Vehículos eléctricos: la necesidad de una batería
Desde tiempos inmemoriales, el hombre ha ido inventando nuevas máquinas para mejorar su comodidad de vida y tener más productividad en las fábricas. Los vehículos eléctricos nacieron a mediados del siglo XIX y los vehículos eléctricos/híbridos modernos se desarrollaron a finales del siglo XX. Estos vehículos eléctricos se consideraron más cómodos y fáciles de manejar en comparación con los vehículos con motor de combustión interna. Pero ahora esto último ha creado un problema medioambiental. En la búsqueda actual para salvaguardar nuestro medio ambiente y tener más formas de utilizar fuentes de energía sostenibles y renovables, la industria del automóvil tiene el papel más importante que desempeñar.
Esta industria es la más contaminante en cuanto a las emisiones del tubo de escape de sus productos. Las industrias de baterías también tienen un papel importante que desempeñar. Cada vez se utilizan más baterías para aplicaciones como los vehículos eléctricos, las fuentes de energía renovables (FER) como la solar y la eólica. La propulsión eléctrica mediante baterías contribuye a reducir el nivel de contaminación de la atmósfera y los costes de funcionamiento. Además, reduce la dependencia del crudo. La propulsión eléctrica de los vehículos es el tema del que más se habla hoy en día.
Todos los fabricantes de automóviles tienen su propio diseño de vehículos eléctricos y baterías para vehículos eléctricos (EVB). Aunque la batería de plomo-ácido era el EVB más utilizado hasta hace poco, ahora la batería de iones de litio ha asumido el protagonismo. Pero teniendo en cuenta el coste inicial y los aspectos de seguridad, la batería de plomo no podrá ser destronada por completo hasta que el coste del paquete de baterías de los vehículos eléctricos de iones de litio baje a un nivel asequible y los aspectos de seguridad se mejoren aún más.
Todos los fabricantes de automóviles tienen su propio diseño de vehículos eléctricos y baterías para vehículos eléctricos (EVB). Aunque la batería de plomo-ácido era el EVB más utilizado hasta hace poco, ahora la batería de iones de litio ha asumido el protagonismo. Pero teniendo en cuenta el coste inicial y los aspectos de seguridad, la batería de plomo no podrá ser destronada por completo hasta que el coste del paquete de baterías de los vehículos eléctricos de iones de litio baje a un nivel asequible y los aspectos de seguridad se mejoren aún más.
En torno al año 2010, el número de vehículos eléctricos en las carreteras era muy inferior a 20.000 en todo el mundo. Sin embargo, en el año 2019, la cifra había subido más de 400 veces y se acercaba a los siete millones.
Casi el 80% de los problemas de calidad del aire están relacionados con las emisiones de los automóviles. En los países industrializados de Occidente y Japón, se ha establecido que dos tercios del CO, un tercio de los óxidos de nitrógeno y casi la mitad de los hidrocarburos se debían a las emisiones mencionadas. Cuando tal era el caso de las naciones industrializadas, no era mejor en los países en desarrollo, donde los controles medioambientales no se aplicaban estrictamente.
Los vehículos con motor de combustión interna poco eficientes contribuyen de forma significativa a la contaminación atmosférica, aunque la densidad de tráfico sea escasa. Aparte de las razones anteriores, las emisiones de los vehículos producen grandes cantidades del «gas de efecto invernadero» (GEI), es decir, el CO2. De media, un coche produce casi cuatro veces su peso de CO2. Las emisiones de los vehículos son responsables del 20, 24 y 26% de todas las emisiones de CO2 en el Reino Unido, Estados Unidos y Australia, respectivamente. Todas estas razones y las crisis del petróleo de los años sesenta y setenta y de 1973 y 1979 fueron las verdaderas razones del desarrollo de los vehículos eléctricos y de las baterías adecuadas para los mismos.
Vehículos eléctricos - cero emisiones
Un vehículo eléctrico utiliza uno o varios motores eléctricos alimentados únicamente por baterías para fines de tracción (vehículos eléctricos puros), sin ningún tipo de motor de combustión interna (ICE). De ahí que no tenga emisiones en el tubo de escape y se le conozca como vehículo de cero emisiones (ZEEV). Los vehículos eléctricos híbridos (HEV) tienen dos fuentes de energía, una con un alto contenido energético (combustible fósil) y la otra es una batería de alta tasa de descarga.
El tema de los vehículos eléctricos y sus variantes es muy amplio y se tratará en detalle por separado. Basta con conocer aquí la breve definición de vehículos eléctricos y HEV.
Componentes de los vehículos eléctricos puros
I. Almacenamiento de energía eléctrica (batería)
II. Módulo de control electrónico (ECM)
III. Un sistema de gestión de baterías (BMS )
IV. Eléctrico Tren de transmisión
Todos los coches eléctricos tienen un indicador de autonomía, y la autonomía se muestra de forma destacada en el salpicadero. En algunos vehículos eléctricos, las luces empiezan a parpadear cuando quedan unos 25 km de autonomía.
Componentes de un vehículo eléctrico híbrido convencional
I. Almacenamiento de energía eléctrica (batería)
II. Almacenamiento de energía química (depósito de combustible)
III. Eléctrico Tren de transmisión
IV. Combustión Tren de transmisión
Introducción a las baterías para vehículos eléctricos
Características necesarias para una batería de vehículo eléctrico
Son varias las características que se exigen a una batería para vehículos eléctricos, pero las siguientes son de primordial importancia y proporcionan una evaluación razonablemente precisa de la viabilidad de la batería.
a. Coste de compra inicial del paquete de baterías (coste por kWh, incluida toda la parafernalia)
b. Energía específica, que es un indicador del tamaño de la batería (Wh/kg)
c. La potencia específica, que es un indicador de la aceleración y la capacidad de ascenso (W/kg)
d. Coste de explotación (coste/km/pasajero)
e. Larga vida útil con características de ausencia de mantenimiento
f. Recarga rápida (80% en 10 minutos)
g. Capacidad de absorber altas corrientes durante el frenado regenerativo.
h. Seguridad, fiabilidad y facilidad de reciclaje.
Vehículos eléctricos y vehículos eléctricos híbridos
En los vehículos eléctricos puros, la energía debe ser suministrada por la batería en modo continuo. La capacidad energética de la batería está diseñada de tal manera que puede suministrar este índice de descarga continua para el total de la autonomía diseñada para los vehículos eléctricos. Normalmente, no se permite que la batería de los vehículos eléctricos se descargue más allá del 80% de su capacidad, para que su estado de carga (SOC) no caiga por debajo del 20 o 25%.
Autonomía de las baterías de los vehículos eléctricos
Esto es para salvaguardar la batería contra la sobredescarga y para evitar dificultades en caso de que la batería se sobredescargue. Además, la batería debe ser capaz de aceptar el aporte de energía del sistema de frenado regenerativo. Si la batería está completamente cargada, la energía de frenado regenerativo no puede ser aceptada por la batería.
La tendencia actual de la tasa de descarga continua mencionada es una vez la capacidad nominal. Por ejemplo, si la capacidad nominal es de 300 Ah, la tasa de descarga es de 300 amperios. Invariablemente, la batería de un vehículo eléctrico se descargará por completo una vez al día. Por supuesto, recibirá la energía de retorno de la frenada regenerativa como cuando se aplica.
El porcentaje medio de energía regenerativa es de aproximadamente un 15%. Esta cifra puede llegar a superar el 40% en algunos casos. La potencia regenerativa no supera los 40 kW. Su valor más alto está en una desaceleración particular.
Hoy en día, los fabricantes de baterías para vehículos eléctricos afirman tener una vida útil de entre 1000 y > 10.000 ciclos.
La batería de un coche eléctrico requiere nominalmente una batería de 36 a 40 kWh (capacidad de energía utilizable) para una autonomía de 300 a 320 km de ida y vuelta. Pero la mayoría de los fabricantes de equipos originales especifican más que este valor, normalmente entre un 40% y un 60% más. Esto compensará la disminución de la vida útil debida a los ciclos, de modo que incluso después de la vida útil garantizada de la batería, haya un margen de capacidad seguro para el funcionamiento normal de un VE. La batería de 96 kWh de un VE tiene una capacidad útil de 86,5 kWh.
