Test de baterías fuera del laboratorio: el sistema que la industria sostenible necesita

Epic Power y Yaskawa plantean una nueva era en el testeo de baterías, a través de un innovador sistema regenerativo y modular, que además es escalable y paralelizable. La solución permite un importante ahorro de costes en el proceso de pruebas al que necesariamente deben someterse los dispositivos de almacenamiento energético en la actualidad y facilita su implementación in-house evitando así depender de terceros.

Contando con el convertidor regenerativo D1000 de Yaskawa, Epic Power ha diseñado e implementado un innovador sistema de testeo de baterías que permite recircular la energía de una batería a otra con el objetivo de devolver y absorber de la red el mínimo de recursos posibles, para reducir de manera considerable el consumo. La solución asegura un significativo ahorro de costes –la bidireccionalidad completa de los elementos del sistema permite que la energía puede fluir hacia y desde la batería lo que reduce el número de componentes implicados y el consumo energético–, ofrece una solución modular y fácilmente instalable que evita la dependencia de terceros, para la realización del proceso de testeo y es totalmente escalable, pudiéndose adaptar a los requerimientos del proceso en cada momento. El sistema se puede implementar con varios canales en paralelo, pudiendo incrementar la corriente de trabajo para baterías de requerimientos superiores suprimiendo la necesidad de compra de un nuevo equipamiento.

Epic Power es una empresa especializada en el diseño y fabricación de convertidores bidireccionales DC/DC para diferentes industrias como es el caso de la industria de la automatización, intralogística, marina, elevación, generación de hidrógeno, almacenamiento de energía, microrredes y movilidad eléctrica.

Fundada en 2012 como una spin-off de la Universidad de Zaragoza, el profundo conocimiento de la firma en el área de electrónica de potencia le ha permitido posicionarse en el mercado como un partner de valor tanto para las empresas industriales como para las gestores de grandes instalaciones. Epic Power ayuda a compañías de diferentes sectores a incorporar de manera rápida y efectiva los últimos avances en investigación en gestión energética y su almacenamiento a través de productos plenamente funcionales.

Es precisamente para un segmento industrial que está viviendo una verdadera revolución, el del almacenamiento de energía, donde la compañía acaba de diseñar, en colaboración con Yaskawa, un sistema regenerativo para el testeo de baterías que está llamado a revolucionar la forma en la que se realiza este proceso, especialmente en sectores como el de la automoción eléctrica o el de la intralogística.

Según la consultora Markets & Markets, los vehículos eléctricos que circularán por nuestras calles pasarán de los 3,2 millones de unidades a nivel global del 2019 a más de 26 millones en 2030, lo que representa una tasa de crecimiento del 21,1% para ese período.

Quizás una de las consecuencias más relevantes y notorias de la popularización del coche eléctrico está siendo la rápida evolución de las baterías destinadas a ser la fuente de alimentación de este nuevo parque automotor sostenible. Así lo explica Raúl Ramón, senior market development manager de ‎Epic Power: “las baterías que teníamos hace cinco años ofrecían la mitad de capacidad de las que se utilizan actualmente, por lo que las necesidades de testeo de estos dispositivos son muchos más exigentes. La clave es contar con un sistema flexible que se pueda adaptar fácilmente a la realidad de un segmento tecnológico que avanza constantemente”.

La evolución en el desarrollo de las baterías se ha hecho en base al aumento de sus prestaciones y a una importante reducción de sus costes. La consecuencia inesperada de este avance ha sido que aún no se conocen a ciencia cierta los límites reales de la tecnología –su duración efectiva, la temperatura óptima de funcionamiento y qué pasa si las condiciones no son siempre las ideales, los ciclos de vida útil del dispositivo...– y se ha incrementado su inestabilidad: no todas las baterías que se ponen a disposición del mercado son adecuadas para entrar en el circuito comercial. En este escenario, la fase de testeo de las baterías cobra una especial relevancia.

Hasta ahora, dada la demanda acotada que existía, este proceso se realizaba en entornos de laboratorio, donde se ofrecían equipos preparados, los que, sin embargo, ya están teniendo problemas para dar respuesta a los nuevos desarrollos de la tecnología: “Los sistemas actuales de testeo no son flexibles. Son propuestas que se están quedando obsoletas rápidamente al no disponer de configuraciones de electrónica de potencia que permitan ajustar el sistema de testeo a las nuevas necesidades. Están limitadas en cuanto a corriente de carga y no se actualizan en cuanto a descarga”. Además, estos centros de testeo no están siendo suficientemente ágiles para atender la demanda de pruebas que se está produciendo actualmente.

La carencia de soluciones industriales de alta corriente para el testeo de packs de baterías, sumado a la experiencia acumulada en la carga bidireccional de éstas en proyectos anteriores, y los requerimientos específicos de un cliente llevó a Epic Power a plantearse diseñar e implementar una solución llave en mano capaz de revolucionar el paradigma bajo el que se realizan este tipo de procesos: “nos planteamos el diseño de un sistema industrial modular, con elementos fácilmente sustituibles. Un sistema configurable y con programación abierta para que cada usuario fuese capaz de crear test específicos según sus propias necesidades”, detalla Raúl Ramón.

