Los módulos de baterías de vehículos eléctricos (VE) funcionan en un entorno térmico más exigente de lo que muchos compradores esperan. Un paquete puede enfrentarse a un arranque en una mañana helada, al calor de una carga rápida, a las temperaturas del asfalto en verano, a la variación de las placas de refrigeración, al almacenamiento en un contenedor y a una larga vida útil dentro de una plataforma sellada del vehículo. Estos cambios no solo afectan al rendimiento de las celdas, sino que también someten a tensión a soldaduras, barras colectoras, sellos, adhesivos, piezas de aislamiento, carcasas de módulos, sensores y conectores.
Una Cámara de Ciclo Térmico ofrece a los ingenieros de baterías una forma controlada de repetir estas condiciones de frío y calor antes de que un módulo llegue a la carretera. Para las pruebas térmicas de baterías de VE, ayuda a revelar signos tempranos de fallo que podrían no aparecer durante una única exposición a alta o baja temperatura. Una cámara térmica bien seleccionada puede respaldar la validación de diseños, la verificación de materiales entrantes, el muestreo en producción y el cribado por estrés térmico para módulos de baterías utilizados en turismos, vehículos comerciales, sistemas de almacenamiento de energía y plataformas de electrónica de potencia.
Comentario de nuestro cliente
Los módulos de baterías están construidos con muchos materiales que tienen diferentes coeficientes de expansión. Las carcasas de aluminio, las barras colectoras de cobre, las lengüetas de níquel, los soportes de plástico, los compuestos de relleno, los selladores, las láminas aislantes, los componentes de PCB y los sensores de temperatura responden de manera diferente cuando la temperatura pasa del punto de congelación a un calor elevado. En un solo ciclo, el cambio puede parecer pequeño, pero tras cientos de ciclos, un pequeño movimiento se convierte en fatiga mecánica.
El cribado por estrés térmico es útil porque hace que los puntos débiles aparezcan antes. Una soldadura que pasa una prueba eléctrica inicial puede mostrar una mayor resistencia después del ciclo térmico repetido del módulo de batería. Un sello que parece estable a temperatura ambiente puede encogerse a baja temperatura y ablandarse a alta temperatura. Un conector puede superar las pruebas de vibración, pero fallar cuando se añaden la expansión y contracción térmicas.
Para los fabricantes de baterías de VE, este tipo de prueba no solo consiste en cumplir un requisito de laboratorio, sino en reducir el riesgo de garantía y detectar pequeños problemas de montaje antes de que se conviertan en fallos de campo.
Una Cámara de Ciclo Térmico cambia la temperatura del aire alrededor de la muestra según un perfil programado. La prueba normalmente incluye un punto de baja temperatura, un período de permanencia, un ascenso controlado hasta un punto de alta temperatura, otro período de permanencia y luego un regreso a la baja temperatura. Esta secuencia se repite para el número requerido de ciclos.
Para el ciclo térmico de módulos de baterías, la cámara debe hacer más que simplemente calentarse o enfriarse. Debe mantener un control estable mientras la muestra misma absorbe y libera calor. Un módulo pesado, especialmente uno con placas de refrigeración metálicas o grupos de celdas densas, tiene una masa térmica mayor que los componentes electrónicos pequeños. Esto significa que la cámara necesita suficiente capacidad de calefacción y refrigeración para seguir la velocidad de rampa requerida sin grandes sobreexcitaciones.
Las configuraciones de la Cámara de Ciclo Térmico de LIB admiten rangos de temperatura desde -20 °C, -40 °C o -70 °C hasta +150 °C. Esto hace que el equipo sea adecuado para pruebas de almacenamiento en frío, envejecimiento a alta temperatura, ciclo térmico rápido y cribado por estrés ambiental. Las velocidades de calentamiento y enfriamiento pueden alcanzar 10 °C/min, con 15 °C/min disponibles para perfiles más rápidos, según la configuración. Para las pruebas térmicas de baterías de VE, estas cifras importan porque las transiciones lentas e inestables pueden pasar por alto condiciones de estrés que aparecen durante los cambios rápidos de temperatura del mundo real.
Un buen perfil de prueba comienza con un propósito claro. Los equipos de I+D pueden querer comparar dos diseños de módulos. Un equipo de calidad puede querer examinar muestras de producción. Un laboratorio de pruebas puede necesitar seguir condiciones especificadas por el cliente. La misma cámara de pruebas de baterías puede admitir cada caso, pero el perfil del ciclo, los puntos de medición y los criterios de aceptación deben ser diferentes.
Antes de cargar un módulo de batería en la cámara, el equipo de pruebas debe definir qué debe revelar la prueba. Los objetivos comunes incluyen verificar la estabilidad de la soldadura, la resistencia de la conexión de la barra colectora, la confiabilidad del aislamiento, la deriva del sensor, el comportamiento del sello o la función del módulo después del ciclo térmico.