Aunque las células de iones de litio actuales proporcionan fácilmente 170 Wh/kg de energía específica, la energía específica del pack se reduce en un 35%. Como resultado, la energía específica global se reduce a 120 Wh/kg. En 2019, el porcentaje de componentes no celulares del envase ha bajado a cerca del 28% desde cerca del 35%. Pero las innovaciones tecnológicas, como la tecnología «cell-to-pack» (que elimina el agente intermedio, el módulo), pueden mejorar aún más la energía específica de las futuras baterías de los vehículos eléctricos. Las actuales características de potencia específica de las baterías de los vehículos eléctricos son muy satisfactorias, por lo que los ingenieros y científicos de I+D tienen como objetivo conseguir energías específicas más altas.
Transmisión eléctrica en los vehículos eléctricos
Los motores de tracción impulsan los vehículos totalmente eléctricos. Pero existen controladores para manipular el rendimiento de los motores eléctricos. Hay dos tipos de motores eléctricos, los de CA y los de CC. Estos últimos son más fáciles de controlar y también son menos costosos; las desventajas son su mayor peso y su mayor volumen. Los rápidos avances en la electrónica de potencia han añadido motores de CA altamente eficientes con una ventana más amplia de rango operativo, pero, con un coste más elevado. En el VE, la entrada de energía al motor se controla mediante un circuito electrónico muy complicado llamado módulo de control electrónico (ECM). El operador del VE da la entrada a través del pedal del acelerador.
Sistema de gestión de baterías (BMS) en vehículos eléctricos
Al igual que el módulo de control electrónico antes mencionado, también existe un sistema de control para la batería, denominado sistema de gestión de la batería (BMS), que controla el rendimiento de la batería del VE. El BMS también puede tener una electrónica separada instalada en los niveles de la célula o del módulo que supervisa la temperatura y el voltaje de las células, a menudo referido como un tablero del monitor de la temperatura del voltaje (VTM).
Además, habrá un sistema de gestión térmica, que puede ir desde una solución pasiva, como el uso de la carcasa como disipador térmico, hasta un sistema de gestión activa refrigerado por líquido o aire que hace pasar aire o líquido refrigerado (o calentado) por el paquete de baterías. Los interruptores para activar y desactivar el flujo de corriente y el cableado también forman parte del sistema. Todos estos sistemas diferentes deben confluir en una única solución para que la batería funcione de forma segura y cumpla sus expectativas de vida y rendimiento.
Historia de la electricidad, las baterías y los vehículos eléctricos
Electricidad y pilas
¿Por qué debemos hablar de la historia de la batería eléctrica y de los vehículos eléctricos? Hay un viejo dicho: «Aquellos que no pueden recordar el pasado están condenados a repetirlo». De ahí que merezca la pena tener un conocimiento básico de la evolución de la tecnología. Esto desempeñará un papel importante a la hora de comprender su trayectoria futura y cuáles fueron los principales interesados en que tuviera un verdadero éxito. Como afirma John Warner en su libro sobre las baterías de iones de litio, «las ferias mundiales de la época proporcionan una buena representación de la velocidad de la innovación tecnológica y del cambio en el mundo en general» [1. John Warner, The Handbook of Lithium-Ion Battery Pack Design, Elsevier, 2015, página 14].
Se puede entender que las ferias mundiales ofrecían una imagen de aquellos días sobre el estado de las diferentes tecnologías. El desarrollo de la tecnología de las pilas sólo fue posible gracias a la disponibilidad, la expansión y el crecimiento de la electricidad y de la red eléctrica de la época. Aquí tenemos que entender que sólo por el «suministro» de electricidad se creó la «demanda» de la batería (almacenamiento de energía). De lo contrario, el almacenamiento de energía no habría surgido.
Desarrollo de baterías para vehículos eléctricos
Los lectores suelen pensar que las pilas son de reciente invención; conocen sobre todo las pilas Leclanché y las de plomo; sin embargo, hay pruebas de que las pilas se utilizaban en torno al año 250 a.C. En la década de 1930, un arqueólogo alemán estaba trabajando en una obra en Bagdad y encontró algo que literalmente reescribió la historia de la pila Lo que descubrió durante la excavación parecía una célula galvánica capaz de generar unos 1-2 V de electricidad.
Hasta mediados del siglo XVII se avanzó poco en el desarrollo de las pilas. Fue en 1745-1746 cuando dos inventores, en vías paralelas pero separadas, descubrieron lo que se conoció como la jarra de «Leyden» para almacenar electricidad. Luego aparecieron en los horizontes de la Electricidad y la Electroquímica los electroquímicos Benjamín Franklin, Galvani, Volta, Ampere, Faraday, Daniel y Gastón Planté, por mencionar algunos inventores. La siguiente tabla ilustra en orden cronológico la evolución de las baterías.
Fascinante historia del desarrollo de las baterías
Tabla 1 –
| Alrededor del año 250 a.C. | Batería de Bagdad o Parthian (Bagdad) | Los egipcios probablemente utilizaban pilas para galvanizar la plata en las joyas finas |
|---|---|---|
| GAP LARGO | Y POCO PROGRESO | |
| 1600 | Gilbert (Inglaterra) | Establecimiento del estudio electroquímico |
| Octubre de 1745 | Kliest, físico alemán | Jarra de Leyden |
| 1745-1746 | El científico holandés Pieter van Musschenbroek, de la Universidad de Leyden, | Jarra de Leyden |
| Mediados del siglo XVII | Benjamin Franklin | El término "batería" acuñado |
| 1786 | Luigi Galvani (1737-1798) | Se sientan las bases para el descubrimiento de una pila primaria ("Electricidad animal") |
| 1796 | Alessandra Volta (1745-1827) | Descubrió que diferentes discos metálicos ("pila de Volta"), cuando se apilaban de forma alterna interponiendo entre ellos separadores de cartón de pasta húmeda (saturados de salmuera), podían proporcionar una importante corriente eléctrica de forma continua |
| 1802 | Cruickshank (1792 - 1878) | Se colocan hojas de Cu con hojas de Zn de igual tamaño en una caja sellada. La salmuera era el electrolito. |
| 1820 | A.M. Ampere (1755 - 1836) | Electromagnetismo |
| 1832 & 1833 | Michael Faraday | Las leyes de Faraday |
| 1836 | J F Daniell | Cu en CuSO4 y Zn en ZnSO4 |
| 1859 | Raymond Gaston Plantae (1834-1889) (Francia) | Invención de la célula de dióxido de plomo |
| 1860 | Raymond Gaston Plantae (1834-1889) (Francia) | Presentación en la Academia Francesa, París |
| 1866 [5] | Werner von Siemens, ingeniero eléctrico alemán | Desarrollo de la dinamo electromecánica |
| 1873 | Zenobe Gramme, un científico belga | Invención del generador eléctrico magnético y del primer motor de corriente continua |
| 1866 Geroge-Lionel Leclanche | Geroge-Lionel Leclanche (Francia) (1839 - 1882) | Invención de la célula de Leclanche |
| 1881 | Camille A Faure (Francia) 1840 - 1898) | Pegado de rejillas de plomos |
| 1881 | Sellon | Sellon Aleación de plomo con antimonio |
