Cómo ¿Tiene un sistema de arranque y parada automotriz? BATERÍA El electrodo de referencia?
Un sistema de arranque y parada añade una capa pequeña pero exigente sobre el antiguo ciclo de trabajo de la batería de arranque. La batería auxiliar de 12 voltios (o 24 voltios) bajo el capó debe apagar el motor en cada semáforo, volver a arrancarlo al soltar el freno, alimentar la electrónica de la cabina durante cada intervalo con el motor apagado y absorber pulsos irregulares de alta corriente del alternador y del sistema de frenado regenerativo el resto del tiempo. Ninguna de estas funciones existía en el antiguo ciclo de trabajo de un solo arranque por viaje.
Para comprender cómo funciona una batería de arranque y parada, resulta más útil examinar el sistema que la rodea que la química interna de la batería. La química sí importa: una batería de plomo-ácido inundada no puede soportar este ciclo de trabajo; las baterías EFB o AGM son actualmente la solución establecida, y ahora se está evaluando el sodio-ión como una tercera opción; sin embargo, la química solo importa en relación con lo que el sistema exige a la batería.
Este artículo describe el ciclo de trabajo real: qué ocurre desde el momento en que un vehículo se detiene ante un semáforo hasta el momento en que acelera para alejarse, dónde se descarga la batería, dónde se recarga, qué hace el sistema de gestión de baterías (BMS) y qué exige cada fase del ciclo a las celdas.
_______________________________________________________________________
¿Qué Ocurre Durante un ciclo de arranque ¿y parada?
Un ciclo completo de arranque y parada es breve —normalmente inferior a—, pero pone a prueba casi todas las especificaciones de la batería de forma simultánea.
• El vehículo se aproxima a una detención. El vehículo está desacelerando. A menudo, el alternador se conmuta al modo de recuperación, inyectando corriente de carga de nuevo en la batería. Normalmente, la tensión en los bornes de la batería aumenta durante esta fase.
• El motor se apaga en ralentí. Cuando el vehículo se detiene por completo y se mantiene presionado el pedal del freno (o, en algunos sistemas, cuando el vehículo circula en punto muerto), la unidad de gestión del motor ordena el apagado del motor. El motor de arranque y el piñón de arranque quedan listos para la siguiente puesta en marcha. La corriente de la batería pasa del alternador al sistema eléctrico del vehículo.
• Ventana de apagado del motor. Las luces delanteras, el ventilador del sistema de climatización, el sistema de infoentretenimiento, el cuadro de instrumentos, los sensores de estacionamiento, los módulos de control de carrocería y una larga lista de unidades de control electrónico (ECU) más pequeñas siguen consumiendo corriente. Esta es la carga en reposo o carga de accesorios, y en un vehículo moderno puede sumar fácilmente varios amperios.
• El conductor suelta el pedal del freno (o presiona el acelerador). El motor de arranque se acopla y pone en marcha el motor. El consumo de corriente se dispara a varios cientos de amperios durante una fracción de segundo hasta varios segundos. La tensión de la batería desciende durante esta ráfaga.
• Reinicio del motor. Se reanuda la combustión, el alternador vuelve a funcionar y la corriente de carga fluye nuevamente hacia la batería. El voltaje se recupera y luego el ciclo se repite en la siguiente parada.
Estos cinco eventos se repiten decenas o cientos de veces por trayecto urbano. Asimismo, varían en cuanto a sincronización, consumo de corriente, temperatura y estado de carga a lo largo del día y según la estación del año. Esa variabilidad constituye la parte más exigente del ciclo de trabajo.
_______________________________________________________________________
¿Por qué el BATERÍA Se encuentra en el centro del sistema de arranque-parada
En un vehículo sin sistema de arranque-parada, la batería actúa principalmente como respaldo. El alternador alimenta el sistema eléctrico cuando el motor está en marcha, y la batería existe para girar el motor al arranque y para cubrir demandas eléctricas breves cuando el motor está apagado. Su estado de carga permanece cercano al máximo la mayor parte del tiempo, y rara vez se le exige realizar otra función que no sea entregar una ráfaga breve y de alta corriente unas pocas centenas de veces a lo largo de su vida útil.
El sistema de arranque y parada invierte esa prioridad. Ahora se exige que la batería sea un componente activo del sistema, no un respaldo. Alimenta la cabina mientras el motor está apagado, acepta cargas irregulares procedentes de la frenada regenerativa y vuelve a arrancar el motor decenas o cientos de veces por trayecto. El resto de la arquitectura eléctrica del vehículo ha sido diseñado en función de lo que la batería puede hacer, no al revés. Por eso, la selección de batería para un programa de arranque y parada es más exigente que la selección para un programa sin arranque y parada.
