Medición y análisis de baterías para aplicaciones de movilidad eléctrica

Cada día que pasa parece que estamos un poco más cerca de esa visión de una movilidad más sostenible, basada en energías verdes y medios de transporte electrificados (NEV, BEV). Y no solo medios terrestres sino también acuáticos y aéreos.

La protección del clima mediante "soluciones sostenibles" de movilidad susceptibles de reducir las emisiones de CO2 es una megatendencia que está dando alas a tecnologías tales como las baterías de alta capacidad/alta potencia o las pilas de combustible a base de hidrógeno. Abandonar los motores de combustión también exige un nuevo planteamiento de las pruebas y la medición, con nuevos conceptos de seguridad, nuevos entornos de pruebas, nuevos tipos de sensores y tecnologías de medición, y mejoras en el análisis de los datos.

Nuevas tecnologías de propulsión y nuevos requisitos de ensayo

En HBK estamos sensibilizados con una movilidad verde y sostenible, y llevamos tiempo buscando respuestas a los desafíos asociados al desarrollo y las pruebas de los sistemas móviles de almacenamiento de energía para vehículos. Somos el líder del mercado en ensayos y mediciones, sonido y vibración y ensayos ambientales. Por eso, conocemos a fondo los requisitos y las necesidades de numerosos sectores, como el del automóvil y los vehículos comerciales. Y tenemos mucho que aportar a la validación de sistemas de almacenamiento de energía innovadores o de vehículos de nuevas energías (NEV) completos.

Las baterías de alta tensión (HV) de los vehículos más avanzados requieren un espectro enorme de pruebas. Además, deben cumplir medidas de seguridad especiales ya que, por un lado, hay en juego tensiones eléctricas peligrosas y, por otro, las baterías incorporan litio como elemento básico del proceso electroquímico. HBK cubre la mayoría de las magnitudes de medida que son de interés en los ensayos:

  • Tensión y corriente eléctrica, para los análisis de rendimiento y eficiencia
  • Fuerza, deformación, presión y peso, para los análisis de durabilidad mecánica y de distribución de los componentes
  • Temperatura, flujo y presión, para los análisis de durabilidad térmica

En los ensayos de motores de combustión se mide la temperatura hasta en 300 puntos. Además, se realizan mediciones altamente dinámicas de par, velocidad y presión. Con la integración de baterías y pilas de combustible, los canales de medición se dedican mayoritariamente al sistema de almacenamiento de energía, que es el elemento más importante de una cadena cinemática moderna.

¿Por qué se mide? ¿Y por qué se analizan los datos?

En las cadenas cinemáticas electrificadas de la actualidad, el análisis térmico de las baterías de alta tensión (HV) se lleva a cabo mediante una combinación de simulaciones y ensayos físicos, como los siguientes:

  • Ensayos de fiabilidad a largo plazo de las baterías, con especial atención a los ciclos de carga/descarga (lentos, rápidos), la autodescarga (con medición de tensiones y temperaturas en las células individuales) y al análisis general de potencia.
  • Ensayos dinamométricos de potencia, eficiencia y realimentación de carga inversa.
  • Ensayos ambientales en vibradores, con perfiles de carga mecánica que reproducen situaciones de uso específicas, combinados con ciclos de ascenso y descenso de temperatura en cámaras climáticas.
  • Ensayos de impactos y malas condiciones de uso (sobrecargas, cortocircuitos, sobrecalentamiento, tensión mecánica, defectos, etc.).
  • Pruebas móviles de vehículos para la adquisición de datos de carga en carretera (RLDA), ensayos en condiciones de calor (verano) o frío (invierno) con transitorios.

Pilas de combustible

HBK tiene importantes clientes en el sector de los vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV), que utilizan sus soluciones de ensayo y medición para medir pilas de células de combustible, reformadores (intercambiadores de calor, catalizadores) y otros componentes tales como bombas. También se utilizan en las baterías encargadas de almacenar la energía que se recupera durante la conducción.

Gestión térmica de las baterías

Las baterías de alta tensión son el componente individual más importante de los vehículos eléctricos de batería (BEV) y de los vehículos de nuevas energías (NEV). La clave consiste en determinar y validar los parámetros óptimos para la configuración.

El rendimiento de las baterías de iones de litio empeora a temperaturas extremas. Eso obliga a emplear sistemas de gestión térmica complejos, con elementos auxiliares y vías de refrigeración por aire.

Si las baterías alcanzan temperaturas demasiado altas pueden sufrir daños permanentes; incluso pueden llegar a incendiarse (fuga térmica o embalamiento térmico). Por ello, los ensayos de validación térmica son vitales dentro de los programas generales de pruebas.

Uno de los requisitos más importantes es la seguridad de funcionamiento. Las expectativas en torno a las baterías eléctricas son variadas: se espera que duren al menos 10 años o 450.000 kilómetros o que puedan recargarse en un tiempo de 5 minutos empleando supercargadores. Otra cuestión importante es la reutilización de las baterías y su segunda vida.

La gestión térmica de la vida de la batería afecta de manera decisiva a aspectos fundamentales, como las prestaciones de velocidad, la seguridad y el precio, entre otros. En consecuencia, los ensayos térmicos deben proporcionar datos de un gran número de puntos de medida, y con exigencias muy estrictas. Por ejemplo, las zonas de medida tienen dimensiones muy reducidas y la seguridad debe ser máxima, lo que implica utilizar líneas de sensores con doble aislamiento, canales eléctricamente aislados y conectores sin contacto. Por supuesto, también siguen siendo aplicables otros requisitos más clásicos, como una exactitud máxima de la señal y la supresión del ruido.

Desde sensores hasta datos de calidad

Nuestra solución integral ayuda a validar y optimizar los aspectos térmicos, eléctricos y mecánicos de las baterías de alta tensión.

Análisis térmico de baterías de alta tensión

La simulación térmica por ordenador mediante modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD) es una importante herramienta de optimización del diseño de un sistema. No obstante, los ensayos físicos reales siguen siendo necesarios, ya que las simulaciones no tiene en cuenta todas las arquitecturas, aspectos de integración o parámetros.

La monitorización del rendimiento de las baterías en cámaras climáticas permite recopilar datos importantes y estudiar el efecto de las temperaturas extremas. Este tipo de ensayos sirven también para determinar qué sistemas de refrigeración son los mejores para alcanzar los objetivos de uso y prestaciones del cliente. El estudio de las cargas se puede extender a todos los niveles de integración, desde ensayos de componentes hasta cadenas cinemáticas completas. El objetivo no es otro que optimizar la gestión térmica del sistema completo antes de pasar a la producción en serie.

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.

Ventajas de las soluciones para ensayos de baterías de HBK

Benefíciese de las soluciones de HBK y trabaje con la máxima flexibilidad, protegiendo su inversión:

  • Seguridad ante todo: HBK cumple la norma de seguridad eléctrica de equipos de medida EN 61010, con certificación VDE.
  • Sistema de adquisición de datos multifísico, escalable y flexible, para pruebas muy variadas: eléctricas, térmicas, mecánicas, etc.
  • Aislamiento total de los canales hasta 1500 V CC, para medidas con altos potenciales.
  • Señal inmune al ruido electromagnético.
  • Un concepto de software abierto muy potente: desde software listo para utilizar hasta integración en tiempo real.
  • Adquisición y análisis de datos en un PC en paralelo a la integración en tiempo real con el banco de ensayos.
  • Una misma solución, escalable según las necesidades, resulta idónea para adquirir datos en bancos de ensayos, en laboratorios o en aplicaciones móviles.

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