Ensayos mecánicos de baterías con sensores de fuerza

1. Motivación

Las baterías de iones de litio que se utilizan como fuentes de energía en los vehículos a motor consisten en celdas de iones de litio generalmente con ánodos de grafito. Cuando la batería se recarga, se almacenan iones de litio en esos ánodos de grafito, lo que conlleva un aumento de volumen.

En 2014, Florian Grimsmann describió un método para medir los cambios en el espesor de la celda durante los procesos de carga y descarga. También fue capaz de medir variaciones en las dimensiones de las celdas de una batería asociadas a cambios irreversibles en el espesor (por deposición de litio metálico o lithium plating), a temperaturas muy bajas o en presencia de corrientes de carga muy altas.

Pulse en la imagen para descargar el artículo en pdf

Por tanto, los ciclos de carga y descarga de una batería de iones de litio producen efectos mecánicos tanto reversibles como irreversibles. Últimamente existe un interés creciente por medir las variaciones en las dimensiones de las celdas, las fuerzas resultantes de los ciclos de carga y descarga, y el efecto de la deposición de litio metálico.

Existen sensores capaces de medir estas fuerzas de manera fiable, y de funcionar con seguridad incluso en condiciones ambientales desfavorables y durante periodos muy largos. Cuando se somete una celda a un ensayo de este tipo, se conecta en serie con el transductor de fuerza.

2. Condiciones básicas de los ensayos de baterías

Los ensayos mecánicos de baterías suelen llevarse a cabo en condiciones de temperatura controladas con precisión; por ejemplo, en cámaras climáticas que pueden alcanzar temperaturas de menos de 0 °C o de hasta 80 °C.

Fig. 1: Diseño básico de un montaje de ensayo para medir el efecto de la fuerza en las celdas de una batería

Aparte de fuerzas, durante los ciclos de carga y descarga también se desprende calor. Es de esperar que este gradiente de temperatura afecte al transductor de fuerza, que está en contacto mecánico directo con la muestras objeto del ensayo. Los ensayos pueden durar mucho tiempo, sin la posibilidad de hacer una puesta a cero de la cadena de medida. Además, deben detectarse de manera fiable variaciones de fuerza pequeñas, por lo que es importante que la incertidumbre de medida sea reducida.

Asimismo, se suelen medir y registrar otras variables, como la corriente y la tensión eléctrica o el desplazamiento (deformación de las celdas). Igualmente, la información sobre la temperatura es significativa.

Para obtener estas medidas se emplea típicamente una estructura de transmisión de fuerza. La celda objeto del ensayo se conecta mecánicamente a un transductor de fuerza que se encarga de medir la deformación. La estructura de transmisión debe cumplir requisitos de rigidez muy estrictos. La Figura 1 muestra un ejemplo de configuración.

3. Transductores de fuerza de cizallamiento con simetría radial (series U10M y C10 de HBK)

La Figura 2 muestra una fotografía y un modelo de elementos finitos del cuerpo de medición de un transductor de fuerza de cizallamiento con simetría radial (se utiliza como ejemplo un transductor U10M).

La fuerza se introduce en la rosca central interior del U10M [1] y se transmite a la brida exterior [3] a través de los radios [2]. Esta brida exterior puede atornillarse a un adaptador o montarse directamente en un elemento constructivo (Fig. 1).

Fig. 2: Transductor de fuerza de cizallamiento con simetría radial U10M. Cuerpo de deformación (izquierda) y modelo de elementos finitos (derecha). Más detalles en el texto principal.

Fig. 3: Sensor de fuerza de cizallamiento con simetría radial C10, para fuerzas de compresión. Versiones con adaptador de pie atornillado (izquierda) y brida de medición (parte derecha).

La aplicación de la fuerza produce una tensión mecánica en los radios que, a su vez, da lugar a una deformación. Las galgas extensométricas están instaladas formando un ángulo de 45º, para medir la deformación resultante de la tensión de cizallamiento. El diagrama de la Figura 4 muestra el campo de deformación. No importa en qué punto de la rejilla de medición se produzca la deformación, lo cual favorece el uso de las galgas extensométricas.

Tampoco se producen máximos de deformación llamativos, a diferencia de lo que ocurre con otros principios de medición. No hay que olvidar que, precisamente, son las deformaciones máximas las que causan daños en las galgas extensométricas. De modo que el campo de deformación que puede obtenerse utilizando el principio de la fuerza de cizallamiento es especialmente favorable al uso de galgas extensométricas.

