Factores que afectan a la vida útil de la batería de un vehículo eléctrico
Tal vez el elemento más importante de los vehículos eléctrico sea la batería ya que de ella depende la dinámica de propulsión e influye directamente en la autonomía del mismo y por otro lado su valor es aproximadamente un tercio del móvil. Es por ello que una de las principales preocupaciones del comprador o propietario de un coche eléctrico, es saber la duración o degradación que tendrá la batería de su vehículo. Un aspecto crucial que dependerá de muchos factores y que vamos a repasar en este artículo. Es de tener en cuenta, sin entrar en detalles, que toda batería cualquiera sea su tecnología funciona en base a una reacción electroquímica reversible. La temperatura en ascenso o disminución cambia la velocidad de una reacción química. Y según la tecnología se acota entre un valor mínimo y un máximo, el cual se debe respetar inexorablemente para un funcionamiento y longevidad esperada.
La degradación de una batería puede tener diferentes razones. Una es la temperatura ambiente en el que se mueva el vehículo. Y es que el calor es el gran enemigo de la vida de una celda, mientras que el frío es el enemigo de la autonomía.
El flujo de corriente en las baterías de los coches eléctricos, producto de la demanda para su movimiento, produce el calentamiento de sus celdas. Cuanto mayor es el flujo de la corriente, mayor es el calentamiento.
El rendimiento de las baterías de ion-litio depende en gran parte de su temperatura de funcionamiento: sufren el efecto Goldilocks, es decir, no funcionan convenientemente cuando están sometidas a demasiado frío o a demasiado calor. Con temperaturas bajo cero se pierde densidad energética. Por ejemplo, si estamos en una ciudad en invierno a -10 grados, la autonomía cae casi un 25%, y a su vez la potencia o aceleración hasta un 60%. Lo mismo pasaría con calor extremo, aunque las pérdidas no son tan elevadas como con frío, aunque sí se notaría esa falta de rendimiento en todos sus factores.
Otra de las razones de la degradación es la velocidad de carga eléctrica. La mayoría de las baterías de litio no se pueden cargar rápidamente cuando están a menos de 5º C, y no se pueden cargar de ninguna forma cuando están por debajo de 0º C. Además, las celdas comienzan a degradarse rápidamente cuando su temperatura es superior a 45º C.
En este aspecto entra en juego el sistema de refrigeración/calentamiento de dicha batería, algo que depende de cada modelo. Hay modelos sin ninguna refrigeración, otros con un sistema por aire forzado, y los que tienen un sistema de refrigeración por líquido, que suele ser el más efectivo. Aunque también hay que considerar la propia química y robustez de cada celda cada una con propias características, según el fabricante.
Los fabricantes automotrices consideran diferentes sistemas de refrigeración.
A continuación se describe tres técnicas más usuales de gestión térmica de la batería:
- Por convección del aire, ya sea de forma pasiva o forzada.
- Utilizando como refrigerante un aceite dieléctrico que se bombea a un sistema intercambiador de calor.
- Enfriamiento por circulación de un refrigerante a base de agua a través de conductos de refrigeración ubicados dentro de la estructura de la batería.
El enfriamiento por aire no es el ideal para la mayor parte de las aplicaciones de alto rendimiento, debido a su incapacidad de hacer frente a un amplio rango de temperaturas ambiente. Es decir, no es posible eliminar suficiente calor dentro de la batería con este sistema de enfriamiento. Y por otro lado, si la circulación de aire depende del movimiento del móvil, la refrigeración es nula cuando esta parado.
Un sistema de enfriamiento con aceite dieléctrico como refrigerante normalmente enfría extrayendo calor de la superficie de las celdas. Dicho enfriamiento se logra mejor con un refrigerante a base de agua o con un refrigerante orgánico. El refrigerante se puede usar para eliminar el calor del pack y también para proporcionarle calefacción durante una recarga rápida a baja temperatura.
La estrategia de los sistemas de refrigeración también es importante. Por ejemplo, el eficaz enfriamiento de las lengüetas (elementos para conectarse a los terminales positivo y negativo de la carcasa de la celda) no es algo común en la industria. Tanto el BMW i3 como el Chevrolet Bolt utilizan una placa de refrigeración inferior en su batería. La instalación de la placa de refrigeración en la parte inferior del pack probablemente esté motivada por su construcción más sencilla, así como por la mayor facilidad para realizar análisis cuando haya fugas dentro del sistema de baterías.
