Las baterías de litio son poco amigas del frío. Sufren cuando bajan las temperaturas y los coches eléctricos pueden perder bastante autonomía, debido fundamentalmente a dos cosas.
La llegada del invierno trae consigo, cuando hablamos de coches eléctricos, una merma en las prestaciones. El frío afecta al rendimiento de las baterías y, por ende, a los vehículos eléctricos que se alimentan de ellas. Es algo relativamente conocido, aunque no todo el mundo conoce las causas que lo originan: ¿por qué afecta el frío a las baterías? ¿Por qué los coches eléctricos tienen menos autonomía en invierno?
Una batería está compuesta por un determinado número de celdas (pilas). Una pila es un dispositivo electroquímico compuesto de tres elementos principales: dos electrodos (positivo y negativo) y un electrolito. Cuando se carga, convierte la electricidad en energía potencial química. Y en la descarga convierte la energía química en energía eléctrica, que en el caso de los coches eléctricos se utiliza para alimentar un motor que transforma la energía eléctrica en energía cinética.
Puede decirse que a las baterías no le gustan los excesos de temperatura, ni en positivo ni en negativo. La temperatura óptima de trabajo de las baterías de litio es de entre 20 ºC y 30 ºC. En el momento en que las temperaturas bajan de cero o superan los cuarenta grados, se produce un muy notable descenso de su rendimiento y, por tanto, de la autonomía que pueden ofrecer.
Cómo responde la batería a las condiciones de temperatura ambiente depende de la capacidad calorífica específica y la conductividad térmica de las celdas, que a su vez dependen de los materiales empleados, del factor de forma, del tamaño de la celda y su geometría, y del material de la carcasa de la batería y su grosor. También son fundamentales los diferentes mecanismos de control (tanto hardware como software) para compensar las variaciones de temperatura y asegurarse de que la temperatura de la batería se mantiene dentro de un rango adecuado.
¿Por qué pierden autonomía los coches eléctricos cuando hace frío?
Hay dos razones fundamentalmente: por la mayor demanda de energía para calentar el habitáculo y por la naturaleza intrínseca de las reacciones químicas de la celda. Vamos a empezar por esto último y, a continuación, hablaremos del uso de energía y cómo optimizarlo mejor en un coche eléctrico.
La causa por la que las baterías funcionan peor cuando hace mucho frío es que las reacciones químicas se ralentizan cuanto menor es la temperatura, y a la inversa: se aceleran cuanto más incrementamos la temperatura. Por esta misma razón congelamos la comida para que nos dure más tiempo: en el congelador, es muchísimo más lenta la reacción química que deteriora los alimentos. En cambio, si en verano dejamos comida fuera del frigorífico, no tardará mucho en estropearse.
La relación entre la velocidad de una reacción cinética con respecto a la temperatura viene dada por la ecuación de Arrhenius. En la mayoría de las aplicaciones de baterías, un aumento de la temperatura en 10 K duplica la velocidad de las reacciones internas, incluidos también los procesos (no deseados) de envejecimiento y autodescarga. La temperatura debe considerarse, por tanto, el factor más importante que influye en el rendimiento de las celdas de las baterías.
Conforme baja la temperatura, el electrolito que hay en el interior de las celdas (que es el medio por el que se mueven los electrones) va dificultando el movimiento de electrones de un electrodo a otro, haciendo que la batería pierda efectividad. Las baterías de iones de litio aumentan su resistencia eléctrica interna cuando baja la temperatura. Para la mayoría de las baterías de iones de litio con electrolito líquido o basados en gel, como tienen las baterías actuales, la temperatura mínima de funcionamiento se define por el punto de congelación del electrolito, que suele estar en -30 ºC. Por debajo de esa temperatura, los electrones no pueden moverse por el electrolito y, por tanto, no se produce la reacción química que permite generar electricidad para alimentar el motor.
Calefacción, el otro gran enemigo
La otra causa principal de pérdida de autonomía es la mayor demanda de energía. Cuando hace frío, se utiliza más energía para calentar el interior del vehículo. También para poner en marcha otros sistemas como la luneta térmica, por ejemplo. En muchos coches eléctricos, la energía necesaria para calentar el habitáculo procede directamente de la batería, reduciendo notablemente la autonomía. Aquí, sin embargo, no se puede calcular mediante una ecuación porque la demanda de energía depende de cada usuario y lo que necesite para poner a su gusto la temperatura del habitáculo.
Por suerte, existe una solución: la bomba de calor. La bomba de calor es el elemento más importante para reducir el uso de energía en invierno y evitar que la autonomía baje drásticamente con el frío. Una bomba de calor aprovecha el calor residual que se desprende de los elementos del circuito eléctrico de alta tensión: batería, cargador, inversor, motores… Un circuito va recorriendo todos esos elementos, calentando un refrigerante que pasa de estado líquido a estado gaseoso y sale por los aireadores del habitáculo.
Si bien cada vez más coches eléctricos equipan bomba de calor, no todos la llevan. En algunos viene de serie, en otros modelos es un equipamiento opcional y otros directamente no pueden equiparla ni siquiera en opción. Si das mucha importancia a la autonomía o vives en una zona donde suele hacer mucho frío, es importante que el coche eléctrico tenga bomba de calor para reducir el consumo energético.
¿Cuánta autonomía se pierde con el frío?
Como decíamos antes, es complicado dar una respuesta cerrada a esa pregunta, pues influyen varios factores además de la temperatura exterior. Influye, y mucho, la energía que gasta cada usuario para calentar a su gusto el habitáculo y si el vehículo equipa bomba de calor o no la lleva. Depende también de cada vehículo y de la eficiencia de su propulsor. No obstante, y aun sabiendo que es variable, la autonomía puede descender entre un 15 y un 30 por ciento con el frío.
Un reciente informe elaborado por Recurrent, en el que se analizaron más de 7.000 coches eléctricos distintos, puso de manifiesto las mermas en la autonomía cuando hace frío. En algunos casos, como el Ford Mustang Mach-E y el Volkswagen ID.4, la autonomía llega a disminuir un 30%. Los que menos sufren, según Recurrent, son el Tesla Model Y y el Model X, que pierden un 15%. El Jaguar I-Pace es, de manera estimada, el que menos autonomía pierde (-3%) aunque este dato no se comprobó empíricamente.
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El frío es el peor enemigo de los coches eléctricos, ¿pero por qué pierden autonomía?
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