Dado el volumen de ventas que alcanzarán en los próximos años, los vehículos eléctricos tienen un gran potencial de innovación y serán el motor y el espejo en el que se mirarán otros sectores del transporte.

Si bien los primeros proyectos de coches eléctricos se remontan a hace más de cien años, el mercado real tal y como los conocemos hoy en día empezó a crecer alrededor de 2011. En 20 años, la consultora IDTechEx predice que los vehículos eléctricos generarán el 76 % de todos los ingresos del sector del transporte. Debido a su gran escala, los mercados de automóviles crean las mayores oportunidades de negocio para los todos actores en la cadena de suministro de vehículos eléctricos: las tecnologías que los gobernarán incluyen desde materiales avanzados, pasando por paquetes de baterías, la electrónica de potencia o los motores eléctricos. Además, serán los responsables de impulsar la electrificación de otros sectores del transporte, ya sea en tecnología, regulación o modelos comerciales.

Con unos 80-90 millones de coches vendidos cada año en todo el mundo, la automoción es la mayor industria dentro del sector del transporte. La flota mundial es de aproximadamente 1.100 millones de automóviles en uso, lo que provoca que también sea la responsable de la mayor parte de la contribución a las emisiones en las carreteras, lo que le lleva a convertirse en un foco natural para los responsables de la formulación de políticas verdes.

El informe de IDTechEx “Electric Cars 2023-2043”, proporciona la información recopilada por esta consultora sobre el futuro de los mercados de la automoción, con pronósticos diferenciados a largo plazo para cada uno de ellos. La cobertura se centra en EE. UU., China, Noruega, el Reino Unido, Francia, Alemania, los Países Bajos, Dinamarca y el resto del mundo. El estudio incluye todas las tecnologías que actualmente están en alza: vehículos con batería (BEV), híbridos (PHEV y HEV) y de celda de combustible (FCEV); vehículos autónomos (L2, L3, L4); Baterías de iones de litio (NMC, NCA, LFP, silicio, estado sólido); motores eléctricos (PM, WRSM, ACIM, Axial-flux, In-wheel); electrónica de potencia (SiC, Si IGBT) y más.

Paquetes y celdas de batería de iones de litio avanzadas

Las baterías de iones de litio basadas en ánodos con estructura de grafito y cátodos ternarios de óxido en capas (NMC, NCA) han llegado a dominar gran parte de los mercados de vehículos eléctricos. Sin embargo, a medida que comienzan a alcanzar sus límites de rendimiento y se ponen de manifiesto sus riesgos ambientales y de suministro, las mejoras sobre ellas y las alternativas a las baterías de iones de litio se vuelven cada vez más importantes.

La denominación de “baterías de iones de litio avanzadas” se refiere al empleo de ánodos de silicio y metal de litio, electrolitos sólidos, cátodos con alto contenido de Ni, así como varios factores que se centran en el diseño de las celdas. Dada la importancia del mercado de los vehículos eléctricos, en concreto de los coches eléctricos alimentados por batería, a la hora de determinar la demanda de este componente, se prevé que esta tecnología mantenga su dominio. Sin embargo, las mejoras graduales en los cátodos, en los ánodos, en el diseño de celdas y en la densidad de energía se convierten en clave. Según el informe de IDTechEx, las celdas de batería de hasta 400 Wh/kg tendrán presencia en los mercados principales para 2030.

Más allá de las celdas individuales, la innovación también está siendo de gran importancia a nivel del paquete. Se requieren varios materiales diferentes para ensamblar una batería, incluidos los de la interfaz térmica, los adhesivos, las juntas, la impregnación, el encapsulado, los rellenos y otros aspectos. Está en marcha una tendencia general hacia factores de forma de celda más grandes y diseños de batería de celda a paquete no modulares, lo que reducirá la cantidad de conexiones, barras colectoras y cables entre celdas y módulos.

