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La seguridad de las baterías de litio

21 de enero de 2024

En la evolución hacia la movilidad eléctrica, las baterías de litio han asumido un papel protagónico como el motor de la revolución automotriz. Sin embargo, más allá de la eficiencia y el rendimiento, la seguridad se erige como el pilar fundamental que sostiene la confianza en los vehículos eléctricos. Este artículo explora a fondo la seguridad de las baterías de litio aplicadas a automóviles, desentrañando los desafíos cruciales y las soluciones innovadoras que están dando forma al futuro de la conducción eléctrica segura.

Las finanzas de algunas compañías automotrices de gran envergadura se vieron afectadas por problemas relacionados con baterías defectuosas en vehículos eléctricos durante los años 2020 y 2021. Más allá de las cuantiosas pérdidas que suponen imprevistos de este tipo, en el post de hoy ofrecemos las medidas de fabricación y seguridad llevadas a cabo por NCPOWER y cómo bajo estrictas medidas de control mantienen la seguridad de sus baterías al 100%, libres de incidencias a día de hoy.

1. Calidad

Para funcionar de forma segura, las baterías deben producirse con el máximo cuidado y precisión, desde el procesamiento de materiales activos hasta la fabricación de las celdas y el ensamblaje del paquete.

La gestión de calidad rigurosa, desde la entrada de mercancías hasta las pruebas finales, es la única solución para controlar los defectos de fabricación.

En el ámbito de los vehículos eléctricos hay dos desafíos importantes: por un lado, muchas empresas intermedias no tienen la información completa, ni la capacidad de influir en la calidad de las celdas y paquetes que adquieren. En el mercado actual, la simple capacidad de comprar baterías de un proveedor de calidad, puede pesar más que cualquier certificación de gestión de calidad. incluso las medidas más estrictas de gestión de calidad no garantizan la detección del 100% de los fallos.

Ante este hecho, además de dicha calidad mencionada debemos de diseñar sistemas de prevención de riesgos que garanticen la máxima seguridad.

2. Diseño del sistema

Los sistemas de baterías incorporan múltiples capas de protección, que sirven para:

  • Mantener la batería en su período de funcionamiento previsto
  • Resguardarla contra daños externos
  • Minimizar los impactos de posibles fallos de celdas individuales

Entre estas medidas se encuentran componentes de seguridad pasiva, como embalajes resistentes para resistir golpes y sellado hermético contra la entrada de fluidos, que actúan como recursos finales para reducir daños en situaciones críticas. 

A su vez, el Sistema de Gestión de Baterías (BMS) funciona como el cerebro de los sistemas de baterías de iones de litio, garantizando que ninguna celda tenga carga excesiva o insuficiente, y traen consigo funcionalidades básicas de estimación del estado, incluido el estado de carga (SOC) y el estado de salud (SOH). Sin embargo, los BMS también tienen deficiencias que debemos paliar: el BMS solo ve las celdas dentro del paquete de baterías correspondiente, tienen poco o ningún acceso a datos históricos o datos de otros sistemas de baterías y tienen una potencia informática limitada. 

De ahí que desde NCPOWER realicemos análisis preventivos con la monitorización del funcionamiento técnico de las baterías. 

3. Análisis de las baterías basado en la nube

Este enfoque emplea métodos más avanzados que los sistemas tradicionales de gestión de baterías, permitiendo a fabricantes y propietarios de vehículos eléctricos identificar posibles fallos críticos en una etapa temprana. 

La implementación de análisis basados en la nube representa una estrategia efectiva para prevenir fallos críticos y elevar los estándares de seguridad en las baterías de litio. Este enfoque no solo capacita a los fabricantes de vehículos, sino también a los propietarios de vehículos eléctricos, permitiéndoles tomar medidas preventivas antes de que se produzca algún daño. Estos diagnósticos, basados en flujos de datos de campo ya existentes, pueden aplicarse a cualquier sistema de baterías de iones de litio sin necesidad de realizar cambios en el producto.