| 1880s- | -- | Las producciones comerciales se iniciaron en varios países como Francia, Reino Unido, Estados Unidos y la URSS |
| 1881 - 1882 | Gladstone y Tribe | Teoría del doble sulfato para la reacción de la célula de plomo-ácido |
| 1888 | Gassner (EEUU) | Finalización de la célula seca |
| 1890s- | -- | Vehículos eléctricos de carretera |
| 1899 | Jungner (Suecia) (1869-1924) | Invención de la célula de níquel-cadmio |
| 1900 | En Estados Unidos y Francia | 1900 Iluminación de casas, fábricas y trenes. |
| 1900 | a.Phillipart con anillos individuales | Placas tubulares de células de plomo-ácido |
| 1900 | b.Woodward | Placas tubulares de células de plomo-ácido con bolsas tubulares |
| 1901 | T A Edison (EEUU) (1847-1931) | Invención del par níquel-hierro |
| 1902 | Wade, Londres | Libro "Baterías secundarias" |
| 1910 | Smith | Tubos de goma ranurados (Exide Ironclad |
| 1912 100 EV | En Estados Unidos | Los fabricantes construyeron 6.000 turismos eléctricos y 4.000 vehículos comerciales |
| 1919 | G. Shimadzu (Japón) | Molino de bolas para la fabricación de óxido de plomo |
| 1920 | -- | Utilización de ligninas en las placas negativas de las pilas de plomo. |
| A partir de 1920 | En todo el mundo | Aplicaciones más recientes, como el suministro de energía de emergencia, la climatización de vagones y una serie de servicios en barcos, aviones, autobuses y camiones. |
| 1938 | A.E. Lange | Principio del ciclo del oxígeno |
| 1943- 1952 | Levin & Thompson; Jeannin, Neumann & Gottesmann; Bureau Technique Gautrat | Construcción de níquel-cadmio sellado |
| 1950 | Vinal de madera del desfiladero | Libro sobre baterías primarias |
| 1955 | Vinal de madera del desfiladero | Libro sobre baterías de almacenamiento (4ª edición) |
| 1965 | John Devit de Gates Corporation | Propuesta de proyecto sobre plomo-ácido sellado baterías |
| 1967 | Los trabajos sobre las baterías de Ni-MH comenzaron en el Centro de Investigación Batelle-Ginebra tras la invención de esta tecnología en 1967 | |
| 1969 | Ruetschi y Ockerman | Proceso de recombinación en una célula de plomo-ácido sellada |
| Mediados de 1970 | - | Desarrollo de laboratorios de RV |
| 1971 | Productos energéticos de Gates | La célula D, introducida por Gate Energy Products (Denver, CO, EE.UU.) |
| 1973 | Adam Heller | Propuesta de la célula primaria de litio-cloruro de tionilo |
| 1975 | Donald H.McClelland y John Devitt | Baterías comerciales selladas de plomo-ácido basadas en el principio del ciclo de oxígeno |
| 1979 - 1980 | J.B. Goodenough y sus colaboradores | Materiales de electrodos positivos que reaccionan con el litio a potenciales superiores a unos 3V, si ya contienen litio, y este litio puede ser extraído electroquímicamente. |
| 1980s- | -- | Nuevas aleaciones de hidruros descubiertas en la década de 1980 |
| 1986 | Stanford Ovshinsky | La batería de Ni-MH fue patentada por Ovonics. |
| 1989 - 1990 | -- | Comercialización del níquel metal batería de hidruro |
| 1991 | Yoshio Nishi | Célula de iones de litio |
| 1992 | Yoshio Nishi (Sony Corporation) | En el 30º Salón del Automóvil de Tokio, celebrado en 1995, se expuso un vehículo eléctrico con batería de iones de litio. |
| 1996 | Goodenough, Akshaya Padhi y colaboradores | Propuesta de material catódico de fosfato de hierro de Li |
| 1992 | K.V. Kordesch (Canadá) | Comercialización de pilas alcalinas recargables de dióxido de manganeso (RAM) |
| 1993 | -- | La OBC realizó la primera demostración mundial de un vehículo eléctrico con níquel-metal batería de hidruro en 1993. |
| 1997 | M. Shiomi y colaboradores, Almacenamiento en Japón Battery Co., Ltd., Japón | Adición de mayores cantidades de carbono en las aplicaciones negativas de los sistemas de energía HEV o fotovoltaica. |
| 1999* | -- | Comercialización del Li-ion Células de polímero |
| 2002 - 2003 D. Stone, E. | M.J. Kellaway, P. Jennings, Crowe, A. Cooper | Ficha múltiple VRLAB |
| 2002 | Y. Ogata | Nueva aleación de plomo de red positiva con adición de Ba Pb-Ca-Sn con Ba |
| 2004 -2006 | Lam y colaboradores, Tecnología energética de CSIRO, Australia | Ultra Battery para HEVs |
| 2006 | S.M. Tabaatabaai y colaboradores | Material de rejilla formado por una lámina reticulada tridimensional de un compuesto de espuma orgánica. Conductividad eléctrica impartida a la rejilla de espuma mediante el uso del revestimiento de cobre |
| 2006 | Changsong Dai y colaboradores | Rejillas de espuma de cobre con plomo para placas negativas |
| 2008 | EALABC, The Furukawa Battery Co., Ltd., Japón, CSIRO Energy Technology, Australia y Provector Ltd., Reino Unido | Batería Ultra (144V, 6,7Ah) para HEVs probada en carretera durante 100.000 millas. Rendimiento superior al de la batería de Ni-MH |
| 2011 | Laboratorio Nacional Argonne | Material catódico de níquel-manganeso-cobalto (NMC) |
| 2013 | N. Takami et al. | Ánodo de óxido de litio y titanio |
| 2018 | N. Takami y otros | Ánodos de TiNb2O7 |
| 2020 | BloombergNEF | El coste del pack LIB se reduce a 176 US$/kWh = 127 coste de la célula + 49 coste del pack) |
¡¡Asombrosa historia de los vehículos eléctricos!!
La historia de los vehículos eléctricos se extiende a lo largo de un largo periodo desde los inicios del siglo XIX.
En el siguiente cuadro se detallan los acontecimientos que condujeron a los actuales VE
Cuadro 2
| Inventor | País | Periodo | Detalles | |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Anyos Istvan Jedlik | Físico húngaro | 1828 | El primer modelo de coche eléctrico |
| 2 | Thomas Davenport | Un inventor estadounidense | 1834 | El primer motor eléctrico de éxito comercial |
| 3 | Sibrandus Stratingh y Christopher Becker | Profesor holandés | 1834-1835 | 1835, Triciclo de vapor en 1834 1835 Un triciclo totalmente eléctrico equipado con una de las primeras baterías |
| 4 | Robert Davidson | Inventor escocés | 1837-1840 | Construyó sus propias baterías en 1837 y fabricó su primer motor eléctrico de tamaño normal. |
| 5 | Gustave Trouvé | 1881 | Mejora de un pequeño motor eléctrico desarrollado por Siemens con un acumulador Starley. Instaló este motor en un triciclo inglés, con lo que acababa de inventar el primer vehículo eléctrico de la historia. | |
| 6 | William Morrison | Estados Unidos | 1892 | Desarrolló su carruaje de seis personas y cuatro caballos de fuerza que podía alcanzar una velocidad máxima de unas 14 millas/h |
| 7 | Henry Ford | Detroit | 1893 | En 1893, probó con éxito un motor de gasolina [https://www .history.com/topics/inventions/model-t]. |
| 8 | Henry G Morris y Pedro G Salom | Filadelfia | 1894 | El Electrobat ofrecía un negocio lucrativo, en comparación con los taxis de caballos, debido a su menor tiempo de inactividad y más viajes |
| 9 | Laboratorios Bell, | Estados Unidos | 1945 | Inventó los tiristores, que sustituyeron rápidamente a los tubos de vacío |
| 10 | William Shockley | Laboratorios Bell, | 1950 | El rectificador controlado por silicio (SCR) o tiristor |
| 11 | Moll y otros ingenieros del Poder | General Electric | 1956 | SCR por William Shockley |
| 12 | General Motors (GM) | General Motors (GM) | 1966 | Electrován |
¡Datos curiosos sobre los vehículos eléctricos!