El know-how de Epic Power en electrónica de potencia y en conversión continua bidireccional, además, les permitía configurar un sistema que fuese útil para de trabajar con baterías de litio, plomo, redox y supercondensadores. El convertidor regenerativo trifásicos D1000 de Yaskawa –desde 20 kW– fue la tecnología seleccionada para hacer realidad este innovador sistema.

Las características que debía tener la estación de testeo estaban claramente definidas por el cliente desde un inicio: se necesitaba un sistema robusto, flexible y fácilmente configurable, que se presentase como una solución industrial, que les permitiese definir sus propios parámetros de test, y por supuesto, que se desarrollase bajo una premisa de máxima eficiencia de costes.

Era una propuesta totalmente revolucionaria respecto a los sistemas existentes, y por ello, su planteamiento tecnológico debía ser diferencial. Así lo explica Raúl Ramón: “las soluciones tradicionales realizan el testeo de baterías absorbiendo y volcando energía directamente desde y sobre la red. Mediante el uso de convertidores DC/DC en bus de continua compartido, comprobamos que era posible hacer recircular la energía directamente entre baterías para optimizar la potencia y el consumo requerido de la red. Con el esquema que planteaba nuestro sistema, la energía consumida se limitaba a contadas pérdidas durante la operación de testeo”.

Bajo esta premisa la estación de carga y descarga bidireccional de prueba baterías diseñada por Epic Power se configuró como un sistema abierto, que incluye desde los elementos de prueba hasta los elementos de control.

En el corazón de la estación se sitúa el convertidor regenerativo trifásico D1000 de Yaskawa, además de un input reactor y un filtro de armónicas. “Pese a que existen alternativas de front ends bidireccionales, optamos por Yaskawa por la positiva experiencia en trabajos anteriores con el equipo en España y porque la comparativa inicial, en la fase de diseño de la estación, demostró que era la solución que mejor se adaptaba a las necesidades definidas, ofrecía sencillez de integración y su precio respecto a la potencia ofrecida era altamente competitivo”. Además de la solución en sí, Yaskawa aportó soporte técnico en la definición del esquema eléctrico del sistema, así como en la resolución de problemas de apantallado que surgieron en la primera puesta en marcha.

Además de otros elementos eléctricos de protección de baterías y de red, medida de precisión de corriente, tensión y temperatura y control, la estación cuenta con un sistema de gestión y control construido sobre el software libre, Python. “En función de la batería bajo test y el objetivo de testeo, se define el ensayo requerido dentro de un abanico de opciones disponibles. Además, gracias a la configuración establecida sobre Phyton, se permite al usuario definir prueba de testeos completas ya que se parte de un código base fijo y de otro modificable por usuario”, aclara Ramón. En este sentido, el controlador del sistema se comunica en todo momento con el ordenador del usuario para la definición de los test, la monitorización en tiempo real, así como para el guardado y procesamiento de los datos.

La propuesta está ya desplegada para packs de baterías de 48 V, los que se disponen de canales de potencia de 5.5 kW paralelizables en todo su rango. “Para packs de batería de mayor tensión, como es el caso de vehículos eléctricos, se realiza la instalación de canales de entre 10 y 30 kW, totalmente paralelizables, escalando así la estación a requerimientos de mayor potencia”.

De hecho, la posibilidad de paralelización del sistema es un aspecto clave de la propuesta: “Es posible hacer trabajar de manera simultánea a más de un sistema de ciclado de baterías, ya sea para dar respuesta al incremento de canales de trabajo o en caso de necesidad de una potencia mayor de ciclado”, detalla Raúl Ramón.

Al tratarse de elementos industriales estándar, la vida esperada para las tecnologías que componen la solución es mayor a los 20 años. Asimismo, según detallan desde Epic Power, los elementos de protección y monitorización son fácilmente reemplazables al tratarse de dispositivos eléctricos y de automatización estándar: contactores, fusibles, bornas, PLC…

La solución diseñada por Epic Power con tecnología de Yaskawa está plenamente operativa y es aplicable hoy a industrias usuarias de baterías de distintas químicas para comprender las condiciones de trabajo y límites de estos dispositivos. “Permite realizar pruebas de capacidad, impedancia, eficiencia, respuesta en temperaturas altas y bajas, ciclos de degradación o vida acelerada y estado de carga y de vida, entre otras clases de testeo”, explican.

Los beneficios que aporta la solución han sido ya confirmados por Epic Power en la primera implementación del sistema: permite una reducción de la potencia contratada necesaria de hasta un 30%; se produce una reducción de la energía consumida de hasta un 70% al poder configurar los test para que recirculen energía entre baterías; reduce el coste de adquisición de entre 2 y 4 veces respecto a una solución de potencia similar de laboratorio; ofrece flexibilidad total de configuración de ensayos al trabajar con software libre y asegura una larga vida útil del sistema al estar construida con elementos industriales fácilmente reemplazables por el usuario.

Según detalla Ramón, el sistema es una excelente alternativa tanto para fabricantes de pack de baterías –actualmente Epic Power esta trabajando para que los propios integradores de celdas puedan testear sus packs en el proceso de producción de manera rápida y cómoda–, usuarios baterías, empresas centradas en el uso circular de baterías usadas –además de re-etiquetado/nueva vida–, fabricantes de vehículos eléctricos, centros tecnológicos o universitarios que tienen laboratorios de testeo de baterías y quieren actualizarlos, así como el segmento de la Intralogística, que a la luz de los AMR y AGVs está apostando de manera decidida por la movilidad eléctrica.