jueves, 27 de abril de 2017

Entresijos de un pack de baterías de Tesla. Característica de su éxito


¿CÓMO ES POR DENTRO UN PACK DE BATERÍAS DE TESLA? ¿CUÁLES SON SUS CARACTERÍSTICAS DIFERENCIADORAS? ¿POR QUÉ ES SUPERIOR EN DENSIDAD ENERGÉTICA AL RESTO DE BATERÍAS?



En 2006 Tesla sorprendió al mundo con el lanzamiento de su primer modelo, el Roadster, basado en el Lotus Elise. Un deportivo 100% eléctrico que causó un importante impacto en la industria. Fue el primer vehículo eléctrico de fabricación en serie en incorporar una batería de iones de litio. Esto ha servido para que el fabricante norteamericano llegue a donde está en estos momentos. El Roadster formaba parte de una estrategia denominada “Master Plan” que ha tenido como objetivo poner en marcha la empresa, captar el capital para el crecimiento, desarrollar el Model S y el Model X. Y sobre todo, poner sobre la mesa el potencial de los vehículos eléctricos y su integración en un escenario más respetuoso con el medio ambiente tratando de frenar el efecto invernadero.  




La capacidad nominal que tenía la primera batería del Tesla Roadster era de 53 kWh en el año 2006. A partir de ese momento la tecnología de las baterías aplicada en sus modelos no ha hecho más que aumentar hasta multiplicarse por dos en apenas 10 años, a razón de un 10% más cada año. A día de hoy la batería con mayor capacidad de Tesla cuenta con 100 KWh de capacidad, proporcionando una autonomía entre cargas de más de 500 km, cifra muy superior a la de cualquiera de sus rivales eléctricos. Se monta en ambos Model S y X.


El éxito de TESLA con las baterías destinadas al automóvil radica en las siguientes características.


Características diferenciadoras:

1- La batería se ha integrado en el chasis, en la zona inferior, bajo el piso del vehículo. En el Roadster la batería está instalada tras los asientos, el espacio que brinda esta configuración limita en tamaño y capacidad a la batería. En el caso del Model S y el X ubicar la batería bajo el piso del vehículo significa disponer de más espacio para alojar una batería de mayores dimensiones que aporta mayor capacidad energética. Además, esta ventaja mejora el centro de gravedad del conjunto beneficiando la agilidad y maniobrabilidad del del vehículo durante los virajes con respecto a otro vehículo de combustión y semejante masa suspendida.




2- La arquitectura de las celdas es cilíndrica en vez de prismática. En este apartado TESLA recurre a celdas cilíndricas proporcionadas por el fabricante PANASONIC, son el modelo NCR18650B (18 mm de diámetro por 65 mm de alto).




La arquitectura cilíndrica consiste en concentrar en muy poco espacio un rollo muy delgado, de aproximadamente un metro de longitud, que contiene los siguientes folios: el electrodo negativo (masa) es básicamente un folio muy fino de cobre, el electrodo positivo compuesto por un folio ultrafino de aleación de lítio (níquel, cobalto, aluminio y litio) de color oscuro que concentra el potencial en carga. Y el separador, consta de un polímero poroso de plástico que contiene la sal de litio que forma el electrolito. Además, el separador impide que ambos folios positivo y negativo puedan tocarse y causar un cortocircuito. En el siguiente vídeo un entusiasta de esta tecnología disecciona una batería de estas características habiéndola descargado completamente con anterioridad por motivos de seguridad. Veamos el vídeo porque vale más que mil palabras: 

 


Como habéis visto, a excepción del electrolito, el resto de materiales son 100% reciclables. También destacar que a diferencia de otras baterías, el interior de estas celdas es seco, no existen ácidos con los que tengamos que tener especial cuidado y el porcentaje de litio que se utiliza en el cátodo es de menos del 1%.

La clave de esta tecnología consiste en desarrollar una técnica que permita disminuir aún más el grosor de los fólios que componen ambos electrodos y el propio separador, esto dotaría a la celda de una densidad energética superior. Actualmente las especificaciones técnicas de la celda NCR18650B son: una capacidad nominal de 3250 mAh y una densidad energética de 243 Wh/kg. 




