Cámaras climáticas para ensayos sobre celdas y baterías de Li-Ion

Las tecnologías de almacenamiento de energía han evolucionado con gran rapidez en los últimos años, presentando un reto tecnológico en la búsqueda de la mayor densidad de energía posible con el menor peso y tamaño, la carga rápida… Y su aplicación en los vehículos eléctricos e híbridos es una clara muestra de este objetivo, buscando baterías más potentes y ligeras que están sometidas a diferentes condiciones ambientales durante su uso. Para conocer con precisión su comportamiento y seguridad deben ser ensayadas en esas mismas condiciones ambientales o incluso más exigentes. La tecnología de Li-Ion es la que actualmente ha alcanzado los mejores resultados de densidad de energía, y continúa evolucionando.

Para hacernos una idea de la importancia de esta tecnología de baterías, se prevé que su mercado pase desde los 10.000 millones de euros en 2010 a los 43.000 en 2020. Con sus diferentes variantes, es la tecnología que se está utilizando actualmente en la fabricación de baterías para todo tipo de aplicaciones, desde dispositivos móviles a automóviles. Sin embargo, pueden presentar problemas en su manipulación y utilización (golpes, aplastamiento, penetración, sobrecarga, cortocircuitos…) que pueden provocar riesgos para los usuarios, como recalentamientos inesperados, emisiones de gases inflamables, pérdida de líquido… Para evitar daños a los usuarios finales, durante su diseño y desarrollo, las celdas y baterías deben ser probadas en recintos equipados con elementos de seguridad acordes al tipo de ensayos/materiales/cantidades utilizados.

Es crucial que al diseñar baterías o productos que se alimentan de ellas, los fabricantes presten especial atención a los requisitos de seguridad recogidos en las normas ONU ST/SG/AC.10/27/add.2.; ST/SG/AC.10/11 ‘Recomendaciones Relativas al Transporte de Mercancías peligrosas’, UN/DOT 38.3. En el caso del vehículo eléctrico, la Regulación 100, ‘Disposiciones uniformes relativas a la homologación de vehículos en relación con los requisitos específicos del grupo motopropulsor eléctrico’.

Las últimas actualizaciones de las normas de equipos de Tecnología de la Información (norma IEC 60950) y equipos electromédicos (IEC 60601) destacan la importancia de las baterías incluidas en este tipo de dispositivos, no por su tensión, que habitualmente no es peligrosa, sino por la energía que pueden almacenar y lo que deriva de ella, como pueden ser riesgos térmicos, de explosión, etc. Ambas normas armonizadas en sus nuevas versiones, requieren que la batería cumpla su norma de producto desde el punto de vista de seguridad eléctrica. La norma IEC 62133, especifica los ensayos necesarios tanto en celdas individuales como para el pack de baterías a la hora de identificar qué elemento de la batería está certificado, pues, en ocasiones, el proveedor de baterías suministra un pack en el que solo están revisadas las celdas y no el pack completo.

Con respecto a la norma ONU ST/SG/AC.10/27/add.2.; ST/SG/AC.10/11, en su apartado 38.3 se recogen las pruebas a las que se deben someter las pilas y baterías de litio antes del transporte. Los ensayos recogidos en la normativa ONU, son muy similares a la normativa internacional EN 62133 pero de distinta severidad.

Las pruebas T1 a T5 deberán realizarse secuencialmente a la misma batería. Las pruebas T6 y T8 deberán realizarse a baterías que no hayan sido sometidas a ninguna otra prueba. La prueba T7 puede realizarse utilizando baterías no dañadas utilizadas anteriormente en las pruebas T1 a T5 con el fin de comprobar su funcionamiento sometidas a ciclos.

Test T.1: Simulación de altitud

También conocida como prueba de baja presión, la prueba de simulación de altitud simula el transporte de células y baterías en condiciones de baja presión (igual o inferior a 11,6 kPa y temperatura de +20 °C durante al menos 6 horas), como las experimentadas en una bodega de carga de un avión, o en una cabina de avión que experimenta una pérdida repentina de presión.

Para pasar esta prueba, la muestra no debe tener fugas, desmontarse, romperse o encenderse. Además, el voltaje del circuito abierto de la muestra analizada debe ser al menos el 90% del voltaje de la muestra, tal como se midió antes de la prueba.

Test T.2: Prueba térmica

La prueba térmica evalúa la integridad del sello y las conexiones eléctricas internas de una celda o batería después de la exposición a variaciones de temperaturas extremas y rápidas en una cámara climática con control de temperatura (entre +72 y -40 °C en menos de 30 minutos), con una permanencia en las temperaturas estables de al menos 6 horas (y se repite el clico 10 veces).

Para pasar esta prueba, la muestra no debe tener fugas, desmontarse, romperse o encenderse. Además, el voltaje de circuito abierto de la muestra analizada debe ser al menos el 90% del voltaje de la muestra, medida antes de la prueba.

Test T.3: Vibración

La prueba de vibración simula el efecto del tipo de vibración que podría aplicarse a una celda o batería durante el transporte. Durante la prueba, se somete a vibraciones con un barrido logarítmico entre 7 Hz a 200 Hz y vuelta a 7 Hz (con tiempo de recorrido, 15 minutos, 12 repeticiones de duración total 3 horas y a realizar en cada uno de los 3 ejes XYZ).

Para pasar esta prueba, la muestra no debe tener fugas, ventilarse, desmontarse, romperse o encenderse. Además, el voltaje del circuito abierto de la muestra analizada debe ser al menos el 90% del voltaje de la muestra, tal como se midió antes de la prueba.

