Batería de vehículo eléctrico

Los diseños de los paquetes de baterías para los vehículos eléctricos (VE) son complejos y varían mucho según el fabricante y la aplicación específica. Sin embargo, todos incorporan una combinación de varios sistemas de componentes mecánicos y eléctricos sencillos que realizan las funciones básicas necesarias del pack.

Las celdas de la batería en sí pueden tener diferente química, formas físicas y tamaños, según prefieran los distintos fabricantes de packs. Los packs de baterías siempre incorporan muchas celdas discretas conectadas en serie y en paralelo para alcanzar los requisitos totales de voltaje y corriente del pack. Los paquetes de baterías para todos los vehículos eléctricos pueden contener varios cientos de celdas individuales. Cada célula tiene un voltaje nominal de 3-4 voltios, dependiendo de su composición química.

Para facilitar la fabricación y el montaje, la gran pila de células suele agruparse en pilas más pequeñas llamadas módulos. Varios de estos módulos se colocan en un solo paquete. Dentro de cada módulo, las células se sueldan entre sí para completar la trayectoria eléctrica del flujo de corriente. Los módulos también pueden incorporar mecanismos de refrigeración, monitores de temperatura y otros dispositivos. En la mayoría de los casos, los módulos también permiten supervisar la tensión producida por cada célula de la batería en la pila mediante el uso de un sistema de gestión de la batería (BMS).

La pila de células de la batería tiene un fusible principal que limita la corriente del pack en una condición de cortocircuito. Se puede retirar un «enchufe de servicio» o «desconexión de servicio» para dividir la pila de baterías en dos mitades eléctricamente aisladas. Con el enchufe de servicio retirado, los terminales principales expuestos de la batería no presentan ningún peligro eléctrico de alto potencial para los técnicos de servicio.

El paquete de baterías también contiene relés, o contactores, que controlan la distribución de la energía eléctrica del paquete de baterías a los terminales de salida. En la mayoría de los casos habrá un mínimo de dos relés principales que conectan la pila de celdas de la batería a los terminales de salida principales positivo y negativo del pack, que luego suministran alta corriente al motor de accionamiento eléctrico. Algunos diseños de pack incluirán rutas de corriente alternativas para precargar el sistema de accionamiento a través de una resistencia de precarga o para alimentar un bus auxiliar que también tendrá sus propios relés de control asociados. Por razones de seguridad, estos relés están normalmente abiertos.

El pack de baterías también contiene una variedad de sensores de temperatura, tensión y corriente. La recogida de datos de los sensores del pack y la activación de los relés del pack se llevan a cabo por la Unidad de Monitorización de la Batería (BMU) o Sistema de Gestión de la Batería (BMS) del pack. El BMS también es responsable de las comunicaciones con el vehículo fuera del pack de baterías.

RecargaEditar

Las baterías de los BEV deben recargarse periódicamente. Los BEVs suelen cargarse de la red eléctrica (en casa o utilizando un punto de recarga en la calle o en una tienda), que a su vez se genera a partir de una variedad de recursos domésticos, como el carbón, la hidroelectricidad, la energía nuclear, el gas natural y otros. También se puede utilizar la energía doméstica o de red, como los paneles de células solares fotovoltaicas, el viento o la microhidráulica, que se promueven debido a la preocupación por el calentamiento global.

Con fuentes de alimentación adecuadas, se suele conseguir una buena vida útil de la batería con tasas de carga que no superan la mitad de la capacidad de la batería por hora («0.5C»), por lo que se necesitan dos o más horas para una carga completa, pero existe una carga más rápida incluso para las baterías de gran capacidad.

El tiempo de carga en casa está limitado por la capacidad de la toma de corriente doméstica, a menos que se realicen trabajos de cableado eléctrico especializados. En Estados Unidos, Canadá, Japón y otros países con electricidad de 110 voltios, una toma de corriente doméstica normal proporciona 1,5 kilovatios. En los países europeos con electricidad de 230 voltios se pueden suministrar entre 7 y 14 kilovatios (monofásicos y trifásicos de 230 V/400 V (400 V entre fases), respectivamente). En Europa, la conexión a la red de 400 V (trifásica de 230 V) es cada vez más popular ya que las casas más nuevas no tienen conexión de gas natural debido a las normas de seguridad de la Unión Europea.