No obstante, TESLA y PANASONIC han anunciado ya el lanzamiento de la nueva generación de celdas 2170 con mayor capacidad energética (5750 mAh) que sustituirá a las actuales 18650B durante la segunda mitad del año 2017. Siguiendo la misma regla, estas celdas serán un poco más grandes: 21 mm de diámetro por 70 mm de altura, no obstante la densidad energética se espera que sea claramente superior.

Otros fabricantes como Hyundai o Samsung están apostando por baterías de iones de litio con electrolito sólido, que según los estudios mejorarán el número de ciclos de carga, la densidad energética y sobre todo la seguridad durante la carga y la descarga.

Las ventajas de las celdas con una arquitectura cilíndrica son: mayor estabilidad mecánica debido a su diseño circular (mayor resistencia a los golpes, presión, etc.), disipan la presión interna y el calor mejor que las celdas rectangulares y por tanto, su refrigeración es más estable durante los procesos de carga-descarga, lo que les confiere un mejor rendimiento durante su envejecimiento. Sin embargo, a la hora de almacenarlas dejan entre medias huecos que no pueden ser aprovechados para apilar más celdas, lo que a priori merma la eficiencia espacial y la densidad volumétrica de la batería. Por otro lado, estos huecos entre celdas pueden ser aprovechados para instalar sistemas que regulen su temperatura.

Las celdas con arquitectura prismática o rectangular son usadas por la mayoría de fabricantes de automóviles como por ejemplo BMW, RENAULT y NISSAN de la mano del fabricante coreano LG-Chem. Esto es debido a que su arquitectura rectangular tiene la ventaja de conseguir mejor rendimiento espacial a la hora de apilar las celdas. Sin embargo, la desventaja radica en que que su construcción es más costosa, los sistemas de refrigeración son menos efectivos con esta disposición y las celdas sufren más las temperaturas y las presiones internas recortando en consecuencia su vida útil. Además, en caso de accidentes o sobrepresiones internas esta arquitectura hace que sus celdas sean más vulnerables. 




En este caso se suelen conectar dos celdas en paralelo para aumentar la capacidad manteniendo el voltaje. Ambas celdas van introducidas dentro de un sobre que es protegido por una carcasa metálica y se denomina elemento. Un grupo de 24 elementos conectados en serie constituyen un módulo. En un principio, con esta arquitectura el rendimiento espacial es mejor, sin embargo el sistema de refrigeración es menos eficiente para los elementos rectangulares donde las zonas internas se ven más afectadas a la temperatura que las externas. Esta desventaja incide en que el volumen total de los módulos prismáticos que forman la batería esté más limitado en espacio para evitar sobrecalentamientos, comparado con los módulos que constituyen una batería de celdas cilíndricas. De ahí que Tesla finalmente haya apostado por la arquitectura cilíndrica de las celdas, menos costosa en su construcción y más estable a la hora de regular la temperatura y las presiones internas de las celdas.

Si examinamos ahora la batería de un fabricante de vehículos eléctricos que incorpora celdas prismáticas y lo comparamos con la batería de Tesla con celdas cilíndricas, destacaremos una serie características diferenciadoras:

Batería con celdas prismáticas de Renault ZOE R240: 
- Especificaciones de una celda prismática: 3,75 V; 36 Ah y 870 g
- Elemento compuesto por dos celdas conectadas en paralelo: 3’75 Voltios y 72 Ah
- La batería consta de 12 módulos y cada módulo contienen 8 elementos, esto suma un total de 96 elementos (192 celdas) cuyas especificaciones resultan 360 V y 72 Ah. Lo que equivale a una capacidad bruta de 25.9 kWh
- Capacidad útil: 22 kWh
- Peso total: 280 kg

Batería de Tesla Model S con celdas cilíndricas:
- Especificaciones de una celda: 3,6 V; 3,25 Ah y 48.5 g
- Número de celdas apiladas en un módulo: 516 celdas
- Número de módulos: 16
- Número total de celdas: 8.256
- Capacidad bruta: 102.4 kWh (400 V y 256 Ah)
- Capacidad útil: 98.4 kWh
- Peso total aproximado: 600 kg

