Pack de baterías y configuración
El pack de un vehículo eléctrico combina las celdas con conexiones eléctricas, sistemas de refrigeración, electrónica de control y estructuras protectoras para formar un sistema energético de alta tensión.
Su configuración eléctrica determina la tensión, la capacidad y la corriente disponible, mientras que la integración física afecta al peso, la refrigeración, la protección en caso de impacto, el empaquetado, la reparabilidad y la densidad energética a nivel de pack.
¿Qué contiene un pack de baterías?
Las celdas almacenan la energía, pero son solo una parte del pack completo.
Un pack típico contiene:
- Celdas de batería
- Módulos u otras estructuras para agrupar celdas
- Barras colectoras y conductores de alta tensión
- Electrónica de supervisión de las celdas
- Contactores principales positivo y negativo
- Fusibles y desconectadores pirotécnicos
- Sensores de corriente, tensión y aislamiento
- Un desconectador de servicio
- Placas y canales de refrigeración
- Materiales de interfaz térmica
- Una carcasa sellada
- Protección contra impactos e intrusión
- Vías de alivio de presión y gestión de gases
- Conectores y uniones de alta tensión
Los contactores principales desconectan las celdas del resto del vehículo cuando se apaga el sistema de alta tensión. Las celdas permanecen conectadas y eléctricamente activas dentro del pack.
Un fusible convencional protege contra una corriente excesiva, mientras que un desconectador pirotécnico puede interrumpir rápidamente una conexión de alta tensión durante una colisión grave o un fallo eléctrico.
El sistema de gestión de la batería supervisa y controla el pack, mientras que Gestión térmica de la batería explica con más detalle sus sistemas de refrigeración y calefacción.
Configuración de la batería
La configuración describe cómo están conectadas eléctricamente las celdas.
Los dos métodos básicos son:
- Conexión en serie, que aumenta la tensión
- Conexión en paralelo, que aumenta la capacidad en amperios-hora y la corriente disponible
La mayoría de los packs utiliza una combinación de ambos.
Conexiones en serie
Cuando se conectan en serie celdas o grupos idénticos, sus tensiones se suman.
La misma corriente atraviesa cada celda o grupo en paralelo de la cadena en serie.
Tensión del pack = Número de grupos en serie × Tensión de la celda
Conectar en serie 100 celdas con una tensión nominal de 3.7 voltios produce una tensión nominal del pack de aproximadamente 370 voltios.
La capacidad medida en amperios-hora no aumenta cuando se conectan celdas idénticas únicamente en serie.
Conexiones en paralelo
Cuando se conectan celdas idénticas en paralelo, la tensión permanece igual y se suman sus capacidades en amperios-hora.
Capacidad del grupo en paralelo =
Número de celdas en paralelo × Capacidad de la celda
Cuatro celdas de 72 Ah conectadas en paralelo forman un grupo de 288 Ah.
Las celdas en paralelo también comparten la corriente. Bajo condiciones equilibradas, cuatro celdas idénticas conducen cada una aproximadamente una cuarta parte de la corriente del grupo.
El reparto real puede variar ligeramente debido a diferencias de:
- Resistencia interna
- Temperatura
- Edad de las celdas
- Conexiones eléctricas
- Tolerancias de fabricación
El BMS normalmente supervisa las celdas conectadas en paralelo como un único grupo de tensión porque comparten la tensión en sus terminales.
Cómo interpretar la notación s y p
Las configuraciones suelen escribirse utilizando:
- s para serie
- p para paralelo
Una configuración 3s4p contiene:
- Tres grupos conectados en serie
- Cuatro celdas conectadas en paralelo dentro de cada grupo
- Doce celdas físicas en total
El número total de celdas es:
Total de celdas = Número en serie × Número en paralelo
Para un pack que utiliza celdas idénticas:
Tensión nominal del pack =
Número en serie × Tensión nominal de la celda
Capacidad del pack en Ah =
Número en paralelo × Capacidad de la celda
Energía nominal del pack en Wh =
Tensión nominal del pack × Capacidad del pack
La tensión multiplicada por los amperios-hora ofrece un valor aproximado de energía nominal.
La tensión de las celdas cambia continuamente con el estado de carga, por lo que este cálculo no mide exactamente la energía que puede entregar el pack durante una descarga completa. Los fabricantes también pueden definir la capacidad nominal o bruta mediante métodos de caracterización que difieren ligeramente de este cálculo sencillo.
