Fundamentos de diseño del laboratorio de pruebas de baterías

La proliferación de plantas de fabricación de celdas de baterías para vehículos eléctricos y plantas de ensamblaje de paquetes de baterías para vehículos eléctricos está produciendo un auge correspondiente en la construcción de laboratorios de prueba de baterías.

Estos son necesarios para verificar que las celdas de batería, los módulos y los paquetes completos funcionen de manera segura y brinden la durabilidad que los clientes esperan. Teniendo en cuenta la necesidad de más instalaciones de este tipo, Design News ha investigado las mejores prácticas para diseñar y construir laboratorios de prueba de baterías de vehículos eléctricos.

"Todo el mundo está tratando de sacar al mercado tantos vehículos eléctricos como sea posible en plazos increíblemente cortos", observó Elijah Kerry, jefe de soluciones de prueba de baterías de vehículos eléctricos en NI.

Peor aún, la tecnología de las baterías está evolucionando rápidamente, lo que aumenta la necesidad de probar exhaustivamente nuevas químicas. "El mercado se siente cómodo con la selección de tecnología, la bloquea y la aprovecha durante la mayor parte de una década, pero las baterías cambian constantemente", dijo Kerry.

Además de la evolución del hardware para los autos nuevos, los autos que ya están en circulación usan su hardware de manera diferente debido a cambios en su software. "Se ve agravado por el impulso de nuevas capacidades a través de actualizaciones inalámbricas", dijo.

Las pruebas físicas de las baterías reales son cruciales porque los gemelos digitales no pueden replicar de manera confiable las posibles fuentes de problemas. "Para comprender cómo se degrada una batería con el tiempo, tenemos que probarla", afirmó Kerry. “No tenemos la fidelidad de los modelos. Por eso necesitamos pruebas físicas. Las pruebas físicas podrían complementarse con simulaciones”.

Planifique para escalar

A medida que más empresas añaden capacidades de prueba de baterías, la tendencia natural es empezar poco a poco y crecer según sea necesario. Sin embargo, si ese pequeño laboratorio inicial no se diseña teniendo en cuenta el crecimiento futuro, pueden surgir problemas. Consideremos el caso de un antiguo fabricante de automóviles que reemplaza el equipo de prueba de motores de combustión por instalaciones de prueba de baterías.

“Empiezan con una mentalidad de laboratorio pequeño”, dijo Kerry, “pensando 'sólo vamos a construir tres probadores'. Ésa es una de las 'trampas'”. Los problemas surgen cuando las instalaciones necesitan crecer, pero el antiguo lugar de pruebas de motores de combustión carece de la infraestructura necesaria para soportar pruebas de baterías a mayor escala.

“Cien paquetes [de baterías] de tamaño completo representan una potencia enorme. Una instalación automotriz promedio no tiene acceso a ese tipo de energía”, dijo Kerry. "La falta de previsión sobre cómo se ampliará su laboratorio es uno de los mayores problemas". Además, el coste de la electricidad utilizada también es importante. "En California y Alemania, donde los precios de la energía se han multiplicado por ocho, es un gran problema".

El edificio debería construirse de manera que pueda albergar también más energía, dijo Brian Ingram, científico de materiales del Laboratorio Nacional Argonne. "Piense en instalar conductos y disyuntores que le permitan ampliar la escala", dijo. "Si instala un conducto para cables de mayor calibre, no tiene que entrar allí [más tarde] y arrancar los cables o los disyuntores que tenga".

Planifique para los problemas

Además de tener la capacidad de aportar energía para las baterías, el laboratorio también necesitará la capacidad de eliminar los gases resultantes de las baterías, el humo de los incendios y el agua utilizada para enfriar las baterías que sufran un "evento".

"A nivel de células, puedes pensar en el tamaño de las células que estarías probando", sugirió Ingram. “Piense en la energía almacenada y en lo que sucedería si se liberara toda. Se necesita una infraestructura que contenga esa liberación de energía”.

Esa planificación también depende del tipo de pruebas que realizará el laboratorio. Argonne no prueba células en el umbral de falla, por lo que el laboratorio sólo ha tenido una célula que ha sufrido un descontrol térmico en los últimos veinte o treinta años, según Ingram. “Si el objetivo de su laboratorio es comprender ese umbral, necesitará diseñar su sistema de manera diferente. Sandia [Laboratorio Nacional] tiene laboratorios para la causa y las ramificaciones de las fallas, por lo que presionan sus células para que se descontrolen a propósito”.

En ese caso, es necesaria la fortificación. "Para baterías de más de 50 amperios-hora habría que tener un blindaje protector contra explosiones", dijo. "También se necesita ventilación para la liberación de gases". Esto debe escalarse teniendo en cuenta el tamaño de las baterías.

"Las puertas de los edificios han sido voladas", señaló el ingeniero senior de aplicaciones de Electro-Automatik, Russ Gaubatz. “Las cámaras [de prueba] se han convertido en polvo. Muchos de los técnicos no tienen suficiente experiencia con baterías y realizarán pruebas que no deberían realizar en el tipo incorrecto de cámaras”.

