Híbridos y Eléctricos

Clase magistral de Peter Rawlinson (Lucid) sobre la tecnología de las baterías de sus coches eléctricos

Peter Rawlinson, CEO y CTO de Luid Motors, es, además de encargado de las gestiones de la compañía, un gran profesor. En este vídeo, perteneciente a una serie de 10, explica los principios básicos de la energía de las baterías y muchos aspectos tecnológicos aplicados en el Lucid Air.

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Peter Rawlinson, CEO y CTO de Luid Motors da una clase magistral sobre las innovaciones de la batería del Lucid Air.

Lucid Motors anunció recientemente la publicación de la serie de vídeos "Tech Talks" en su canal de Youtube, para ofrecer al público una visión interna de algunas de las tecnologías avanzadas de la compañía. El primer video presenta al CEO y CTO de Lucid, Peter Rawlinson, explicando algunos conceptos técnicos básicos de energía y las ideas que le han permitido a la empresa convertirse en la que mayor autonomía ha logrado con un coche eléctrico: el Lucid Air demostró que es capaz de homologar más de 500 millas (80 kilómetros) con cada carga de su batería.

El Lucid Air es el primer modelo eléctrico de Lucid Motors. Recientemente se ha coronado como el coche eléctrico de producción con mayor autonomía del mundo, ya que la EPA ha homologado para él 520 millas (837 kilómetros). Además también ha sido nombrado como el coche del año 2022 por la revista MotorTrend.

Estas dos hazañas son fruto de una batería diseñada por la propia compañía a la que acompaña un tren motriz, ambos muy eficientes. Sus tecnologías serán explicadas por Lucid Motors a través de la serie de vídeos “Tech Talks”, en los que ofrece al público una mirada al interior de las tecnologías más avanzadas de la compañía.

Autonomia EPA Lucid Air
El Lucid Air se ha coronado como el coche eléctrico de producción con mayor autonomía del mundo, ya que la EPA ha homologado para él 520 millas (837 kilómetros).

El primer vídeo de la serie, está presentado por el CEO y CTO de Lucid Motors, Peter Rawlinson, y en él explica varios detalles sobre la tecnología del tren motriz eléctrico del Lucid Air, patentado por la compañía, y como han logrado que se convierta en el líder en cuanto autonomía de toda la industria.

Antes de unirse a Lucid, Rawlinson fue el diseñador jefe del Tesla Model S junto a Elon Musk, lo que convierte al CEO de Lucid en un auténtico experto y hace que el video sea aún más interesante e informativo. El arranque del vídeo comienza con una descripción general de Lucid: “Realmente solo quería mostrarles algunas de las tecnologías que permiten ese rango de 500 millas y tal vez revelar uno o dos secretos al hacerlo”.

La energía eléctrica y los coches eléctricos

Para iniciar esta explicación, Rawlinson proporciona una breve descripción de los principios básicos de la energía eléctrica, junto con los términos comúnmente utilizados para describir la potencia de salida y el paquete de baterías de un vehículo eléctrico: la energía, los vatios, los kilovatios, los kilovatios hora y los caballos de fuerza. Todos ellos términos asociados con frecuencia a los vehículos eléctricos.

Para comprender cómo alimentan las baterías a los vehículos eléctricos, Rawlinson explica en primer lugar la definición de "julio", la unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades. Un julio es el trabajo realizado cuando una fuerza de 1 Newton desplaza un objeto una distancia de 1 metro en la dirección de la fuerza aplicada. Como analogía, Rawlinson demostró esto levantando una manzana del suelo y colocándola sobre una mesa de un metro de altura. La cantidad de energía ejercida para mover la manzana un metro se define como julio. Sin embargo, la energía requerida para levantar una manzana es mucho menor de la que necesita un coche eléctrico para moverse, por lo que la salida de potencia del paquete de baterías de 112 kWh del Lucid Air Grand Touring se mide en "megajulios" (1 millón de julios).

