¡Batería de gran capacidad + bajo consumo energético! ¿El nuevo BMW i3 ha recorrido 1213 kilómetros con un consumo energético de tan solo 8,8 kWh por cada 100 kilómetros?
Otra prueba realizada por un medio de comunicación especializado en el sector automotriz se ha vuelto viral.
Anoche, Autohome llevó tres sedanes totalmente eléctricos a una prueba de alta velocidad en la circunvalación de Pekín. Los resultados causaron un gran revuelo en internet.
Un sedán ejecutivo con una autonomía oficial de 1008 kilómetros solo alcanzó los 566,4 kilómetros, superando ligeramente la mitad de su autonomía prevista (56,2 %), con un consumo energético mostrado de 15,1 kWh/100 km. Los otros dos sedanes tuvieron un rendimiento ligeramente mejor, alcanzando el 63,6 % y el 75,3 % de sus objetivos respectivamente, llegando el sedán de mayor autonomía a los 678,6 kilómetros.
Al reducirse a la mitad el alcance de 1.000 kilómetros, la sección de comentarios se llenó, como era de esperar, de todo tipo de comentarios sarcásticos.
Mientras los guerreros del teclado discutían acaloradamente, BMW celebró un evento del Día de la Innovación en Shenyang, donde publicó discretamente un informe de evaluación:
Un BMW i3 de nueva generación completó un viaje de ida y vuelta de 1213 kilómetros desde Shenyang hasta Dalian sin recargar, logrando una autonomía del 118%.
Sin embargo, cabe destacar que la prueba de BMW no consistió únicamente en circular por autopistas, como la realizada por Autohome; también incluyó una cantidad considerable de carreteras nacionales y urbanas. Si el nuevo i3 se sometiera a la misma prueba, probablemente su autonomía se vería reducida.
Sin embargo, esto no significa que el resultado carezca de importancia. Lo que realmente me hace pensar que BMW tiene algo especial es su consumo energético medio por cada 100 kilómetros: tan solo 8,8 kWh.
Se trata de un logro sin precedentes entre los vehículos de producción en serie de la misma categoría.
Las baterías de gran capacidad y el bajo consumo de energía no son contradictorios.
Como todos sabemos, la forma más sencilla y fácil de prolongar la duración de la batería es aumentar su capacidad. Lei Jun admitió en una entrevista pública este año que Xiaomi Auto necesita aprender de Tesla en este sentido y reducir el consumo de energía.
Sin embargo, la capacidad de BMW para lograr una autonomía de más de 1.000 kilómetros también depende de una batería de gran capacidad: el i3 de nueva generación tiene una batería de 113,4 kWh.
Sin embargo, a diferencia del enfoque de Tesla de "batería pequeña, bajo consumo de energía", la idea de BMW es aumentar el tamaño de la batería manteniendo bajo el consumo de energía.
El nuevo i3 alcanza un consumo energético de un solo dígito, gracias en gran parte a la batería de sexta generación que acaba de salir de la línea de producción en la fábrica de Shenyang. Esta es también la primera vez que una batería cilíndrica de gran tamaño lidera el mercado de una marca de lujo de primera línea.
En el evento, el presidente de BMW Brilliance, Josef Borrell, afirmó que la producción en masa de la batería de sexta generación en Shenyang es crucial para el exitoso lanzamiento de la nueva generación de modelos en China. Este componente cilíndrico es esencial para el funcionamiento de los vehículos eléctricos puros de BMW.
Las baterías cilíndricas de gran tamaño de la serie 46 que utiliza BMW no son ninguna novedad. Antes de eso, la industria de las baterías para vehículos eléctricos llevaba más de una década explorando el tamaño de las celdas cilíndricas. Desde la 18650 del Tesla Model S, pasando por la 21700 del Model 3, hasta llegar a la serie 46, las baterías cilíndricas se han vuelto cada vez más grandes con el paso de los años.
Pero, ¿se han dado cuenta de que desde que Tesla presentó la celda 4680 en el Día de la Batería de 2020, el diámetro de la celda cilíndrica no ha aumentado?
¿porqué es eso?
Las primeras baterías 18650 tenían una capacidad de tan solo 2-3 Ah, lo que obligaba a instalar miles de ellas en un solo coche. Por ejemplo, la batería del primer Model S contenía más de 7000 baterías 18650. El peso de estas miles de carcasas de acero era considerable, y la densidad energética distaba mucho de ser aceptable. Para mejorar esto, las baterías tuvieron que fabricarse con mayor grosor.
Sin embargo, tampoco es bueno que el cilindro sea demasiado grueso, ya que dificultará la disipación del calor en el centro de la celda, lo que puede provocar un envejecimiento acelerado o incluso un sobrecalentamiento descontrolado.
Según el modelo termodinámico publicado por Tesla en aquel momento, 46 milímetros es precisamente el punto crítico físico para equilibrar la autonomía y la gestión térmica.