Para un diseño de módulo nuevo, la prueba se puede ejecutar con más sensores y un recuento de ciclos más largo. Para el muestreo de producción, el enfoque suele ser la repetibilidad, el manejo rápido y los criterios claros de aprobado/reprobado.
El rango de temperatura debe reflejar la aplicación, la ruta de envío y el requisito del cliente. Una prueba común de módulo de batería de VE puede utilizar puntos bajos como -40 °C y puntos altos entre +85 °C y +105 °C, dependiendo de la ubicación del módulo y el propósito de la prueba. Para un cribado más severo, una capacidad de cámara más amplia de hasta +150 °C brinda espacio para comprobaciones especiales de materiales, adhesivos y componentes.
Cuando están involucrados los requisitos de seguridad en el transporte, a menudo se discute la prueba térmica UN 38.3 T.2 para celdas y baterías de litio. Su ciclo térmico utiliza 72 ± 2 °C durante al menos 6 horas, seguido de -40 ± 2 °C durante al menos 6 horas, con un intervalo máximo de transferencia de 30 minutos entre los extremos de temperatura. La secuencia se repite durante 10 ciclos, luego la muestra se almacena durante 24 horas a 20 ± 5 °C. Las baterías grandes pueden requerir un tiempo de permanencia más largo, comúnmente 12 horas, dependiendo de la interpretación de la prueba aplicable y el tamaño de la muestra. Esto es diferente de una prueba general de ciclo térmico de ingeniería, pero muestra por qué la estabilidad de la cámara y el control de la permanencia son importantes.
La velocidad de rampa cambia el nivel de estrés. Un perfil de 1 °C/min se acerca más a un cambio ambiental lento. Un perfil de 5 °C/min, 10 °C/min o 15 °C/min es más adecuado para el ciclo térmico rápido o el cribado acelerado. El tiempo de permanencia debe ser lo suficientemente largo para que la temperatura central del módulo de batería se acerque al objetivo, no solo el aire de la cámara.
El número de ciclos depende del objetivo. La comparación temprana de diseños puede usar de 20 a 50 ciclos. La validación de confiabilidad puede requerir más ciclos, especialmente cuando la prueba se combina con comprobaciones eléctricas antes, durante y después del ciclo.
Las mejores pruebas de ciclo térmico de módulos de baterías recopilan más que la temperatura de la cámara. Las mediciones útiles incluyen el voltaje del módulo, el voltaje del grupo de celdas, la temperatura de la superficie, las lecturas del sensor BMS, la resistencia de aislamiento, la resistencia del conector y la deformación visible.
Un puerto para cables ayuda a los ingenieros a enrutar cables externos sin abrir la puerta. La Cámara de Ciclo Térmico de LIB incluye un orificio de prueba estándar de Φ50 mm para conexiones de cables externos o de fuente de alimentación, lo que permite monitorear el rendimiento de la muestra en tiempo real mientras la cámara permanece controlada.
Una cámara térmica suele ser más valiosa cuando la muestra todavía "funciona" pero muestra signos de advertencia tempranos. Estos signos ayudan a los equipos a reparar un diseño o proceso antes de que el problema se vuelva costoso.
Las uniones soldadas y las barras colectoras transportan alta corriente en un espacio compacto. El calentamiento y enfriamiento repetidos pueden crear un pequeño movimiento en la interfaz de conexión. Después del ciclo, una soldadura débil puede mostrar mayor resistencia, calentamiento local o grietas visibles. En un módulo de alta corriente, esto no es un problema menor. Una mala conexión puede convertirse en una fuente de calor y reducir la confiabilidad del paquete a largo plazo.
Los sellos y materiales aislantes se enfrentan a una expansión y contracción repetidas. La baja temperatura puede endurecer algunos polímeros, mientras que la alta temperatura puede ablandarlos o acelerar su envejecimiento. Las carcasas de los módulos también pueden mostrar deformación si el grosor del material, los puntos de fijación o la tensión interna no están bien equilibrados.
Una cámara de pruebas de baterías ayuda a revelar si el módulo mantiene el rendimiento del aislamiento, la calidad del sellado y la alineación mecánica después de la exposición repetida a ciclos de alta y baja temperatura.
Las lecturas del BMS deben ser fiables bajo temperatura cambiante. Un sensor de temperatura que se desvía después de un ciclo repetido puede afectar la lógica de gestión térmica. Los conectores también pueden aflojarse o mostrar contacto intermitente cuando los plásticos, terminales y cables se expanden a diferentes velocidades.
Para las pruebas térmicas de baterías de VE, estos fallos suelen ser más importantes que los daños visibles. Un módulo puede parecer sin cambios desde el exterior pero aún así mostrar un comportamiento eléctrico inestable.
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