Autores: Kumar V. Mahtani Mahtani (Profesor Ayudante en la Universidad Politécnica de Madrid y Profesor Visitante en la Universidad París-Saclay, Francia) y Alvaro Sanz (Ingeniero Industrial)
Tiempo de lectura: 8 minutos
La industria de los vehículos eléctricos (VE) está experimentando enormes avances tecnológicos . Este artículo profundiza en algunos de los temas más candentes (hot topics, como dirían nuestros amigos anglosajones) de la investigación sobre vehículos eléctricos, incluyendo baterías de alta densidad energética, sistemas de gestión de baterías (BMS), convertidores de potencia, cargadores rápidos y motores eléctricos.
1. Baterías de alta densidad energética: avances y desafíos
Las baterías de iones de litio siguen siendo la opción predominante en los vehículos eléctricos debido a su alta densidad energética, larga vida útil y coste relativamente bajo. Sin embargo, la demanda de mayor autonomía y tiempos de carga más rápidos ha impulsado la investigación hacia tecnologías de baterías de alta densidad energética.
Un área prometedora en este sentido es el desarrollo de baterías de estado sólido. Estas baterías utilizan electrolitos sólidos, lo que elimina los riesgos de incendio y mejora la densidad energética, permitiendo más energía en el mismo volumen y peso. Además, las baterías de litio-azufre se están investigando como una alternativa a las de iones de litio debido a su capacidad para ofrecer una mayor densidad energética, aunque aún enfrentan desafíos como la degradación rápida del cátodo y la solubilidad del sulfuro en el electrolito.
2. sistemas de gestión de baterías (BMS): optimización de la eficiencia y seguridad
El Sistema de Gestión de Baterías (BMS) es clave para garantizar el rendimiento óptimo y la seguridad de las baterías de los vehículos eléctricos. Un BMS avanzado realiza funciones como monitorización de la temperatura, estado de carga (SOC) y estado de salud (SOH) de las celdas de la batería. Para mejorar su eficiencia, los BMS modernos integran inteligencia artificial (IA) y algoritmos predictivos que pueden anticipar fallos y optimizar el uso de las celdas, alargando su vida útil.
El balanceo activo es otra de las características de los BMS avanzados, que redistribuye la carga de las celdas de la batería utilizando convertidores DC-DC, asegurando que todas las celdas se descarguen y se carguen de manera uniforme, lo que evita el sobrecalentamiento y la degradación de las celdas.
3. Convertidores de potencia: eficiencia y nuevos semiconductores
La electrónica de potencia juega un papel crucial en los vehículos eléctricos, ya que regula la conversión de la energía entre la batería, el motor eléctrico y el sistema de carga. Uno de los avances más importantes en este campo ha sido el desarrollo de semiconductores avanzados como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), que permiten mayor eficiencia en la conversión de energía.
Los MOSFETs SiC y los IGBTs de SiC permiten una operación a altas temperaturas y frecuencias más altas con menores pérdidas, lo que se traduce en una mayor eficiencia de los convertidores DC-AC y DC-DC en los sistemas de propulsión de los vehículos eléctricos. Además, la capacidad de los semiconductores SiC para manejar mayores tensiones y corrientes permite construir convertidores más pequeños y ligeros, lo que es fundamental para la eficiencia y autonomía de los vehículos eléctricos.
La topología de los convertidores también está evolucionando, permitiendo una mayor integración y miniaturización de los sistemas, al mismo tiempo que se optimiza la eficiencia energética. Investigaciones actuales están enfocadas en convertidores bidireccionales para facilitar la carga bidireccional, donde los vehículos eléctricos no solo consumen energía de la red, sino que también pueden inyectar energía de vuelta a la red o servir como almacenamiento para el hogar o instalaciones comerciales. El diseño de convertidores multicanal puedan gestionar mejor las cargas dinámicas de los motores eléctricos y adaptarse a las variaciones de carga sin perder eficiencia.
La refrigeración de los convertidores es otra área crítica, ya que los componentes como los IGBTs pueden generar una gran cantidad de calor. Se están desarrollando sistemas de refrigeración líquida más eficientes y materiales de gestión térmica avanzados para mantener la temperatura de los convertidores dentro de rangos seguros.
4. Cargadores rápidos y estaciones de carga: eficiencia y carga Inteligente
La carga rápida sigue siendo uno de los principales retos para los vehículos eléctricos, especialmente en cuanto a tiempos de recarga. El desarrollo de cargadores rápidos de corriente continua (DC) y estaciones de carga ultra-rápida está enfocado en reducir significativamente los tiempos de carga sin comprometer la seguridad de la batería. Convertidores de alta frecuencia y topologías de convertidores avanzadas están siendo estudiados para lograr una mayor eficiencia y una mayor capacidad de transferencia de energía sin causar un sobrecalentamiento en la batería.
