Académicos del Instituto Politécnico Nacional (IPN) diseñan baterías y cargadores de alta densidad de potencia, una tecnología que conlleva el desarrollo de baterías de menor tamaño y con mayor durabilidad para transformar la electromovilidad en México.
En la Unidad Profesional Interdisciplinaria de Energía y Movilidad (UPIEM) y en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME), Unidad Culhuacán, unen esfuerzos para posicionarse como pioneras en el terreno estratégico del desarrollo de baterías y cargadores de alta densidad de potencia.
Esta tecnología busca no solo el desarrollo de baterías diminutas capaces de alimentar a dispositivos móviles como celulares o computadoras, sino transformar radicalmente la forma en que se diseñan las motocicletas eléctricas, otros sistemas de micromovilidad y, eventualmente, los autos eléctricos, como lo explicó en entrevista para la Agencia Informativa Conversus (AIC) la investigadora de la UPIEM, Teresa Raquel Granados Luna.
“Alta densidad de potencia significa manejar la mayor cantidad de energía posible en el menor espacio. Los convertidores eran gigantescos, pero hoy podemos tener dispositivos compactos que manejan hasta 5.4 kilowatts (kW) en la palma de la mano”, detalló la doctora.
VISIÓN DE MINIATURIZACIÓN Y LONGEVIDAD
Para Granados Luna este desarrollo implica dos caminos fundamentales: la miniaturización de componentes para lograr alta densidad energética con el diseño de sistemas eléctricos y softwares que puedan monitorizarlo; y por otro, la optimización del diseño de baterías de larga vida útil que cuiden su salud durante el uso.
“El problema es que los expertos en electrónica de potencia y los de almacenamiento trabajan por separado. Pero si logramos que ambos colaboren, podríamos diseñar cargadores que dañen menos a las baterías y extiendan su vida útil”, señaló.
Este enfoque integral busca cerrar el ciclo tecnológico y superar la simple importación de soluciones extranjeras. “La tecnología existe, pero no es nuestra, que desde el trabajo interinstitucional a veces algunas empresas automotrices buscan asesoría del IPN sobre sistemas que ya han sido desarrollados y montados en algunos vehículos, pero no hay estándares unificados para cargadores eléctricos en México, como sí los hay para celulares. Ese es otro desafío”, advirtió Granados.
La investigadora politécnica publicó un artículo en 2020 en el Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Transactions on Industry Applications, donde su equipo propone un convertidor buck-boost de dos fases con intercalado dual, un modelo de convertidor utilizado en cargadores de alta eficiencia en autos electrónicos.
El resultado fue un prototipo de 32 kilowatt, 75 kilohercios (kHz), basado en tecnología de carburo de silicio (SiC), de alta densidad de potencia y eficiencia. Un cargador que pone la “Técnica” y el diseño de un supercargador “al Servicio de la Patria” aplicables a la industria automotriz.
CONVERTIDORES HECHOS EN MÉXICO
La científica politécnica es especialista en ingeniería electrónica y comunicaciones, trabaja en colaboración con el Laboratorio de Investigación en Calidad y Conversión de la Energía Eléctrica (LINC2 E2) de la ESIME Culhuacán. Aunque los equipos más complejos se prueban allí, el diseño, la simulación y la fabricación de prototipos se realizan en la UPIEM, donde se han logrado hitos importantes.
“Desarrollamos el primer convertidor de alta densidad de potencia hecho en México. Soporta 32 kW durante media hora y pesa apenas 4.5 kilos. Nuestro objetivo ahora es llegar a 30 kW en solo tres kilos”, explicó.
Esto no es una tarea fácil, ya que para ello han tenido que poner a prueba nuevas técnicas como la carga pulsante —una metodología basada en la interrupción de la corriente en pulsos, generalmente para reducir la formación de gases en las baterías durante la carga y con variaciones constantes de voltaje— una técnica poco explorada que podría revolucionar la manera en que las baterías son recargadas, haciéndolas más duraderas y eficientes.
“Uno de mis grandes retos como científica es aprender más sobre sistemas de almacenamiento. Me interesa unificar estas áreas, porque si modificamos los sistemas de control del convertidor, podemos mejorar la salud de la batería”, agregó.
Una muestra de esta visión es su publicación más reciente en el IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics (2023), donde presentó una estrategia de diseño llamada Uniform-Flux Inductor (UFI, por sus siglas en inglés).
En este artículo, Granados Luna y su equipo describen un inductor compacto y de alta eficiencia que distribuye de forma uniforme el flujo magnético en su núcleo, reducir en un 41 por ciento el peso y 24 por ciento su volumen con respecto a modelos anteriores, con una densidad de potencia de 7.9 kW/kg.
Este avance es fundamental para lograr convertidores más ligeros, potentes y confiables, capaces de integrarse en motocicletas, autos eléctricos y sistemas de carga avanzados, todos diseñados y fabricados en México.
REPENSAR EL SISTEMA ENERGÉTICO
Pero no todo termina en el desarrollo tecnológico, desde el IPN se reconoce que no basta con diseñar cargadores o vehículos. También es fundamental fortalecer la infraestructura energética nacional.
“Se diseñan muchos cargadores y vehículos eléctricos, pero nadie está preguntándose cómo afectarán al sistema energético del país. Hay que mirar más allá del vehículo, hacia todo el ecosistema eléctrico”, aseguró.
Los esfuerzos del IPN representan una apuesta sólida por una transición energética hecha en México, que no solo acompañe el crecimiento de la electromovilidad, sino que lidere con innovación, diseño propio y un enfoque colaborativo entre disciplinas. Parte de ello es la oferta educativa de programas de posgrado especializados no solo en formar a nuevos investigadores, sino tecnólogos capaces de resolver los problemas que tiene México.
Este tipo de esfuerzos busca impulsar proyectos como Olinia, el proyecto de electromovilidad que presentó la Presidenta de México, Claudia Sheinbaum Pardo, para crear la primera armadora mexicana de mini vehículos eléctricos desarrollados en México a través de la Secretaría de Ciencia, Humanidades, Tecnología e Innovación (Secihti), el Tecnológico Nacional de México (TecNM) y el IPN.
En lugar de enfocarse únicamente en el rendimiento inmediato, los equipos del IPN consideran el ciclo de vida completo de la batería, desde su extracción de materiales hasta su reciclaje. A través de sistemas inteligentes de gestión, modelado térmico y desarrollo de materiales alternativos, buscan que las futuras baterías sean poderosas, pero tengan un impacto mínimo con el medio ambiente.
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