Artículo de innovación tecnológica
Análisis de las potencialidades de un laboratorio para pruebas y homologación de baterías para vehículos eléctricos
Analysis of the potential of a laboratory for testing and approval of batteries for electric vehicles
Análisis de las potencialidades de un laboratorio para pruebas y homologación de baterías para vehículos eléctricos
Ingeniería Energética, vol. XLIV, núm. 1, pp. 132-142, 2023
Instituto Superior Politécnico José A. Echeverría.Cujae
Recepción: 05 Enero 2022
Aprobación: 12 Marzo 2022
RESUMEN: En el presente trabajo se abordan los avances tecnológicos actuales en el desarrollo de instalaciones para la prueba y homologación de las baterías a utilizar en los vehículos eléctricos, a fin de analizar los principales aspectos a tener en cuenta para el diseño y posible puesta en marcha de laboratorios de este tipo en el país. Asi mismo, se analizan las técnicas y procedimientos más aplicados en el mundo en lo referente a diagnóstico y certificación de baterías para vehículos eléctricos. Partiendo de estos análisis, así como de los requerimientos de seguridad que deben poseer dichas baterías y el equipamiento requerido para su funcionamiento, el costo aproximado de la adquisición, se estudian las potencialidades para su construcción en el país. Los resultados de la investigación demuestran los beneficios que se alcanzarían con la puesta en funcionamiento de dicho laboratorio, a partir de los beneficios que genera su utilización en el país.
Palabras Clave: Vehículos eléctricos, baterías para autoseléctricos, laboratorio de pruebas de baterías.
ABSTRACT: This paper addresses the current technological advances in the development of facilities for the testing and approval electrical vehicles batteries. Also, the main aspects for the design this kind of laboratory were analyzed with the objective in the near future in Cuba we will build it. Likewise, the most applied techniques and procedures in the world related with diagnosis and certification of electric vehicles batteries were studied.Based on these studies, the safety requirements and the equipment required for made the tests of those batteries were also considerate where the rough acquisition cost and the potential for the implementation in the country was estimated.The results of the investigation demonstrate the benefits of the implementation of this kind battery labs would be achieved, based on the profits it will generate by its use in the country.
Keywords: Electric vehicles, electrical vehicles batteries, battery labs.
Introducción
A partir del acelerado crecimiento de la población, el desarrollo económico y los avances tecnológicos en el mundo, los niveles de consumo de energía a nivel mundial son cada vez mayores, lo que ha propiciado el desarrollo de los sistemas para su almacenamiento. Las baterías son una de las pocas formas confiables de almacenar la energía eléctrica convirtiendo la energía eléctrica, en energía química y viceversa.
De esta manera se puede disponer de energía eléctrica cuando se requiera sin depender de la red. El desarrollo alcanzado en los últimos años de nuevas aplicaciones (vehículos eléctricos, sistemas fotovoltaicos, sistemas de alimentación ininterrumpida, etc.), han propiciado el surgimiento y desarrollo de nuevas tecnologías de baterías, cada vez más eficientes y confiables [1]. Si bien, los fabricantes de baterías para vehículos eléctricos han logrado el desarrollo de tecnologías con una mayor eficiencia, aun se hace extremadamente necesario precisar la estimación del comportamiento de las mismas en tiempo real, así como la apreciación de su comportamiento. A tal efecto, en el cuerpo del trabajo se desarrolla un análisis exhaustivo de todos los elementos que intervienen en el diseño de una instalación para el diagnóstico y certificación de baterías a emplear en vehículos eléctricos.