Las lengüetas del BMW están situadas en la parte superior de la batería y no en la inferior, mientras que las del Chevrolet Bolt se encuentran en los laterales. Por ello, ninguno de los dos sistemas de refrigeración está situado en la que sería su ubicación ideal para conseguir un rendimiento óptimo.
Por su parte, el sistema de enfriamiento de la batería de los Tesla Model S y Model X, que consiste en un tubo de enfriamiento que serpentea a través del pack de baterías (contiene un flujo de refrigerante de glicol en agua), consigue el contacto directo con las células mediante el material de transferencia térmica.
De nuevo, esto elimina el calor del costado de las celdas en lugar de las pestañas, por lo que es fácil sobrecalentar un pack de baterías Tesla durante una conducción exigente.
El enfriamiento de las lengüetas es difícil, debido a la necesidad de aislar eléctricamente el sistema de enfriamiento para evitar un cortocircuito en el pack, y también para asegurar que ningún fallo del sistema de enfriamiento en una junta dé como resultado la liberación del refrigerante dentro de la batería.
Un diseño eficaz del sistema de refrigeración generalmente conlleva una menor capacidad de la batería, debido a la longitud de los canales de refrigeración necesarios. Además, se hace necesaria una bomba de refrigerante eléctrica que pueda generar altas tasas de circulación del flujo refrigerante. El diseño más eficaz es, por tanto, el de hacer circular el refrigerante por la batería, el cual una vez haya pasado por ella se hará circular a través de un intercambiador de calor. Allí el calor se transfiere al flujo de aire ambiental que está siendo soplado gracias a un ventilador.
Debido a que los ventiladores y las bombas tienen un alto potencial de consumo de energía parasitaria, energía que no se utiliza para el movimiento y que afecta a la ecuación general energética del vehículo y por ende al rendimiento general del vehículo, hay que seleccionar componentes muy eficientes para el sistema de refrigeración de las baterías.
También entran en juego aspectos como el trato de dicha batería. Por ejemplo, no se debe dejar bajar la carga por debajo del 20%. Tampoco aunque en menor medida, debemos cargarla al 100%. De nuevo, no pasa nada si cargamos al 100% e iniciamos un recorrido que en pocos minutos permita consumir parte de esa capacidad. Pero no debemos dejar el coche al 100% durante largos periodos de tiempo.
La compañía Geotab (Geotab Inc. Oakville, Ontario) ha realizado un informe que recoge datos de un total de 6.300 vehículos eléctricos, lo que le ha permitido determinar la degradación media de los packs y los factores que más influyen en ella: todo indica que las baterías de los coches eléctricos tienden a perder actualmente un 2,3% de capacidad al año, si bien la pérdida no es nunca lineal (es estable durante los tres o cuatro primeros años, y se acelera posteriormente).
Sin embargo, se encuentran grandes diferencias, pues un Nissan LEAF experimenta una degradación media del 11,6% en tres años, frente al 5,7% de un Tesla Model S. En este caso, los malos resultados del Nissan se deben a que es uno de los pocos coches eléctricos del mercado sin refrigeración en sus baterías o mejor dicho sin refrigeración forzada. Uno de los modelos con menor degradación es el KIA Soul EV, con un 2% de pérdida en 30 meses, un modelo con refrigeración líquida.
Geotab hace hincapié en que la carga rápida en corriente continua afecta de lleno a la degradación de una batería: el uso de la carga rápida más de tres veces al mes tiene como resultado una degradación cinco veces mayor. (Se recuerda que la carga en corriente continua es exclusivamente para carga rápida)
Sin cargas rápidas una batería pierde menos del 2% de su capacidad en cinco años, frente a más del 10% con cargas rápidas regulares. Con cargas rápidas moderadas (de una a tres veces al mes) la degradación supera el 8%. La experiencia indica que el kilometraje tendría poco efecto sobre la degradación de una batería, pues no hay diferencias significativas entre los vehículos que recorren menos de 8.000 km al año y los que superan los 25.000 km.
Se considera que una batería está en buenas condiciones mientras mantenga el 80% de su capacidad original. Por lo tanto, cuando se habla de estimación de vida de la batería no se refiere a un fallo completo de la batería sino a una caída de la capacidad de esta, pudiendo seguir usándola durante más tiempo, pero teniendo en cuenta que hemos perdido un 20% de autonomía. Posteriormente el pack de baterías, tiene otra oportunidad la llamada “segunda vida” en aplicaciones menos exigentes como por ejemplo como respaldo de sistemas eléctricos y/o almacenamiento de energía eléctrica en sistemas renovables.
Ing. Ricardo Berizzo
Cátedra: Movilidad Eléctrica
U.T.N. Regional Rosario 2021.-
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