| Srl No | Detalles |
|---|---|
| 1 | En Estados Unidos, la carrera de coches eléctricos atrajo a muchos entusiastas desde 1897. En ese año, Pope Manufacturing Company había fabricado unos 500 vehículos eléctricos. |
| 2 | Las tres primeras décadas del siglo XX (1910-1930) fueron los mejores periodos para los VE. Durante este periodo, los vehículos eléctricos competían con los de gasolina. En las carreteras sin asfaltar de las ciudades estadounidenses de entonces, su escasa autonomía no suponía ningún problema. Pero, en Europa, debido a que las carreteras asfaltadas mejoraron los viajes de larga distancia, el público quería coches de gran autonomía, que los vehículos de combustión interna estaban dispuestos a ofrecer. |
| 3 | Las grandes ciudades estadounidenses empezaron a disfrutar de los beneficios de la electricidad en la década de 1910. Las pequeñas gamas de conducción eran favorables para los vehículos eléctricos en aquella época. Los VE tuvieron una fácil aceptación en el mercado con los propietarios de flotas de taxis y furgonetas de reparto. |
| 4 | Tres acontecimientos importantes en la historia de los vehículos con motor de combustión interna impulsaron su rápido desarrollo y, al mismo tiempo, pusieron el último clavo en el ataúd de los vehículos eléctricos. a. La introducción del Modelo T de Henry Ford de "bajo coste y gran volumen" en 1908. [https://en .wikipedia.org/wiki/Ford_Model_T] b. Charles Kettering inventa el motor de arranque eléctrico para automóviles en 1912. c. El sistema de carreteras de EE.UU. comenzó a conectar las ciudades americanas |
| 5 | La preocupación por el medio ambiente de los años 60 y 70 dio un gran impulso a los trabajos de I+D sobre los EVB. El alcance y el rendimiento seguían siendo los obstáculos que había que superar |
| 6 | Una vez más, las crisis del petróleo de 1973 y 1979 impulsaron aún más el desarrollo del EVB. |
| 7 | La enorme población de vehículos con motor de combustión interna creó problemas de calidad del aire al infringir las normas de calidad del aire. Esto ocurría especialmente en las ciudades avanzadas del mundo. Esto llevó al Estado de California (EE.UU.) a adoptar a principios de 1990 la Ley de Aire Limpio para el fomento de los vehículos eléctricos. |
| 8 | La Ley de Aire Limpio establecía originalmente que el 2% de todos los vehículos ligeros nuevos vendidos en el Estado debían ser ZEV en 1998 (30.000 vehículos eléctricos), el 5% en 2001 (75.000) y el 10% en 2003 (1.50.000). Además, en los estados que no siguen el programa de California, los fabricantes de automóviles deben reducir las emisiones de NOx e hidrocarburos totales en un 60% y un 39%, respectivamente, entre 1994 y 1996 en los vehículos ligeros. La Agencia de Protección del Medio Ambiente (EPA) exigió en 2003 una nueva reducción del 50% de las emisiones. |
| 9 | El 29 de marzo de 1996, el mandato de la Junta de Recursos Atmosféricos de California (CARB) de 1998 sobre los vehículos eléctricos híbridos se suavizó como resultado de la fuerte presión ejercida por los fabricantes de automóviles y los proveedores de petróleo, además de la evaluación de un panel independiente de que las baterías avanzadas no podrían estar disponibles hasta el año 2001. Fieles a la evaluación del panel anterior, tales baterías mejoradas estuvieron disponibles a un coste algo asequible sólo recientemente en 2018 (Coste del paquete 176 dólares/kWh = 127 coste de la célula + 49 coste del paquete). Los profesionales de las baterías predijeron que el coste de los vehículos eléctricos bajaría a menos de 100 dólares/kWh en 2025 y a 62 dólares/kWh en 2030 (por extrapolación). |
| 10 | El Consorcio de Baterías Avanzadas de Estados Unidos (USABC): El Gobierno Federal de EE.UU. y los tres principales fabricantes de automóviles estadounidenses (Chrysler, Ford y General Motors) decidieron aunar sus recursos (aproximadamente 262 millones de dólares) en la investigación de baterías durante un periodo de 3 años. Estos fabricantes, junto con otras organizaciones como el Instituto de Investigación de la Energía Eléctrica (EPRI), crearon el Consorcio de Baterías Avanzadas de Estados Unidos (USABC) en el año 1991, en el que el Gobierno de Estados Unidos financia a partes iguales. |
| 11 | La USABC formuló dos conjuntos de objetivos para las baterías de los VE (Cuadro 3 ) con la intención de desarrollar un paquete de baterías provisional para la primera fase (1994-95) y un objetivo a largo plazo para que el rendimiento de los VE sea competitivo con los vehículos con motor de combustión interna. |
| 12 | Consorcio de Baterías Avanzadas de Plomo Ácido (ALABC): ALABC [5. R.F. Nelson, The Battery Man, mayo de 1993, pp. 46-53] se creó en marzo de 1992 para gestionar un plan de investigación de 4 años con un fondo de 19,3 millones de dólares (48 millones de rupias aproximadamente) para el desarrollo de baterías de plomo-ácido de alto rendimiento para vehículos eléctricos que sirvan para una parte importante del mercado de vehículos eléctricos a corto y medio plazo. El ALABC está gestionado por la Organización Internacional de Investigación sobre el Plomo y el Zinc (ILZRO) y es una organización de colaboración entre los catorce mayores productores de plomo, doce fabricantes de baterías, empresas eléctricas, fabricantes de motores, fabricantes de cargadores y acoplamientos, proveedores de trenes de potencia, fabricantes de controladores/electrónicos y organizaciones comerciales de vehículos eléctricos. |
| 13 | A partir de 1991, se celebraron acuerdos de cooperación en I+D entre la Oficina de Tecnologías de Vehículos (VTO) del Departamento de Energía (DOE) y el Consorcio de Baterías Avanzadas de Estados Unidos (USABC). |
| 14 | El tamaño del mercado anual de baterías de iones de litio puede pasar de 25 mil millones de dólares (2019) a 116 mil millones de dólares (2030). |
| 15 | El coste del paquete de baterías baja de 1100 $/kWh a 156 en 2019 y se prevé que sea de 62 $/kWh en 2030. (BloombergNEF) |
Tecnología de baterías de níquel-hidruro metálico para vehículos eléctricos
La invención del sistema de baterías Ni-MH es un derivado de las baterías Ni-Cd y Ni-H2. El Cd del sistema Ni-Cd se considera un material peligroso. Las ventajas asociadas al nuevo sistema eran la mayor energía específica, las menores presiones requeridas y el coste de las pilas de Ni-MH. El trabajo fue apoyado por dos fabricantes de automóviles alemanes durante un período de 20 años
Reacciones electroquímicas que producen energía:
Hay mucha similitud entre las pilas de Ni-Cd y las de Ni-MH, excepto por el electrodo negativo. Como en el caso de las pilas de Ni-Cd, durante la descarga, el material activo positivo (PAM), el oxihidróxido de níquel, se reduce a hidróxido de níquel. (Así, el electrodo positivo se comporta como un cátodo):
NiOOH + H2O +e- Descarga↔Carga Ni(OH)2 + OH- E° = 0,52 Volt
El material activo negativo (NAM), reacciona como se indica a continuación: (Así, el electrodo negativo se comporta como un ánodo):
MH + OH- Descarga↔Carga M + H2O + e- E° = -0,83 Volt
Es decir, la desorción de hidrógeno se produce durante la descarga.
La reacción total durante la descarga es
NiOOH + H2O + e
–
Descarga↔Carga Ni(OH)2 + OH
MH + OH- Descarga↔Carga M + H2O + e
–
NiOOH + MH Descarga↔Carga Ni(OH)2 + M E° = 1,35 voltios
Recuerde que
Tensión de la célula =VP positivo – VN negativo
Por tanto, 0,52 – (-0,83) = 1,35 V
Aquí hay que señalar que las moléculas de agua que aparecen en las reacciones de media célula no aparecen en la reacción global o total de la célula. Esto se debe a que el electrolito (solución acuosa de hidróxido de potasio) no participa en la reacción de producción de energía y está ahí sólo a efectos de conductividad. Además, hay que tener en cuenta que la solución acuosa de ácido sulfúrico que se utiliza como electrolito en las pilas de plomo-ácido participa realmente en la reacción, como se muestra a continuación:
PbO2 + Pb + 2H2SO4 Descarga↔Carga 2PbSO4 + 2H2O
Esta es una diferencia importante entre las pilas de plomo y las pilas alcalinas. El proceso inverso se produce durante la reacción de carga.
