Bernard Ang, product marketing manager de Keysight Technologie

En las aplicaciones electrónicas actuales, las baterías alimentan prácticamente todos nuestros dispositivos electrónicos portables. Las baterías también se utilizan como sistemas de respaldo de emergencia en instalaciones grandes. Además, todos los vehículos eléctricos utilizan grandes paquetes de baterías para alcanzar la potencia esperada para las prestaciones requeridas.

Los paquetes de baterías necesitan la potencia específica requerida (W/kg) para ser capaces de suministrar suficiente corriente para alcanzar las prestaciones de velocidad del vehículo. También necesitan disponer de la energía específica requerida (Wh/kg) para lograr un mayor tiempo de funcionamiento o autonomía de viaje.

¿Por qué es tan importante supervisar la temperatura de la batería?
La mayoría de las baterías recargables actuales utilizan ion litio y tienen una temperatura de funcionamiento de entre 15 ºC y 35 ºC a pleno rendimiento y capacidad.

• Si la batería funciona a temperatura ambiente por debajo de los 15 ºC, puedes experimentar reacciones electroquímicas lentas en la batería, con el resultado de peores prestaciones y menor capacidad de carga.
• Si la batería, o el paquete de baterías, funciona por encima de 35 ºC de temperatura ambiente, la degradación de la batería con el tiempo se verá acelerada. Con el resultado de menor duración de la batería, envejecimiento no uniforme debido a los gradientes térmicos, mayor exposición a problemas de seguridad, y mayores costes de ciclo de vida. A temperaturas extremadamente elevadas, las baterías pueden romperse ocasionando fugas, humo, fuego, o incluso explosiones.

La gráfica de potencia (figura 1) muestra los límites de potencia de celdas, módulos o paquetes de baterías de ion litio a diferentes rangos de temperatura. En el rango entre 15 ºC y 35 ºC, que es el rango óptimo de temperatura de funcionamiento, las baterías logran sus máximas prestaciones. Este rango de temperatura también es el más eficiente, fiable y seguro para el funcionamiento de la batería.

Figura 1. Mapa de potencia que muestra los límites de potencia de su batería o paquete de baterías en diferentes rangos de temperatura (Fuente: Kandler Smith, NREL milestone report, 2008).

¿Cuándo utilizar un sistema de adquisición de datos (DAQ) para supervisar temperatura de baterías?
Un sistema de adquisición de datos (DAQ) es uno de los instrumentos más versátiles para medir la temperatura de uno o varios objetos. Un DAQ supervisa la temperatura en varios puntos del sistema de baterías de un producto.

Típicamente, se realizan pruebas funcionales de los bloques de diseño de forma individual, y posteriormente se prueban bloques de diseño integrados durante el diseño del producto y la etapa de desarrollo. Las pruebas en laboratorio de paquetes de baterías y de sistemas ocurre en una etapa temprana del ciclo de diseño del producto, utilizando varios instrumentos comunes en un laboratorio de I+D.

Un sistema DAQ puede utilizarse para monitorizar la temperatura en diferentes puntos del sistema de baterías, cargar el sistema de baterías con una fuente de alimentación DC, y utilizar una carga electrónica para descargar el sistema de baterías.

La figura 2 muestra una configuración común en un laboratorio utilizando un sistema DAQ. Si además se dispone de una fuente de alimentación bidireccional que pueda generar y drenar corriente, es posible sustituir la carga electrónica y la fuente de alimentación DC por una fuente de alimentación DC bidireccional.

Figura 2. Confuración de laboratorio de pruebas para un sistema de prueba de baterías utilizando un DAQ, una fuente de alimentación DC, y una carga electrónica.

En la figura 3 se muestra un software de adquisición de datos basado en PC que complementa al hardware DAQ para mejorar la productividad. Utilizando este tipo de aplicaciones software de adquisición de datos, es posible configurar y ejecutar pruebas rápidamente, obteniendo resultados más rápido. Algunas aplicaciones software de adquisición de datos permiten construir de forma gráfica pruebas automatizadas, y reducen significativamente el tiempo de desarrollo de las pruebas. El software básicamente habilita configuraciones gráficas intuitivas del instrumento, secuencias de medidas, e interacciona con múltiples instrumentos ayudando a crear sus propias pruebas completamente automatizadas.