Para calcular los megajulios, el tamaño de la batería de Lucid Air de 112 kWh se multiplica por 1.000 (112.000 vatios). Luego, la potencia se multiplica por 3.600, que es el número de segundos en una hora, de ahí el término "kilovatio hora". Al multiplicar la potencia por el número de segundos en una hora da 403,2, que se redondea a 400 megajulios (400 millones de julios) para mayor claridad.

Volviendo a la analogía de la manzana, sería necesario levantarla del piso y moverla a la mesa un metro 400 millones de veces para representar la energía contenida en la batería del Lucid Air completamente cargada. Trasladada esta analogía al coche, el planteamiento lleva a saber la cantidad de energía necesaria para impulsar el Lucid Air un metro por la carretera. Al respecto Rawlinson cuenta una historia de fondo interesante.

Usando esta ecuación durante el desarrollo del Model S, Tesla estuvo considerando nombrar a la versión P85 de esta berlina eléctrica "Mega Joule 300" por los aproximadamente 300 millones de megajulios de energía almacenados en su paquete de baterías. "Hubiera sonado genial, pero al final pensamos que nadie lo iba a entender", dice Rawlinson. "Es demasiado científico, demasiado tecnológico. La gente entiende los kilovatios hora porque son la unidad estándar de energía".

El tamaño de la batería óptimo del Lucid Air

Aunque parte de la información que Rawlinson compartió puede parecer demasiado científica, así es como el equipo de ingeniería de la compañía determinó el tamaño aproximado que debía tener el paquete de baterías del Air para cumplir con los objetivos de potencia y con la autonomía de 500 millas.

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Rawlinson calcula el tamaño de la batería del Lucid Air.

Hace una década, los ingenieros de Tesla determinaron que un automóvil eléctrico razonablemente eficiente usaría alrededor de 330 Wh de energía por milla (20,6 kWh/100 km). A partir de aquí se puede calcular la capacidad que debe tener una batería para ofrecer 400 millas (643 km) de autonomía.

Rawlinson tomo ese dato de eficiencia (330 kW/milla) y la multiplicó por la autonomía deseada (400 millas). “El resultado es 132.000 vatios o 132 kWh. Según esta fórmula, el Air necesitaría una batería de 132 kWh para recorrer 400 millas con una sola carga. Pero haría que la batería fuera demasiado pesada y el coche demasiado caro”. El peso adicional también reduce la eficiencia, por lo que Lucid necesitaba encontrar un equilibrio entre la eficiencia y el tamaño de la batería.

Gracias al avance en la química de las baterías durante la última década, Rawlinson apostó por que los ingenieros de Lucid serían capaces el número de eficiencia a 250 kW/mi y ofrecer al menos 400 millas de alcance. Para alcanzar este objetivo, el sedán Lucid Air necesitaría una batería de aproximadamente 100 kWh. (250 * 400 millas = 100.000/1000 = 100 kWh).

Para el paquete de baterías del Lucid Air, Lucid eligió celdas de iones de litio cilíndricas de LG en formato 21700 (21 mm de ancho por 70 mm de alto). Cada una de estas celdas contiene aproximadamente 17 Wh de energía. Con esta cantidad, Lucid determinó que necesitaría alrededor de 6.000 celdas individuales (6.000 * 17 Wh = 102 kWh) para lograr un alcance de 400 millas. 

Así, por ejemplo, el Lucid Air Grand Touring alcanza una autonomía de 4,6 millas por kWh, según Rawlinson. Con su batería más grande de 112 kWh que contiene 6.660 celdas, puede viajar aproximadamente 515 millas por carga (4.6 * 112 = 515 millas). Para ir aún más lejos, Rawlinson también quería saber con cuanto alcance contribuye cada celda individual de la batería del Air (hipotéticamente, por supuesto). Según sus propios cálculos, cada celda ofrece 140 yardas (unos 128 metros).

La plataforma

Conociendo cuántas celdas individuales necesitaría para la batería del Air, el siguiente paso fue diseñar el chasis para que pudieran entrar todas en él. Lucid desarrolló una plataforma llamada "LEAP'' (Lucid Electric Advanced Platform). El objetivo era colocar en ella las 6.600 celdas en ella usando un espacio mínimo para que los diseñadores pudieran hacer el habitáculo de los pasajeros más grande. Lucid lo logró miniaturizando el tren de potencia eléctrico del Air, incluidos los motores, los inversores y la transmisión, tanto en la parte delantera como en la trasera.