Escaneamos los datos de sensores en busca de anomalías como impedancias que cambian rápidamente o caídas repentinas de voltaje, como precursores de eventos térmicos, la falta de datos de referencia y comparaciones continuas con sistemas similares limita fuertemente el valor de tales análisis.

Un ejemplo de detección de riesgos gracias al BMS

Consideremos una situación hipotética en la que un automóvil eléctrico está equipado con un avanzado Sistema de Gestión de Baterías (BMS) destinado a supervisar y gestionar el estado de cada celda de su batería. En cierto punto, el BMS identifica un aumento inusual de temperatura en una de las celdas durante el proceso de carga. Esto podría señalar un posible riesgo de sobrecalentamiento y, al final, un peligro de incendio.

Esta pronta detección permite que el BMS tome medidas de inmediato para reducir el riesgo. Puede ajustar la corriente de carga, alertar al conductor o incluso interrumpir temporalmente la carga hasta que se resuelva la situación. Además, el sistema tiene la capacidad de almacenar datos detallados sobre esta irregularidad. De esta forma se puede mejorar continuamente a nivel de seguridad y de diseño.

Descubre más sobre el diseño de baterías y BMS en NCPOWER aquí.

Un ejemplo de detección de riesgos basada en análisis

Existen diversas formas en las que los análisis basados en la nube pueden identificar de manera anticipada el comportamiento crítico de seguridad de la batería. Concretamente, una solución robusta de análisis de baterías debería monitorear al menos 20 indicadores de seguridad de manera diaria.

Los algoritmos capturan las interacciones y procesos electroquímicos, proporcionando insights sobre los estados internos de la batería. A modo de ilustración, la figura siguiente presenta un análisis de la pérdida de inventario de litio, un fenómeno estrechamente relacionado con el recubrimiento de litio. La línea de puntos amarilla señala un período de advertencia identificado por la solución de análisis de baterías Safety Manager de NCPOWER, mientras que la línea roja indica un estado crítico.

Los diagnósticos de seguridad basados en modelos monitorean la disminución del litio activo a lo largo del tiempo. Así, generan alertas automáticas cuando se alcanzan ciertos umbrales (indicados por líneas de puntos rojas y amarillas).

El revestimiento de litio es un  fenómeno que se manifiesta principalmente cuando una batería se carga a tasas elevadas de corriente y a bajas temperaturas. También puede ocurrir en condiciones de funcionamiento consideradas «normales». ¿En qué consiste este fenómeno? En la acumulación de litio metálico en la superficie del ánodo, lo cual ha representado un desafío significativo en el ámbito de las baterías de iones de litio durante muchas décadas. 

Este problema no solo conduce a una rápida degradación de la capacidad de la batería, sino que también puede representar una amenaza para la seguridad. La acumulación de litio metálico puede dar lugar a la formación de dendritas metálicas y desencadenar reacciones secundarias, como la liberación de gases. Esta situación se traduce en una disminución de las reservas de litio, que ya no están disponibles para participar en la reacción principal. Los algoritmos de seguridad basados en la nube, entre otras funciones, deben monitorear de cerca la pérdida de litio activo para prever con precisión eventos críticos para la seguridad.

Con esta metodología y evaluando diversos indicadores de seguridad, el Safety Manager de NCPOWER ha prevenido exitosamente más de 50 incidentes de incendio.

¿Cuál es el siguiente paso?

Existen varios desafíos que debemos vencer para lograr que los vehículos eléctricos sean considerablemente más seguros. El análisis de baterías basado en la nube asegura que la percepción pública sobre la seguridad de los vehículos eléctricos no se convierta en otro obstáculo a superar. 

En cambio, las ventajas del software basado en la nube que examina los datos operativos de las baterías van más allá de proporcionar una capa adicional de seguridad. Además, disminuyen los riesgos comerciales y los costes de la cadena de suministro. Al mismo tiempo, aumentan la sostenibilidad y aceleran la innovación.

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