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Pruebas de baterías: una demanda creciente en el mundo de los vehículos eléctricos

 

Por: Anna Bonanomi  para https://www.electricmotorengineering.com/

 

Las soluciones de prueba para el mercado de vehículos eléctricos, ya sea para aplicaciones terrestres, marítimas, aéreas o espaciales, deben abordar no solo las pruebas de unión por ultrasonidos o láser de baterías, sino también todos los módulos y sistemas relacionados, como el sistema de gestión de baterías (BMS), el cargador de a bordo (OBC), el inversor y el propio motor eléctrico.

 

Pruebas de baterías: una demanda creciente en el mundo de los vehículos eléctricos

En 2023, las ventas de coches eléctricos alcanzaron casi los 14 millones de unidades, el 95% de las cuales en China, Europa y Estados Unidos. Aunque las ventas están aumentando a nivel mundial, todavía se concentran significativamente en estos mercados de referencia: alrededor del 60% de las nuevas matriculaciones de coches eléctricos se produjeron en China, el 25% en Europa y el 10% en Estados Unidos. En el primer trimestre de 2024, las ventas de coches eléctricos siguieron siendo fuertes, aumentando alrededor de un 25% con respecto al mismo período de 2023, alcanzando más de 3 millones de unidades. Sin embargo, las ventas siguen siendo limitadas incluso en países con mercados automotrices bien establecidos como Japón e India.

 

La movilidad eléctrica no se limita a los automóviles

Los avances tecnológicos en eficiencia a alta velocidad, tamaño compacto, aceleración mejorada y peso reducido del motor están impulsando el crecimiento del mercado de motocicletas eléctricas. Este mercado ha crecido significativamente debido a la demanda de transporte ecológico y un fuerte apoyo gubernamental, especialmente en los países desarrollados.

Uno de los principales impulsores del crecimiento en esta industria es la adopción de baterías de mayor capacidad. Actualmente, existen tres tipos principales: iones de litio, plomo-ácido e hidruro metálico de níquel. Las baterías de iones de litio siguen liderando el mercado debido a su alto rendimiento, mayor potencia de salida y peso ligero, pero otros materiales están en el horizonte.

El diseño general de la batería mejora constantemente, mejorando la autonomía, la vida útil, la reciclabilidad y la sostenibilidad gracias al progreso continuo en la investigación y el desarrollo de materiales.

 

Vehículos eléctricos y baterías: una conexión inquebrantable

Muchos propietarios de vehículos eléctricos (VE) creen que el "paquete de baterías" de su coche es una sola unidad, pero en realidad está formado por numerosas celdas individuales.

Las celdas de la batería son los componentes básicos. Cada una almacena energía química y tiene forma cilíndrica, de bolsa o prismática. Las celdas, y por lo tanto las baterías, tienen distintas composiciones químicas, siendo la de iones de litio la más común. Cada celda puede generar entre uno y seis voltios.

Las celdas se conectan mediante placas colectoras de corriente para crear módulos de batería. Un módulo consta de varias celdas conectadas en serie o en paralelo, formando una unidad que genera el voltaje y la capacidad energética necesarios.

 

Estos módulos se juntan para formar el paquete de baterías completo. El paquete puede incluir componentes adicionales como el sistema de gestión de baterías (BMS), que se encarga de la monitorización y la gestión térmica. El BMS protege las celdas haciendo un seguimiento de parámetros clave como el voltaje, la corriente y la temperatura, y cuenta con un sistema de seguridad para apagar la batería si se superan determinados umbrales de seguridad. Bajo la supervisión del BMS, el sistema de conmutación puede desconectar la batería principal del bus de alto voltaje del vehículo, lo que garantiza una comunicación constante entre los componentes de a bordo.

 

El sistema de gestión térmica de la batería (BTMS) gestiona la energía térmica y la temperatura de la batería, calentándola o enfriándola según sea necesario. Los materiales de interfaz térmica (TIM) se utilizan entre los componentes de la batería para unirlos, equilibrar las temperaturas y ayudar al BTMS en la gestión térmica.