Ejemplo: Audi Q8 55 e-tron
La batería del Audi Q8 55 e-tron contiene 432 celdas prismáticas divididas en 36 módulos. Cada módulo contiene 12 celdas.
Audi especifica:
- 114 kWh de capacidad bruta
- 106 kWh de capacidad utilizable
- 396 V de tensión nominal
- 36 módulos
- 432 celdas
Cada módulo utiliza una disposición 3s4p. Por tanto, el pack completo es 108s4p. (Audi)
Utilizando los valores nominales de las celdas:
- Tensión de la celda: aproximadamente 3.6667 V
- Capacidad de la celda: 72 Ah
- Capacidad del grupo en paralelo: 4 × 72 Ah = 288 Ah
- Tensión del módulo: 3 × 3.6667 V = aproximadamente 11 V
- Capacidad del módulo: 288 Ah
Los 36 módulos están conectados en serie:
- Configuración completa: 108s4p
- Tensión del pack: 36 × 11 V = 396 V
- Capacidad del pack: 288 Ah
- Energía nominal: 396 V × 288 Ah = 114,048 Wh
El resultado es de aproximadamente 114 kWh, en consonancia con la capacidad bruta publicada por Audi.
Este ejemplo demuestra dos principios importantes:
- Conectar celdas o módulos en serie aumenta la tensión
- Conectar módulos en serie no aumenta la capacidad en amperios-hora
Ejemplo: Porsche Macan Electric
El Porsche Macan Electric utiliza:
- 100 kWh de capacidad bruta
- Aproximadamente 95 kWh de capacidad utilizable
- 12 módulos
- 15 celdas prismáticas conectadas en serie por módulo
- 180 celdas en total
- Una arquitectura de la clase de 800-voltios
Por tanto, el pack completo puede describirse como 180s1p. Cada celda prismática grande proporciona ya la capacidad necesaria en amperios-hora, por lo que no se necesitan celdas físicas en paralelo en cada posición en serie.
Porsche también afirma que los 12 módulos y varios otros componentes importantes pueden sustituirse individualmente. (Porsche Newsroom)
Esto difiere notablemente de un pack que utiliza miles de pequeñas celdas cilíndricas, aunque ambos diseños desempeñan las mismas funciones básicas.
Pack ilustrativo con pequeñas celdas cilíndricas
Considere un pack con 4,416 celdas cilíndricas dispuestas como 96s46p.
Suponga que cada celda tiene:
- Tensión nominal: 3.7 V
- Capacidad: 4.8 Ah
El pack resultante tiene:
Tensión del pack = 96 × 3.7 V
= 355.2 V
Capacidad del pack = 46 × 4.8 Ah
= 220.8 Ah
Energía nominal = 355.2 V × 220.8 Ah
= aproximadamente 78.4 kWh
Esta es una configuración ilustrativa, no una especificación aplicable a todos los vehículos con un número parecido de celdas.
Los packs cilíndricos reales varían según:
- Capacidad de las celdas
- Química de las celdas
- Proveedor
- Fábrica
- Año de modelo
- Versión de batería
- Ventana utilizable de tensión
Ejemplos de configuraciones
Los fabricantes no siempre publican la notación sXp completa. Las configuraciones marcadas con un asterisco se deducen de las disposiciones publicadas de celdas y módulos.
