Complejidad, instituciones y trayectoria tecnológica del automóvil: el caso de la batería de plomo-ácido

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1 Complejidad, instituciones y trayectoria tecnológica del automóvil: el caso de la batería de plomo-ácido Arturo Lara* Enrique Salazar** Introducción En las ciencias sociales, el sector automotriz ha sido probablemente uno de los más estudiados. A los académicos los ha motivado construir explicaciones de la evolución del vehículo en su conjunto, explicaciones agregadas que se justificaban cuando el vehículo era predominantemente un sistema mecánico. Sin embargo, a partir de 1970, con la integración de componentes electrónicos ya no se puede representar un automóvil de esa manera. Los vehículos se han vuelto cada vez más complejos y son de poca utilidad explicaciones agregadas y reduccionistas. Si se busca identificar las fuerzas económicas y tecnológicas que moldean un vehículo, es necesario distinguir cómo evolucionan en su interior distintos subsistemas tecnológicos. Este trabajo busca identificar los factores que inciden sobre la evolución de uno de los componentes clave del sistema de energía de los vehículos con motor de combustión interna: la batería. La pregunta central de este artículo es la siguiente. Desde la perspectiva de la evolución del automóvil y durante el periodo , cuáles son los factores que explican la trayectoria tecnológica de las baterías de plomo-ácido? Y cómo y por qué de ser un componente sencillo, maduro, estandarizado, la batería de plomo-ácido se convirtió en un subsistema complejo? *Profesor-investigador del Departamento de Producción Económica, UAM-Xochimilco. ** Asistente de profesor del Departamento de Producción Económica, UAM-Xochimilco. 101

2 Arturo Lara Enrique Salazar Es necesario representar la trayectoria tecnológica de las baterías dentro de un sistema complejo mayor, que es el vehículo, y estudiar su evolución como resultado de la interacción de la batería con los distintos subsistemas de un vehículo. Se considera crítico el estudio de la naturaleza de la interdependencia y el de la emergencia de cuellos de botella como resultado del desigual ritmo de innovación de los varios componentes y subsistemas (Arthur, 2009; Hughes, 1998; Rosenberg, 1982). El trabajo está dividido de la siguiente manera. En la primera sección se examina la relación entre la actividad inventiva relacionada con el diseño y desarrollo de baterías de plomo-ácido y el comportamiento de los precios del petróleo (1). Luego se reconstruye cómo la batería de plomo-ácido se convirtió en diseño dominante en el periodo (2). El estudio de la convergencia del sector automotriz y el sector electrónico en el periodo está profundamente moldeado por nuevas reglas institucionales, la crisis del petróleo y el cambio en las preferencias de los consumidores. En este periodo se conforma una red desconectada de componentes eléctrico/electrónicos (e/e) (3). En el periodo se acelera la construcción de una red e/e más conectada, que posibilita la interacción más compleja entre la batería y el vehículo. Finalmente se muestra cómo esos avances permiten explicar la conformación de un sistema de administración de baterías (SAB) y de un sistema de administración de energía (SAE) (4). Emergencia del diseño dominante y actividad inventiva El desarrollo de las baterías de plomo-ácido tiene más de 150 años. Aunque durante todos estos años se han producido de manera continua mejoras en los materiales y en los procesos manufactureros, el proceso básico establecido en 1880 permanece sin cambio significativo. Las baterías tienen un conjunto de atributos que explican por qué durante más de 100 años se convirtieron en el diseño dominante. Los atributos más importantes son: Son tecnológicamente simples. Su producción no es costosa, pues se basa en una tecnología ampliamente entendida y fácilmente duplicada. 102

3 Complejidad, instituciones y trayectoria tecnológica del automóvil Son un componente relativamente pequeño y no requieren mantenimiento. Proveen suficiente energía para encender el motor de combustión interna y se puede recargar muchos ciclos. Tienen un buen desempeño en un rango amplio de temperaturas, en especial bajas (Linden y Reddy, 2002). El 98% de las baterías son recicladas, una de las tasas de reciclado más altas, lo que contribuye a minimizar el impacto ambiental (Canis, 2011). US Patentes Gráfica 1 Patentes de baterías plomo-ácido vs precios del petróleo (patentes aprobadas) Periodo Exploración Exploración US dólares US Patentes Baterías PB US Dólares por barril Fuente: Elaboración propia basada en datos de USPTO y BP Statistical Review of World Energy (2010). Un indicador clave que permite describir el desarrollo tecnológico de las baterías de plomo-ácido es su capacidad de almacenar energía. Los datos históricos al respecto son reveladores. La capacidad de almacenar energía de las baterías de plomo- 103

