Seguridad de las baterías de vehículos eléctricos y gestión de fallos
La batería de tracción de un vehículo eléctrico debe permanecer aislada eléctricamente, protegida mecánicamente y estable desde el punto de vista térmico, a la vez que almacena energía suficiente para mover el vehículo. Por eso, su seguridad depende de barreras superpuestas que abarcan desde los materiales de las celdas y la estructura del pack hasta la supervisión, la desconexión en caso de accidente y los procedimientos de emergencia.
Cómo se desarrollan los fallos de la batería
Una batería en buen estado no suele pasar directamente del funcionamiento normal a un incendio. Un incidente grave comienza generalmente con un fallo eléctrico, mecánico, térmico o de fabricación que provoca un calentamiento localizado o crea una trayectoria de corriente no deseada.
Entre los posibles sucesos iniciadores se incluyen:
- Un cortocircuito interno causado por contaminación, daños en el separador o un defecto de la celda
- Un cortocircuito externo en el cableado, las barras colectoras o la electrónica de potencia
- Sobrecarga o descarga excesiva tras un fallo de control o de los sensores
- Daños por aplastamiento, flexión, perforación o vibraciones
- Calentamiento externo o incendio
- Entrada de agua o contaminación conductora en componentes de alta tensión dañados
- Una conexión suelta, corroída o de alta resistencia que se calienta bajo carga
- Carga fuera del intervalo permitido de tensión o temperatura
El fallo inicial y sus consecuencias posteriores son partes distintas del incidente. Por ejemplo, un fusible puede interrumpir una corriente externa elevada, pero no puede eliminar la energía que ya está almacenada químicamente dentro de una celda dañada.
Cortocircuitos internos
Un cortocircuito interno conecta partes de una celda que deberían permanecer eléctricamente separadas. La zona afectada puede ser extremadamente pequeña, lo que dificulta detectar el fallo antes de que genere calor suficiente para dañar el material circundante.
Algunos cortocircuitos internos se estabilizan o hacen que una celda pierda capacidad sin evolucionar más. Otros generan un calentamiento local creciente. El resultado depende de la resistencia del cortocircuito, la química de la celda, el estado de carga, la construcción de la celda, la temperatura y la capacidad para evacuar el calor del punto de fallo.
El sistema de gestión de la batería puede detectar valores anómalos de tensión, corriente o temperatura cuando sus efectos llegan a ser medibles por los sensores. No puede observar directamente todos los defectos microscópicos del interior de cada capa de los electrodos.
Fuga térmica
La fuga térmica es una secuencia autoacelerada de reacciones internas. El calor generado dentro de la celda eleva su temperatura, lo que acelera otras reacciones y produce todavía más calor.
Una celda en fuga térmica puede expulsar gases calientes e inflamables, humo, vapor de electrolito y material sólido. La cantidad, la dirección y la temperatura de lo liberado dependen del formato y la química de la celda, su estado de carga, su construcción y la forma en que se inició el fallo. Las investigaciones recopiladas por el National Laboratory of the Rockies muestran que la geometría de la celda y el método de abuso pueden modificar de forma considerable la liberación de calor, la dinámica interna y el material expulsado. (National Laboratory of the Rockies — Transportation Energy Storage Publications)
La fuga térmica de una celda no significa automáticamente que vaya a arder todo el pack. La propagación se produce cuando el calor, las llamas, los gases calientes o el material expulsado provocan el fallo de las celdas vecinas. Por eso, los diseñadores trabajan tanto para controlar el fallo de la primera celda como para limitar la transferencia de energía a las celdas adyacentes.
Incidentes retardados
Un daño puede crear un peligro retardado. Una celda aplastada, una junta deteriorada, un conector contaminado o un circuito de refrigeración dañado pueden parecer estables al principio y desarrollar un cortocircuito más tarde.
Por este motivo, un vehículo que haya sufrido un impacto importante en los bajos, una inundación o daños en la batería puede requerir aislamiento, vigilancia y procedimientos especiales de almacenamiento aunque no se observen humo ni calor. La ausencia de un incendio inmediato no demuestra que el pack esté intacto.
