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By SmartWallboxes
La aceleración de las ventas de vehículos eléctricos de batería (BEV) observada en 2021 muestra que el mercado ha superado el punto de inflexión. Ahora estamos en la parte vertical de la curva S. Las ventas de BEV pasaron de 1,0M en 2020 a 2,7M en 2021 en China y de 730k a 1,2M en Europa. El año pasado, los BEVs alcanzaron el 13% del mercado de vehículos ligeros en China y el 10% en Europa. Los Estados Unidos siguen a la zaga, con un 2,5% aproximadamente, pero el impulso está aumentando rápidamente.
Esta fuerte aceleración está obligando a los fabricantes de equipos originales a acelerar el lanzamiento de nuevos vehículos eléctricos de batería, aumentar la capacidad de producción y desplazar las capacidades de ingeniería de los motores de combustión interna.
La industria de las pilas está inmersa en una maratón para aumentar su capacidad forzada por los vehículos eléctricos y sus necesidades de mejorar su autonomía que actualmente se ven satisfechas a través de los puntos de recarga, especialmente en Europa y Estados Unidos. Ambas regiones necesitan reducir drásticamente su dependencia de Asia, especialmente de China. Dado que los principales actores son actualmente chinos (CATL, BYD…), coreanos (LG, Samsung, SK) y japoneses (Panasonic), en Europa ha surgido una serie de nuevos actores para lograr su independencia, como Northvolt, AAC, Verkor o Britishvolt.
La tensión en torno a los minerales (cobalto, níquel y manganeso) crece en parte por razones geopolíticas, es decir, por las condiciones de la minería y el dominio de China en el procesamiento de minerales. Muchos fabricantes de equipos originales están empezando (o planeando) utilizar células de litio-fosfato de hierro (LFP) para sus vehículos de menor precio, como Tesla para el Modelo 3 RWD, lo que aliviará la presión sobre los minerales sensibles – y proporcionará una base de coste más baja.
Además, está surgiendo una industria de reciclaje de baterías, con actores como Redwood Materials o Li-Cycle, así como una actividad de recogida y comercio de baterías usadas, con Cling Systems, por ejemplo. Estas empresas aliviarán la presión en la cadena de suministro y ayudarán a minimizar la cantidad de minerales extraídos.
Otras opciones clave para aliviar la creciente tensión en la cadena de suministro son el aumento de la densidad energética de las baterías y la eficiencia energética de los BEV, medida respectivamente en kWh/kg y kWh/100 km. No todos los vehículos eléctricos de batería nacen iguales.
Los OEMs están impulsando sus esfuerzos para mejorar la eficiencia de sus vehículos eléctricos de batería, abordando el vehículo completo. Estos esfuerzos se centran en los motores, la electrónica de potencia, la aerodinámica, el voltaje del sistema, la gestión térmica, los neumáticos o incluso los paneles solares para recolectar energía. Echemos un vistazo a lo que está ocurriendo en estos distintos ámbitos.
Motores de los vehículos eléctricos de batería
Los fabricantes de equipos originales pueden elegir entre varias tecnologías de motores en función de sus objetivos, que incluyen la eficiencia del sistema, el coste, la densidad de potencia o la independencia de las cadenas de suministro críticas.
La mayoría de los vehículos eléctricos de batería utilizan motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) – más del 80% en 2021 según IDTechEx y en aumento. Estos motores ofrecen una alta eficiencia y densidad de potencia (kW/kg) frente a otras tecnologías. Sin embargo, los PMSM utilizan tierras raras, lo que plantea problemas de abastecimiento: China es, con mucho, la principal fuente. Sus imanes también generan una resistencia constante, lo que puede provocar pérdidas de eficiencia en caso de que el conductor seleccione una regeneración baja.
Por el contrario, el motor asíncrono (ASM o motor de inducción) ofrece un coste menor y un mejor rendimiento a alta velocidad, pero una eficiencia inferior a la del PMSM. Una tercera alternativa es el motor síncrono de excitación eléctrica (EESM), que ofrece una mayor eficiencia que los ASM a un coste inferior al de los PMSM. El EESM es la tecnología utilizada para el futuro motor de 200 kW que acaban de anunciar Renault y Valeo (producto actual, arriba). Ni los ASM ni los EESM requieren tierras raras, lo que elimina ciertos problemas de abastecimiento frente a los PMSM.
Con las versiones de doble motor del Model 3, Tesla introdujo una combinación de un ASM en la parte delantera y una solución única en la parte trasera. El motor delantero sólo se activa cuando es necesario y no genera resistencia en caso contrario. Para el motor trasero, Tesla creó un motor de reluctancia síncrona de imanes permanentes internos (PMSRM) que proporciona una alta eficiencia a baja y alta velocidad, supuestamente superior a la de los ASM; esta tecnología también se utiliza en el último Model S/X (abajo: e-drive delantero del Model S Plaid), en sustitución de los ASM.
En el nuevo Q4 e-tron de tracción total, Audi también ha optado por dos tecnologías diferentes. Utiliza un ASM en la parte delantera (que se activa sólo cuando es necesario) y un motor síncrono de excitación permanente, siendo ambos capaces de desplazarse por inercia sin arrastrar. En comparación, el Ford Mach-E y el VW ID.3/ID.4 sólo utilizan PMSM.
El peso también influye en la eficiencia. En el recientemente presentado Air, Lucid se centró en la eficiencia energética, la densidad de potencia y la capacidad de sus e-drives. Utilizando una tecnología de imanes permanentes, el conjunto de accionamiento (motor, transmisión y convertidor) pesa sólo 74 kg para 500 kW. En comparación, la unidad delantera equivalente del Tesla Model S Plaid pesa 95 kg para una potencia menor.
