Soluciones para la industria de los vehículos eléctricos mediante la monitorización de la temperatura de las baterías de litio
INTRODUCCIÓN
La industria de los vehículos eléctricos o VE ha crecido exponencialmente en los últimos años. Ha ganado popularidad debido a la alarmante crisis del cambio climático y a la urgente necesidad de encontrar una alternativa a los actuales vehículos propulsados por combustible.
Dado que la demanda de vehículos eléctricos ha aumentado de forma significativa, también lo ha hecho la producción y fabricación de baterías y los retos asociados a ella. Este aumento de la producción de vehículos eléctricos también ha dado lugar a numerosos titulares sobre incendios de baterías. Estos incidentes no se limitan a pequeñas empresas, sino que también incluyen a compañías como Tata, TESLA y OLA. Este tema va muy rápido y puede haber múltiples razones detrás de todos los incendios de baterías.
Una de las soluciones de alta tecnología que puede ayudar a reducir algunos incendios de baterías es la termografía. Este artículo trata sobre el mantenimiento predictivo y la investigación de materiales de los vehículos eléctricos.
Para entender la aplicación, primero tenemos que comprender algunos conceptos básicos. Por lo tanto, voy a cubrir los mismos antes de discutir las principales aplicaciones.
FUNDAMENTOS DE LAS BATERÍAS DE IÓN-LITIO
Entre los múltiples factores atractivos de las baterías de iones de litio, uno de los atractivos más notables es la combinación de la electronegatividad del litio y su baja densidad. Esta combinación es la responsable de producir la mayor cantidad de energía eléctrica por unidad de peso entre los elementos sólidos.
Una batería de iones de litio estándar contiene un ánodo y un cátodo. Por lo general, Normalmente se utiliza óxido de litio para el cátodo y un compuesto de carbono para el ánodo. El constante movimiento interno de electrones entre el cátodo y el ánodo crea la famosa pila recargable.
Cuando se coloca un compuesto que acepte litio como cátodo de la pila química, los iones de litio comienzan a fluir en dirección contraria durante el ciclo de carga y descarga. Las reacciones de oxidación y reducción en la pila hacen que la pila se cargue y se descargue. (fig. 1,2)
Fig. 1. Fuente: UL Research Institutes
FABRICACIÓN
1. Clasificación
Normalmente, las celdas son importadas por los fabricantes de la India y, para asegurarse de que ninguna celda defectuosa entre la línea de fabricación, se clasifican manualmente, comprobando cada celda en busca de deformidades visibles, daños, fugas y el rango de resistencia interna. Estos factores determinan el estado de la celda y garantizan la calidad del producto final.
2. Fabricación de un paquete
Todas las celdas se sueldan juntas en un paquete en una combinación de series o paralelo, en función de las especificaciones de producción requeridas. Esto forma la estructura básica del paquete de batería. Durante este proceso, el paquete se verifica a mano en busca de deformidades en las soldaduras. La resistencia interna y la resistencia determinan si el paquete puede avanzar en la línea de producción.
3. Combinación de los paquetes de baterías
Los paquetes de baterías se conectan mediante circuitos y un sistema de control. Este culmina el proceso de fabricación de un pack de baterías de iones de litio y se distribuye a las empresas que fabrican vehículos eléctricos.
4. Pruebas
El producto acabado se somete a ciclos de carga y descarga. Durante este proceso se controla el comportamiento de la batería.
(fig. 3)
Fig. 2. Termografía de una batería de iones de litio
Fig. 3. Nissan, Planta de Sunderland, Reino Unido
Fuente : www.greencarreports.com
FUNDAMENTOS DE LAS IMÁGENES TÉRMICAS
El principio de la imagen térmica es la radiación infrarroja emitida por un objeto. Esta radiación es invisible para el ojo humano, pero puede verse utilizando cámaras optimizadas para su longitud de onda específica. (fig. 4)
Aunque se puede obtener una estimación de la temperatura de un punto utilizando termopares, estos solo pueden proporcionar los datos de un único punto a la vez y los mismos necesitan estar en estrecho contacto con el objeto a medir. Con las cámaras térmicas es posible ver una amplia gama de esos puntos y controlar la temperatura del objeto sin contacto, desde una distancia segura y en condiciones de funcionamiento. Estas cámaras térmicas pueden medir la temperatura con una precisión de 0,1 grados centígrados.