4 Arturo Lara Enrique Salazar ácido creció muy lentamente en el periodo 1901 a En 1901 esta batería tenía capacidad de acumular energía de 18 watts-hora por kilogramo (Wh/kg), para luego crecer muy lentamente hasta llegar a 40 Wh/kg en 1990 (Cowan y Hulten, 1996). Esto quiere decir que tomó cerca de 90 años duplicar su capacidad. Qué razones explican este relativo estancamiento en cuanto a su capacidad para almacenar energía? La información de la actividad de patentado puede brindar claves para responder esta interrogante. La historia del patentado entre 1900 y 1910 permite identificar dos periodos. Uno de relativo estancamiento y otro de creciente actividad (Cf. Gráfica 1). El primero de 1900 a 1960, en el cual la actividad inventiva en el desarrollo de las baterías de plomo-ácido se encontraba relativamente estancada. En 60 años sólo se aprobaron 65 patentes. Estos años se pueden considerar más como un periodo de explotación del conocimiento tecnológico previo y no de exploración de nuevos diseños. En el segundo periodo (1960 a 2011) se registraron 646 patentes. Cuáles son las causas que dan cuenta de este comportamiento, primero de lento crecimiento en el primer periodo y luego dinámico y explosivo en el segundo periodo? Una primera posible explicación de este patrón del proceso de exploración/ explotación puede encontrarse en la evolución del precio del petróleo. Las coincidencias son interesantes como para generar un conjunto de hipótesis (Cf. Gráfica 1). La primera de ellas es que la actividad inventiva está asociada al comportamiento de los precios del petróleo. Cuando el petróleo es barato, no existen incentivos para desarrollar tecnologías alternativas. En cambio, cuando el petróleo es caro se vuelve posible y rentable la exploración y explotación de tecnologías alternativas. A mayores precios del petróleo, mayor también la presión por producir motores eficientes, basados en dispositivos electrónicos, que demandan energía eléctrica. En esta línea se debe explicar el desarrollo de los vehículos alternativos (eléctricos, híbridos, fuel cell, etc.) que provocan la búsqueda de mejores baterías. Esta explicación, sin duda de naturaleza estructural, explica el proceso de selección de dos tecnologías (una de combustión interna y la otra de los procesos electroquímicos de la batería) que compiten. Son bienes rivales. El mecanismo de selección está asociado, no cabe duda, con los precios relativos. Aunque esta explicación resulta atractiva, es muy general, superficial e incompleta. Una explicación no reduccionista de la trayectoria tecnológica de la batería debe considerar la naturaleza interna del sistema complejo, su evolución y especificidad. 104

5 Complejidad, instituciones y trayectoria tecnológica del automóvil La evolución de una tecnología como la batería no se produce en el vacío, sino dentro de un sistema complejo que es el vehículo. La historia de esa interacción es el objeto de estudio de este trabajo. Desde esta perspectiva se reconstruyen las distintas formas en que la batería interacciona tanto con los distintos subsistemas del vehículo como con el ambiente. Tecnología: Evolución del sistema complejo Periodo : la emergencia del diseño dominante La batería de plomo-ácido fue inventada en 1859 por Planche y mejorada en 1881 por Fauré. Así mejorada, permite de 1880 a 1920 diseñar vehículos eléctricos que utilizan baterías de plomo-ácido como medio de tracción. Estos vehículos eléctricos con las baterías de plomo-ácido, sin embargo, no pueden competir con los motores de combustión interna, primero por el precio bajo de la gasolina y segundo porque las baterías de este tipo son caras, pesan demasiado y requieren tiempo prolongado para recargarse. En este mismo periodo los fabricantes de vehículos descubren que la batería de plomo-ácido puede servir para el sistema de ignición del motor de combustión interna. Gracias a Charles Kettering y su invención del arranque eléctrico en 1912, se la adopta como batería de arranque, encendido e iluminación de los vehículos de combustión interna (Crouch, 2005). En 1915 únicamente la iluminación y el sistema de encendido requieren energía eléctrica (Bosch, 2012). Y aun cuando es muy sencillo el sistema eléctrico, la batería de plomo-ácido tiene la capacidad de proveer energía de manera estable y eficiente. Esta batería tiene una muy pequeña capacidad de almacenamiento de energía, y no puede ser recargada mientras el vehículo se encuentra en movimiento. Esta batería es pesada, peligrosa y cara. En esas condiciones utilizar batería resultaba totalmente impráctico. En tanto madura la tecnología y los procesos manufactureros de las baterías, los vehículos utilizan el sistema magneto 1 como parte del sistema de ignición. Desde 1 Se utiliza el magneto para generar voltaje con la ayuda de la energía cinética, energía que sirve para el sistema de ignición del motor de combustión interna. 105

6 Arturo Lara Enrique Salazar 1904 en distintos modelos de vehículos se difunde este uso del magneto 2 (Rubenstein, 2001). En 1908 Ford introduce el magneto en su modelo T (Abernathy, 1978), el cual incluía 16 magnetos que requerían frecuente servicio (Rubenstein, 2001). El costo de un sistema de ignición basado en magnetos resultaba elevado. En 1930 el magneto representaba un décimo del costo de un vehículo mediano (Bosch, 2012). Para superar las limitaciones económicas y técnicas del magneto, Bosch empieza en 1913 a desarrollar el generador para los vehículos con motor de combustión interna (Rubenstein, 2001). Como resultado de la mejoras de los materiales y de los procesos manufactureros de las baterías, en 1920 se integra a los vehículos la batería de plomo-ácido de 6 volts mejorada (Salkin et al., 2002) y se sustituye el magneto por el generador/alternador y con ello se provee de una fuente confiable de energía para satisfacer tanto al sistema de ignición como a los accesorios eléctricos adicionales luz, claxon (Rubinstein, 2001). Una parte de la energía del motor se dirige a la transmisión y otra parte, vía el generador, permite recargar la batería y alimentar al sistema eléctrico iluminación, radio, etc. (Cf. Figura 1). Se construye de esta manera el primer sistema de la energía del vehículo, que se convierte, durante el siglo XX, en el diseño dominante. La producción en serie de las baterías se inicia en 1925, en tanto que la manufactura en masa de motores de combustión interna, baterías de plomo-ácido y generadores se inicia en 1926 (Bosch, 2012). El sistema eléctrico de los vehículos no sufre modificación sustancial alguna entre 1920 y En cambio, a inicios de 1950 sufre tres transformaciones significativas (Abernathy, 1978:1) Los motores de alta compresión y de alto desempeño requieren alto voltaje para encender las bujías de su sistema de ignición, lo que conduce a la sustitución del sistema de 6 volts por el sistema de 12 volts. Chrysler y GM introducen en 1953 el sistema de 12 volts, para 1956 todos los vehículos en Estados Unidos utilizaban 12 volts como sistema eléctrico. 2) El creciente número de accesorios que requieren más energía eléctrica. Entre 1953 y 1963 la carga eléctrica de un vehículo se incrementa de 340 watts a más de 600 watts, demanda de mayor energía que 2 En 1897 Bosch instaló un magneto en el sistema de ignición de un vehículo de tres ruedas (Bosch, 2012). 106

