Selección de un sistema de prueba de baterías para vehículos eléctricos que resista los rápidos cambios en las tecnologías de baterías

La industria de los vehículos eléctricos está todavía en su infancia. Superar los desafíos que supone lograr largas distancias de conducción y una carga rápida es esencial para la aceptación masiva del mercado. Los fabricantes de baterías y vehículos eléctricos están investigando nuevas tecnologías de baterías para superar estos dos principales desafíos. Sin conocer las tecnologías ganadoras, ¿cómo se especifica un sistema de prueba que satisfaga las necesidades actuales y cubra necesidades futuras desconocidas y una demanda creciente? A continuación se ofrece una descripción general del estado de la tecnología de baterías y los requisitos a considerar al seleccionar un sistema de prueba de baterías.

Estado de la tecnología de baterías para vehículos eléctricos

La tecnología de iones de litio es la principal tecnología actual para las baterías de vehículos eléctricos. Si bien las baterías de iones de litio tienen la mayor densidad de energía en producción en la actualidad, tienen la desventaja de la susceptibilidad al sobrecalentamiento y la fuga térmica. Las nuevas químicas y tipos de diseño de baterías prometen mayor eficiencia, menor peso, carga más rápida y menor riesgo de sobrecalentamiento. Sin embargo, todos los concursantes necesitan más tiempo de investigación y desarrollo para convertirlos en posibles sucesores de las baterías de iones de litio.

• Baterías de litio-azufre están empezando a considerarse ya que eliminan la necesidad del costoso cobalto en una batería de litio. Sin embargo, la limitación actual de las baterías de litio-azufre es su corta vida útil.
• Baterías a base de grafeno también están llamando la atención. El grafeno disipa el calor de forma más eficiente que las baterías de Iones de Litio y se convierte en una batería mucho más ligera. Las baterías de grafeno pueden recargarse más rápido y contener más energía. Actualmente, fabricar una batería basada en grafeno es caro y difícil de escalar.
• Baterías de zinc-aire pueden almacenar mucha energía en relación con su peso y el zinc es abundante y económico. Sin embargo, la densidad de energía es baja, las baterías de zinc-aire tienen una vida útil más corta y existen problemas de recarga.
• Baterías de estado sólido son una tecnología prometedora. La tecnología ofrece una larga vida útil, capacidades de carga rápida, menos riesgo de fuga térmica y bajos requisitos de mantenimiento. Los beneficios son prometedores y sus defensores dicen que las baterías de estado sólido estarán en el mercado en unos años.

¿Con qué rapidez llegan las nuevas innovaciones? No importa los materiales, el objetivo siempre es más potencia, más velocidad y más distancia.

El derecho a presumir pertenece a quién tiene el mayor alcance y la carga más rápida.

Selección de fuentes de alimentación programables para las pruebas de baterías de vehículos eléctricos de hoy y del mañana

Desafío: aumentar el voltaje de la batería de los vehículos eléctricos

Los fabricantes de vehículos eléctricos, que desean maximizar la autonomía de conducción, están buscando métodos para minimizar el peso del vehículo. Un método consiste en aumentar el voltaje de la batería, lo que permite cables más pequeños y livianos. Los fabricantes están pasando de baterías de 800 V a baterías de 400 V. Lo más probable es que los voltajes de las baterías aumenten aún más en otros vehículos, como camiones, trenes e incluso aviones. Al seleccionar equipos de prueba que durarán durante las próximas generaciones, ¿qué voltaje debe tener en cuenta?

Solución: Los fabricantes de instrumentos de prueba como EA Elektro-Automatik están comenzando a responder a esta pregunta con soluciones de prueba modulares más flexibles. Un ejemplo es el sistema de prueba y ciclador de batería EA-BTS 10300 con un voltaje nominal de 1500 V. Si cree que podría necesitar un voltaje de prueba más alto, el sistema tiene una opción para aumentar el voltaje nominal a 2000 V. Esto debería cubrir usted ahora y durante los próximos diez años de innovación en baterías para vehículos eléctricos.

Desafío: paquetes de baterías de mayor capacidad

El aumento de la capacidad en kWh del paquete de baterías también aumenta la autonomía. Sin embargo, muchos fabricantes de baterías para vehículos eléctricos enfrentan limitaciones al probar baterías más nuevas y de alta potencia. ¿Cómo se puede evitar tener fuentes de alimentación de CC programables insuficientes para probar una batería nueva?