La célula sellada de níquel-hidruro metálico utiliza una reacción de recombinación de oxígeno similar a la que se produce en las células de plomo-ácido reguladas por válvula (VRLA), evitando así el indeseado aumento de la presión interna que resulta de la generación de gases hacia el final de la carga y, en particular, durante la sobrecarga.
Durante la carga, la PAM alcanza la carga completa antes que la NAM, por lo que el electrodo positivo comienza a evolucionar el oxígeno.
4OH- → 2H2O + O2 + 4e-
El gas así evolucionado a partir de la reacción anterior viaja a través de la matriz porosa del separador hasta el NAM ayudado por la construcción sin electrolito y empleando un separador adecuado.
Debido a que el O2 se combina con el electrodo MH para generar agua en el electrodo negativo, se evita la acumulación de presión dentro de la batería. Aun así, existe una válvula de seguridad en caso de sobrecarga prolongada o de mal funcionamiento del cargador.
4MH + O2 → 4M + 2H2O
Además, por su diseño, nunca se permite que el NAM se cargue completamente, lo que impide la posibilidad de producir hidrógeno. Además, es muy importante seguir un algoritmo de carga inteligente para restringir la generación de O2 más allá de la capacidad de la eficiencia de recombinación de la célula. Esto también se consigue mediante un cuidadoso control de la proporción de los dos materiales activos.
Los lectores pueden consultar la siguiente información sobre las baterías de Ni-MH
a. Capítulo sobre las pilas de Ni-MH de Michael Fetcenko y John Koch en el Manual
b. Kaoru Nakajima y Yoshio Nishi Capítulo 5 en: Sistemas de almacenamiento de energía para la electrónica.
Tecnología de baterías de plomo-ácido en vehículos eléctricos
El Consorcio de Baterías Avanzadas de Plomo Ácido (ALABC) [7. J.F. Cole, J. Power Sources, 40, (1992) 1-15] se creó en marzo de 1992 para gestionar un plan de investigación de 4 años con un fondo de 19,3 millones de dólares (48 millones de rupias aproximadamente) para el desarrollo de baterías de plomo-ácido de alto rendimiento para vehículos eléctricos que sirvan para una parte importante del mercado de vehículos eléctricos a corto y medio plazo.
ILZRO gestionó este consorcio y es una organización de asociación entre los catorce mayores productores de plomo, doce fabricantes de baterías, empresas de servicios eléctricos, fabricantes de motores, fabricantes de cargadores y acoplamientos, proveedores de trenes de potencia, fabricantes de controladores/electrónica y organizaciones comerciales de vehículos eléctricos. Actualmente hay 48 miembros, procedentes de 13 países. El ALABC (ahora CBI) tiene cinco objetivos críticos de investigación y desarrollo que se han incluido en la Tabla 3. Las baterías avanzadas de plomo-ácido son capaces de proporcionar a los vehículos eléctricos una autonomía diaria de 90 millas o más, tiempos de recarga de unos pocos minutos y una vida útil de aproximadamente 3 años.
El estado de la tecnología de ALABC en 1998 indica que, con los proyectos actualmente en marcha, las baterías de plomo-ácido reguladas por válvula con una característica de rendimiento de 48 Wh/kg, 150W/kg, una carga rápida del 80% en 10 minutos y una vida útil de 800 ciclos están previstas para su desarrollo antes de finales de 1998. La consecución de este rendimiento representará un avance espectacular por parte de la comunidad de baterías de plomo-ácido durante la década de 1990 y ofrece la perspectiva de un automóvil eléctrico con una autonomía por carga de más de 100 millas, repetible varias veces en un día y más de 500 veces durante la vida útil de un paquete de baterías [https://batteryuniversity .com/learn/article/battery_developments]
Baterías de iones de litio en vehículos eléctricos
La historia del desarrollo de las baterías de iones de litio
Tabla 3:
| Trabajo de investigación | Inventor / Autor | Año | Afiliación | Observaciones |
|---|---|---|---|---|
| Descubrimiento de la alta conductividad iónica de la fase sólida NaAl11O17, denominada β-alúmina sódica, que conduce al sistema de baterías Na-S | Kummer y colaboradores | 1967 | Laboratorio de Ford Motor Co. | Comienza la historia de las células de iones de litio |
| Sistema de baterías de Na-S | N. Weber y J.T. Kummer | 1967 | Laboratorio de Ford Motor Co. | Sistema de alta temperatura |
| FeS o FeS2 estudiados como materiales catódicos frente al Li metálico | D.R. Vissers et.al. | 1974 | ANL | Al reaccionar con el Li, estos materiales sufren reacciones de reconstitución, con la desaparición de las fases iniciales y la formación de otras nuevas |
| Ánodo de metal de litio y cátodo de sulfuro de titanio (TiS2) | Profesor Whittingham | 1976 | Universidad de Binghamton, Binghamton, Nueva York 13902, Estados Unidos | El Li formó dendritas en la superficie del metal al ciclar, lo que provocó cortocircuitos. |
| Los materiales que inicialmente contenían litio, y que eliminaban electroquímicamente el litio de ellos, fueron los trabajos sobre Li1-xCoO2 en 1980. | El profesor Goodenough y sus colaboradores | 1980 | Universidad de Oxford, Reino Unido | Compuestos de intercalación de Li |
| Material especial para ánodos a base de coque | Akira Yoshino | 1985 | Nuevo material de ánodo | |
| El material del ánodo anterior se combinó con LixCoO2 | Akira Yoshino | 1986 | Asahi Kasei Corporation | Célula de iones de litio |
| La seguridad de la batería de iones de litio demostrada | Akira Yoshino | 1986 | Asahi Kasei Corporation | Se ha demostrado la seguridad de los ánodos de iones de litio frente a los de metal de litio |
| Una batería comercial de iones de litio en 1991. | 1991 | Sony Corporation | ||
| Con el desarrollo posterior, se comercializó la batería de iones de litio. | 1992 | Una empresa conjunta de Asahi Kasei y Toshiba. | ||
| Nuevos materiales catódicos: manganato de Li y fosfato de hierro de Li | El grupo de Goodenough | 1997 | El grupo de Goodenough | |
| Ánodo de grafito | 1990 |
Química de las células de Li-ion de cobalto de litio (LCO)
La reacción total es
C6 + LiCoO2 ⇄ LixC6 + Li1-xCoO2
Ecell = 3,8 – (0,1) = 3,7 V.
Célula de iones de litio de la química LiFePO4
La reacción total LiFePO4 + 6C →LiC6 + FePO4
Ecell = 3,3 – (0,1) = 3,2 V
La era de los vehículos eléctricos modernos
En realidad, no fue hasta la década de los 90 cuando los principales fabricantes de automóviles empezaron a trabajar en soluciones para vehículos híbridos y eléctricos. Paralelamente a estos avances, en 1991 se introdujeron en el mercado las primeras baterías comerciales de iones de litio, que fueron adoptadas rápidamente. Con la rápida difusión de la electrónica personal, estas baterías de alta densidad energética se convirtieron en la solución de almacenamiento de energía elegida para muchas aplicaciones diferentes, desde la electrónica portátil hasta los vehículos híbridos y eléctricos.
La era moderna de los vehículos eléctricos se precipitó por la escasez de petróleo en los años 70.