7 Complejidad, instituciones y trayectoria tecnológica del automóvil Figura 1 Flujo de energía en un vehículo convencional Combustible Motor Transmisión Transmisión Final Alternador Componentes Eléctricos Batería Fuente: Zhang and Mi (2011:36). lleva a la sustitución del generador por el alternador. 3 El nuevo alternador 4 sustituye partes eléctricas por semiconductores, 5 permitiendo diseñar sistemas de ignición más seguros y con un ciclo de uso prolongado y relativamente libre de mantenimiento. 3) Se desarrollan en el periodo formas de control relativamente simples del sistema de energía. Para monitorear la carga y el voltaje de la batería se diseñan dispositivos analógicos simples (fusibles, interruptores, etc.). Se está muy lejos, sin embargo, de lograr la compleja interacción entre los distintos dispositivos e/e con los que la batería se relaciona. 3 El alternador produce corriente que sirve para recargar las baterías, es un dispositivo mucho más eficiente que el generador. 4 El nuevo alternador permite disminuir el número de servicios. Con la nueva tecnología se puede utilizar hasta los km sin necesidad de dar servicio al sistema de ignición (Bosch, 2012). 5 Los semiconductores posibilitan la construcción de un sistema de ignición más eficiente. Pero si bien los semiconductores son los antecedentes de los circuitos integrados, son pesados, voluminosos y poco confiables para desempeñarse en ambientes extremos de calor y vibración, como los que rodean al motor. No será sino hasta inicios de la década de 1970 cuando se introduzcan en los vehículos los modernos circuitos integrados (Porter, 1983). 107

8 Arturo Lara Enrique Salazar De 1900 a 1969, qué lugar ocupan las baterías en la jerarquía tecnológica del vehículo con motor de combustión interna? La batería se considera una parte estandarizada, no estratégica y que no contribuye a diferenciar el vehículo. Desde el punto de vista de la complejidad tecnológica, las baterías se encuentran en la parte más baja de la pirámide. La producción de baterías está separada económicamente del negocio principal, más bien ésta se adquiere como cualquier mercancía (Lin, 1994; Baldwin y Clark, 2000; Luo et al., 2011). El ensamblador simplemente ordena el componente del catálogo del proveedor (Dyer, 2000). El proveedor por su parte desarrolla el componente desde el concepto hasta la manufactura de acuerdo con estándares del producto (Fujimoto, 1999; Dodwell, 1993). Las ensambladoras y las empresas proveedoras pueden cambiar de cliente con relativa facilidad (Womack et al., 1990). Periodo : convergencia electrónica y evolución institucional Durante el periodo las baterías empiezan a tener cada vez mayor importancia. Aunque pesa todavía muy poco en el valor añadido, el grado de dificultad en el diseño y manufactura de la batería se incrementa. Ya no se considera a la batería como un producto maduro o estandarizado, y por ello se espera que el proveedor demuestre un grado de liderazgo tecnológico importante (Asanuma, 1997). Cuáles son las causas de la revaloración tecnológica de las baterías? Con la innovación de los circuitos integrados a principios de 1970, se abre una oportunidad para redefinir la arquitectura del vehículo. Las principales implicaciones de esta nueva tecnología son: permite sustituir partes mecánicas por componentes e/e, la construcción de una red e/e que permite el flujo de información y energía, la integración de nuevas funciones, particularmente de información, entretenimiento y confort, la sustitución del control analógico por el digital y la aceleración del ritmo del cambio tecnológico (Bauer, 2007; Lara, 2000; 2012, García y Lara, 2005). Cómo se construye la red de componentes e/e? El cambio tecnológico es frecuentemente el resultado de una necesidad, de un desequilibrio tecnológico. Los agentes, empresas, ingenieros, técnicos buscan respuestas a problemas locales. Conforme se identifican oportunidades para vincular un componente electrónico 108