La termografía se utiliza ampliamente en otros sectores industriales en materia de incendios y seguridad, ya que es un método de prueba y supervisión sin contacto y no destructivo.
Fig. 4. Espectro electromagnético e infrarrojo
VISIBLE VS IR
Solo es posible ver la firma térmica de un objeto cuando alcanza una temperatura de 1.000 grados centígrados. Sin embargo, una cámara de infrarrojos puede captar firmas térmicas de objetos de hasta -60 grados.
La tecnología de infrarrojos es accesible en ausencia de luz, pero es muy diferente de una cámara de visión nocturna. Las longitudes de onda de ambas cámaras son diferentes.
Una cámara de visión nocturna amplifica pqueñas cantidades de luz, sin embargo una cámara termográfica detecta la temperatura emitida por los objetos. Las cámaras termográficas se pueden usar en absoluta oscuridad.
Fig. 5. Un león en Infrarrojos vs Visión Nocturna
ALGUNAS CARACTERÍSTICAS
Esta tecnología tiene algunas limitaciones, una cámara de infrarrojos no puede ver a través del cristal, ya que solo lee las temperaturas superficiales. Sin embargo, esta tecnología tiene la capacidad de ver a través de niebla, plástico fino y una ventana de inspección de infrarrojos que se puede instalar en factores para ver a través de superficies. La resolución, el tamaño del objetivo y el número de detectores determinan la distancia a la que se puede ver desde la cámara de infrarrojos.
Fig. 6. Ventana de inspección por infrarrojos
ALGUNAS APLICACIONES
Las cámaras termográficas se utilizan activamente para diversas aplicaciones en diferentes industrias. Algunos de los ejemplos de sus aplicaciones son:
- Servicios eléctricos para el mantenimiento predictivo
- Industria del petróleo y el gas, visualización de COV, inspección de hornos y control de antorchas
- Empresas manufactureras
- Mantenimiento predictivo
- Seguros de calidad
- I+D
APLICACIONES DE LAS IMÁGENES TERMOGRÁFICAS EN LA INDUSTRIA DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS
Soldadura
Las celdas de litio deben soldarse entre sí para formar una batería. Sin embargo, si la soldadura no se realiza correctamente, pueden surgir fallos en el producto final. La resistencia y la salida pueden verse afectadas y la longevidad de la batería se ve directamente afectada. Normalmente, la soldadura es comprobada manualmente por los trabajadores de la fábrica, lo cual es un método de prueba destructivo, con el que la célula puede romperse. Un método no destructivo y sin contacto para comprobar la unión soldada es el uso de imágenes térmicas. Podemos detectar fácilmente una junta mal soldada debido a la temperatura ligeramente diferente que muestra su costura. Una costura irregular o una temperatura ligeramente elevada indican una soldadura defectuosa. Este método de comprobación ya prevalece en todas las industrias de Estados Unidos.
Fugas de celdas
Casi invisible a simple vista, la fuga de células puede producirse en cualquier momento durante el proceso de fabricación llegando a dañar la batería. Una célula con fugas puede ser extremadamente peligrosa si entra en contacto con la piel. Podemos utilizar métodos como el espectrómetro de masas para detectar fugas, pero hay un método mejor para detectar estas pequeñas fugas: las imágenes térmicas. Cuando se rompe el sello de la célula, el líquido se deposita en la capa exterior de la célula y se detecta una diferencia de temperatura. Una cámara térmica de alta resolución puede identificar eficazmente estas fugas diminutas en cuestión de segundos sin contacto, como se muestra en la figura.