Métodos
Para llevar a cabo la investigación se ejecutó una investigación deductiva sobre el tema, comenzando por los tipos de baterías empleadas en los vehículos eléctricos, con lo que se logra alcanzar una visión general del tema de estudio. Por otra parte, se realizó una investigación descriptiva para comprender el funcionamiento de las mismas, los requisitos de seguridad que deben cumplir para su utilización y las técnicas y equipamiento empleados para su diagnóstico y certificación, y poder así entender las condiciones técnicas necesarias para el diseño de la instalación. A través de un estudio de mercado, se plantea una visión general de la inversión inicial requerida para lacompradel equipamiento del laboratorio y los costos aproximados de su adquisición sobre la base de costos promedios de las tecnologías, partes y componentes.
Estudio de las baterías empleadas en vehículos eléctricos
Como punto de partida para la ejecución del estudio de las baterías empleadas en vehículos eléctricos, fue necesario realizar un análisis integral teniendo en cuenta los elementos que se relacionan a continuación:
Principio de funcionamiento.
Clasificación.
Tipos.
Cuidados, mantenimiento y precauciones para su utilización.
Parámetros de seguridad que debencumplir.
Análisis de las técnicas y equipamiento empleado en la prueba y homologación de las baterías a emplear en vehículos eléctricos
Para la ejecución del análisis se realizó un estudio para obtener la familiarización con las tecnologías desarrolladas para la prueba y certificación de las baterías a utilizar en vehículos eléctricos a nivel internacional. En este sentido se logró determinar que hay dos grupos de ensayos de las baterías: los ensayos o tests de abuso y validación de seguridad, y las pruebas de envejecimiento y rendimiento.
Valoración del costo preliminar
Se lleva a cabo a partir de la valoración de los costos requeridos para la adquisición del equipamiento indispensable para el laboratorio con el fin de determinar la inversión inicial requerida para la puesta en funcionamiento del laboratorio, teniendo como base el análisis de la oscilación de sus precios en el mercado internacional.
Resultados obtenidos
Estudio de las baterías empleadas en vehículos eléctricos
Las baterías son dispositivos de almacenamiento energético que disponen de celdas electroquímicas capaces de generar corriente eléctrica a partir de la energía química almacenada. Esta generación se produce gracias al proceso reversible conocido como redox (reducción-oxidación), que consiste en el intercambio de electrones entre los diferentes metales presentes en su interior. Dichos metales reciben el nombre de electrodos, denominados cátodo (borne positivo) y ánodo (borne negativo), y se encuentran sumergidos en una solución iónica llamada electrolito, la cual permite el movimiento de iones. Así, gracias a este movimiento de iones, la corriente puede fluir fuera de la batería para alimentar el circuito eléctrico [2, 3]. Las mismas se clasifican en:
Primarias: su carga no puede ser renovada cuando se agota, excepto sustituyendo las sustancias químicas que las componen. Su campo de aplicación se enmarca fundamentalmente dentro de las potencias bajas y de ahí que sean generalmente pequeñas [1].
Secundarias: son susceptibles a su reactivación, sometiéndolas al paso más o menos prolongado de una corriente eléctrica, en sentido inverso a aquél en que la corriente de la pila fluye normalmente. Estas se comercializan en un amplio margen de capacidades, desde capacidades bajas (algunos cientos de miliamperios-hora), hasta capacidades medias y altas (varias decenas o centenas de amperios-hora), [1].
Dado que el trabajo se centra en el estudio de las tecnologías aplicadas a los vehículos eléctricos, solo son analizadas las secundarias. En este punto, dudar de que la batería de un automóvil eléctrico es un elemento básico sería extraño, ya que los avances en este campo marcan el porvenir de los mismos, algo lógico teniendo en cuenta que todo el proceso de desarrollo de este tipo de vehículo gira entorno a la batería.
Dentro de los principales tipos de baterías empleadas en los vehículos eléctricos en la actualidad se pueden mencionar las siguientes:
Es conviente recordar las principales características que presentan cada uno de estos tipos de tecnología de baterías, por lo que ha continuación se mencionan algunas de ellas.
