Los autos eléctricos tienen un problema: sus baterías desperdician un 27% de su energía potencial

Un pequeño número de celdas envejecidas puede reducir la vida útil de la batería de un vehículo eléctrico, según un nuevo estudio que analizó datos reales de autos durante más de tres años.

La investigación, liderada por el profesor Chen Zhongwei, del Instituto de Física Química de Dalian, en China, y el profesor Zou Changfu, de la Universidad Tecnológica de Chalmers, en Suecia, determinó que hasta el 27,1% de los recursos energéticos potenciales de un paquete de baterías queda sin utilizar cuando las celdas más débiles son retiradas de servicio.

Los resultados del estudio fueron publicados en la revista Nature Energy.

El efecto de la celda más débil limita el rendimiento del paquete completo

Un paquete de baterías para vehículos eléctricos contiene numerosas celdas que funcionan como un solo sistema. Sin embargo, las variaciones en los materiales, la fabricación, la agrupación de las celdas, la temperatura y las condiciones de funcionamiento provocan que se deterioren a ritmos distintos.

Esto genera lo que los investigadores denominan el “efecto de la celda más débil”: durante la carga, una celda de menor capacidad puede alcanzar primero el límite superior de voltaje, mientras que durante la descarga o el funcionamiento a alta potencia, una celda con mayor resistencia interna puede llegar antes a sus límites de seguridad.

Cuando la celda que envejece más rápido alcanza el final de su vida útil, el paquete completo puede retirarse del servicio aunque las celdas restantes conserven capacidad utilizable. A diferencia de investigaciones anteriores, basadas en pruebas de laboratorio, este estudio examinó las consecuencias a largo plazo de esta inconsistencia durante el funcionamiento real de los vehículos.

Datos de vehículos con distintas tecnologías de batería

El conjunto de datos analizado abarcó turismos equipados con baterías de níquel-manganeso-cobalto y autobuses con baterías de fosfato de hierro y litio, algunos de los cuales habían recorrido hasta 300.000 kilómetros (186.411 millas). El equipo de investigación desarrolló un marco de trabajo a escala de flota para medir cómo las diferencias entre las celdas afectan el rendimiento, la vida útil y el consumo energético de las baterías.

Los investigadores analizaron señales de voltaje, corriente, temperatura y estado de carga, y combinaron la identificación de modelos de batería con redes neuronales para estimar los cambios en la capacidad y la resistencia interna de las celdas en condiciones estandarizadas.

Este método redujo la influencia de los cambios estacionales y de las diferencias en los niveles de carga y las condiciones de funcionamiento, lo que permitió comparar de forma consistente las trayectorias de envejecimiento entre vehículos.

En los turismos, la variación en el estado de salud de las celdas se mantuvo pequeña con kilometraje bajo. No obstante, después de que los vehículos superaron aproximadamente los 170.000 kilómetros, algunas celdas comenzaron a envejecer más rápido y las diferencias se hicieron más pronunciadas, con una gravedad que varió entre los distintos vehículos analizados.

La inconsistencia entre celdas acorta la vida útil

Con un umbral de retiro de servicio común, la inconsistencia entre celdas redujo el estado de salud útil de la batería en un 6,2% en los turismos y en un 7,5% en los autobuses. Comparado con la vida útil promedio de sus celdas individuales, la vida útil total de la batería disminuyó en un 17,7% en los automóviles de pasajeros y en un 22,8% en los autobuses.

Las diferencias en la resistencia interna también redujeron la capacidad de potencia en un 12,9% en los vehículos de pasajeros y en un 15,1% en los autobuses. En contraste, el desequilibrio en el estado de carga redujo la capacidad de carga útil en menos del 2%, gracias a las estrategias de equilibrio empleadas actualmente.

Como resultado combinado de estos factores, la utilización de los recursos energéticos durante la vida útil de las baterías alcanzó solo el 80,7% en los vehículos de pasajeros y el 72,9% en los autobuses, lo que dejó sin aprovechar alrededor del 19,3% y el 27,1% de sus recursos energéticos potenciales, respectivamente, en el momento en que las celdas más débiles fueron retiradas.

Posibles soluciones para reducir las pérdidas energéticas

“Nuestros hallazgos demuestran que el rendimiento y la vida útil de un paquete de baterías para vehículos eléctricos no están determinados únicamente por el nivel de envejecimiento promedio de sus celdas, sino que pueden verse fuertemente limitados por un pequeño número de celdas que envejecen más rápidamente”, explicó el profesor Chen.

“Al cuantificar este efecto de la celda más débil en el funcionamiento real de los vehículos eléctricos, nuestro estudio proporciona una base para mejorar la utilización de la batería, la gestión de su vida útil y la optimización a nivel de sistema”, añadió el investigador.

Según el equipo responsable del estudio, una mayor uniformidad en la fabricación, la agrupación de celdas, los controles de equilibrio, la gestión térmica y el desarrollo de sistemas de baterías reconfigurables podrían reducir el impacto del efecto de la celda más débil en el futuro.