Tiempo de recargaEditar

Los coches eléctricos como el Tesla Model S, el Renault Zoe, el BMW i3, etc., pueden recargar sus baterías al 80% en estaciones de carga rápida en 30 minutos. Por ejemplo, un Tesla Model 3 Long Range cargando en un Supercargador Tesla Versión 3 de 250 kW pasó de un estado de carga del 2% con 9,7 km de autonomía a un estado de carga del 80% con 390 km de autonomía en 27 minutos, lo que equivale a 840 km por hora.

ConectoresEditar

La potencia de carga puede conectarse al coche de dos maneras. La primera es una conexión eléctrica directa conocida como acoplamiento conductor. Esto puede ser tan simple como un cable de red en un enchufe resistente a la intemperie a través de cables especiales de alta capacidad con conectores para proteger al usuario de las altas tensiones. El estándar moderno para la carga de vehículos enchufados es el conector conductivo SAE 1772 (IEC 62196 Tipo 1) en los Estados Unidos. La ACEA ha optado por el VDE-AR-E 2623-2-2 (IEC 62196 Tipo 2) para su implantación en Europa, que, sin pestillo, supone unos requisitos de energía adicionales innecesarios para el mecanismo de cierre.

El segundo enfoque se conoce como carga inductiva. Se inserta una «paleta» especial en una ranura del coche. La paleta es un devanado de un transformador, mientras que el otro está integrado en el coche. Cuando se introduce la paleta, se completa un circuito magnético que proporciona energía al paquete de baterías. En un sistema de carga inductiva, uno de los devanados está fijado a los bajos del coche y el otro permanece en el suelo del garaje. La ventaja del enfoque inductivo es que no hay posibilidad de electrocución, ya que no hay conductores expuestos, aunque los enclavamientos, los conectores especiales y los detectores de fallos a tierra pueden hacer que el acoplamiento conductivo sea casi tan seguro. La carga inductiva también puede reducir el peso del vehículo, al desplazar más componentes de carga fuera del vehículo. Un defensor de la carga inductiva de Toyota afirmó en 1998 que las diferencias de costes globales eran mínimas, mientras que un defensor de la carga conductiva de Ford afirmó que la carga conductiva era más rentable.

Puntos de recargaEditar

A partir de abril de 2020, hay 93.439 lugares y 178.381 estaciones de carga de VE en todo el mundo.

Alcance de viaje antes de la recargaEditar

El alcance de un BEV depende del número y el tipo de baterías utilizadas. El peso y el tipo de vehículo, así como el terreno, el clima y la actuación del conductor también influyen, al igual que en el kilometraje de los vehículos tradicionales. El rendimiento de la conversión de un vehículo eléctrico depende de varios factores, entre ellos la química de la batería:

• Las baterías de plomo-ácido son las más disponibles y baratas. Estas conversiones suelen tener una autonomía de entre 30 y 80 km. Los vehículos eléctricos de producción con baterías de plomo-ácido son capaces de recorrer hasta 130 km por carga.
• Las baterías de NiMH tienen mayor energía específica que las de plomo-ácido; los prototipos de vehículos eléctricos ofrecen hasta 200 km de autonomía.
• Los nuevos vehículos eléctricos equipados con baterías de iones de litio ofrecen entre 320 y 480 km de autonomía por carga. El litio también es menos caro que el níquel.
• Las baterías de níquel-zinc son más baratas y ligeras que las de níquel-cadmio. También son más baratas que las baterías de iones de litio (pero no tan ligeras).

La resistencia interna de algunas baterías puede aumentar significativamente a baja temperatura, lo que puede provocar una notable reducción de la autonomía del vehículo y de la vida útil de la batería.

Encontrar el equilibrio económico entre la autonomía y el rendimiento, la capacidad de la batería y el peso, y el tipo de batería y el coste supone un reto para todos los fabricantes de vehículos eléctricos.

Con un sistema de CA o un sistema avanzado de CC, el frenado regenerativo puede ampliar la autonomía hasta un 50% en condiciones de tráfico extremas sin necesidad de detenerse por completo. Por lo demás, la autonomía se amplía entre un 10 y un 15% en la conducción urbana, y sólo de forma insignificante en la conducción por carretera, dependiendo del terreno.

Los VE (incluidos los autobuses y los camiones) también pueden utilizar remolques de grupo electrógeno y remolques de empuje para ampliar su autonomía cuando lo deseen sin el peso adicional durante el uso normal de corto alcance. Los remolques cesta descargados pueden ser sustituidos por otros recargados en ruta. Si se alquilan, los costes de mantenimiento pueden diferirse a la agencia.

