lunes, 2 de junio de 2014

Apuntes sobre Baterías para vehículos eléctricos 1: Fundamentos.

Apuntes sobre Baterías para vehículos eléctricos 1: Fundamentos.
Por Beamspot

El ‘depósito’ de los vehículos eléctricos de los que se está discutiendo en esta serie de entradas son las archifamosas y rediscutidas baterías. Se habla mucho de ellas, de su autonomía, el tiempo de carga, su capacidad. Pero ¿Qué son, cómo funcionan, que parámetros tienen estos elementos?
Una batería es un elemento que almacena energía eléctrica [1]. Hasta ahí todos de acuerdo. Para realizar este almacenamiento, se recurren a reacciones químicas, pues es un sistema electroquímico, exactamente igual que el de las pilas alcalinas o las que hizo famoso a Alessandro Volta.
La electricidad en la naturaleza es un tipo de energía que se da poco. Los dos tipos de energía eléctrica natural más conocidos son la estática, y los relámpagos, que es cuando dicha estática es tan grande que acaba por descargarse mediante el mismo.
Sin embargo, hay un tercer tipo de electricidad, no estática aunque sí lenta, que quien más quien menos ha visto y conoce, aun sin saber que en realidad es electricidad. Se llama oxidación, y el paso inverso, reducción. Si, la formación del óxido en el hierro es una reacción electroquímica, una del grupo de reacciones bien conocidas de la química y que se llama ‘Redox’ (de Reducción y Oxidación) o de intercambio de electrones.
Una oxidación controlada y manejada es exactamente la causante de las corrientes eléctricas que suministran las pilas alcalinas y las baterías de todos los tipos conocidos. El proceso de recarga controlada de aquellas que lo permiten (lo cual distingue entre células primarias o no recargables de células secundarias o recargables) es el proceso de reducción controlado.
Es precisamente esta parte de la química la que respalda las baterías y pilas eléctricas que usamos en nuestra vida cotidiana. Sin embargo, los parámetros importantes son eléctricos. La relación con la química básicamente viene marcado por un punto: el elemento químico base sobre el cual se efectúan las reacciones Redox.
Este elemento marca uno de los parámetros básicos de las pilas y baterías: el voltaje por celda. Así que hay dos parámetros asociados directamente: elemento químico y su voltaje nominal por celda. También implica directamente otros procesos como son las curvas y métodos de carga.
Así pues, en lo que se refiere a baterías recargables, básicamente hay tres químicas que dominan el panorama mundial, sobradamente conocidas y utilizadas. El plomo-ácido [2], el más extendido y utilizado, el más viejo, el que se usa en los coches térmicos para todos los usos eléctricos del vehículo como arrancarlo. Su voltaje por celda es de alrededor de 2,2V.
El segundo tipo más común es el derivado del Níquel [3]. La variante más común hoy en día es la de Níquel – hidruro metálico (NiMH), ya que la variante de Níquel Cadmio es muy tóxica, aunque algo más eficiente y en general ventajosa desde el punto de vista eléctrico. Estos tipos tienen una tensión nominal de 1,2V
El tercer tipo, el más conocido del mundo de la electrónica de consumo, y ahora de los vehículos eléctricos, son las baterías hechas a partir del Litio [4]. La tensión nominal cambia ligeramente según las combinaciones de litio que se utilicen, y están entre 3,6 y 3,7 V.
Sin embargo, el elemento que más relevancia tiene a la hora de determinar los parámetros de una batería, es la capacidad de almacenar energía. Dado que es energía, ésta se expresará en Wh. Sin embargo, desde el punto de vista eléctrico, lo que importa no son los Wh sino más bien los Amperios hora o Ah.
Dado que una batería suele constar de muchas celdas iguales montadas juntas (en ‘batería’, de ahí su nombre), habitualmente en serie, para obtener una tensión nominal de trabajo más elevada, por ejemplo 6 celdas para las baterías de plomo para conseguir unos 13.5V nominales (los famosos 12V de los coches), la energía nominal que pueden almacenar se calcula simplemente multiplicando la tensión nominal por la capacidad en Ah de la misma. Por ejemplo, 12V * 60Ah da 720Wh, que es el caso de una ‘pequeña’ batería de coche Gasolina.
Pero ¿Qué es un Amperio hora? [5] Bueno, al igual que los KW hora, es una medida en la cual se estima que se consume una corriente constante de 1 A durante una hora. Se dice que una batería de 1 Ah de capacidad es una batería que si se le pide 1 A durante una hora empezando con la batería llena, ésta pasará a estar vacía al cabo de esa misma hora.
A esta capacidad, la llamaremos C, en Ah, muchas veces se hace referencia a dicha C, aún cuando se hable de corrientes de carga y de descarga, obviando entonces la hora, y haciendo un uso incorrecto de los términos.
¿Por qué se mide la capacidad en Ah en lugar de Wh? Pues porque aunque las celdas de las baterías tienen una tensión nominal, dicha tensión no es constante, y puede variar mucho dependiendo de varios factores. Y aquí es donde empiezan las diferencias de verdad entre tipos diferentes de baterías.