Figura 3. Interfaz gráfica del software de adquisición de datos basado en PC, PathWave BenchVue, de Keysight.

El ejemplo en la figura 3 muestra un software de adquisición de datos basado en Pc que permite:

• Probar el sistema de gestión de baterías en sus dispositivos variando las fuentes de carga y descarga mientras se supervisa la temperatura y el comportamiento de su sistema de baterías.
• Realizar múltiples puntos de medida de temperatura para evaluar las variaciones de temperatura entre celdas.
• Configurar disparadores de alarmas para supervisar temperatura, tensión, o corriente si sus valores superan límites aceptables, tanto por arriba como por abajo.

¿Cuándo utilizar un sistema de pruebas de baterías especializado para supervisar la temperatura de la batería?
Realizar apaños rápidos con instrumentación de banco puede ser útil para verificaciones y depuraciones rápidas del diseño de su sistema de baterías. Sin embargo, cuando necesita realizar pruebas exhaustivas y fiables de baterías que cumplan con los estándares y con las pruebas de conformidad, utilice un sistema especializado de prueba de baterías que tenga un software de prueba de baterías controlado centralmente.

Un sistema especializado de prueba de baterías dedicado y con un buen soporte es necesario para obtener pruebas precisas y fiables en sistemas de baterías, ya sean en formato celda, módulo o paquete. Un buen sistema de prueba de baterías puede realizar pruebas a medida para evaluar prestaciones, funcionalidad, envejecimiento y condiciones ambientales de funcionamiento.

La figura 4 muestra un ejemplo de un sistema especializado de prueba de baterías que es escalable desde soluciones individuales independientes hasta sistemas de pruebas completamente integrados y listos para ser utilizados en laboratorios de pruebas.

Figura 4. Sistema de prueba de baterías de la Serie Scienlab SL100XA de Keysight.

El sistema de prueba de paquetes de baterías, mostrado en la Figura 4, por ejemplo, es ampliable hasta 1000V, ± 2400 A, y ± 360 kW. La escalabilidad es un factor muy importante de cara a proteger sus inversiones en hardware de pruebas. El sistema de prueba de baterías debe también ser flexible y adecuado para diferentes aplicaciones de almacenamiento de energía como por ejemplo transporte automovilístico, aplicaciones industriales, y otros casos de uso.

Un buen sistema de prueba de baterías incluye un entorno integrado de pruebas para su dispositivo bajo prueba (DUT), como por ejemplo cámaras climáticas y térmicas, acondicionamiento para su DUT, y sistemas estandarizados de contacto para una fácil integración con su DUT. También es importante que tenga un sistema de seguridad integrado que prevengan situaciones potencialmente peligrosas.

Un software central de sistema de prueba de baterías también es esencial para controlar sistemas de pruebas de baterías, ya sean individuales o múltiples sistemas completamente integrados, para celdas, módulos o paquetes. Un buen software central de sistema de prueba de baterías también será capaz de:

• Controlar y supervisar todos los componentes del entorno de pruebas
• Personalizar procedimientos de pruebas con la disponibilidad de pruebas estándar predefinidas
• Ejecutar medidas con registros completos de datos con marca de fecha para análisis síncrono
• Proporcionar visualización de los datos de medida

En definitiva, el software central de sistema de prueba de baterías debería permitir realizar pruebas de validación que cubran todas las pruebas de cumplimiento de estándares; por ejemplo, la Organización Internacional para la Estandarización (ISO), el Instituto Alemán para la Normalización de Estándares Europeos (DIN EN), y la Sociedad de Ingenieros de Automoción (SAE).

Resumen
Supervisar la temperatura de las baterías es necesario durante todo el ciclo de vida del sistema de baterías. Durante las etapas tempranas del ciclo de vida, los ingenieros pueden depurar rápidamente y calidad sus diseños de sistemas de baterías con instrumentación de banco como los DAQ junto con fuentes de alimentación DC de suministro y drenaje de corriente. Durante las etapas de caracterización y de cualificación del ciclo de vida, una solución especializada de pruebas es imprescindible para ayudarle a tener una solución de pruebas completa, fiable, y escalable.