Protección desde la celda hasta el vehículo
Ningún componente por sí solo hace segura una batería de vehículo eléctrico. El concepto de seguridad utiliza varias capas para que un fallo no elimine de inmediato todas las formas de protección.
Protección a nivel de celda
La construcción de la celda puede incorporar separadores de desconexión, válvulas de alivio de presión, dispositivos de interrupción de corriente, elementos con coeficiente de temperatura positivo y fusibles internos. Los dispositivos disponibles dependen del formato de la celda y no son idénticos en celdas cilíndricas, prismáticas y de bolsa.
La química de las celdas influye en la tensión, la liberación de calor y la estabilidad térmica, pero el acrónimo de un cátodo no basta para determinar la seguridad de un vehículo. También influyen la calidad de fabricación, el diseño del separador, la cantidad de electrolito, el estado de carga, la geometría de la celda y su integración en el pack.
El venteo controlado es especialmente importante. La carcasa de una celda debe contener la presión interna normal y, al mismo tiempo, ofrecer una vía de liberación definida antes de que se produzca una rotura incontrolada. A continuación, el pack debe dirigir los gases liberados lejos de los ocupantes y de los componentes eléctricos sensibles.
Protección a nivel de pack
El pack de baterías añade barreras estructurales, térmicas y eléctricas alrededor de las celdas. Según el diseño, pueden incluir:
- Separación entre celdas y barreras térmicas
- Placas de refrigeración y materiales de interfaz térmica
- Estructuras de compresión para celdas de bolsa o prismáticas
- Aislamiento resistente al fuego
- Vías dirigidas para gases y alivio de presión
- Una carcasa sellada con venteo controlado
- Protecciones para los bajos y estructuras contra impactos laterales
- Trayectorias de carga reforzadas alrededor del habitáculo
- Segmentación que limita la propagación o facilita el aislamiento de fallos
La carcasa debe proteger las celdas sin atrapar la presión de manera incontrolada. También debe equilibrar la protección en caso de accidente, la refrigeración, la masa, la eficiencia de empaquetado, la fabricación y el acceso para el mantenimiento.
La integración estructural puede aumentar la rigidez y reducir el uso de materiales, pero también puede dificultar la inspección y la reparación después de un impacto. Un pack que forme parte del piso del vehículo debe seguir impidiendo la intrusión, mantener el aislamiento eléctrico y proporcionar una salida segura para los gases de venteo.
Protección de alta tensión
El sistema de alta tensión emplea contactores para conectar o desconectar el pack del resto del vehículo. Los fusibles protegen frente a corrientes excesivas, mientras que un desconectador pirotécnico puede abrir rápidamente un conductor durante un accidente grave.
Otras protecciones habituales incluyen:
- Circuitos de enclavamiento de alta tensión que detectan conectores o cubiertas abiertos
- Supervisión del aislamiento entre el circuito de alta tensión y la carrocería
- Circuitos de precarga que evitan una gran corriente de irrupción
- Desconectadores de servicio para técnicos cualificados
- Conectores con protección contra el contacto y apantallamiento
- Identificación de los cables en color naranja y etiquetas de advertencia de alta tensión
La apertura de los contactores desconecta los terminales del pack de los equipos externos de alta tensión. No deja sin tensión las celdas ni las barras colectoras internas. Un pack desconectado todavía puede contener cientos de voltios y una cantidad considerable de energía almacenada.
Supervisión y control
El BMS mide la tensión de los grupos de celdas, la corriente del pack y las temperaturas en puntos seleccionados. Estima el estado de carga y puede limitar la carga o la potencia de propulsión cuando las condiciones se aproximan al intervalo operativo permitido.
El BMS puede solicitar refrigeración, calefacción, una reducción de corriente, la apertura de los contactores o una advertencia al conductor. La lógica de diagnóstico también puede comparar el comportamiento de los sensores, la dispersión de tensión entre celdas, la resistencia de aislamiento y las tendencias de autodescarga.