El modelo FEM muestra que, cuando se aplica una fuerza, solo se produce deformación en las zonas en las que hemos instalado las galgas extensométricas (ver Fig. 2, derecha); todas las demás tensiones mecánicas pueden despreciarse. Los puntos con las deformaciones más altas se indican en color rojo. Las zonas coloreadas en azul presentan tensiones mecánicas nulas o muy bajas. Como se puede observar, las deformaciones se concentran en la zona en donde están instaladas las galgas extensométricas. En conjunto, la deformación que produce la carga es muy pequeña. Dado que la rigidez es la relación entre la fuerza y el desplazamiento (es decir, la deformación que produce la aplicación de fuerza), los transductores de fuerza de cizallamiento con simetría radial tienen una rigidez muy elevada o, lo que es lo mismo, una deformación mínima en condiciones de carga.

Para estos transductores de fuerza, HBK utiliza exclusivamente galgas extensométricas de cromo-níquel, en lugar de las habituales galgas extensométricas de constantán. El constantán es un material más económico; sin embargo, el cromo-níquel tiene la ventaja de que ofrece una mayor sensibilidad y una deriva significativamente menor. El punto cero del sensor de fuerza se mantiene muy estable durante mucho tiempo.

Fig. 4: Transductor de fuerza de cizallamiento con simetría radial: campo de deformación en las rejillas de medición de las galgas extensométricas instaladas

Fig. 5: Transductor de fuerza de cizallamiento con simetría radial: estabilidad a largo plazo a alta temperatura (40 °C). Después de un periodo inicial, todos los transductores de fuerza presentan un comportamiento muy estable. Su deriva es muy baja y permite realizar medidas a lo largo de periodos de tiempo prolongados sin necesidad de ponerlos a cero.

Gracias a su mayor sensibilidad y a la existencia de un campo de deformación favorable, la señal de salida es muy elevada, superior a 4 mV/V en muchos modelos. Por tanto, las influencias de la temperatura y la deriva son relativamente bajas.

El diseño permite, además, soldar el sensor, que es hermético y presenta unas propiedades metrológicas excepcionales.

HBK ha realizado pruebas internas muy sofisticadas para caracterizar la estabilidad de los sensores y ha demostrado que la deriva típica del punto cero es de aproximadamente 200 ppm (con respecto al fondo de escala) a lo largo de 700 horas. Después de una deriva inicial, el cambio en la señal del cero de los transductores de fuerza es extremadamente pequeña incluso a altas temperaturas, lo cual, a su vez, permite realizar mediciones de fuerza no adulteradas.

4. Requisitos de un transductor de fuerza. ¿Por qué interesa utilizar transductores de fuerza de cizallamiento en esta aplicación?

Como ya se ha dicho, los ensayos se llevan a cabo durante tiempos prolongados y en condiciones exigentes. Los transductores deben cumplir los requisitos siguientes:

Alta rigidez del sensor
Baja deriva del punto cero incluso durante un ensayo prolongado y a alta temperatura
Insensible a los gradientes de temperatura
Hermético, para minimizar las influencias ambientales (por ejemplo, debido a la condensación)
Precisión excelente incluso con mínimas variaciones de fuerza

El transductor de fuerza de cizallamiento con simetría radial C10 cumple todos estos requisitos.

Rigidez: Los sensores de fuerza de cizallamiento se caracterizan por desplazamientos muy pequeños, de modo que la influencia del sensor en el resultado sea inferior a la del resto de la configuración.

Baja deriva: Los transductores C10 tienen una señal de salida de 4 mV/V. La influencia de la deriva es pequeña, ya que se aplica al fondo de escala. Además, las galgas extensométricas están fabricadas en CrNi y son especialmente estables, lo cual se traduce en una excelente estabilidad del punto cero. A petición, se puede facilitar un informe específico que ayuda a estimar la deriva durante un año.

Insensibilidad a los gradientes de temperatura: Los sensores de fuerza de cizallamiento U10 y C10 de HBK incorporan ocho galgas extensométricas en cada puente. Estas galgas extensométricas están instaladas en cuatro barras de cizalladura (posiciones 1-4 en la Fig. 6). Las galgas extensométricas siempre se instalan en posiciones opuestas dos a dos, de modo que una mida deformación con signo positivo y la otra con signo negativo. La ventaja es que la influencia de la temperatura se compensa en cada uno de los radios, con lo que consigue un sensor altamente insensible a los gradientes de temperatura.

