Métodos de ensayo térmicos para aplicaciones de movilidad eléctrica

Cada día que pasa estamos un poco más cerca de esa movilidad sostenible tan deseada, a base de energías verdes y vehículos eléctricos autónomos. En las carreteras y también surcando los mares y los cielos.

Esta visión de la movilidad aglutina un montón de nuevas tecnologías, como baterías de alta potencia y alta capacidad, pilas de combustible o motorizaciones híbridas y eléctricas. Para todo ello se necesita una nueva manera de realizar ensayos capaces de proporcionar medidas precisas, empleando nuevos tipos de sensores y de señales. Y una amplia capacidad para analizar los datos asociados a soluciones y combinaciones de propulsión muy variadas.

HBK es el líder del mercado de soluciones de ensayo y medida, sonido y vibraciones y pruebas ambientales. Conocemos perfectamente los requisitos y las necesidades de las distintas industrias que trabajan en el desarrollo de vehículos, en términos de innovación, lanzamiento de productos y resolución de problemas. Resulta que la gestión térmica es un aspecto crucial para los vehículos modernos, en el contexto de la transición de los motores de combustión a las soluciones híbridas o totalmente eléctricas.

En el pasado, en un motor de combustión interna de seis cilindros con su sistema de escape podía haber hasta 300 puntos de medida de temperatura, que había que combinar con medidas altamente dinámicas de par, velocidad y presión. En cambio, en un motor eléctrico actual las medidas se centran en la batería de alta potencia/almacenamiento y en los componentes asociados. Básicamente, un motor eléctrico se cubre con unos pocos canales.

¿Qué son los ensayos térmicos?

Los ensayos térmicos son una disciplina ampliamente asentada. Este tipo de ensayos se compone de varias fases. Se emplean para caracterizar la tensión ambiental, para hacer verificaciones de rendimiento, para probar el comportamiento de arranque, para hacer verificaciones térmicas de componentes y para muchas otras pruebas de células, pilas y motores.

Los ensayos térmicos de las motorizaciones eléctricas actuales se centran en los siguientes aspectos:

  • Pruebas de la fiabilidad a largo plazo de las baterías, ciclos rápidos y lentos de carga y descarga, autodescarga, etc.
  • Medidas dinamométricos de potencia, eficiencia o realimentación de carga inversa.
  • Ensayos ambientales en cámaras climáticas (vibración combinada con condiciones de temperatura, humedad, presión, etc.), con perfiles de ensayo orientados a situaciones de uso específicas.
  • Ensayos de impactos y malas condiciones de uso (sobrecargas, cortocircuitos, sobrecalentamiento, tensión mecánica, defectos, etc.).
  • Mediciones en vehículos, ensayos en condiciones de calor (verano) o frío (invierno) con transitorios.

Los ensayos térmicos aportan un mayor grado de confianza en el diseño, garantizan un funcionamiento correcto y una buena gestión térmica en todo tipo de condiciones. En definitiva, permiten comprobar la solidez y la durabilidad térmica. Sirven para verificar que el rendimiento se encuentra dentro de las especificaciones, miden parámetros críticos y también contribuyen a confirmar los supuestos que se emplean en las modelizaciones térmicas.

Pero, aunque los ensayos térmicos tienen una metodología bien establecida, se enfrentan a nuevos desafíos y requisitos. Igualmente, deben acomodar novedades en los flujos de trabajo que afectan a la seguridad eléctrica, a la flexibilidad de configuración de las pruebas, a nuevos tipos de sensores y señales o a requisitos dinámicos más exigentes.

La gestión térmica de las baterías

Como ya hemos apuntado, cada nuevo desarrollo trae consigo nuevos desafíos. El rendimiento de las baterías de iones de litio empeora notablemente a temperaturas extremas. Eso obliga a adoptar complejos sistemas de gestión térmica, con componentes auxiliares y sistemas de refrigeración de aire. Para ponerlos a punto se requieren ensayos exhaustivos y, sobre todo, mucho trabajo de validación térmica.

Las pruebas de fiabilidad a largo plazo de las baterías cubren numerosas disciplinas: mecánica, electricidad, cableado, electrónica y software, en todas las posibles situaciones de uso y durante la vida útil calculada. Hay ensayos centrados en los ciclos de carga y descarga —lentos o rápidos— y en la autodescarga de las baterías. Y, como las baterías son con frecuencia el elemento central de las motorizaciones eléctricas, existe una necesidad perentoria de mejorar sus prestaciones y su vida útil.

