La movilidad eléctrica impulsa nuevos retos de detección de fugas para la seguridad vehicular

El rápido e inesperado crecimiento actual en la producción de vehículos con sistemas de propulsión alternativos está dando a los fabricantes de automóviles y sus socios de manufactura una amplia gama de desafíos de detección de fugas para garantizar la calidad del vehículo.

Los sistemas de baterías de tracción fabricados para Vehículos Eléctricos de Batería (BEV) y Vehículos Híbridos Enchufables (PHEV), por ejemplo, deben protegerse del agua y la humedad que pueden reducir la vida de la batería o causar incendios. Los Vehículos Eléctricos de Pila de Combustible (FCEV) también tienen requisitos únicos de prueba de fugas, especialmente para tanques de hidrógeno, pilas de combustible y las baterías que impulsan sus motores eléctricos.

INFICON ha publicado una guía completa de 50 páginas sobre pruebas de fugas en vehículos eléctricos y de pila de combustible para ingenieros de manufactura y control de calidad. La guía discute métodos de detección de fugas para una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo celdas de batería, carcasas de batería, motores eléctricos, circuitos de refrigeración de motores, pilas de combustible y tanques de hidrógeno. Componentes electrónicos, módulos de control y sensores ADAS también están cubiertos.

Las preocupaciones de seguridad de EV crecen con las ventas

No solo los autos de pasajeros se volverán eléctricos. Una encuesta reciente de McKinsey & Co. y el Foro Económico Mundial ve un cambio importante de motores de combustión a sistemas de propulsión eléctrica para vehículos comerciales. A medida que aumenta la producción de EV, las preocupaciones de calidad se multiplicarán también.

Las pruebas de fugas confiables son críticas a lo largo del proceso de producción. Las celdas de batería EV, paquetes de batería, circuitos de refrigeración de batería, motores eléctricos y otros sistemas modificados para aplicaciones EV requieren pruebas de fugas para asegurar tanto calidad como seguridad. Las pruebas de fugas aseguran que el electrolito de la celda de batería no se filtre ni entre en contacto con agua durante cada etapa de producción de la batería. También es importante asegurar la integridad de los módulos de batería y las carcasas de paquetes de batería. ¿Por qué? El electrolito de la celda de batería es altamente inflamable y puede causar incendios en el vehículo.

El daño a las celdas de batería mientras están en tránsito a la planta de ensamblaje de un OEM también necesita considerarse. La "fuga térmica" de una sola celda de batería puede causar que el electrolito en combustión alcance temperaturas de hasta 1,100 °C (2,012 °F).

Métodos de prueba de fugas para celdas de batería

Hoy, los fabricantes de automóviles esperan que una batería de iones de litio tenga una vida útil de hasta 10 años o más. Para lograr una vida extendida de la celda, las tasas de fuga para celdas de batería prismáticas y cilíndricas deben caer dentro de un rango de 10-6 a 10-8 mbar-l/s. Las celdas de bolsa necesitan ser probadas para fugas grandes o las llamadas fugas "gruesas", así como para fugas "capilares" extremadamente pequeñas.

Nuevos sistemas de detección de fugas basados en tecnología de espectrómetro de masa ahora son capaces de detectar fugas 1,000 veces más pequeñas que las anteriormente posibles. Un dispositivo de prueba INFICON ELT3000, por ejemplo, puede identificar fugas con un diámetro de solo unos micrones. Una cámara de prueba flexible diseñada para prevenir daño a celdas de bolsa también ha sido desarrollada por INFICON para soportar pruebas de vacío de celdas de bolsa.

Pruebas de fugas para carcasas de paquetes de batería

Las carcasas de paquetes de batería requieren requisitos específicos de detección de fugas ya que protegen módulos y celdas de batería del agua. Dependiendo de dónde estén ubicadas, las carcasas deben cumplir con requisitos de clase de protección IP67 o IP69K. Las carcasas para componentes eléctricos como baterías de iones de litio, unidades de control de potencia, motores eléctricos y módulos electrónicos a menudo se diseñan de acuerdo con IP67. (Las pruebas según IP67 requieren que un componente sea totalmente funcional después de inmersión en agua a una profundidad de 1 m durante 30 minutos.)

La forma más rápida y precisa de probar componentes en la línea de producción es probar gas trazador de helio en una cámara de vacío. Otra opción para probar carcasas ensambladas y no ensambladas es una prueba de acumulación, que requiere tiempos de ciclo más largos.

Si un fabricante quiere probar la integridad de juntas o sellos en un paquete de batería ya ensamblado, las pruebas de vacío no son una opción. Las diferencias de presión con este tipo de pruebas podrían dañar juntas o destruir capacitores ya instalados. Como alternativa, se recomienda la detección de fugas "olfativa" basada en gas trazador para paquetes de batería y carcasas ensambladas.

FCEVs y sus componentes

Las pruebas de fugas para FCEVs que usan tecnología de hidrógeno también son indispensables no solo para sus tanques de hidrógeno, sino también para las pilas de combustible y paquetes de batería que suministran energía a sus motores eléctricos. Los FCEVs y BEVs comparten una serie de componentes con requisitos de detección de fugas similares. Ambos son impulsados por motores eléctricos alimentados por baterías de iones de litio, aunque las baterías FCEV son mucho más pequeñas y tienen menos capacidad de almacenamiento.

Sin embargo, los FCEVs generan su propia energía eléctrica y sus pilas de combustible; circuitos de refrigeración de alta y baja temperatura; y tanques, líneas y sistemas de recirculación de hidrógeno deben ser probados para fugas.

Sensores y motores de tracción eléctrica

Ya sea un BEV o FCEV, los sensores, módulos de control y motores de tracción eléctrica de un vehículo requieren alguna forma de prueba de fugas. El agua es el enemigo principal de los componentes eléctricos de cada vehículo. La estanqueidad al agua y la humedad, por lo tanto, son críticamente importantes, especialmente para sistemas autónomos o de Asistencia Avanzada al Conductor (ADAS).

Los sensores de vehículos a menudo se prueban con pruebas de decaimiento de presión menos sensibles, fuertemente dependientes de la temperatura. Los fabricantes de ADAS, sin embargo, siguen una estrategia de cero defectos que es 1,000 veces más confiable que un enfoque Six Sigma que tolera 3.4 errores por millón de casos. Los sensores usados para tecnologías radar y LiDAR no solo deben ser estancos al agua, también deben ser estancos al gas —completamente sellados de la humedad.

Editado a partir de información suministrada por INFICON.

El e-book de INFICON está diseñado para ingenieros de manufactura y gerentes de control de calidad, así como para estudiantes de ingeniería. Descarga gratuita.