Tecnología chip-on-cell de Dukosi aplicada a celdas de baterías prismáticas
(Fuente: Dukosi)
Las innovaciones en el diseño de las baterías, como la tecnología chip-on-cell que permite controlar cada celda, han contribuido significativamente a mejorar la seguridad, el rendimiento y los costes de las baterías de los vehículos eléctricos.
Por Joseph Notaro, Vice President Global Sales & Marketing, Dukosi
El vehículo eléctrico (VE) se considera fundamental para reducir las emisiones mundiales, pero su adopción masiva en el mercado puede verse obstaculizada por la preocupación que suscitan la seguridad y el rendimiento de las baterías que los propulsan. En este artículo analizaremos cómo los avances técnicos en tecnología de baterías están resolviendo estos problemas.
La supervisión de las baterías, en particular, es un elemento clave para garantizar su seguridad, y describiremos cómo la innovadora tecnología chip-on-cell de Dukosi mejora significativamente el control de la seguridad, la fiabilidad y la eficiencia de las baterías de los vehículos eléctricos, al tiempo que aumenta la rentabilidad.
Evolución de la tecnología moderna de baterías
Como ocurre con muchas tecnologías nuevas, una serie de problemas de gran repercusión que surgieron con las baterías de alto voltaje (AT) durante las primeras fases del mercado de los vehículos eléctricos, han dejado impresiones y preocupaciones negativas y duraderas entre el público en general. Varios casos muy sonados de sobrecalentamiento por fuga térmica, a menudo debidos a colisiones o a un uso indebido, han generado la idea de que las baterías de los vehículos eléctricos son intrínsecamente inseguras.
Otra idea, la de que las baterías son abrumadoramente complejas, tiene su origen en la gran cantidad de componentes nuevos que acompañaron a las primeras baterías que se instalaron en los vehículos eléctricos. Esta complejidad inicial de diseño conllevó unos procesos de fabricación también complejos, difíciles de automatizar, lo que hizo que estas primeras baterías fueran prohibitivamente caras. Otros problemas de los primeros tiempos que contribuyen a las percepciones actuales son la preocupación por los costes de envío y reciclaje, y la longevidad de las baterías.
La realidad, sin embargo, es que el desarrollo de las baterías no se ha detenido, y las baterías de los vehículos eléctricos actuales y sus procesos asociados son muy diferentes de estas primeras versiones. La seguridad de las baterías de los vehículos eléctricos ha mejorado considerablemente en los últimos años, gracias a avances como los fusibles inteligentes, los materiales duraderos de las carcasas y las estructuras internas aislantes de fallos, así como a los estrictos requisitos de ensayo y certificación, que ahora garantizan que los diseños cumplan las normas de seguridad más estrictas. Las innovaciones en la química, la arquitectura y los procesos de fabricación de las baterías también han reducido su complejidad y aumentado su vida útil, de modo que los fabricantes ofrecen ahora garantías de hasta 8 o 10 años.
Las nuevas normativas, como el Pasaporte de Baterías de la UE (EU Battery Passport), están ayudando a resolver los problemas de sostenibilidad, transporte y manipulación. Al proporcionar un registro digital del historial de la batería y su estado de salud, los pasaportes de baterías pueden ayudar a reducir los gastos de seguro y transporte.
Los pasaportes de baterías también promueven mejores prácticas de reciclaje al final de su vida útil, lo que permite su reutilización y la reducción de residuos. Los ingenieros pueden utilizar la información sobre el historial de la batería y el SoH para reutilizarla en aplicaciones menos exigentes, como el almacenamiento de energía de la red o de fuentes renovables.
Los sistemas de gestión de baterías (BMS) desempeñan un papel clave en la seguridad, el rendimiento y la vida útil de las baterías, y sus avances han contribuido significativamente a las mejoras mencionadas.
Arquitecturas BMS
El BMS controla parámetros clave como el voltaje y la temperatura de las celdas de la batería y gestiona la conectividad con las redes de carga. Sin embargo, la implementación de esta funcionalidad requiere la integración de mazos de cables y sensores en espacios reducidos, lo que introduce peso, coste y complejidad adicionales a la batería. Las arquitecturas BMS tradicionales hacen concesiones al colocar sensores de temperatura en puntos estratégicos de la batería, supervisando grupos de celdas en lugar de celdas individuales, lo que conlleva varias limitaciones. La seguridad se ve comprometida porque la detección de anomalías de temperatura depende de la transmisión del aumento de temperatura de la celda afectada a las celdas vecinas (figura 1). Esto aumenta el riesgo de que se produzca una fuga térmica, con las consecuencias potenciales de la liberación de gases combustibles y, en última instancia, el inicio de un incendio.
Además, la monitorización a nivel de paquete o módulo de baterías puede ocultar problemas que se producen en celdas individuales, lo que afecta a la calidad de la información de SoH y complica la reutilización.