La variación de la tensión de una celda a lo largo de un ciclo de descarga, se le llama ‘curva de descarga’. Similarmente, si es durante el proceso de carga, se le llamará ‘curva de carga’.
Una batería ideal tendría una curva de carga y de descarga perfectamente plana entre el 0 y el 100% de su carga, y sería exactamente igual una y la otra.
En la práctica, la cosa no va así. Además, los procesos no sólo de carga, si no de detección de fin de carga y de descarga, dependen mucho del tipo de batería. Además, una curva plana pone un par de problemas sobre la mesa: ¿cómo saber si una batería está totalmente cargada, para poner fin al proceso de carga?, ¿cómo sabemos si la batería está ya descargada?, ¿cuánta energía queda dentro de la batería?
Ahí es donde entra en juego la realidad, y cómo la no idealidad de la situación juega a nuestro favor. Y como ya se ha dicho, es dónde la diferencia entre químicas se hace patente, y donde los detalles esconden al diablo.
Así, por ejemplo, las baterías más desconocidas para el público, las de NiMH, tienen una curva de carga más o menos plana, casi ideal, entre el 5 y el 95% de su capacidad. En muchos aspectos, son prácticamente ideales, hasta el punto que se suele hacer difícil detectar su fin de ciclo de carga.
Este tipo de comportamiento, con una tensión fija constante, permite aproximar con muy buena medida, la carga y descarga por corriente a la carga y descarga por potencia, que es el valor que vamos a usar, por simplicidad, en las siguientes entradas.
Así pues puestos en harina, ilustremos un poco más sobre las baterías de NiMH. Este tipo de baterías tiene más ventajas que simplemente la curva de carga y descarga prácticamente ideal. Detectar que la batería se ha quedado vacía es tan simple como medir la tensión de la celda, y cuando ésta baja de 1V, se ha acabado. De manera similar, en el proceso de carga, cuando la batería empieza a subir su tensión por encima de 1.2 – 1.3V y encima de manera apresurada, es que se ha terminado el proceso de carga. Ésta parte puede ser un poco más compleja, pues depende de cómo se cargue.
Literalmente, depende de cuanta C se utilice para cargarla. Ojo, C en A, (o puestos el caso, W), no en Ah. Ahí es donde empiezan las grandes diferencias.
Una batería de NiMH suele ser amiga de las cargas rápidas, hasta 2C, sin muchos problemas ni aspavientos. Eso significa que en teoría, podríamos cargar la batería en media hora, dándole el doble de la corriente que viene especificada en la capacidad. Es decir, una batería de 1 Ah, aguantaría 2 A y con esto se cargaría en la susodicha media hora. No es del todo cierto, puesto que al principio y al final las curvas cambian ligeramente, y porque la batería, al no ser ideal, necesita siempre que le suministren más energía que la que luego va a salir de la misma en el proceso de descarga. Cosas de la termodinámica.
Otra ventaja de las baterías de NiMH es que permiten descargas grandes de manera rápida y sin despeinarse. Es decir, si para cargar aceptan hasta 2C, en descarga no es nada raro que se aguanten entre 20 y 100C. Las variantes de NiCd llegan a dar descargas aún más grandes (más de 150C!), y apenas se nota en la tensión de la celda. Esta es, de lejos, la mejor batería a efectos eléctricos.
La mayor dificultad estriba en saber el estado de carga de la batería: ¿Cuánta energía queda dentro? La dificultad se suele solucionar midiendo la energía que sale, cosa nada sencilla.
Esta asimetría entre la carga y la descarga se da en todas las baterías, no sólo en las de NiMH. Además, pone de relieve un elemento importante que siempre se pasa por alto, a pesar de ser conocido.
Si quien más, quien menos piensa que el tamaño es importante, habrá pensado en el tamaño que tienen las baterías y la capacidad que las mismas presentan. También se suele relacionar con el peso, pues las baterías de plomo son muy pesadas. Este tipo de relación es importante, y se le conoce como la Densidad de Energia. La densidad, a secas, es la relación entre peso y volumen. Así, un litro de agua pesa muy aproximadamente, 1Kg y por tanto se dice que tiene una densidad de 1Kg/l. Sin embargo, la ‘densidad de energía’ se puede medir de dos maneras: Wh por litro, también llamada energía específica, y Wh por kilo de peso, que es por definición, la auténtica densidad energética.
Así pues, tenemos que la gasolina súper tiene una energía específica de unos 12KWh por Kg. Las baterías tienen densidades que van desde los 10Wh por Kg a los 500Wh por Kg de algunas de las más optimizadas baterías de litio.
Pero además de la densidad energética, también tenemos la potencia específica, donde lo que se mide es la potencia en W por Kg. Si bien en densidad energética y energía específica, las baterías de litio son las claras vencedoras, eso sí, a dos órdenes de magnitud de la gasolina, en cuanto a potencia específica, las baterías de NiMH tienen clara ventaja, aunque sólo en lo que respecta en la potencia de descarga, pues en la potencia de carga están a la par de las baterías de litio.