La supervisión es una capa de prevención y detección, no un sistema físico de contención. Una vez iniciadas reacciones autosostenidas dentro de una celda, la gestión térmica ordinaria puede no ser capaz de extraer el calor con la rapidez necesaria para detenerlas.
Seguridad en accidentes, inundaciones y después de un incidente
La seguridad en caso de accidente comienza por evitar que el habitáculo o los restos de la carretera penetren en el pack. Después, el vehículo debe gestionar la alta tensión y detectar condiciones que puedan provocar un incidente térmico retardado.
Euro NCAP indica que, al evaluar un vehículo eléctrico en una prueba de choque, supervisa la salida de la batería de alta tensión, comprueba si existe una tensión peligrosa en la carrocería y examina el pack para detectar intrusión, fugas, fuego o calor anómalo. (Euro NCAP — Electric-Vehicle Safety Testing)
El sistema de control de colisiones puede abrir los contactores principales o activar un desconectador pirotécnico cuando se alcanzan determinados umbrales de impacto. Esto reduce la probabilidad de que los cables externos dañados permanezcan energizados, pero no permite asegurar que todas las celdas internas estén intactas.
Inundación y exposición al agua
Un pack intacto está sellado frente a las salpicaduras normales de la carretera y la exposición a la intemperie. Una inundación es una situación distinta, porque el vehículo puede quedar sumergido, recibir impactos de objetos o estar expuesto a contaminación conductora y corrosiva.
La exposición al agua no significa que todas las baterías vayan a fallar. Aun así, una respuesta segura requiere una evaluación profesional, porque los daños en el aislamiento, los conectores, los respiraderos o las juntas pueden crear riesgos de descarga eléctrica e incendio retardado. NHTSA aconseja a los propietarios de vehículos expuestos a una inundación y con posibles daños en la batería que contacten con el fabricante, el concesionario o los servicios de emergencia, en lugar de manipular por su cuenta el sistema de alta tensión. (NHTSA — Electric and Hybrid Vehicles: Battery, Charging and Safety)
Rescate, remolque y almacenamiento
Las fichas de rescate específicas de cada vehículo identifican los componentes de alta tensión, las zonas de corte, la ubicación de la batería y los puntos de aislamiento. Las guías de respuesta ante emergencias añaden instrucciones para incendios, inmersión, fugas, remolque y almacenamiento. NHTSA mantiene una base de datos con las guías que los fabricantes han facilitado para los servicios de emergencia. (NHTSA — Emergency Response Guides and Rescue Sheets)
El procedimiento correcto puede variar según el modelo y el diseño de la batería. Los equipos de emergencia y los operadores de recuperación deben utilizar la guía del vehículo exacto, en vez de asumir que el punto de aislamiento, el lugar de elevación o las instrucciones de almacenamiento son iguales en todas las marcas.
Un vehículo eléctrico dañado puede requerir separación respecto a edificios y otros vehículos, vigilancia de la temperatura o una zona de almacenamiento designada. Las normas de transporte también distinguen las baterías intactas de las dañadas, defectuosas o retiradas del mercado, porque estas últimas presentan un mayor riesgo de cortocircuito e incendio. (PHMSA — Transporting Lithium Batteries)
Cómo se comprueba la seguridad de las baterías
La seguridad de una batería se evalúa a nivel de celda, de pack y del vehículo completo. Los ensayos de abuso en laboratorio y las pruebas de choque responden a preguntas distintas, por lo que superar uno de ellos no sustituye a los demás.