En general, las tecnologías basadas en imanes permanentes toman la delantera – al menos para el motor principal – para mejorar la eficiencia. Sin embargo, el abastecimiento de tierras raras seguirá siendo un reto estratégico cuando se utilicen imanes. Además, será interesante ver qué elección hacen los OEM para su BEV de entrada, para el que la ventaja de costes de los ASM puede superar la diferencia de eficiencia frente a los PMSM.
Mientras que todos los motores anteriores funcionan con flujo radial (línea de flujo que discurre en planos perpendiculares al eje del motor), hay otro tipo que utiliza flujo axial (línea de flujo que discurre paralela al eje). Estos motores se caracterizan por una densidad de potencia muy elevada y suelen utilizarse en vehículos de alto rendimiento. Uno de los proveedores es Yasa, una empresa británica adquirida por Mercedes-Benz el año pasado para aplicaciones en modelos AMG.
Electrónica de potencia de los vehículos eléctricos de batería
Los vehículos eléctricos de batería requieren varias unidades electrónicas de potencia de alto voltaje. Entre ellas están el convertidor DC-DC (de la alta tensión de la batería a 12V), el cargador de a bordo (interfaz cargador-batería) y el inversor, que es un componente crítico para mejorar la eficiencia. El inversor convierte la CC de la batería en CA para el motor en las fases de aceleración y viceversa en las fases de regeneración. Este módulo clave, dotado de software, también calcula y controla la cantidad óptima de potencia de tracción y regenerativa, así como la conmutación entre ambos modos. (Inversor Bosch abajo)
Las estrategias para aumentar la eficiencia incluyen mejoras de hardware y software en el inversor. Por ejemplo, el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN) sustituyen cada vez más al silicio. La refrigeración del inversor se está convirtiendo en un estándar. Una de las formas de aumentar la eficiencia a través del software consiste en conmutar a mayor frecuencia entre los modos de potencia y regenerativo.
Desarrollada por la empresa francesa Silicon Mobility, esta solución permite ganar hasta un 20% de energía gracias a la reducción de las pérdidas de conmutación en el inversor. Las mejoras basadas en el software también pueden aplicarse de forma inalámbrica durante la vida útil del vehículo. El inversor es, sin duda, un componente esencial.
Aerodinámica de los vehículos eléctricos de batería
La resistencia aerodinámica tiene un impacto directo en el consumo de energía de un vehículo y, por tanto, en su autonomía. Los fabricantes de equipos originales han realizado enormes mejoras a lo largo de los años. El revolucionario Citroën DS, presentado en 1955, tenía un coeficiente de resistencia (Cd) de 0,36. Sesenta años después, el BMW i8 híbrido alcanzaba 0,26 con sus apéndices aerodinámicos.
Hoy en día, los mejores modelos de su clase han alcanzado un Cd de 0,21 o incluso 0,20. Estos vehículos son BEV: Mercedes EQS, Tesla Model S, Lucid Air y NIO ET7. Sin embargo, los fabricantes no se detienen aquí: Mercedes ha presentado recientemente el prototipo Vision EQXX (arriba) con un Cd de 0,17, aunque la estética no es para todos. Es decir, menos de la mitad de resistencia aerodinámica que el Citroën DS de 1955, suponiendo una superficie frontal similar.
Otros factores que mejoran la eficiencia de los vehículos eléctricos de batería
Hay una serie de otros parámetros que la industria puede aprovechar para mejorar la eficiencia energética, algunos más intrusivos o impactantes que otros.
Mientras que la mayoría de los vehículos eléctricos de batería funcionan a 400 V, se busca un voltaje más alto para reducir las pérdidas de energía. Están surgiendo arquitecturas de 800 voltios (por ejemplo, Porsche Taycan, Hyundai Ioniq5 / Kia EV6) y serán cada vez más comunes, ya que la mayoría de los OEM han anunciado que adoptarán esta solución. El Lucid Air funciona incluso a 900V.
Los neumáticos siempre han desempeñado un papel fundamental para reducir el consumo de combustible al minimizar la resistencia a la rodadura. Los fabricantes de neumáticos han desarrollado neumáticos especiales para vehículos eléctricos, ya que una menor resistencia desencadena un círculo virtuoso en el que una mayor eficiencia se traduce en una menor masa de la batería para una determinada autonomía. También se requieren especificaciones exclusivas para los vehículos eléctricos, que suelen tener un par y un peso mayores.
La gestión térmica es otro ámbito en el que se observa una creciente actividad en la industria. Las bombas de calor reversibles se introdujeron por primera vez en el Tesla Model 3/Y y ahora las utiliza Hyundai. Generan más energía térmica (calor o frío) de la que utilizan la energía eléctrica, lo que contribuye a una mayor eficiencia del sistema frente a la combinación tradicional de calefacción y aire acondicionado.
Por último -aunque esto es probablemente más marginal- es la aparición de paneles solares que cubren los paneles de la carrocería, o al menos el techo. Esta tecnología aparece en el próximo Sion de Sono Motors y en el One de Lightyear (arriba), así como en el ya mencionado Mercedes Vision EQXX. En el Lightyear, esta tecnología contribuye a permitir una autonomía de 400 km a una velocidad constante de 130 km/h con una batería de 60 kWh, lo que supone 141 Wh/km.
Estos diversos enfoques para impulsar la eficiencia energética de los vehículos eléctricos de batería se traducirán sin duda en una carrera tecnológica continua que aportará una diferenciación adicional entre actores y modelos.