9 Complejidad, instituciones y trayectoria tecnológica del automóvil con una función, se agregan al vehículo nuevos componentes electrónicos. Todo este proceso no fue sujeto a un plan centralizado y previamente pactado. Las empresas muy frecuentemente no tienen una ruta crítica predefinida que las conduzca a un objetivo final. Cuando los problemas son complejos y existen múltiples agentes independientes comprometidos en el proceso de exploración, las soluciones no necesariamente están conectadas o son compatibles, y menos aún si existe o no comunicación entre los distintos subsistemas e/e. Los agentes actúan, impelidos por la competencia, a buscar no lo óptimo global, sino más modestamente lo óptimo local. El tamaño de la red e/e crece de manera espontánea, des-centralizada, asociada a diferentes agentes, intereses, historias, instituciones, países. De esta manera se crea durante este periodo una red e/e fragmentada, con escasa o nula interacción entre los distintos componentes e/e (Bauer, 2007; Juliussen y Robinson, 2010; Lara, 2012). Con la carga creciente de componentes e/e que se debe alimentar con mayor energía, se genera una presión sobre la batería. Sin embargo, la batería de plomo-ácido y el alternador estándar de 14/42 volts son incapaces de distribuir poder por encima de 2 kw (Pierson and Johnson, 1991). Las limitaciones de la batería de plomo-ácido son más profundas. No sólo es su incapacidad de satisfacer una mayor demanda de energía, sino también los problemas que plantea la manera cómo la química de la batería de plomo-ácido interacciona con los otros subsistemas e/e. En la interacción con el alternador, por ejemplo, cómo evitar los ciclos de carga/descarga profunda de las baterías de plomo-ácido? Es necesario construir sistemas que regulen esos ciclos. Pero en tanto que durante estos años no se cuenta con ECUs (unidades de control) desarrollados, sólo se pueden construir formas sencillas y básicas del sistema de administración de la batería (SAB) y del sistema de administración de la energía (SAE). 6 A diferencia de las décadas pasadas, durante este periodo ( ) se cuenta con una ciencia más poderosa y exacta, con instrumentos de monitoreo, verificación y control, recursos que permiten cuantificar y representar las consecuencias nocivas sobre la salud y el ambiente de las tecnologías asociadas a los vehículos. Este flujo de información contribuye a modificar las preferencias de los consumidores. 6 El SAE tiene como función regular la relación entre la batería, el alternador y el motor. 109

10 Arturo Lara Enrique Salazar Como resultado, el mercado y las instituciones demandan vehículos más eficientes (km/litro), más seguros y más responsables con el ambiente. Las instituciones como determinantes de la innovación Un factor clave para explicar la trayectoria tecnológica de la batería se relaciona con la crisis energética de , las nuevas regulaciones institucionales y los cambios en los gustos y necesidades de los consumidores, condiciones que afectan la dirección del cambio tecnológico de las baterías de plomo-ácido. Durante el periodo se producen un conjunto de cambios significativos. Los precios del petróleo se incrementan (Cf. Figura 2). Por más de 70 años los países industrializados aprovecharon la oferta de energía fósil barata. En estas condiciones, los productores de vehículos no estuvieron impelidos a introducir innovaciones relacionadas ni con la eficiencia de los vehículos ni con el medio ambiente. Las empresas no están dispuestas a proporcionar nuevos diseños que no son deseados por el mercado, a menos que se legisle (Pierson and Johnson, 1991). Las instituciones importan en la medida que crean reglas que orientan la dirección de la actividad inventiva. Estas nuevas reglas institucionales son posibles en la medida en que se cuenta con mejores teorías, instrumentos y métodos para representar y cuantificar las consecuencias de la contaminación asociada al uso de los vehículos. El caso de Estados Unidos, especialmente del estado de California, ilustra el margen de acción de los actores públicos para crear nuevas reglas del juego. A finales de los años 60 el California Motor Vehicle Pollution Board y el Bureau of Air Sanitation formaron el California Air Resources Board (CARB), hoy parte de la California Environmental Protection Agency (EPA). Apoyados por el desarrollo de tecnologías electrónicas especializados en medir las emisiones de los nuevos vehículos, se desarrollan reglas institucionales más estrictas para promover el diseño de vehículos más limpios (National Research Council, 2006). Después de la primera crisis del petróleo ( ) el Congreso de Estados Unidos promulga por primera vez el Corporate Average Fuel Economy (CAFE) en 1975, con el objeto de especificar los niveles de consumo de combustible de los vehículos nacionales e importados. El objetivo era promover el diseño de motores más eficientes y disminuir la dependencia externa del petróleo (Klier and Lin, 2011). 110

11 Complejidad, instituciones y trayectoria tecnológica del automóvil Figura 2 Influencias en la dirección del diseño de la batería Necesidades y gustos del consumidor Legislación ambiental Dirección del diseño del vehículo Dirección del diseño del sistema de energía en un vehículo Legislación sobre el precio de los combustibles e impuestos a la gasolina Legislación sobre seguridad Dirección del diseño de la batería Fuente: Pierson and Johnson (1991:313). Como parte del programa de vehículos de reducción de contaminantes (LEV), en 1990 el EPA estableció el mandato ZEV Zero Emission Vehicle cuyo objetivo era la reducción de emisiones nocivas para la salud y el medio ambiente y de esa manera la mejora de la calidad del aire, así como el establecimiento de cuotas de mercado en la producción y venta de vehículos limpios para las principales empresas automotrices en el estado de California (Bedsworth y Taylor, 2007). El CARB tiene atribuciones para imponer multas a las ensambladoras (OEM) que no cumplan con este mandato (Calef y Goble, 2007). Tanto la legislación destinada a mejorar la eficiencia del uso de combustible (km/litro) como la legislación ambiental y de seguridad afectan de manera directa e indirecta a las baterías. La Figura 2 busca representar la influencia indirecta (i) y directa (ii) de las instituciones en el diseño de las baterías. 111