En concreto, para un programa de iones de sodio, la cuestión no es si la química de iones de sodio puede arrancar un motor (sí puede), sino si dicha química puede soportar la aceptación irregular de carga, el funcionamiento en estado de carga parcial y la exposición térmica del compartimento del motor durante varios miles de ciclos de este tipo. El resto de este artículo analiza detalladamente esas exigencias.
_______________________________________________________________________
Tres funciones de un sistema de arranque y parada BATERÍA Debe DO en un Sin gLE Ciclo
Una batería start-stop debe realizar tres funciones que se superponen durante un trayecto. Cada función somete a la batería a tensiones distintas, y una química que desempeña bien una función puede tener dificultades con otra.
• Suministrar una ráfaga de corriente de alta intensidad para el arranque. Cuando el motor se reinicia, el motor de arranque consume varios cientos de amperios durante una fracción de segundo hasta varios segundos. La tensión de la batería debe mantenerse por encima del umbral requerido por el motor de arranque durante toda la ráfaga, incluso a temperaturas bajo cero. La resistencia interna y el comportamiento de descarga en frío determinan si la batería puede suministrar esa ráfaga cuando más importa.
•Alimentar el sistema eléctrico mientras el motor está apagado. La carga de accesorios modernos del vehículo —ventilador del sistema de climatización, sistema de infoentretenimiento, faros, sensores, control de carrocería —puede sumar varios amperios de forma continua. Una batería start-stop debe cubrir esa carga durante cada intervalo en que el motor está apagado, frecuentemente sin ayuda del alternador. Los intervalos prolongados con el motor apagado en tráfico denso representan el peor escenario para esta función.
• Aceptar carga desde el alternador y desde la frenada regenerativa. La aceptación de carga es la parte más sensible a la química del ciclo de trabajo. El alternador inyecta pulsos de alta corriente en la batería cada vez que el motor se reinicia y durante la desaceleración; la frenada regenerativa añade pulsos irregulares de alta corriente en muchos sistemas modernos de arranque-parada. La batería debe absorber dichos pulsos sin producir gases, sin sobrecalentarse y sin sufrir daños a largo plazo en las celdas.
Estas tres funciones se superponen en un solo recorrido. Se exige a la batería que realice arranques, permanezca a un estado de carga parcial, acepte carga, realice otro arranque y acepte más carga, a menudo decenas de veces antes de apagar el vehículo. Una química que funciona bien en una función pero se degrada rápidamente bajo las demás no es la solución adecuada para este ciclo de trabajo.
_______________________________________________________________________
Arranque, estabilidad de tensión y Margen en climas fríos
El rendimiento de arranque se califica en amperios de arranque en frío (CCA, por sus siglas en inglés) y amperios de arranque (CA). Ambos valores indican la cantidad de corriente que la batería puede suministrar a una temperatura determinada y durante un tiempo definido, manteniendo el voltaje por encima de un umbral establecido. El CCA, calificado a −18 °C (o 0 °F), es el valor estándar para condiciones frías que aparece en la mayoría de las etiquetas de baterías automotrices.
En un vehículo con sistema start-stop, el CCA relevante no es únicamente el CCA del arranque inicial. Es el CCA que la batería aún puede entregar tras miles de ciclos parciales y tras varios meses de exposición a las temperaturas del compartimento del motor. La resistencia interna aumenta a medida que la batería envejece y a medida que disminuye su estado de carga; por lo tanto, el margen de arranque en frío disponible el primer día no es el mismo que tendrá al tercer año de servicio. La química de iones de sodio ha demostrado, en ensayos publicados, un comportamiento útil de descarga a bajas temperaturas, lo cual constituye una de las razones por las que esta química está ganando atención en programas automotrices destinados a climas fríos.
La estabilidad del voltaje durante la ráfaga de arranque es tan importante como la corriente máxima. El motor de arranque necesita que el voltaje se mantenga por encima de su umbral de funcionamiento durante toda la ráfaga; una química cuyo voltaje cae bajo carga obliga al motor de arranque a trabajar con mayor esfuerzo, ralentiza la rotación y aumenta el riesgo de fallo en el arranque. El perfil plano de voltaje de la mayoría de las celdas de ion-sodio e ion-litio durante una ráfaga de alta corriente constituye una ventaja técnica real frente a la química de plomo-ácido, cuyo voltaje disminuye notablemente bajo carga de arranque.