| Batería | Año | Capacidad bruta o nominal | Celdas / módulos | Configuración | Tensión nominal o de arquitectura |
|---|---|---|---|---|---|
| Mitsubishi i-MiEV, especificación de Estados Unidos | 2012 | 16.3 kWh | 88 celdas | 88s1p* | 325.6 V |
| Volkswagen e-Golf | 2014 | 24.2 kWh | 264 celdas / 27 módulos | 88s3p* | 323 V |
| Volkswagen e-Golf, generación de 35.8 kWh | 2017 | 35.8 kWh | 264 celdas / 27 módulos | 88s3p* | 323 V |
| Audi Q8 55 e-tron | 2022 | 114 kWh | 432 celdas / 36 módulos | 108s4p | 396 V |
| Batería PPE del Audi Q6 e-tron / A6 e-tron | 2024 | 100 kWh | 180 celdas / 12 módulos | 180s1p* | Clase de 800-voltios |
| Porsche Macan Electric | 2024 | 100 kWh | 180 celdas / 12 módulos | 180s1p* | Clase de 800-voltios |
| Batería NIO Ultra-Long Range de 150 kWh | 2024 | 150 kWh nominales | 384 celdas | No publicada oficialmente | 337 V nominales |
| Porsche Cayenne Electric | 2026 | 113 kWh | 192 celdas de bolsa / 6 módulos | No publicada oficialmente | Clase de 800-voltios |
El pack de prueba del Mitsubishi i-MiEV utilizaba 88 celdas y tenía una capacidad nominal de 50 Ah, una energía nominal de 16.3 kWh y una tensión nominal de 325.6 V. (US Department of Energy)
El e-Golf original utilizaba 264 celdas, 27 módulos, 323 V y 24.2 kWh. La versión posterior de 35.8 kWh conservó el mismo número de celdas y módulos, tensión nominal y masa publicada de la batería. (VW Press)
La batería Audi PPE emplea 12 módulos y 180 grandes celdas prismáticas, en lugar de los 36 módulos y 432 celdas del Q8 e-tron. (Audi)
NIO publica 384 celdas, 337 V de tensión nominal, 446 Ah y 575 kg para su batería de 150 kWh, pero no ofrece suficiente información pública para determinar una configuración sXp completa y fiable. (NIO)
El Porsche Cayenne Electric utiliza seis módulos y 192 grandes celdas de bolsa en una batería con funciones integradas. (Porsche Newsroom)
Tensión, corriente y potencia
La potencia eléctrica depende de la tensión y la corriente:
Potencia = Tensión × Corriente
La misma potencia puede transferirse utilizando:
- Mayor tensión y menor corriente
- Menor tensión y mayor corriente
Una transferencia idealizada de 300 kW requiere:
A 400 V:
Corriente = 300,000 W ÷ 400 V
= 750 A
A 800 V:
Corriente = 300,000 W ÷ 800 V
= 375 A
El sistema de 800-voltios entrega la misma potencia con la mitad de corriente.
Las pérdidas eléctricas en los conductores pueden aproximarse como:
Pérdida resistiva = Corriente² × Resistencia
Si la resistencia no cambia, reducir la corriente a la mitad disminuye la pérdida resistiva a una cuarta parte.
Los vehículos reales son más complejos porque también cambian las dimensiones de los conductores, la resistencia de los conectores, los semiconductores, la refrigeración y la tensión real de la batería. Aun así, el cálculo explica por qué una tensión mayor resulta atractiva cuando aumentan la potencia de carga y la del sistema de propulsión.
Sistemas de las clases de 400-voltios y 800-voltios
Los términos 400 voltios y 800 voltios describen clases amplias, no tensiones fijas de batería.
La tensión del pack cambia con:
- Estado de carga
- Química de las celdas
- Temperatura
- Corriente
- Número de celdas conectadas en serie
- Límites de tensión del fabricante
Una batería anunciada como de 400 voltios puede funcionar desde la zona baja de los 300-voltios hasta más de 400 V.
Un pack de la clase de 800-voltios puede tener una tensión nominal próxima a 650–750 V y acercarse a 800 V o superarlos con un estado de carga alto.
Sistemas de la clase de 400-voltios
Una arquitectura de la clase de 400-voltios sigue siendo suficiente para muchos vehículos generalistas.
Ventajas
- Componentes maduros y ampliamente disponibles
- Menor coste de los componentes
- Compatibilidad sencilla con los cargadores existentes
- Requisitos de aislamiento menos exigentes
- Potencia adecuada para muchos turismos
- Procesos de reparación y fabricación consolidados
Compromisos
- Mayor corriente para la misma potencia
- Conductores de corriente más grandes con potencias muy elevadas
- Más calentamiento de conectores y cables
- Mayor dificultad para alcanzar potencias de carga extremas
- Más corriente necesaria para sistemas de propulsión de alta potencia
Una batería potente de 400-voltios puede seguir cargándose muy rápidamente cuando combina celdas capaces de admitir alta corriente, refrigeración eficaz y una curva amplia.
Sistemas de la clase de 800-voltios
Una arquitectura de la clase de 800-voltios reduce la corriente necesaria para una potencia determinada.
Ventajas
- Menor corriente con alta potencia de carga
- Menores pérdidas en los conductores
- Cables de alta tensión potencialmente más pequeños o ligeros
- Más potencia dentro de los límites de corriente del conector
- Entrega eficiente de alta potencia al sistema de propulsión
- Gran idoneidad para carga de alta potencia
Compromisos
- Componentes de alta tensión más caros
- Mayores exigencias de aislamiento y distancias de fuga
- Más requisitos para contactores y sensores
- Electrónica de potencia más compleja
- Problemas de compatibilidad con cargadores de menor tensión
- Mayor coste de desarrollo y validación
Una tensión mayor no garantiza una carga más rápida.