En cuanto a las baterías de plomo-ácido se tiene que:
Plomo-Ácido
En cuanto a las baterías de níquel-cadmio se puede decir que:
Níquel-Cadmio
En cuanto a las baterías de níquel-hidruro metálico se conoce que:
Níquel-Hidruro Metálico
En cuanto a las baterías de Polímero de Litio (LiPo) se conoce que:
Polímero deLitio(LiPo)
En cuanto a las baterías de Ion de Litioconcátodo de LiCoO2 se tiene que:
Ion de Litio concátodo de LiCoO2
En cuanto a las baterías de Litio Fosfato Hierro (LiFePO4) se tiene que:
Litio Fosfato Hierro (LiFePO4)
En cuanto a las baterías de Litio Ternaria (batería de material ternario) se conoce que:
LitioTernaria (batería dematerialternario)
Otro elemento a resaltar dentro de las baterías de los autos eléctricos está relacionado con los cuidados, mantenimientos y precauciones para el uso de estas. A continuación, se realiza una breve descripción de estos detalles a tener en cuenta por cada una de las tecnologías analizadas.
En cuanto a las baterías de plomo-ácido se tiene que:
Plomo-Ácido
En cuanto a las baterías de níquel-cadmio se puede decir que:
Níquel-Cadmio
En cuanto a las baterías de níquel-hidruro metálico se conoce que:
Níquel-Hidruro Metálico
En cuanto a las baterías de Polímero de Litio (LiPo) se conoce que:
Polímero deLitio(LiPo)
En cuanto a las baterías de Ion de Litioconcátodo de LiCoO2 se tiene que:
Ion de Litioconcátodo deLiCoO2
Disponible en: https://es.everexceed.com/blog/an-lisis-de-datos-del-ciclo-de-la-bater-a-de-litio-con-curvas-y-ecuaciones_b180, “Análisis de datos del ciclo de la batería de litio con curvas y ecuaciones”.
En cuanto a las baterías de Litio Fosfato Hierro (LiFePO4) se tiene que:
Litio Fosfato Hierro (LiFePO4)
Precauciones: Para obtener una mejor vida útil de su batería, se deben tener en cuenta los aspectos que se relacionan a continuación [1, 5, 6].
Disponible en: https://manuals.plus/es/toda-chispa/manual-de-%20bater%C3%ADas-de-fosfato-de-%20hierro-y-litio, “del usuario de las baterías de fosfato de hierro y litio”
En cuanto a las baterías de Litio Ternaria (batería de material ternario) se conoce que:
Litio Ternaria (batería de material ternario)
Seguridad [6]:
Almacenamiento y transporte [6]:
Los recientes avances en la tecnología de las baterías y el aumento de la popularidad de los vehículos eléctricos están cambiando la forma en que suministran energía a las vidas y a las áreas de trabajo de las personas. Se proyecta que las baterías más nuevas, menos pesadas y con mayor densidad de energía revolucionarán muchas industrias en los próximos 10 años.
Sin embargo, a pesar de estos avances, siguen existiendo riesgos para la salud y la seguridad, los cuales se relacionan a continuación [7]: Disponible en: https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&ved=2ahUKEwijhcyewc_9AhUHmYQIHauzDUMQFnoECBEQAQ&url=https%3A%2F%2Fwww.tdi.texas.gov%2Fpubs%2Fvideoresourcessp%2Fspfsvehiclebat.pdf&usg=AOvVaw0_C7RDV8G0POt_0YDNy8Lt, “Hoja nformativa de Seguridad para las Baterías de Vehículos”
Gases inflamables: Recargar, mover o agitar una batería de plomo ácido puede producir una mezcla explosiva de gases de hidrógeno y oxígeno que se escapan a través de las rejillas de ventilación de la batería. Dichos vapores, si se acumulan en un área pequeña, se encienden fácilmente y pueden ocasionarun incendio o una explosión. Una batería que explota puede causar lesiones graves debido a los pedazos del recipiente que vuelan y el ácido que se derrama. La mayoría de las baterías modernas incluyen un supresor de llamas, el cual es un filtro poroso en las rejillas de ventilación de la batería, diseñado para evitar que las llamas entren en la batería. Sin embargo, es vitalmante ver la no presencia de cualquier modo de ignición, tal como fumar, llamas abiertas o artículos que produzcan chispas, comolasamoladoras, los soldadores u otros equipos eléctricos, lejos de las baterías.