_______________________________________________________________________
Aceptación de carga y alternador comportamiento del alternador
La aceptación de carga es la parte del ciclo de trabajo en la que los programas de baterías automotrices tienen más probabilidades de fallar. El alternador y el sistema de frenado regenerativo inyectan corriente en la batería mediante pulsos irregulares, y esta debe absorber dichos pulsos sin sufrir daños. Una batería de plomo-ácido inundada se degrada rápidamente bajo este patrón: pulsos de alta corriente a estado de carga parcial aceleran la corrosión de la rejilla, la sulfatación de las placas y la pérdida de agua. Las baterías EFB y AGM fueron desarrolladas específicamente para soportar este patrón, razón por la cual los fabricantes de automóviles adoptaron inicialmente estas químicas para los sistemas de arranque-parada.
La química de iones de sodio gestiona los pulsos de carga de alta corriente de forma distinta. Las celdas de iones de sodio suelen aceptar tasas de carga elevadas sin experimentar los mismos problemas de corrosión de la rejilla o sulfatación de las placas que afectan a las baterías de plomo-ácido. Esto confiere a la química de iones de sodio una compatibilidad estructural con los pulsos de carga por frenado regenerativo y por alternador, típicos de la conducción start-stop. Que esta ventaja se manifieste en condiciones reales de uso depende de la química específica de la celda, de la familia del cátodo, del formato de la celda, de la estrategia de control del sistema de gestión de baterías (BMS) y de la integración en el vehículo; no es automática, y el comprador debe buscar datos de validación que correspondan al patrón real de pulsos de carga que generará el vehículo.
Aceptación dinámica de carga: la cantidad de corriente que una batería puede aceptar a un estado de carga parcial, en frío y al final de un largo período con el motor apagado, es la versión más exigente de esta misma pregunta. Las baterías EFB fueron diseñadas para mejorar la aceptación dinámica de carga frente a las baterías de plomo-ácido inundadas; las AGM la mejoran aún más. La química de sodio-ión ha demostrado una aceptación dinámica de carga útil en ensayos publicados, pero los valores reales varían ampliamente según el diseño de la celda, y el ciclo de trabajo que las celdas experimentan en servicio resulta más relevante que cualquier valor obtenido en bancos de pruebas.
_______________________________________________________________________
Estado de carga parcial, SOC, un d SOH Monitoreo
Las baterías de arranque-parada rara vez se mantienen al 100 % de su estado de carga. El alternador y la frenada regenerativa recargan la batería durante el trayecto, pero las pausas con el motor apagado, la carga de los accesorios y las ráfagas de arranque mantienen la batería cerca del 70–80 % de su estado de carga durante la mayor parte de su vida útil. Esta es la peor zona de operación para una batería de plomo-ácido inundada: la sulfatación se acelera a estados de carga parciales, la capacidad disminuye más rápidamente y los márgenes de arranque en frío se reducen.
Los sistemas modernos de arranque-parada supervisan la batería mediante un sistema de gestión de batería (BMS), denominado a veces módulo sensor de batería o sensor inteligente de batería en la documentación de los fabricantes originales (OEM). El BMS registra el estado de carga (SOC), el estado de salud (SOH), la temperatura y el flujo de corriente. Con esos datos determina si el motor debe apagarse en la siguiente parada, si el alternador debe cargar a mayor o menor voltaje y cuándo debe advertirse al conductor que la batería necesita ser reemplazada.
Para un programa de arranque-parada con iones de sodio, el sistema de gestión de baterías (BMS) no es opcional. Las celdas de iones de sodio requieren equilibrado de celdas, límites de voltaje y corriente a temperaturas altas y bajas, y protección contra la sobredescarga durante largos períodos con el motor apagado. El BMS también debe comunicarse con el sistema eléctrico del vehículo para que el alternador y el controlador de frenado regenerativo puedan adaptar los pulsos de carga según el estado real de la batería, y no según un perfil genérico de batería de plomo-ácido inundada. Los compradores que evalúen iones de sodio para aplicaciones de arranque-parada deben prestar mucha atención a cómo se integra el BMS en el vehículo, y no solo a la química de las celdas.
