Las baterías ahora forman parte de la vida cotidiana. Tras haber impulsado el crecimiento masivo de la informática móvil y las comunicaciones, las baterías son ahora un componente fundamental de la revolución verde. Los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento doméstico son solo un par de ejemplos del uso de las baterías para almacenar la electricidad generada con métodos limpios y hacer que esa energía esté disponible siempre que se necesite. La dependencia de las baterías pone de relieve la importancia de las pruebas y medidas para garantizar que los sistemas funcionen con la máxima eficiencia.
«La sustitución de otros sistemas de alimentación por baterías y la vida útil de las baterías son temas importantes estos días», dice Philipp Weigell, Director of Product Management for Power Products, Meters, Sources and Audio Analysers de Rohde & Schwarz.
Durante el diseño, los equipos de ingeniería necesitan entender si la circuitería de carga y los circuitos que consumen energía funcionan todos con la mayor eficacia posible con el diseño de la batería. El rendimiento en el campo también es importante. Las pruebas de producción de alta calidad son vitales para garantizar que solo se suministren baterías de alta calidad. Las que corren el riesgo de fallo temprano deben ser identificadas y asignadas a una estación de reacondicionamiento. Sobre el terreno, los gestores de flotas de vehículos eléctricos han de ser capaces de comprobar si las baterías tienen un rendimiento inferior o si muestran problemas para sustituirlas antes de que causen una avería.
A medida que se acepte más el concepto de los gemelos digitales, el valor de estas pruebas de producción y mantenimiento se extenderá a la fase de diseño. El acceso a los datos operativos a largo plazo mostrará el rendimiento de los sistemas en diferentes condiciones de carga. Esto dará información importante que los equipos de ingeniería podrán utilizar para optimizar los diseños futuros de los sistemas, así como los ajustes del firmware que pueden realizar para mejorar el rendimiento de los equipos que ya se encuentran operativos.
Las pruebas de las baterías requieren rapidez, exactitud y facilidad de uso
Ya sea en el diseño, la producción o el mantenimiento, la velocidad y la exactitud constituyen algunos de los aspectos más importantes del rendimiento de los equipos de prueba. Los parámetros clave de las baterías son la tensión y la resistencia. La resistencia se ha medido tradicionalmente conectando una carga a la batería. Sin embargo, las empresas especializadas en pruebas han aplicado diversas estrategias sofisticadas para mejorar la exactitud y la facilidad de uso, tanto en laboratorio como en campo, con el fin de responder a la gran variedad de químicas de las baterías utilizadas en la actualidad.
Esto ha dado lugar a diseños como el BT3554 de Hioki, especialmente diseñado para el mantenimiento de baterías de plomo-ácido, que suelen utilizarse en sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) y aplicaciones similares. El BT3554 está diseñado para proporcionar un diagnóstico completo del estado de las baterías de plomo-ácido incluso mientras están conectadas a un dispositivo y sin necesidad de desconectarlo. Esto facilita el mantenimiento del SAI y reduce los tiempos de inactividad.
La química de las baterías y los objetivos de las pruebas tienen un gran peso en el diseño de los instrumentos. Kai Scharrmann, ingeniero y Head of Sales de Hioki Europa, afirma que es relativamente fácil determinar el estado de una batería de plomo-ácido a través de medidas sencillas de tensión y cálculos de la resistencia interna. «Se puede decir con gran rapidez si una batería necesita ser sustituida o no y normalmente es una medida que se hace con una sola frecuencia. Si solo se mide una frecuencia, resulta extremadamente difícil juzgar a partir de ese único nivel de medida si una batería de litio-ion está bien o no».
En la transición a las químicas basadas en el litio, la estructura de la batería desempeña un papel importante en las pruebas de mantenimiento y producción, así como en la investigación y el desarrollo, dice Scharrmann. «Una de las cosas realmente importantes es realizar medidas precisas a nivel celular. Tomar medidas en un paquete no muestra nada porque, si está en serie, no se sabe cuál célula está afectada. Es posible que tenga células perfectas, pero que una está dañada. ¿Cómo va a encontrar esa célula dañada si solo se mide todo el paquete?»
En muchos casos, las células de las baterías de litio-ion están organizadas en serie, añade Scharrmann. «Si se pone en serie, se necesita un sistema de gestión de la batería o una placa de protección. Al medir, también se está midiendo el sistema de gestión de la batería. Se puede hacer, pero se deben tener en cuenta muchas más cosas que con una antigua batería convencional de plomo-ácido».
