Batería de iones de litio para coche--Aplicación de la batería de iones de litio en el coche
Cuatro tipos de baterías de iones de litio para coches
Batería de ión litio para automóviles: las aplicaciones de las baterías de ión litio en el campo de los vehículos de motor se dividen principalmente en cuatro tipos: ① Vehículos eléctricos microhíbridos (uHEV); ② Vehículos eléctricos híbridos (HEV); ③ Vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV); ④ Vehículos eléctricos puros, incluidos los vehículos eléctricos de autonomía extendida o los vehículos eléctricos de pila de combustible.
Vehículos eléctricos microhíbridos
Vehículos eléctricos híbridos
Las ventas de microhíbridos han crecido significativamente en los últimos años debido a la reducción de dióxido de carbono y las normas de ahorro de combustible, con más de 50% de los coches nuevos en Europa con tecnología relacionada con microhybrids.Microhybrid vehículos eléctricos son básicamente sistemas externos de 12V y 48V. La mayoría de los sistemas de 12V se basan en baterías de plomo-ácido, pero poco a poco se están pasando a las baterías de iones de litio para coches, con la mayoría de los diseños de vapor a 250Wh. En estas aplicaciones, en las que la batería no tiene otra función que la de parar y arrancar, el sistema de batería de coche de ión litio de 48V puede tener más funciones, la mayoría a 500Wh y 1000Wh.
La diferencia entre los 48 V y Batería de iones de litio de 12 V sistemas es que El vehículo eléctrico microhíbrido de 48 V dispone de la energía necesaria para captar el frenado regenerativo, proporcionar potencia y alimentar los compresores de aire acondicionado y los sistemas auxiliares.
No hay normas sistemáticas para los microhíbridos, y los diseñadores diseñan los paquetes de baterías de iones de litio en función de las características del vehículo o del tamaño de la batería de plomo. Johnson Controls utiliza baterías estándar de 48 V como baterías de arranque-parada para sus coches. La empresa aún no ha publicado datos sobre el sistema de baterías de sus coches, pero basándose en el proceso de las celdas, se especula que 13 celdas en serie y en paralelo son PL6P o PL27P, con energías de 288 Wh (48,1V&6Ah) y 1,3 kWh (48,1V&27Ah).
Los automóviles Mercedes Benz de la serie Mercedes utilizan un sistema de 12 V, con batería de plomo como fuente de alimentación. En Europa, se utilizan sistemas similares para esta serie, incluidos los modelos B, C, CLA, CLS, E, G, GL, GLA, GLK.M, S, SLA.SLK y SLS AMG.
Vehículo eléctrico híbrido enchufable y vehículo eléctrico de autonomía extendida
La batería de iones de litio también se utiliza mucho en vehículos eléctricos híbridos. Los vehículos eléctricos híbridos se dividen en dos tipos: vehículos eléctricos híbridos ligeros y vehículos eléctricos híbridos potentes. El voltaje de la batería de los vehículos eléctricos híbridos ligeros es bajo, generalmente de 110~250 V; el voltaje de la batería de los vehículos eléctricos híbridos potentes es de 330-350 V. Ambos híbridos utilizaron baterías de níquel-hidruro metálico en su primera generación, pero están cambiando gradualmente a baterías de iones de litio.
Gm presentó el Chevrolet Malibu en 2010, alimentado por baterías de níquel-hidruro metálico fabricadas por Cobasys e instaladas en el maletero del coche con tecnología de refrigeración por aire de 36 V. En la segunda generación, GE sustituye la batería de nimH por una batería de iones de litio para automóviles, aumenta el voltaje del sistema a 110 V y ofrece varias funciones nuevas, como la aceleración y la mejora de las capacidades de frenado regenerativo de captura.
