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Equipos y ensayos para control de calidad

¿Cuál es la Normativa y Ensayos a realizar de celda y baterías de litio-ion?

El coche eléctrico es clave en la industria de la automoción y las baterías de ion-litio están destinadas a ser la fuente de alimentación en los vehículo eléctricos. Son necesarias cumplir con una serie de normas y ensayos de celda y baterías de litio-ion para garantizar la evaluación de la seguridad y el ciclo de vida útil de estos dispositivos.

Normativa y descripción de los de Ensayos de celda y baterías de litio-ion

Es crucial que al diseñar baterías o productos que se alimentan de ellas, los fabricantes presten especial atención a los requisitos de seguridad recogidos en las normas ONU ST/SG/AC.10/27/add.2.; ST/SG/AC.10/11 ‘Recomendaciones Relativas al Transporte de Mercancías peligrosas’, UN/DOT 38.3. En el caso del vehículo eléctrico, la Regulación 100, ‘Disposiciones uniformes relativas a la homologación de vehículos en relación con los requisitos específicos del grupo motopropulsor eléctrico’.

Las últimas actualizaciones de las normas de equipos de Tecnología de la Información (norma IEC 60950) y equipos electromédicos (IEC 60601) destacan la importancia de las baterías incluidas en este tipo de dispositivos, no por su tensión, que habitualmente no es peligrosa, sino por la energía que pueden almacenar y lo que deriva de ella, como pueden ser riesgos térmicos, de explosión, etc. Ambas normas armonizadas en sus nuevas versiones, requieren que la batería cumpla su norma de producto desde el punto de vista de seguridad eléctrica. La norma IEC 62133, especifica los ensayos necesarios tanto en celdas individuales como para el pack de baterías a la hora de identificar qué elemento de la batería está certificado, pues, en ocasiones, el proveedor de baterías suministra un pack en el que solo están revisadas las celdas y no el pack completo.

Con respecto a la norma ONU ST/SG/AC.10/27/add.2.; ST/SG/AC.10/11, en su apartado 38.3 se recogen las pruebas a las que se deben someter las pilas y baterías de litio antes del transporte. Los ensayos recogidos en la normativa ONU, son muy similares a la normativa internacional EN 62133 pero de distinta severidad.

Por ello, EUCAR ha establecido una serie de recomendaciones, delimitando el tipo de Nivel de Riesgo (Hazard Level) en función del Efecto que produce el problema sobre la celda o batería ensayada: 

Como información adicional, a continuación se listan los ensayos tipo a los que se debe someter a una batería, en los que deberán cumplir las recomendaciones de EUCAR en seguridad (Hazard Levels).

Descripción de los ensayos de baterías de Litio-Ion

Las pruebas T1 a T5 deberán realizarse secuencialmente a la misma batería. Las pruebas T6 y T8 deberán realizarse a baterías que no hayan sido sometidas a ninguna otra prueba. La prueba T7 puede realizarse utilizando baterías no dañadas utilizadas anteriormente en las pruebas T1 a T5 con el fin de comprobar su funcionamiento sometidas a ciclos.

  • Test T.1: Simulación de altitud en ensayos de batería

También conocida como prueba de baja presión, la prueba de simulación de altitud simula el transporte de células y baterías en condiciones de baja presión en cámara climática (igual o inferior a 11,6 kPa y temperatura de +20 °C durante al menos 6 horas), como las experimentadas en una bodega de carga de un avión, o en una cabina de avión que experimenta una pérdida repentina de presión.

Para pasar esta prueba en cámara climática, la muestra no debe tener fugas, desmontarse, romperse o encenderse. Además, el voltaje del circuito abierto de la muestra analizada debe ser al menos el 90% del voltaje de la muestra, tal como se midió antes de la prueba en la cámara climática.

  • Test T.2: Prueba térmica en ensayos de batería

La prueba térmica en cámara climática evalúa la integridad del sello y las conexiones eléctricas internas de una celda o batería después de la exposición a variaciones de temperaturas extremas y rápidas en una cámara climática adecuada con control de temperatura (entre +72 y -40 °C en menos de 30 minutos), con una permanencia en las temperaturas estables de al menos 6 horas (y se repite el clico 10 veces).

