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La prueba de la batería de refrigeración eléctrica
A finales de este mes, dos nuevos autos eléctricos, el GM Volt y el Nissan Leaf, comenzarán a aparecer en las calzadas ecológicas de los Estados Unidos.
Batería incluida: Los técnicos cargan una batería en un Chevrolet Volt en preproducción.
El Nissan Leaf promete 73 millas por carga eléctrica, mientras que el GM Volt obtiene 35 millas por carga, aunque también tiene un motor de gasolina de respaldo para viajes más largos. Pero GM y Nissan están adoptando enfoques diferentes para garantizar que las baterías de estos autos duren y permanezcan seguras. La forma en que funcionan estas baterías en los próximos años indicará qué enfoque es mejor y podría dar forma al diseño de los futuros automóviles eléctricos e híbridos enchufables, que todos los principales fabricantes de automóviles han prometido. Algunos críticos dicen que el diseño del paquete de baterías de Nissan, que usa un sistema de enfriamiento relativamente simple, podría permitir que las baterías se sobrecalienten, disminuyendo la vida útil de la batería y planteando un problema de seguridad.
Tanto GM como Nissan usan baterías de iones de litio (una tecnología que se ha utilizado durante mucho tiempo en computadoras portátiles y teléfonos móviles) en lugar de baterías de hidruro metálico de níquel, que han demostrado ser confiables en híbridos de gas y electricidad como el Toyota Prius, pero que son voluminosos y pesado.
Al elegir los de iones de litio en lugar de níquel e hidruro metálico, GM y Nissan se arriesgan porque estas baterías aún no han demostrado ser confiables en el exigente papel de propulsar un automóvil. Las baterías de los automóviles deben soportar temperaturas extremas, fuertes sacudidas y vibraciones continuas de la carretera, y deben funcionar bien durante aproximadamente una década. En algunos casos raros, las baterías de iones de litio pueden sobrecalentarse y prenderse fuego, un problema que ha requerido retiradas masivas de algunas baterías de portátiles. Las baterías necesarias para los vehículos eléctricos también deben almacenar mucha más energía, por lo que un incendio causado por baterías de automóviles podría ser particularmente peligroso.
Otro inconveniente del uso de baterías de iones de litio es que pierden rápidamente la capacidad de mantener la carga. Después de un par de años de uso, no es raro que almacenen la mitad de energía que cuando eran nuevos. Los fabricantes de automóviles quieren baterías de automóvil que duren toda la vida útil de un vehículo, entre ocho y 15 años.
Para abordar estos problemas, GM y Nissan han realizado cambios significativos en las baterías de iones de litio que están usando. En lugar de usar óxido de litio y cobalto, el material preferido en las baterías de portátiles debido a su alta densidad de energía, como electrodo, están usando óxido de litio y manganeso, que almacena una cantidad relativamente grande de energía, pero es más estable, en parte debido a la disposición de sus átomos. En un electrodo de óxido de manganeso, los átomos forman una estructura tridimensional que mantiene su forma incluso cuando los iones de litio entran y salen del electrodo cuando la batería se carga y descarga. La estructura menos estable de los materiales de los electrodos de batería convencionales puede dañarse a medida que los iones de litio entran y salen, lo que acorta la vida útil de una batería.
GM y Nissan también han cambiado de una forma cilíndrica para las baterías (las celdas de batería dentro de los paquetes típicos de computadoras portátiles parecen baterías AA grandes) a una forma rectangular plana que ahorra espacio y también permite que el calor escape mejor. El sobrecalentamiento puede dañar las baterías, disminuir su capacidad para almacenar carga y, en algunos casos, puede conducir a un fenómeno llamado fuga térmica, cuando las temperaturas elevadas dan lugar a reacciones químicas que generan aún más calor, lo que eventualmente resulta en un incendio.
Pero las grandes diferencias surgen cuando observas cómo GM y Nissan diseñaron sus paquetes de baterías: la colección de celdas de batería, componentes electrónicos y controles de temperatura que componen la batería completa. La mayor diferencia es cómo las empresas eligen controlar la temperatura de los paquetes. Nissan ha optado por un diseño sencillo, utilizando un ventilador para enfriar sus baterías. Dice que la forma plana de las celdas de la batería hace innecesario un enfriamiento adicional. El diseño de GM es más complejo. Un refrigerante líquido lleva el líquido más allá de la superficie de cada celda del paquete y hasta un pequeño radiador fuera del paquete.
Los sistemas de refrigeración líquida pueden alejar el calor de las celdas de la batería más rápidamente que la refrigeración por aire. Además, la refrigeración líquida es mucho más compacta, dice Bill Wallace, director de sistemas globales de baterías de GM. Puede mover mucho más calor y moverlo de manera mucho más uniforme.
Wallace dice que se eligió la refrigeración líquida para garantizar que todas las celdas de un paquete estén dentro de dos ° C entre sí. Además de prevenir la sobrecarga, el control de temperatura es la perilla más importante que puede girar para mejorar la duración de la batería, dice.
La refrigeración líquida es el enfoque elegido por Tesla Motors, que fabrica un automóvil deportivo eléctrico que utiliza celdas de batería de iones de litio que fueron diseñadas originalmente para otras aplicaciones. El método de enfriamiento asegura que incluso si algunas celdas se sobrecalientan y se incendian, el resto no lo hará. En una reciente llamada de ganancias con inversores, Elon Musk, director ejecutivo de Tesla Motors, criticó el diseño de Nissan y dijo que podría provocar que las temperaturas estuvieran por todas partes, lo que podría degradar el rendimiento de la batería.
Debido a que el clima frío puede limitar la cantidad de carga que puede almacenar un paquete de baterías y causar daños a la batería, el paquete de GM también tiene un calentador resistivo de 1.800 vatios para evitar que el paquete de baterías se enfríe demasiado. Nissan recomienda un paquete para clima frío que incluye un calentador de batería, pero este no viene de serie. Y la opción no está disponible para los primeros Leafs que salen de la línea de ensamblaje y no se puede agregar a un automóvil más adelante. Si el paquete Leaf se enfría demasiado o se calienta demasiado, entra en un modo de potencia limitada, que restringe la aceleración y la velocidad máxima.
El Volt también está diseñado para mantener una cierta cantidad de carga en reserva cuando el automóvil es nuevo para ayudar a preservar la vida útil de la batería. A medida que la batería envejece, parte de esta capacidad de reserva se liberará, lo que ayudará al automóvil a mantener su autonomía eléctrica a lo largo del tiempo. GM espera que la capacidad de la batería disminuya entre un 10 y un 30 por ciento durante la vida útil del automóvil (alrededor de ocho a 10 años). Nissan no ha dicho si utilizará un enfoque similar, pero ha dicho que la capacidad de la batería del Leaf se reducirá un 30 por ciento en 10 años. También se ha observado que la exposición a altas temperaturas podría reducir la capacidad de la batería más rápidamente.