Especial Baterías Parte II: Los packs de baterías

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

Especial Baterías Parte III: El ABC de las baterías

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