Especial Baterías Parte II: Los packs de baterías


Pack del Nissan Leaf

La semana pasada estuvimos comentando muchas cosas alrededor de las baterías a nivel básico aunque algo hablamos de packs también. Pero continuando la serie quería hablar un poco más a fondo de los packs de baterías, que es tan importante o más que las celdas usadas para construirlos.

Antes que nada recordar que estrictamente hablando a la unidad mínima de batería se le llama celda o a veces elemento. La palabra batería es en cambio mucho más versátil, usada en ocasiones para hablar de celdas, como las baterías de nuestros móviles que suelen estar compuestas de una sola celda, o para referirnos a un conjunto de celdas conectadas entre sí como las baterías de plomo de 12 V de los coches. A menudo usamos la palabra batería para referirnos a un pack completo, como cuando decimos que el Nissan Leaf tiene una batería de 24 kWh.

Módulo con varias celdas

En baterías de coches eléctricos se usa bastante también el término “módulos”, haciendo referencia a lo mismo, un conjunto de celdas unidas en serie y/o en paralelo empaquetadas juntas. Así un pack de baterías puede estar compuesto internamente de diferentes módulos, compuestos internamente de celdas individuales.

Hay incluso packs con jerarquías más complicadas como el del Tesla Roadster que agrupa 69 celdas 18650 conectadas en paralelo en ‘bricks’ (ladrillos o módulos), con 9 de esos ‘bricks’ conectados en serie compone una ‘sheet’ (hoja, o lámina) y con 11 de estas ‘sheets’ de nuevo conectadas en serie se compone el pack completo. Existe una nomenclatura usada para describir estas configuraciones de batería, que en el caso que acabamos de ver del Roadster sería 11S 9S 69P (11 en serie de 9 en serie de 69 en paralelo).

Pack del Tesla Roadster y sus 11 “Sheets”

Al hablar de las características de los packs de baterías podemos hacer referencia a las unidades que vimos en post anterior:

Tensión Nominal de Pack

Cada pack tiene su tensión nominal que dependerá como ya sabéis de cómo se hayan interconectado sus celdas. Al conectarlas en serie, positivo de una a negativo de la siguiente y así sucesivamente, las tensiones se suman y la intensidad se mantiene. Si en cambio conectamos celdas en paralelo, positivos con positivos y negativos con negativos, la intensidad se suma pero la tensión se mantiene.

Potencia y Potencia Específica de Pack

Al ser la potencia un producto de tensión e intensidad a efectos de potencia es indiferente como conectemos las celdas. La potencia del pack dependerá entonces en realidad únicamente del número de celdas, de la tensión nominal de celda y de la intensidad máxima que admiten. Podemos considerar la potencia específica del pack en W/kg tomando la potencia máxima y el peso del pack pero no suele ser una medida muy indicativa ya que generalmente la potencia absorbida del pack se limita electrónicamente para proteger las celdas.

Capacidad Real y Útil, EnergíaEspecífica y Densidad Volumétrica de Pack

Ya hablamos de capacidad real y útil en el post anterior usando el ejemplo el pack del Nissan Leaf. No obstante quiero añadir un apunte, y es que no hay consenso entre las marcas ni al parecer normativa que nos permita saber a ciencia cierta cuando un fabricante nos da una cifra u otra. Algunos publican ambas, otros sólo una cifra, sin precisar si se refieren a kWh nominales, útiles, o a algún otro cálculo intermedio del fabricante.

De cualquier modo todo pack tiene su capacidad nominal, y esta, al igual que la potencia, sólo depende del número de celdas totales que contenga y de la capacidad de estas. Es una sencilla multiplicación. Podemos hablar también de energía específica o densidad volumétrica del pack en su conjunto.

En cuanto a la densidad volumétrica de pack hay que reconocer que es muy complicado conocerla ya que muy pocos fabricantes proporcionan medidas exactas de sus packs y generalmente nos conformamos con conocer su energía específica.

En ocasiones (pocas) se habla del ratio celdas/pack, en peso o en volumen en tanto por uno. El ratio celdas/pack en peso es el peso de las celdas dividido por el peso del pack, y el ratio celdas/pack en volumen es el volumen de las celdas dividido por el volumen del pack. Nos dan una medida indirecta de lo bien aprovechado que está el pack.

