Los así llamados «ensayos de uso abusivo» o «abuse tests» muestran en qué medida las baterías siguen siendo eficientes y seguras cuando se exponen a influencias que pueden producirse fuera de su uso previsto. En estos ensayos extremos se suele producir el embalamiento térmico de la batería. Para proteger al personal y los equipos, se requiere un entorno de ensayos adecuado, que Weiss Technik ha desarrollado recientemente. El informe explica los resultados de los ensayos «beta».
Ensayos como base para el uso de baterías
El requisito previo para la introducción de baterías y su uso en aplicaciones de automoción es una serie de ensayos. Las condiciones de ensayo están definidas en normas y estándares nacionales e internacionales. También existen directrices internas de empresas, sobre todo en la industria del automóvil, que pueden diferir de las especificaciones de ensayo oficiales y se utilizan con fines de desarrollo, además de certificación. Los ensayos de baterías se realizan a nivel de celda, módulo, paquete o vehículo.
Algunos ensayos se realizan fuera del rango de funcionamiento especificado de las baterías y sirven para demostrar su seguridad e integridad funcional. En ellos se suele producir el embalamiento térmico (en inglés: «thermal runaway») de la batería, lo que requiere un entorno de ensayos apropiado.
Sistema de ensayos especialmente desarrollado para ensayos destructivos de baterías
El nuevo entorno de ensayos diseñado por Weiss Technik cuenta con protección terciaria contra explosiones, que reduce los efectos de una explosión o accidente, como la liberación de presión y calor, a un nivel inofensivo. El recinto de ensayos puede soportar sin sufrir daños los accidentes relacionados con baterías que se producen con regularidad (incendios y explosiones de gas) y está certificado para un diseño resistente a los golpes de ariete junto con el dispositivo de descarga de presión según la directiva ATEX (hidrógeno, grupo de gases 2C).
El sistema de ensayos está formado básicamente por tres componentes: mecanismo de descarga de presión, recinto de ensayos y bastidor. El sistema de ensayos tiene un diseño modular que permite equiparlo con opciones adicionales (equipos de ensayos) dependiendo de los requisitos de los ensayos.
El equipo de ensayos sirve para realizar ensayos térmicos, mecánicos y eléctricos. Para los ensayos térmicos, el recinto de ensayos puede combinarse con un módulo externo de aire acondicionado, que permite regular las temperaturas deseadas. Para los ensayos mecánicos (por ejemplo, ensayos de penetración o de integridad), se puede pasar una prensa mecánica a través del suelo. Los pasamuros especialmente diseñados para condiciones extremas, que permiten cablear el objeto de ensayos o introducir sensores de medición en el recinto de ensayos, permiten la realización de ensayos eléctricos.
Asimismo, en el futuro habrá disponibles opciones adicionales para el sistema de ensayos, como una cámara de alta velocidad, revestimientos interiores intercambiables (problema de contaminación) o análisis de gases. Además, actualmente se está imponiendo el desarrollo y la certificación de una zona posterior, incluyendo un tratamiento de gases de escape integrado, que está conectada al recinto de ensayos y minimiza la dispersión de sustancias nocivas en el medio ambiente.
A continuación se describen las primeras pruebas realizadas con el nuevo sistema de ensayos en dos celdas de batería diferentes o en un conjunto de celdas.
Estructura y descripción de los ensayos
La imagen muestra la representación esquemática de la configuración para los ensayos destructivos. El recinto de ensayos (ExtremeEvent) está instalado en una sala de laboratorio resistente al fuego y a la presión, equipada con ventilación.
Durante el ensayo destructivo de seguridad, la temperatura se mide tanto en el recinto de ensayos como en las superficies de las paredes y el objeto de ensayo. Además, se mide la presión en dos puntos en el recinto de ensayos. Los sensores de medición se encuentran en el recinto de ensayos a través de los pasamuros integrados, de modo que se evita el intercambio de calor y material con el entorno.
En la imagen 3 se indican a modo de tabla las propiedades relevantes de la celda de batería sometida al ensayo. Para el ensayo se utilizó un conjunto de celdas formado por un total de seis celdas de batería. En concreto, se trata de una celda de batería NMC (compuesto químico formado por níquel-manganeso-cobalto como material activo para el cátodo), que tiene una reacción comparativamente más intensa que otros tipos de celda.
| Parámetro | Valor | Unidad |
|---|---|---|
| Capacidad / conjunto de celdas | C=50 / C=300 | Ah |
| Estado de carga (SOC) | SOC=100% | % |
| Tensión nominal | V=3,7 V | V |
| Dimensiones (longitud x anchura x altura) | 148 x 92 x 27 | mm |
| Masa | m=855 | g |
Como se muestra en la imagen 4, las celdas se sujetan con una garra de sujeción y se calientan de manera homogénea sobre una placa calentadora (1 kW) hasta que se produce el embalamiento térmico de las celdas.
Tras un periodo de unos 30 minutos, las celdas alcanzan en la parte inferior (TDUT, abajo) casi 290 grados Celsius. En la parte superior, las temperaturas en este momento son ligeramente superiores a 100 grados Celsius (TDUT, arriba), véase la imagen 5. Al poco tiempo se produce una enorme desgasificación (ventilación) y, finalmente, el embalamiento térmico.
En unos 25 segundos, cinco celdas se desgasifican por completo, por lo que el gas se inflama directamente debido a la elevada temperatura de la celda (embalamiento térmico). Una celda (la 02) entra mucho antes (aprox. 6 minutos) en el estado del embalamiento térmico. El pequeño desfase temporal con la excepción de la célula 02 puede reconocerse en las curvas de tensión o las caídas de tensión U de la figura 6. Se producen dos picos de presión durante el embalamiento térmico de las celdas. La presión máxima en ambos puntos de medición es aproximadamente 15 (Pbottom) y 17 mbar (ptop), lo cual activa el mecanismo de descarga de presión y abre parcialmente las trampillas. Durante el embalamiento térmico, la temperatura aumenta hasta un máximo de más de 660 grados Celsius en la parte superior de las celdas. La temperatura del aire (Taire) alcanza temporalmente los 435 grados Celsius, las superficies internas en la pared lateral o la puerta del recinto de ensayos un máximo de unos 190 grados Celsius.
Paralelamente, se realizaron mediciones con una celda individual (tipo de celda comparable), que se encuentra actualmente en fase de desarrollo y se ha optimizado en términos de rendimiento y densidad energética. Con unos 190 amperios hora, la capacidad es considerablemente menor que la del conjunto de celdas analizado.
A diferencia del conjunto de celdas, en este caso la cantidad de gas y calor se libera en el mismo momento durante el embalamiento térmico, y no se caracteriza por un desfase temporal como en el ensayo anterior (conjunto de celdas). También en este caso, la celda se calienta hasta el embalamiento térmico mediante una placa calentadora (1,5 kW) fijada respectivamente en cada lado de la celda. El embalamiento térmico muestra aquí una reacción mucho más violenta, que produce una explosión espontánea y la descomposición de la célula. Por consiguiente, los resultados de las mediciones muestran que la reacción en el recinto de ensayos es significativamente más intensa. Esto se reconoce claramente en el pico de presión medido.