Johnson Matthey Battery Systems: Tendencias actuales y futuras en e

Una batería es una parte integral de cualquier bicicleta eléctrica y ayuda a determinar la autonomía, el rendimiento y la durabilidad. En este artículo, veremos algunas de las tendencias actuales y futuras en baterías para bicicletas eléctricas.

Las celdas más populares utilizadas en las baterías de bicicletas eléctricas son los factores de forma 18650 y 21700 con química NMC. Cada vez más baterías utilizan tamaños de celdas más grandes, por algunas razones importantes. El principal de ellos es el hecho de que se requieren menos celdas para alcanzar la capacidad deseada. Para lograr una capacidad cercana a los 10 Ah en el 18650, se necesitan tres celdas conectadas en paralelo, mientras que el 21700 requerirá dos celdas. La diferencia de masa no es despreciable: el peso del 18650 en la configuración 10S3P es de aproximadamente 1,5 kg, mientras que el 21700 en la misma configuración es aproximadamente 0,1 kg más liviano. En una batería con mayor voltaje, la diferencia es mayor.

Además, la mayor capacidad nominal teórica para el factor de forma 18650 es de 3,5 Ah, mientras que para el 21700 es de 5,0 Ah. Hoy en día, la máxima densidad de energía gravimétrica para la química NMC es de 250-260 Wh/kg. Se han anunciado celdas con mayor capacidad, pero solo en el tamaño 21700. El objetivo es alcanzar 5,5-5,65 Ah, y quizás incluso hasta 6 Ah, lo que permitirá ampliar la capacidad total de la batería o los ciclos, después de reducir el rango de tensión. Actualmente, los proveedores buscan utilizar nuevos elementos en las células, como el silicio, para lograr una mayor capacidad, así como el sodio para optimizar los costos.

Cada parte mecánica aumenta el peso y el tamaño de la batería. Las baterías integrales, que están ocultas en el marco, muy a menudo tienen una construcción de módulo de bloque. Un bloque contiene soportes de celdas superior e inferior y de 4 a 10 celdas conectadas en la configuración adecuada y conectores con terminales para conectar a la siguiente sección. Por lo general, también hay aislamiento adicional, barras colectoras o cables, que causan puntos calientes y una caída de voltaje.

La colocación de celdas transversales al eje más largo solo requiere dos soportes de celdas, con corriente fluyendo solo a través de los conectores de celdas. Se puede montar BMS adicional en un lado del corepack con fácil acceso a cada punto de voltaje, asegurando que no se requieran juegos de cables. La batería es más ligera ya que contiene menos componentes, además el montaje es más fácil y rápido.

La carcasa también tiene una influencia significativa en el peso. Actualmente, los materiales más populares utilizados son el aluminio y el plástico. Pero el uso de fibra de carbono debería disminuir la masa de la batería, aunque esto agrega costos a la construcción.

Actualmente, las regulaciones europeas están avanzando hacia hacer que las baterías sean más reparables y garantizar que tengan una vida útil prolongada, para reducir el impacto ambiental. Por lo tanto, es probable que las baterías nuevas sean más fáciles de reparar por parte de terceros.

Hoy en día, los sistemas de gestión de baterías son dispositivos más complejos con varias funciones. Casi todos los BMS en baterías de bicicletas eléctricas contienen funciones como:

Además, los BMS ahora son más seguros que nunca. Están equipados con doble protección, además de que contienen elementos como el Análisis de modo y efecto de falla (FMEA) y el análisis funcional de seguridad.

El próximo año se ampliarán los estándares de seguridad para las baterías de iones de litio. Por ejemplo, podría haber un sensor de gas montado en el BMS para detectar una posible ruptura de la celda o un acelerómetro para desconectar las salidas de la batería en caso de que ocurra un accidente.

Además, es probable que pronto veamos el uso de tecnología inteligente, como la conectividad Bluetooth, así como el cifrado de comunicaciones de extremo a extremo para mayor seguridad. Los modos inteligentes también podrían usarse para prolongar la vida útil de la batería, limitando el SoC y la potencia máxima, por ejemplo. Es casi seguro que los cambios en las regulaciones europeas también obliguen a otros cambios, como el acceso abierto de terceros a cierta información de BMS.

Los fabricantes de cargadores han agregado nuevas funciones a sus soluciones listas para usar en los últimos años. Actualmente, batería y cargador se comunican a través de un bus adicional. Esto aumenta la seguridad, ya que los parámetros críticos, como el voltaje y la corriente, se miden en ambas partes del sistema y se pueden comparar entre sí. Si la diferencia es significativa, se detiene la carga ya que se presume una falla. Un cargador inteligente puede cargar a un voltaje limitado para prolongar el ciclo de vida. Si queremos almacenar una batería durante mucho tiempo sin usar, es posible cargar la batería al 50-60% SoC para reducir la degradación natural de las celdas.

La carga rápida es tendencia, gracias al aumento de la corriente máxima de carga. Anteriormente, esto era típicamente 0.5C, pero ahora está más cerca de 1C, lo que permite un tiempo de carga más rápido. Pero la carga rápida reduce la vida útil de la batería, lo que significa que se necesita un compromiso. Por ejemplo, la corriente máxima podría usarse para alcanzar el 80%, antes de cambiar a la corriente estándar.

Las baterías de bicicletas eléctricas se pueden dividir en cuatro grupos:

Las baterías de bajo consumo generalmente son delgadas y livianas, además de que son casi invisibles cuando están integradas en el diseño de una bicicleta eléctrica. El sistema a menudo funciona con un extensor de rango. Una unidad de accionamiento debe tener limitaciones de energía porque el voltaje de la batería caerá bajo carga (la información sobre SoP es crucial).

Se utilizan baterías de alta energía para garantizar un largo alcance y una reserva de corriente para sobrecargar el motor. Por lo general, estos se montan en bicicletas todoterreno donde la potencia es fundamental. Estas baterías deben cargarse con un cargador de alta corriente para lograr un tiempo de carga razonable. Este es el tipo de batería más caro. Una nueva tendencia para baterías de este tipo es configurar una batería de tal manera que se vea delgada desde un lado, pero será más ancha y más larga para mantener alta la capacidad.

Las baterías de energía media son un compromiso entre tamaño, energía y precio. Actualmente, el mercado está saturado de baterías de energía media, por lo que los fabricantes buscan oportunidades para innovar y diferenciarse de la competencia. Pero actualmente, la mayoría de las nuevas tendencias se centran en los otros dos tipos de baterías.

La química LFP ofrece una vida más larga que la química NMC, además es duradera. Esto lo convierte en la química adecuada para las bicicletas de carga, ya que son para el trabajo, no para el ocio. Además, ofrecen mayor seguridad en comparación con la química LFP. En el lado negativo, la densidad de energía y el voltaje nominal son más bajos, lo que significa que la batería debe ser más grande y más pesada.

El objetivo de los fabricantes es desarrollar células LFP con una densidad de energía similar a las células NMC. Esto permitirá que se utilicen para más y más aplicaciones, incluidas, en algún momento, bicicletas eléctricas estándar utilizadas para el ocio.

Este artículo está patrocinado por Johnson Matthey Battery Systems.