El rendimiento también depende de:
- Química de las celdas
- Tasa C de las celdas
- Temperatura de la batería
- Curva de carga
- Límites de corriente
- Capacidad de refrigeración
- Estado de carga
- Capacidad del cargador
Carga de una batería de 800-voltios en un cargador de menor tensión
Un cargador debe proporcionar tensión suficiente para impulsar corriente hacia la batería.
Una batería de la clase de 800-voltios normalmente no puede cargarse directamente desde un equipo cuya tensión máxima de salida quede muy por debajo de la del pack.
Los fabricantes lo resuelven de varias formas:
- Un convertidor elevador de CC específico
- Uso del motor y el inversor como parte de un circuito elevador
- Reconfiguración de la batería en bancos de menor tensión
- Capacidad de carga restringida en cargadores incompatibles
Carga por bancos
La carga por bancos modifica la configuración eléctrica durante la carga.
El Porsche Macan puede dividir su batería de 800-voltios en dos circuitos independientes de 400-voltios. Ambas mitades se cargan simultáneamente con hasta 135 kW sin un elevador de alta tensión independiente. (Porsche Newsroom)
Las celdas no se mueven y el pack no se divide físicamente. Unos interruptores de alta tensión modifican la conexión eléctrica de sus secciones.
Esto demuestra que la configuración no siempre permanece fija en todos los modos de funcionamiento.
Arquitecturas del pack
La configuración eléctrica describe cómo se conectan las celdas.
La arquitectura del pack describe cómo se integran físicamente las celdas, el sistema de refrigeración, la carcasa, los módulos y la estructura del vehículo.
Los principales métodos incluyen:
- Packs basados en módulos
- Celda a pack
- Celda a carrocería o celda a chasis
- Packs estructurales o con funciones integradas
Estas categorías se solapan.
Una batería estructural puede contener módulos. Un diseño de celda a pack puede utilizar bastidores internos, filas comprimidas, bancos u otras estructuras para agrupar celdas.
Packs basados en módulos
En un pack tradicional, las celdas se montan en módulos antes de instalar estos en la carcasa.
Celda → Módulo → Pack → Vehículo
Los módulos pueden incluir:
- Bastidores de celdas
- Estructuras de compresión
- Barras colectoras
- Electrónica de supervisión
- Interfaces de refrigeración
- Aislamiento eléctrico
- Protección mecánica
- Conectores del módulo
Ventajas de los packs basados en módulos
- Escalabilidad: pueden crearse distintas capacidades utilizando un número diferente de módulos.
- Separación de la fabricación: el montaje de los módulos y el montaje final del pack pueden probarse por separado.
- Grupos controlados de celdas: la compresión, las conexiones eléctricas y la refrigeración pueden gestionarse dentro de unidades definidas.
- Posible reparabilidad: puede sustituirse un módulo defectuoso sin cambiar el pack completo.
- Flexibilidad de proveedores: los módulos pueden ofrecer una interfaz entre la producción de celdas y el montaje del vehículo.
- Reutilización de plataforma: en ocasiones, un diseño de módulo puede emplearse en varios vehículos.
Compromisos de los packs basados en módulos
- Material inactivo adicional: los bastidores, cubiertas, elementos de fijación y conectores añaden masa.
- Mayor número de piezas: se necesitan más carcasas, juntas, barras colectoras e interfaces.
- Menor eficiencia del pack: se necesita espacio alrededor de las celdas y de los módulos.
- Más etapas de montaje: los módulos requieren producción, pruebas, transporte e instalación independientes.
La presencia de módulos no hace que un pack sea automáticamente reparable.
La reparabilidad también depende de:
- Acceso al pack
- Adhesivos y selladores
- Diseño del circuito de refrigeración
- Disponibilidad de recambios
- Soporte de diagnóstico
- Programación del BMS
- Procedimientos de reparación del fabricante
El Porsche Macan Electric es un ejemplo moderno de pack modular centrado en la reparación. Porsche afirma que sus 12 módulos y otros componentes principales pueden sustituirse individualmente. (Porsche Newsroom)
Celda a pack
La arquitectura de celda a pack, abreviada habitualmente CTP, elimina o reduce la carcasa intermedia convencional del módulo.
Celda → Pack → Vehículo
Las celdas todavía pueden organizarse en:
- Filas
- Grupos comprimidos
- Bastidores internos
- Bancos
- Matrices estructurales
CTP no significa necesariamente que cada celda esté suelta dentro de una única carcasa indivisa.
