Un método de medición en tiempo real prolonga la vida útil y aumenta la seguridad de las baterías
Método de medición de alta resolución y análisis directo
Un innovador método de medición permite optimizar la gestión de las baterías de los vehículos eléctricos, lo que contribuye a hacerlos más seguros y a prolongar su vida útil. La espectroscopia de impedancia del Instituto Fraunhofer de Tecnología de Fabricación y Materiales Avanzados IFAM analiza en tiempo real datos de medición detallados sobre el estado de la batería durante su funcionamiento. Esto significa que las baterías también pueden utilizarse en aplicaciones críticas para la seguridad.
Configuración de laboratorio para la medición en tiempo real asistida por ordenador de la impedancia en una célula de batería de iones de litio para analizar su estado.
© Fraunhofer IFAM
Unas baterías potentes y seguras son un componente clave para el éxito de la movilidad eléctrica. Por eso, medir la capacidad y el estado de una batería es un factor crucial. El método más informativo para hacerlo es la espectroscopia de impedancia. La impedancia en sí no puede medirse directamente, sino que se calcula a partir de la relación entre corriente y tensión. La impedancia proporciona información sobre el estado de carga (SoC) de la batería y permite sacar conclusiones sobre su estado de salud (SoH, es decir, la condición en el interior de la batería, donde se encuentran el cátodo, el ánodo y el electrolito) o su estado de seguridad.
La recopilación de todos los datos necesarios requiere mediciones y métodos analíticos que requieren mucho tiempo. Además, hasta ahora sólo era posible medir la impedancia en estado de reposo. Normalmente pueden pasar hasta 20 minutos antes de que los datos necesarios para caracterizar la batería estén listos y disponibles.
Los investigadores del Fraunhofer IFAM han seguido desarrollando este método bajo la dirección de Fabio La Mantia. Ahora, por primera vez, la espectroscopia de impedancia dinámica permite calcular mediciones sobre el estado de la batería durante su funcionamiento en directo y disponer de ellas en tiempo real. La información así obtenida abarca mucho más que simples datos sobre la capacidad de carga o el tiempo de funcionamiento restante. Proporciona una imagen detallada, precisa y en profundidad de lo que ocurre en el interior de la batería. Esto también permite predecir individualmente la vida útil potencial de la celda de la batería.
Aunque los actuales indicadores del estado de carga de las baterías -que, por ejemplo, se incorporan a la electrónica de los coches eléctricos- también realizan mediciones de forma continua durante su uso, ofrecen menos información, responden con mucha más lentitud y no son tan precisos.
"En primer lugar, la espectroscopia de impedancia dinámica abre nuevas posibilidades para optimizar la gestión de las baterías y alargar así su vida útil. Además, allana el camino para que estas baterías puedan utilizarse en aplicaciones críticas para la seguridad", explica Hermann Pleteit, responsable del proyecto.
Método de medición de alta resolución y análisis directo
En este innovador método, la corriente de carga o descarga se superpone a una señal de prueba multifrecuencia. Las distintas frecuencias permiten sacar conclusiones sobre el estado de determinados componentes o procesos dentro de la batería. La señal de respuesta de la corriente y la tensión se mide hasta un millón de veces por segundo. Todos los datos del método de medición de alta resolución fluyen a un sistema de procesamiento de datos que funciona al mismo tiempo. Un programa informático utiliza esta información para calcular la evolución de los valores de impedancia y, a continuación, hacer inferencias sobre el estado de la célula de la batería en cuestión.
Para obtener resultados en tiempo real a pesar del enorme volumen de datos generado por las mediciones de alta resolución, los investigadores del Instituto Fraunhofer idearon otro truco ingenioso. "Desarrollamos algoritmos que reducen significativamente el volumen de datos antes del análisis sin omitir información relevante", afirma Pleteit. En línea con estos avances, el control en tiempo real de todos los aspectos del estado de la batería mediante espectroscopia de impedancia ofrece ventajas significativas.
Apagado rápido de celdas sobrecalentadas
Los sistemas de gestión de baterías pueden utilizar los datos de impedancia para registrar inmediatamente, por ejemplo, el sobrecalentamiento local de una célula durante la conducción. A continuación, basta con apagar la célula o reducir la potencia. Esto elimina la necesidad de los sensores de temperatura convencionales, que se colocan en el exterior de la célula de la batería y registran los problemas térmicos con retraso. Para entonces, suele ser demasiado tarde para evitar que la célula se dañe.
También hay ventajas para los cargadores de vehículos eléctricos. Por ejemplo, esta tecnología podría utilizarse para decidir entre una carga extrarrápida y otra más lenta pero que reduzca el desgaste de la batería. Durante una breve pausa en una parada de descanso, el sistema de gestión de la batería la carga rápidamente al tiempo que garantiza que no se produzcan picos de temperatura peligrosos y que los componentes internos no sufran tensiones indebidas. Si el vehículo está enchufado a un cargador durante varias horas, el sistema de gestión carga la batería lentamente para reducir el desgaste y prolongar su vida útil.
Aplicación a las energías renovables y la aviación
Los proveedores de energías renovables como la eólica o la fotovoltaica, que necesitan compensar las fluctuaciones en la producción de electricidad con almacenamiento de energía, disponen de sistemas de módulos de baterías estables que pueden controlarse en todo momento gracias a la tecnología Fraunhofer.
La monitorización en tiempo real del estado de la batería abrirá incluso la posibilidad de utilizarla en escenarios críticos para la seguridad en el futuro. "Este tipo de sistemas podría utilizarse, por ejemplo, en aviones eléctricos ecológicos. Este mercado está dando sus primeros pasos. Y el sector naval también está mostrando interés por esta tecnología", afirma Pleteit.
La espectroscopia de impedancia no sólo es adecuada para las baterías de iones de litio habituales hoy en día. Este método también puede aplicarse a las baterías de estado sólido, de iones de sodio o de litio-azufre, o a cualquier otra tecnología futura.
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