12 Arturo Lara Enrique Salazar i) Influencia indirecta: Las reglas que promueven mayor economía de combustible y menor emisión de contaminantes conducen a las empresas a introducir distintos dispositivos electrónicos, como por ejemplo el sistema de inyección electrónica de combustible (fuel injection), entre otros (Porter, 1983; Lara, 2000). Para responder a las nuevas reglas ambientales, de mayor eficiencia y de seguridad, las ensambladoras (OEM) utilizan una variedad extensa y compleja de dispositivos e/e, los cuales demandan a la batería mayor energía, voltaje, etc., y niveles y formas de interacción más exigentes. ii) Influencia directa: La sociedad y sus organizaciones también establecen reglas que afectan directamente el diseño de las baterías, reglas que establecen parámetros de seguridad y de atenuación de los riesgos y la vida útil mínima de las baterías. Estas reglas obligan a las empresas a reciclar los materiales de las baterías usadas. Las reglas institucionales configuran el espacio de búsqueda de soluciones: qué tipo de materiales, qué procesos químicos elegir, qué condiciones de uso evitar, etc. Las instituciones estrechan o amplían el espacio de las posibles soluciones tecnológicas. A través de inversión y gasto, el gobierno de Estados Unidos promueve e incide también en el desarrollo de las baterías. Un programa que romovió el desarrollo de baterías avanzadas, durante la década de 1990, p fue el Advanced Battery Consortium (USABC), creado por la asociación entre fabricantes de vehículos nacionales y el gobierno federal. Parte de estos incentivos explican que más de 4400 vehículos eléctricos fueran lanzados en California entre 1996 y 2003 (Bedsworth y Taylor, 2007). En 1993 el gobierno de Estados Unidos, a través del Departamento de Energía, impulsa la Asociación para la Nueva Generación de Vehículos (PNGV) con los principales fabricantes de automóviles. El objetivo: el desarrollo de tecnologías de ZEV (vehículo-cero-emisión), vehículos híbridos y eléctricos (Vlasic, 2011). El caso más representativo de un ZEV es el vehículo eléctrico EV1, desarrollado por General Motors y lanzado al mercado en La fuente de energía proviene de un paquete de 26 baterías de plomo (tecnología VRLA). El paquete de baterías pesa 1175 libras y almacena hasta W/h de energía, equivalente a un poco menos de cinco litros de gasolina (Dean y Reed, 1996). Con desempeño tan pobre este vehículo no puede competir con la tecnología del motor a gasolina. Este experimento puso en evidencia las severas limitaciones de las baterías de plomo-ácido para convertirse en baterías de tracción 7 en este tipo de vehículo. 7 Esto es, la batería combinada con un motor eléctrico puede ser utilizada para mover el vehículo. Este es materia de otro trabajo de investigación: estudiar las baterías de plomo-ácido utilizadas como baterías de tracción. 112

13 Complejidad, instituciones y trayectoria tecnológica del automóvil Periodo : diseño jerárquico y sus implicaciones para la batería de plomo-ácido Durante el siglo pasado el núcleo de la ventaja competitiva de los fabricantes de vehículos se relaciona con el diseño y desarrollo de los motores: diseñar y producir formas geométricas físicas precisas y explotar principios científicos para lograr que el sistema de combustión y de transmisión sean lo más eficientes posible. En el periodo la naturaleza del conocimiento implicado en el funcionamiento del vehículo se transforma con la adopción masiva de componentes e/e. Una de las consecuencias disruptivas de ello es que la fuente tradicional de la ventaja competitiva de las empresas del sector automotriz se desvaloriza. El 90% de la innovación que se produce en los vehículos está relacionada con los componentes e/e y el 80% de ella se vincula al software (Hardung et al., 2008). Qué clase de cambios se producen en el periodo? Los detalles importan. Mientras que en 1996 el Passat B5 integra 9 ECUs, en 2005 el Passat B6 integra 44 ECUs. Esto es, en menos de 10 años se multiplica cinco veces el número de ECUs (Scharnhorst, 2005). El vehículo Phaeton (2004) de VW utiliza 1000 dispositivos electrónicos, 61 microprocesadores, tres redes CAN protocolo de comunicación que permiten el intercambio de información de las distintas sub-redes (Klier y Rubenstein, 2008). El Lexus LS-460 (2006) utiliza 100 ECUs incrustados y alrededor de de líneas de software incrustado (Takada, 2012). Un vehículo utiliza más de 140 pequeños motores que requieren corriente eléctrica e información (Bosch, 2012). 8 Cómo afecta a la batería la innovación a nivel de sistemas? De muchas y variadas maneras. Una primera y la más evidente: se demanda a las baterías más energía. La familia de sistemas e/e que más demanda energía es la de aquellos sistemas que están sustituyendo partes mecánicas, fenómeno conocido como X-by-wire (Anwar, 2009). Por ejemplo, el sistema de dirección por cable (steering-by-wire) sustituye al sistema de dirección hidráulica. El sistema de dirección por cable ya no es alimentado por el motor sino por la batería, lo que incrementa la importancia de esta última (Cf. Figura 3). Éste es un aspecto clave que explica por qué con la adopción de un 8 Pequeños motores localizados en los asientos, quemacocos, regulación del aire acondicionado, ventanas, etc.,