Figura 1. Las temperaturas de las celdas individuales pueden variar en un paquete de baterías de un VE típico
(Fuente: Dukosi)
Aunque las arquitecturas recientes de los sistemas de gestión de baterías han introducido diseños inalámbricos, éstos plantean nuevos retos, como las interferencias de radiofrecuencia y los posibles riesgos de seguridad. En cambio, las arquitecturas sin contacto, como el sistema de monitorización de celdas de Dukosi (figura 2), abordan la mayoría de los problemas anteriores y mejoran la seguridad y el rendimiento de las baterías mediante la monitorización directa de las celdas individuales de la batería.
El enfoque de Dukosi controla directamente la tensión y la temperatura a través de un supervisor de celdas (Cell Monitor) integrado en cada celda. Los datos capturados por el supervisor de celda se transmiten a un concentrador de sistema Dukosi (Dukosi System Hub) que interactúa con el procesador principal del sistema de gestión de baterías (host). El concentrador del sistema gestiona la red de comunicación bidireccional que conecta un sistema de supervisores de célula mediante su protocolo de comunicación C-SynQ® patentado. Esta innovadora arquitectura reduce el cableado y el número de componentes de las baterías de los vehículos eléctricos, multiplicando por 10 la capacidad de carga, lo que se traduce en una batería mucho menos compleja y más fácil de producir y mantener.
Figura 2. La solución Dukosi controla directamente la tensión y la temperatura mediante un chip integrado en cada celda
(Fuente: Dukosi)
Las ventajas del enfoque Dukosi
El Sistema de Monitorización de Celdas Dukosi mejora las capacidades del BMS de múltiples maneras:
- Al permitir la colocación de un sensor de temperatura en cada celda, la seguridad de la batería mejora significativamente, ya que cualquier celda que supere un umbral de temperatura predefinido puede ser identificada rápidamente, eliminando la necesidad de esperar a que el calor se propague a través de las celdas adyacentes.
- La solución Dukosi utiliza la comunicación de campo cercano para transmitir datos de forma segura y fiable entre los chips de monitorización de celdas y el System Hub a través de una sencilla antena de bus único. La comunicación de campo cercano combinada con el protocolo de comunicación propietario C-SynQ® de Dukosi garantiza una transferencia de datos sincronizada y determinista, incluso en entornos adversos de RF, y son activos esenciales para un cálculo fiable del SoC y el SoH..
- Al limitar la red de celdas para que solo reconozca las celdas conocidas, y la propagación de las señales inalámbricas a solo unos centímetros, la comunicación de campo cercano es sencilla y segura, lo que elimina los riesgos de seguridad típicos que pueden ser inherentes a los sistemas de baterías inalámbricas de campo lejano.
- Al eliminar eficazmente la necesidad de módulos de batería tradicionales, la solución de monitorización de celdas Dukosi permite diseños de batería flexibles que hacen un uso más eficiente del espacio y los recursos, adaptándose de forma rápida y rentable a las diferentes plataformas de vehículos y requisitos del mercado, sin necesidad de esfuerzos de revalidación.
- La tecnología Dukosi repercute significativamente en el coste total de propiedad (TCO), en particular para las industrias que compran y venden energía, como las empresas de servicios públicos a escala de red. La tecnología chip-on-cell recorta el número de componentes, reduciendo el BoM de la batería, lo que lleva a menores costes de fabricación y diseño. Con lecturas más precisas de las celdas, los cálculos de SoC también son más exactos, lo que potencialmente desbloquea más energía para su uso en cada celda; la combinación de esa ganancia a través de múltiples baterías proporciona una mejor rentabilidad, o, en una instalación de tamaño fijo, se pueden utilizar celdas más pequeñas o menos, reduciendo los costes iniciales.
- Una vez que un pack de baterías llega al final de su primera vida útil, la información sobre la procedencia de las celdas permite extraerlas de forma individual y evaluarlas con precisión antes de su envío, lo que mejora la seguridad y reduce potencialmente los costes del seguro. La información sobre la química y la fabricación de las celdas también significa que los procesos de reciclado pueden ser más seguros y optimizados para recuperar más material cuando finalmente llega al final de su vida útil. Además, los datos de vida útil de la celda se almacenan en cada chip Cell Monitor en lugar de en el nivel de la batería sólo en el BMS, lo que garantiza que el estado de la celda no se pierde cuando se retira de la batería.
Conclusión
La seguridad, el rendimiento y la longevidad de las baterías son consideraciones clave a la hora de elegir un VE, y una serie de percepciones erróneas en el mercado han obstaculizado la adopción de los VE. Sin embargo, las baterías modernas han mejorado enormemente con respecto a los primeros modelos, que sufrieron los incidentes ampliamente difundidos que dieron lugar a estas preocupaciones. Los sistemas de gestión de baterías son clave para su rendimiento, y las innovaciones en arquitecturas y tecnologías de sistemas de baterías, como el sistema de monitorización de celdas de Dukosi, han impulsado mejoras integrales.
La supervisión precisa de cada celda individual garantiza un funcionamiento más seguro de la batería, al tiempo que maximiza su vida útil y su rendimiento. Además, la monitorización del nivel de las celdas y la información almacenada sobre su procedencia facilitan un transporte más seguro y reducen los costes de manipulación, contribuyen a reducir el coste total de propiedad gracias a una creación, uso, reutilización y reciclaje más eficientes de los materiales de las baterías, y ayudan a crear una cadena de valor circular de las baterías.