La forma de detener el incendio es quitarle el suministro de oxígeno, por lo que un laboratorio de pruebas de baterías debe poder reemplazar el aire del interior con nitrógeno o argón, dijo Loew. "¿Cuál es el problema si una célula se rompe si no tenemos un entorno que alimente la combustión?" preguntó.

Esto puede incluso impedir que el fuego se encienda. "Puedes purgarlo si algo va mal usando un sistema de presión, expulsando el aire, en caso de una emergencia", dijo Loew. Sin embargo, esta respuesta, sustituir el aire por gas inerte, es costosa y lleva mucho tiempo, reconoce.

Incluso si mueve la batería problemática al exterior, todavía habrá humo en el laboratorio de pruebas, por lo que las instalaciones deben diseñarse con la capacidad de evacuar el aire rápidamente. "Lo que se necesita es una ventilación que pueda aspirar todo el edificio en uno o dos minutos", dijo Gaubatz.

Limpiar la contaminación

Por supuesto, el humo que sale del edificio tampoco es saludable para las personas que están afuera. "Hay que pensar en el mundo exterior que nos rodea", dijo. ¿Estás en una zona semiindustrial cerca de un vecindario?

Debido al riesgo potencial para los vecinos, son importantes los depuradores del aire evacuado. "Son caros, pero piense en lo que costaría si alguien se enferma", añadió Gaubatz.

La ventilación es importante incluso cuando no hay ningún problema porque las baterías producen mucho calor. Normalmente eso significa que hay muchos ventiladores funcionando en el laboratorio para mantener la temperatura tolerable, dijo Ingram de ANL.

Pero los ventiladores son ruidosos y el ruido también contribuye a crear un ambiente de trabajo desagradable, señaló. "Cualquier tipo de mitigación del ruido y el calor sería bueno", dijo. “Muchas veces nos quedamos en el pasillo”, señaló Ingram. "Si entramos allí, tendré que gritar".

Los sistemas de aire acondicionado en las instalaciones existentes probablemente emplean clorofluorocarbonos como refrigerante, pero probablemente se construirán nuevos laboratorios con aire acondicionado a base de dióxido de carbono, que no es tan eficiente, señaló Loew. El uso de dióxido de carbono evita el uso de gas que agota la capa de ozono, pero requerirá un sistema más grande y que consuma más energía.

Más allá de la simple cuestión de controlar la temperatura en el laboratorio para trabajar allí, también es necesario poder enfriar las baterías a las bajas temperaturas que pueden encontrar durante el invierno.

"La mayoría de los laboratorios tienen agua de refrigeración", afirmó Loew. "Con esa agua de refrigeración se refrigeran la electrónica de potencia y la cámara climática". El laboratorio debe construirse con un sistema de refrigeración que pueda producir el tipo de temperaturas que encuentran los coches. Para los sistemas de agua helada, esto requiere dos etapas, afirmó. "Si bajamos a -40 grados, tienes un prerefrigerante que utiliza agua de refrigeración a 7 grados C para llegar a -20 C, luego una segunda etapa para pasar de -20 C a -40".

Programación

Debido a la necesidad de realizar pruebas que requieren mucho tiempo, el software desempeña un papel crucial en la optimización de la programación de los laboratorios de pruebas de baterías. Si bien los operadores de laboratorio pueden comenzar a realizar pruebas a pequeña escala inicialmente, cuando es posible programar el espacio del laboratorio sobre la marcha, a medida que aumentan las demandas en el laboratorio, pronto descubren que necesitan software para programar las pruebas para un uso óptimo.

“Saber programar y optimizar su laboratorio; no puedes hacer eso mentalmente”, dijo Kerry. "Es imposible que incluso un grupo pequeño lo tenga en la cabeza". NI cuenta con su propia solución de software para la gestión de laboratorios que automatiza esta tarea.

La startup de vehículos eléctricos Rivian ha disfrutado de un crecimiento explosivo y, en consecuencia, las demandas en su laboratorio de pruebas de baterías han aumentado, y optimizar el uso de los activos del laboratorio es crucial, informó el director de desarrollo de productos de la compañía, Nick Kalayjian.

Rivian ha desarrollado su propio software de programación para maximizar el tiempo de prueba. "Si su utilización es del 50 por ciento, eso significa que alguien que pensaba que iba a obtener datos en un mes de repente está esperando dos meses", observó. Rivian apunta a mantener la utilización de su laboratorio en el rango del 70 al 80 por ciento, dijo. "Ese es una especie de objetivo".

Lo bueno es que a los laboratorios de pruebas de baterías no les importa la química de las baterías, por lo que cuando una empresa ha creado suficiente capacidad de prueba, puede seguir trabajando con otras químicas a medida que estén disponibles.

"Tenemos docenas de cámaras para que podamos ejecutar varias generaciones de química de paquetes, por ejemplo, los paquetes de baterías LFP para nuestras camionetas comerciales, nuestras baterías de producción actual, así como la celda de próxima generación para el paquete Max", dijo Kalayjian. "Diseñaron el laboratorio para poder acomodar todas esas combinaciones diferentes".