14 Arturo Lara Enrique Salazar mayor número de sistemas X-by-wire la batería se ha convertido en un componente cada vez más importante. Se producen otros cambios a nivel de sistema que tienen otras implicaciones sobre la batería. A medida que las funciones e/e de un vehículo se vuelven interdependientes, es necesario transitar de la innovación aislada o autónoma a una innovación a nivel de sistema (Bauer, 2007, Lara, 2012). Mientras que en el pasado un dispositivo servía para una función exclusiva, la tendencia ahora es que sirva para más de un propósito. El sistema de seguridad, por ejemplo, vincula diferentes sistemas: sensores de accidentes, controles del asiento, cinturones de seguridad, techo solar, baterías, etc. El objetivo de las innovaciones a nivel de sistema es integrar y agregar nuevas funciones a los sistemas actuales de manera que se transite a formas más complejas de integración de funciones (Para, 2006). La batería interacciona con una densa red de componentes e/e y por esa razón se convierte en un componente cada vez más importante. Estos ejemplos describen la magnitud, la variedad, la complejidad y la velocidad con la que la nueva naturaleza de los automóviles emerge. De sistema tecnológico complejo, el vehículo se convierte en un sistema tecnológico complejo adaptable. Adaptable en la medida en que cuenta con capacidades de cómputo, software y hardware poderosos que le permiten representar el mundo vía sensores y responder vía actuadores en tiempo real (Paret, 2007, Lara, 2012). 9 Las baterías de plomo-ácido tienen capacidad para escalar a nuevos y mayores niveles de desempeño? Los resultados indican que no. El sistema de frenado regenerativo es posible en la medida en que intercambian energía e información los distintos subsistemas e/e. Como producto de esa interacción, la batería sufre un proceso de descarga profunda. El uso de la tecnología del frenado regenerativo ha demostrado los límites de la batería de plomo-ácido, ya que no es capaz de responder a estas nuevas condiciones de uso y se descarta su uso futuro (Gruenstern et al., 2001). 9 Sistema e/e que se encuentra en construcción, todavía inmaduro y vulnerable. Por cada 100 funciones electrónicas se producen poco menos de 40 fallas en 100 vehículos, y con 300 funciones se producen 65 fallas (Scharnhorst, 2005). Los registros de fallas o defectos por vehículo demuestran cuán insatisfactoria resulta la robustez del sistema e/e de los nuevos vehículos. 114

15 Complejidad, instituciones y trayectoria tecnológica del automóvil Figura 3 Flujo de energía en un vehículo convencional/complejo Combustible Motor Transmisión Transmisión final Alternador Componentes e/e e/e: Eléctrico / Electrónico Batería Dirección por cable Fuente: Elaboración propia a partir de Zhang and Mi (2011:36). Cada sistema e/e nuevo que se diseña y se añade a los vehículos demanda formas específicas de interacción con la batería. Y dependiendo de las formas específicas de interacción, determinados parámetros de diseño de las baterías se someten a tensión. Por esa razón es necesario diseñar un sistema de administración de la energía (SAE) que considere las variadas formas de interacción entre los componentes e/e y que disminuya los riesgos de la descarga profunda. Para construir un SAE es necesario conectar diferentes ECUs asociados a diferentes subsistemas e/e. Como resultado de la madurez del diseño de microprocesadores, se introducen en este periodo ECUs que tienen como objeto conectar a ECUs (Juliussen y Robinson, 2010). Esta posibilidad tiene una gran importancia puesto que permite a nivel de la red e/e la construcción de un sistema jerárquico, lo que marca la transición de una red de componentes e/e separados a una red más conectada (Bauer, 2007, Lara, 2012). Estos avances contribuyen a diseñar y mejorar durante este periodo un sistema avanzado de administración de la energía (SAE) y un sistema de administración de la batería (SAB). 115

16 Arturo Lara Enrique Salazar La función básica del SAB es proteger a la batería de cargas/descargas y extender su vida útil (Yann y Friel, 2007), funciones éstas que involucran la medición y el modelado de los parámetros de desempeño de la batería (Pop et al., 2011). Para ello se diseñan ECUs conectados con sensores, fusibles, etc. (Gruenstern, 2001). Las funciones del SAB son diversas y complejas. A través de sensores se recolecta información sobre la batería (corriente, voltaje, temperatura, etc.), información que es procesada por una ECU, la cual debe comunicarse con otros subsistemas o módulos del vehículo y a través de algoritmos regular el desempeño de la batería (Pistoia, 2009). Este conjunto de dispositivos construidos en torno a la batería se convierte en un módulo. De esta manera emerge un nuevo sistema el SAB dentro de un sistema mayor el SAE, con capacidad de comunicación y autorregulación. La complejidad del vehículo crea un micromundo que presiona a la batería de plomo-ácido hasta el máximo de sus posibilidades técnicas. La creación de formas más complejas de administrar la energía condujo a mejorar el desempeño de las baterías, para que cumplan no sólo con las funciones tradicionales de encendido, iluminación e ignición sino también con otras funciones asociadas a la demanda explosiva de energía de la red e/e de los vehículos y a la compleja interdependencia asociada. Sin embargo, lo cierto es que el grado de complejidad de los sistemas e/e ha puesto en evidencia las limitaciones tecnológicas de las baterías de plomo-ácido y es necesario transitar a baterías con materiales activos electro-químicos distintos que sean capaces de satisfacer la creciente demanda de energía, como las baterías de litioion, níquel-metal-hidruro, etc. A diferencia de las décadas pasadas, durante este periodo se cuenta con teorías científicas más poderosas, con instrumentos de monitoreo, verificación y control más rigurosos. Recursos que permiten cuantificar y representar el funcionamiento de las baterías y del sistema de energía de los automóviles. Conocimiento científico y tecnológico que se cristaliza en nuevos artefactos especializados en gobernar el flujo de energía e información. Estas nuevas condiciones científicas y técnicas contribuyen también de manera decisiva a la representación más precisa de las consecuencias nocivas sobre la salud y el ambiente de las tecnologías asociadas a los vehículos. Este flujo de información modifica las preferencias de los consumidores. Como resultado, el mercado y las 116