 

Producción de baterías

La producción de paquetes de baterías comienza con la fabricación de celdas individuales. Los componentes de cada celda se ensamblan, colocando un separador entre el ánodo y el cátodo y luego se sumergen en una solución de electrolito. Este conjunto está encerrado en una carcasa rígida. Antes de integrarse en módulos, cada celda se somete a pruebas específicas para garantizar que no haya fugas de electrolito, que podrían causar incendios o explosiones, ni infiltración de humedad. Es esencial que las celdas funcionen correctamente y entreguen la energía necesaria dentro de las tolerancias especificadas para mantener el rendimiento de la batería.

 

Las celdas se combinan luego en módulos, que se disponen en serie o en paralelo dentro de una carcasa final resistente, el paquete, que las protege de golpes, vibraciones y otros factores ambientales. Una vez que se ensambla el paquete de baterías, se realizan más pruebas y ajustes, incluidas comprobaciones de la potencia de salida y la garantía de que todas las conexiones eléctricas funcionan correctamente.

 

Estas pruebas garantizan la confiabilidad y seguridad de la batería, independientemente del dispositivo en el que esté montada. Comprender sus condiciones de funcionamiento es clave para prevenir fallas y optimizar el rendimiento. Las pruebas también desempeñan un papel vital en la racionalización de la producción, el control de los procesos y la gestión de los costos al evitar el desperdicio y la repetición del trabajo.

 

Pruebas ACIR

Para garantizar un paquete de baterías de alta calidad, todas las celdas deben someterse a un estricto proceso para medir su resistencia interna (IR). Fabricar un paquete de baterías a partir de celdas con diferentes valores de IR provocaría un flujo de corriente desigual y variaciones de temperatura dentro del paquete, lo que podría ser extremadamente peligroso y debe evitarse.

 

Existen dos métodos para medir la IR: utilizando corriente continua (CC) o corriente alterna (CA), de la siguiente manera:

 

DCIR (resistencia interna de corriente continua)

ACIR (resistencia interna de corriente alterna, normalmente a 1 kHz con una corriente de 100 mA)

 

Siguiendo los estándares de la industria de vehículos eléctricos, Seica ha desarrollado una plataforma especializada para probar celdas individuales. Con los sistemas Mini 80 y Mini 200, Seica ofrece soluciones tanto manuales como automatizadas para pruebas ACIR. El Mini 80 se puede integrar directamente en una línea de automatización, mientras que el Mini 200 está diseñado para pruebas manuales de celdas individuales en sus cajas de envío.

 

Pruebas de baterías

Las conexiones eléctricas entre las celdas de la batería son fundamentales tanto para el rendimiento como para la seguridad de la batería, por lo que las pruebas de conexión (uniones ultrasónicas en cuña o unión láser) son una parte crucial del proceso de fabricación. Un factor clave que se debe verificar es la resistencia de la conexión: se requieren mediciones precisas en el rango de miliohmios o microohmios para garantizar que las conexiones sean seguras. Una conexión faltante o defectuosa puede afectar la eficiencia de la batería y, con el tiempo, provocar fallas graves, incluido el riesgo de incendio.

 

Si bien la inspección óptica automatizada (AOI) puede parecer una opción más sencilla, no puede detectar problemas en las interconexiones entre celdas. La AOI básicamente captura una imagen de la unión y utiliza algoritmos para evaluar su calidad. Sin embargo, es un método subjetivo que no puede garantizar los parámetros resistivos críticos para la confiabilidad y seguridad del paquete de baterías. Cuando la calidad de la batería es un parámetro "crítico para la misión" en una industria muy regulada como el transporte, una prueba física/de contacto sigue siendo un método muy buscado para garantizar la seguridad.

Para cumplir con los requisitos de producción de alto volumen, el uso de una sonda voladora eléctrica es el método más eficaz. La sonda voladora más avanzada puede realizar pruebas Kelvin paralelas extremadamente precisas en más de 16 celdas a la vez, alcanzando velocidades de más de 2000 celdas por minuto. Estos sistemas son capaces de medir la resistencia de unión en cuña con gran precisión, detectando valores tan bajos como 10 µOhm con una resolución de 0,5 µOhm. Este nivel de precisión garantiza resultados consistentes y confiables, junto con una trazabilidad completa para cada conexión.

 

Los sistemas de sonda voladora son muy flexibles y pueden manejar varios tipos de baterías, pero deben ser lo suficientemente grandes como para adaptarse incluso a los formatos más grandes. Una alta productividad no siempre es necesaria; en los laboratorios de I+D o centros de reparación, un sistema con un rendimiento menor puede ser suficiente, aunque la precisión siempre debe seguir siendo una prioridad.

