¿Cómo probar una batería? Todo sobre la prueba de baterías de litio

El diseño del sistema de baterías tiene como principal objetivo optimizar el rendimiento de la batería en condiciones normales de funcionamiento y proteger la célula, pero las condiciones de funcionamiento de la célula siempre van más allá de su rango normal de funcionamiento. Iones de litio prueba de batería suele dividirse en tres categorías: ① ensayo de caracterización y rendimiento; ② ensayo de uso indebido; ③ ensayo de certificación.

Las pruebas de caracterización y rendimiento evalúan los cambios en el rendimiento de la batería en condiciones de prueba específicas. Las pruebas de caracterización suelen utilizar pruebas de celdas para comprender el rendimiento básico de una celda, módulo, batería o sistema en condiciones especiales.

La prueba de abuso evalúa la seguridad de un batería de iones de litio poniéndolo en estado de fallo en condiciones abusivas. La prueba de abuso incluye la prueba de sobrecarga, la prueba de alto voltaje, la prueba de aguja, la prueba de cortocircuito, la prueba de caída, etc.

El objetivo principal de la prueba de abuso es descubrir las condiciones límite para el funcionamiento seguro de la célula y batería. La prueba de certificación requiere la realización de un conjunto completo de pruebas de batería exigidas por un organismo de certificación, con muchos enfoques diferentes. Por ejemplo, las Naciones Unidas han elaborado normas de ensayo para el transporte de mercancías peligrosas con el fin de garantizar que las mercancías puedan transportarse por barco, avión o carretera.

Durante el diseño del sistema de baterías, los ingenieros de baterías deben recopilar información suficiente para cumplir los requisitos del cliente al formular los protocolos de diseño, validación, planificación y elaboración de informes. Los protocolos de diseño, validación, planificación y elaboración de informes deben incluir detalles específicos de todas las pruebas que se van a realizar, incluido el número de unidades de prueba de baterías, la duración de las pruebas, las ubicaciones de las pruebas y los criterios de fallo o éxito de las pruebas de baterías.

La tabla siguiente ofrece un ejemplo de diseño, validación, planificación y elaboración de informes de una solución. Además de las pruebas que deben realizarse, los requisitos relacionados con las pruebas de batería, los criterios de certificación y los criterios de aprobación, la solución también incluye un informe de pruebas de batería con registros precisos. El informe está actualizado, y el proceso de diseño y pruebas suele documentarse en tablas, lo que resulta sencillo y fácil de gestionar.

Prueba y caracterización de la batería

Las pruebas de rendimiento de las baterías suelen realizarse en varias fases, empezando por las características de la batería. El propósito de la caracterización de la batería es determinar su rendimiento bajo ciertas normas de funcionamiento.

Esto permite a los ingenieros de sistemas diseñar un sistema que garantice que la batería no funcione fuera de este rango. La caracterización suele consistir en una serie de ciclos de carga/descarga, realizados en múltiples rangos de temperatura durante el mismo ciclo de prueba de la batería.

Las pruebas de baterías de caracterización suelen utilizar un "circulador" o "canal" que suministra corriente y energía a la batería, el módulo o el paquete de baterías, que está controlado por una unidad independiente que proporciona características programables y, por último, la prueba de la batería se realiza en una caja caliente.

Asegúrese de que la batería experimenta la misma temperatura durante la prueba de la batería. La caja caliente permite probar la batería, el módulo o el paquete de baterías a una temperatura específica, generalmente de -40 a 60℃ y superior.

Además de las pruebas de rendimiento, durante la fase de caracterización hay que realizar una serie de pruebas de vida útil. El objetivo de estas pruebas de baterías es garantizar que la batería cumple con la potencia y la energía requeridas al final de su vida útil y que la batería cumple con sus objetivos de garantía.

La prueba de caracterización consta de muchas pruebas, de las cuales la prueba de bucle puede ser la parte más larga de la prueba de caracterización, con una duración de hasta un año dependiendo del tamaño de la batería.

Por ejemplo, es habitual ver que la prueba de ciclo de vida de la batería de un vehículo eléctrico híbrido enchufable grande de 10~16kWh o de un vehículo eléctrico puro tarda 400~420 días en completarse, porque en la prueba de carga y descarga, la energía eléctrica debe cargarse o descargarse por completo, y se requiere la carga (ciclo) y el período de descanso durante la descarga y la carga del paquete de baterías.

En este ejemplo, puedes tener la suerte de completar un bucle cada día. Por ejemplo, si pones a prueba la batería del Chevrolet Volt con 10,5kWh de energía utilizable a 120V y 15A (aproximadamente 1℃), necesitas cargar completamente la batería en 3 o 4 horas y volver a descargarla.