La conclusión que podemos obtener a partir de estos datos es la siguiente:
Teniendo en cuenta que la batería del ZOE es bastante más pequeña, ya que el segmento al que pertenece el vehículo es netamente inferior en dimensiones, aun así podemos deducir que, atendiendo al peso de ambas baterías, la del ZOE pesa la mitad aproximadamente. Lo que supondría que si multiplicamos por dos su capacidad bruta debería ser cercana a la del Model S (si las celdas prismáticas hubiesen conseguido apilar la misma masa energética). Sin embargo, el resultado es muy diferente. El doble de 26 kWh son 52, lo que está muy lejos de los 102 kWh que ofrece Tesla. Aunque en un principio el apilado de los elementos rectangulares debería conseguir mayor masa energética que las celdas cilíndricas, debido a que su geometría no deja huecos en el interior del módulo, como hemos dicho antes, las dimensiones de los módulos están limitadas debido a su dificultad para regular la refrigeración de los mismos de forma homogénea. Esto conlleva a la utilización de espacios para formar los pasajes de aire que regularán la refrigeración de los elementos que componen los módulos de la batería. Por otro lado, las medidas de protección requeridas en las celdas prismáticas hacen necesario dotar a los elementos de carcasas metálicas que estabilicen la temperatura y la presión y otorguen protección mecánica a las celdas en caso de accidentes. Todo esto supone un considerable aumento de peso y volumen en el total de la batería.




3- Sistema de refrigeración para regular la temperatura de las celdas cilíndricas.
A continuación veamos con detalle las particularidades de un módulo con celdas cilíndricas del Model S en cuanto a la regulación de temperatura se refiere y cómo son los entresijos de su sistema de refrigeración.


Imagen de @wk07


Tesla ha recurrido a un innovador sistema de refrigeración donde en vez de utilizar corrientes de aire enfriadas por un evaporador para ventilar los módulos de las baterías (como es el caso de BMW, Renault o Nissan), aprovecha los espacios existentes entre las celdas cilíndricas para integrar un novedoso entramado de bucles con conductos aplanados por donde fluye líquido refrigerante (glicol). Además, cada hilera de celdas está separada por una fina chapa de aluminio con forma alabeada, que no solo sirve para asegurar el apilado de las celdas, sino también para disipar la temperatura de las mismas por contacto físico. 




Estas placas alabeadas se aprecian en las siguientes ilustraciones en conjunto con otra placa inferior plana que tiene el mismo fin. Con esta arquitectura de regulación de temperatura no se requieren conductos de ventilación de aire pudiéndose construir bloques de módulos más compactos para lograr una densidad volumétrica muy ventajosa.



Cada uno de los 16 módulos que componen la batería de 100 kWh consta de un sistema de gestión de temperatura propio. Una bomba se encarga de introducir el fluido refrigerante a través de los bucles de conductos aplanados que circundan las celdas. El objetivo es mantenerlas a un nivel de temperatura de trabajo óptimo sea cual sea la temperatura exterior o el impacto que produce una carga o descarga elevada. 




Esta característica constructiva asegura que la temperatura ideal de funcionamiento se mantenga en todo momento y en cada una de las celdas, pudiendo obtener las mejores prestaciones posibles de cada una de ellas y, sobretodo, alargando el rendimiento de la vida útil de las mismas. Así también se compensan los incrementos de temperatura que suponen las descargas contundentes de las celdas en los momentos de máximas prestaciones pudiendo regular en consecuencia la temperatura de los módulos a tiempo real.




La gestión de la refrigeración de todos los módulos que forman la batería la realiza una única unidad de control denominada BMS (Battery Management System). Esta unidad es la encargada de mantener las celdas de los módulos a su temperatura óptima de trabajo a partir de la información suministrada por una serie de sensores. Esta característica incide directamente en la longevidad de las celdas frente a las cargas y descargas.

4- Menor coste de producción con una patente de tiempo y procesos.

El coste de fabricación de las celdas cilíndricas de Panasonic es uno de los más competitivos del mercado. Si a esto le sumamos que el sistema de refrigeración y apilado de las celdas ha sido patentado en consonancia con unos tiempos y procesos especialmente diseñados de cara al montaje de estas baterías, el resultado es un coste muy competitivo teniendo en cuenta la densidad energética global. No obstante, con el lanzamiento de las nuevas celdas 2170 fabricadas en continente americano (en la Gigafactoría) se espera una reducción de costes aún mayor.

Bueno, pues estas han sido las cuatro principales características diferenciadoras que han puesto las baterías de Tesla en el punto de mira receloso de muchos fabricantes de la competencia. A partir de aquí nos espera una fascinante década donde la carrera para el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía eléctrica cobrará una gran importancia.






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