Desarrollos de los modernos HEVs/Vehículo Eléctrico
Tabla 4
| EV/HEV | Aproximadamente. Año | Observaciones |
|---|---|---|
| El EV1 de General Motors (GM). | 1996-1999 | EV 1 |
| Camión híbrido paralelo" (PHT), | 1999 | |
| Sistema híbrido de 2 modos | 2008 | |
| Sistema híbrido suave de tipo "cinturón-alternador-arrancador" (BAS) | 2011 | 1. El primer BAS de GM fue un sistema de 36 V con una batería de Ni-MH desarrollada por Cobasys. 2. La segunda generación (e-Assist) aumentó el voltaje del sistema a 115 V y cambió a una batería de iones de litio de 0,5 kWh refrigerada por aire diseñada por Hitachi Vehicle Energy Ltd |
| La tecnología Voltec de GM | 2010 | El Volt es un "híbrido en serie" que combina un pequeño motor de combustión interna con una batería de iones de litio de 355 V con celdas de LG Chem y un paquete diseñado por GM y dos motores eléctricos. |
| Sistema híbrido de Toyota (THS) | 1997 | Batería de Ni-MH de 288 V refrigerada por aire con ~1,7 kWh de energía |
| SUV RAV4 totalmente eléctrico | 2006 | La segunda generación de la batería del RAV4 EV, basada en el paquete de baterías del Tesla Model-S, tenía una batería de iones de litio de 386 V con unos 52 kWh. |
| Honda Insight | 1999-2006 | un "biplaza, el vehículo híbrido de gasolina de mayor consumo |
| Mitsubishi | 2009 | i-Miev |
| Mazda | 2000-2011 | opciones híbridas en su Tribute, Mazda3 y Mazda6 |
| Hyundai | 2012 | un híbrido de Sonata, Tuscon y Elantra |
| Kia | 2000 | Un Optima híbrido |
| Subaru | 2007 | XV Crosstrek y una Stella Híbrido enchufable. |
| Nissan | 2010 | Hoja |
| Ford | 2011 | 1. El Focus EV utiliza una batería de iones de litio de 23 kWh (LG Chem); 2. C-Max (2012) |
| BMW | 2013 | e-Tron, i-8 y Active Hybrid |
| Los chinos BYD, Beijing Automotive Industry Corporation (BAIC), Geely, Shanghai Automotive Industry Corporation (SAIC) Chang'an, Chery, Dongfeng, First Auto Works (FAW), Brilliance Automotive, Foton, Great Wall, Lifan, y muchos otros | A finales de la década de 2000 | . |
Hoy en día, los VE y los VEH están claramente aquí para quedarse. A principios de la década de 2030, a medida que la tecnología siga mejorando y el coste de las baterías sea fácilmente asequible, la opción de los vehículos eléctricos de cero emisiones (ZEV) superará a todas las demás opciones para los propietarios de vehículos.
Los precios de las baterías de los vehículos eléctricos, que estaban por encima de los 1.100 dólares por kilovatio-hora en 2010, han caído un 87% hasta los 156 dólares/kWh en 2019. En 2023, los precios medios podrían acercarse a los 100 dólares/kWh.
Cuadro 5
[2. Global EV Outlook 2020 (IEA) página 155, https://webstore.iea.org/download/direct/3007]
Stock de vehículos eléctricos, ventas, cuota de mercado, tamaño de las baterías, autonomía, etc.
| Año | 2010 | 2017 | 2018 | 2019 | 2025 | 2030 | Observaciones |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ventas (millones) | 0.017 | 0.45 | 2.1 | ||||
| Ventas (millones) | 7.2 | 47 % en China en 2019 | |||||
| Ampliación de existencias | 60% | Ha subido una media anual del 60% en el periodo 2014-19 | |||||
| La cuota de China | 47% | ||||||
| Ventas mundiales de automóviles | 2.6% | ||||||
| Acciones globales | 1% | ||||||
| Aumento en % | 40% | Dos razones para el aumento: los modelos de VE con baterías de más kWh y, por tanto, con mayor autonomía que se ofrecen actualmente y que se esperan La cuota de mercado de los BEV en relación con los PHEV está aumentando. | |||||
| Tamaño medio de la batería (kWh) | 37 | 44 | 20-30 kilovatios-hora (kWh) en 2012 | ||||
| Tamaño de la batería (kWh) | Del 50 al 70 | 48 a 57 | Del 70 al 80 | Para los PHEVs aprox. 10-13 kWh en 2018 (50-65 km de autonomía de conducción totalmente eléctrica) y 10-20 kWh en 2030. Año 2019 -14 % de aumento con respecto al año 2018 | |||
| Autonomía media (km) | De 350 a 400 | ||||||
| Previsión mundial | En 2019, previsión global = 3 % de cuota de mercado |
| Año | Aumento o disminución (%) | |
|---|---|---|
| Porcentaje de crecimiento | 2016 a 2019 | Aumento del 6%. |
| Porcentaje de crecimiento | 2016 a 2019 | Disminución del 30%. |
Según la AIE, el Escenario de Políticas Estatales (SPC ) es una situación que incorpora las políticas gubernamentales existentes; y el Escenario de Desarrollo Sostenible (SDC ) es totalmente compatible con los objetivos del acuerdo climático de París. Este último incluye los objetivos de la campaña EV30@30 (30 % de cuota de mercado para los vehículos eléctricos de todos los modos, excepto los de dos ruedas, para 2030).
En el SPC, el parque mundial de vehículos eléctricos (todos los modos, excepto los de dos y tres ruedas), pasa de unos 8 millones (2019) a 50 millones (2025) y muy cerca de 140 millones (2030, aproximadamente un 7%). Corresponde a una tasa de crecimiento anual de la bruma muy cercana al 30%.
Las ventas de VE alcanzan casi 14 millones (2025, equivalente al 10 % de todas las ventas de vehículos de carretera) y 25 millones (2030, equivalente al 16 % de todas las ventas de vehículos de carretera).
En el SDC, el parque mundial de vehículos eléctricos alcanza casi 80 millones de vehículos en 2025 y 245 millones de vehículos en 2030 (excluyendo los vehículos de dos/tres ruedas.
La campaña EV30@30 se puso en marcha en la octava reunión ministerial sobre energía limpia de 2017. Los países participantes son Canadá, China, Finlandia, Francia, India, Japón, México, Noruega, Países Bajos, Suecia y Reino Unido.
| Año | 2010 | 2011 | 2012 | 2013 | 2014 | 2015 | 2016 | 2017 | 2018 | 2019 | 2025 | 2030 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tamaño del mercado anual de baterías de iones de litio (miles de millones de dólares) | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 25 | 60 | 116 | |
| Coste del paquete de baterías ($/kWh) | 1100 | -- | -- | 650 | 577 | 373 | 288 | 214 | 176 | 156 | 100 | 62 |
Figura 1.
Tamaño del mercado mundial de baterías de iones de litio
https://www.greencarcongress.com/2019/12/20191204-bnef.html
El tamaño del mercado de ventas de las baterías de litio para vehículos eléctricos puede alcanzar unos 120.000 millones de dólares en 2030.
Los precios de las baterías, que superaban los 1.100 dólares/kWh en 2010 y los 288 dólares/kWh en 2016, bajaron a 156 dólares/kWh el año pasado (2019) y, después de unos cuatro años, el coste medio puede estar muy cerca de los 100 dólares/kWh, según ha informado una empresa de investigación de mercados. Uno de los principales fabricantes de vehículos eléctricos utilizó la célula 18659 más fácil de conseguir para reducir el coste a 250 dólares/kWh.
El ANL formuló un modelo de cálculo (BatPac) para evaluar el rendimiento y el coste de producción de las células de iones de litio para los vehículos eléctricos. Utilizando un tipo concreto de química de celdas de 80 kWh y una capacidad de producción anual definida, se estimó que los precios medios de las baterías oscilaban entre 105 y 150 USD/kWh.
Ejemplos de algunos paquetes de baterías para vehículos eléctricos
El consumidor de vehículos eléctricos espera una garantía de 8 años o un límite determinado de kilómetros en las baterías. Un fabricante líder de vehículos eléctricos ofrece 8 años de garantía, además de kilometraje ilimitado.
Toshiba afirma que su batería conservará el 90% de kWh incluso después de 5.000 ciclos, lo que equivale a 14 años de ciclos de recarga a un ciclo por día. Aunque Toshiba habla de vender la batería en 2021, no afirma su coste.