Para satisfacer la creciente demanda de pruebas de conexiones dentro de los paquetes de baterías, Seica ha desarrollado una nueva gama de sistemas de sonda voladora: Pilot BT, Pilot BTV y Pilot H4BT.

 

El sistema Pilot BT puede realizar pruebas Kelvin paralelas precisas en más de 32 celdas simultáneamente desde el lado SUPERIOR del paquete de baterías, alcanzando velocidades de casi 4.800 celdas por minuto a plena capacidad. Cuenta con una gran área de prueba (1200 x 1200 mm) y utiliza un sistema Bosch para la manipulación de baterías.

 

Para paquetes de baterías más complejos que requieren acceso simultáneo desde varios lados, Seica ha presentado el Pilot BTV (Vertical Battery Tester), un sistema de sonda volante que proporciona acceso automático en tres lados. Esto es particularmente útil para paquetes de baterías "dobles" que necesitan pruebas de unión en ambos lados y acceso al BMS en el lado SUPERIOR.

 

Para laboratorios de prototipos o líneas de producción con una gran mezcla de productos y volúmenes medianos, Seica ofrece el Pilot H4 BT. Este sistema tiene cuatro ejes independientes para realizar pruebas rápidas y paralelas de dos uniones a la vez, con un área de prueba de 800 x 540 mm y una velocidad de más de 600 pruebas por minuto.

 

 OBC e inversor

El cargador de a bordo (OBC) es otro componente vital en los vehículos eléctricos, responsable de cargar el paquete de baterías mientras el vehículo está parado. Convierte el voltaje de CA de la estación de carga en voltaje de CC para cargar las baterías. Dado que el OBC maneja altos niveles de potencia, el sistema de prueba debe ser capaz de evaluar operaciones de alto y bajo voltaje.

 

El módulo inversor funciona en la dirección opuesta, convirtiendo el voltaje de CC del paquete de baterías en CA trifásica para alimentar el motor eléctrico. También regula el voltaje para controlar la potencia y el par del motor y recupera energía durante el frenado a través del sistema de recuperación de energía cinética.

 

Para probar exhaustivamente estos módulos, Seica ha desarrollado dos sistemas especializados basados en la plataforma Compact MULTI. El módulo OBC se prueba utilizando un programa de prueba específico y un dispositivo que lo conecta al sistema Compact Multi-OBC. Este sistema verifica el aislamiento de alto voltaje del módulo, realiza pruebas de seguridad, genera voltaje de CA monofásico/trifásico de alta potencia, monitorea y controla la salida de energía y simula el paquete de baterías.

 

También calibra sensores internos a plena potencia, realiza pruebas de fugas y verifica la integridad de los conectores (por ejemplo, comprobando si hay clavijas dobladas). El sistema se integra fácilmente con el MES (sistema de ejecución de fabricación) de la empresa.

 

Para el módulo inversor, Seica ofrece el Multi-Inverter compacto. El proceso de prueba es similar al del OBC, pero en lugar de simular el paquete de baterías, el sistema simula el motor eléctrico. El enfoque innovador de Seica utiliza una carga trifásica equilibrada con una conexión en Y inductiva, lo que minimiza la disipación de potencia y permite realizar pruebas a la corriente máxima, lo que genera un importante ahorro de energía.

 

Motor eléctrico

El motor eléctrico transforma la energía eléctrica del inversor en potencia mecánica para impulsar las ruedas del vehículo, con velocidades que pueden superar fácilmente las 20.000 RPM. Para probar todos los aspectos del rendimiento de un motor eléctrico se necesitan conocimientos especializados y un sistema de prueba diseñado a medida.

 

La prueba implica el uso de un sensor de par en el eje del motor para medir la fuerza que el motor puede soportar a la velocidad máxima. Para simular la carga (el vehículo), se utiliza un segundo motor, que actúa como carga (motor de frenado) o como motor para simular el frenado regenerativo. En esta configuración, el motor de frenado funciona como un generador, que devuelve la energía generada a la red eléctrica para ahorrar energía. La prueba también evalúa la eficiencia del motor comprobando la pérdida de energía y detectando cualquier vibración. Al simular el frenado regenerativo, el motor bajo prueba actúa como un generador, que envía energía de vuelta al inversor para recargar la batería.

 

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Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                                            2025.-