Tesla fue la primera en producir en masa el tubo cilíndrico de 46 mm. Tras su lanzamiento en 2020, lo aplicaron rápidamente al Model Y y al Cybertruck fabricados en su planta de Texas.
Sin embargo, debido a las limitaciones de la tecnología de fabricación de la época, el gran dispositivo cilíndrico no era perfecto en términos de carga rápida y disipación de calor. Lo que realmente salvó al gran dispositivo cilíndrico fue una tecnología llamada "pestaña omnidireccional".
Las baterías tradicionales solo tienen una o dos pestañas, lo que obliga a los electrones a desplazarse lateralmente a través de láminas metálicas de decenas de centímetros de longitud. Cuando pasa una corriente elevada, la alta impedancia provoca que la batería se caliente rápidamente, razón por la cual las primeras baterías cilíndricas no fueron diseñadas para la carga rápida de alta potencia.
El método de utilizar un electrodo de placa completa consiste en hacer que el borde del electrodo sea una única cara conductora, lo que permite que los electrones fluyan directamente a lo largo de un camino muy corto.
No es necesario leer el párrafo anterior en detalle. Basta con saber que este ajuste estructural redujo la resistencia interna de la celda de la batería en un 80 % y disminuyó significativamente el calor generado por la celda durante la carga y la descarga.
Gracias a la reducción de la generación de calor, la celda de la batería presenta un límite de seguridad térmica más elevado. Con esta garantía, los ingenieros se atreven a introducir sistemas electroquímicos más activos en el interior de la batería.
Por eso, BMW pudo aplicar directamente más del 90 % de cátodos con alto contenido de níquel y ánodos de silicio-carbono en sus celdas de batería de sexta generación.
El silicio tiene una capacidad específica extremadamente alta, pero se expande como un globo cuando se satura con iones de litio. Si se utiliza una alta proporción de silicio como ánodo en una batería prismática, la carcasa se deforma fácilmente, lo que provoca la deposición de litio.
Las carcasas cilíndricas de acero poseen una estructura axisimétrica natural y una fuerte rigidez mecánica circunferencial, lo que permite limitar uniformemente la deformación de los ánodos de silicio durante la carga y la descarga.
Para adaptarse a los diferentes modelos de vehículos, BMW ha preparado dos tamaños de baterías cilíndricas: la 4695, de 95 mm de altura, está reservada para sedanes con el fin de reducir el grosor del chasis; la 46120, de 120 mm de altura, está reservada para SUV con el fin de aumentar la capacidad de la batería.
A diferencia de Tesla, BMW no optó por un desarrollo y una producción propios agresivos. En cambio, estableció sus propios estándares de fórmula y subcontrató la producción a proveedores chinos, CATL y EVE Energy.
Precisamente gracias a la madurez del sistema de fabricación, el proyecto de baterías de 10.000 millones de yuanes en Shenyang pudo ponerse en marcha rápidamente, completando los preparativos del hardware antes del lanzamiento completo de la nueva generación.
Las baterías cilíndricas grandes son estupendas, pero ¿por qué la gente no las usa?
Me pregunto si alguna vez te ha pasado esto: al alcanzar los 120 km/h, el aire acondicionado deja de funcionar rápidamente. Así me pasa con mi Tesla Model 3; siempre tengo que bajar manualmente la temperatura del aire acondicionado dos grados para que el coche se sienta mínimamente fresco.
En realidad, se trata de la protección contra altas temperaturas de la batería. Según los datos de resistencia aerodinámica y rodadura del Model 3, se estima que la batería necesita mantener una potencia de salida de entre 18 y 20 kW cuando el vehículo circula a 120 km/h.
Según la ley de Joule, el calor generado en un conductor es proporcional al cuadrado de la corriente. Una descarga continua de alta potencia provoca una rápida acumulación de calor dentro de la celda de la batería. Desafortunadamente, las baterías de potencia son particularmente sensibles a las temperaturas de funcionamiento. Una vez que la temperatura de la celda es demasiado alta, el sistema de gestión térmica prioriza la disipación de calor de la batería.
El componente principal del sistema integrado de gestión térmica de Tesla es la válvula de ocho vías. Cuando la celda de la batería se sobrecalienta, la válvula de ocho vías interrumpe el flujo de refrigerante y líquido refrigerante, y transfiere directamente la mayor parte de la capacidad de enfriamiento producida por el compresor al circuito de refrigeración por agua de la batería a través del intercambiador de calor de placas.
El compresor del Model 3 tiene una capacidad máxima de refrigeración de tan solo tres o cuatro kilovatios. Dado que la batería consume la mayor parte de esa energía, el aire acondicionado, como es lógico, no enfría lo suficiente.
La batería cilíndrica de gran tamaño solucionó este problema a la perfección.
Debido a que la resistencia interna de la celda de la batería se reduce en un 80%, el calor Joule generado durante el proceso de descarga se reduce considerablemente, y la circulación de agua de refrigeración convencional es suficiente para mantener la temperatura normal, por lo que no hay necesidad de competir con la cabina para la refrigeración.