El mejor ejemplo de vehículo eléctrico híbrido fuerte es el Toyota Prius, que es el vehículo eléctrico híbrido más popular y dominante en el mercado actual. El Prius ha funcionado únicamente con baterías de níquel-hidruro metálico, y sólo el Prius híbrido enchufable utiliza baterías de iones de litio. La batería de níquel-hidruro metálico del Prius consta de 168 celdas de 6,5 Ah ensambladas en 28 módulos, que proporcionan 201 V de tensión y 1,3 KWH de energía. Los coches de Toyota utilizan un sistema de refrigeración por aire que introduce aire en el paquete de baterías a través de un ventilador incorporado y lo expulsa por el otro extremo.
La batería del Prius híbrido pesa 42 kg y va montada bajo el asiento trasero. La tabla compara las baterías de los distintos vehículos eléctricos híbridos Prius. En ella se muestra cómo el diseño reduce la tensión de 288 V a 200 V al reducir el número de celdas de 240 en el módulo de la primera generación a 168 en el de la cuarta. Además, Toyota ha ido sustituyendo la batería cilíndrica por una cuadrada desde la segunda generación, lo que se ha mantenido hasta la actualidad. Con el éxito de la tecnología, Toyota la bautizó como "Co-drive híbrido", que ahora se ha extendido a otros vehículos eléctricos y marcas.
A continuación hablaremos de los vehículos eléctricos híbridos enchufables. Aunque los híbridos enchufables suelen considerarse una forma de transición de los vehículos eléctricos puros, personalmente creo que siguen siendo muy importantes. En los vehículos eléctricos híbridos enchufables, los motores de combustión interna y las baterías se instalan al mismo tiempo, y la energía de la batería suele ser de 7-16kwh. La desventaja es que contiene dos cadenas cinemáticas, un sistema de baterías de iones de litio y un motor de combustión interna.
El principio básico de esta tecnología es que la batería y su sistema de alimentación proporcionan una conducción totalmente eléctrica de 16-64 km. Cuando la energía de la batería se agota, el motor de combustión interna empieza a funcionar y sigue proporcionando potencia. En este momento, el vehículo eléctrico híbrido enchufable no es ni un motor de combustión interna puro ni un vehículo eléctrico puro, al igual que el vehículo eléctrico híbrido tradicional. Esto también mejora el ahorro de combustible y proporciona una autonomía comparable a la del coche de combustible.
Diferentes empresas de baterías de ión litio tienen ideas diferentes sobre la potencia de la batería y la autonomía que puede tener un híbrido enchufable. Algunos estudios han llegado a la conclusión de que alrededor del 80% de los conductores estadounidenses recorren menos de 64 kilómetros al día para ir y volver del trabajo, razón por la cual los híbridos enchufables han ido aumentando su autonomía hasta menos de 64 kilómetros. Toyota suele ofrecer una autonomía eléctrica más corta, de unos 16 km; la autonomía eléctrica diseñada por Gm es de unos 64 km; Ford optó por una autonomía eléctrica de 20 km. Los usuarios pueden elegir distintos tipos de coche en función del kilometraje medio diario.
El vehículo eléctrico de autonomía extendida es muy similar al vehículo eléctrico híbrido enchufable. La principal diferencia radica en si los dos sistemas de alimentación se diseñan en paralelo o en serie, lo que se analizará aquí.
El vehículo eléctrico híbrido enchufable adopta una configuración en paralelo, el vehículo eléctrico se alimenta directamente del motor de combustión interna o de la batería de iones de litio del coche. El vehículo eléctrico de autonomía extendida se construye en serie. En realidad, el motor de combustión interna no está conectado directamente a la transmisión, sino que se utiliza un generador para alimentar el vehículo eléctrico. Cuando la batería está baja, el motor se utiliza para generar electricidad para cargar la batería y funcionar en el rango de velocidad óptimo, y la batería proporciona energía al motor eléctrico que impulsa directamente el vehículo. Un vehículo de autonomía extendida es esencialmente un modelo de coche eléctrico, pero con un motor y un generador adicionales.