Fig. 7. Identificación de fugas celulares mediante una cámara de la serie T
Calentamiento inesperado
Aunque se realicen pruebas exhaustivas en todas las fases, a veces alguna célula defectuosa puede entrar en la línea de producción. Durante la fase de prueba, las células defectuosas pueden mostrar una ligera diferencia de temperatura. Esto es invisible para el ojo humano, pero las cámaras termográficas lo captan perfectamente. Como se ve en la figura 8, la cámara capta la temperatura ligeramente elevada con una lectura de temperatura precisa hasta el decimal. Otro ejemplo de calentamiento desigual durante las pruebas de los paquetes de baterías después de ensamblarlos. Durante los ciclos de carga y descarga, las baterías
Fig. 8. Calentamiento desigual mostrado por la unidad de batería de litio
tienden a calentarse. Sin embargo, durante esta fase de prueba, existe un alto riesgo de que la batería se incendie si no se controla la temperatura. Esto puede hacerse utilizando un termopar, un método de contacto no destructivo, pero solo es posible controlar la temperatura de un punto a la vez. Si la parte trasera de una batería de litio se incendia en la instalación, será realmente difícil de apagar, ya que el litio reacciona muy rápido y el fuego es difícil de apagar porque el litio reacciona con el agua al entrar en contacto.
Carga y descarga
La última fase de las pruebas incluye la carga y descarga de la batería de iones de litio. Durante esta fase, la temperatura de la batería puede aumentar hasta 5 o 6 grados centígrados por encima de la temperatura ambiente. Con una cámara termográfica, podemos registrar la temperatura de la superficie de la batería de iones de litio y estimar la temperatura interna sin tocarla. Podemos ver claramente los puntos calientes del paquete de baterías a través de la superficie mientras se está cargando. Esto nos ayuda a aislar un posible problema y su localización. (fig. 9) Las baterías que se están probando pueden controlarse las 24 horas del día para evitar posibles incendios de baterías si alguna unidad se calienta.
Fig. 9. Una batería en ciclo de carga
Vehículos eléctricos
El vehículo eléctrico consta de tres componentes principales: la batería, el motor y el inversor. Una vez montado el vehículo, se puede utilizar la tecnología térmica para controlar su comportamiento térmico mientras se utiliza. (fig. 10) Esta aplicación es muy valiosa teniendo en cuenta el reciente aumento de los incendios de baterías de vehículos eléctricos en la India, ya que no solo ofrece soluciones para la fabricación de baterías, sino que también es capaz de monitorizar otros componentes de la máquina.
Fig. 11. Imagen del interior de un vehículo eléctrico
Baterías en ciclo de carga y descarga
Fig.10. Imagen del interior de un vehículo eléctrico
CONCLUSIÓN
Aunque son múltiples los métodos preventivos que pueden utilizarse en la línea de producción de vehículos eléctricos, esta solución proporciona mantenimiento predictivo, contra incendios de baterías y de seguridad para esta industria en particular. La termografía puede aplicarse en varios pasos durante el proceso de fabricación para supervisar el objeto de destino y comprobar si hay defectos.
Esta tecnología no solo es útil para identificar defectos y fallos de funcionamiento, sino que es crucial para la seguridad de la mano de obra implicada en la fabricación, así como del cliente que utiliza el producto acabado, como los vehículos eléctricos, que son propensos a sufrir incendios de baterías si no se utilizan o mantienen correctamente. El uso de esta tecnología favorece la seguridad, ya que capta rápidamente las ligeras diferencias de temperatura e identifica el calentamiento desigual, síntomas de que una batería se está incendiando.
Aunque los sistemas defectuosos pueden pasar desapercibidos en una inspección manual, es muy poco probable que no se detecten con una cámara térmica, puesto que funciona en la gama de infrarrojos y convierte las señales de calor en imágenes.
A medida que aumente la demanda y la oferta en este sector, también lo hará la necesidad de disponer de pruebas y datos más fiables para la prevención y la seguridad, en las que la termografía demuestra ser una opción más que viable para reducir la probabilidad de que un vehículo eléctrico falle o se produzca un incendio de baterías.
La solución ideal para detectar este tipo de problemas y evitar que se produzca un incendio de baterías durante la producción de estas, es IRTIM, el sistema de detección de puntos calientes que, mediante termografía, es capaz de detectar el sobrecalentamiento anómalo de las baterías de ion-litio en la línea de producción. Toda la información en la página web. No dudes en informarte y mantener tu empresa protegida.
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