Ventajas de celda a pack
- Mayor aprovechamiento del volumen: las paredes y cubiertas de los módulos ocupan menos espacio.
- Menor masa inactiva: se necesitan menos carcasas intermedias y fijaciones.
- Menor número de piezas: pueden consolidarse las interfaces eléctricas y estructurales.
- Posible reducción de costes: eliminar componentes repetidos puede simplificar el montaje.
- Integración más estrecha de la refrigeración: las celdas pueden contactar directamente con estructuras a nivel de pack.
- Menos conexiones: las celdas grandes y la integración directa pueden reducir barras colectoras y conectores.
Compromisos de celda a pack
- Mayor responsabilidad a nivel de pack: la refrigeración, compresión, aislamiento y protección frente a la propagación deben resolverse en secciones mayores.
- Fabricación más integrada: un…689 tokens truncated…El BYD Seal utiliza un sistema en el que la batería y el piso forman una estructura tipo sándwich estrechamente integrada.
La batería actúa como:
- Sistema de almacenamiento de energía
- Elemento estructural del vehículo
Ventajas de CTB y CTC
- Menos capas estructurales duplicadas
- Más espacio interior para una altura determinada del vehículo
- Posible reducción de la masa del sistema
- Mayor rigidez de la carrocería
- Centro de gravedad más bajo
- Mejor eficiencia de empaquetado
Compromisos de CTB y CTC
- La ingeniería de la batería y la carrocería quedan estrechamente conectadas
- La reparación tras una colisión puede afectar a ambas estructuras
- Extraer el pack puede requerir un desmontaje más extenso
- Los cambios de plataforma pueden exigir rediseñar la batería
- El sellado y la protección contra la corrosión adquieren más importancia
- Las tolerancias dimensionales son más exigentes
Packs estructurales y con funciones integradas
Una batería estructural soporta cargas importantes del vehículo, en lugar de servir únicamente como unidad de almacenamiento montada bajo la carrocería.
Un pack estructural puede utilizar:
- Celdas unidas directamente a una carcasa estructural
- Grandes matrices estructurales de celdas
- Módulos instalados dentro de una batería integrada en la carrocería
- Una cubierta de batería que también forme parte del piso del habitáculo
La integración estructural y el uso de módulos son decisiones de diseño independientes.
Pack estructural de Tesla
Tesla empezó a producir en 2022 determinados Model Y con celdas 4680 propias, grandes piezas fundidas de la carrocería y un pack estructural.
Tesla también ha producido variantes del Model Y con packs convencionales no estructurales y celdas 2170. Por tanto, la arquitectura depende de la versión y la fábrica.
Porsche Cayenne Electric
El Porsche Cayenne Electric utiliza lo que Porsche denomina una batería de alta tensión con funciones integradas.
La batería:
- Está integrada directamente en la estructura del vehículo
- Contribuye a la rigidez de la carrocería
- Contiene seis módulos
- Contiene 192 grandes celdas de bolsa
- Tiene 113 kWh de capacidad bruta
- Utiliza refrigeración de los módulos por ambos lados
Es un ejemplo útil de batería integrada estructuralmente que sigue siendo modular, en lugar de utilizar una arquitectura CTP sin módulos. (Porsche Newsroom)
Ventajas de los packs estructurales
- Menor duplicación entre la estructura del pack y la carrocería
- Posible reducción de la masa total
- Mejor aprovechamiento del espacio vertical
- Mayor rigidez de la carrocería
- Centro de gravedad más bajo
- Menos componentes grandes en el vehículo
Compromisos de los packs estructurales
- El desarrollo de la batería y del vehículo se vuelve inseparable
- Los daños estructurales pueden afectar a la carcasa
- Extraer el pack y reparar la carrocería puede ser más complicado
- Las tolerancias de fabricación son más exigentes
- Puede ser difícil reutilizar la batería en otra plataforma
- La reparación requiere procedimientos detallados del fabricante
El vídeo siguiente ofrece un análisis detallado del pack estructural de Tesla realizado por Munro & Associates.
Arquitectura y reparabilidad
Resulta tentador clasificar las arquitecturas así:
Módulos = reparable
Celda a pack = difícil de reparar
Pack estructural = no reparable
La realidad es más compleja.