Además del problema del aire acondicionado de alta velocidad, la posición de los asientos traseros es también un punto de crítica recurrente en los sedanes puramente eléctricos.
Incluyendo la placa de refrigeración líquida y la cubierta protectora, el grosor de una batería cuadrada tradicional suele ser de unos 140 mm. Para alojar esta batería en el chasis, el piso de muchos coches debe elevarse dos o tres centímetros, lo que provoca una falta de apoyo para los muslos de los pasajeros traseros y, naturalmente, hace que los viajes largos sean incómodos.
La razón por la que las baterías prismáticas son tan gruesas es porque las celdas en sí son relativamente débiles, y el paquete de baterías debe estar equipado con vigas y marcos robustos para su protección física.
La carcasa cilíndrica de acero de gran tamaño de la serie 46 posee una resistencia a la compresión extremadamente alta y puede utilizarse directamente como estructura portante del chasis. Tras su integración en la carrocería, el grosor del paquete de baterías se redujo en casi 20 milímetros.
Gracias a un chasis más delgado, los sedanes finalmente han recuperado la cómoda posición de conducción, pegada al suelo, de los vehículos tradicionales con motor de gasolina.
Otra pregunta es: dadas las evidentes ventajas de las baterías cilíndricas de gran tamaño en términos de experiencia de usuario, ¿por qué los principales fabricantes nacionales de baterías no han transformado sus modelos de negocio? La clave está en el coste.
Actualmente, las baterías de fosfato de hierro y litio (LFP) dominan el mercado nacional, representando casi el 70 % de las instalaciones en vehículos. Cuando las celdas prismáticas se transforman en baterías CTP (celda a paquete), la tasa de utilización del volumen del paquete de baterías puede superar el 70 %. Sin embargo, las celdas cilíndricas presentan inevitablemente huecos triangulares, lo que resulta en una tasa de utilización del espacio de tan solo alrededor del 60 %. Convertir las baterías LFP, que por naturaleza tienen una densidad energética limitada, en celdas cilíndricas supondría un desperdicio de espacio en el chasis.
Por otro lado, las empresas nacionales de baterías han acumulado una capacidad de producción de celdas prismáticas de cientos de GWh en los últimos años, reduciendo los costos de fabricación a entre 0,3 y 0,4 yuanes por vatio-hora. Dada la feroz competencia del mercado, es difícil para las empresas invertir una gran suma de dinero para empezar de cero.
Además, incluso un gigante como Tesla ha tenido problemas con la batería 4680.
Para lograr una reducción de costos del 56 %, Tesla optó por centrarse en el proceso de cátodo seco. Sin embargo, debido a que las láminas de electrodos eran propensas a agrietarse y desprenderse durante el proceso de compactación, el rendimiento inicial se mantuvo entre el 70 % y el 80 % durante mucho tiempo, lo que dificultó alcanzar el punto de equilibrio superior al 95 % en una línea de producción consolidada. Como resultado, el aumento de la producción del Cybertruck se retrasó considerablemente.
BMW optó por un camino más ingenioso, evitando el proceso en seco, aún en fase de desarrollo, y recurriendo a un proceso húmedo de alta velocidad para lograr la producción en masa.
Esta elección tiene, sin duda, un coste. Los procesos húmedos requieren líneas de producción con recubrimiento de disolventes y horneado a alta temperatura, lo que exige grandes superficies de fábrica y un alto consumo eléctrico. Obviamente, BMW no puede beneficiarse de las ventajas teóricas de reducir los costes de fabricación al utilizar cátodos secos.
Sin embargo, los precios de las marcas de lujo son suficientes para absorber estos gastos. En lugar de buscar una reducción extrema de costes, lo que BMW necesita ahora mismo es certeza sobre el calendario de producción en masa.
Por otro lado, Alemania cuenta con numerosas autopistas sin límite de velocidad, donde los vehículos circulan a 160 km/h o incluso más, y la potencia de descarga suele alcanzar los 40 o 50 kilovatios. Las características físicas de un cilindro grande con baja resistencia interna y disipación de calor axial resultan más adecuadas para estas condiciones de alta carga.
Ahora que se han superado los obstáculos técnicos relacionados con las baterías, el ritmo de lanzamiento de nuevos modelos de BMW se ha acelerado notablemente.
Según el plan de BMW, para 2027 el mercado chino contará con casi 20 nuevos modelos equipados con tecnologías de última generación. Además, BMW tiene previsto aumentar la proporción de modelos de producción nacional a más del 95 % para 2030 y vender vehículos BMW "Hechos en China" en el extranjero.
En los últimos años, la gente siempre se ha centrado en el sistema de infoentretenimiento y las funciones de conducción inteligente a la hora de comprar vehículos eléctricos. Sin embargo, a medida que los productos y el mercado maduran, la competencia entre los vehículos eléctricos puros volverá a centrarse en aspectos más básicos como el chasis, la gestión térmica y el consumo de energía.