Una investigación sueca demuestra cómo una nueva arquitectura eléctrica puede aprovechar las celdas que aún funcionan y retrasar la sustitución de las baterías de los vehículos eléctricos.
- 🔋 Más de un 20 % de vida útil adicional: el beneficio potencial se alcanza en condiciones óptimas, especialmente en vehículos de alta tensión.
- ⚡ Las celdas deterioradas dejan de limitar toda la batería: un sistema electrónico modifica las conexiones para aprovechar las celdas que conservan capacidad.
- 🚗 Hasta 14 meses adicionales en un ejemplo práctico: una batería de 80 kWh podría pasar de unos 10 a aproximadamente 11 años de servicio, según el modelo.
- 💰 Menor coste durante su vida útil: aunque incorpora más componentes electrónicos, el retraso en la sustitución puede compensar la inversión inicial.
- ♻️ Menos residuos y mejor aprovechamiento de materiales: las baterías podrían permanecer más tiempo en los vehículos y conservar mayor utilidad para aplicaciones de almacenamiento estacionario.
Una investigación de la Universidad Tecnológica de Chalmers, en Suecia, propone cambiar la forma en que funcionan las baterías de los vehículos eléctricos. En lugar de permitir que una sola celda deteriorada limite el rendimiento de todo el conjunto, el sistema puede esquivar las celdas más débiles y aprovechar mejor las que todavía funcionan. Los modelos muestran que esta arquitectura podría prolongar la vida útil de determinadas baterías más de un 20 %, aunque todavía no se utiliza en vehículos fabricados en serie.
El problema de las baterías actuales: una sola celda puede limitar todo el conjunto
Las baterías de los coches eléctricos están formadas por numerosas celdas de iones de litio conectadas entre sí. Aunque inicialmente tengan características similares, no todas envejecen a la misma velocidad.
Las diferencias de temperatura, los ciclos de carga y descarga, las condiciones de fabricación y el uso del vehículo hacen que algunas celdas pierdan capacidad antes que otras.
En las configuraciones convencionales, una celda especialmente degradada puede convertirse en el elemento que limita el funcionamiento de toda una cadena de celdas conectadas en serie.
Cuando esa celda alcanza su límite de tensión durante la descarga, el sistema debe detener la descarga de la cadena para evitar daños, incluso cuando otras celdas todavía disponen de energía aprovechable.
Esto significa que parte de la capacidad disponible permanece sin utilizar.
Albert Škegro, investigador del Departamento de Ingeniería Eléctrica de Chalmers y primer autor del estudio, compara este comportamiento con un grupo de personas unidas por una cuerda: todas deben avanzar al ritmo de la más lenta.
La solución propuesta consiste precisamente en eliminar esa dependencia cuando sea necesario.
Cómo funciona una batería que puede esquivar sus propias celdas
La tecnología se basa en las denominadas baterías reconfigurables, una arquitectura que incorpora interruptores electrónicos y sistemas de control capaces de modificar las conexiones eléctricas internas.
En una batería convencional, las conexiones entre las celdas permanecen esencialmente fijas. En una reconfigurable, pueden modificarse durante el funcionamiento.
El proceso se desarrolla de la siguiente manera:
- Supervisión de las celdas. El sistema de gestión evalúa su estado y determina cuáles presentan limitaciones de capacidad o funcionamiento.
- Identificación de las celdas débiles. El controlador detecta aquellas que podrían restringir la energía utilizable del conjunto.
- Reconfiguración eléctrica. Los interruptores permiten establecer un recorrido alternativo para la corriente, evitando temporalmente determinadas celdas.
- Aprovechamiento de la capacidad restante. Las celdas que conservan mejores prestaciones pueden continuar suministrando energía sin quedar tan condicionadas por las más deterioradas.
El objetivo no es reparar químicamente las celdas envejecidas, sino aprovechar de forma más eficiente la energía disponible en el conjunto de la batería.
Este matiz resulta importante: una celda degradada no recupera su capacidad original por el hecho de quedar desconectada. Lo que cambia es la capacidad del sistema para seguir funcionando sin depender permanentemente de ella.
Además, la reconfiguración debe mantener los requisitos de tensión, corriente y seguridad del vehículo, lo que exige una electrónica de potencia y un control adecuados.
Más de un 20 % de vida útil adicional en determinados vehículos
Los investigadores analizaron distintas configuraciones de baterías y condiciones de utilización mediante modelos detallados de envejecimiento y funcionamiento.
Los resultados, publicados en la revista científica Nature Communications, indican que las arquitecturas más avanzadas pueden prolongar la vida útil de las baterías más de un 20 % en determinadas aplicaciones.
Los mayores beneficios aparecen en vehículos que utilizan baterías de alta tensión con numerosas celdas conectadas en serie, como camiones eléctricos y turismos de gran autonomía.
En estos sistemas, cuanto mayor es el número de celdas interdependientes, mayor puede ser el efecto de las diferencias de envejecimiento.