17 Complejidad, instituciones y trayectoria tecnológica del automóvil instituciones demandan vehículos más eficientes (km/litro), más seguros y más responsables con el ambiente. Conclusión Regresamos a las preguntas centrales de este trabajo. Cuáles son los factores que explican la trayectoria tecnológica de las baterías de plomo-ácido? y cómo y por qué las baterías de plomo-ácido de ser un componente sencillo, maduro, estandarizado, se convierten en un sistema complejo? En el periodo se construye la arquitectura básica del sistema eléctrico el cual, conjuntamente con la batería plomo-ácido, se convierte en el diseño dominante. La estabilidad y relativo estancamiento del proceso inventivo en el periodo se explica, en parte, por el hecho de que las baterías de plomo-ácido cumplen funciones limitadas: funciones de encendido, ignición e iluminación. Si se añade a esta explicación el bajo precio del petróleo durante más o menos 70 años, los inventores y las empresas tienen muy pocos estímulos para mejorar la batería o crear nuevos diseños. En el segundo periodo, , se inicia el proceso de transformación de la naturaleza tecnológica del vehículo: de ser un sistema tecnológico complejo mecánico maduro a un sistema tecnológico complejo intensivo en conocimiento. Se construye una red de componentes e/e débilmente conectados. Se transita de los controles analógicos a los controles digitales. Gracias a la microelectrónica, se diseñan sistemas básicos de administración de la energía y de la batería. El ritmo y dirección de la trayectoria tecnológica en este periodo están influidos por distintos factores: la crisis energética de , una legislación más estricta que busca incidir en la trayectoria tecnológica de los automóviles y de la batería y el cambio en las preferencias de los consumidores. El periodo se caracteriza por la explosión cuantitativa y de complejidad e/e de los vehículos. Se amplían las funciones de la batería de plomo-ácido y es sometida a demandas más complejas y diversas. La batería debe enfrentar ciclos más largos y profundos de carga/descarga, requiere alimentar con mayor voltaje y potencia a los sistemas, X-by-wire, etc. Los componentes e/e demandan nuevos 117

18 Arturo Lara Enrique Salazar diseños relacionados con una densidad energética mayor, tolerancia a más amplios ciclos o periodos de servicio, alta confiabilidad y mayor voltaje. Todas estas presiones conducen hasta el límite las posibilidades tecnológicas de las baterías de plomo-ácido. La arquitectura del sistema de energía constituido en la primera mitad del siglo XX se convirtió en diseño dominante toda vez que el número de componentes e/e y las interacciones entre ellos eran bajos, como efectivamente lo fue durante el periodo de 1970 a Con la integración masiva de componentes e/e se fueron profundizando los desequilibrios y la demanda de un sistema jerárquico, apoyado en protocolos de comunicación más sofisticados. En este contexto emerge una demanda pero también una carrera tecnológica por diseñar y desarrollar un sistema de administración de la energía más robusto, que sea capaz de regular la interacción de los numerosos componentes e/e. Gracias a la mejora en ECUs más poderosos y eficientes, que tienen la capacidad de administrar los ECUs de nivel inferior, se avanza en la construcción de un SAE más sofisticado. Con estos ECUs es posible regular y controlar las interacciones entre los distintos subsistemas e/e (batería, motor, alternador, etc.). El SAB de esta forma se diferencia funcional y espacialmente del SAE. La evolución de sistemas tecnológicos complejos conduce a formas más profundas, novedosas de funcionamiento, y que se expresan en la emergencia de un sistema dentro de un sistema mayor. Ésta es, se cree, una de las principales contribuciones de este trabajo al estudio de la evolución de los automóviles y de la batería de plomo-ácido en especial: explicar cómo se convierte en un sistema tecnológico complejo adaptable. Bibliografía Abernathy, W. (1978), The Productivity Dilemma, The Johns Hopkins University Press, Baltimore. Anderman, M., Kalhammer, F., MacArthur, D. (2000), Advanced Batteries for Electric Vehicles: An Assessment of Performance, Cost, and Availability, State of California Air Resources Board, Sacramento, California [on line]. Anwar, S. (2009), Drive by Wire Systems: Impact on Vehicle Safety and Performance, en Guo, H. (2009). Arthur, B. (2009), The Nature of Technology, Free Press, New York. Baldwin, C., K. Clark (2000), Design Rules: The Power of Modularity, vol. 1, MIT Press, Cambridge, MA. 118