Lesiones físicas causadas por el peso de la batería: Mover las baterías de manera incorrecta puede causar torceduras, distensiones, o lesiones.
Riesgos ambientales: Las baterías de plomo ácido y de EV representan una amenaza para el medio ambiente si no se desechan de manera adecuada. Los derrames de ácido no contenidos pueden contaminar el suelo y el agua subterránea. También puede transmitirse por el aire cuando se seca, provocando una posible irritación de los tejidos y daños permanentes [7].
Los riesgos de accidentes de batería en vehículos eléctricos son bajos. Sin embargo, el principal peligro potencial es la electrocución si el vehículo se enciende accidentalmente al momento deserreparado. Para abordar esta preocupación, muchas compañías automotrices han instalado un interruptor de seguridad que desconecta la batería del sistema eléctrico del vehículo. Otra característica de seguridad que han instalado los fabricantes de automóviles son los cables de alto voltaje codificados por colores para advertir sobre una posible descarga eléctrica. La mayoría de los cables son naranjas,pero en algunos modelos, los cables son azules [7].
Entre las principales precauciones a tener en cuenta cando se trabaje con las baterías de los EV seencuentran:
Por otra parte, las baterías a utilizar en vehículos eléctricos deberán cumplir con todos los parámetros de seguridad establecidos en la Norma Internacional ISO 6469 [8], la cual está en proceso de adopción en el país.
Análisis de las técnicas y equipamiento empleado en la prueba y homologación de las baterías a emplear en vehículos eléctricos
El desarrollo de una batería a utilizar en un vehículo eléctrico debe adaptarse a muchos parámetros que entran en conflicto a la hora de encontrar una solución que cumpla con las expectativas mínimas: la degradación de la capacidad, la densidad de energía, la potencia, la seguridad, la integración, la experiencia general de conducción, el coste y el embalaje físico. La batería de un vehículo eléctrico debe pasar por muchos ensayos antes de alcanzar la madurez de producción.
Este programa abarca desde pruebas deseguridad y de uso indebido, hasta el rendimiento de las celdas, la vida útil, la influencia de la temperatura, el sistema BMS (Battery Management System), así como el autodiagnóstico y la exposición ambiental [9].
En función de comprobar el cumplimiento de los parámetros de operación y seguridad a cumplir por las baterías a emplear en los vehículos eléctricos, se reportan un grupo de pruebas (ensayos) a ejecutar y el equipamiento requerido para su realización, todo lo cual se expone en las tabla 1 y tabla 2.

Si bien en las tablas anteriores quedaron evidenciadas todas las pruebas necesarias a ejecutar, así como el equipamiento requerido para su ejecución, es importante también tener en cuenta los medios de seguridad que hacen falta para el correcto funcionamiento del laboratorio, lo cual se presenta en la tabla 3.


Costo preliminar
A partir de los requisitos técnicos a cumplir por el equipamiento necesario para la ejecución de los ensayos, en la tabla 4, se muestra el costo aproximado de cada equipo y/o elemento necesario para trabajar en un laboratorio de ensayos y homologación de baterías, basado en los costos promedios obtenidos en Internet de los mismos.

Como se observa en la tabla anterior, para la adquisición del equipamiento necesario para el completamiento del laboratorio se requiere de una inversión inicial aproximada de unos 238,74MUSD.
