Eleve el Rendimiento de Baterías VE con Soluciones Avanzadas de Prueba

Figura 1. Ejemplo de un laboratorio de prueba de baterías. (Imagen: Keysight)

Demandas crecientes para baterías de VE

A medida que crece la demanda de VE, será necesario innovar baterías que logren durabilidad, densidad de potencia, seguridad, menor coste, mayor autonomía y tiempo de recarga más rápido usando un proceso rápido, rentable y energéticamente eficiente.

Identificar problemas de rendimiento y seguridad

Es esencial considerar el impacto del mal rendimiento. Omitir pruebas no obligatorias puede llevar a problemas de rendimiento o seguridad que pasan desapercibidos. Retirar un producto más adelante en el proceso de producción es costoso. El tiempo que lleva rectificar el problema afecta significativamente el cronograma para llevar una versión totalmente operativa al mercado. En un mercado que evoluciona a tal ritmo, estos retrasos no son justificables.

Omitir pruebas en las primeras etapas de diseño y producción puede parecer un atajo. En realidad, es una estrategia de alto riesgo que podría resultar en extensos retrasos en el tiempo de comercialización si un problema permanece sin detectar.

Reducir costes operativos

Un laboratorio de prueba bien diseñado puede impulsar ahorros operativos tangibles para quienes trabajan en el sector de I+D de baterías de VE.

Los sistemas de prueba de baterías de alto rendimiento y última generación pueden proporcionar hasta un 96 por ciento de eficiencia energética mientras regeneran la potencia de descarga de la batería de vuelta a la red CA. Esto puede conducir a ahorros significativos en costes operativos durante la vida útil del Laboratorio de Prueba de Baterías VE (Figura 1).

La tecnología minimiza los costes de un laboratorio de I+D ocupado de dos maneras: (1) por adelantado optimizando la instalación de infraestructura de refrigeración y (2) de forma continua mediante una notable reducción en costes energéticos.

Mejorar operaciones de laboratorio

Las pruebas exhaustivas requieren gestionar y evaluar eficientemente grandes cantidades de datos. Una forma de gestionar altos volúmenes de datos de prueba es elegir software de operaciones de laboratorio que ofrezca funcionalidad de integridad y trazabilidad de datos. Las aplicaciones de software también pueden ofrecer herramientas de análisis de datos junto con funciones de gestión de flujo de trabajo que agilizan su laboratorio de prueba para una eficiencia óptima.

Pruebas de sistemas complejos

Los escenarios de prueba para baterías de VE y sistemas de gestión de baterías incluyen:

• Pruebas funcionales, de envejecimiento, ambientales y de rendimiento.
• Pruebas estándar y conformes a normas (ISO, DIN, EN, SAE).
• Resistencia (interna), carga, energía, capacidad, eficiencia, durabilidad cíclica y calendárica, comportamiento térmico y resistencia mecánica.
• Análisis de durabilidad, autonomía y eficiencia.
• Medición de impedancia electroquímica y voltametría cíclica.

Ejemplo de prueba: Medición de Resistencia Interna DC (DCIR)

DCIR mide la característica de resistencia DC de una celda de batería. Abordaremos DCIR ya que es una medición importante en la industria automotriz debido a los altos picos de corriente que ven las baterías de VE. Los ingenieros deben entender cómo responderá el paquete de baterías a estos altos picos de corriente, por lo que conocer la resistencia DC es crítico.

Figura 2. Formas de onda esperadas de voltaje y corriente de medición DCIR usando pulso de carga de +100 Amperios. (Imagen: Keysight)

Para medir resistencia, aplica un cambio en corriente y mide la respuesta de voltaje. En este caso, como es DCIR, estamos haciendo una verdadera medición de resistencia DC. Como se muestra en las Figuras 2 y 3, se usa un cambio escalonado y DCIR se calcula como DCIR = (V_antes_paso – V_despues_paso) / (I_antes_paso – I_despues_paso).

Figura 3. Formas de onda esperadas de voltaje y corriente de medición DCIR usando pulso de descarga de -100 Amperios. (Imagen: Keysight)

Normalmente, la primera medición (antes del paso) se hace cuando la celda está en reposo, así que V_antes_paso = voltaje de circuito abierto (OCV) de la celda e I_antes_paso = 0 amperios. El cambio escalonado aplicado en corriente puede ser un aumento en corriente, que es un pulso de carga, o una disminución en corriente, que es un pulso de descarga. De hecho, puede que quieras medir el DCIR en ambas direcciones y comparar o promediar los resultados. Ver Figura 4.