Si la batería se carga y descarga una vez al día durante 10 años, 365 veces al año y 3.650 veces en 10 años. Así que, incluso con tres ciclos al día, ¡se necesitarían más de 1.200 días (más de 3 años) para completar este plan de pruebas de la batería!

Si se prueba una sola célula, especialmente cuando ésta es relativamente pequeña, puede circular varias veces al día. Cuando se diseñan, verifican, planifican e informan los protocolos, las pruebas de ciclo de vida deben realizarse en el producto final. Por lo tanto, para ahorrar tiempo, se puede probar directamente el producto final.

El Manual de Pruebas de la Batería FreedomCAR fue desarrollado por la Advanced Battery Alliance en 2003, y la prueba de la batería incluye:

▎Prueba de capacidad estática - El propósito de esta prueba de batería es definir la capacidad de la batería a una tasa de descarga específica.

▎Pérdida de capacidad - Prueba la pérdida de capacidad irreversible a un ritmo específico.

▎Prueba de caracterización de impulsos de potencia híbridos (HPPC)- Comprueba si la célula o batería puede cumplir los objetivos de rendimiento. Las pruebas de caracterización de impulsos híbridos son relativamente sencillas y suelen implicar un tiempo de descarga muy corto, un estancamiento durante un periodo de tiempo antes de la carga y la repetición de estos procesos.

Tras estas pruebas, se pueden obtener muchos datos, como la relación entre la profundidad de descarga y la impedancia, la capacidad de potencia de impulsos, la disponibilidad de energía y potencia a diferentes profundidades de descarga, la pérdida de potencia y energía en el proceso del ciclo, los valores máximo y mínimo de descarga de la batería, el calor liberado durante el funcionamiento, etc.

Las pruebas de caracterización restantes también deben incluirse en los protocolos de diseño, validación, planificación y elaboración de informes:

▎Prueba de autodescarga: ayuda al diseño de la batería a determinar la pérdida de energía durante su almacenamiento.

▎Prueba de arranque en frío: comprueba cuánta energía puede proporcionar la batería para arrancar o volver a arrancar el coche a bajas temperaturas.

▎Prueba de rendimiento térmico: disponibilidad de potencia y energía a distintas temperaturas.

Prueba de eficiencia energética: eficiencia energética global del sistema, pérdida de energía durante el funcionamiento.

▎Prueba de vida útil: cuántos gráficos pueden reciclarse en un entorno de ejecución preestablecido.

▎Prueba de duración - Determina cuánto tiempo puede funcionar la batería.

Éste es sólo un ejemplo de las muchas pruebas de representación. En las aplicaciones industriales y de consumo, algunas pruebas de caracterización son similares y otras completamente diferentes.

Las pruebas de evaluación basadas en baterías de plomo-ácido se han aplicado en el campo de las baterías de iones de litio. Aunque esta prueba de baterías se aplica principalmente a baterías y baterías de arranque/parada, también es una buena referencia para las baterías de iones de litio de arranque/parada.

Prueba de seguridad y abuso

Las pruebas de seguridad y uso indebido de baterías abarcan una amplia gama de temas, como la sobrecarga de elementos individuales o baterías enteras, las pruebas de pinchazo de elementos y baterías, las pruebas de impacto y vibración simulados, la pulverización de solución salina corrosiva y grava sobre las carcasas de las baterías, y el choque de agua a alta presión.

No todas las aplicaciones requieren la realización de las pruebas mencionadas. Al seleccionar las pruebas de seguridad y abuso, las pruebas deben ser selectivas en función del mercado, la aplicación y la ubicación geográfica.

El manual FreedomCAR Electric and hybrid Electric Vehicle Abuse Testing Manual publicado por Sandia National Laboratories en 2006 proporciona un buen marco de pruebas de abuso de baterías eléctricas, condiciones de prueba y datos que deben registrarse.

La prueba de la batería de abuso FreedomCAR se divide principalmente en tres categorías:

▎Prueba de abuso mecánico: incluye impacto, clavado, caída, inmersión, vuelco y vibración.

▎Prueba de abuso térmico: incluye resistencia al calor, simulación de incendio por combustible, almacenamiento a alta temperatura, carga y descarga rápidas, choque térmico.

▎Prueba de abuso eléctrico - Sobrecarga, alta tensión, cortocircuito, sobredescarga e inversión de tensión, cortocircuito parcial.