¿Cuáles son los principales requisitos de una batería? Que su funcionamiento sea seguro, que su producción sea sostenible y, por supuesto, que el coste sea asumible. ¿Y cuáles son las expectativas de vida útil? Un mínimo de 10 años, 450.000 kilómetros o tiempos de recarga doméstica en torno a 5 horas. Asimismo, es importante la reutilización de las baterías y su segunda vida (por supuesto, también en términos de rendimiento).

La gestión térmica durante la vida útil de una batería tiene una influencia crucial en aspectos como las prestaciones de velocidad, la seguridad o el precio, entre otros muchos. Por ese motivo, la tensión térmica se ensaya en un gran número de puntos de medida de temperatura. Siempre interesa obtener resultados altamente precisos, que permitan optimizar al máximo todos los factores en juego.

De los sensores al análisis

Nuestra solución integral le ayuda a validar y optimizar el almacenamiento de energía en las baterías.

Ensayos térmicos de baterías

No es fácil identificar las condiciones óptimas. La temperatura debe ser lo suficientemente alta pero a la vez lo bastante baja como para que la batería sea funcional y segura, y para que soporte las condiciones del vehículo a lo largo de su vida. Si una batería se calienta demasiado o si el entorno es muy frío, pierde funcionalidad. Incluso puede dañarse.

Las simulaciones térmicas por ordenador no cubren todas las posibles arquitecturas o condiciones. Por tanto, sigue siendo necesario hacer pruebas con un sistema físico o un espécimen real en un entorno de ensayo genuino.

La monitorización del comportamiento de las baterías en cámaras climáticas proporciona datos importantes en ese sentido. Estos procedimientos de ensayo en condiciones ambientales controladas ayudan a caracterizar el efecto de las temperaturas extremas. Gracias a ellos, se puede determinar qué sistemas de refrigeración son los más adecuados para cumplir los objetivos de uso y de prestaciones de los clientes. Otro aspecto que se estudia —y que también permite mejorar la gestión térmica general— es el confort térmico y la interacción de la batería con el conjunto del sistema eléctrico.

Expertos con una larga tradición en ensayos térmicos

HBK lleva muchos años desarrollando y suministrando componentes para cadenas de medida de validación térmica, que pueden ser eléctricas, ópticas o combinadas (híbridas).

Al fin y al cabo, cuando se genera potencia se desprende calor y eso es algo con lo que ya tenían que lidiar los motores de combustión. Cuando la movilidad empezó a electrificarse y surgió la necesidad de desarrollar nuevos métodos para los ensayos térmicos, HBK hizo un estudio de los procesos existentes con el fin de refinarlos desde una nueva perspectiva. De este modo, HBK ha sabido adaptar toda su experiencia y sus conocimientos para convertirse en un especialista de los ensayos térmicos del sector de la movilidad eléctrica, incluidos los ensayos de baterías.

El sistema de HBK para los ensayos térmicos de unidades de almacenamiento de energía mide parámetros tales como la tensión, la corriente, la temperatura, la humedad, el caudal de refrigeración y la presión. Además, incorpora un sistema de gestión “talk-to-battery” capaz de comunicarse con la electrónica de la batería a través de un protocolo digital. Igualmente, realiza cálculos de potencia y eficiencia, monitoriza puntos calientes y ofrece funciones de visualización y análisis. El sistema dispone de funciones automáticas de seguridad y control de los ensayos.

Una solución de adquisición de datos de HBK obtiene lecturas de termopares situados en el exterior de la cadena cinemática eléctrica. También permite estudiar el interior de la batería, con medidas de voltajes de celda, voltaje total y corriente. La solución cuenta con entradas universales para señales de caudal, presión, humedad y otros parámetros necesarios.

HBK es un proveedor de soluciones completas y asequibles para ensayos y análisis térmicos, mecánicos y eléctricos.

Soluciones para ensayos térmicos: aspectos de seguridad

Una de las ventajas más importantes de la solución de HBK es que garantiza una seguridad máxima:

  • HBK cumple la norma de seguridad eléctrica EN61010, con certificación VDE de todas las entradas.
  • Se trata de una solución no eléctrica, lo cual aporta una seguridad adicional.
  • Es inmune al ruido electromagnético y está totalmente aislada.
  • Sistema de adquisición de datos escalable, flexible y multifísico, para medir todas las señales de forma sincronizada.
  • Un potente software permite visualizar los datos online en cualquier formato gráfico.
  • Procedimientos automáticos (por ejemplo, estimulación): garantizan la reproducibilidad de los resultados y acortan los tiempos de procesado.
  • Integración en tiempo real con protocolos de comunicaciones en paralelo y alta velocidad de transferencia de datos.
  • Una misma solución, escalable conforme a las necesidades, puede emplearse en bancos de ensayos, laboratorios y ensayos móviles.

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