Figura 4. Formas de onda esperadas de voltaje y corriente de medición DCIR usando pulso de carga de +/-100 Amperios, luego pulso de descarga. (Imagen: Keysight)

En cuanto al tamaño del paso de corriente, normalmente es grande porque la baja resistencia de la celda necesitará un gran paso de corriente para crear una respuesta medible en voltaje. Las solicitudes de pasos de corriente pueden ser tan altas como 20 °C. Para una celda de 50 Ah, eso es 1000 A, así que el equipo DCIR puede ser grande y costoso. Con corrientes altas, no puedes dejar que la alta corriente se aplique indefinidamente, o la celda se calentará y cargará (si el pulso de corriente es positivo) o descargará (si el pulso de corriente es negativo). En cualquier caso, cambiar el estado de carga (SoC) de la celda no es deseable, así que la corriente se suele aplicar como un pulso corto.

Ahora, ¿qué ancho debe tener el pulso si lo aplicamos a la celda? Además, si estamos midiendo V_despues_paso, ¿cuál es el momento correcto para hacer la medición? Inmediatamente después de aplicar el pulso o hacia el final del pulso antes de que la celda vuelva a su estado "antes del paso" (típicamente un estado de reposo, como se mencionó anteriormente).

Profundizando en DCIR

Para responder a la pregunta del ancho del pulso, veamos el significado de DCIR. DCIR mide la resistencia de salida DC óhmica en serie de la celda. La resistencia óhmica de la celda proviene de los colectores de corriente, los materiales activos de los electrodos, la conductividad iónica del electrolito y otras conexiones.

Para DCIR, solo nos importan las resistencias óhmicas DC no variables en el tiempo. El cambio de voltaje debido a estas resistencias óhmicas aparecerá instantáneamente al aplicar el pulso de corriente. Así, para medir resistencias óhmicas DC, debes medir inmediatamente la respuesta de voltaje al aplicar el pulso de corriente. Esto significa que la longitud del pulso no importa, y el pulso no necesita ser más largo que el tiempo de medición de la respuesta de voltaje de la celda. De hecho, quieres que ese pulso sea lo más corto posible para evitar auto-calentamiento y cualquier cambio innecesario en SoC causado por la carga o descarga de la celda durante el pulso.

Ingenieros y científicos a menudo solicitan pulsos DCIR de 1, 10 o 30 segundos de ancho y miden la respuesta de voltaje de la celda V_despues_paso al final de estos pulsos. Esto no es una medición DCIR sino una medición de pulso DC.

Si se mide al final del pulso, V_despues_paso ciertamente incluirá los efectos de la resistencia óhmica DC. Sin embargo, V_despues_paso incluirá algunos efectos electroquímicos AC y, lo más significativamente, incluirá un cambio de voltaje debido a la carga o descarga de la celda durante el pulso. A medida que la longitud del pulso se hace más larga y la amplitud del pulso se hace mayor (recuerda, esta prueba podría ejecutarse a 20 °C), este efecto de carga o descarga en OCV puede ser bastante grande comparado con el cambio mínimo de voltaje causado por una corriente de 20 °C fluyendo a través de unos pocos miliohmios de verdadera resistencia óhmica de la celda.

Configuración de prueba

Figura 5. Configuración de prueba para medir DCIR. (Imagen: Keysight)

Medir DCIR usando la configuración de prueba en la Figura 5 requiere dos características de instrumentación:

1. El dispositivo que aplica el pulso de corriente necesita un tiempo de subida de unos pocos milisegundos o más rápido. Si el flanco es lento, el tiempo que tarda en hacer la transición de I_antes_paso a I_despues_paso permitirá que ocurran efectos electroquímicos rápidos no DC, de modo que la medición de la respuesta de voltaje incluirá tanto componentes de voltaje DC óhmico como algunos AC electroquímicos.
2. La respuesta de voltaje V_despues_paso debe medirse rápido e inmediatamente después de que se complete el paso de corriente aplicado. Si la medición es lenta o retrasada, V_despues_paso incluirá efectos electroquímicos rápidos no DC. Llevado al extremo, si V_despues_paso se mide demasiado lento después de la transición, la medición DCIR se convierte en una medición de pulso DC.

Conclusión

Invertir en pruebas de baterías de VE no es meramente una necesidad técnica sino un imperativo estratégico para el futuro del transporte. La integración de metodologías de prueba avanzadas es crucial para mejorar la seguridad, eficiencia y longevidad de las baterías de VE, apoyando así el rápido crecimiento del mercado de VE.

Este artículo fue escrito por Bob Zollo, Arquitecto de Soluciones, Pruebas de Baterías para Soluciones de Energía y Automoción y Brian Whitaker, Gerente de Marketing de Producto, ambos en Keysight Technologies (Santa Rosa, CA). Para más información, visite aquí.