Conclusiones
En Cuba no existe un laboratorio con estas condiciones, por lo que la introducción masiva de vehículos eléctricos impone la necesidad de tener una instalación de este tipo, ubicada en una institución que no se haya icomprado a, vendedora o productora de los mismos, como puede ser el MINDUS, las suministradoras nacionales y/o internacionales, ni utilice los mismos a gran escala, como pueden ser flotas deTRANSTUR, ETECSA, Empresa Eléctrica, Gobiernos territoriales, etc.
Referencias
Peña Ordóñez, Carlos. “Estudio de baterías para vehículos eléctricos”. Universidad Carlos III de Madrid. Tesis de Grado, 2011 [Consultado el 11 de febrero de 2022]. Disponible en: Disponible en: https://earchivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/11805/PFC_Carlos_Pena_Ordonez.pdf?sequence=1&isAllowed=y
Lorentetres, Alberto. “Banco de pruebas para baterías ”. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicación, España. Tesis de grado, 2012. [Consultado el 11 de febrero de 2022]. Disponible en: Disponible en: https://academica-e.unavarra.es/xmlui/bitstream/handle/2454/6707/577956.pdf?sequence=1&isAllowed=y
Mesa Lozano, Antonio. “Diseño y montaje de una bancada de laboratorio para ensayar baterías de litio”. Universidad Politécnica de Madrid. Tesis de grado, 2019. [Consultado el 11 de febrero de 2022]. Disponible en: Disponible en: https://oa.upm.es/56832/1/TFG_ANTONIO_MESA_LOZANO.pdf
Xinxiang Hezon Xinhui VehicleCo., Ltd. “Batería de litio terciaria y batería de fosfato de hierro y litio”. Vehículo Co., Ltd de Xinxiang Hezon Xinhui 2021 [online]. [Consultado el 11 de febrero de 2022]. Disponible en: Disponible en: http://www.low-speed-vehicle.com/info/ternary-lithium-battery-and-lithium-iron-phosp-29516384.html
Padrón Jabib Fernando Antonio. “Manual de baterías y acumuladores”. Universidad Pontificia Bolivariana, 2013. [Consultado el 11 de febrero de 2022]. Disponible en: Disponible en: https://repository.upb.edu.co/bitstream/handle/20.500.11912/1536/MANUAL%20DE%20B%C3%9ASQUEDA%20R%C3%81PIDA%20PARA%20BATER%C3%8DAS.pdf?sequence=3&isAllowed=y
Jungheinrich. “Pros y contras de las baterías de litio” Guía-Profi. Guía de consejos: Baterías de litio. Seguridad de productos 2021 [online]. [Consultado el 11 de febrero de 2022]. Disponible en: Disponible en: https://www.jungheinrich-profishop.es/es/guia-profi/bateria-de-litio/
Safety at Work.červenec. Hoja Informativa de Seguridad para las Baterías de Vehículos. B.m.:TDI, 2020. [Consultado el 11 de febrero de 2022]. Disponible en: Disponible en: https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&ved=2ahUKEwijhcyewc_9AhUHmYQIHauzDUMQFnoECBEQAQ&url=https%3A%2F%2Fwww.tdi.texas.gov%2Fpubs%2Fvideoresourcessp%2Fspfsvehiclebat.pdf&usg=AOvVaw0_C7RDV8G0POt_0YDNy8Lt
International Standard ISO 6469-1. “Electrically propelled roadvehicles-Safetyspecifications-Part 1: Rechargeable energy storage system (RESS)”.2019. [Consultado el 11 de febrero de 2022]. Disponible en: Disponible en: https://www.iso.org/standard/68665.html
Híbridos Eléctricos. “Conoce cómo se ponen a prueba las baterías de los vehículos eléctricos”. Híbridos y Eléctricos. 2021 [online]. [Consultado el 11 de febrero de 2022]. Disponible en: Disponible en: https://www.hibridosyelectricos.com/coches/asi-prueban-baterias-vehiculos-electricos_29401_102.html
Notas de autor
*Autor de correspondencia: antoniovi@electrica.cujae.edu.cu
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