.
Para alargar la vida de la batería y aumentar sus ciclos de carga, la batería se mantiene entre un 20% y un 80% de la carga para optimizar su vida útil.

 

 

 

Monitorización de la batería HV
Las baterías de alta tensión (HV) no solo son un recipiente que almacena la tensión, ademas cuenta con una gestión electrónica que sirve para monitorizar la batería en su trabajo de carga y descarga de tensión, teniendo en cuenta parámetros importantes como son la temperatura, intensidad de carga/descarga y la tensión de las celdas o conjunto de celdas que forman un módulo. Para hacer esta monitorización una unidad de control de batería denominada BMS (Battery Management System), se encarga de esta función, además sirve para comunicarse con otras unidades de control fuera de la batería, como la que controla el motor eléctrico y por lo tanto la velocidad del automóvil, la recuperación de energía en las frenadas, etc.

 

Como ejemplo se puede ver como se hace la monitorización dentro de una batería de níquel-hidruro metálico (Ni-MH) utilizada por Toyota en sus modelos híbridos. Cada módulo de 15, 78 V tiene un monitoreo de voltaje que va a la BMS de la Batería. Cada monitoreo toma progresivamente la suma de los módulos, de tal forma que el monitoreo del paquete 1 (VB1) deberá medir 15,78 V y ser luego progresivos asi: VB1= 15,78V, VB2=31,42V; VB3=47,20V; ...............VB14= 220V
De esta forma si por algún motivo es interrumpida alguna serie o una serie está en corto la BMS de la Batería no verá el incremento de voltaje deseado y generara el respectivo código de error.

 

 

Los cables de monitoreo salen de los diferentes puntos de medida, dispuestos después de cada serie de dos o sea después de cada uno de los 14 módulos, y llevan este valor a la BMS de la batería como se puede apreciar en el diagrama eléctrico. Adicionalmente en la BMS de la batería tenemos conexión a la red CAN, también tenemos el control del electroventilador para enfriamiento de la batería, los sensores de temperatura que informan la temperatura de las baterías y los relés IGCT que son los que posibilitan que la tensión de estas baterías salga hacia afuera para alimentar los distintos sistemas del automóvil.

 

Refrigeración de las baterías
Para que las baterías trabajen siempre en su rango térmico ideal, todos los coches eléctricos incluyen un sistema de refrigeración que mantiene las baterias a temperatura constante. Pero el sistema consume energía eléctrica al tratar de compensar el exceso de frío o calor ambiental, por lo que la autonomía se reduce, y es un dato a tener en cuenta.

Durante la carga/descarga el calor interior aumenta y estas baterías para su correcto funcionamiento deben operar dentro de unos rangos de temperatura determinados. Así por ejemplo, las baterías NiMH son capaces de operar en descarga con temperaturas desde 20 ºC hasta 50 ºC y en carga desde 0 ºC hasta 45 ºC aproximadamente. Si nos encontramos fuera de estos límites, tendremos que o bien calentar o bien refrigerarlas para así mantenerlas en las condiciones óptimas de funcionamiento.

Decir que la temperatura ambiente tambien influye en el rendimiento de la batería. Con temperaturas bajo cero se pierde densidad energética. A -10 grados, la autonomía cae casi un 25%, pero la potencia o aceleración hasta un 60%. Con calor extremo las pérdidas no son tan dramáticas como con frío, aunque sí notorias.
Decir que mientras las temperaturas frias disminuyen la capacidad de la bateria, pero no afecta a la vida útil de esta. Las temperaturas muy altas, ademas de afectar a la capacidad de la bateria, tambien afecta a su vida util. El calor extremo puede degradar la electroquímica interior de la batería,

Una cosa que habrá llamado la atención de aquellos usuarios que dispongan de vehículos híbridos o cien por cien eléctricos es la existencia de tomas de ventilación en la cercanía de los asientos traseros. Los fabricantes anuncian que sirven para la refrigeración del sistema de baterías y que nunca deben encontrarse obstruidas (por ejemplo con una chaqueta, un paraguas, una bolsa, etc.).

Como se puede ver en la figura inferior, Toyota en sus hibridos, monta en su batería HV, un sistema de refrigeración de aire forzado. La BMS de la batería supervisa el estado de la batería HV y controla el ventilador de refrigeración para mantener la batería a una temperatura predeterminada. Para controlar la temperatura utiliza una serie de sensores distribuidos por las celdas de la batería.

 

En la figura inferior se puede apreciar el funcionamiento del electroventilador y como distribuye el aire por el interior de la batería

 

En la figura inferior se puede ver el sistema de refrigeración de la batería HV, montada en un KIA Soul EV.

 

 

Reciclaje de baterías
La generalización de las baterías recargables debe evitar los errores del pasado, y para ello se debe considerar todo el ciclo de vida del producto, desde la extracción de las materias primas al reciclaje o eliminación, pasando por la fabricación y la operación, evitando o minimizando en todas las fases la contaminación y el vertido, y muy especialmente de metales pesados. Las tasas actuales de reciclaje de baterías de vehículos alcanzan o superan el 90%, tasas mucho más elevadas que las pequeñas baterías empleadas en usos domésticos (menos del 10%), y que en gran parte acaban en los vertederos. Dado que el litio es totalmente reciclable, cabe esperar que las tasas del 90% se mantengan e incluso aumenten ligeramente.

 

 

 

 

© 2017 Aficionados a la Mecánica. Pagina creada por Dani meganeboy.