Para pasar esta prueba en cámara climática, la muestra no debe tener fugas, desmontarse, romperse o encenderse. Además, el voltaje de circuito abierto de la muestra analizada debe ser al menos el 90% del voltaje de la muestra, medida antes de la prueba.

  • Test T.3: Medición de la Vibración en ensayos de batería

La prueba de vibración simula el efecto del tipo de vibración que podría aplicarse a una celda o batería durante el transporte. Durante la prueba, se somete a vibraciones con un barrido logarítmico entre 7 Hz a 200 Hz y vuelta a 7 Hz (con tiempo de recorrido, 15 minutos, 12 repeticiones de duración total 3 horas y a realizar en cada uno de los 3 ejes XYZ). Eventualmente, la prueba puede ser realizada en cámara climática preparada para realziar ensayos combinados con vibración.

Para pasar esta prueba, la muestra no debe tener fugas, ventilarse, desmontarse, romperse o encenderse. Además, el voltaje del circuito abierto de la muestra analizada debe ser al menos el 90% del voltaje de la muestra, tal como se midió antes de la prueba.

  • Test T.4: Prueba de Choque en ensayos de batería

La prueba de choque simula un posible impacto en una celda o batería durante el transporte. Durante la prueba, una muestra se asegura a un dispositivo de prueba y se somete a tres descargas calibradas tanto en dirección positiva como negativa en cada una de las tres posiciones de montaje diferentes, para un total de 18 descargas por separado.

  • Test T.5: Cortocircuito externo en ensayos de batería

Esta prueba sirve para determinar la capacidad de una celda o batería para soportar un flujo máximo de corriente sin consecuencias adversas Para esta prueba se debe calentar la batería hasta una temperatura estable de +54°C en cámara climática (6 horas en baterías pequeñas y unas 12 horas en grandes). A continuación, se somete a la batería a un cortocircuito con una resistencia externa total inferior a 0,1 Ω. Se mantendrá el cortocircuito durante al menos 1 hora a partir del momento en que la envoltura externa de la batería vuelva a tener los +57°C.

Para superar esta prueba, la temperatura externa de la muestra no debe superar los 170°C.

Test T.6: Prueba de Impacto en ensayos de batería

Simula la agresión mecánica de un impacto o aplastamiento que puede producir un cortocircuito interno.

Durante la prueba de impacto (aplicable a celdas cilíndricas de más de 20 mm de diámetro), se somete a una muestra a un solo impacto de una masa de un peso específico caída desde una altura especificada.

Durante la prueba de aplastamiento (aplicable a células prismáticas, bolsas, monedas/botones y células cilíndricas de un diámetro no superior a 20 mm), se aplasta una muestra entre dos superficies planas a una velocidad definida hasta que la fuerza aplicada alcance un límite calculado, el voltaje de la celda cae en al menos 100 mV, o la celda se deforma en un 50%.

Para superar esta prueba, la temperatura externa de la muestra no debe superar los 170 °C, y la muestra no debe desmontarse ni encenderse durante la prueba, ni dentro del período de seis horas después de la misma.

  • Test T.7: Medición de Sobrecarga en ensayos de batería.

Se evalúa la capacidad de una batería para resistir una sobrecarga.

La corriente de carga será el doble de la corriente máxima de carga continua recomendada por el fabricante. Las pruebas serán a temperatura ambiente y la duración de 24 horas.

Las baterías cumplen este ensayo si no se produce estallido ni incendio durante la prueba ni durante los 7 días siguientes a la prueba

  • Test T.8: Descarga forzada en ensayos de batería.

Se evalúa la capacidad de una batería para resistir un estado de descarga forzada.

Cada pila se someterá a una descarga forzada a temperatura ambiente colocándola en serie con una fuente de alimentación de 12 V corriente continua con una corriente inicial igual a la corriente de descarga máxima especificada por el fabricante.

Las baterías cumplen este ensayo si no se produce estallido ni incendio durante la prueba ni durante los 7 días siguientes a la prueba.

>> más información, Cámaras Climáticas para ensayo de celdas y baterías de Litio-Ion de weisstechnik