La reparabilidad depende de:
- Si la cubierta puede abrirse sin daños
- Si pueden extraerse módulos o grupos de celdas
- Adhesivos estructurales, espuma y compuestos de encapsulado
- Acceso a las placas de refrigeración
- Conexiones de refrigerante
- Disponibilidad de módulos y electrónica
- Herramientas de diagnóstico
- Programación del BMS y emparejamiento de componentes
- Procedimientos aprobados de reparación
- Daños en la carcasa o la estructura del vehículo
Una batería modular convencional puede seguir sustituyéndose solo como una unidad completa si el fabricante no suministra módulos ni instrucciones de reparación.
Una batería integrada estructuralmente todavía puede contener elementos sustituibles:
- Módulos
- Contactores
- Fusibles
- Sensores
- Controladores
- Componentes de refrigeración
El Porsche Cayenne Electric demuestra que la integración estructural y la construcción modular pueden coexistir.
La arquitectura influye en las posibilidades de reparación, pero no las determina por sí sola.
Densidad energética a nivel de pack
La densidad a nivel de celda describe la energía almacenada en relación con su masa o volumen.
La densidad a nivel de pack incluye todo lo necesario para hacer funcionar, conectar, refrigerar y proteger las celdas:
- Carcasas de las celdas
- Estructuras de los módulos
- Carcasa del pack
- Sistema de refrigeración
- Barras colectoras y cableado
- Contactores y fusibles
- Electrónica de control
- Protección contra impactos
- Juntas y fijaciones
- Materiales de interfaz térmica
La densidad gravimétrica del pack es:
Densidad energética gravimétrica =
Energía del pack en Wh ÷ Masa completa en kg
La densidad volumétrica es:
Densidad energética volumétrica =
Energía del pack en Wh ÷ Volumen exterior en litros
Una celda de alta densidad puede producir un pack relativamente pesado si requiere mucha refrigeración, contención o hardware estructural.
Una química de menor densidad, como LFP, puede lograr un resultado respetable mediante una integración eficiente, pero la menor densidad a nivel de celda no desaparece por completo.
Evolución de la densidad del pack
La tabla utiliza energía bruta o nominal del fabricante, no energía utilizable.
Los valores deben tratarse como ejemplos representativos, no como una comparación de laboratorio. Los fabricantes no siempre definen del mismo modo la masa del pack o la energía nominal.
| Pack de baterías | Año o generación | Capacidad bruta o nominal | Masa del pack | Densidad calculada |
|---|---|---|---|---|
| Mitsubishi i-MiEV, especificación de Estados Unidos | 2012 | 16.3 kWh | 165 kg | 99 Wh/kg |
| Tesla Model S 85 | 2012 | 85 kWh | Aproximadamente 540 kg | Aproximadamente 157 Wh/kg |
| Volkswagen e-Golf | 2014 | 24.2 kWh | 318 kg | 76 Wh/kg |
| Audi e-tron 55 | 2018 | 95 kWh | Aproximadamente 699 kg | Aproximadamente 136 Wh/kg |
| Volkswagen e-Golf, generación de 35.8 kWh | 2017 | 35.8 kWh | 318 kg | 113 Wh/kg |
| Audi Q4 e-tron, batería grande | 2021 | 82 kWh | Aproximadamente 500 kg | Aproximadamente 164 Wh/kg |
| BYD Seal Long Range, LFP | 2022 | 82.56 kWh | Aproximadamente 558 kg | Aproximadamente 148 Wh/kg |
| Audi Q6 e-tron / Porsche Macan Electric | 2024 | 100 kWh | Aproximadamente 570 kg | Aproximadamente 175 Wh/kg |
| Renault 5 E-Tech, versión de 52 kWh | 2024 | 55 kWh | 297 kg | 185 Wh/kg |
| Audi e-tron GT, batería actualizada | 2024 | 105 kWh | 625 kg | 168 Wh/kg |
| Batería intercambiable NIO de 100 kWh | Especificación publicada actualmente | 100 kWh nominales | 555 kg | 180 Wh/kg |
| Batería NIO Ultra-Long Range de 150 kWh | 2024 | 150 kWh nominales | 575 kg | 261 Wh/kg |
Las cifras del Mitsubishi i-MiEV proceden de un informe de pruebas del Departamento de Energía de Estados Unidos que indica 16.3 kWh de energía nominal y una masa de 363 lb, equivalente a aproximadamente 165 kg. (US Department of Energy)
Tesla especificó oficialmente el Model S original con una batería de 85 kWh. La masa aproximada de 540 kg es una estimación técnica citada habitualmente, no una cifra de la especificación original de Tesla, por lo que su densidad calculada debe considerarse aproximada. (Tesla)
Volkswagen indica oficialmente 318 kg para ambas generaciones de la batería del e-Golf. (VW Press)
En 2018 Audi utilizaba en el e-tron una batería de 95 kWh con un peso aproximado de 699 kg. El valor ofrece un ejemplo útil de un pack diseñado en torno a una refrigeración potente, protección estructural, carga repetible y construcción modular, no únicamente a una masa mínima.