Sin embargo, existe una limitación técnica importante.
El incremento superior al 20 % corresponde a una configuración especialmente avanzada, en la que cada celda puede controlarse individualmente. Esta solución requiere numerosos componentes electrónicos adicionales.
En una aplicación comercial, los fabricantes podrían optar por controlar grupos de celdas en lugar de cada una por separado.
Esto reduciría la complejidad y el coste, pero también limitaría parte de la mejora potencial.
Por tanto, el 20 % no debe interpretarse como una mejora garantizada para cualquier coche eléctrico, sino como un resultado obtenido en determinados escenarios de modelización.
Una batería de 80 kWh que podría durar unos 14 meses más
Para trasladar los resultados a un ejemplo cercano al uso cotidiano, el equipo estudió un vehículo eléctrico equipado con una batería de 80 kWh y un recorrido anual de 12.000 kilómetros.
El análisis parte de un supuesto: que una batería convencional alcanza el umbral establecido para su sustitución después de 10 años.
Con la arquitectura reconfigurable, el mismo umbral de final de vida útil se alcanzaría aproximadamente 14 meses después.
La batería también conservaría un mayor valor residual, ya que su capacidad aprovechable se habría deteriorado menos.
Para un propietario particular, esto podría significar retrasar una sustitución costosa. Para una empresa con decenas o cientos de vehículos eléctricos, el efecto acumulado sobre los gastos de mantenimiento y renovación podría ser considerable.
Conviene recordar que el estudio utiliza una hipótesis de sustitución a los 10 años para realizar la comparación. Esto no significa que todas las baterías actuales deban reemplazarse al alcanzar esa antigüedad.
¿Compensa añadir más electrónica a una batería?
La principal dificultad de esta tecnología es que necesita más componentes que una batería convencional.
Los interruptores, circuitos de control y elementos de supervisión incrementan el coste inicial y pueden introducir pérdidas eléctricas, mayor complejidad y nuevas exigencias de fiabilidad.
Por eso, el beneficio económico no depende únicamente de cuánto se prolongue la vida útil.
También deben considerarse el precio de los componentes adicionales, su mantenimiento, las posibles pérdidas de eficiencia y el valor de la batería al finalizar su primera utilización.
Los investigadores concluyen que, en numerosos escenarios analizados, el ahorro derivado de retrasar la sustitución y conservar un mayor valor residual puede superar el sobrecoste inicial.
El equilibrio más favorable se encuentra en vehículos de alta tensión y gran autonomía, donde el potencial de aprovechamiento de las celdas es mayor.
Una tecnología que también podría facilitar el reciclaje y la segunda vida de las baterías
La investigación plantea beneficios ambientales que van más allá de prolongar la duración de un vehículo eléctrico.
Actualmente, los fabricantes deben dedicar recursos a comprobar y agrupar celdas con características similares. Esta selección busca reducir las diferencias de comportamiento que pueden perjudicar al conjunto.
Una batería capaz de adaptarse a esas diferencias podría admitir una mayor variabilidad entre sus celdas, reduciendo potencialmente la necesidad de realizar procesos de clasificación tan exigentes.
También podría facilitar el aprovechamiento de baterías retiradas de vehículos eléctricos.
Una batería que ya no cumple los requisitos de autonomía o potencia de un automóvil puede conservar suficiente capacidad para aplicaciones menos exigentes, como el almacenamiento estacionario de electricidad procedente de instalaciones fotovoltaicas.
La arquitectura reconfigurable permitiría aprovechar mejor las celdas que todavía funcionan, incluso cuando otras presentan un envejecimiento más acusado.
No obstante, la investigación no demuestra todavía una reducción cuantificada de las emisiones o del consumo de materias primas a escala industrial. Esos beneficios ambientales deberán verificarse mediante análisis de ciclo de vida que incluyan la fabricación y el impacto de los componentes electrónicos adicionales.
¿Cuándo podrían llegar estas baterías a los coches eléctricos?
La tecnología todavía no está disponible en vehículos eléctricos producidos en serie, aunque se han realizado pruebas en prototipos de investigación e industriales.
El trabajo, desarrollado por investigadores de Chalmers en colaboración con especialistas vinculados a PHINIA y Scania, aporta una evaluación de las ventajas técnicas y económicas que podrían obtenerse con diferentes niveles de reconfiguración.
El siguiente desafío para su aplicación comercial consiste en encontrar un equilibrio entre el número de celdas controladas, el coste del sistema, la fiabilidad de los interruptores y la mejora real de la vida útil.
También será necesario demostrar que estos sistemas pueden funcionar de manera segura durante años, soportando vibraciones, cambios de temperatura y miles de ciclos de carga y descarga.
La investigación no establece una fecha concreta de comercialización.
Vía Universidad Tecnológica de Chalmers
Más información: System-level assessment of dynamic reconfiguration for lifetime and cost outcomes in electric vehicle battery packs.
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