¿Cómo funcionan los vehículos eléctricos?

En 1982, el director de cine Ridley Scott predijo que en 2019 todo estaría lleno de coches voladores sosos que se fabricarían en masa. Pues aquí estamos, en 2022, y ni rastro de coches voladores, pero eso no significa que el coche del futuro no haya llegado...  

Los vehículos eléctricos son ingenios tecnológicos muy avanzados, con componentes muy vanguardistas como la transmisión de una sola marcha, el frenado regenerativo o la batería que alimenta el vehículo. Pero ¿cómo funciona realmente? 

En este blog nos adentraremos en los entresijos de un vehículo eléctrico y analizaremos todos los detalles de la conducción eléctrica. 

Empecemos...

Vehículo eléctrico vs. vehículo con motor de combustión interna

Antes de ver cómo funciona internamente la batería de un vehículo eléctrico, conviene saber las principales diferencias entre un vehículo eléctrico y un vehículo con motor de combustión interna (ICE). Puede que no te interese, pero al menos tendrás algo de lo que hablar con el mecánico la próxima vez que pases la ITV.

Si ponemos un vehículo eléctrico al lado de uno con motor de combustión interna, no apreciaremos grandes diferencias: cuatro ruedas, un techo, un maletero y puertas, vaya, lo que viene a ser un coche normal. Las diferencias se aprecian al abrir el capó. 

Los vehículos de gasolina y diésel tradicionales utilizan un motor de combustión interna (ICE) para quemar combustible, lo cual genera energía para hacer girar las ruedas. Este proceso es ruidoso, utiliza muchas piezas móviles y depende de la quema de combustibles fósiles. 

Todos sabemos que la quema de combustibles fósiles (como el petróleo) produce dióxido de carbono (CO₂), pero por el tubo de escape salen otros gases igual de desagradables, ¿sabes cuáles son? Estos gases no son buenos ni para el medio ambiente ni para tu salud:

1. Óxidos de nitrógeno (NOx): son un conjunto de gases que se generan durante el proceso de combustión; el más importante es el monóxido de nitrógeno (NO). Estos gases son muy reactivos y contribuyen a la contaminación del aire y a las nieblas tóxicas que se producen en las ciudades. 

2. Dióxido de azufre (SO₂): un gas incoloro pero irritante que resulta perjudicial para los pulmones. Cuando se quema el SO₂, se produce ácido sulfuroso, el cual provoca lluvia ácida y nieblas tóxicas. 

3. Monóxido de carbono (CO): un gas incoloro e inodoro, y muy tóxico para los seres humanos. Aunque los motores de combustión interna modernos solo producen una pequeña cantidad, los riesgos y síntomas asociados con la intoxicación por CO pueden ser graves. 

4. Benceno (C₆H₆): un gas muy inflamable, volátil y con un olor dulce. Aunque el benceno está presente de forma natural en la gasolina y el diésel, la exposición prolongada a este compuesto puede provocar anemia y leucemia.

En esta lista faltan muchos gases más. Los motores de combustión interna producen muchos más gases nocivos, pero ¿qué pasa con los vehículos eléctricos? ¿Acaso no contaminan? 

Como era de esperar, los vehículos eléctricos son mucho mejores para el medio ambiente y la salud de las personas. Los vehículos eléctricos carecen de motor de combustión y de tubo de escape, así que no emiten gases contaminantes y son mucho más eficientes. Así da gusto respirar. 

¿Y eso cómo puede ser? 

Para encontrar la respuesta a esta pregunta, hay que fijarse en la fuente de alimentación de un vehículo eléctrico: la batería.

¿Qué son las baterías de iones de litio?

Las baterías de iones de litio (o Li-ion) son el elemento propulsor de la mayoría de los vehículos eléctricos. Son el componente más importante de los vehículos eléctricos, y permiten que estos se puedan cargar una y otra vez.

Aunque el nombre pueda resultar engañoso, las baterías de iones de litio contienen varias materias primas, como litio, cobalto, grafito y níquel. Estos materiales se extraen de todos los rincones del mundo, de Sudamérica a Indonesia, y se refinan para convertirlos en compuestos químicos seguros que luego se emplean en las celdas de las baterías. 

El proceso de extracción y fabricación no es nada barato. Aunque el precio de una batería para vehículos eléctricos ha caído en torno al 90 % en la última década, sigue siendo de aproximadamente 5.223 € de media. A pesar de su elevado precio, se prevé que este siga bajando, ya que se están utilizando materiales alternativos y se están desarrollando procesos para producirlas en masa. Si baja el precio de las baterías, también bajará el de los vehículos eléctricos.

Es poco probable que ocurra, pero si la batería de tu vehículo eléctrico falla durante el periodo de garantía (normalmente 8 años), no te preocupes. La garantía se hará cargo de la reparación y de su sustitución, así que no tendrás que sacar los 5.000 € que tienes guardados debajo del colchón. 

Para obtener más información sobre el proceso de fabricación y reciclaje de baterías de vehículos eléctricos, consulta nuestro blog: Vida útil de la batería de un vehículo eléctrico.

¿Cómo funcionan las baterías de iones de litio en un vehículo eléctrico?

La batería de un vehículo eléctrico se puede dividir en tres componentes: 

1. Una celda: una sola batería de iones de litio.

2. El módulo: varias celdas dispuestas en un formato determinado (en paralelo o en serie).

3. La batería en sí: el producto acabado, compuesto por varios módulos conectados, con sensores térmicos y alojado en una carcasa protectora. 