He aquí algunos ejemplos de vehículos eléctricos de autonomía extendida. El Toyota prius plug-in utiliza una batería de coche de iones de litio de 4,4 kwh, suministrada por Prime Earth Electric Vehicle, una empresa conjunta de Toyota y panasonic, que proporciona una autonomía de 16 a 24 km, dependiendo de la estabilidad, el estilo de conducción y otros factores. Como la batería es relativamente pequeña, puede recargarse rápidamente, tardando sólo 90 minutos con un cargador de 240 V y 3 horas con uno de 120 V. La batería pesa unos 80 kg y se instala en el maletero. Según el Instituto de Defensa Medioambiental, el Prius enchufable recorre 40 kilómetros por litro de gasolina y consume unos 29 kWh por cada 160 kilómetros.
En Estados Unidos, Ford Motor Company ha utilizado la misma tecnología de baterías de iones de litio para impulsar otro tipo de coches eléctricos. El primero fue el vehículo eléctrico enchufable Ford C-Max Energi, seguido del Ford Fusion Energi, cuyo lanzamiento está previsto para 2012 (el Escape de tercera generación ha sido el SUV número uno en ventas mensuales en Estados Unidos desde su lanzamiento en 2012). Para mantener bajos los precios de las baterías, Ford intentó utilizar el mismo sistema de baterías en la medida de lo posible. Los autores confirman este hecho a partir de reuniones con el equipo de Ford. Esto hace que la cuota de mercado de la serie Ford de vehículos eléctricos sea mayor y que los costes de las baterías se reduzcan más rápidamente.
Los híbridos enchufables Ford C-Max Energi y Fusion Energi están propulsados por el pack de baterías de 7,6kwh de Panasonic, con una autonomía de unos 32km, una autonomía de unos 37km por litro de gasolina, y un consumo de 160km de unos 37kWh. En el sistema del C-MAX, el pack de baterías de iones de litio del coche está montado en el maletero, con un sistema de refrigeración por aire y un ventilador como dispositivo de transporte de aire, que se descarga desde la parte superior del pack de baterías de iones de litio del coche hacia los laterales. El mayor reto de los dispositivos de Ford que utilizan exactamente el mismo paquete de baterías es que la batería no se monta específicamente para cada vehículo, por lo que el conjunto no tiene por qué coincidir bien en todas sus aplicaciones.
El mejor ejemplo de vehículo eléctrico de autonomía extendida es el Chevrolet Volt de General Motors co. Combinado con el paquete de baterías de iones de litio para coches de 16,5KWh de LG chem y un pequeño motor de combustión interna, el Volt tiene una autonomía de unos 60km, una autonomía de unos 35km por litro de gasolina, y un consumo de energía a 160km de unos 35kWh.
El pack de baterías de iones de litio del Volt está montado en los bajos del coche, en forma de T, en la zona del eje de transmisión delantero y el depósito de combustible; se utiliza refrigeración líquida para garantizar que la batería pueda trabajar a una temperatura adecuada sin sobrecalentarse ni enfriarse. El pack de baterías del Volt, denominado "Voltec", consta de 288 celdas flexibles de iones de litio para baterías de coche en cuatro módulos. Cada célula está aislada por un anillo de plástico en un lado y un radiador de aluminio en el otro.
El terminal de electrodo de la célula se conecta a la parte superior del módulo en serie o en paralelo. El pack de baterías Voltec tiene un dispositivo de interrupción en el centro y puede accionarse desde el habitáculo. Para controlar la temperatura de la cadena de baterías, la cadena de baterías de iones de litio para coches se envuelve con material aislante térmico.
Vehículos eléctricos puros
En la actualidad, la marca de vehículos eléctricos puros más conocida en el mercado es Tesla. El primer modelo es el Roadster, y posteriormente se desarrolla la segunda generación del turismo Model-S. Los coches eléctricos puros se diferencian de los híbridos en que funcionan 100% con baterías y no tienen motor de combustión interna.