Veamos un ejemplo real de todos estos conceptos

El Tesla Roadster, como ya hemos visto más arriba, tiene un pack 11S 9S 69P formado por 6831 celdas 18650 y cada una de esas celdas es de 3,7 V, 2100 mAh y pesa 44 gramos. Con todos estos datos podemos sacar todas las cifras. De esa forma sabemos que la capacidad del pack es de 53 kWh. La tensión depende del número de celdas en serie, 99, por lo que será de unos 366 V. La energía específica de las celdas es de 176,6 Wh/kg pero la del pack baja a unos 118 Wh/kg. La densidad volumétrica no se puede saber sin conocer las medidas del pack pero las celdas tienen unos 457 Wh/l. Además el pack al completo pesa 450 kg y las celdas 300,5 kg así que el ratio en peso celdas/pack es de 0,667.

Como curiosidad, la arquitectura de la batería del Model S no se conoce con precisión pero podemos hacer un divertido ejercicio de especulación. Imaginad que sustituyéramos cada una de las 6831 celdas del Roadster por las celdas 18650 que usa el pack del Model S, de 3,6 V y 3100 mAh y 45,5 gramos. Ese pack de Roadster tendría ahora 76 kWh y en vez de 450 kg pesaría unos 460 kg, 23 kWh más con un incremento de peso de tan sólo 10 kg porque las nuevas celdas pesan 1,5 gramos más pero contienen mucha más energía. Así que resulta razonable pensar que el Model S tiene una energía específica de pack al menos de 163 Wh/kg, el doble que el Leaf o el Volt.

El denso pack del Model S

Refrigeración y climatización de los packs

De este tema hemos hablado y comentado largo y tendido en multitud de ocasiones. Por la simple razón de que ni las baterías ni la electrónica ni los conductores pueden tener un rendimiento nunca del 100%, tanto cuando se cargan como cuando se descargan hay generación de calor.

Curiosamente una batería caliente trabaja mejor que una fría, da más corriente (potencia) y más energía pero por desgracia una temperatura de trabajo alta con frecuencia es una de las principales razones por las que se reduce la vida útil de la batería. Por esa razón ese calor debe salir de alguna manera. Las soluciones adoptadas por los fabricantes son diversas y cada una tiene sus ventajas e inconvenientes.

La solución más sencilla de todas es la de Nissan con el Leaf, refrigeración pasiva. El calor es irradiado de las celdas a la estructura y hacia el chasis del coche y de ahí al aire circundante. Desde luego es la más sencilla y barata, pero ya sabemos los problemas que esto le ha causado a Nissan en algunos lugares muy tórridos como Arizona.

Pack de los trillizos refrigerado por aire

Otra posible solución es la de los trillizos o el VW e-Golf, que llevan refrigeración forzada por aire. Un ventilador hace pasar aire por el interior del pack para facilitar la evacuación de calor. Sencillo, bastante barato y razonablemente efectivo dependiendo de las circunstancias, como la temperatura del aire exterior.

Renault es uno de los pocos fabricantes, puede que el único hasta donde yo se, que utiliza en alguno de sus packs la refrigeración por efecto Peltier. Esta refrigeración se aprovecha de un efecto físico que extrae calor mediante una unión de metales por la que circula una corriente eléctrica. Luego el calor extraído de una placa y acumulado en la otra se puede evacuar generalmente por ventilación u otros medios. La ventaja es que puede ser más efectiva que la refrigeración por aire o la pasiva pero no es muy eficiente energeticamente.

Pack del Renault Fluence ZE con refrigeración Peltier

Luego tenemos la forma más efectiva, la refrigeración líquida. Usada por Tesla, GM y muchos otros fabricantes consiste en un líquido refrigerante que recircula por el pack absorbiendo el calor de las celdas y sacándolo al exterior a través de un circuito intercambiador de calor. Además de ser más eficaz, como refrigerante tiene la ventaja de ser fácilmente reversible y poder ser usado para calentar las baterías en caso de temperaturas excesivamente bajas. Como principal ventaja tiene la de asegurar mucho mejor la temperatura de funcionamiento óptimo de las celdas alargando su vida. La pega es que consume algo de energía y es evidentemente más caro y complejo.

Pack NiMH refrigerado por líquido

Nos queda por ver el tema de la electrónica del pack y aunque el otro día hablábamos un poquito de los BMS, Battery Management System o Sistema de Gestión de la Batería, aquí no vamos a profundizar más en el tema ya que creo que los sistemas BMS se merecen su propio artículo dedicado.

Hay más cosas que se nos quedan en el tintero pero ya ha salido este artículo bastante largo por lo que me guardo unas cuantas reflexiones acerca de la arquitectura de los packs de baterías para otro artículo de la serie dentro de unos pocos días.

Artículos relacionados:
Especial Baterías Parte I: El ABC de las baterías


© Foro Coches Eléctricos | Este feed es de uso personal, sí quieres hacer un uso comercial contacta con nosotros.


Energias renovables

26 Comment responses

  1. Avatar
    February 24, 2013

    Muy bueno. Gracias.