19 Complejidad, instituciones y trayectoria tecnológica del automóvil Basalla, G. (1988), The Evolution of Technology, Cambridge University Press, Cambridge, U.K. Bauer P. (2007), How Electronics is Changing the Automotive Industry: from Component Supliers to System Partners, en Bernd Gottschalk, Ralf Kalmbach) (2007) Mastering The Challenges of The Automotive Industry, VDA-OIKA-Roland Berger Consultant. Bedsworth, L. W. y Taylor M. R. (2007), Learning from California s Zero-Emission Vehicle Program, The Public Policy Institute of California, vol. 3, núm. 4, September. Bosch (2012), Bosch Automotive: A product history, Journal of Bosch History, Supplement 2 [on line]. BP Statistical Review of World Energy (2010), BP Statistical Review of World Energy, June 2010, BP p.l.c., London, viewed 10th June, 2010, [http://bp.com/statisticalreview]. ChartsBin statistics collector team (2010), Historical Crude Oil Prices, 1861 to Present, [ChartsBin.com], [http://chartsbin.com/view/oau] (23, 7, 2012). Brodd, R. (2005), Factors Affecting U.S. Production Decisions: Why are There No Volume Lithium-Ion Battery Manufacturers in the United States?, ATP Working Paper Series [on line], Working paper Broussely, M., G. Pistoia (2007), Industrial Applications of Batteries: From Cars to Aerospace and Energy Storage, Elseviere. Calef D. y Goble R. (2007), The allure of technology: How France and California promoted electric and hybrid vehicles to reduce urban air pollution, Springer, Science+Business Media B.V. Canis, B. (2011), Battery Manufacturing for Hybrid and Electric Vehicles [on line]. Cowan, R., S. Hulten (1996), Escaping Lock-in: the Case of the Electric Vehicle, Technology Forecasting and Social Change. Crouch, Dell (2005), Battery Technology for Automotive Applications, en Handbook of Automotive Power Electronics and Motor Drives, ed. Eli Amadi, Taylor & Francis. Dean, P., y Reed, M. (1996), An Electric Start -Media, Billboards, Web Site Herald Launch of the EV1, Los Angeles Times, December 6. Dodwell Marketing Consultants (1990), The Structure of the Japanese Auto Parts Industry, 4th ed., Dodwell Marketing Consultants, Tokyo. Dyer, J. (2000), Collaborative Advantage: Winning Through Extended Enterprise Supplier Networks, Oxford University Press. Fujimoto, T. (1999), The Evolution of a Manufacturing System at Toyota, Oxford University Press. García, A., y Lara, A. (2005), Modularidad, convergencia tecnológica e instituciones en la industria automotriz, en H. Juárez, A. Lara y C. Bueno (edits.), El auto global, UAM/UIA/BUAP, México. Guo, H. (2009), Automotive Informatics and Communicative Systems: Principles in Vehicular Networks and Data Exchange, Institute for Infocom Research, Singapore, Hershey, New York. 119

20 Arturo Lara Enrique Salazar Gruenstern, R., J. Pierson, R. Rizzo (2001), Energy storage and management for 42 V architectures, Journal of Power Sources 95, pp Hardung, B., Kolzow, T., Kruger, A. (2008), Reuse of Software in Distributed Embedded Automotive Systems, en Navet and Simonot-Lion (2008). Hughes, T. (1998), Rescuing Prometheus, Pantheon Books, New York. Juliussen, E., R. Robinson (2010), Is Europe in the Driver s Seat?, JRC Scientific and Technical Reports, European Commission. Klier, T., J. Linn (2011), Corporate Average Fuel Economy Standards and the Market for New Vehicles, WP , Federal Reserve Bank of Chicago, [on-line]. Klier, T., Rubenstein, J. (2008), Who Really Made Your Car? Restructuring and Geographic Change in the Auto Industry, W.E. Upjohn Institute for Employment Research, Kalamazoo, Michigan. Lara, A. (2000), Complejidad y desequilibrio tecnológico. Notas sobre la convergencia sector automotriz-sector electrónico, en J. Flores y F. Novelo (comps.), Innovación industrial, desarrollo rural e integración internacional, UAM, México. (2012), revista Contaduría y Administración (en prensa). Lemke et al. (2006), C. Para, M. Wolf (eds.), Embedded Security in Cars Securing Current and Future Automotive IT Applications, Elseviere. Lin, Ch. (1994), The Japanese Automotive Industry: Recent Developments and Future Competitive Outlook, Report UMTRI-94-13, The Office for the Study of Automotive Transportation, The University of Michigan Transportation Research Institute, Ann Arbor, Michigan. Linden, D., and Reddy, T. (2002), Secondary Batteries: Introduction, en Linden, D., Reddy T. (2002). (2002), Handbook of Batteries, McGraw-Hill. Luo, Whitney, Baldwin and Magee (2012), The Architecture of Transaction Networks: A Comparative Analysis of Hierarchy in Two Sectors, working paper , January 30, Harvard Business School. National Research Council (2006), State and Federal Standards for Mobile Source Emissions, National Academy Press, Washington, D.C. Navet, N., F., Simonot-Lion (edit.) (2008), Automotive Embedded Systems Handbook,CRC Press. Para, C. (2006) Embedded IT Security in Automotive Application, en Lemke et al. (2006). Paret, D. (2007), Multiplexed networks for embedded systems: CAN, LIN, Flexray, Safe-by- Wire, J. Wiley & Sons, Chichester. Pierson, J. R. Johnson (1991), The battery designer s challenge, Journal of Power Sources, 33, pp Pistoia, G. (2009), Battery Operated Devices and Systems, Elsevier. 120

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