Piensa en un grupo de personas atadas por una cuerda. Todas tienen que caminar al mismo ritmo. Si una se cansa, se para, o simplemente va más despacio, las demás no pueden avanzar más rápido. Están condenadas a esperar. Eso es, exactamente, lo que ocurre dentro de la batería de un coche eléctrico. Cientos de celdas conectadas entre sí, trabajando en conjunto, y una sola celda débil que arrastra a todas las demás. Cuando esa celda se agota, la batería entera se considera agotada. Aunque el 95% de las celdas restantes todavía podrían seguir funcionando durante años.
Albert Škegro, investigador doctoral en la Universidad Tecnológica de Chalmers, en Suecia, lo explica con esa misma analogía de la cuerda. «Como están atadas entre sí, todos tienen que mantener el mismo ritmo que la celda más lenta y pararse cuando esa celda se para. Con la solución de nuestro estudio, la batería puede en cambio puentear la celda que está causando problemas y seguir avanzando». Es una imagen sencilla para un problema que lleva años frustrando a la industria. Y la solución que propone su equipo, publicada en Nature Communications, podría cambiar la forma en que se diseñan las baterías de los coches eléctricos.
La idea se llama «reconfiguración dinámica». En lugar de tener todas las celdas conectadas de forma fija, la batería incorpora interruptores y sistemas de control que permiten cambiar las conexiones sobre la marcha. Si una celda se debilita, el sistema la puentea y redistribuye la carga entre las demás. La batería no se detiene cuando la celda más débil falla. Sigue funcionando, aprovechando la capacidad de las celdas que aún están sanas.
Los resultados de la simulación son contundentes. En el escenario más avanzado, donde cada celda puede controlarse individualmente, la vida útil de la batería se extiende más de un 20% en vehículos de alto voltaje, como camiones eléctricos o coches de larga autonomía. En una batería típica de 80 kilovatios-hora, con 12.000 kilómetros anuales, eso equivale a unos 14 meses adicionales antes de que la batería tenga que ser sustituida.
Puentear en lugar de arrastrar: la física de la reconfiguración
La clave de la tecnología está en la gestión individualizada. En una batería convencional, las celdas están conectadas en serie y en paralelo de forma fija. Si una celda se degrada, su resistencia interna aumenta, su capacidad disminuye, y eso afecta al rendimiento del conjunto. El sistema de gestión de batería (BMS) puede monitorizar la temperatura y el voltaje, pero no puede hacer gran cosa para evitar que la celda débil limite el rendimiento de las demás.
La reconfiguración dinámica cambia eso. Añadiendo interruptores y electrónica de control, el sistema puede aislar una celda o un grupo de celdas cuando detecta que están dando problemas. La corriente se redistribuye entre las celdas restantes, que asumen una carga ligeramente mayor pero siguen funcionando dentro de sus límites. Es como si, en el ejemplo de la cuerda, alguien pudiera desatar a la persona que se ha cansado y dejar que los demás sigan caminando sin ella.
Changfu Zou, profesor en Chalmers y coautor del estudio, matiza que la reconfiguración no es un interruptor de encendido y apagado. «No es una cuestión de ‘on u off’. Es un espectro, y dónde elija situarse un fabricante en ese espectro determina cuánto del beneficio potencial se puede realizar». En otras palabras: se puede implementar de forma más o menos sofisticada, y el beneficio será proporcional a la inversión en electrónica de control.
14 meses más de vida y un valor residual más alto
Para que los números abstractos se entiendan, los investigadores analizaron un caso concreto. Una batería típica de 80 kilovatios-hora, en un coche que recorre 12.000 kilómetros al año. En la práctica industrial actual, esa batería se sustituye a los 10 años. Con la reconfiguración dinámica, según el modelo, la misma batería alcanzaría el mismo punto de degradación a los 11 años. Es decir, 14 meses más de vida útil.
