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100% de control de calidad en fracciones de segundo

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Módulos de prueba y medición de baterías para automatización, pruebas y laboratorio

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Ya sean telecomunicaciones, herramientas, ocio o electromovilidad, muchos aparatos y vehículos modernos funcionan hoy en día con baterías recargables independientes de la red eléctrica. Para que funcionen de forma fiable, las propiedades eléctricas de las celdas individuales de la batería deben ser lo más homogéneas posible, y sus conexiones mecánicas también deben probarse al 100 %. Dado que algunas baterías de mayor tamaño contienen cientos de celdas individuales, las mediciones de evaluación de las celdas deben realizarse de forma rápida, fiable y segura durante el proceso de producción. Para ello se necesitan modernos dispositivos de medición aptos para la Industria 4.0 para todos los parámetros relevantes relacionados con las celdas individuales.

Una batería eléctrica se compone de elementos individuales agrupados para lograr una mayor tensión o capacidad. Esto significa, sin embargo, que una batería es tan buena como su celda más débil. Por ello, los fabricantes de baterías tienen que comprobar las propiedades exactas de todas las celdas individuales y módulos individuales premontados para el proceso de producción en curso, y clasificarlos en grupos de calidad. Una batería de coche eléctrico, por ejemplo, suele tener varios cientos de celdas instaladas en múltiples módulos. Probar cantidades tan grandes en el menor tiempo posible plantea exigencias especiales a la tecnología de medición. Se necesitan muchos años de experiencia con métodos de medición eléctricos y mecánicos para combinar las propiedades clave de la producción de baterías en una familia de dispositivos de medición. Estos modernos dispositivos pueden utilizarse individualmente o en grupo. Son compatibles con Industry 4.0 y fáciles de conectar a buses de campo estándar, integrar en sistemas de producción o utilizar con fines de investigación y desarrollo.

Comprobación de las propiedades eléctricas de células individuales
El aspecto más importante de las pruebas de células es determinar las propiedades eléctricas individuales de las células individuales. Si se conecta en serie una célula de menor capacidad, todo el grupo de células sólo podrá suministrar la menor cantidad de corriente. Esto también puede provocar un fallo total, ya que la célula con menor capacidad se carga por completo primero, pero las demás siguen cargándose y la célula con menor capacidad se sobrecalienta. La célula desviada también puede sobrecalentarse al descargarse. Otro problema es el causado por las diferentes resistencias internas, que provocan una carga y un calentamiento desiguales de las celdas. Por este motivo, las celdas de la batería deben tener parámetros lo más idénticos posible (véanse las figuras 1a, b). Dado que los paquetes de baterías se componen de elementos individuales con distintos formatos (redondos, en bolsa, prismáticos), la tecnología de medición debe ser capaz de probar todas las variantes.

Con miles de celdas individuales para probar en muchos casos, es esencial un alto rendimiento. El uso de dispositivos de medición en las pruebas automatizadas de producción de elementos de baterías para garantizar una calidad constante del 100 % en fracciones de sección requiere amplios conocimientos técnicos. El módulo todo en uno 2511 (véase la fig. 2) de los especialistas en tecnología de medición burster (véase el texto en recuadro de la empresa) es un dispositivo de medición especialmente desarrollado para este tipo de tareas. Ofrece medición de resistencia interna CA/CC con valores de 0,1 µΩ ... 300 mΩ en 4 rangos de medición de 10 ... 300 mΩ, así como un método de medición de cuatro hilos para máxima precisión, permite generar resultados de medición y evaluación en el menor tiempo posible. Las mediciones pueden realizarse en el rango de frecuencia de 1 kHz, 100 Hz, 10 Hz, 1 Hz y a tensiones de 0 ... ±5 V CC. En sólo unos milisegundos, el módulo de medición de baterías en cascada proporciona información sobre la calidad del electrolito y los electrodos en comparación con las especificaciones del fabricante, mediante aplicaciones de uno a varios canales y medición de la temperatura. Su diseño compacto y sus interfaces de bus de campo PROFINET y EtherCAT permiten una integración sencilla en la producción. El software de PC correspondiente para la parametrización/configuración intuitiva facilita la creación de programas de medición individuales (véase la fig. 3).

Comprobación de conexiones de alta corriente
Dentro de un pack de baterías, las celdas individuales tienen que estar conectadas entre sí. Para ello se utilizan conectores de barra colectora rígidos, cables o contactos de resorte que se presionan, atornillan, sueldan o engarzan en las celdas. Es importante que las resistencias de contacto especificadas se cumplan con mucha precisión, para minimizar la pérdida de potencia y el calentamiento de la batería. Con grandes cantidades de producción, los dispositivos de medición también deben tener tiempos de evaluación muy rápidos. Con hasta 100 mediciones por segundo, el modelo 2311 RESISTOMAT® de burster está adaptado a los requisitos de las aplicaciones de alta velocidad en automatización (véanse las figs. 4a, b). El método de medición de cuatro hilos elimina las resistencias de las puntas de prueba y las resistencias de contacto. La detección de circuito abierto integrada supervisa los cables de prueba. A pesar de un rango de medición de 20 mΩ ... 200 kΩ con una resolución de hasta 1 μΩ y una precisión de medición de ≤ 0,03 % de la lectura, el instrumento de prueba logra mediciones de alta velocidad a partir de 10 ms por medición, incluida la evaluación. Un comparador de 2 y 4 vías con salidas de conmutación realiza clasificaciones y selecciones. Todos los ajustes del aparato pueden configurarse individualmente en hasta 32 programas de medición diferentes, opcionalmente también a través de Ethernet, USB (estándar) o interfaces de bus de campo (opcional). El registrador de datos integrado puede almacenar hasta 900 valores medidos por programa de medición.

