Pruebas de baterías de litio

La evolución mediante las pruebas de baterías de litio, ha llevado a avances significativos en múltiples sectores, impulsando desde dispositivos portátiles y autos eléctricos hasta sistemas de almacenamiento de energía renovable. Sin embargo, la creciente demanda de baterías que proporcionen una mayor densidad de energía y longevidad conlleva una mayor complejidad en sus procesos de prueba. La tarea de garantizar la seguridad y funcionalidad de estos paquetes de baterías es crucial para prevenir mal funcionamientos desastrosos, mejorar el rendimiento y cumplir con estrictas normas regulatorias en el proceso de fabricación.

Examinaremos los desafíos de probar paquetes de baterías de litio, descubriendo sus características de diseño únicas y rasgos operativos. Navegaremos a través de varios aspectos, desde consideraciones de seguridad hasta pruebas de control de calidad para baterías, que requieren procedimientos de examen meticulosos y soluciones prácticas para garantizar la seguridad y confiabilidad de estas fuentes de energía.

Resistencias Bajas: Clave para Baterías de Alto Rendimiento

Para experimentar esa sensación de ser empujado contra el asiento al pisar a fondo el «acelerador» de un automóvil deportivo eléctrico, el paquete de baterías de alta tensión debe suministrar una corriente intensa al motor eléctrico. Esto, a su vez, requiere baterías con una baja resistencia, y la tecnología de medición adecuada.

En la década de los 80, HIOKI, fabricante japonés de equipos de medición y pruebas, desarrolló un miliohmiómetro de corriente alterna que permitió una medición mejorada de la resistencia de contacto de interruptores y relés en comparación con los miliohmiómetros de corriente continua utilizados anteriormente. Además, este nuevo dispositivo aislaba galvánicamente el dispositivo bajo prueba del circuito de medición, lo que hacía que las mediciones fueran independientes de cualquier potencial eléctrico entre los dos puntos de medición.

 Al medir la resistencia de estos nuevos acumuladores, se descubrió que el procedimiento de medición de corriente alterna resultaba especialmente adecuado debido a los diferentes potenciales eléctricos entre los dos polos, lo que requería un aislamiento galvánico entre el dispositivo bajo prueba y el circuito de medición.

Así, el «AC mΩ Hi Tester 3225», originalmente diseñado para medir la resistencia de contacto, se convirtió en el punto de partida de una exitosa historia para HIOKI en el campo de las baterías de ion de litio, que ha perdurado por más de 35 años. Este miliohmiómetro original ha evolucionado en toda una familia de probadores de baterías para medir celdas, módulos y paquetes de baterías de Hioki.

La Importancia de una Resistencia Baja

En el proceso de producción de celdas o baterías de ion de litio, el probador de baterías no se utiliza hasta una etapa bastante avanzada. Sin embargo, los valores de resistencia se verifican mucho antes en el proceso, ya que asegurar que los valores de resistencia sean lo más bajos posible y, idealmente, siempre iguales, es crucial para la calidad de la batería. Hay dos razones principales para esto.

En primer lugar, se requiere una baja resistencia global en un sistema de batería para experimentar esa sensación de ser empujado contra el asiento al pisar a fondo el acelerador de un automóvil deportivo eléctrico. Esto se debe a que el paquete de baterías de alta tensión debe ser capaz de suministrar una corriente alta al motor eléctrico. La ley de Ohm explica de manera bastante simple cómo se relaciona esto con la resistencia.

Si convertimos V = R I a I = V / R, vemos que una resistencia pequeña R con el mismo voltaje V significa un flujo de corriente I grande.

Por otro lado, cualquier resistencia en un sistema de batería provoca que se pierda energía eléctrica como energía térmica. Este no es un fenómeno específico de las baterías, sino que se remonta a la ley generalmente aplicable del calentamiento de Joule, también conocida como «Primera Ley de Joule».

La potencia eléctrica disipada en el resistor puede describirse tradicionalmente como P = V I. Si reemplazamos el voltaje «V» por «RI» de la ley de Ohm mencionada anteriormente, obtenemos P = V I = (R I) I. Puedes ver cómo la pérdida de potencia P aumenta a medida que la resistencia R aumenta.

¿Corriente Alterna o Corriente Continua?

Cuando se mide la resistencia, especialmente en baterías, se hace una distinción entre dos métodos de medición: la medición de resistencia en corriente alterna y la medición en corriente continua. En este caso, la medición de resistencia en corriente continua no se refiere a la medición de la resistencia interna de una batería, donde la resistencia interna se determina mediante el cambio de voltaje al descargar la batería con una carga. Aquí, la medición de resistencia en corriente continua se refiere a medir la resistencia con un método de medición de 4 hilos y se utiliza, por ejemplo, para medir la resistencia de contacto. Este método se aplica en multímetros, medidores de resistencia (corriente continua) o probadores de aislamiento, por ejemplo. Por otro lado, el método de medición en corriente alterna se utiliza en probadores de baterías o medidores LCR.