La cifra del BYD Seal utiliza una masa aproximada de 558 kg para la Blade Battery LFP de 82.56 kWh. El resultado es de unos 148 Wh/kg y resulta útil como referencia LFP moderna.
Renault publica oficialmente 52 kWh de capacidad utilizable y 297 kg de masa para el Renault 5. La tabla utiliza 55 kWh como cifra bruta de trabajo de EVKX, lo que produce aproximadamente 185 Wh/kg. (Renault Ireland)
Audi publica 105 kWh de capacidad bruta y 625 kg para la batería actualizada del e-tron GT. (Audi)
NIO publica 555 kg para sus baterías de 100 kWh y 575 kg para la versión de 150 kWh. (NIO)
Los primeros packs no eran todos iguales
La tabla no muestra un aumento sencillo año tras año.
El Mitsubishi i-MiEV y el e-Golf original eran sistemas conservadores de primera generación con:
- Capacidad modesta
- Baja potencia de carga
- Estructura de soporte considerable
- Empaquetado condicionado por plataformas pequeñas o multienergía
El primer e-Golf alcanzaba solo 76 Wh/kg a nivel de pack.
El Tesla Model S original fue una excepción importante. Su gran batería de piso diseñada específicamente alcanzó aproximadamente 157 Wh/kg en 2012, a pesar de utilizar:
- 7,104 pequeñas celdas cilíndricas
- 16 módulos
- Refrigeración líquida
- Miles de conexiones eléctricas
- Una carcasa estructural resistente
El Model S mostró cómo una celda de alta energía y un vehículo diseñado alrededor de un gran pack plano podían superar a muchas baterías pequeñas de los primeros vehículos eléctricos.
Dos generaciones de batería del e-Golf
Los dos packs del e-Golf ofrecen una comparación excepcionalmente clara porque su masa, número de celdas y módulos, y tensión nominal publicados permanecieron iguales.
| Especificación | e-Golf de 24.2 kWh | e-Golf de 35.8 kWh |
|---|---|---|
| Capacidad nominal | 24.2 kWh | 35.8 kWh |
| Masa del pack | 318 kg | 318 kg |
| Número de celdas | 264 | 264 |
| Número de módulos | 27 | 27 |
| Tensión nominal | 323 V | 323 V |
| Densidad calculada | 76 Wh/kg | 113 Wh/kg |
La batería posterior almacena aproximadamente un 48% más de energía sin aumentar la masa publicada ni el número de celdas.
La mejora procedió principalmente de una mayor capacidad de las celdas, no de una carcasa más grande.
LFP moderna: Blade Battery del BYD Seal
El BYD Seal ofrece un ejemplo útil de un pack LFP moderno.
Su Blade Battery de 82.56 kWh pesa aproximadamente 558 kg, lo que da una densidad calculada de unos 148 Wh/kg.
Es inferior a la de varios packs modernos basados en níquel, aunque el Seal utiliza una arquitectura eficiente de celda a carrocería.
El resultado ilustra dos efectos distintos:
- Las celdas LFP suelen almacenar menos energía por kilogramo que las mejores celdas ricas en níquel
- Una integración eficiente reduce, pero no elimina, la desventaja a nivel de celda
El pack del Seal no está mal diseñado. Prioriza un equilibrio diferente entre:
- Coste de los materiales
- Vida útil en ciclos
- Estabilidad térmica
- Integración del pack
- Eficiencia estructural
Por tanto, la densidad no debe considerarse una clasificación completa de calidad.
Renault 5: alta densidad en un pack modular pequeño
El Renault 5 E-Tech destaca porque su batería compacta alcanza aproximadamente 185 Wh/kg utilizando la cifra bruta de trabajo de 55 kWh.
| Especificación | Renault 5 E-Tech |
|---|---|
| Capacidad bruta utilizada por EVKX | 55 kWh |
| Capacidad utilizable oficial | 52 kWh |
| Masa del pack | 297 kg |
| Densidad bruta calculada | 185 Wh/kg |
| Número de módulos | 4 |
El resultado es especialmente interesante porque el Renault 5 no utiliza un diseño CTP sin módulos.
Sus cuatro grandes módulos reducen las carcasas repetidas, los conectores y los componentes de soporte frente a packs con muchos módulos pequeños.
