Aumente el rendimiento de la batería de vehículos eléctricos con soluciones de prueba avanzadas

Figura 1. Ejemplo de un laboratorio de pruebas de baterías. (Imagen:Vista clave)

A medida que crece la demanda de vehículos eléctricos, será necesario innovar en baterías que logren durabilidad, densidad de potencia, seguridad, menor costo, mayor alcance y tiempo de recarga más rápido mediante un proceso rápido, rentable y energéticamente eficiente.

Un aspecto importante del diseño de baterías son las pruebas de rendimiento para garantizar que las baterías nuevas cumplan con sus objetivos de diseño. Las pruebas de baterías de vehículos eléctricos pueden resultar costosas y llevar mucho tiempo sin los últimos sistemas y metodologías. El uso de las mejores prácticas y tecnologías de última generación durante todo el proceso de prueba de la batería puede ayudarle a resolver rápida y fácilmente los desafíos de diseño de la batería.

Este artículo explorará cómo las pruebas avanzadas utilizando sistemas de prueba de baterías para vehículos eléctricos de extremo a extremo pueden mejorar la calidad y el rendimiento de los diseños de baterías para vehículos eléctricos.

Identificar problemas de rendimiento y seguridad

Es esencial considerar el impacto del mal desempeño. Omitir pruebas no obligatorias puede generar problemas de rendimiento o seguridad que no se descubren. Retirar un producto del mercado en etapas más avanzadas del proceso de producción es costoso. El tiempo que lleva rectificar el problema afecta significativamente el cronograma para lanzar al mercado una versión completamente operativa. En un mercado que evoluciona a un ritmo tan rápido, estos retrasos no son justificables.

Omitir las pruebas de las etapas anteriores de diseño y producción puede parecer un atajo. En realidad, es una estrategia de alto riesgo que podría provocar grandes retrasos en el tiempo de comercialización si un problema no se detecta.

Costos operativos más bajos

Un laboratorio de pruebas bien diseñado puede generar ahorros tangibles en costos operativos para quienes trabajan en el sector de I+D de baterías para vehículos eléctricos.

Los sistemas de prueba de baterías de última generación y alto rendimiento pueden proporcionar hasta un 96 por ciento de eficiencia energética mientras regeneran la energía de la batería descargada de regreso a la red de CA. Esto puede generar ahorros significativos en los costos operativos durante la vida útil del laboratorio de prueba de baterías para vehículos eléctricos (Figura 1).

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

Mejora de las operaciones del laboratorio

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

Pruebas de sistemas complejos

Los escenarios de prueba para baterías de vehículos eléctricos y sistemas de gestión de baterías incluyen los siguientes:

• Pruebas funcionales, de envejecimiento, medioambientales y de rendimiento.

• Pruebas estándar y conformes con las normas (ISO, DIN, EN, SAE).

• Resistencia (interna), carga, energía, capacidad, eficiencia, durabilidad cíclica, calendárica, comportamiento de temperatura y resistencia mecánica.

• Análisis de durabilidad, alcance y eficiencia.

• Medición de impedancia electroquímica y voltamperometría cíclica.

Prueba de ejemplo:medición de resistencia interna de CC (DCIR)

DCIR mide la característica de resistencia CC de una celda de batería. Tocaremos el DCIR, ya que es una medida importante en la industria automotriz debido a las altas corrientes máximas que observan las baterías de los vehículos eléctricos. Los ingenieros deben comprender cómo responderá el paquete de baterías a estos altos picos de corriente, por lo que conocer la resistencia de CC es fundamental.

Figura 2. Formas de onda de voltaje y corriente esperadas a partir de la medición DCIR utilizando un pulso de carga de +100 amperios. (Imagen:Vista clave)

Para medir la resistencia, se aplica un cambio en la corriente y se mide la respuesta del voltaje. En este caso, debido a que es DCIR, estamos realizando una verdadera medición de resistencia de CC. Como se muestra en las Figuras 2 y 3, se utiliza un cambio de paso y DCIR se calcula como DCIR =(V_beforestep – V_afterstep) / (I_beforestep – I_afterstep).

Figura 3. Formas de onda de voltaje y corriente esperadas a partir de la medición DCIR utilizando un pulso de descarga de -100 amperios. (Imagen:Vista clave)

Normalmente, la primera medición (antes del paso) se realiza cuando la celda está en reposo, por lo que V_beforestep =voltaje de circuito abierto (OCV) de la celda e I_beforestep =0 amperios. El cambio de paso aplicado en la corriente puede ser un aumento en la corriente, que es un pulso de carga, o puede ser un paso hacia abajo en la corriente, que es un pulso de descarga. De hecho, es posible que desee medir el DCIR en ambas direcciones y comparar o promediar los resultados. Consulte la Figura 4.