En cuanto al sistema de baterías, Tesla es completamente diferente de otros fabricantes. En lugar de intentar resolver el problema de la seguridad y reducir la complejidad del paquete de baterías desde el punto de vista de la célula de la batería, adopta la célula de columna de iones de litio estándar 18650 que se ha producido en masa. Se trata de la pila de iones de litio con mayor madurez tecnológica hasta el momento, y su coste es fácilmente aceptado por los consumidores. Pero, al mismo tiempo, el paquete de baterías de iones de litio para coches es el mayor factor de coste, ya que un paquete de baterías de 80 kWh contiene unas 7.000 celdas, por lo que controlar el coste de la batería es extremadamente importante.
En el Roadster, el pack de baterías de iones de litio para coches de Tesla utiliza un total de 6.831 18.650 celdas. Cada 69 celdas se ensamblan formando un "ladrillo", 9 ladrillos se conectan en serie para formar una "lámina" y 11 láminas se conectan en serie para formar un pack de baterías de iones de litio para coches.
Tesla afirma que ha desarrollado un paquete de baterías capaz de evitar la propagación de accidentes por fuga térmica, pero no ha revelado el proceso exacto. Sin embargo, varios accidentes ocurridos en los últimos años han puesto en duda la fiabilidad de estos procesos. El Tesla Roadster utiliza un sistema de refrigeración líquida para controlar continuamente la temperatura de su paquete de baterías, que se instala en el asiento trasero del coche y se guarda en el maletero.
El paquete de baterías de iones de litio para coches Moder-S de Tesla aumenta hasta los 85 kWh y utiliza 7.104 18.650 celdas. A diferencia de la primera generación, el pack de baterías de la segunda es extremadamente plano. Esta batería de iones de litio para coches sólo mide 15 cm de alto y está montada en la parte inferior del coche, con una amplia envergadura desde el eje trasero hasta el delantero y desde el lado izquierdo hasta el derecho del coche. El Roadster no proporcionó una fuente de baterías, y el Model-S utiliza la célula NCA18650 de Panasonic, que tiene dos sistemas de 60kWh y 85kWh.
Renault-nissan presenta una variedad de vehículos eléctricos puros, el más famoso y vendido de los cuales es el Nissan Leaf. El Leaf utiliza un pack de baterías de iones de litio de 24 kWh suministrado por Automotive Energy Supply (AESC), una empresa conjunta de Nissan y NEC. El pack consta de 192 celdas de bolsa en un módulo de cuatro, dos en serie y dos en paralelo.
Los módulos se apilan, cada uno se sella individualmente y el calor se transfiere del núcleo a la capa metálica exterior del módulo a la capa exterior del paquete de baterías mediante un sistema pasivo de gestión térmica. El sistema de gestión de la batería del Leaf se gestiona de forma centralizada, con una única unidad de control conectada a cada módulo mediante un mazo de cables. El pack de baterías de iones de litio del coche está montado en la parte inferior, con un sellado integral diseñado para evitar la entrada de polvo y líquidos.
Renault, la empresa hermana de Nissan Leaf, ha lanzado una serie de vehículos eléctricos puros, como el Renault Twizy, un pequeño coche urbano para dos personas que funciona con una batería de ión litio de 6,1kwh; el Renault Zoe, una berlina mediana de cuatro puertas, funciona con una batería de ión litio de 22kwh;
El Renault Kangoo Van, alimentado por una batería de iones de litio de 22kwh, es una de las características más interesantes de los coches eléctricos de Renault, que disfrutan del servicio de intercambio de baterías de Renault, que permite a los consumidores sustituir las baterías agotadas por otras nuevas en las estaciones de servicio Renault Quickdrop. Inicialmente, todos los coches eléctricos de Nissan y Renault utilizaban baterías AESC, pero recientemente se ha empezado a buscar un nuevo proveedor de baterías para reducir el precio.
Ford lanzó un vehículo eléctrico puro llamado Focus, que originalmente se convirtió de un sistema de motor de combustión interna a un sistema eléctrico puro Magna E-Car. Su sistema de alimentación por batería de iones de litio de refrigeración líquida para automóviles de 23 kWh se integró sustituyendo el motor de combustión interna por un propulsor eléctrico mediante una batería de refrigeración líquida de 23 kWh diseñada por LG Chem.