Algunos BEV pueden convertirse en vehículos híbridos dependiendo del remolque y de los tipos de energía y tren motriz del coche.

RemolquesEditar

La capacidad de la batería auxiliar que llevan los remolques puede aumentar la autonomía total del vehículo, pero también aumenta la pérdida de potencia derivada de la resistencia aerodinámica, incrementa los efectos de transferencia de peso y reduce la capacidad de tracción.

Intercambio y extracciónEditar

Artículo principal: intercambio de baterías

Una alternativa a la recarga es intercambiar las baterías agotadas o casi agotadas (o los módulos de ampliación de la autonomía de la batería) con baterías totalmente cargadas. Esto se llama intercambio de baterías y se realiza en estaciones de intercambio.

Las características de las estaciones de intercambio incluyen:

1. El consumidor ya no se preocupa por el coste de capital de la batería, el ciclo de vida, la tecnología, el mantenimiento o los problemas de garantía;
2. El intercambio es mucho más rápido que la carga: los equipos de intercambio de baterías construidos por la empresa Better Place han demostrado intercambios automatizados en menos de 60 segundos;
3. Las estaciones de intercambio aumentan la viabilidad del almacenamiento de energía distribuido a través de la red eléctrica;

Las preocupaciones sobre las estaciones de intercambio incluyen:

1. Potencial de fraude (la calidad de la batería sólo puede medirse a lo largo de un ciclo de descarga completo; la vida útil de la batería sólo puede medirse a lo largo de ciclos de descarga repetidos; quienes participan en la transacción de intercambio no pueden saber si están recibiendo una batería desgastada o de eficacia reducida; la calidad de la batería se degrada lentamente con el tiempo, por lo que las baterías desgastadas se verán forzadas gradualmente en el sistema)
2. La falta de voluntad de los fabricantes para estandarizar el acceso a la batería / los detalles de implementación
3. Preocupaciones de seguridad

RecargaEditar

Las baterías de flujo de zinc-bromo pueden rellenarse utilizando un líquido, en lugar de recargarse mediante conectores, ahorrando tiempo.

Ciclo de vida de las baterías de vehículos eléctricosEditar

Reciclaje de baterías de vehículos eléctricos al final de su vida útilEditar

Las baterías de vehículos eléctricos que se encuentran en la fase de fin de vida útil (que tienen una capacidad de energía reducida y ya no son adecuadas para alimentar vehículos eléctricos) pueden reutilizarse para aplicaciones de segunda vida, como su uso en paquetes de energía para autobuses electrónicos, para grandes edificios, en el almacenamiento de energía en el hogar, en la estabilización del suministro para generadores de energía solar y eólica, en la alimentación de estaciones base de telecomunicaciones y centros de datos, en la alimentación de carretillas elevadoras, patinetes eléctricos y bicicletas, etc. La reutilización de las baterías de automoción en aplicaciones de segunda vida requiere una experiencia especial en logística inversa. Alexander Kupfer, responsable de desarrollo de productos sostenibles/economía circular en Audi, afirma que sería necesario desarrollar «una interfaz de conexión común a través de la cual estas baterías de automoción puedan ser controladas por un sistema de gestión de almacenamiento estacionario». Este tipo de interfaz proporcionaría un mecanismo de comunicación con el sistema de control del almacenamiento independiente del fabricante de la batería. La interfaz tendría que desarrollarse junto con los proveedores de almacenamiento.

Pacific Gas and Electric Company (PG&E) ha sugerido que las empresas de servicios públicos podrían comprar baterías usadas para fines de respaldo y nivelación de carga. Afirman que, aunque estas baterías usadas ya no puedan utilizarse en los vehículos, su capacidad residual sigue teniendo un valor significativo.

Vida útilEditar

Ubicación y tamaño relativo de los paquetes de baterías de los vehículos eléctricos

Las baterías individuales suelen estar organizadas en grandes paquetes de baterías de varios productos de voltaje y capacidad en amperios hora para dar la capacidad energética necesaria. La vida útil de las baterías debe tenerse en cuenta a la hora de calcular el coste ampliado de propiedad, ya que todas las baterías acaban desgastándose y deben ser sustituidas. La velocidad a la que caducan depende de una serie de factores.