Renault demuestra así que una gran densidad del pack no exige eliminar por completo el nivel de los módulos.
Baterías intercambiables NIO de 100 a 150 kWh
Las baterías NIO de 100 a 150 kWh ofrecen otra comparación reveladora porque ambas se adaptan a la interfaz de intercambio de la empresa.
| Especificación | NIO 100 kWh | NIO 150 kWh |
|---|---|---|
| Capacidad nominal | 100 kWh | 150 kWh |
| Masa del pack | 555 kg | 575 kg |
| Densidad calculada | 180 Wh/kg | 261 Wh/kg |
| Diferencia de masa | — | 20 kg más |
| Diferencia de energía | — | 50% más |
La batería de 150 kWh almacena un 50% más de energía nominal y solo añade 20 kg respecto a la especificación publicada del pack de 100 kWh.
Su densidad calculada de aproximadamente 261 Wh/kg está muy por encima de los ejemplos generalistas de la tabla.
No debe considerarse representativa del mercado general. Utiliza un diseño especializado de celda de alta energía y se ha implantado mediante el sistema de actualización e intercambio de NIO.
Por qué las cifras de densidad no son perfectamente comparables
Las comparaciones requieren cautela.
Los fabricantes pueden diferir en cómo definen:
- Capacidad bruta
- Capacidad nominal
- Masa completa del pack
- Masa del refrigerante
- Masa de la caja de conexiones
- Protección de los bajos
- Componentes estructurales compartidos
- Especificación de producción frente a prototipo
Los requisitos de los vehículos también difieren.
Un vehículo de altas prestaciones puede necesitar más:
- Refrigeración
- Capacidad de las barras colectoras
- Hardware para alta corriente
- Protección contra impactos
Un SUV o todoterreno puede necesitar una carcasa más pesada que un utilitario compacto.
Una batería intercambiable necesita interfaces estructurales y mecánicas que no requiere un pack instalado de forma permanente.
Un pack de menor densidad todavía puede ofrecer:
- Carga más rápida y repetible
- Mejor refrigeración
- Mayor protección contra impactos
- Sustitución de módulos más sencilla
- Mayor potencia sostenida
- Vida útil más larga
- Menor coste de producción
La densidad a nivel de pack es útil, pero no constituye una puntuación completa de calidad.
Qué significa la arquitectura para un comprador
Normalmente, la configuración no es algo que el comprador necesite comparar directamente.
Una batería 180s1p no es inherentemente mejor que otra 96s46p.
Lo que importa en el uso diario es el resultado del diseño completo:
- Capacidad utilizable
- Eficiencia del vehículo
- Curva de carga
- Carga con frío
- Preacondicionamiento de la batería
- Potencia continua y pico
- Degradación
- Gestión térmica
- Cobertura de garantía
- Protección frente a la propagación térmica
- Opciones de reparación del pack y los módulos
- Coste de sustitución después de un daño
Una tensión mayor puede ayudar a alcanzar una gran potencia de carga y propulsión, pero no determina por sí sola la velocidad de carga.
Las arquitecturas de celda a pack y estructurales pueden reducir peso y mejorar el empaquetado. También pueden cambiar los procedimientos de reparación y aumentar las consecuencias de daños en los bajos o la estructura.
Un pack modular puede ofrecer más opciones de reparación, pero solo si están disponibles los recambios, el diagnóstico y los procedimientos aprobados.
La mejor arquitectura es la que cumple los objetivos del vehículo en:
- Prestaciones
- Autonomía
- Carga
- Seguridad
- Durabilidad
- Coste de producción
- Empaquetado
- Reparabilidad
El acrónimo más reciente no convierte automáticamente una batería en la mejor.
Para conocer las capas de protección que rodean las celdas y el pack completo, consulte Seguridad de las baterías de vehículos eléctricos y gestión de fallos.
Fuentes
- Capacidad y carga de la batería del Audi Q8 e-tron
- Batería y carga del Porsche Macan
- Departamento de Energía de Estados Unidos — Pruebas de la batería del Mitsubishi i-MiEV
- Dossier de prensa del Volkswagen e-Golf
- Batería de alta tensión Audi PPE
- Manual de usuario del NIO ET7
- Sistema de alta tensión del Porsche Cayenne Electric
- Tecnologías de batería y energía del Grupo Volkswagen
- Especificaciones del Tesla Model S
- Especificaciones del Renault 5 E-Tech
- Batería de alta tensión del Audi e-tron GT