    Reply

  2. Avatar
    February 24, 2013

    David FTW! muchas gracias.

    Reply

  3. Avatar
    February 25, 2013

    pedazo repaso, me sorprende saber que la refrigeración de los trillizos es más complejo que la del leaf, ya podían haberle dado un repaso en esta última actualización

    Reply

  4. Avatar
    February 25, 2013

    Muy bueno el artículo

    Reply

  5. Avatar
    February 25, 2013

    la capacidad total de la bateria depende de como se conecten las celdas.

    Reply

  6. Avatar
    February 25, 2013

    Nó, anónimo. Sí depende la tensión del pack o la corriente que es capaz de manejar, pero no la capacidad total en kWh. Piensa en 4 celdas de 1 kWh cada una, las puedes colocar 4s, 4p o 2s2p, pero siempre vas a tener 4kWh.

    Estaba pensando que he visto un depósito de refrigerante en los trillizos, pero debe ser para el motor y no para las baterías.

    Gracias por el artículo, David.

    Reply

  7. Avatar
    February 25, 2013

    creo que reduciendo voltaje de las baterias y desarroyando mejores motores y variadores ganarian bastante autonomia

    Reply

  8. Avatar
    February 25, 2013

    Y sabiendo todo eso ningun fabricante más se ha animado a poner baterias 18650 a sus vehiculos ????

    Haciendo el ejercicio a la imaginación que se refiere el articulo sí en lugar de poner las baterias de 3100 ponemos unas de 4200 miliamperios (que las hay), pasariamos a tener 100kw lo que nos daria para hacer unos 800km, no pisar una estación de recarga, y seguro que a Elon Musk ya se le ha ocurrido ya que a él le costaras las 18650 igual al pedir en masa, por lo que no os estrañe que este año lo haga, ademas como no tiene competencia aunque a el le cueste menos ponga el Tesla un poquito más caro la versión de 100kw o 120kw, para sacar el mayor benefico posible (no lo veo mal sin competencia y con un coche competitivo es la ley de la oferta y la demanda).

    A ver cuanto “otros” se animan a hacer lo mismo, entonces veremos competencia real y vehiculos electricos que no sean o cajas, o modelos antiguos tuneados para disimular y decir que tienen electricos,
    6831 unidades de 18650 (4200mAh) a 0,80$ = 5465$ + refrigeración, conexiones…2000$ Total que por 7500$ tienes una bateria de 100kw para 800km

    Cuantos cuentos, escusas, mentiras nos van a seguir diciendo de que un coche electrico con autonomia suficiente para todo no es posible a un precio razonable.

    Reply

  9. Avatar
    February 25, 2013

    De hecho, buscando ahora en google de forma rápida ( buscando “celdas 18650 5000mAh”), aparecen bastantes de 5000mAh, eso si que sería un salto importantísimo.

    Iv.

    Reply

  10. Avatar
    February 25, 2013

    Iv, no te fíes un pelo de ningun fabricante actual que diga que sus celdas 18650 tienen 5000 mAh. Son todas celdas chinas malísimas. Simplemente mienten.

    Reply

  11. Avatar
    February 25, 2013

    La proxima evolucion fiable de las 18650 de Panasonic es pasar a las de 3400 mAh, que es una mejora del 10% sobre las actuales. Las demás son cuentos chinos por ahora. Las de 4000 mAh se supone que existen pero aún tardarán un tiempo en llegar al mercado. Esas si serán bastante interesantes.

    Reply

  12. Avatar

    Muy interesante el articulo , a ver si me lo estudio con calma , me ha aclarado mucho los metodos diferentes de refrigeracion lo cual es muy interesante para saber que elegir y me quedo con el de Tesla jaja.

    Benjamin , no se si estas de broma con ese precio de baterias o es que realmente nos quieren engañar a los consumidores pagando 4-5 veces mas ese precio , porque hasta Tesla venia a decir que las actuales baterias que montaba en el S valian la mitad de lo que valia el coche.

    Si es cierto ese precio no estaria mal encargar baterias de esas y montarlas y venderlas por 10000 euros pack , entonces nos tuneamos coches de segundas que queramos deportivos o superpremium sin motor , a electrico y a reirse del precio por 100 kms recorridos ajaja pero con autonomia de sobra, si bien es cierto con la mitad de autonomia valdria com coche para ir a currar lejos de casa o movernos a bajo coste.

    Añades la tarifa nocturna electrica y nos inflamos a vender reconversiones en españa xD, y ya nadie me dira el mantra que pa que me pillo ese deportivo o premium no mantenible jaja .