Test T.4: Choque

La prueba de choque simula un posible impacto en una celda o batería durante el transporte. Durante la prueba, una muestra se asegura a un dispositivo de prueba y se somete a tres descargas calibradas tanto en dirección positiva como negativa en cada una de las tres posiciones de montaje diferentes, para un total de 18 descargas por separado.

Test T.5: Cortocircuito externo

Esta prueba sirve para determinar la capacidad de una celda o batería para soportar un flujo máximo de corriente sin consecuencias adversas Para esta prueba se debe calentar la batería hasta una temperatura estable de +54 °C (6 horas en baterías pequeñas y unas 12 horas en grandes). A continuación, se somete a la batería a un cortocircuito con una resistencia externa total inferior a 0,1 Ω. Se mantendrá el cortocircuito durante al menos 1 hora a partir del momento en que la envoltura externa de la batería vuelva a tener los +57 °C.

Para superar esta prueba, la temperatura externa de la muestra no debe superar los 170 °C.

Test T.6: Impacto

Simula la agresión mecánica de un impacto o aplastamiento que puede producir un cortocircuito interno.

Durante la prueba de impacto (aplicable a celdas cilíndricas de más de 20 mm de diámetro), se somete a una muestra a un solo impacto de una masa de un peso específico caída desde una altura especificada.

Durante la prueba de aplastamiento (aplicable a células prismáticas, bolsas, monedas/botones y células cilíndricas de un diámetro no superior a 20 mm), se aplasta una muestra entre dos superficies planas a una velocidad definida hasta que la fuerza aplicada alcance un límite calculado, el voltaje de la celda cae en al menos 100 mV, o la celda se deforma en un 50%.

Para superar esta prueba, la temperatura externa de la muestra no debe superar los 170 °C, y la muestra no debe desmontarse ni encenderse durante la prueba, ni dentro del período de seis horas después de la misma.

Test T.7: Sobrecarga

Se evalúa la capacidad de una batería para resistir una sobrecarga.

La corriente de carga será el doble de la corriente máxima de carga continua recomendada por el fabricante. Las pruebas serán a temperatura ambiente y la duración de 24 horas.

Las baterías cumplen este ensayo si no se produce estallido ni incendio durante la prueba ni durante los 7 días siguientes a la prueba

Test T.8: Descarga forzada

Se evalúa la capacidad de una batería para resistir un estado de descarga forzada.

Cada pila se someterá a una descarga forzada a temperatura ambiente colocándola en serie con una fuente de alimentación de 12 V corriente continua con una corriente inicial igual a la corriente de descarga máxima especificada por el fabricante.

Las baterías cumplen este ensayo si no se produce estallido ni incendio durante la prueba ni durante los 7 días siguientes a la prueba.

Para la realización de los ensayos en el interior de cámaras climáticas, es necesario establecer los riesgos de cada tipo de celda/batería, teniendo en cuenta el tipo de ensayo, los materiales constituyentes de las celdas/baterías y de la cantidad de las mismas a ensayar. En función de los riesgos derivados de los ensayos T.1 a T.8, Eucar (European Council for Automotive R&D) ha establecido unos niveles:

Las cámaras climáticas de Weiss Umwelttechnik y Vötsch Industrietechnik están preparadas para el ensayo de celdas y baterías, tanto cámaras de temperatura, con control de humedad relativa, cámaras de stress screening de alto gradiente térmico, cámaras de choque térmico, cámaras para ensayos combinados con vibración…

Tras verificar la aplicación y los ensayos a realizar, se identifican los riesgos a evitar (definición de Hazard Level desde 0 a 7 según Eucar); y como consecuencia de esa clasificación, se recomiendan los elementos de seguridad a incorporar (avisos acústico y visual, bloqueo de seguridad de la/s puerta/s impedir aperturas durante los ensayos, inertización del interior por medio de Nitrógeno gas, detección y evacuación de gases combustibles generados, detección y extinción de fuego, preparación de la cámara climática para contención de la explosión de las celdas/baterías y protección de los usuarios….). Especialmente importante es la certificación ATEX para el caso de generación de atmósferas explosivas.

Son muy conocidos incidentes como el de la batería del teléfono Galaxy Note7, que en 2016 provocó la retirada masiva del modelo, con el impacto económico y de imagen que produjo al fabricante Samsung. De forma similar se han producido incidentes en el campo de los vehículos eléctricos, con combustiones espontáneas, pérdida de gases tóxicos y líquidos… Debido al tamaño y voltaje de las baterías para el vehículo eléctrico, las consecuencias de los accidentes pueden ser más graves, por lo que para este mercado se han establecido procedimientos de ensayos y recomendaciones, como el Reglamento 100 de las Naciones Unidas o los niveles de Riesgo del Eucar (European Council for Automotive R&D).

Neurtek es el distribuidor de Weiss Umwelttechnik y Vötsch Industrietechnik, uno de los fabricantes más innovadores y renombrados de instalaciones de simulación ambiental (ensayos de temperatura, climáticos, de alto gradiente térmico, de corrosión, de polvo, exposición a la luz solar o de cargas combinadas con vibración…), así como la línea Fitotron de cámaras de investigación biológica de crecimiento de plantas, crecimiento celular o germinación de semillas.

“Nuestra posición como líder tecnológico es el resultado de nuestra competencia en ingeniería. Nos desarrollamos y mejoramos continuamente con la innovación como inspiración. Asesoramos a nuestros clientes sobre la base de esta motivación, transmitimos nuevas ideas y estímulos y les garantizamos con antelación ventajas competitivas en los mercados del futuro como son la baterías de Li-Ion”, explica la compañía.