Es un error común pensar que los vehículos eléctricos funcionan con una sola batería de tamaño gigantesco. En realidad, se usan cientos de celdas para alimentar el vehículo. Por ejemplo, la batería del Nissan Leaf cuenta con 192 celdas dispuestas en 24 módulos. Pero ¿cómo reciben y almacenan la energía estas celdas? 

Aquí la cosa se vuelve un poco más técnica, y la química juega un papel fundamental. ¿Quieres saber cómo funciona? 

Una batería de iones de litio contiene dos tipos de electrodos: ánodo y cátodo. 

Debido a su gran capacidad para almacenar iones de litio (energía) durante la carga, estos electrodos son la principal razón por la que se utilizan baterías de iones de litio en los vehículos eléctricos. En comparación con otros tipos de baterías (como las de níquel-hidruro metálico), una batería de iones de litio tiene casi el doble de densidad de energía (Wh/kg) con un tamaño mucho menor. Dicho de otro modo, los vehículos eléctricos pueden almacenar una gran cantidad de energía en una batería más compacta.

Cuando se conduce un vehículo eléctrico, técnicamente las celdas se descargan. A medida que un vehículo eléctrico consume la energía de su batería, los iones de litio almacenados pasan de un electrodo a otro (del ánodo al cátodo), lo cual genera energía en forma de electricidad. Y así es como se mueve un vehículo eléctrico.

Cuando se carga un vehículo eléctrico, este proceso se realiza a la inversa. 

Por desgracia, debido a la composición química de las baterías de iones de litio, estas se deterioran con el paso del tiempo y tras varias sesiones de carga, pero el futuro es prometedor. 

Se prevé que las baterías de estado sólido sean el próximo gran paso en la evolución de los vehículos eléctricos. Aunque aún se encuentran en fase de desarrollo, se estima que las baterías de estado sólido durarán mucho más que las baterías de iones de litio actuales. Según los cálculos, podrían seguir ofreciendo un rendimiento máximo durante 30 años. Esto también afectaría a la autonomía de un vehículo eléctrico, ya que algunas investigaciones prevén un aumento de aproximadamente un 50 %. 

Hay grandes fabricantes investigando las baterías de estado sólido, así que no deberían tardar mucho en llegar al mercado...

Transmisión de una sola marcha

Si alguna vez has conducido un vehículo manual, seguro que habrás notado las sacudidas que se producen al cambiar de marcha, ¿sabes a qué se debe? 

Vamos directos al grano: los motores de combustión interna no son eficientes. En lugar de ofrecer par (potencia) al instante, un motor de combustión interna quema combustible para adecuar su régimen (revoluciones) a la velocidad de conducción para frenar y acelerar. Por tanto, se necesitan marchas para transmitir la potencia del motor (en pequeñas cantidades) al resto del vehículo. 

Los motores de los vehículos eléctricos aceleran mucho más rápido, por lo tanto, el par está disponible de manera prácticamente inmediata. Debido a esto, los vehículos eléctricos no tienen un rango de revoluciones concreto a la hora de circular y no necesitan marchas para transferir la potencia al resto del vehículo, algo que sí sucede en los vehículos con motor de combustión interna. Los motores de los vehículos eléctricos giran en una dirección para circular hacia delante y en la otra para circular marcha atrás. 

¿Cómo afecta esto a la experiencia de conducción? La conducción es mucho más suave. Un vehículo eléctrico ofrece un rendimiento óptimo, ya que acelera sin interrupciones ni cortes. Así que vete despidiendo de las marchas (y la caja de cambios) y ve acostumbrándote a la transmisión de una sola marcha.

Frenado regenerativo

Es posible que ya hayas oído el término "frenado regenerativo" antes, pero ¿qué significa? Todo el mundo sabe lo que es frenar. Pero ¿tanta diferencia hay al frenar un vehículo eléctrico y un vehículo con motor de combustión interna? Pues sí, bastante. 

Como hemos dicho antes, los vehículos con motor de combustión interna son ineficientes, y su mecanismo de frenado no iba a ser menos. 

A medida que un vehículo se mueve, acumula energía cinética, y como nos decían en el colegio: "La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma". Por desgracia, en un sistema de frenos mecánico (como el de los vehículos con motor de combustión interna), la energía cinética se libera como un producto de desecho en forma de calor. Esta es la razón por la que los discos de freno se sobrecalientan y desgastan con el tiempo. 

Menos mal que los vehículos eléctricos no funcionan así. En lugar de convertir la energía cinética en un producto residual, el frenado regenerativo permite convertir esta energía en energía eléctrica que se envía a la batería. Además de ser más eficiente, mejora la autonomía del vehículo, ya que esta energía sirve para cargar la batería. 

¿Cómo funciona esto en la práctica? 

Imagina que vas conduciendo y los semáforos empiezan a ponerse en ámbar; tu reacción es empezar a pisar el pedal de freno. A medida que pisas el pedal de freno, la energía cinética que mueve el vehículo se transfiere al motor, lo que ralentiza el vehículo. A medida que el motor gira, genera electricidad que se envía a la batería y que podrá usarse para acelerar el vehículo eléctrico cuando el semáforo se ponga en verde.

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