La prueba de abuso de vehículos eléctricos e híbridos eléctricos de FreedomCAR se basa en las primeras directrices para pruebas de abuso desarrolladas por la Advanced Battery Alliance en 1999. Muchas de las pruebas de FreedomCAR también se incluyen en la prueba de abuso USCAR.

Las pruebas de abuso de la USCAR incluyen:

▎Pruebas de abuso mecánico: impacto, caída, pinchazo, vuelco, infiltración y extrusión.

Pruebas de abuso térmico: radiación térmica, resistencia al calor, aislamiento térmico neutro, sobrecalentamiento, choque térmico y almacenamiento a alta temperatura.

▎Prueba de abuso de energía - cortocircuito, cortocircuito parcial, sobrecarga, sobredescarga, inversión de tensión.

Ensayo de vibración de un sistema electroquímico de almacenamiento de energía:

Tanto en Estados Unidos como en Europa, los resultados de las pruebas de abuso se evalúan casi todos utilizando el nivel de peligro FreedomCAR o el nivel de peligro EUCAR (véase la Tabla1). Los dos sistemas son iguales. El sistema FreedomCAR se desarrolló sobre la base del sistema EUCAR, por lo que, en esencia, ambos sistemas comparten el mismo sistema de prueba y evaluación de abuso. En la práctica, la mayoría de fabricantes de baterías de ión-litio de todo el mundo reconocen estos dos sistemas de evaluación.

El nivel del sistema de evaluación oscila entre 0 y 7. El nivel 0 significa que no hay impacto en la célula o la batería, mientras que el nivel 7 se considera que causa una explosión o una rápida liberación de energía del sistema de la batería. El resultado ideal es que en los niveles 0, 1 y 2 se active la protección pasiva, causando daños menores pero sin gas, fuego, rotura ni aflojamiento estructural.

Los niveles 4 a 7 son más difíciles de resolver y generalmente requieren medidas adicionales de protección del sistema. Cuando el gas de la célula, la pérdida de electrolito de más de 50%, se puede considerar como nivel 4; Cuando se prueba a la llama o el fuego de la batería, se puede considerar como nivel 5; Rotura de la célula, pero sin salpicaduras de material, se puede considerar como nivel 6; Se considera nivel 7 cuando la batería explota, las partes de la batería vuelan hacia fuera, y la estructura del núcleo se derrumba.

En 2014, el Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) formuló códigos y normas relacionados con la seguridad de los sistemas de almacenamiento de energía, que incluyen todas las leyes, reglamentos, directrices, normas y reglamentaciones para el desarrollo, ensayo, certificación e instalación de todos los sistemas de almacenamiento de energía industriales, de red, fijos y domésticos.

A medida que crece el uso de sistemas de almacenamiento de energía con baterías de iones de litio, las leyes y normativas deben adaptarse a la tecnología, y esta especificación y norma desempeñan un papel ejemplar.

Prueba de batería de certificación

La prueba de certificación tiene principalmente dos objetivos:

①para probar si el producto es adecuado para un campo determinado, como la prueba DNV, principalmente para probar si el paquete de baterías es adecuado para el campo marino; Prueba de la batería por la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico por Carretera (NHTSA) para determinar si los paquetes de baterías se pueden utilizar en vehículos de motor; Underwriters Laboratories (UL) prueba de la batería verificar que las baterías son adecuadas para su uso en electrodomésticos y la vida doméstica.

② Garantizar la seguridad del personal y los equipos en el proceso de transporte. Esto viene determinado principalmente por las propuestas de las Naciones Unidas sobre el transporte de mercancías peligrosas, que los distintos países aplican junto con sus propias normativas de transporte.

Normas de las Naciones Unidas para el transporte de mercancías peligrosas：.

Tras varios accidentes graves con baterías de ión-litio en el aire, se elaboró un manual de pruebas para baterías de transporte. La sección 38.3 del Manual de las Naciones Unidas para el Transporte de Mercancías Peligrosas deja claro que las baterías de metal de litio y de iones de litio deben superar las pruebas mencionadas en el manual antes de ser transportadas. La sección 38.3 describe métodos de prueba muy detallados para las baterías de iones de litio con el fin de garantizar la seguridad del personal y otros equipos durante el transporte de baterías de iones de litio.

La Oficina de Transporte de EE.UU. (U.S. Dot) y muchos otros países sólo reconocen la prueba de baterías con certificación de las Naciones Unidas para el transporte de mercancías peligrosas. Sin embargo, algunos países exigen que las baterías se prueben en casa antes de fabricarlas allí.

