Baterías de Ion Litio ¿Cómo funcionan y por qué se utilizan en vehículos eléctricos?
El uso de baterías de Ion Litio se ha expandido en la industria automotriz. Los nuevos vehículos eléctricos utilizan esta tecnología para proveer energía a los sistemas de transmisión de potencia.
Inicialmente fue creada para uso en dispositivos pequeños de consumo masivo, y sustituye en muchos casos a las Baterías de Níquel Metal Ni-Mh y Níquel Cadmio Ni-Cd.
¿Cómo funcionan las nuevas baterías de Lion Litio Li-Ion?
Las baterías de Ion Litio cuentan con depósito para un líquido iónico conductor llamado electrolito. Sobre este electrolito circulan electrones que crean una diferencia de potencia cuando se mueven de un lado positivo a otro negativo.
Estos lados positivo y negativo se denominan electrodos de la batería.
Cuando la batería se encuentra emitiendo carga al vehículo, los electrones acumulados en el electrodo negativo se liberan a través de un circuito externo, y así se movilizan internamente hacia el electrodo positivo.
Esta es la etapa de descarga o fase de descarga de la batería.
Por otra parte, en el sentido contrario, cuando se genera la fase de carga de la batería, la energía de la fuente de carga, hace que los electrones se movilicen desde el electrodo positivo al negativo, efectuando así la etapa o fase de carga de la batería.
Tipos de batería de Iones
Las baterías de Iones de Plomo Ácido han sido utilizadas tradicionalmente en la industria automotriz. Son las baterías que vemos comúnmente en los autos de combustión interna.
Son normalmente de 12 Voltios y los iones son de plomo, así como sus electrodos. El tiempo de carga es mucho más lento (8 horas aproximadamente para cargar al 100%).
Además las baterías de Ion Plomo Ácido sufren de recalentamiento si se somete a una carga constante, y son altamente contaminantes y peligrosas de manipular.
Por otra parte las baterías de Ion Litio son mucho más eficientes en los procesos de carga y descarga constante. Evitan el efecto memoria que se produce al someter las baterías a ciclos constantes de carga y descarga. No emiten gases y son libres de mantenimiento.
Uso en de baterías Ion Litio en Autos Eléctricos ¿Cómo es su disposición?
Para lograr la capacidad de carga y potencia de un auto convencional de pasajeros, las baterías de estos vehículos consta de un conjunto o paquete de celdas de Ion Litio conectadas mediante un circuito, monitoreado a través de una computadora única e independiente.
Dependiendo del voltaje requerido por cada marca de autos, o el uso del mismo, así será la cantidad de celdas y la disposición de las mismas.
Normalmente estas baterías están ubicadas debajo de los asientos traseros dentro del habitáculo, o en el maletero. En algunos vehículos más modernos, por su gran tamaño, están ubicadas en la parte inferior del auto. Cubiertas por una carcasa de aluminio, y protegidas de la humedad.
Esta capacidad de almacenaje de electricidad se mide en Kilovatios – Hora kWh, y es común en estos autos que en el tablero de instrumentos, en lugar de encontrar medidor de RPM se encuentre el medidor de potencia en KW exigida al acelerar. Así como el almacenaje de kW restantes en lugar de medidor de gasolina.
Propiedades de las Baterías de Ion Litio Automotriz.
- Mayor Densidad Energética: Esto se refiere a la capacidad de carga en Wh vs el peso en Kg, es decir que obtienen una mayor capacidad de carga energética, en un menor peso o volumen con respecto a otros tipos de baterías.
- Menor tiempo de carga: Su tiempo aproximado de carga es de 1 hora, con respecto a otros tipos de baterías, lo que significa poder utilizar el vehículo mucho más tiempo.
- Baja pérdida por auto-descarga: esto se refiere a que no pierde su carga cuando el vehículo no está en uso, o es una pérdida muy mínima, logrando así que el vehículo esté disponible a pesar de periodos prolongados de desuso.
- Densidad de Potencia: Las Baterías de Ion litio ofrecen una mayor densidad de potencia, esto significa que entregan una mayor capacidad en Vatios W sobre su peso en Kilogramos Kg. Este factor es fundamental pata obtener una respuesta eficiente en las exigencias de potencia del auto (Aceleradas, subidas de cuesta, rebasar en carretera). Logrando así mayor seguridad en la conducción.
Aún falta mucho por recorrer en el desarrollo de baterías para la industria automotriz, sin embargo son muchos los avances que se han logrado.
En nuestros mercados es importante estar capacitados para enfrentar todo este tipo de tecnologías mediante capacitación en vehículos híbridos y eléctricos.
Uno de las principales demandas para los talleres automotrices consiste principalmente en baterías e inversores, por lo que el abanico de posibilidades se abre sustancialmente para los técnicos capacitados en este tipo de tecnologías.
Baterías de Vehículos Híbridos y Eléctricos
Los vehículos híbridos y eléctricos empiezan a destacar en las cifras de ventas de autos, gracias a su desempeño y eficiencia. Además por disminuir la contaminación ambiental. Sin embargo las baterías de vehículos Híbridos y Eléctricos generan un desafío para los talleres automotrices.
Importancia de Baterías de Vehículos Híbridos y Eléctricos
Las baterías o paquete de batería, en los vehículos híbridos y eléctricos son considerados el componente principal del sistema.
En los autos híbridos, el sistema de Batería y Motor Eléctrico, complementan el motor de combustión interna. Sin embargo en los vehículos eléctricos, la batería juega el papel principal, y su mal funcionamiento afecta la operación completa del auto.