La profundidad de descarga (DOD) es la proporción recomendada del almacenamiento total de energía disponible para que esa batería alcance sus ciclos nominales. Las baterías de plomo-ácido de ciclo profundo generalmente no deben descargarse por debajo del 20% de la capacidad total. Las fórmulas más modernas pueden sobrevivir a ciclos más profundos.

En el uso en el mundo real, algunos vehículos eléctricos Toyota RAV4 de flota, que utilizan baterías de níquel-hidruro metálico, han superado las 100.000 millas (160.000 km) con poca degradación en su autonomía diaria. De una evaluación de Southern California Edison (SCE):

«La prueba de cinco vehículos está demostrando la durabilidad a largo plazo de las baterías de hidruro metálico de níquel y de los trenes motrices eléctricos. Hasta la fecha sólo se ha observado una ligera degradación del rendimiento en cuatro de los cinco vehículos…. Los datos de las pruebas del EVTC proporcionan pruebas sólidas de que los cinco vehículos superarán la marca de las 100.000 millas (160.000 km). La experiencia positiva de SCE apunta a que es muy probable que la batería de níquel-hidruro metálico y el tren motriz tengan una vida operativa de entre 130.000 y 150.000 millas (240.000 km). Por tanto, los VE pueden igualar o superar los kilómetros del ciclo de vida de los vehículos comparables con motor de combustión interna. «En junio de 2003, los 320 RAV4 EV de la flota de SCE eran utilizados principalmente por lectores de contadores, gestores de servicios, representantes de campo, planificadores de servicios y manipuladores de correo, así como para patrullas de seguridad y viajes compartidos. En cinco años de funcionamiento, la flota de RAV4 EV había recorrido más de 6,9 millones de millas, eliminando unas 830 toneladas de contaminantes atmosféricos y evitando más de 3.700 toneladas de emisiones de dióxido de carbono del tubo de escape. Dado el éxito del funcionamiento de sus VE hasta la fecha, SCE tiene previsto seguir utilizándolos mucho después de que todos registren 100.000 millas.»

Las baterías de iones de litio son perecederas hasta cierto punto; pierden parte de su capacidad máxima de almacenamiento al año aunque no se utilicen. Las baterías de níquel-hidruro metálico pierden mucha menos capacidad y son más baratas por la capacidad de almacenamiento que dan, pero tienen una capacidad total menor inicialmente para el mismo peso.

El Baker Electric de 1909 de Jay Leno todavía funciona con sus celdas originales de Edison. Los costes de sustitución de la batería de los BEV pueden verse parcial o totalmente compensados por la falta de mantenimiento regular, como los cambios de aceite y filtro que requieren los vehículos con motor de combustión interna, y por la mayor fiabilidad de los BEV debido a su menor número de piezas móviles. También prescinden de muchas otras piezas que normalmente requieren revisión y mantenimiento en un coche normal, como en la caja de cambios, el sistema de refrigeración y la puesta a punto del motor. Y para cuando las baterías necesiten finalmente ser reemplazadas, pueden ser sustituidas por otras de última generación que pueden ofrecer mejores características de rendimiento.

Las baterías de litio hierro fosfato alcanzan, según el fabricante, más de 5000 ciclos a una profundidad de descarga respectiva del 70%. BYD, el mayor fabricante mundial de baterías de litio hierro fosfato, ha desarrollado una amplia gama de celdas para aplicaciones de ciclo profundo. Estas baterías se utilizan en sistemas de almacenamiento estacionarios. Después de 7500 ciclos, con una descarga del 85%, siguen teniendo una capacidad de reserva de al menos el 80% a una tasa de 1 C; lo que corresponde con un ciclo completo al día a una vida útil de al menos 20,5 años. La batería de litio y fosfato de hierro desarrollada por Sony Fortelion tiene una capacidad residual del 71% tras 10.000 ciclos con un nivel de descarga del 100%. Esta batería está en el mercado desde 2009.

Usadas junto con paneles solares, las baterías de iones de litio tienen en parte una resistencia a los ciclos muy alta, de más de 10.000 ciclos de carga y descarga, y una larga vida útil de hasta 20 años.

Plug-in America realizó una encuesta entre los conductores del Tesla Roadster (2008) sobre la vida útil de sus baterías. Se descubrió que después de 160 km, la batería aún tenía una capacidad restante de entre el 80 y el 85 por ciento, independientemente de la zona climática por la que se condujera el coche. Tesla garantiza el Model S con una batería de 85 kWh por un kilometraje ilimitado en un periodo de 8 años.