El concepto de carga bidireccional está ganando terreno, permitiendo que los vehículos eléctricos no solo se recarguen, sino que también puedan devolver energía a la red eléctrica, ayudando a equilibrar las fluctuaciones de oferta y demanda de energía. Este enfoque está especialmente alineado con los objetivos de smart grids, donde los vehículos eléctricos pueden actuar como recursos de almacenamiento de energía distribuidos.
Además, la carga inalámbrica o inductiva está ganando popularidad, eliminando la necesidad de cables y haciendo la recarga más conveniente y accesible, especialmente en estaciones de carga públicas o lugares de estacionamiento.
5. Motores eléctricos en el powertrain de los vehículos eléctricos: investigación y avances
Los motores eléctricos son el corazón de los vehículos eléctricos, y la investigación en esta área se centra en mejorar su eficiencia, reducir su tamaño y peso, y mejorar su fiabilidad. En particular, se están realizando avances en los motores de imán permanente (PM), que ofrecen una alta eficiencia y una excelente densidad de potencia. Estos motores, basados en imanes permanentes de neodimio, son más compactos y livianos que los motores de inducción, y proporcionan un alto par a bajas revoluciones, lo que es ideal para la conducción de vehículos eléctricos.
Una de las áreas de investigación más emocionantes en el campo de los motores eléctricos es el motor síncrono de imán permanente (PMSM). Este tipo de motor es ampliamente utilizado en vehículos eléctricos debido a su alta eficiencia en una amplia gama de velocidades y cargas. La investigación está orientada a mejorar los imanes permanentes, utilizando imanes más eficientes o explorando el uso de materiales alternativos como el hierro sinterizado para reducir costes y mejorar el rendimiento.
Además, los motores de inducción también siguen siendo una opción viable, especialmente en aplicaciones de mayor potencia, como los camiones eléctricos. Estos motores no requieren imanes permanentes, lo que reduce los costes de los materiales y permite una mayor fiabilidad. Sin embargo, la eficiencia de los motores de inducción depende de su diseño y de la electrónica de control que los acompaña, que está evolucionando para proporcionar un rendimiento más eficiente y controlado.
6. Reciclaje de baterías y sostenibilidad
El reciclaje de las baterías de los vehículos eléctricos es una cuestión crítica en la transición hacia la sostenibilidad. La recuperación de materiales valiosos como el litio, cobalto, níquel y grafito de las baterías usadas es crucial para reducir el impacto ambiental y asegurar el abastecimiento a largo plazo. A medida que la adopción de vehículos eléctricos sigue aumentando, el reciclaje se convierte en una prioridad para mantener un flujo sostenible de materiales, reducir costes y minimizar la huella de carbono.
Las investigaciones están enfocadas en nuevas tecnologías de reciclaje que sean más eficientes, como los procesos hidrometalúrgicos y pirometalúrgicos para la extracción de estos materiales, y en la mejora de los métodos de purificación que aumenten el rendimiento y la rentabilidad del reciclaje de baterías.
Conclusión
La investigación en vehículos eléctricos sigue avanzando con rapidez, y los desarrollos en baterías, electrónica de potencia, motores eléctricos y sistemas de carga están llevando a la industria a nuevas fronteras de eficiencia, autonomía y sostenibilidad. Con el tiempo, estas innovaciones permitirán que los vehículos eléctricos sean más accesibles, más prácticos para los consumidores y más eficientes desde el punto de vista energético. Además, la recuperación de materiales, la optimización de sistemas de gestión de baterías y la mejora de la infraestructura de carga garantizarán que la adopción de vehículos eléctricos sea un motor clave en la transición hacia un futuro más limpio y sostenible.
Fuentes:
Sanguesa JA, Torres-Sanz V, Garrido P, Martinez FJ, Marquez-Barja JM. A Review on Electric Vehicles: Technologies and Challenges. Smart Cities. 2021; 4(1):372-404
T. Van Do, J. P. F. Trovão, K. Li and L. Boulon, “Wide-Bandgap Power Semiconductors for Electric Vehicle Systems: Challenges and Trends,” in IEEE Vehicular Technology Magazine, vol. 16, no. 4, pp. 89-98, Dec. 2021
C. Liu, K. T. Chau, C. H. T. Lee and Z. Song, “A Critical Review of Advanced Electric Machines and Control Strategies for Electric Vehicles,” in Proceedings of the IEEE, vol. 109, no. 6, pp. 1004-1028, June 2021
Liu, Wei & Placke, Tobias & Chau, K.T. (2022). Overview of batteries and battery management for electric vehicles. Energy Reports. 8. 4058-4084.