Electrónica de potencia

Se están realizando avances clave para mejorar la eficiencia del tren de potencia gracias a la electrónica de potencia, que incluye componentes como los inversores, los cargadores a bordo y los convertidores CC-CA. Estas mejoras permiten reducir la capacidad del paquete de baterías manteniendo la autonomía o mejorar el alcance con una de las mismas dimensiones. Una de las vías clave para lograr mayores eficiencias es la transición a MOSFET de carburo de silicio y plataformas de vehículos de alto voltaje que funcionan a 800 V o más. De hecho, Renault, BYD, GM, Hyundai y otros fabricantes han anunciado plataformas de vehículos de 800 V que adoptarán MOSFET de carburo de silicio en su electrónica de potencia en 2025.

Esta transición presenta nuevos desafíos para los materiales del módulo de potencia, ya que se exigen frecuencias de conmutación más altas, mayores densidades de potencia y mayores temperaturas operativas, manteniendo una vida útil de 15 años. El informe encuentra que las plataformas de 800 V y los inversores de SiC alcanzarán al menos el 10 % del mercado para 2030. Mientras que la densidad de potencia de los chips semiconductores aumenta exponencialmente, los nuevos diseños de enfriamiento de doble cara, las uniones de cables de cobre y los marcos de plomo permitirán mantener esta tendencia.

Motores eléctricos

Los mercados de los motores eléctricos todavía están evolucionando con nuevos diseños que mejoran la potencia y la densidad de par y también con materiales novedosos. Entre ellas destacan los desarrollos de motores de flujo axial y la eliminación por completo de las tierras raras.

Hay varias métricas de rendimiento clave para los motores eléctricos. La densidad de potencia y par permite mejorar la dinámica de conducción en un paquete más pequeño y ligero, con un peso y un espacio primordiales en los vehículos eléctricos. Otra área crítica es la eficiencia del ciclo de conducción. Mejorar la eficiencia significa que se desperdicia menos energía almacenada en la batería al acelerar el vehículo, lo que lleva a mejorar la autonomía con la misma capacidad de la batería. Debido a las muchas consideraciones diferentes en el diseño del motor, el mercado de vehículos eléctricos ha adoptado varias soluciones diferentes, incluidos los motores de imanes permanentes, de inducción y de rotor bobinado.

El informe revela que, si bien seguirán dominando el mercado los motores de imanes permanentes, habrá oportunidades para variantes sin ellos a medida que el coste y la sostenibilidad pasen a primer plano en los próximos años.

Celdas de combustible de hidrógeno

Las oportunidades para las pilas de combustible en los mercados de automóviles son limitadas. En 2021, se vendieron menos de 20.000 vehículos con esta tecnología. El despliegue de pilas de combustible dentro de los vehículos no es un concepto nuevo. Varios fabricantes como Toyota , Ford , Honda , GM, Hyundai, Volkswagen, Daimler y BMW, han invertido grandes sumas durante los últimos 30 años en el avance de esta tecnología. Para el caso de los automóviles de pasajeros, se ha invertido esfuerzos y dinero en desarrollar celdas de combustible. Sin embargo, en 2022 solo dos fabricantes importantes, Toyota y Hyundai, tienen un vehículo en producción con esta tecnología.

La implementación de vehículos con celdas de combustible enfrenta desafíos considerables. Los más importantes, la reducción del coste de los componentes del sistema de celdas de combustible y el despliegue de suficiente infraestructura de reabastecimiento de hidrógeno. También será esencial la disponibilidad de hidrógeno ‘verde’ de bajo coste, producido por la electrólisis del agua utilizando energías renovables que, según IDTechEx, será vital para que los FCEV cumplan con las credenciales ambientales.

Vehículos autónomos

El térmico ‘vehículo autónomo’ es un término general para los seis niveles definidos por la SAE (Nivel 0 a Nivel 5). Hoy en día, la mayoría de los modelos que aparecen en el mercado implementan funcionalidades de nivel 2. Técnicamente, la industria está lista para el nivel 3 una vez que se eliminen los obstáculos normativos.

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Estas son las cinco tecnologías que gobernarán los coches eléctricos en los próximos años

Escrito por Gonzalo García