Este inusual diseño de sistema de batería, viene en dos cajas separadas. Una caja se monta debajo del asiento trasero y la segunda en el maletero. El sistema de gestión térmica refrigerado por líquido garantiza que las temperaturas de las dos cadenas de baterías sean prácticamente iguales. Además, al utilizar una solución de sistema refrigerada por líquido, la batería se mantiene a la temperatura adecuada tanto en invierno como en verano.
Gm también ha lanzado un coche pequeño totalmente eléctrico, el Chevrolet Spark, que originalmente funcionaba con el paquete de baterías de litio hierro fosfato de 21,3 kWh de A123, pero en su modelo de 2014, el ensamblaje de las baterías fue completamente reensamblado por la estadounidense LG Chem.
El montaje de las baterías también se realiza "casi en casa", en una planta de montaje construida por GENERAL Motors junto a la batería del Volt, en la zona de Brownstone. Los nuevos paquetes de baterías de iones de litio para coches tienen una capacidad ligeramente inferior, en torno a 19 kWh, pero ambos cumplen el requisito de tener la misma autonomía que la batería original. Este cambio permite a GE generalizar tanto el diseño de las celdas como el de los módulos para ayudar a reducir el coste de las baterías. Aunque la electricidad y el sistema de control de la batería sean los mismos, el proceso de montaje del pack de baterías se ha rediseñado por completo para poder ensamblar la batería dentro del Spark. El pack de baterías de iones de litio para coches se instala debajo del vehículo, por ejemplo, bajo el asiento trasero y el maletero.
Vehículos eléctricos de pila de combustible
Las pilas de combustible pueden cambiar las reglas del juego en el sector de la producción de energía y el transporte. Las pilas de combustible utilizan una membrana electrolítica polimérica (membrana de intercambio de protones) y emplean hidrógeno como fuente de combustible más oxígeno del aire para producir electricidad. En realidad son generadores, pero suelen requerir una reserva de energía de carga relativamente pequeña para garantizar un suministro constante de electricidad, lo que convierte a las FCV en eléctricas. La integración de sistemas de almacenamiento de energía mediante el uso de pilas de combustible permite reducir el tamaño de los tanques de almacenamiento de hidrógeno añadiendo baterías más grandes. La batería de iones de litio del coche también permite al vehículo compensar la energía en la frenada regenerativa.
La mayoría de los fabricantes de automóviles ya están trabajando en vehículos de pila de combustible. Honda ha presentado el Honda FCX Clarity de pila de combustible, que incorpora una batería de iones de litio de 288 V. Del mismo modo, Hyundai ha presentado el Tuscon, un vehículo de pila de combustible que incorpora una batería de iones de litio de 188 V. General Motors presentó la última tecnología de pila de combustible y planeó alcanzar la producción en serie, mientras que Toyota, BMW, mercedes-benz, Mazda, fiat, audi, nissan y Volkswagen empezaron a desarrollar vehículos de pila de combustible.
Las pilas de combustible también se utilizan en el campo del almacenamiento de energía a gran escala e incluso desempeñan un papel importante en el desarrollo de algunos países o regiones. En Japón, las pilas de combustible pequeñas se utilizan a menudo como fuentes de energía de reserva domésticas.
Aunque muchos fabricantes están desarrollando pilas de combustible, puede que pase algún tiempo antes de que estén listas para su uso a gran escala. La tecnología de las pilas de combustible se está desarrollando rápidamente. El principal problema de la aplicación industrial es cómo construir la infraestructura de suministro de oxígeno. Sólo cuando el suministro de energía de hidrógeno esté bien desarrollado, la pila de combustible podrá captar la atención de la gente en su aplicación práctica.
Todas las anteriores son baterías de potencia relativamente grande para coches. En una amplia gama de escenarios de aplicación, las baterías de iones de litio se utilizan a menudo como baterías para carritos de golf para propulsar vehículos ligeros.
