Más rápido, más seguro, más tiempo: innovaciones en el campo de la electromovilidad

Transición de movilidad

6 de septiembre de 2023 2:30 pm Dennis L.

A pesar de su promesa de futuro, a la electromovilidad le faltan varias décadas de trabajo de desarrollo, que en su lugar se centró en el motor de combustión. Esta no es la única razón por la que este gran campo es actualmente una de las fuerzas impulsoras más importantes de la investigación y el desarrollo global en varias disciplinas.

El futuro del automóvil debe ser en gran medida eléctrico. Esto es lo que quieren las leyes de diferentes países, eso es lo que quieren cada vez más clientes y sólo así se pueden reducir notablemente algunos de los principales emisores de gases de escape perjudiciales para el clima. Un estudio de Deloitte, entre otros, aborda este tema en detalle.

Sin embargo, la forma actual de electromovilidad, especialmente la eléctrica con batería, todavía ofrece un gran potencial de mejora. Por un lado, para compensar diversas desventajas frente a los motores de combustión. Por otro lado, hacer que estos vehículos sean “mejores” que sus predecesores en todos los aspectos.

Porque una cosa está clara: las leyes pueden establecer el marco. Sin embargo, los clientes deben elegir activamente los vehículos eléctricos. Para ello, es necesario convencerles de que estos vehículos son la mejor alternativa. Incluso si el argumento de cero emisiones locales y costos operativos aún más baratos no se sostiene.

Por todas estas razones, la electromovilidad ocupa actualmente innumerables laboratorios, instalaciones de investigación y centros de desarrollo en todo el mundo. A continuación mostraremos algunos de los enfoques más importantes actualmente.

1. Acumuladores sin ingredientes problemáticos

La mayoría de los vehículos eléctricos de batería (BEV) actuales utilizan batería de iones de litio (Li-ion). Debido a su densidad energética y a la ausencia de efecto memoria, actualmente es simplemente la mejor opción y, además, se optimiza constantemente. Sin embargo, a mayor escala, la tecnología de iones de litio no es el final de la cadena de desarrollo. Porque también tiene algunas desventajas:

• Algunos componentes son relativamente limitados en la tierra o difíciles de extraer. En el caso del litio, por ejemplo, podrían surgir problemas de suministro a medio plazo. Según un estudio del Instituto Federal de Geociencias, el volumen de producción mundial debe multiplicarse rápidamente entre cuatro y siete veces para que no se produzcan cuellos de botella hacia 2030.
• El litio también es un producto típico de monopolio, ya que la mayoría de las reservas se encuentran en Chile y Australia. Lo mismo ocurre, entre otras cosas, con el cobalto necesario. Sería deseable una mayor independencia a través de la diversidad, por razones como consideraciones de estrategia geográfica y de mercado.
• Por último, pero no menos importante, algunos elementos sólo pueden extraerse en circunstancias precarias y/o perjudiciales para el medio ambiente. Esto aumenta innecesariamente la huella de los electromóviles.

Ya se han realizado experimentos exitosos con baterías de iones de litio fabricadas a partir de materias primas completamente recicladas. A medio y largo plazo, es probable que el almacenamiento móvil de energía dependa de otros elementos. Actualmente se están desarrollando varios enfoques en paralelo. Por ejemplo, se basan en aluminio-azufre, zinc-quitina, sodio, magnesio, silicio o pirita.

2. Acumuladores de mayor densidad energética y/o menor peso

Cuanto menos pesa un dispositivo de almacenamiento de energía, menos consume o puede cargar más un vehículo eléctrico de construcción idéntica. Al mismo tiempo, hay avances considerables en la tecnología de carga rápida. Sin embargo, por razones físicas, esto reduce la vida útil a largo plazo de los sistemas de iones de litio.

Estos dos enfoques también son una fuerte fuerza impulsora para avanzar en el enfoque actual. En este sentido, la batería de estado sólido es la que ha logrado mayores avances en el desarrollo. El electrolito líquido se cambia por una sustancia sólida. El resultado:

• La densidad de energía aumenta. Una batería ofrece más autonomía manteniendo el mismo peso o pesa menos manteniendo la misma autonomía.
• Ya no contiene líquidos inflamables. Los incendios de coches eléctricos, difíciles de extinguir, ya son casi cosa del pasado. La gestión térmica también se simplifica considerablemente.
• La capacidad de carga rápida ha mejorado significativamente. Esto significa que el dispositivo de almacenamiento de energía se puede cargar rápidamente con más frecuencia sin una degradación importante.

Las baterías de estado sólido ya se utilizan hoy en día en vehículos eléctricos con un perfil de conducción constante. Se esperan los primeros coches para finales de la década. Nissan, entre otros, ya está trabajando en un coche.

Pero a largo plazo también será necesario abandonar la tecnología de iones de litio. La batería de iones de sodio es prometedora. Sin embargo, todavía tiene una densidad energética significativamente menor y, por lo tanto, todavía no es adecuado para aplicaciones en el sector del automóvil.

3. Carga más cómoda y/o más rápida

Una de las principales críticas a la movilidad eléctrica es la necesidad de conectar manualmente el vehículo con un cable. En comparación con el altísimo nivel de tecnología y digitalización de las estaciones de carga y los vehículos eléctricos, a muchas personas esta acción les parece un retroceso o una improvisación.

