Autonomía y carga rápida: así evolucionan las baterías de los coches eléctricos

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Los coches eléctricos de batería eléctricos deben ser adecuados para el uso diario, tanto en recorridos urbanos de poco kilometraje como para realizar viajes de larga distancia, bajo diferentes circunstancias según el tipo de la cartera o incluso el clima y las condiciones meteorológicas.

Las decisiones de compra se ven afectadas significativamente, sobre todo, por la autonomía, pero también por el rendimiento de carga de las baterías de alto voltaje. Por esta razón, Audi diseña, desarrolla y comprueba las celdas y los componentes de sus propias baterías en su centro de pruebas para baterías de alto voltaje en Gaimersheim.

Bernhard Rieger, experto en celdas de batería

Negro, rojo, dorado: estos son los colores que indican el estado de carga de una celda de batería. Durante la recarga, los iones de litio se depositan en el ánodo de grafito, y éste cambia de color dependiendo del estado de carga. Cuando está descargado, el grafito es negro; cuando la carga está a mitad de carga, se vuelve rojo; y cuando está completamente cargado, parece dorado.

«Esto nos permite ver y evaluar el estado de carga», explica Bernhard Rieger, experto en celdas de batería en el centro de pruebas de baterías de Audi en Gaimersheim. Cuando los electrodos se cargan, no lo hacen de manera uniforme. Un electrodo se cargará más rápidamente donde haya un mayor número de iones de litio, lo cual da lugar a una degradación del estado de carga. Lo ideal sería que el color fuera siempre el mismo; pero para ello se necesitaría un electrodo extremadamente fino que, por tanto, tendría una capacidad muy pequeña.

«Cuando se trata de celdas de iones de litio de carga rápida, el secreto reside en el control preciso de la corriente para evitar la sobrecarga del ánodo en las zonas doradas, que provocaría un envejecimiento prematuro», añade Rieger. «Nuestra misión consiste en garantizar el perfecto funcionamiento de las celdas de iones de litio para lograr la mejor autonomía y rendimiento de carga posibles».

Este trabajo garantiza que la batería de su vehículo eléctrico tendrá una autonomía y un rendimiento de carga excelentes. «Una vez satisfecha la necesidad básica de la autonomía, la capacidad de carga adquiere mayor importancia», añade Rieger.

Densidad energética

Es necesario buscar el correcto e quilibrio entre una elevada densidad energética y unos tiempos de carga reducidos. Por eso los técnicos de Gaimersheim se enfrentan a objetivos contradictorios. «Disponemos de un espacio limitado, en el que tenemos que almacenar la mayor cantidad de energía», comenta Rieger. «Pero también queremos poder recargar lo más rápidamente posible».

El conflicto radica en que, cuanto mayor es la densidad energética, más tiempo se tarda en cargar la celda. Esto significa que los técnicos se enfrentan a un trabajo de equilibrio que les obliga a, al menos, mantener los tiempos de carga mientras van aumentando la densidad de energía.

Audi e-Tron GT quattro P. F.

Para cargar mucha energía rápidamente, la capacidad de carga es el primer punto en la agenda de desarrollo del proyecto. En este ámbito, dos modelos de Audi marcan hoy la pauta: las celdas de la batería de alto voltaje de 93 kWh utilizada en el Audi e-tron GT quattro pueden cargar del 5 al 80% con hasta 270 kW de potencia en sólo 22,5 minutos, en condiciones ideales.

El Audi e-tron, que se lanzó al mercado en 2019, sigue considerándose la referencia hoy en día gracias a su exclusiva curva de carga de tipo meseta, en la que la potencia de recarga de hasta 150 kW está disponible durante una gran parte del proceso.

«Invertimos mucho tiempo en el desarrollo de celdas y en el control de la corriente para conseguir un tiempo de carga lo más rápido posible, junto con una alta eficiencia y una larga vida útil», explica Rieger. Por eso, en Gaimersheim la atención no se limita a las celdas de la batería: todo el sistema, con su electrónica, el sistema de gestión térmica y el equipo de alto voltaje, tiene la misma relevancia para el concepto de carga rápida de Audi. «Nuestros sistemas se diseñan desde el primer día enfocándose a la carga rápida, debido a la dificultad de aumentar la capacidad de carga más adelante.

Sólo un conjunto perfectamente equilibrado, en el que cada detalle cuenta desde la fase más temprana, alcanzará las propiedades de carga deseadas». Desde el banco de pruebas hasta la producción en preserie: todo bajo el mismo techo Además de los criterios de densidad energética y capacidad de carga, las celdas de la batería también cumplen las normas más estrictas en cuanto a vida útil y seguridad. Para ello, las celdas individuales y el sistema de baterías en su conjunto tienen que superar numerosas pruebas en el centro de Gaimersheim, que ocupa una extensión unos 4.400 metros cuadrados.

Audi e-Tron GT quattro P. F.

Cada proyecto del vehículo conlleva una serie de pruebas de vida útil y de carga rápida en varios cientos de celdas de batería, que tienen que pasar por diferentes perfiles de carga y de exigencia que los técnicos ejecutan en cámaras climáticas a temperaturas de entre -30° C y +60° C. «Nuestras pruebas y comprobaciones comienzan en una fase temprana del desarrollo, unos cuatro años antes del inicio de la producción, para darnos tiempo a realizar reajustes cuando sea necesario», explica Rieger.

Para evaluar los efectos del envejecimiento de las celdas de batería, también se exponen a altas temperaturas durante aproximadamente un año. Esto permite a Audi simular una vida útil en el coche de hasta 15 años. Los bancos de pruebas longevidad en Gaimersheim también permiten a los técnicos acelerar la recreación de escenarios de kilometraje de unos 300.000 kilómetros.

Otros ensayos son los de choque y sobrecarga, así como diversas pruebas de seguridad. Se pueden simular diversos escenarios de conducción para optimizar la gestión térmica o el funcionamiento de los componentes de alto voltaje. «Esta aplicación nos permite realizar el mejor ajuste posible de nuestras baterías», afirma Rieger. «Los nuevos resultados de las mediciones se incorporan directamente a los modelos virtuales de las baterías para que podamos observar los efectos en el vehículo». Gaimersheim también alberga una instalación de construcción de baterías prototipo; aquí, los técnicos construyen las baterías de alto voltaje desde la base hasta la producción en preserie.

«En Gaimersheim podemos adaptar el diseño y la estrategia de funcionamiento de nuestras celdas de batería para conseguir unas propiedades perfectas para Audi. ¿Cómo puedo operar y construir una batería para sacarle el máximo partido? Esa es una pregunta que respondemos cada día en el centro de pruebas de baterías de Gaimersheim», resume Rieger.

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