    Benjamin precio final en el mercado de esa bateria cual seria? sin especulaciones claro jaja

    Reply

  13. Avatar
    February 25, 2013

    Hola Duir,
    Ya me lo parecía cuando las vi, porque parecían demasiado buenas para ser verdad, pero lo comenté por si acaso. De todos modos, aunque existieran, supongo que aun estarían en fases muy tempranas y tendrían otros problemas como número de ciclos de recarga pequeño o algo así.

    Una pregunta, entonces la “segunda generación” que llegarán en un par de años serán las de 4000mAh?

    Iv.

    Reply

  14. Avatar
    February 25, 2013

    Eso se supone pero no dejan de ser rumores de foros. Las de 3400 mAh si deberían estar a la venta este mismo año.

    PD: Yo he estado en foros preguntando por las 18650 de 4000 y 5000 de Ultrafire y compañia y deben ser penosas y bastante inestables. Peligroso jugar con eso. Nadie da duros a 4 pesetas. Si quieres una batería buena por desgracia hay que pagarla.

    Reply

  15. Avatar
    February 25, 2013

    No se si sera verdad o falsas pero aqui esta el enlace de las baterias 18650 4000mAh y precio de 1,5$ para cantidades pequeñas y ususario final estoy seguro que para cantidades superiores se reduce a la mitad el precio.

    http://www.aliexpress.com/item/ultrafire-Brand-18650-4000mAh-3-7V-Rechargeable-Battery-for-LED-Flashlight-Laser-pen/610489288.html

    Reply

  16. Avatar
    February 25, 2013

    vete a muchos foros a preguntar por las ultrafire y veras que risas, se van a la mierda con la mirada, son más falsas que los billetes de 3 euros

    Reply

  17. Avatar
    February 26, 2013

    mas que la capacidad en mah es la capacidad de descarga de la bateria yo compito con coches de rc electricos y hoy por hoy la mejor bateria 1s a 3.7v 6800mah y de 65c de descarga pero estan aunos 50euros el elemento

    Reply

  18. Avatar
  19. Avatar
    February 26, 2013

    a 50 leuros el elemento saldria bastante cara la bateria capacidad hay lo que hace realmente falta es reducir costes de produccion pero como todo en esta vida esta movido por el dinero y los intereses personales hasta que no sea rentable no tendremos coches de 1000kmts

    Reply

  20. Avatar
    February 26, 2013

    4p 100s y tendriais un coche de 1000 kmtrs pero son 20000 euros supongo que comprando 400 unidades saldria mas barato pero cuanto un 25% quizas menos

    Reply

  21. Avatar
    February 26, 2013

    “la capacidad total de la bateria depende de como se conecten las celdas.”
    “Nó, anónimo. Sí depende la tensión del pack o la corriente que es capaz de manejar, pero no la capacidad total en kWh. Piensa en 4 celdas de 1 kWh cada una, las puedes colocar 4s, 4p o 2s2p, pero siempre vas a tener 4kWh.”

    cierto, hablando de capacidad en terminos de energia (kWh). Es que yo estava pensando en Ah que es como me he referido a la capacidad toda la vida

    Reply

  22. Avatar
    February 26, 2013

    estamos hablando de que usan baterias de 3100 mah yo te enseño una de 6800 mah probablemente con mejor capacidad de descarga y menor resistencia interna y unos 150 gramos por elemento calcula si se podria o no hacer yo pienso que no habria problemas de hacerlo hoy por hoy

    Reply

  23. Avatar
    February 26, 2013

    Fantástico artículo, enhorabuena!!

    Reply

  24. Avatar
    February 26, 2013

    Enhorabuena David,
    Gran artículo para los menos entendidos y muy bien sintetizado para los que estamos en el sector. Agradecería leer algo sobre la aplicación de la nanotecnología en los electrodos, (cátodos activados a través de nanopartículas de oro y nanotubos de carbono, creo que desde el MIT ya ha hecho público algún avance.
    También hablar sobre el futuro de los acumuladores a 5/10 años, temas de Sulfuro de Litio y Litio-Aire que aunque ya has escrito, como mencionas temas de densidad energética, sería bueno que los lectores puedan hacer ejercicios comparativos con lo que llegará.
    De igual modo, que te parece plasmar tu punto de vista e investigaciones respecto a motores eléctricos?. Entiendo que sobre los síncronos, asíncronos sincronizados y síncronos de imanes permanentes, ya que de flujo axial, reluctancia conmutada e inducción, por la falta de disposición en los EV y PHEV, creo no merece la pena, salvo que potencien el sistema de tracción del Hiriko para car sharing.
    En tu criterio está.
    Un saludo

    Reply

  25. Avatar
    March 10, 2013

    Jo que éxtasis un10

    Reply

Leave a comment