La variedad de variantes de enchufes que antes resultaba confusa está desapareciendo. Sin embargo, la trama en sí permanece. No sólo es necesario manipular un cable (y en ocasiones enrollarlo una y otra vez). Asimismo, este sistema es un peligro constante para

Al igual que la batería de iones de litio con electrolito líquido, el cable de carga manual probablemente sea solo una tecnología de puente.

El fabricante Hyundai presentó recientemente cómo será probablemente el siguiente paso. Este sistema utiliza robótica para insertar (y retirar) el enchufe en la toma de carga del vehículo mediante un brazo controlado por sensor. A medio plazo, es probable que esta tecnología represente la mayoría, al menos en las estaciones de carga públicas.

Sin embargo, actualmente no existe una tecnología de batería previsible y realista que pueda cargarse en uno o dos minutos y que tenga una autonomía de hasta mil kilómetros, como es habitual en los coches de combustión. Por eso, otros fabricantes también están trabajando en sistemas de cambio automatizados. En este caso, todo el paquete de baterías se sustituiría en una estación por uno completamente cargado.

Técnicamente, esto no es más difícil que el brazo robótico. Sin embargo, el verdadero desafío radica en la estandarización entre modelos de vehículos o, mejor aún, entre fabricantes. Hasta ahora, el fabricante Nio ha sido el responsable. Actualmente está planeando unas tres docenas de sus “centrales de intercambio de energía” para Alemania, pero sólo para vehículos de su propia empresa.

4. Electrónica de potencia mejorada

Debido a una mayor eficiencia general y un control más sencillo, los motores de CA se utilizan ahora casi exclusivamente en vehículos eléctricos; es poco probable que esta casi norma cambie en el futuro previsible.

Ya se ha hecho práctica una batería de corriente alterna. Sin embargo, en términos de capacidad, densidad de potencia y otros parámetros, a estas baterías todavía les faltan muchos años de desarrollo para ser adecuadas para la movilidad eléctrica.

En el futuro previsible, la electricidad se almacenará en baterías de CC. Sin embargo, esto siempre va acompañado de una necesidad: debe convertirse en corriente alterna para que pueda utilizarse para la propulsión de vehículos. Esto sucede en la electrónica de potencia. Hoy es un componente muy diverso:

• Inversor para el flujo de potencia al motor.
• Rectificador para el flujo de energía de recuperación desde los frenos hacia la batería.
• Convertidor de voltaje para proporcionar el alto voltaje necesario para el motor y el bajo voltaje para otros consumidores.
• Control electrónico para adaptar el flujo de energía en función de la dinámica de conducción que cambia rápidamente, manteniendo al mínimo el ruido, las vibraciones y la aspereza (esta última técnicamente se abrevia como NVH por ruido, vibración y aspereza).

La tendencia actual entre varios fabricantes, incluido Hyundai, es hacia los transistores MOSFET de carburo de silicio. Esto sirve, entre otras cosas, para permitir sistemas de 800 voltios. Por último, pero no menos importante, se pueden cargar más rápido que los sistemas más habituales hasta ahora, con un máximo de 400 voltios.

A medio plazo, es probable que los 800 voltios se conviertan en el nuevo estándar. Sin embargo, a largo plazo, se podría lograr aún más con el desarrollo de baterías mejoradas.

5. Conceptos arquitectónicos de vehículos nuevos y recurrentes.

Los vehículos propulsados ​​por motores de combustión requieren una cantidad comparativamente grande de espacio para acomodar el motor, la transmisión y diversas unidades adicionales, como las partes externas del sistema de refrigeración. En los vehículos eléctricos, la batería ocupa más espacio que un depósito tradicional, aunque es mucho más plana. Por el contrario, la cadena cinemática es mucho más compacta debido a la falta de caja de cambios.

Sin embargo, hasta ahora este hecho apenas se ha reflejado en los componentes arquitectónicos de la construcción de vehículos. La mayoría de los modelos que llegarán en 2023 y 2024 tienen un aspecto muy convencional, con el capó largo típico de los motores de combustión. Algunos incluso tienen una parrilla del radiador, aunque no sería necesaria debido a la falta de un refrigerador de agua.

Actualmente, queda principalmente en manos de diseñar estudios para demostrar que los vehículos eléctricos pueden tener un aspecto completamente diferente. Aquí se pueden ver dos direcciones:

• Vehículos de aspecto futurista en los que, entre otras cosas, casi no se ve el compartimento del motor. Por ejemplo, el estudio de BMW “i Inside Future”, que ganó el IF Design Award en 2018.
• Inspirándose en elementos de diseño de épocas pasadas. Por ejemplo, el “Honda e”, que está disponible desde 2020. Menos angular que el célebre estudio de diseño anterior “Urban EV”, el coche todavía muestra cuán viejo es lo nuevo que podría ser en el futuro. El XBUS, anunciado para 2024, va en una dirección similar y traslada el lenguaje de diseño de los primeros minibuses de los años 50 al presente.

La razón principal por la que los vehículos eléctricos actuales parecen convencionales es porque los fabricantes de vehículos quieren correr el menor riesgo posible. Estos diseños simplemente son más adecuados para persuadir a los propietarios actuales de vehículos de combustión a cambiar, porque parecen menos radicalmente inusuales.

Sin embargo, es probable que esto cambie en el mediano y largo plazo. Cuando los coches eléctricos realmente se han afianzado en muchos mercados. Ya en los últimos años de la década de 2020, es probable que haya una diversidad significativamente más formal y, por lo tanto, visual en las calles, tanto futurista como convencional y, no menos importante, retrógrada.