Figura 4. Formas de onda de voltaje y corriente esperadas a partir de la medición DCIR usando una carga de +/-100 amperios y luego un pulso de descarga. (Imagen:Vista clave)

En cuanto al tamaño del paso de corriente, normalmente es grande porque la baja resistencia de la celda necesitará un paso de corriente grande para crear una respuesta mensurable en voltaje. Las solicitudes de medidas actuales pueden alcanzar hasta 20 °C. Para una celda de 50 Ah, eso equivale a 1000 A, por lo que el equipo DCIR puede ser grande y costoso. Con corrientes altas, no se puede dejar que la corriente alta se aplique indefinidamente, o la celda se calentará y se cargará (si el pulso de corriente es positivo) o se descargará (si el pulso de corriente es negativo). En cualquier caso, no es deseable cambiar el estado de carga (SoC) de la celda, por lo que la corriente generalmente se aplica como un pulso corto.

Ahora bien, ¿qué amplitud debe tener el pulso si aplicamos uno a la célula? Además, si estamos midiendo V_afterstep, ¿cuándo es el momento adecuado para realizar la medición? Es inmediatamente después de aplicar el pulso o hacia el final del pulso antes de que la célula regrese a su estado "antes del paso" (generalmente un estado de reposo, como se mencionó anteriormente).

Profundizando en DCIR

Para responder a la pregunta sobre el ancho del pulso, veamos el significado de DCIR. DCIR mide la resistencia de salida de CC en serie óhmica 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 preocupamos por las resistencias óhmicas de CC que no varían en el tiempo. El cambio de voltaje debido a estas resistencias óhmicas aparecerá instantáneamente tras la aplicación del pulso de corriente. Por lo tanto, para medir resistencias óhmicas de CC, debe medir inmediatamente la respuesta de voltaje al aplicar el pulso de corriente. Esto significa que la duración del pulso no importa y no es necesario que el pulso sea más largo que el tiempo de medición de la respuesta de voltaje de la celda. De hecho, desea que ese pulso sea lo más corto posible para evitar el autocalentamiento y cualquier cambio innecesario en el SoC causado por la carga o descarga de la celda durante el pulso.

Los ingenieros y científicos a menudo solicitan pulsos DCIR de 1, 10 o 30 segundos de duración y miden la respuesta de voltaje de la celda V_afterstep al final de estos pulsos. Esta no es una medición DCIR sino una medición de pulso DC.

Si se mide al final del pulso, V_afterstep ciertamente incluirá los efectos de la resistencia óhmica de CC. Sin embargo, V_afterstep incluirá algunos efectos electroquímicos de CA y, lo más importante, 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 aumenta (recuerde, esta prueba se puede realizar a 20 °C), este efecto de carga o descarga en OCV puede ser bastante grande en comparación con el cambio mínimo de voltaje causado por una corriente de 20 °C que fluye a través de unos pocos miliohmios de resistencia óhmica verdadera de la celda.

Configuración de prueba

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

La medición de DCIR utilizando la configuración de prueba de 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 borde es lento, el tiempo que lleva realizar la transición de I_beforestep a I_afterstep permitirá que se produzcan efectos electroquímicos rápidos que no sean CC, de modo que la medición de la respuesta de voltaje incluirá tanto componentes de voltaje óhmico de CC como algunos componentes de voltaje electroquímico de CA.

2. La respuesta de voltaje V_afterstep debe medirse rápidamente e inmediatamente después de que se complete el paso de corriente aplicado. Si la medición es lenta o retrasada, V_afterstep incluirá efectos electroquímicos rápidos que no son CC. Llevado al extremo, si V_afterstep se mide demasiado lentamente después de la transición, la medición DCIR se convierte en una medición de pulso DC.

Conclusión

Invertir en pruebas de baterías de vehículos eléctricos no es simplemente 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, la eficiencia y la longevidad de las baterías de vehículos eléctricos, respaldando así el rápido crecimiento del mercado de vehículos eléctricos.

Este artículo fue escrito por Bob Zollo, arquitecto de soluciones, pruebas de baterías para soluciones energéticas y automotrices, y Brian Whitaker, gerente de marketing de productos, ambos en Keysight Technologies (Santa Rosa, CA). Para obtener más información, visita aquí  .