The Tesla Battery Report (http://doc.xueqiu.com/1493d8803372d3fd67cb5c51.pdf) (Copyright: 2014 Total Battery Consulting, Inc.)
Paquetes de baterías para vehículos eléctricos (Copyright: 2014 Total Battery Consulting, Inc.) (http://doc.xueqiu.com/1493d8803372d3fd67cb5c51.pdf)
Infraestructura mundial de recarga de vehículos eléctricos
La mayor parte de los cargadores ligeros para vehículos eléctricos son propiedad de los consumidores. China posee aproximadamente el 80% de los cargadores públicos, frente al 47% del parque mundial de vehículos ligeros. Solo el año pasado (2019), el aumento de cargadores públicos en China fue del 60 % de los cargadores públicos mundiales y este país tenía el 80 % de los cargadores públicos mundiales y el 50 % de los cargadores lentos de acceso público.
Cuadro 7
Infraestructura mundial de recarga de vehículos eléctricos
[
Perspectivas mundiales de los vehículos eléctricos en 2020
(AIE) https:// webstore .iea.org/download/direct/3007].
La gran mayoría de los cargadores de vehículos eléctricos ligeros son cargadores privados.
| Cargadores disponibles (millones) | 7.3 | |||
|---|---|---|---|---|
| Privado | Público | Cargadores rápidos | Cargadores lentos | |
| 6,5 millones ~ 80% | 0,876 millones 12% (862 000) | 4% 263 000 | 8% 598 000 |
Aumento del 60 % en comparación con 2018
Autobuses 2019
Cargadores disponibles – 184000 unidades (aumenta un 17% en 2019 respecto a 2018 (157 000)
Infraestructura mundial de recarga de camiones eléctricos.
| Tipo de camión | Camiones de carga medianos (3,5 a 15 toneladas de peso bruto) | Camiones de carga pesada (>15 toneladas de peso bruto) |
| Tamaño de la energía de la batería | 70 - 300k Wh | 200 - 1000k Wh |
Escenario indio: Infraestructura de recarga de vehículos eléctricos
Acciones de EV en la India
La cuota de ventas de VE en todos los modos de la India alcanza casi el 30% en 2030 en el Escenario de Nuevas Políticas, casi en línea con su objetivo (Gobierno de la India, 2018). La electrificación de los vehículos se produce principalmente en el segmento de las dos ruedas, y los BEV representarán cuatro de cada diez unidades nuevas en 2030. Los vehículos eléctricos también penetran en los mercados de los vehículos ligeros y los autobuses urbanos, alcanzando el 14% de todos los turismos y vehículos ligeros, y el 11% de todas las ventas de autobuses.
El despliegue de los vehículos eléctricos en la India se vio impulsado por el objetivo en 2017 de una transición completa a los vehículos eléctricos para 2030. En 2018, se estableció un objetivo del 30% que está siendo apoyado por varias medidas políticas como la normalización, la contratación de flotas públicas y los incentivos económicos específicos, tanto para la adopción de vehículos como para el despliegue de la infraestructura de carga.
En el escenario EV30@30, como líder mundial en la transición a la movilidad eléctrica, la India alcanza unas cuotas de ventas de vehículos eléctricos en todos los modos (excepto en los de dos y tres ruedas) del 29% en 2030 (54% incluyendo los de dos y tres ruedas). En 2030, en India el 72% de los vehículos de dos ruedas, el 31% de los coches y el 24% de los autobuses serán eléctricos. [ 8. Global EV Outlook 2020 (AIE) página 139, https://webstore.iea.org/download/direct/3007].
En la India, la Corporación de Transportes de Bengala Occidental (WBTC) incorporó 80 autobuses eléctricos y cargadores a través de la primera fase de la política gubernamental de fomento del uso de vehículos eléctricos denominada Adopción y Fabricación más Rápida de Vehículos Híbridos y Eléctricos (FAME I). Algunos de los autobuses de nueve metros tienen paquetes de baterías de 125 kWh y algunos de los más largos (12 metros) tienen paquetes de baterías de 188 kWh.
Figura 3.
Ventas de vehículos eléctricos en India en el año 2030[Global EV Outlook 2020 (IEA) página 159, https: // webstore. iea.org/download/direct/3007]
El año pasado (2019), las ventas indias de VE fueron de 0,750 millones de unidades y el stock total alcanzó unos 7,59 millones de unidades. El año pasado los vehículos de dos ruedas fueron testigos de un crecimiento del 130 % con respecto a 2018.
https://www.autocarindia.com/car-news/ev-sales-in-india-cross-75-lakh-mark-infy2019-412542 consultado el 6 de agosto de 2020 ).
En las circunstancias actuales, los fabricantes de 2-W aprendieron a mantenerse sin la subvención del Gobierno. La caída de las ventas en abril del año pasado (2019) se debió a las estrictas estipulaciones de la segunda fase de (FAME II). Ningún vehículo eléctrico puede cumplir los nuevos criterios. Además, un proceso de recertificación que consume unos 45 días retrasó las ventas.
Infraestructura de recarga de vehículos eléctricos en la India
Una infraestructura de recarga adecuada para los vehículos eléctricos ha sido la clave para su adopción.
Se ha demostrado que la disponibilidad de una sólida red de equipos de suministro de vehículos eléctricos (EVSE) en un país ha sido tres veces más eficaz que la concesión de descuentos y subvenciones en la compra de un vehículo eléctrico. En todo el mundo, la infraestructura de recarga pública ha crecido a una tasa interanual alucinante del 84% en la última década, con tasas de crecimiento de más del 100% anual entre 2009-2012 y 2013-2014, y una media de crecimiento del 180% anual entre 2010-2018.
Tendencias de crecimiento de la infraestructura de recarga de vehículos eléctricos en la India
La India es un mercado emergente de movilidad eléctrica y, como cuarto mercado mundial de la automoción, nos estamos convirtiendo poco a poco en la región central de la movilidad eléctrica.
El futuro del crecimiento de la EVCI en la India es predominantemente positivo y alcanza las tasas de crecimiento de la penetración de la EVCI a nivel mundial.
Gensol Mobility, propietaria y operadora de la flota de taxis eléctricos intraurbanos BluSmart, ha aumentado su presencia en la región de la capital nacional.
Figura 5
Tendencia de crecimiento de la infraestructura pública de recarga de vehículos eléctricos en la India
Equipo público de suministro de vehículos eléctricos (EVSE) de la India, lento y rápido
Post-Li-ion o Beyond-Li-ion
Para duplicar la autonomía, los fabricantes de coches eléctricos buscan baterías más modernas. Se están investigando los siguientes sistemas:
a. Baterías de litio de estado sólido (http://www.usaspeaks.com/news/toyota-unveils-solid-state-battery-design-for-evs/)
b. Baterías de Li-aire (oxígeno) [ 11. David L. Chandler | MIT News Office]
c. Baterías de Na-ion
d. Baterías de zinc-aire [12. Jonathan Goldstein, Ian Brown y Binyamin Koretz JPower Sources, 80 (1999) 171-179].
e. Batería Licerion
Diseño de baterías para vehículos eléctricos
El número de celdas de un pack dependerá de la química de la célula de iones de litio, que a su vez depende del material del cátodo utilizado.
Tomemos, por ejemplo, una batería de 85 kWh fabricada con celdas de níquel-cobalto-aluminio (NCA) de 3,25 Ah de capacidad cada una:
Supuestos:
Tensión de la batería = 350 V
Tensión nominal de la célula = 3,6 V
Capacidad energética nominal = 85 kWh
Capacidad energética real = 80 kWh (~ 95 % de la capacidad nominal)
Capacidad nominal = 3,25 Ah
Capacidad real = 3,1 Ah (~ 95 % de la capacidad nominal)
Para un pack de 350 V y utilizando las celdas anteriores, se necesitarían 350 V/3,6 V = 97,2 celdas, para simplificar redondea a 96 o 98 celdas.