El Reglamento Técnico Mundial de las Naciones Unidas n.º 20 aborda la seguridad de los vehículos eléctricos y de sus sistemas recargables de almacenamiento de energía eléctrica. Su ámbito incluye la seguridad eléctrica, el funcionamiento durante el uso, las condiciones posteriores a una colisión y la protección frente a los riesgos de incendio relacionados con la batería. (UNECE — UN Global Technical Regulation No. 20: Electric Vehicle Safety)
Las normas regionales de homologación emplean combinaciones de ensayos y requisitos del vehículo que abarcan materias como:
- Vibraciones y choques mecánicos
- Integridad mecánica e intrusión
- Choque térmico y ciclos de temperatura
- Cortocircuito externo
- Protección frente a sobrecarga y descarga excesiva
- Protección frente a sobretemperatura
- Resistencia al fuego
- Aislamiento eléctrico y protección contra el contacto directo
- Fugas de electrolito y gestión de gases
- Seguridad de alta tensión después de una colisión
El procedimiento exacto, los criterios de aceptación y la aplicabilidad dependen de la normativa, la categoría del vehículo y el mercado. La iniciativa Battery Safety Initiative de NHTSA también estudia incidentes reales, diagnóstico, modos de fallo durante la carga, fuga térmica, inmersión en agua y vibraciones mientras continúan desarrollándose las normas. (NHTSA — Battery Safety Initiative)
Los programas de pruebas de choque para consumidores añaden otra capa. Evalúan el vehículo completo y pueden observar si la batería se desconecta, si la carrocería adquiere una tensión peligrosa y si existen indicios de daños en el pack. No publican todos los ensayos de homologación propios a nivel de celda y de pack que realiza el fabricante.
Los ensayos de transporte tienen una finalidad distinta. Por lo general, las celdas y baterías de litio que se ofrecen para el transporte deben cumplir los requisitos aplicables de la sección 38.3 del Manual de Pruebas y Criterios de las Naciones Unidas. Esto demuestra su resistencia a unas condiciones de transporte definidas; no constituye una certificación completa de la seguridad del vehículo en una colisión ni del comportamiento frente a la propagación.
Lo que deben entender propietarios y compradores
Los fallos graves de las baterías son poco frecuentes, pero sus posibles consecuencias exigen un diseño y una manipulación rigurosos. La noticia aislada de un incendio no permite establecer la seguridad de todas las baterías de una marca, y la etiqueta de una química no demuestra que un vehículo sea más seguro que otro.
Los propietarios deben prestar atención a los avisos de la batería, los fallos de carga, un calor inusual, humo, silbidos, olores intensos o daños visibles en los bajos. Después de una colisión importante, una inundación o un posible impacto en el pack, el vehículo debe evaluarse siguiendo las indicaciones del fabricante. Las reparaciones de alta tensión corresponden a técnicos cualificados que utilicen los equipos de protección y diagnóstico adecuados.
Al comparar vehículos, conviene plantearse preguntas como:
- ¿Publica el fabricante una ficha de rescate específica del vehículo?
- ¿Es posible diagnosticar y sustituir módulos o secciones dañados del pack?
- ¿Cómo avisa el vehículo de fallos de aislamiento, refrigeración o batería?
- ¿Explica la garantía cómo se gestionan los daños por colisión y otros daños externos?
- ¿Son fáciles de encontrar las llamadas a revisión de la batería y las medidas correctoras?
- ¿Ofrece el diseño del pack vías de venteo definidas y protección contra la propagación?
La seguridad también depende del software y del mantenimiento durante toda la vida del vehículo. Un pack bien diseñado combina prevención, detección temprana, aislamiento eléctrico, protección mecánica, contención térmica y procedimientos claros para los casos que las capas preventivas no consiguen detener.
Para obtener más información sobre diagnóstico, reparación, reutilización y reciclaje después de la vida útil en el vehículo, consulte Ciclo de vida, reparación, segunda vida y reciclaje de las baterías de vehículos eléctricos.
Fuentes
- UNECE — UN Global Technical Regulation No. 20: Electric Vehicle Safety
- NHTSA — Electric and Hybrid Vehicles: Battery, Charging and Safety
- NHTSA — Battery Safety Initiative
- National Laboratory of the Rockies — Transportation Energy Storage Publications
- Euro NCAP — Electric-Vehicle Safety Testing
- NHTSA — Emergency Response Guides and Rescue Sheets
- PHMSA — Transporting Lithium Batteries