Los manuales de las Naciones Unidas varían en cuanto a las pruebas de certificación de células, módulos y baterías, pero suelen contener ocho puntos.

No todas las ocho pruebas deben realizarse, pero deben evaluarse para determinar si es necesario completarlas. Por ejemplo, si el manual indica que la batería no está sobrecargada, puede no realizarse la prueba de sobrecarga de la batería T7.

Esto tuvo que probarse en su momento y posteriormente la mayoría de las empresas de baterías renunciaron a ello. La razón principal es que la mayoría de las células y pequeños paquetes de baterías no se instalan con protección contra sobrecarga, y la prueba de la batería sin duda fallará, pero el sistema de baterías posterior se diseñará e instalará con la protección contra sobrecarga adecuada, por lo que no hay necesidad de realizar una prueba de sobrecarga para la célula.

Del mismo modo, en el caso de las pruebas de baterías grandes, no es necesario volver a certificarlas una vez superadas las pruebas de celdas y módulos. Las pruebas de baterías cuestan entre $10, 000 y $15, 000 para híbridos enchufables, vehículos eléctricos puros y paquetes de baterías de diseño fijo, y son extremadamente caras para paquetes múltiples. Por ello, la ONU ha propuesto eliminar la necesidad de limitar el número de paquetes de baterías certificados tras superar las pruebas de células y módulos.

El manual de las Naciones Unidas establece: Cuando la batería haya superado todas las pruebas y esté conectada eléctricamente, el peso supere los 500g o la energía supere los 6200Wh, y se tomen las medidas de protección de cortocircuito interno, sobrecarga, sobredescarga y sobrecalentamiento, no se realizará la prueba de certificación del pack de baterías conectadas eléctricamente.

Certificación Underwriters Laboratory Norma para baterías de iones de litio

Underwrters Laboratory (UL) es muy activo en los ensayos de certificación de baterías de iones de litio. La mayoría de los esfuerzos de certificación y normalización de UL se centran en aplicaciones de baterías de iones de litio no eléctricas, sobre todo en fuentes de alimentación móviles, electrodomésticos y aplicaciones industriales y comerciales.

Aunque UL y la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) han hecho grandes avances en la certificación de baterías eléctricas, los fabricantes de baterías son reacios a realizar pruebas de certificación. Organizaciones como la Sociedad de Ingenieros de Automoción (SAE), que lleva a cabo pruebas exhaustivas de las baterías una vez fabricadas, son reacias a gastar dinero extra en repetir dichas pruebas.

En la actualidad, UL sigue colaborando con algunas organizaciones de vehículos eléctricos, como SAE e IEC, pero sus representaciones de ensayos de certificación se centran en fuentes de alimentación móviles y domésticas. UL desarrolló la norma 2580 Electric Vehicle Battery Application Standard en 2014 para simular el rendimiento de las baterías en condiciones abusivas.

Esta norma contiene las pruebas exigidas por algunos fabricantes de vehículos eléctricos y el manual de las Naciones Unidas, incluida una serie de pruebas eléctricas, mecánicas y medioambientales. Por lo tanto, el ensayo de baterías UL cubre una gama más amplia, pero no ha sido ampliamente aceptado por los fabricantes.

A continuación se ofrece una lista comparativa de los términos de ensayo UL y las baterías de iones de litio aplicables:

▎UL 1642 Célula de batería de iones de litio

▎UL 1973 Baterías de iones de litio para aplicaciones de ferrocarril ligero y diseño fijo

▎UL 1989 Batería de repuesto

▎UL 2054 Pila alcalina o batería de iones de litio/pila alcalina

▎UL 2271 Batería de alimentación para vehículo eléctrico ligero

▎UL 2580 Batería de alimentación

▎ULCSA/CE 60950 (generalmente utilizada con UL, 2054)

▎UL/CSA/IEC 60065 Baterías para aplicaciones de equipos de audio y vídeo

Certificación marítima

Las baterías de iones de litio deben superar las pruebas de certificación de DNV-GL, Lloyd's y ABS antes de poder utilizarse en aplicaciones marinas. Estas organizaciones se encuentran en las primeras fases de certificación de las baterías de iones de litio para aplicaciones marinas. Las tres agencias han publicado un nuevo conjunto de normas de fiabilidad para los paquetes y sistemas de baterías de iones de litio, pero todavía no para los niveles de las celdas.

Lo anterior es toda la prueba de la batería importante. También hemos escrito una serie de cómo-a los artículos sobre la batería como cómo tratar la pila hinchadaEspero que encuentre información útil aquí.