Varta Storage ofrece una garantía de 14.000 ciclos completos y una vida útil de 10 años.

A fecha de diciembre de 2016, el coche eléctrico más vendido del mundo de todos los tiempos es el Nissan Leaf, con más de 250.000 unidades vendidas desde su creación en 2010. Nissan declaró en 2015 que hasta entonces solo el 0,01% de las baterías habían tenido que ser sustituidas por fallos o problemas y, además, solo por daños infligidos externamente. Hay algunos vehículos que ya han recorrido más de 200.000 km; ninguno de ellos tuvo problemas con la batería.

Las baterías de iones de litio suelen perder un 2,3% de capacidad al año. Los paquetes de baterías de iones de litio refrigerados por líquido pierden menos capacidad al año que los paquetes refrigerados por aire.

ReciclajeEditar

Al final de su vida útil las baterías pueden ser reutilizadas o recicladas. Ante el importante crecimiento internacional de las ventas de vehículos eléctricos, el Departamento de Energía de los Estados Unidos ha establecido un programa de investigación para investigar las metodologías de reciclaje de las baterías de iones de litio usadas de los vehículos eléctricos. Los métodos que se están investigando actualmente incluyen la pirometalurgia (reducción a elementos), la hidrometalurgia (reducción a metales constituyentes) y el reciclaje directo (restablecimiento de las propiedades electroquímicas con mantenimiento de la estructura de los materiales originales).

Bloomberg BNEF ha proyectado que la industria de las baterías de los coches eléctricos tendrá un valor de más de 500.000 millones de dólares en 2050, a medida que la adopción de los vehículos eléctricos se acelere en los años intermedios

Vehículo a redEditar

Artículo principal: Vehicle-to-grid

La red inteligente permite que los BEV aporten energía a la red en cualquier momento, especialmente:

• Durante los periodos de máxima carga (Cuando el precio de venta de la electricidad puede ser muy alto. Los vehículos pueden entonces recargarse durante las horas valle a precios más baratos, lo que ayuda a absorber el exceso de generación nocturna. Los vehículos sirven como un sistema de almacenamiento de baterías distribuido para amortiguar la energía.)
• Durante los apagones, como fuentes de energía de reserva.

Seguridad

Las cuestiones de seguridad de los vehículos eléctricos de batería se tratan en gran medida en la norma internacional ISO 6469. Esta norma se divide en tres partes:

• Almacenamiento de energía eléctrica a bordo, es decir, la batería
• Medios de seguridad funcional y protección contra fallos
• Protección de las personas contra los riesgos eléctricos.

Los bomberos y el personal de rescate reciben una formación especial para hacer frente a las tensiones más altas y a los productos químicos que se encuentran en los accidentes de vehículos eléctricos e híbridos. Aunque los accidentes de BEV pueden presentar problemas inusuales, como incendios y humos resultantes de la rápida descarga de la batería, muchos expertos coinciden en que las baterías de los BEV son seguras en los vehículos disponibles en el mercado y en las colisiones traseras, y son más seguras que los coches de gasolina con depósitos de gasolina traseros.

Por lo general, las pruebas de rendimiento de las baterías incluyen la determinación de:

• Estado de carga (SOC)
• Estado de salud (SOH)
• Eficiencia energética

Las pruebas de rendimiento simulan los ciclos de conducción de los trenes motrices de los vehículos eléctricos de batería (BEV), los vehículos eléctricos híbridos (HEV) y los vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) según las especificaciones requeridas por los fabricantes de automóviles (OEM). Durante estos ciclos de conducción, se puede realizar un enfriamiento controlado de la batería, simulando las condiciones térmicas del coche.

Además, las cámaras climáticas controlan las condiciones ambientales durante las pruebas y permiten simular todo el rango de temperaturas del automóvil y las condiciones climáticas.

PatentesEditar

Ver también: hardware abierto y estorbo de patentes de las grandes baterías de NiMH para automóviles

Las patentes pueden utilizarse para suprimir el desarrollo o la implantación de la tecnología de las baterías. Por ejemplo, las patentes relacionadas con el uso de celdas de hidruro metálico de níquel en los automóviles estaban en manos de una rama de Chevron Corporation, una empresa petrolera, que mantenía el poder de veto sobre cualquier venta o licencia de la tecnología NiMH.