Determinación de valores de medición mecánicos
Los parámetros mecánicos también son importantes en la producción de baterías. Mediante la medición de los pares y las fuerzas de apriete, es posible garantizar que las superficies de contacto estén bien sujetas y que la resistencia de contacto sea mínima. Cuando se colocan a presión contactos de alta corriente en placas de circuito impreso o se insertan celdas individuales en tubos o cajas de retención, también es necesario medir las fuerzas que se producen. El registro y la validación de las fuerzas de unión revelan inmediatamente cualquier defecto de unión. La monitorización de la fuerza/desplazamiento de la unión a presión con técnicas de ventana y envolvente permite, por ejemplo, registrar los valores pico mínimo/máximo y los valores medios de la fuerza dentro de un rango de tolerancia especificado. Estos métodos de ensayo son fáciles de implementar con el controlador de procesos X/Y DIGIFORCE® 9307 (véase la fig. 5). Con una interfaz PROFINET, EtherCAT, EtherNet/IP y Ethernet UDP, el módulo admite un control de procesos y una adquisición de datos de medición flexibles. Hasta 128 programas de medición permiten un alto grado de variabilidad del producto. Por ejemplo, cuando se supervisa la fuerza/desplazamiento para la inserción de placas / bloques celulares individuales en un alojamiento celular, siempre se pueden unir varias unidades simultáneamente para optimizar el tiempo de ciclo, y cada placa individual se puede medir y evaluar con la ayuda de controladores DIGIFORCE® en cascada.

Supervisión a largo plazo del comportamiento de expansión de las celdas de batería
Pero no sólo son importantes las mediciones críticas para el tiempo en la línea de producción. Los dispositivos de medición también son necesarios para las mediciones de laboratorio del comportamiento de las células y las baterías, por ejemplo en el desarrollo o para comprobaciones puntuales. Estos dispositivos también pueden utilizarse para obtener fácilmente valores de medición mecánicos para la supervisión a largo plazo, por ejemplo, de la expansión durante los ciclos de carga y descarga, o para determinar las fuerzas que se producen con la supervisión de la temperatura, o para optimizar la distribución de la presión y la vida útil. Gracias a su reducido tamaño y a sus tres orificios de fijación, la célula de carga de compresión burster 8526 es adecuada para tareas como éstas en diversos ámbitos de aplicación (véase la fig. 6). Incluso los errores de ángulo en la aplicación de la carga con una desviación de hasta 3° respecto al eje de medición sólo tienen una influencia insignificante en el resultado de la medición. Su amplia gama de rangos de medición de 0 ... 100 N a 0 ... 1 MN permite una medición precisa de las fuerzas o de la dilatación con la temperatura, no sólo en el caso de las celdas de batería, por ejemplo, al cargarse y descargarse las celdas. Esto a su vez permite una evaluación exacta del comportamiento a largo plazo y del proceso de envejecimiento.

Leyendas de las imágenes:
Figs. 1a, b: Las celdas de batería deben tener parámetros lo más idénticos posible (fuente: burster).

Fig. 2: El módulo todo en uno 2511 es ideal para su uso en pruebas de producción automatizadas de celdas de baterías de iones de litio para un aseguramiento de la calidad constante al 100 % en milisegundos (fuente: burster).
Fig. 3: El software de PC adecuado para la parametrización/configuración intuitiva facilita la creación de programas de medición individuales (fuente: burster).
Figs. 4a, b: El modelo 2311 RESISTOMAT® está diseñado para los requisitos de las aplicaciones de alta velocidad en automatización (fuente: burster).
Fig. 5: Al registrar y validar las fuerzas de unión con el controlador de proceso DIGIFORCE® 9307 X/Y, se detecta inmediatamente cualquier defecto de unión (fuente: burilador).
Fig. 6: Valores mecánicos medidos para la supervisión a largo plazo de la expansión durante los ciclos de carga y descarga, o para determinar las fuerzas que se producen (fuente: burster).
(Todas las imágenes en el enlace)

Cuadro de empresa: Acerca de burster
burster suministra tecnología de medición que abarca desde sensores individuales hasta soluciones de sistemas. Sus clientes se encuentran principalmente en la ingeniería mecánica y de instalaciones, la automatización, la industria del automóvil y sus proveedores, la ingeniería eléctrica y electrónica y la industria química. La gama incluye instrumentos de medición y comprobadores, así como sensores estándar para valores de medición mecánicos y eléctricos, como células de carga, sensores de presión, par y desplazamiento, mili y megóhmetros y cajas decadactilares de resistencia. Además, son posibles soluciones OEM personalizadas, incluso para muchos otros sectores y mercados futuros como la ingeniería médica, la biotecnología y la e-movilidad. Muchos años de experiencia en el diseño y la fabricación de instrumentos de medición y sensores garantizan siempre soluciones óptimas. Desarrollados y fabricados en Alemania, los sensores Burster, amplificadores y módulos transmisores, instrumentos de precisión y sistemas de medición para el procesamiento de señales de sensores se envían a clientes de todo el mundo.

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