Pero la capacidad energética de 96 células individuales en serie sería de 96* 3,6 V*3,25 Ah = 1123 Wh. Por lo tanto, este diseño de módulo en particular sería de 1123 Wh.
Por lo tanto, el número de celdas a conectar en paralelo = 85000Wh/1123 Wh = 75,7 @ 76.
Podemos conectar 76 células en paralelo en un módulo, cuya capacidad será de 76*3,25 Ah = 247 Ah.
Podemos dividir convenientemente 96 celdas en 16 módulos de 6 celdas cada uno (o 12 módulos de 8 celdas cada uno), todos ellos en serie.
Así, la tensión total sería 16*6 =96 *3,6 V =345,6 V @ 350 V.
O
La tensión total sería 12*8 =96 *3,6 V =345,6 V @ 350 V
Por lo tanto, los Wh nominales totales de un módulo serían 247 Ah*6*3,6 V = 5335 Wh.
Por lo tanto, los Wh nominales totales del pack serían 247 Ah*6*3,6 V*16 = 85363 Wh @ 85 kWh
Por lo tanto, los Wh reales totales del pack serían 76*3,1 Ah = 236 Ah*350 V = 82600 Wh @ 82 kWh
Ahora la capacidad energética es de 85 kWh. Por lo tanto, el número total de células en un paquete sería
85000 Wh/3,6 V*3,25 Ah= 7265 celdas (nominal)
85000 Wh/3,6 V*3,1 Ah= 7616 celdas (Actual)
De forma similar, para conseguir un pack de 350 V utilizando unas células de fosfato de hierro y litio (LFP) de 3,25 V necesitaríamos (350 V/3,25 V) 107,7 células. De nuevo, para simplificar, podemos decidir utilizar 108 o 110 celdas. Aquí podemos diseñar 11 módulos de 10 celdas cada uno para 110 celdas o 18 módulos de 6 celdas cada uno para 108 celdas.
O utilizando una célula LTO (Titanato de Litio) de 2,3 V necesitamos (350 V/2,3 V) 152 células o redondear a 160 células para alcanzar el voltaje deseado.
70 kWh y 90 kWh, pilas 18650 NCA de 3,4 Ah; refrigeración líquida.
El paquete de 90 kWh tiene 7.616 celdas; la batería pesa 540 kg (1.200 lb = 540 kg);
La probabilidad de que se produzcan fallos en las configuraciones en paralelo es baja y, por tanto, el fallo de una célula no afectará a toda la batería.
Cálculos de potencia y capacidad de la batería
Tomemos el ejemplo anterior de un paquete de baterías de 85 kWh con una tensión de 350 V. Normalmente, para los vehículos eléctricos se tiene en cuenta la tasa de descarga de 1C. Así, la corriente sería de 85000 Wh / 350 V = 243 Ah. Por lo tanto, la corriente sería de 240 A. La potencia = V * A = 350*240 = 84000 W = 84 kW como máximo. Pero el BMS sólo permite el 80% de esta potencia como máximo.
Por tanto, la potencia real utilizada será de 84*0,8= 67,2 kW. Como ya se ha mencionado, el porcentaje medio de energía regenerativa es de aproximadamente un 15%. Esta cifra puede llegar a superar el 40% en algunos casos. La potencia regenerativa no supera los 40 kW.
Tensiones de las baterías de litio de la competencia
Cuadro 8
| Parámetro de rendimiento | NCA | NMC | OVM | LFP | LTO | LCO |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Tensión nominal de una célula (V) | 3.6 | 3.6 | 3.8 | 3.2 | 2.2 | 3.6 |
Energía específica y eficiencia energética
Suponiendo una eficiencia del 25%, el combustible fósil puede proporcionar 12000*0,25 = 3000 Wh/kg de energía utilizable. En el caso de la batería, la eficiencia es mayor, por lo que se pueden obtener 150*0,9 = 135 Wh/kg de energía utilizable de las baterías.
Coeficiente de utilización = 3000/135 = 22,22 veces
Relación directa = 12000/150 = 80 veces
Reciclaje de baterías de iones de litio
[ 14. Bin Huang Zhefei Pan Xiangyu Su Liang An, J Power Sources, Volume 399, 30 September 2018, Pages 274-286].
Con la necesidad cada vez mayor de las baterías de litio, sobre todo en el segmento de los vehículos eléctricos, un gran número de baterías de iones de litio volverán para ser recicladas o reutilizadas. La falta de eliminación adecuada de las baterías de iones de litio gastadas tiene probablemente graves consecuencias, como la contaminación del medio ambiente y el despilfarro de recursos. Para abordar esta cuestión, se necesitan tanto innovaciones tecnológicas como la participación de los gobiernos.
Los lectores interesados en más detalles pueden consultar las publicaciones sobre este tema.
Baterías de segunda vida (Reutilización de las baterías de los VE tras el fin de su vida útil
En el ámbito del reciclaje, se contempla la posibilidad de reutilizar las baterías de los vehículos eléctricos una vez desechadas o de reciclar los materiales de esta batería.
Los vehículos eléctricos llegarán a la India en 2020
En el año 2020, los fabricantes no sólo se centrarán en los coches y motocicletas que cumplan la normativa BSVI, sino que algunos darán un paso más para anular por completo las emisiones de carbono y se aventurarán en la plataforma de los vehículos eléctricos. A continuación se enumeran algunos vehículos eléctricos que se han confirmado para este año y otros que se prevén para este año. Lo son:
Tata Nexon EV
G Motor India ZS EV
Audi e-Tron
Ford-Mahindra Aspire EV
Volkswagen ID 3
Jaguar I-Pace
Porsche Taycan 4S
Los detalles disponibles se tabulan a continuación:
Cuadro 9
Los vehículos eléctricos llegarán a la India en 2020
(http://overdrive.in/news-cars-auto/cars-coming-to-india-in-2020-electric-vehicles/)
| EV (Wh consumidos/km) | Precio | Tipo de batería | Capacidad en kWh | Capacidad útil | Motores | Par de apriete | Aceleración | Velocidad máxima | Rango km | Observaciones |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tata Nexon EV (100 Wh/km) | Rs. 15 a 17 L | Li-ion | 30.2 | Motor de CA de imanes permanentes | 129 CV y 245 Nm en las ruedas delanteras | De 0 a 100 km/h en 9,9 s | NA | > 300 km con una carga completa | ||
| GM ZS EV (129 Wh/km) | Li-ion | Paquete de baterías con refrigeración líquida de 44,5 | Motor de 143 CV/350 Nm que impulsa las ruedas delanteras | 345 | Cargador a bordo. Carga completa en 6 a 8 horas; también hay que instalar un cargador de 50 kW | |||||
| Audi e-tron (220 Wh/km) | Li-ion | 96 | 86.5 | Motores traseros y delanteros | 436 | |||||
| Ford-Mahindra Aspire EV | Rs 6 a 7 L | Li-ion | Motor del eje trasero | 300+ | ||||||
| Volkswagen ID 3 (136 Wh/km) (138 Wh/km) (140 Wh/km) | < 30000 euros | Li-ion | 45 (versión básica) | 330 (WLTP) | 290 km en 30 minutos de carga (100 kW DC) | |||||
| Rs. ~ 23,85 L antes de impuestos y tasas | Li-ion | 58 (Media) | 205 CV y 310 Nm | 160 | 420 | |||||
| Li-ion | 77 (Especificaciones más altas) | 550 | ||||||||
| Jaguar I-Pace (180 Wh/km) | Li-ion | 90 | 2 motores | 400 CV y 696 Nm de par motor | 0-100 km/h en 4,8 s | 320 | >500 | 80% Ch 90 minutos | ||
| Porsche Taycan 4S (195 Wh/km) | Li-ion | 79.4 | Motor doble 800 V | 435 CV, 530 CV con over-boost y 640 Nm. | De 0 a 100 km/h en 4s. | 250 | 407 | |||
| Li-ion | 93.4 | 463 |