Solución: No importa lo que seleccione ahora, la modularidad de un sistema como el EA-BTS 10300 le permite, como ingeniero de pruebas, comenzar con un bastidor de pruebas que proporciona entre 30 y 300 kW. Luego puede agregar hasta 13 bastidores de prueba con una capacidad de 300 kW para tener un sistema con una capacidad de hasta 3.84 MW.

Es posible que no necesite tanta potencia en un instrumento individual como indican sus cálculos. Las fuentes de alimentación bidireccionales utilizadas en el EA-BTS 10300 tienen una verdadera característica de salida (o entrada) de rango automático. Tienen un rango de corriente más amplio y pueden entregar o disminuir la potencia total hasta 1/3 del voltaje nominal. Necesitaría tres veces más potencia para proporcionar la misma salida de corriente con una fuente de alimentación convencional con una tensión nominal equivalente. Consulte la Figura 1, que compara la salida de una fuente de alimentación EA con la salida rectangular de una fuente de alimentación convencional.

Figura 1. Instrumento de rango automático comparado con un instrumento con potencia equivalente (izquierda) y con un instrumento con potencia 3 veces mayor (derecha)

Desafío: Adaptarse al espacio limitado de la fábrica

Como ocurre con cualquier operación de fabricación, el espacio para los equipos de prueba siempre es un bien escaso. Por lo tanto, aparte de la capacidad de energía, deberá asegurarse de tener el espacio disponible incluso para ese sistema de 3.84 MW.

Solución: La densidad de potencia es una cuestión fundamental a considerar al especificar su próximo sistema de prueba de baterías. EA Elektro-Automatik ha construido su tecnología de suministro de energía basándose en la tecnología de transistores de potencia SiC, razón por la cual sus sistemas de prueba producen la densidad de potencia más alta del mercado. Esto permite que un rack de 300 kW consuma sólo 6.5 pies cuadrados de espacio. El ahorro de espacio puede ser aún mayor si la potencia total requerida supera los 300 kW.

Desafío: adquisición rápida de datos

Para capturar problemas intermitentes, un sistema de prueba debe tener alta resolución y rápida adquisición de datos. La adquisición de datos a un ritmo elevado permite a los ingenieros de pruebas ver más información y detectar defectos en el paquete de baterías fácilmente.

Solución: El EA-BTS 10300 monitorea el voltaje y la corriente de la batería con una electrónica de medición de 16 bits y 1.5 kHz. Una opción del sistema aumenta la resolución a 24 bits. El EA-BTS 10300 tiene la tasa de adquisición de datos más rápida entre los sistemas de prueba de la competencia.

Desafío: software adaptable

A medida que los requisitos de prueba de baterías de vehículos eléctricos cambian con las nuevas tecnologías de baterías, cuanto más flexible sea el software, mejor.

Solución: La configuración del software puede ser uno de los aspectos que consumen más tiempo al crear cualquier sistema de prueba nuevo, particularmente cuando se intenta integrar múltiples herramientas de software de prueba en una única solución integrada. Mientras que otros sistemas de prueba de baterías requieren múltiples paquetes de software, el EA-BTS 10300 incluye un único paquete para pruebas de baterías. El software EA permite la definición de pruebas, la configuración de parámetros, la secuenciación de pruebas y la creación de archivos de datos. Además, el software incluye simulaciones del ciclo de conducción y permite una visualización definida por el usuario. Una estructura de programación basada en widgets sin codificación crea el rendimiento necesario para adaptarse a un nuevo tipo y capacidad de batería.

Desafío: protección del sistema y de la batería

No importa qué tecnología de batería para vehículos eléctricos esté probando, desea asegurarse de que tanto las baterías bajo prueba como su sistema de prueba estén protegidos contra daños dañinos. Monitorear la temperatura de la batería es esencial. Además, su sistema de prueba debe verificar si hay conexiones de polaridad inversa a los paquetes de baterías y determinar si se requiere una precarga. Su sistema debe evitar conectarse a la batería a menos que el voltaje del sistema y el voltaje coincidan para evitar transferir un nivel de energía dañino al paquete de batería o al sistema de prueba. Otra prueba importante es la medición de la resistencia del aislamiento, que indica posibles cortocircuitos en el paquete de baterías.