Principio de Medición de Resistencia en Corriente Alterna

Principio de Medición de Resistencia en Corriente Continua

Pruebas de Electrodo

Si seguimos el proceso de fabricación de una batería de ion de litio en orden cronológico, una importante medición de resistencia en corriente continua del electrodo tiene lugar bastante temprano después de que los electrodos hayan sido recubiertos con el material activo. En este proceso, se aplica material de litio-aleación al material del electrodo bajo presión y a temperaturas adecuadas.

Medir la resistencia después de eso permite determinar la resistencia eléctrica específica del material activo aplicado y la resistencia de contacto entre el material activo y el electrodo. Sin embargo, hasta hace unos años, no era fácil determinar estos dos valores por separado, mientras que medir la resistencia de contacto entre el material activo y el material del electrodo era un desafío particular. Esto cambió con el lanzamiento al mercado de un nuevo sistema de medición de resistencia de electrodo: el RM2610 de HIOKI.

HIOKI RM2610 sistema de medición de lámina de electrodo

El RM2610 de HIOKI es básicamente un medidor de resistencia en corriente continua. Sin embargo, en lugar de una medición tradicional de 4 hilos, el RM2610 funciona con una sonda en la que se disponen un total de 46 contactos de resorte en un área total de 1 mm². Durante la medición, se realizan una serie de mediciones de resistencia en corriente continua entre los contactos. Basándose en estos resultados de medición, se calculan la resistividad del material activo y la resistencia de contacto entre el material activo y el electrodo con la ayuda de un modelo matemático y parámetros conocidos.

Los parámetros conocidos son cantidades que se pueden determinar fácilmente, como el grosor del material del electrodo, el grosor de la capa del material activo y la conductividad eléctrica del material del electrodo. Por lo general, el ánodo está hecho de cobre, mientras que el cátodo está hecho de aluminio. El cobre no se puede usar como material de cátodo, porque se corroería en el cátodo. El aluminio, a su vez, no es adecuado como material de ánodo porque reacciona con el litio.

Aunque el RM2610 se utiliza actualmente con frecuencia como probador en la producción de celdas de ion de litio, en realidad fue diseñado para su uso en departamentos de desarrollo. El objetivo era acortar el proceso de desarrollo de celdas con nuevos materiales al permitir que los desarrolladores hagan un pronóstico sobre la calidad esperada de la celda terminada después de que los electrodos recubiertos hayan sido fabricados. Esto fue tan único y una mejora tan significativa del proceso que el sistema de medición de resistencia de electrodo de HIOKI fue utilizado por varias decenas de clientes en Asia mientras aún estaba en fase de prototipo.

Resistencia de Uniones Soldadas

Cuando se determina la resistencia de contacto de uniones soldadas, se utiliza el método de medición de resistencia en corriente continua tradicional de 4 hilos. Independientemente de si estas uniones soldadas están destinadas a sujetar terminales de energía a una celda de bolsa o a conectar una celda a una barra colectora, siempre se debe verificar la resistencia de contacto posteriormente para evitar la introducción de fuentes de calor dependientes de la resistencia en estos puntos.

Las mediciones de resistencia de 4 hilos en corriente continua se pueden realizar con casi cualquier multímetro digital para uso en laboratorio o industrial. Sin embargo, al medir la resistencia de contacto en producción, hay algunas razones importantes para realizar la medición con un medidor de resistencia diseñado específicamente para este propósito.

La primera razón importante es el rango de medición para la resistencia. Con un multímetro digital común y sin duda premium que muestra 7 ½ dígitos de uno de los fabricantes conocidos, el rango de medición de resistencia más pequeño es de 1 Ω. Esto suena impresionante al principio, pero la resistencia de contacto de las uniones soldadas para baterías de ion de litio idealmente debería ser inferior a 0.1 mΩ. El medidor de resistencia RM3545 de HIOKI cumple fácilmente con este requisito con su rango de medición más pequeño de solo 10 mΩ con una resolución de 0,01 µΩ.