_______________________________________________________________________
Temperatura, compartimento del motor y estrés térmico
La mayoría de las baterías auxiliares automotrices se ubican en el compartimento del motor o justo fuera de él. Están expuestas a un amplio rango de temperaturas: noches frías de invierno a menos decenas de grados Celsius, temperaturas en el compartimento del motor durante el verano que pueden superar los 60 °C, y condiciones intermedias que cambian rápidamente entre ambos extremos. Una batería de arranque-parada debe funcionar en todo el rango, y las exigencias en cada extremo son distintas.
A bajas temperaturas, la batería debe girar el motor cuando la resistencia interna es máxima. Aquí es donde el comportamiento publicado de descarga a baja temperatura de la química de iones de sodio se convierte en una ventaja estructural. A altas temperaturas, la batería debe aceptar pulsos de carga, permanecer a un estado de carga parcial y soportar largos periodos con el motor apagado sin experimentar un envejecimiento por calendario acelerado. El envejecimiento por calendario es la pérdida lenta de capacidad que ocurre independientemente de si la batería se está utilizando o no, y se acelera a mayores temperaturas en la mayoría de las químicas.
Un comprador debería buscar datos de celdas de ion sodio que aborden ambos extremos de este rango: validación del arranque en climas fríos a las temperaturas de despliegue que los vehículos experimentarán realmente, y datos de envejecimiento por calendario a altas temperaturas que respalden la garantía de varios años que el programa desea ofrecer. Los valores obtenidos en bancada a 25 °C no sustituyen ninguno de esos dos requisitos.
_______________________________________________________________________
Qué exige esto de la química de la batería
Al integrar nuevamente el ciclo de servicio, una química de batería para sistema start-stop debe ofrecer cinco funciones durante su uso real, no solo en un banco de pruebas.
• Arranque confiable en climas fríos tras miles de ciclos parciales y a lo largo de varios años de exposición al compartimento del motor.
• Alta aceptación de carga bajo el patrón irregular de pulsos del alternador y de la frenada regenerativa, a estado de carga parcial y en un amplio rango de temperaturas.
• Entrega estable de energía a accesorios durante largos períodos con el motor apagado, sin llevar a la batería a una profundidad de descarga dañina.
• Larga vida útil por calendario a en temperaturas de gine-bay, no solo a temperatura ambiente.
• Coordinación del BMS para que el sistema eléctrico del vehículo pueda moldear los pulsos del alternador y de la frenada regenerativa en función del estado real de la batería.
Estos cinco requisitos explican por qué las baterías de plomo-ácido inundadas ya no son la solución adecuada para la mayoría de los programas start-stop, por qué las tecnologías EFB y AGM se han convertido en las opciones dominantes y por qué ahora se está evaluando seriamente la tecnología de iones de sodio. Si la tecnología de iones de sodio es la solución adecuada para un programa específico depende de cómo se integre esta química en el vehículo, de cómo se ajuste el BMS y de cómo se valide el ciclo de trabajo —no únicamente de la etiqueta de la química.
_______________________________________________________________________
Por qué la química de iones de sodio se adapta bien al servicio start-stop
La química de iones de sodio presenta una adaptación estructural significativa al ciclo de trabajo start-stop por tres razones que se corresponden directamente con los cinco requisitos anteriores.
• Comportamiento de descarga a bajas temperaturas. Las pruebas publicadas en varias familias de cátodos de iones de sodio muestran que la química de iones de sodio mantiene una capacidad útil y una resistencia interna más baja a temperaturas bajo cero, precisamente donde la capacidad de arranque en climas fríos es más crítica. Esto satisface el requisito de arranque en climas fríos.
• Tolerancia a pulsos de carga. Las celdas de iones de sodio toleran altas tasas de carga sin sufrir el mismo tipo de corrosión de la rejilla o daño por sulfatación que experimenta la química de plomo-ácido. Con un sistema de gestión de baterías (BMS) adecuadamente ajustado, esto satisface el requisito de alta aceptación de carga.
• Madurez adecuada para baterías auxiliares. El el ciclo de trabajo de arranque-parada no requiere la densidad energética de un paquete de tracción. La química de iones de sodio no necesita igualar la densidad energética de NMC ni de LFP para ofrecer un rendimiento útil como batería auxiliar de 12 V o 24 V, y la curva de madurez de los iones de sodio se adapta bien a este ciclo de trabajo. Esto satisface los requisitos de vida útil en el calendario y de coordinación con el BMS, ambos abordables mediante un programa de celdas de iones de sodio a nivel de química y cadena de suministro.
