Movilidad eléctrica: avances y desafíos

Las plataformas móviles cubren una amplia gama de aplicaciones, desde pequeños dispositivos eléctricos portátiles, drones y robots, hasta el transporte eléctrico, que influyen en la calidad de la vida moderna. Los sistemas energéticos de extremo a extremo de estas plataformas avanzan hacia una mayor electrificación. A pesar de su amplia gama de potencias y aplicaciones diversas, la electrificación de estos sistemas comparte varios requisitos técnicos. Los sistemas de energía móviles electrificados tienen un acceso mínimo o nulo a la red eléctrica y, por lo tanto, para lograr un tiempo de funcionamiento prolongado, se necesita una carga ultrarrápida o durante el movimiento, así como tecnologías de batería avanzadas. Las plataformas móviles tienen limitaciones de espacio, forma y peso y, por lo tanto, sus tecnologías energéticas a bordo, como los convertidores electrónicos de potencia y los componentes magnéticos, deben ser compactas y livianas. Estos sistemas también deberían demostrar una mayor eficiencia y rentabilidad en comparación con los diseños tradicionales. El artículo “E-Mobility - Advancements and Challenges” de IEEE analiza algunos desafíos técnicos a los que hace frente actualmente la industria al avanzar hacia una mayor electrificación de los sistemas de conversión de energía en plataformas móviles, aquí denominadas E-Movilidad, y revisa los avances recientes.

Las plataformas móviles de próxima generación, que van desde dispositivos portátiles, robots móviles y drones, hasta automóviles, aviones y barcos, requieren sistemas de energía pequeños, ligeros, rentables y de funcionamiento más prolongado para cumplir con perfiles de misión más agresivos. Al mismo tiempo, la mayoría de estas plataformas móviles están avanzando hacia una mayor electrificación, es decir, la movilidad eléctrica (E-Mobility), si es que aún no lo han hecho del todo. La movilidad eléctrica, en el documento de IEEE, se refiere a una mayor electrificación de los sistemas de conversión de energía en plataformas móviles. La movilidad eléctrica abre nuevas oportunidades para cumplir los objetivos requeridos del sistema energético, al tiempo que presenta nuevos desafíos. Como ejemplo, se pueden considerar los automóviles, donde los sistemas de propulsión convencionales basados en motores de combustión interna (ICE) están siendo reemplazados por sistemas de propulsión híbridos-eléctricos y totalmente eléctricos en vehículos eléctricos híbridos (HEV), vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) y vehículos eléctricos puros (VE). Los sistemas de propulsión eléctricos no emiten contaminantes y son más eficientes que los convencionales. Por ejemplo, la eficiencia de los vehículos eléctricos desde el eje hasta las ruedas es de aproximadamente el 60%, mientras que los vehículos ICE solo convierten alrededor del 20% de la energía de la gasolina en movimiento. Además, los sistemas de propulsión eléctricos proporcionan una mejor aceleración y requieren menos mantenimiento que los sistemas de propulsión basados en ICE. Sin embargo, la densidad energética de las baterías es aproximadamente dos órdenes de magnitud menor que la de la gasolina, lo que crea grandes obstáculos en el recorrido hacia la electrificación total de las plataformas móviles. Las soluciones híbridas han actuado como puente hacia esta visión definitiva de la movilidad eléctrica.
En la Figura 1, se muestra el esquema del tren motriz de un PHEV. Aquí, las ventajas de la alta densidad energética de la gasolina se combinan razonablemente con las ventajas de un sistema de propulsión eléctricos para obtener ventajas generales del sistema. Los vehículos HEV se fabrican en serie desde 1997. Los vehículos eléctricos también están comenzando a ganar cuota de mercado más recientemente, a medida que los investigadores abordan los desafíos asociados a su alcance operativo, coste e infraestructura de carga. Sin embargo, todavía queda mucho por hacer en este ámbito.
Los sistemas de propulsión híbridos y totalmente eléctricos también se encuentran en aplicaciones marítimas. Recientemente, se ha introducido un sistema de propulsión híbrido diésel-eléctrico escalable denominado SAVe Line System. La introducción de baterías en el buque reduce la capacidad del generador en un 30% y proporciona una suavización de carga. Durante períodos limitados, el barco puede operar en modo de batería sola con cero emisiones en puertos y mares sensibles como el Océano Ártico. También se vislumbran barcos totalmente eléctricos; sin embargo, sus principales desafíos son el alcance operativo, debido a la capacidad limitada de la batería y la falta de infraestructura de carga.
Los grandes aviones comerciales son responsables del 11% de todas las emisiones de gases de efecto invernadero en el sector del transporte de EEUU y, como tal, los diseños híbridos y totalmente eléctricos están encontrando aplicación en la industria de la aviación en preparación para la era post-petróleo. Sin embargo, existe un desafío importante, porque la energía específica del combustible para aviones es 40 veces mayor que la de la mejor tecnología de batería disponible. Ya se ha presentado un avión eléctrico híbrido E-Fan 1.2. También se están desarrollando otros sistemas de aeronaves híbridas en rangos operativos de 100 a 700 millas con una variedad de capacidades de asientos . El servicio de taxi aéreo es un concepto emergente que también podría beneficiarse enormemente de la movilidad eléctrica debido a sus características de ruido superiores. Además del desafío del almacenamiento de energía, la confiabilidad del sistema de energía es un reto muy importante en las aplicaciones de aviación.
El diseño del sistema energético de una plataforma móvil electrificada debe tener en cuenta el tipo de plataforma, su perfil de utilización, las fuentes de energía disponibles y cualquier requisito exclusivo de la aplicación. Sin embargo, dado que muchas plataformas móviles comparten desafíos comunes y tienen las mismas necesidades en términos de un sistema de energía compacto, liviano, de bajo coste, de largo alcance y tiempo operativo y confiable, hay mucho que ganar combinando fuerzas y aprovechando los avances de varias aplicaciones en todos estos ámbitos. El objetivo del artículo de IEEE es proporcionar un vistazo a la situación actual de la movilidad eléctrica en estas aplicaciones, identificar la investigación necesaria y proporcionar un recurso para los investigadores que desarrollan la nueva generación de plataformas móviles electrificadas.