Las aplicaciones impulsan la necesidad de mayor eficiencia
El rendimiento de cada una de las células es cada vez más importante para un número creciente de aplicaciones. Un entorno que exige este nivel de detalle es en la automoción, ya que el rendimiento del sistema eléctrico completo determina la autonomía de un vehículo eléctrico.
«A veces, se seleccionan las propias células de la batería. Por ejemplo, en los deportes de motor, donde es crucial extraer el máximo rendimiento, se seleccionan totalmente a mano las células de las baterías que componen los paquetes. Se hace un barrido de frecuencia en cada célula y, a partir de esas medidas, se decide cuáles se pondrán juntas en un paquete», dice Scharrmann.
Las pruebas de producción y mantenimiento necesitan un buen soporte para su rendimiento y unos resultados fácilmente interpretables, mientras que los instrumentos destinados a investigación y desarrollo deben satisfacer la exigencia de exactitud, dice Scharrmann. «En realidad, la precisión del instrumento puede determinar la conformidad». Señala como ejemplo los requisitos de la EPA (Agencia de Protección Medioambiental de Estados Unidos) para determinar la eficiencia y la autonomía de los vehículos eléctricos. «Un buen equipo de prueba y medida puede ayudar realmente a conseguir las certificaciones», añade.
La precisión es vital para desarrollar sistemas que puedan aprovechar al máximo el comportamiento de las baterías de litio-ion. A medida que aumenta la eficiencia, la exactitud adquiere más importancia. Esto se aplica a las fuentes de alimentación que requieren el menor desperdicio posible al controlar los componentes electrónicos posteriores, así como a los inversores de los sistemas más grandes que se utilizan para controlar motores eléctricos. Actualmente la eficiencia se acerca al 90%. Incluso una mejora pequeña de la eficiencia reduce enormemente la energía desperdiciada. Por ejemplo, un punto porcentual de mayor eficiencia significa un 10% menos de energía desperdiciada.
Scharrmann afirma que se está realizando un esfuerzo significativo en el diseño de inversores de alta frecuencia gracias a la llegada de los procesos de carburo de silicio y nitruro de galio. «Las velocidades de reloj de conmutación están aumentando tanto ahora que se necesita un equipo de medida realmente preciso para poder medir las ganancias», explica. La sostenibilidad también desempeña un papel fundamental en el impulso de los requisitos de prueba. «Las baterías de litio-ion suelen contener mucho cobalto, que no es precisamente el producto más ecológico del planeta». El diseño de sistemas que puedan albergar baterías construidas con diferentes materiales puede contribuir en gran medida a mejorar las métricas de sostenibilidad.
Instrumentos para entender el consumo energético
En los sistemas de bajo consumo, los numerosos tipos de estados de reposo y de procesamiento a alta velocidad que se pueden utilizar complican el análisis del rendimiento de las baterías. Un diseño cuidadoso de las reservas de condensadores puede ayudar a prolongar la vida de la batería al reducir el tamaño de las corrientes máximas que las células deben suministrar. Además de los analizadores de potencia convencionales, ahora se utilizan unidades de medida de fuente (SMU) para caracterizar el rendimiento de estos sistemas.
«Estamos empezando a ver el uso de SMU en las pruebas de baterías», afirma Bradley Odhner, Technical Marketing Manager de Tektronix y Keithley Instruments, y añade que las numerosas empresas emergentes que construyen dispositivos de Internet de las Cosas (IoT) pueden beneficiarse de ellas. «Las SMU son excelentes para las empresas que quieren un instrumento que pueda hacer muchas cosas, pero también cosas muy complejas, sobre todo cuando empezamos a hablar de la miniaturización de los dispositivos. La gente intenta sacarle el máximo partido a todos los equipos que utiliza para poder fabricar los mejores productos posibles».
Weigell explica: «Una SMU permite realizar medidas con gran precisión, lograr exactitud con corrientes muy bajas y en menos de un segundo con corrientes altas. De este modo se puede entender de verdad el consumo energético, y luego puede correlacionarlo con otras características». Añade que la flexibilidad de las medidas facilita el análisis a nivel detallado de cómo el consumo energético y las demandas de la batería cambian con el tiempo, como cuando un usuario pasa de leer correos electrónicos a ver vídeos.
Desde el IoT hasta las flotas de vehículos eléctricos, las baterías desempeñan un papel vital. Para maximizar la eficiencia y la vida útil de los equipos, existe una clara necesidad de entender cómo se comportan las baterías en los sistemas y en el campo. Por consiguiente, los equipos de prueba y medida desempeñan un papel esencial a lo largo de toda la vida útil y los principales fabricantes mundiales están asumiendo este reto.
Por Cliff Ortmeyer, Global Head of Technical Marketing de Farnell