Las baterías en vehículos híbridos y eléctricos son diferentes dependiendo su origen de fabricación. Las más conocidas son las baterías de Iones de Litio. También es común la batería de Níquel-Metal (NiMH) y la batería de ácido de plomo sellada.
Batería de Ión Litio
La Batería de Ión Litio de uso automotriz, es también utilizada el Laptops y Celulares, su ventaja es que es liviana y conserva su carga incluso cuando no está en uso durante tiempo prolongado.
Este tipo de baterías no demandan de mantenimiento frecuente. Sin embargo, este tipo de baterías necesitan reemplazo (o regeneración) cada 2 o 3 años para que el vehículo híbrido y eléctrico funcione a plena capacidad.
Dentro de las últimas investigaciones se han desarrollado, baterías de polímero de iones de litio y también baterías de Litio-Aire o Li-Air.
Las Batería de Ión-Litio se usan en vehículos como:
- Nissan Leaf
- Toyota Prius Prime
- Honda Fit
El Toyota Prius Prime cuenta con cinco pilas de baterías de iones de litio. Cada una de estos paquetes tiene 19 celdas (25 Amperio Hora o Ah) cada uno (95 en total y 8,8 kWh ). El voltaje completo de esta batería es de 351.5 V (95 veces 3.7 V).
Baterías de Hidruro de Níquel Metal (NiMH)
La batería de hidruro de níquel-metal (NiMH) se utiliza instalando varias celdas de manera simultánea para obtener la capacidad de operación de un vehículo.
Principalmente cuentan con un voltaje de 1.2 Voltios por cada celda. Una desventaja de este tipo de baterías, es que sufren de auto descarga. Es decir que la energía se pierde alrededor de un 5% durante su fase de almacenaje.
Usos de la Batería de Níquel Metal:
- Honda Híbrido Insight
- Toyota Prius Híbrido
- Ford Escape Híbrida.
En los primeros modelos de autos híbridos y eléctricos, como es el caso de General Motor EV o Toyota Rav4 EV se utilizaban baterías de plomo convencionales. Sin embargo esta práctica quedó en el pasado, porque son muy ineficientes, pesadas y causan mucho riesgo de contaminación por ácidos en la cabina.
Es importante que el técnico automotriz estudie sobre el mantenimiento y restitución de estos paquetes de baterías, ya que es una excelente oportunidad de negocio para los talleres automotrices.
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Así funciona un Tesla
Cómo funciona un Tesla es algo que nos intriga a todos, puesto que su popularidad crece día a día. El Tesla Model S y Tesla Roadster utilizan una tecnología que les permite lograr una autonomía suficiente para recorrer unos 300 Millas Reales con una sola carga.
Mediante un cargador conectado al sistema de suministro de energía eléctrica local, se carga un paquete de baterías de 100 kWh. El conjunto de la batería del Tesla usa paquetes de Ión Litio, y puede ser cargado en 220 o 110 Voltios, dependiendo la fuente de corriente.
El cargador consume una corriente de 70 Amperes, y tarda unas 3,5 horas en recibir una carga completa. Sin embargo el fabricante recomienda conectar durante las noches al suministro.
Tesla Funcionamiento
Los autos Tesla funcionan mediante tres sistemas principales:
- El Sistema de Almacenamiento de Energía (ESS)
- Módulo de Electrónica de Potencia (PEM)
- Motor Eléctrico empalmado con la Transmisión.
En lugar de combustibles fósiles, el Tesla tiene un banco de baterías o paquete de baterías que se conoce como Sistema de Almacenamiento de Energía (ESS) . Por ejemplo, para aprender còmo funciona un tesla, estudiemos el modelo Tesla Roadster la batería cuenta con 11 paquetes de 621 baterías de Ión Litio cada uno. Para un total de 6831 baterías.
El peso de este paquete de batería en este modelo puede llegar a los 1000 kilos. La baterías cuentan con una gestión computarizada que controla toda la gestión de carga y descarga. Cada paquete cuenta con su propio procesamiento mediante software.
Cómo funciona un Tesla y sus sistemas de seguridad para la batería.
Cómo métodos de seguridad, el Tesla cuenta con un monitoreo con sensores para el conjunto de la batería. Un acelerómetro, un detector de humo, un sensor de sobre voltaje, un sensor de temperatura, realizan los controles para cortar el suministro y ademàs evitar que la batería explote o incendie en caso de accidentes.
Inversor Tesla o Inverter
El Módulo Electrónico de Potencia (PEM) es un inversor de energía que convierte la energía que viene de la batería de Corriente Continua a Corriente Alterna para alimentar el motor y suministrar potencia. Para esto el inversor del Tesla utiliza en su interior 72 transistores IGBT o transistor bipolar de puerta aislada.
Estos transistores IGBT son conocidos como el Coil Tesla, y estos se calientan, por lo tanto cuenta con un sistema de refrigeración, en el cual se aprovecha también este calor para la calefacción del auto. Mejorando así la eficiencia del aire acondicionado.
El Módulo Electrónico de Potencia (PEM) controla también los niveles de voltaje, RPM del motor, el sistema de frenado regenerativo y el par del motor.
¿Qué son los frenos regenerativos?
El sistema de frenos regenerativo consiste en la facultad que tiene el motor de aprovechar la inercia en el frenado del auto, para que a través del PEM o inversor, esta energía sea devuelta al paquete de baterías.
Motor y Transmisión del Tesla
Por último, el Tesla utiliza un motor eléctrico que consta de un rotor y un estator. El estator en un motor eléctrico es la parte fija, mientras que el rotor es el que se mueve mediante campos magnéticos, transformando así la energía eléctrica en mecánica, y en el caso del tesla dirigida directamente a las ruedas.
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