MotoSpirit: Corazón eléctrico

La prueba de fuego está cerca. La carrera de MotoStudent 2016 se disputará del 4 al 9 de octubre en MotorLand Aragón.

Hemos avanzado muchísimo, como habéis podido ver en estas páginas, pero no ha sido un camino fácil y aún nos queda gran parte de él y los problemas seguirán surgiendo. Hay que cumplir un calendario para lograr unos objetivos y la toma de decisiones es crítica para poder alcanzarlos. Aunque el tiempo aprieta y hemos hecho y deshecho el camino cientos de veces, ya encaminamos la recta final, por lo que queremos empezar a desvelar aspectos técnicos de la motocicleta para que conozcáis mejor la tecnología que se esconde tras un proyecto de tal calibre.

Hoy vamos hablar de un tema del que todo el mundo ha oído hablar, pero muchos no saben cómo funciona, estoy hablando de las famosas baterías de un vehículo eléctrico.

¿Qué es una batería?

Una batería es un conjunto de celdas electroquímicas que están combinadas en series y paralelos para obtener unos valores de voltaje e intensidad requeridos para nuestro tren motor. Cuantas más series, más voltaje obtenemos y cuantos más paralelos, más intensidad.

Hay multitud de tipos de celdas electroquímicas. Desde la más conocida de plomo hasta las que a día de hoy aún son prototipos como la de grafeno o la de hidrógeno. ¿Qué las diferencia? Los materiales de construcción. Una celda electroquímica, como indica la palabra, es una reacción química con la que se logra crear electricidad, según los materiales que combinemos tendremos mejores propiedades de la celda.

¿Qué propiedades tienen las celdas electroquímicas?

Las más importantes son: la tensión (que nos da el voltaje), la capacidad (indica cuantos vatios máximos nos puede dar la batería en una hora de uso) y el ratio de descarga. Esta última característica no es muy conocida. Tiene gran influencia en el comportamiento de la celda y condiciona su uso y los ciclos de vida que nos pueda proporcionar la batería. Una celda se considera que ya está gastada cuando su capacidad se reduce al 80% de su capacidad inicial. En cada ciclo, nuestra celda va perdiendo un poco de capacidad ya que en la reacción química al recargar la celda no se revertirá del todo y los materiales internos sufren un desgaste. Si no tendríamos baterías infinitas.

El ratio de descarga mide sobre una descarga constante cuánto le exigimos de descarga extra a la celda con unos valores que son estables (nominales). A una celda de 1 Ah, cuya descarga en nominal es a 1 Ah, podemos exigirle más. Pongamos que la hacemos descargar a 2 Ah, la celda trabajaría por encima de su rendimiento lo que generaría más calor y reducción en sus ciclos de vida.

Battery Pack

Una vez explicadas las características esenciales de una celda hablemos del Battery Pack, que será el corazón que bombeará la electricidad de nuestra motocicleta.

Al girar el puño de gas lo que estamos haciendo es crear una consigna de par, cuanto más girado este el puño se traducirá en más fuerza en la rueda, por lo tanto, más aceleración. Un battery pack necesita un Battery Managment System o comúnmente conocido como BMS.

El BMS se encarga de comprobar y controlar el estado de las celdas que conforman la batería. Controla la tensión, la temperatura, el estado de carga (autonomía) y balanceos de los paralelos entre otros. El balanceo es clave en el comportamiento de nuestra batería. Como hemos explicado cada celda tiene unos valores individuales de voltaje y carga. El balanceo hace que estos valores se igualen. Sin este elemento el comportamiento de la batería sería un caos y totalmente aleatorio. Por ejemplo, en una batería con las celdas de diferentes voltajes el comportamiento individual hará que una celda se descargue antes pudiendo hacer que el battery pack explote. Por eso es muy importante que un battery pack esté constituido por celdas idénticas.

Incluso con celdas idénticas, cuando cargamos el battery pack, estas se cargan de manera diferente, ya que depende de los elementos químicos y la reacción. La figura del BMS es esencial para lograr que los valores de las celdas sean idénticos. A parte del BMS hay técnicas de autobalance de celdas que dependen de la manera de cómo estén estas conectadas entre sí. Nuestro battery pack usa una configuración de series de paralelos, es decir:

Con esta configuración lo que logramos es que las celdas independientemente del BMS se autobalanceen un poco entre ellas haciendo nuestro battery pack más seguro. El BMS también es el que desconecta nuestra batería en caso de fallo de una celda o si los valores de tensión o temperatura se salen de unos límites implementados por el usuario. En la MotoStudent, nos obligan a tener monitorizado el 30% de la temperatura de las celdas y todas las tensiones individuales de las celdas.

Nuestras baterías: MELASTA

Una vez ya conocido a grandes trazos lo necesario para poder diseñar un battery pack junto a las necesidades a cubrir de nuestro motor, nos ponemos manos a la obra. Primero de todo miramos que tecnología se nos adecuaba mejor a nuestras necesidades. Recordemos que es una moto de carreras, por lo que buscamos gran potencia, poco peso con una relación calidad precio que se pudiera ajustar a nuestro presupuesto, por eso escogimos el polímero de litio para nuestro prototipo. Al ser un equipo universitario no tenemos fondos propios. Nosotros llegamos a la conclusión de que las celdas de la marca MELASTA eran las mejores para nuestro prototipo. Concretamente llevamos una celda de 12,5Ah, 3,7 V, 15C nominal y 20C de pico. Unas celdas de gran capacidad para poder cubrir la gran demanda de energía del motor. Teníamos varias celdas de distintas marcas, pero finalmente nos decidimos por Melasta, ya que son la crême de la crême de las celdas. Por suerte contamos con su patrocinio.

Por ejemplo, el coche con el récord de aceleración 0-100 km/h lo tiene un coche eléctrico que participó en Formula Student de la mano de Green Team de Stuttgart y llevan celdas Melasta. Lo hicieron en 1.779 segundos

Una vez todo sobre el papel es correcto hay que diseñar el “Housing” de las celdas y el cableado de los sistemas electrónicos. El “Housing” es el sistema de anclaje de las celdas, componentes electrónicos y cableado al chasis. Hay que tener en cuenta ciertas normas del reglamento que hay que cumplir para que el battery pack sea apto para correr.

Por seguridad

Por reglamento y para velar por la seguridad cada battery pack ha de estar formado por el máximo número de elementos no conductores. Estamos hablando de una batería de 50 kW de potencia por lo que hay que tener máximo cuidado en el diseño para que su montaje, desmontaje o reparación sea fácil y seguro.

Otro punto a tener en cuenta es el calor. Las celdas electroquímicas se calientan al trabajar en regímenes transitorios (en cambios de demanda), por lo que hay que idear un sistema de ventilación que sea lo suficientemente bueno para poder extraer todo el calor generado en las reacciones. Estamos ya ultimando su diseño.