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Lucid desarrolló una plataforma llamada "LEAP'' (Lucid Electric Advanced Platform). El objetivo era colocar en ella las 6.600 celdas de la batería.

"Logramos esto con nuestra tecnología interna de transmisión supercompacta, un sistema denso y con mayor potencia volumétrica disponible en la actualidad, asegura Rawlinson. Este tren motriz eléctrico en miniatura liberó espacio adicional para colocar las 6.600 celdas de la batería en Lucid Air Dream Edition. “Esculpió el paquete de baterías" alrededor del espacio de la cabina, eliminando el túnel trasero que normalmente se entrometería en la cabina para acomodar un eje de transmisión en un vehículo de combustión y tracción trasera. Lucid también apiló en dos capas los módulos de batería debajo de los asientos traseros para el modelo Grand Touring y Dream Edition liberando así más espacio en la cabina. 

Cada módulo individual que compone la batería contiene 300 celdas 21700. La batería Lucid Air Long Rang tiene 22 de estos módulos, mientras que Air Pure usará 18 módulos. Cada módulo es de 42 voltios, lo que equivale a 924 voltios para la batería de largo alcance del Air que contiene 6.600 celdas.

¿Por qué Lucid eligió una arquitectura de 900 voltios para el Air cuando muchos otros vehículos eléctricos usan arquitecturas de 400 V? Rawlinson explica que es para minimizar las pérdidas de calor, según explica la Ley de Ohm. Al duplicar el voltaje, el Air puede usar la mitad de la corriente (intensidad) lo que a su vez reduce la pérdida de calor causada por la resistencia eléctrica. Para un vehículo eléctrico, la pérdida de calor es en realidad energía desperdiciada.

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Lucid Motors miniaturizó el tren de potencia del Air para dar más espacio al interior del habitáculo.

"No hay sustituto para el voltaje en términos de eficiencia", dijo Rawlinson. Sin embargo, Lucid diseñó su paquete de baterías para que algunos módulos se puedan quitar debajo del asiento trasero para ahorrar costes y liberar espacio para los pies de los pasajero. Al mismo tiempo, el Lucid Air Pure, el más asequible, ofrece una autonomía superior a la de la mayoría de los vehículos eléctricos: 406 millas.

Todo el paquete de baterías está rodeado por una estructura reforzada para protegerla de daños, y, cuando se acopla al chasis, también sirve como soporte estructural adicional para proteger a los ocupantes, así como a las baterías.

El sistema de enfriamiento

Rawlinson explica cómo se enfría cada módulo de batería usando una estructura de enfriamiento de aluminio llena de líquido para cada uno de ellos. Estos enfrían las celdas en la parte inferior que, están conectadas mediante una placa de enfriamiento que es muy fácil de fabricar. El calor generado en cada celda se dirige hacia el fondo donde se encuentra la placa. 

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Lucid Motors miniaturizó el tren de potencia del Air para dar más espacio al interior del habitáculo.

El uso de tiras entrelazadas entre las celdas para enfriar sus lados reduce la densidad de energía del módulo de la batería. Aparte de eso, las superficies planas en la parte inferior de las baterías hacen que contacten con la placa de enfriamiento de manera mucho más efectiva. Las tiras no tocan los lados de las celdas de la misma manera, creando puntos de calor en las baterías. 

Una vez instalado en el Lucid Air, un sistema computarizado de gestión de la batería supervisa cada módulo para garantizar que no se produzca un sobrecalentamiento.

La clase magistral de Rawlinson (vídeo)

El video que se incluye a continuación (en inglés) es interesante porque Rawlinson no solo es el CEO de Lucid Motors, sino que como ingeniero también es el CTO de la compañía y es responsable de muchas de las innovaciones del Lucid Air. Este coche eléctrico se puede ver como una versión más avanzada del Tesla Model S, en el que también trabajó Rawlinson.

Como startup, Lucid se propuso hacer una berlina eléctrica mejor que el Model S, basada solo en innovaciones en la batería.

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