Medición y análisis de baterías para vehículos eléctricos

generic electric car with battery visible x-ray charging at public charger in city parking lot with lens flare 3d render

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. Como líder del mercado en pruebas y mediciones, pruebas de potencia eléctrica, sonido y vibración, y pruebas ambientales, HBK ha obtenido información temprana sobre los muchos requisitos y necesidades de las industrias, como la automotriz y los vehículos comerciales, en términos de validar el almacenamiento de energía innovador y los conceptos generales de NEV.

Las baterías con voltajes de hasta 1000 V en vehículos modernos requieren una enorme gama de pruebas, ampliadas por medidas de seguridad especiales en el manejo de voltajes eléctricos peligrosos y el litio como elementos centrales del proceso electroquímico. HBK cubre la mayoría de las magnitudes de medida que son de interés en los ensayos:

Voltaje eléctrico, corriente y potencia para análisis de rendimiento y eficiencia
Pruebas de cortocircuito de seguridad y pruebas de carga optimizadas
Fuerza, deformación, presión y peso para análisis de durabilidad mecánica y embalaje
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 soluciones de tren motriz electrificado de hoy, todos los aspectos desde la batería de celda única hasta los paquetes de baterías están cubiertos por pruebas virtuales (simulación) y físicas con el siguiente alcance típico:

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.
Pruebas ambientales que ejecutan perfiles de carga mecánica orientados a casos de uso específicos en vibradores, combinadas con ciclos de temperatura en cámara climática hacia arriba y hacia abajo
Ensayos de impactos y malas condiciones de uso (sobrecargas, cortocircuitos, sobrecalentamiento, tensión mecánica, defectos, etc.).
Pruebas de integridad estructural, comenzando con pruebas de vehículos móviles para la adquisición de datos de carga en carretera (RLDA), pruebas de verano/calor, invierno/frío con transitorios

Celdas 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.

Battery Structural Testing

The battery is among the largest and heaviest part of modern electric vehicles. Overall lightweight design and flexible packaging need to be balanced. Optimal weight, structural durability, and overall life-cycle estimation are key parameters that need to be validated before the start of production. HBK is among the leading supplier of seamless measurement chains not only for measurement and physical structural durability testing, but also virtual structural durability testing and lifetime estimation.

Prueba de cortocircuito de pyrofusible de batería

La calificación de los interruptores automáticos y pyrofusibles de baterías de tracción de alta potencia requiere la capacidad de medir corrientes en el rango de unos pocos kiloamperios con una tasa de muestreo extremadamente alta para capturar la corriente pico. También exige la capacidad de medir las corrientes de unos pocos amperios con precisión y con alta dinámica. Y debido al alto voltaje, altas corrientes y tiempos de subida extremadamente rápidos, se imponen altas exigencias al sistema DAQ utilizado en cuanto a inmunidad EMI, protección contra sobretensiones y aislamiento. Una forma de realizar pruebas de cortocircuito es utilizar sensores de corriente no lineales y grabadores de datos Genesis HighSpeed.

Pruebas de celdas de bolsa: Pruebas mecánicas de baterías

Los transductores de fuerza pueden ayudar a comprender cuán rápidamente se desvanecen las capacidades de las baterías, ya que se pueden utilizar para evaluar el estrés en las celdas de batería durante los ciclos de carga/descarga.

En la llamada prueba de celda de bolsa, un sensor de fuerza mide el estrés que ocurre dentro de la batería bajo diferentes condiciones de carga. Este estrés es relevante para el rendimiento de la batería, ya que puede llevar a la disminución de la capacidad o, en situaciones extremas, a la falla completa de la batería.

Aprenda sobre las características más relevantes del sensor de fuerza para pruebas de baterías mecánicas. El documento técnico también describirá una forma sencilla de estimar la incertidumbre de medición en las pruebas de celdas pouch.

Lea el documento técnico

Calificación y verificación eléctrica bajo condiciones de carga dinámica

Antes de que una batería de tracción se introduzca en el mercado, es inevitable la calificación y verificación de esos sistemas. Un banco de pruebas adecuado debe cubrir un alto rango de voltaje y corriente, así como una alta dinámica, y debe ser capaz de ejecutar las pruebas necesarias de la manera más realista posible y de forma orientada a la aplicación. Para este propósito, las técnicas de medición deben ser altamente precisas y dinámicas.

Cómo se puede lograr esto, y cómo el equipo de HBK puede ayudar aquí, puede averiguarlo aquí.

Gestión térmica de las baterías

Las baterías son el núcleo y el componente único más grande de un vehículo eléctrico moderno impulsado por baterías (BEV) o un nuevo vehículo eléctrico (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.

From Sensors to Qualified Data

Our end-to-end solution helps you validate and optimize HV battery storage – thermally, electrically, and mechanically.

Thermal Analysis of High-voltage Batteries

Computer-based thermal simulation done by Computational Fluid Dynamics (CFD) models serves as an important step towards optimal system design. Real physical testing, however, is still required, as simulation considers not all architectures, integration aspects or parameters.

While battery performance is monitored in climate chambers, important data is gathered. In this environmental and performance test routine, the impact of extreme temperatures can be investigated. It becomes apparent which cooling systems are the best to reach customer use and performance targets. The load case can be scaled and cover all integration levels − from component testing to the entire drivetrain − to optimize the entire system and thermal management before starting production and series.

Experto de larga data en pruebas térmicas

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

Los motores de combustión ya deben lidiar con el hecho de que la potencia genera calor. 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 de prueba de baterías HBK: Beneficios

Benefíciese de las soluciones de HBK y asegure la máxima flexibilidad y protección de la inversión:

La seguridad primero: HBK cumple con el estándar de seguridad eléctrica EN61010
Sistemas DAQ multi-física escalables y flexibles de forma gratuita para muchos dominios de prueba diferentes: eléctricos, térmicos, mecánicos, ...
Aislamiento total de los canales hasta 1500 V CC, para medidas con altos potenciales.
Rangos de entrada de hasta +/- 1500 V, con clase de sobretensión CAT III
Señal inmune al ruido electromagnético.
Digitalizadores aislados opcionales para mayor aislamiento e inmunidad al ruido
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.
Adquisición de datos en banco, laboratorio y móvil cubiertos por una única solución, escalable a sus necesidades

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Medición y análisis de baterías para vehículos eléctricos

Nuevas tecnologías de propulsión y nuevos requisitos de ensayo

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

Celdas de combustible

Battery Structural Testing

Prueba de cortocircuito de pyrofusible de batería

Pruebas de celdas de bolsa: Pruebas mecánicas de baterías

Calificación y verificación eléctrica bajo condiciones de carga dinámica

Gestión térmica de las baterías

From Sensors to Qualified Data

Thermal Analysis of High-voltage Batteries

Experto de larga data en pruebas térmicas

Soluciones de prueba de baterías HBK: Beneficios

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