Medidor de Resistencia HIOKI RM3545

Además de un rango de medición muy pequeño, el RM3545 de HIOKI tiene otra función que es muy útil en el entorno de producción, que es verificar el contacto de la sonda entre el dispositivo de medición y el dispositivo bajo prueba durante la medición: Aquí se utiliza el principio de medición de 4 hilos para asegurar que todos los 4 contactos de medición permanezcan correctamente aplicados al dispositivo bajo prueba durante la medición. Esta función de verificación de contacto evita que las mediciones se evalúen como «fallidas» debido a contactos de medición aplicados incorrectamente, y evita que los productos sin defectos se clasifiquen erróneamente.

Otra razón muy importante para usar un medidor de resistencia especial es la velocidad de medición: cuando el RM3545 se configura en la configuración más rápida, el tiempo entre el inicio de la medición y la salida del resultado de medición es de solo 2.2 ms. Esto permite realizar muchas mediciones de contacto con solo unos pocos dispositivos de medición y, por lo tanto, es ideal para las numerosas uniones soldadas que deben medirse en una línea de producción de baterías.

Parte trasera del HIOKI RM3545-02, incluyendo dos tarjetas multiplexoras Z3003

En este punto, los lectores con experiencia en producción tienen todo el derecho de objetar que el transporte mecánico de un dispositivo bajo prueba lleva mucho más tiempo que unos pocos milisegundos, lo que pone claramente en perspectiva la ventaja de una velocidad de medición muy alta en el contexto general. Para hacer un uso efectivo de la alta velocidad de medición para la producción, HIOKI ofrece el RM3545-02, una variante de dispositivo con ranuras para tarjetas multiplexoras.

Agregar las tarjetas multiplexoras es fácil (se venden guantes por separado).

Al agregar dos de las tarjetas multiplexoras opcionalmente disponibles, se habilita a un solo medidor de resistencia para llevar a cabo hasta 20 mediciones de 4 hilos diferentes una tras otra en el menor tiempo posible cuando los dispositivos bajo prueba se alimentan mecánicamente al medidor de medición «en grupos». Si este número de canales de medición no es suficiente, por ejemplo, porque se deben medir todas las uniones soldadas de un módulo de batería completo en un solo paso, aún así no es necesario operar varios dispositivos RM3545 uno al lado del otro, lo que haría que la integración sea significativamente más compleja.

HIOKI Sistema multiplexor SW1002 incluyendo ambos tipos de tarjetas de canal disponibles

En este caso, se recomienda el uso de un sistema multiplexor separado. HIOKI ofrece dicho sistema en varias versiones y, en una configuración diseñada para mediciones de 4 hilos, permite el control de hasta 132 canales con un solo dispositivo de medición como el RM3545 (configuración: SW1002 + 12 × SW9001). La unidad multiplexora no se limita al uso con medidores de resistencia, sino que también se puede utilizar con probadores de baterías, medidores de impedancia o voltímetros de HIOKI, siempre que los voltajes medidos estén por debajo de 60 V.

Si imaginamos una configuración de medición con los mencionados 132 canales, que se utilizan, por ejemplo, para medir las uniones soldadas para conexiones a barras colectoras en un módulo de batería, el método de medición de 4 hilos no solo requiere más de 500 cables de prueba, sino también más de 250 contactos de prueba mecánicos. Desde una perspectiva tecnológica, esto es posible. Sin embargo, especialmente para celdas cilíndricas en un módulo, es preferible otra solución: un probador de sonda voladora con el nombre algo críptico de FA1240-W800. Estos dispositivos se utilizan comúnmente para probar PCB ensamblados, y son capaces de realizar mediciones de resistencia de 4 hilos, entre otras cosas, en tan solo 25 ms por prueba. Después de todo, no importa si el dispositivo bajo prueba es un PCB ensamblado o un módulo de batería donde se miden las uniones soldadas.

Probador de Sonda Voladora HIOKI FA1240

El uso de un probador de sonda voladora en el ejemplo de medir uniones soldadas de módulos de batería tiene otra ventaja sobre el arreglo con contactos de prueba fijos, ya sea en la variante descrita anteriormente o alternativamente con un «lecho de clavos»; porque mientras que las posiciones de prueba son siempre las mismas en los PCB ensamblados, siempre se desvían ligeramente unas de otras en los módulos de batería con cientos de celdas debido a las tolerancias de producción. Sin embargo, las uniones soldadas deben medirse con precisión.

Por lo tanto, el probador de sonda voladora FA1240 permite cargar un archivo de posición para cada módulo de batería de antemano. Este archivo se puede crear individualmente para cada módulo de batería con la cámara correcta y un software de análisis adecuado. Los errores de medición debido a tolerancias mecánicas de producción se eliminan de esta manera.

¿Probador de Baterías para Uniones Soldadas?