Un comprador que entra en un programa de arranque-parada con baterías de iones de sodio consciente de estas tres ventajas estructurales —y consciente de la diligencia del proveedor que exige esta química en etapas tempranas —se encuentra en una posición mucho más sólida que un comprador que entra esperando que las baterías de iones de sodio se comporten exactamente como un suministro AGM maduro. Como proveedor de baterías y sistemas de almacenamiento de energía para importadores, distribuidores, mayoristas, concesionarios y compradores OEM y ODM de baterías automotrices, PITTAR trabaja con celdas de iones de sodio
cuyos programas han sido integrados pensando específicamente en los ciclos de arranque-parada. Donde la química se adapta al programa —fiabilidad en climas fríos, diversificación de la cadena de suministro, compromisos de volumen a varios años e integración ajustada mediante el sistema de gestión de baterías (BMS) con el sistema eléctrico del vehículo— la conversación merece la pena. Donde aún no existe esa adaptación, la decisión correcta es mantener la opción actual hasta que dicha adaptación cambie.
_______________________________________________________________________
Preguntas frecuentes
¿Cómo funciona una batería de arranque-parada? ¿Cómo funciona una batería de arranque-parada?
Una batería de arranque-parada se encuentra en el sistema eléctrico de un vehículo que apaga automáticamente el motor en ralentí y lo reinicia cuando el conductor está listo para avanzar. Durante cada ciclo, la batería suministra una ráfaga de corriente elevada para reiniciar el motor, alimenta la electrónica de la cabina y los módulos de control durante el período en que el motor está apagado, y recibe carga del alternador y del sistema de frenado regenerativo una vez que el motor vuelve a funcionar. El sistema de gestión de batería (BMS) coordina el estado de carga, la temperatura y los límites de corriente para que la batería pueda repetir ese patrón miles de veces a lo largo de su vida útil.
¿Qué hace diferente a una batería de arranque-parada? una batería convencional? a normal automóvil batería?
Una batería convencional para automóvil está diseñada para un ciclo de servicio sencillo: un arranque por viaje, una recarga lenta y una carga breve de accesorios. Una batería start-stop está diseñada para miles de arranques por viaje, pulsos irregulares de carga de alta intensidad procedentes de la frenada regenerativa, largos períodos con el motor apagado a estado de carga parcial y exposición a las temperaturas del compartimento del motor durante muchos años. Las químicas EFB, AGM y de ion sodio están concebidas específicamente para ese patrón más exigente; las baterías de plomo-ácido inundadas no lo están.
¿Cuántas veces realiza una batería start-stop un arranque motor en su vida útil?
El número varía ampliamente según los ciclos de conducción, el clima, la integración del vehículo y la química de la batería. Las estimaciones publicadas por los fabricantes de equipos originales (OEM) y por terceros para los programas de arranque-parada suelen oscilar entre decenas de miles y cientos de miles de arranques a lo largo de la vida útil del vehículo; sin embargo, el número exacto depende del diseño específico de la celda, de la configuración del sistema de gestión de batería (BMS) y del ciclo de trabajo real en servicio. Los compradores deben buscar datos de validación que correspondan al tipo de ciclo de trabajo que experimentarán los vehículos, y no a un valor genérico obtenido en banco de pruebas.
¿Una batería de arranque-parada necesita un cargador especial? ¿cargador?
A veces. Las baterías de ion sodio, AGM y EFB tienen perfiles de voltaje de carga distintos a los de las baterías de plomo-ácido inundadas, y usar un perfil de cargador incorrecto puede reducir la vida útil o impedir la recarga de una batería profundamente descargada. Para un programa de inicio-parada con ion sodio, el sistema eléctrico del vehículo debe ajustarse a la ventana de voltaje de carga de la celda y el BMS debe coordinarse con el controlador del alternador; un cargador externo de banco utilizado en un almacén o entorno de servicio debe coincidir con ese mismo perfil.
Por qué ¿se está evaluando el ion sodio para servicio de inicio-parada?
La química de iones de sodio ha demostrado un comportamiento útil de descarga a bajas temperaturas, tolera pulsos de carga de alta corriente irregulares y no requiere una densidad de energía elevada en el paquete de tracción para ofrecer un rendimiento adecuado como batería auxiliar de 12 o 24 voltios. Esas ventajas estructurales se alinean con los requisitos de arranque en climas fríos, aceptación de carga y madurez apropiada para baterías auxiliares que definen el ciclo de funcionamiento start-stop; por eso la tecnología de iones de sodio se está evaluando seriamente junto con las tecnologías EFB y AGM en programas automotrices.
EN
Noticias destacadas