Tecnologías de baterías para la movilidad eléctrica
Las plataformas de energía móviles totalmente eléctricas son impulsadas por máquinas eléctricas alimentadas por paquetes de baterías recargables a través de convertidores de estado sólido. Sin embargo, la baja densidad de energía de las tecnologías de baterías existentes y el alto tiempo de recarga son algunos de los principales desafíos técnicos de la movilidad eléctrica.

Baterías de alta densidad de energía
La principal fuente de energía de los sistemas de propulsión eléctricos está formada por células químicas, conocidas como paquetes de baterías recargables. Una batería recargable puede utilizar diferentes electrolitos y materiales de electrodos para formar diferentes tipos de baterías, siendo las configuraciones más relevantes las de plomo-ácido, níquel-cadmio (NiCd), níquel-hidruro metálico (NiMH), iones de litio (Li-ion) y polímero de iones de litio.
En los vehículos ICE, la batería de plomo-ácido se utiliza principalmente para el arranque y como fuente de energía auxiliar. El precio de una batería de plomo-ácido con 2 V por celda es el más bajo entre los demás tipos de batería con una energía específica de 30 a 50 Wh/kg. Los dos tipos de baterías a base de níquel, es decir, NiCd y NiMH, con 1,25 V por celda, ofrecen la batería más segura para tecnologías móviles con una energía específica de 45 a 80 Wh/kg para NiCd y 60 a 120 Wh/kg para baterías NiMH. Las baterías de NiMH se han utilizado en los vehículos HEV como fuente de energía, pero están siendo reemplazadas debido a su alta tasa de autodescarga. La batería de iones de litio con un voltaje de celda de 3,8 V tiene una energía específica relativamente alta, es decir, 100 - 160 Wh/kg, lo que, junto con su voltaje de celda más alto, significa que se necesitan menos celdas para lograr una clasificación de voltaje particular, lo que hace que el paquete de baterías sea más liviano que las baterías de plomo-ácido y de níquel. Por lo tanto, las baterías de iones de litio se utilizan en muchos dispositivos electrónicos portátiles y vehículos eléctricos.
Los sistemas de baterías generalmente implementan un sofisticado sistema de administración de baterías (BMS) para monitorizar y controlar los estados de la batería para operaciones seguras, estimar el estado de carga (SOC) y el estado de salud (SOH) de la batería y proporcionar equilibrio de celdas. El BMS garantiza un alto rendimiento y una vida útil más prolongada al asegurar que la temperatura de funcionamiento de los paquetes de baterías esté dentro de los límites especificados y que las tasas de carga y descarga de las celdas individuales estén dentro de los rangos de seguridad y cumplan con las limitaciones químicas de la batería. El BMS también evita que el SOC supere el 90% o sea inferior al 20% para limitar el alto estrés de carga y descarga en el sistema de la batería, que de otro modo degradaría la vida útil de la batería. El SOC de las baterías no se puede medir directamente y, por lo tanto, la estimación en tiempo real del SOC es una de las principales tareas de un BMS. Los métodos tradicionales de estimación de SOC consisten en el método de voltaje de circuito abierto, que solo es aplicable cuando las baterías están en reposo, y el método de conteo de Coulomb, que es altamente susceptible a una gran acumulación de errores de medición debido a perturbaciones. Los algoritmos de estimación de SOC de última generación se centran en seleccionar un modelo de batería apropiado y determinar el SOC estimando los parámetros del modelo. Otra tarea importante del BMS es garantizar el equilibrio celular. El desequilibrio de capacidad y voltaje entre las celdas de un paquete de baterías es inevitable debido a inconsistencias de fabricación y a la distribución desigual de la temperatura entre las celdas. Estos factores conducen a una degradación asimétrica de las células a medida que pasan por más ciclos de carga y descarga, produciendo aún más desequilibrio celular con el envejecimiento. El BMS puede equilibrar las celdas disipando el exceso de carga de las celdas con SOC más altos a través de elementos pasivos o transistores o moviendo la carga entre celdas usando convertidores de potencia como los convertidores DC-DC.