Una pregunta común que a menudo se hace a HIOKI es si un probador de baterías existente también se puede usar para medir resistencias de contacto. Hay una razón técnica a favor, pero también hay varias razones más significativas en contra.

Una razón para usar el método de medición de corriente alterna proporcionado por el probador de baterías para medir resistencias de contacto es que la fuerza electromotriz, también conocida como electromotancia, no desempeña ningún papel en este método de medición. En pocas palabras, la fuerza electromotriz es un desplazamiento de corriente continua que ocurre cuando diferentes metales hacen contacto. Sin embargo, para una medición de corriente alterna, el desplazamiento de corriente continua se puede ignorar.

Esta fuerza electromotriz es un voltaje muy pequeño que no tiene ninguna influencia mensurable en la medición de resistencia en el rango de ohmios. Sin embargo, la resistencia de contacto está definitivamente en el rango de microohmios, y aquí incluso el desplazamiento de corriente continua más pequeño se vuelve relevante para el resultado de la medición. En este punto, es importante tener en cuenta que el medidor de resistencia de corriente continua RM3545 mencionado anteriormente tiene una función de compensación de voltaje de desplazamiento, que ayuda a minimizar la influencia de la fuerza electromotriz.

Un argumento en contra del uso de probadores de baterías para medir resistencias de contacto es que pueden ocurrir corrientes parásitas en los cables de medición durante una medición de 4 hilos, incluso a frecuencias de medición de 1 kHz. En cuanto a la fuerza electromotriz, estas corrientes parásitas no tienen ninguna importancia para resistencias mayores, pero para las resistencias de contacto muy bajas sí influyen en el resultado de la medición. La dificultad aquí radica en que las corrientes parásitas pueden tener magnitudes diferentes para el mismo dispositivo bajo prueba, dependiendo de cómo se enrutó el cable de medición. Si, por ejemplo, el cable de prueba se guía junto a una hoja de acero (magnético) como una carcasa, esto puede producir un resultado de medición diferente que si los cables de prueba se enrutaran de una manera ligeramente diferente con el mismo dispositivo bajo prueba. Esta es una de las razones por las que puede ser difícil obtener resultados de medición repetibles o comparables con precisión al medir la resistencia de contacto con un probador de baterías.

Otra razón surge al comparar las precisiones de los dos métodos de medición: uno de los probadores de baterías más utilizados en el entorno de producción es el BT3562A de HIOKI. La precisión básica de este probador de baterías es de un 0.02% del valor medido en el rango de corriente de 1 A (que sería la corriente de prueba para medir la resistencia de contacto) en comparación con el 0.02% del valor medido en el rango de 1 Ω del RM3545. En consecuencia, no podemos esperar que la precisión del probador de baterías esté en el rango de microohmios, lo que no sería un problema en la prueba de capacidad, sino que es crítico para la resistencia de contacto.

También es importante tener en cuenta que el BT3562A y otros probadores de baterías tienen un tiempo de medición significativamente más largo que el RM3545, ya que están diseñados para medir la capacidad de almacenamiento de energía de una batería en lugar de su resistencia. Para las mediciones de resistencia, el tiempo de medición es de aproximadamente 100 ms, mientras que para las mediciones de capacidad, el tiempo de medición es de alrededor de 5 segundos. En consecuencia, el medidor de resistencia RM3545 ofrece una ventaja adicional al realizar mediciones de resistencia en la línea de producción.

Finalmente, la medición de la resistencia de contacto no solo se trata de la precisión y el tiempo de medición. La facilidad de operación también juega un papel importante en el entorno de producción. En este sentido, el medidor de resistencia RM3545 se puede utilizar directamente con muy poca capacitación debido a su pantalla táctil a color y una interfaz de usuario muy intuitiva. La operación del probador de baterías BT3562A, por otro lado, es mucho más compleja y requiere mucha más capacitación.

Estas son solo algunas de las consideraciones técnicas y prácticas que deben tenerse en cuenta al elegir el equipo adecuado para medir resistencias de contacto en la producción de baterías de ion de litio. Aunque los probadores de baterías son herramientas esenciales en el proceso de producción de baterías, es importante reconocer que para aplicaciones específicas, como la medición de resistencias de contacto, puede ser más adecuado utilizar equipos diseñados específicamente para ese propósito. Esto garantiza mediciones precisas y confiables que contribuyen a la calidad y rendimiento de las baterías de ion de litio.

Espero que esta información haya sido útil y aclare cualquier duda que tengas sobre la medición de resistencias en baterías de ion de litio. Si tienes más preguntas o necesitas información adicional, no dudes en preguntar.

 

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https://www.hioki.com/us-en/news/Bateria-de-Iones-de-Litio