Estanqueidad garantizada: todos los transductores C10 para fuerzas nominales superiores a 10 kN están soldados y tienen un grado de protección IP68, con opción de "cable permanentemente integrado". Su funcionamiento es estable incluso en presencia de humedad intensa. Los transductores de fuerza C10 se encuentran disponibles con clases de precisión de 0,02 y 0,05, y figuran entre los más precisos de su clase.

Fig. 6: Posiciones de las galgas extensométricas en un sensor U10/C10. En cada una de las posiciones 1-4 se instalan dos galgas extensométricas; una mide fuerza positiva y la otra fuerza negativa. Las galgas extensométricas se montan en los orificios mediante adhesivos. La figura muestra los puntos en los que se producen tensiones mecánicas cuando se aplica una carga: precisamente en esos puntos se instalan las galgas extensométricas (zonas coloreadas de rojo en los radios).

5. Evaluación de la incertidumbre de medición

Para evaluar la incertidumbre de medición utilizaremos, como ejemplo, un transductor C10 que trabaja a temperatura constante de 40 °C durante 500 días.

El sensor tiene los parámetros siguientes:

Histéresis: 0,04% de F_nom

Linealidad: 0,035% de F_nom

Error de sensibilidad: 0,1% de la lectura, con la salida nominal ajustada

Coeficiente térmico del punto cero: 0,0750 %/10 K

Coeficiente térmico de sensibilidad: 0,015 %/10 K

Deriva/año: 0,1 %/año, según estudios internos de HBK

Fluencia relativa durante 30 minutos: 0,02% de la lectura

Condiciones ambientales

Condiciones de temperatura:

Diferencia de temperatura con respecto al valor de referencia: 40 °C (para TCC)
Estabilidad térmica: 1 °C (para TCcero)

Introducción de fuerza:

Introducción de fuerza por la parte central con una tolerancia muy estrecha

Supongamos una situación en donde la respuesta de fuerza aumenta de forma lineal a lo largo de la prueba, desde un valor inicial de aprox. 100 N hasta un valor final de 100 kN. Se utiliza un transductor de fuerza C10/100KN de HBK.

Por lo tanto, es necesario calcular el error en diferentes puntos del gráfico de respuesta tiempo-fuerza. Para que el ejemplo resulte más sencillo, se asume que el aumento de la fuerza es lineal (0 N el primer día, 100 kN después de 500 días).

Los errores individuales relevantes se recogen en la tabla de la Figura 7.

Como ejemplo, se presenta el resultado correspondiente al día n.º 100, en el que la fuerza aplicada es de aproximadamente 20 kN.

Fig. 7: Hoja de cálculo de la incertidumbre de medición en un momento dado del ensayo (20 kN después de 100 días). Además de los errores de temperatura, se tiene en cuenta la deriva del sensor, el error de linealidad y la incertidumbre de la sensibilidad. Se repite el mismo cálculo en varios puntos del eje de tiempo.

Ahora, este mismo cálculo puede repetirse para todos los puntos de medición. El resultado se presenta en la tabla de más abajo. Lo más llamativo es que el error de medida es de alrededor del 1% del valor medido, a pesar de que las condiciones de medición son complicadas. Este error se aplica al valor absoluto de la fuerza. Las variaciones de fuerza (por ejemplo, de un ciclo de carga a otro) pueden detectarse con mayor precisión.

Por un lado, la incertidumbre de la medición va aumentando, puesto que la deriva también lo hace. Pero, por otro lado, se va incrementando la fuerza aumenta, con lo que la influencia relativa de la incertidumbre sobre la señal de medida se va reduciendo, en las condiciones de nuestro ejemplo.

Fig. 8: Tabla de resultados del análisis de la incertidumbre de medición, con un incremento lineal de la fuerza 100 N a 100 kN a lo largo de 500 días

6. Conclusión

Cuando se llevan a cabo mediciones de fuerza de larga duración en baterías eléctricas, el sensor empleado debe cumplir requisitos muy estrictos, puesto que cualquier fallo del transductor de fuerza puede retrasar los proyectos y acarrear costes considerables. Los sensores de fuerza de cizallamiento herméticos, como el C10 de HBK, con una potente señal de salida y una precisión muy alta, cumplen con seguridad los requisitos más exigentes.