El EA-BTS 10300 monitorea estas condiciones para proteger los paquetes de baterías y el sistema de prueba, y las fuentes de alimentación bidireccionales en el sistema de prueba tienen monitoreo de protección contra sobretemperatura, sobrecorriente, sobretensión y sobrecarga para proteger la instrumentación del sistema de prueba de una falla dañina.

Reto: Ahorrar energía

El uso de cargas resistivas o cargas electrónicas convencionales convierte la energía absorbida en calor. Con las baterías de vehículos eléctricos de alta potencia, se requiere una gran cantidad de energía del sistema de prueba. La energía perdida se puede recuperar si se utilizan cargas regenerativas o fuentes de alimentación bidireccionales regenerativas para absorber la energía de la batería.

Con la eficiencia regenerativa más alta de la industria (96.5%), el EA-BTS 10300 puede ahorrar una cantidad significativa de costos de servicios públicos y reducir los costos de infraestructura necesarios para eliminar todo el calor generado. En comparación con el uso de una carga resistiva pasiva, un fabricante pudo ahorrar $20,000 10300 al mes en costos de servicios públicos al cambiar a los sistemas EA-BTS XNUMX. El uso de instrumentación de energía programable bidireccional regenerativa puede justificar un sistema de prueba de baterías basado en un análisis de retorno de la inversión.

Las fuentes de alimentación bidireccionales de EA Elektro-Automatik tienen la mayor eficiencia regenerativa del 96.5%.

Desafío: garantizar el máximo tiempo de actividad

Los requisitos para cumplir con los objetivos de demanda creciente enfatizan la importancia de mantener su sistema en funcionamiento. Un sistema modular puede ayudar a superar este desafío. La fácil sustitución de componentes puede acortar el tiempo de inactividad del sistema.

El EA-BTS 10300 utiliza fuentes de alimentación bidireccionales estándar disponibles en el mercado que están aisladas entre sí con fusibles externos independientes. Reemplazar una unidad de potencia deja un sistema fuera de servicio por no más de media hora. Luego, el sistema puede funcionar y las baterías se pueden probar nuevamente.

Desafío: construir versus comprar

La construcción de un sistema parece generar importantes ahorros de costos en comparación con el precio de un sistema de prueba llave en mano. Lo más probable es que esto se deba a los numerosos costos que no son fáciles de cuantificar. El costo más alto podrían ser los costos de oportunidad perdida en proyectos esenciales de la empresa que se retrasan o cancelan. La compra de recursos debe implicar dedicar tiempo a obtener productos de mayor costo y bajo volumen que no se adquieren habitualmente. La mano de obra, que puede tener poca experiencia con el ensamblaje del sistema, debe construir y probar el sistema. El software debe desarrollarse o adquirirse. Lo más importante es que el sistema requiere documentación para que pueda ser respaldado. Considere estos costos en su análisis.

Los sistemas llave en mano evitan el consumo de recursos críticos que retrasan la introducción de nuevos productos. Los sistemas contienen experiencia en pruebas de baterías y diseños de calidad que cumplen con los estándares de seguridad internacionales. Además, los sistemas de energía programables vienen con documentación completa y soporte de garantía y de por vida.

Los sistemas de prueba de baterías llave en mano, como las configuraciones del sistema EA BTS-10300 que se muestran en las Figuras 2 y 3, pueden ser rentables para pruebas de baterías de vehículos eléctricos de gran volumen. Además, el EA-BTS 10300 puede adaptarse fácilmente a diferentes tipos de baterías, así como a baterías de mayor voltaje y mayor capacidad. El EA-BTS 10300 cumple con los requisitos de los paquetes de baterías para vehículos eléctricos existentes y puede adaptarse y crecer para satisfacer necesidades futuras.

Figura 2. Sistema EA-BTS 10300 con 300 kW de capacidad y que muestra interfaces para los paquetes de baterías y una cámara ambiental

Figura 3. Sistema EA-BTS4 de 10300 racks con 1.2 MW de capacidad y rack de control de energía (PCC) independiente

Obtenga más información sobre el sistema de prueba y ciclador de baterías llave en mano EA-BTS aquí o contáctenos en sales@elektroautomatik.com. Para programar una demostración en persona o en línea con cualquier ingeniero de aplicaciones de EA, visite nuestro Página de demostración.