Sin embargo, a pesar de la bajísima densidad energética de las baterías en frente a la gasolina, la densidad de potencia es un factor igualmente limitante, como se verá más adelante.
Las baterías de plomo ácido, no sólo son las que tienen peor densidad energética, sino que también tienen la peor potencia específica de todas, ya que son las que más acusan descargas rápidas. Difícilmente llevan bien cargas y descargas mayores de 0,5C. Especialmente en descargas acusadas, la tensión de la batería cae en picado, así como el rendimiento. A pesar de ello, son las baterías más robustas y duras que se conocen, a la par de ser las más utilizadas desde los albores de las baterías, y por tanto, son una tecnología más que madura.
Otro aspecto que pasa desapercibido, a pesar de ser relativamente conocido, es la variación de los parámetros de las baterías con la temperatura. Es conocido que en ambientes fríos, las baterías de plomo tienen problemas para arrancar los coches. Eso es debido a que la reacción de descarga pasa por un electrolito acuoso (el ácido que hay dentro de las baterías), y que con el frio, se convierte más en un granizado que en otra cosa. Éste punto en concreto es tratado de manera muy vaga en internet, no sólo en la wikipedia.
Éste electrolito es el elemento que permite moverse a los átomos de plomo del cátodo al ánodo y viceversa, según se cargue o se descargue. Estos átomos se mueven siempre más rápido según la temperatura, y si el electrolito está casi congelado, apenas se mueven, con lo que la velocidad de la reacción, y por ende, la capacidad de descargarse, se reducen. Y por tanto la densidad de potencia baja aún más.
En el otro lado de las temperaturas, un calor excesivo puede causar reacciones indeseadas, con lo que también puede perderse capacidad más que potencia. Este aspecto es especialmente importante en las baterías de NiMH, que a altas temperaturas pueden perder hasta el 40 – 45% de capacidad. Y por altas, estamos hablando de 45ºC, algo que en el sur de la península ibérica se alcanza con facilidad en verano.
Así pues, tenemos que las baterías de plomo son malas, pesadas y poco capaces en general, y además no les gusta el frío, cosa que los países que llevan la batuta tienen en abundancia. Las baterías de NiMH llevan algo mejor el frío, pero llevan mal el calor, y además, con capacidades pequeñas pueden mover motores grandes. Así que se han convertido en las reinas de los coches híbridos no enchufables, pues con sólo 1,8KWh para el Prius, éste puede mover el motor de 27KW gracias a su enorme capacidad de descarga.
Aún así, los márgenes de temperatura de trabajo son mucho más estrechos que lo que la gente cree. Básicamente, afectan a la capacidad, pero dado que los híbridos trabajan con una ventana de capacidades muy baja (del orden del 10%, unos pocos cientos de Wh), y encima, no se informa al respecto, este punto pasa desapercibido. Sin embargo, en los vehículos eléctricos puros, este efecto, especialmente con la escasa autonomía de los mismos, pasa al otro extremo, al de ser el más importante.
Hace falta trabajar con cámaras climáticas, haciendo curvas de carga y descarga sobre varios packs de baterías, y a ser posible sobre diferentes químicas, para ver en realidad cómo afectan las temperaturas al comportamiento de éstas. Justo un tema que éste autor conoce de primera mano. Sin embargo se ilustra con datos reales de fabricantes conocidos y casos particulares de la automoción.
Para hacer eso, la batería del Prius es de 275V, y ‘solo’ 6.5 Ah. Este pack además es relativamente sencillo, puesto que consta de 230 celdas unitarias de 1.2V, 6.5Ah conectadas en serie, algo de electrónica sencilla, y elementos de seguridad.
Esto pone de relieve que las baterías no son simplemente algo parecido a una pila de petaca y ya está. El hecho de trabajar por encima de 60V implica que tiene que haber unos elementos de seguridad que tienen que cortar la salida de la batería en ambos polo si pasa algo, y eso implica que el pack de la batería tiene que llevar elementos de supervisión y desconexión para que las bornas de la misma no tengan potencial cuando, por ejemplo, ésta sea reemplazada por un técnico.
En el caso de las baterías de plomo, la electrónica y los sistemas de control necesarios son mínimos, sencillos, debido a la robustez y sencillez de uso de las mismas. Las de NiMH tienen algo más de historia, debido a que la escasa variación de tensión implica que es más difícil saber en qué estado de carga se encuentran, y a que son tan sensibles a las temperaturas altas, pero la complicación sigue siendo reducida y fácil de solucionar.
Éste es un aspecto que condiciona los rendimientos de las baterías y los vehículos eléctricos de manera inesperada, y además tiene su vertiente en el proceso de fabricación del pack de baterías, lo cual complica la situación, tal y como se verá en la siguiente entrada para el caso más conocido: las baterías de litio.

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