Pero hay un segundo beneficio que a menudo se pasa por alto: el valor residual. Una batería que ha sufrido menos degradación vale más en el mercado de segunda mano. Puede reutilizarse en almacenamiento estacionario, en aplicaciones de menor exigencia, o venderse a un tercero. Ese valor residual más alto compensa parte del sobrecoste inicial de la electrónica de reconfiguración.
«Para un propietario privado de un coche eléctrico, es una gran ventaja que la batería del coche dure más. Para una flota con cientos de baterías, extender la vida de la batería puede significar ahorros significativos», dice Škegro. Y ahí está el argumento económico más potente. En una flota de autobuses urbanos, camiones de reparto o vehículos de empresa, cambiar una batería cuesta miles de euros. Si esa batería dura un 20% más, el ahorro se multiplica por el número de vehículos.
Menos necesidad de emparejar celdas y más segunda vida
Hay un tercer beneficio que no es económico, sino de sostenibilidad. En la fabricación de baterías, las celdas se testean y se emparejan por características similares antes de ensamblarlas. Es un proceso caro y lento, que consume tiempo y recursos. Las celdas que no encajan en un lote se descartan o se venden a aplicaciones de menor exigencia.
La reconfiguración dinámica relaja esa necesidad. Si el sistema puede gestionar celdas con características ligeramente distintas, el fabricante no tiene que ser tan estricto en el emparejamiento. Eso reduce costes, reduce desperdicio y permite usar más celdas en cada batería. «Una batería que se retira prematuramente significa tanto material desperdiciado como energía desperdiciada. Mantener las baterías en uso durante más tiempo es, por tanto, un argumento de sostenibilidad incluso antes de tener en cuenta la economía», dice Škegro .
Además, una batería que ha sufrido menos degradación es más apta para una segunda vida. En lugar de reciclarse inmediatamente, puede reutilizarse durante años en almacenamiento estacionario, alargando aún más su ciclo de vida útil y reduciendo la demanda de nuevas materias primas.
Lo que aún falta por demostrar
La tecnología no está disponible en vehículos de serie. Se ha probado en prototipos de investigación y en entornos industriales, pero no ha llegado a la producción en masa. Y hay razones para ello.
La primera es el coste. Añadir interruptores, sensores y electrónica de control a cada celda o grupo de celdas encarece la batería. Los investigadores argumentan que ese sobrecoste se compensa con una vida útil más larga y un mayor valor residual, pero eso depende de las condiciones de uso. En un coche que se usa poco y se vende a los tres años, el beneficio puede no materializarse. En una flota de camiones que recorre 100.000 kilómetros al año, sí.
La segunda es la complejidad. Más electrónica significa más puntos de fallo. Un sistema de reconfiguración dinámica tiene que ser extremadamente fiable, porque un fallo en un interruptor podría dejar una celda desconectada o, peor, crear un cortocircuito. La industria automovilística es conservadora con cualquier cosa que añada complejidad a un componente crítico de seguridad.
La tercera es la escalabilidad. Los resultados del estudio son de simulación, no de pruebas en vehículos reales a gran escala. Los investigadores han modelizado el comportamiento de las celdas, la degradación, la demanda de energía y los costes a lo largo de 20 años. Pero entre un modelo y un coche rodando por una carretera hay mucha distancia. Habrá que demostrar que la tecnología funciona en condiciones reales, con vibraciones, temperaturas extremas, ciclos de carga y descarga impredecibles.
El estudio se hizo en colaboración con la industria. Participaron Bo Bijlenga, de PHINIA Inc, y Alexander Bessman, de Scania CV AB . Es decir, hay interés por parte de fabricantes de componentes y de vehículos comerciales. Eso sugiere que la tecnología no se quedará en un cajón. Pero el camino hasta verla en un coche de serie es largo.
Lo que el estudio demuestra es que el problema de la celda débil tiene solución. Que una batería no tiene por qué morir cuando una de sus celdas muere. Y que, con la electrónica adecuada, se puede exprimir más vida, más valor y más sostenibilidad de las baterías que ya tenemos.
