Cómo funcionan las baterías para vehículos eléctricos? Una vista a la tecnología en estos dispositiv


La Electrificación es la vía más factible para alcanzar limpieza y eficiencia en el transporte, lo cual es crucial para el desarrollo sostenible en todas partes del mundo. En el futuro cercano, los Vehiculos Electricos - EV: Incluyendo los Vehiculos Híbridos - HEV, los Vehiculos Híbridos con Baterías Recargables - PHEV, y los Vehiculos Electricos Puros con Baterías Recargables - BEV dominaran el mercado de los Vehiculos Limpios. Para el año 2020, se espera que los modelos de Vehiculos Electricos sean más de la mitad de las ventas de los nuevos Vehiculos. La clave y la tecnología habilitadora para este cambio revolucionario es la Batería y tambien se podria decir el Cargador.

Toyota Prius Plug In Hybrid PHEV. Nueva Generación.

La importancia de los EV se ha verificado en la historia. El primer EV fue visto en la carretera poco después de la invención de baterías de plomo recargables y motores eléctricos a fines del siglo XIX. En los primeros años de 1900, hubo un periodo de oro de los EVs. En ese momento, el número de EV era casi el doble que el de coches de gasolina de potencia. Sin embargo, los vehículos eléctricos casi desaparecieron y dieron todo el mercado al motor de combustión interna - ICE debido a limitaciones de alto peso, corto alcance de viaje, largo tiempo de carga y poca durabilidad de las baterías en ese momento.

Las baterías de los EV son bastante diferentes de las usadas en dispositivos electrónicos de consumo como computadoras portátiles y teléfonos celulares. Se requieren para manejar alta potencia, hasta un cientos de kW, y alta capacidad de energía, de hasta decenas de kWh dentro de un espacio limitado, peso y a un precio asequible. Extensos esfuerzos de investigación e inversiones se han dado para el avance de las tecnologías de baterías que hoy día son adecuadas para EVs todo el mundo.

Lexus NX 300h. Hibrido HEV Autocargable. 2018.

Como se muestra en la tabla, las dos principales tecnologías de baterías usadas actualmente en los EV son hidruro metálico de níquel (NiMH) e ion de litio (Li-ion). Casi todos los HEV disponible en el mercado hoy en día utilizan baterías de NiMH debido a su tecnología madura. Debido al potencial de obtener mayor energía específica y densidad de energía, se espera que la adopción de baterías Li-ion crezca rápidamente en EV, particularmente en PHEVs y BEVs. Cabe señalar que hay varios tipos de baterías Li-ion basadas en química similar pero ciertamente diferente.

Tecnologías y capacidades utilizadas por los distintos fabricantes

Varios términos han sido definidos para las baterías para caracterizar su funcionamiento, los términos comúnmente usados son resumidos a continuación como una referencia rápida.

Celda, módulo y paquete: Una sola celda, cell, es una batería completa con dos cables y compartimiento separado conteniendo los electrodos, separador y el electrolito. Un módulo, module, se compone de unas pocas celdas conectadas, ya sea por fijación física o por soldadura en el medio las celdas. Un paquete de baterías, battery pack, está hecho de módulos y localizado en un contenedor simple para la gestión térmica. Un EV puede tener más de un paquete de batería situado en ubicaciones diferentes en el auto.

Capacidad de amperio-hora: La capacidad de amperio-hora, Ah, es la capacidad de carga total que puede ser extraída de una batería completamente cargada en las condiciones especificadas. El valor nominal de Ah es la capacidad nominal de una batería nueva con full carga bajo condiciones predefinidas por el fabricante. Una condición nominal, por ejemplo, se puede definir como 20 ° C y descarga a 1/20 C-rate. La gente también usa la capacidad Wh, o kWh para representa una capacidad de la batería.

Capacidad Nominal Wh = Capacidad Nominal Ah x Voltaje Nominal de la Batería

C-rate: Se utiliza para representar una tasa de carga o descarga igual a la capacidad de una batería en una hora. Para una batería de 1.6Ah es igual a cargar o descargar la batería a 1,6A. Correspondientemente 0,1C será equivalente a 0,16A y 2C para cargar o descargar la batería es 3.2A.

Energia Específica: La energía específica, llamada tambien densidad de energía gravimétrica se usa para definir cuanta Energia puede almacenar una batería por unidad de masa. Se expresa en Watthours por Kilogramo (Wh/kg).

Energia Especifica= Capacidad Nominal Wh /Masa de la Batería en kg

La Energia específica de una batería es el parámetro clave para determinar el peso total de la batería para un rango de milla del Vehículo Eléctrico.

Potencia Específica: La potencia específica, tambien llamada densidad de potencia gravimétrica de una batería es el pico de potencia por unidad de masa. Se expresa en Wattios por Kilogramo (W/kg).

Potencia Especifica= Potencia Nominal Pico/Masa de la Batería en kg

Densidad de Energia: Es tambien referido como densidad volumétrica de Energia, es la Energia nominal de la batería por unidad de volumen en litros (Wh/l).

Tecnologías de baterías utlizadas por los distintos fabricantes

Potencia Pico: La potencia pico es definida de la siguiente forma

Donde Voc es el voltaje de circuito abierto y R la resistencia interna de la batería. La potencia pico es definida como la condición cuando el voltaje es 2/3 del voltaje de circuito abierto.

Voltaje Cut-off: Es el minimo voltaje permisible especificado por el fabricante. Se puede interpretar como el estado vacío de la batería.

SOC – Estado de Carga: Es la capacidad remanente de la batería y puede ser afectado por las variaciones de las condiciones de funcionamiento como la corriente de carga y temperatura.

SOC es un parámetro de condición crítica para el manejo de las baterías. Una medición exacta del SOC es bastante complicada, pero es la clave para un funcionamiento saludable y seguro de las baterías.

DOD – Profundidad de la Descarga: Es utilizado para indicar el porcentaje de la capacidad de la batería que ha sido descargada. Para baterías de ciclo profundo, estas pueden ser descargadas hasta 80% o más.