El Battery Innovation Centre (Centro de Innovación de Baterías) utiliza imágenes térmicas de alta velocidad para pruebas de baterías abusivas

El Battery Innovation Center (BIC), ubicado en Newberry, Indiana, es una organización colaborativa sin ánimo de lucro que se centra en el desarrollo rápido, las pruebas, la validación y la comercialización de baterías seguras, fiables y ligeras para clientes comerciales y de defensa. Parte de su proceso de prueba incluye una extensa prueba abusiva, en la que las baterías se exponen al peor escenario posible para determinar y abordar los problemas de seguridad resultantes. Para obtener la mayor cantidad de datos posible de estas pruebas, BIC utiliza una cámara térmica de alta velocidad Teledyne FLIR que revela los detalles de calor que otras tecnologías no son capaces de capturar.

“Cuando hacemos una prueba, queremos recopilar tantos datos como sea posible, y queremos tener la confianza de que nuestros datos son precisos”, explica Ashley Gordon, directora de programas en el BIC. La termografía de alta velocidad garantiza que puedan recopilar los datos más completos y precisos posibles.

Prueba de penetración de clavo en una batería registrado en termografía de alta velocidad.

El papel importante del BIC en la industria

Gracias a su amplio conocimiento y a la colaboración con los líderes del sector, el mundo académico y las agencias gubernamentales, el BIC proporciona a sus clientes la garantía y los datos basados en resultados necesarios para garantizar que sus productos dispongan de la máxima seguridad. “Hacemos de todo, desde fabricar baterías, diseñarlas, probarlas y evaluarlas, para ayudar a formar al sector en la próxima generación de almacenamiento avanzado de energía”, afirma Ben Wrightsman, presidente y director ejecutivo del BIC.

“Las pruebas son absolutamente críticas”, continúa, explicando cómo la demanda de baterías ha aumentado considerablemente en los últimos años. A medida que los modelos de batería evolucionan para satisfacer dicha demanda, cada vez es más importante verificar tanto su rendimiento como su seguridad.

Sus clientes van desde startups hasta los OEM y fabricantes más grandes del mundo, que están a la vanguardia del desarrollo de tecnología emergente. “Tenemos muchos clientes en la industria de vehículos electrificados, o en la industria de vehículos eléctricos, y se centran realmente en la seguridad”, dice Gordon. “Intentan traer esa nueva generación para ayudar a que nuestros dispositivos duren más tiempo para el almacenamiento de red, pero también para fabricar baterías más seguras, por lo que hay menos posibilidades de que las personas que los utilizan corran peligro.

“Desde productos de consumo hasta vehículos eléctricos y almacenamiento de red, lo vemos todo… y gestionamos todas las composiciones químicas respectivas que se implementan actualmente para las baterías”.

Rodney Kidd, técnico de laboratorio del BIC, configura una cámara térmica de alta velocidad para supervisar las pruebas de baterías.

Los accidentes son inevitables, y cuando sucedan, es importante saber cómo responderán las baterías; si se incendian, con qué rapidez y con qué probabilidad atraparán también los materiales circundantes. “Replicamos el peor caso posible para poder recopilar esos datos y estar preparados”, explica Gordon.

La cámara de imagen térmica de alta velocidad del BIC, adquirida hacia finales del año 2020, se ha convertido en la clave de cómo se recopilan los datos.

Las limitaciones de los termopares

“Antes de disponer de cámaras térmicas, operabamos con termopares y dispositivos de IR convencionales”, dice el Dr. James Fleetwood, director de investigación del BIC. Los termopares, sensores de temperatura de bajo coste que constan de dos cables diferentes, se utilizan comúnmente en la industria para probar la temperatura. Sin embargo, conllevan una serie de limitaciones, especialmente para el tipo de pruebas realizadas en el BIC.

El principal inconveniente de los termopares es que solo pueden medir un punto cada vez. “Si solo utilizo el termopar, voy a tener una lectura de temperatura de punto de contacto. Es decir, va a leer justo en esa posición en la que está”, explica Rodney Kidd, técnico de laboratorio del BIC.

La colocación de termopares también está sujeta a sesgos. “Es un feedback autocumplido”, dice el Dr. Fleetwood. “De hecho, no sabes dónde están los puntos calientes. Solo tienes mediciones asociadas con dónde crees que están”.

Pruebas abusivas para simular cortocircuitos

Una de las pruebas abusivas a las que son sometidas las baterías es la penetración de clavos, que simula cortocircuitos y puede provocar que la batería se sobrecaliente y se incendie o incluso que explote. “Si hacemos una prueba de clavo y usted está limitado a termopares, realmente tendría que colocar mil termopares a través de la cara de esa célula solo para obtener una comprensión clara del perfil de temperatura que va a purgar por toda la célula”, dice Kidd.

Primer plano del clavo utilizado durante pruebas abusivas de la batería.

A la hora de diseñar baterías, es importante que los ingenieros comprendan de qué manera el cortocircuito y el calor de dispersión provocarán la acumulación de gases, y dónde se expulsarán dichos gases y otros materiales celulares, así como sus temperaturas. “No vamos a ser capaces de prevenir siempre el incendio de una batería”, explica Kidd, “pero podemos mitigar los daño y dirigirlos hacia un camino seguro.”

“Eso es algo que antes no podíamos capturar solamente con termopares y cámaras de IR convencionales”, dice Kidd. Aunque se podía ver que salían residuos, el material se enfriaba inmediatamente al entrar en contacto con la atmósfera. “Con la cámara de alta velocidad”, explica, “puedo ralentizarla y recoger este material que sale hacia arriba a veces a una temperatura de 500 a 700 °°C, y luego a temperaturas aún mayores”.

La termografía de alta velocidad de FLIR muestra el panorama general

A diferencia de los termopares, que deben colocarse directamente en el lugar para recopilar datos de temperatura, las imágenes térmicas proporciona datos simultáneos sobre cada punto de la batería. “Permite obtener una imagen más amplia”, dice Gordon, “y está recopilando, obviamente, muchos más puntos de datos que pueden ayudar a analizarlos y proponer las siguientes pruebas que queremos realizar”.

Con la imagen térmica, los ingenieros pueden ver fácilmente no solo lo que ocurre fuera de la batería cuando se expone a una prueba abusiva, sino también lo que ocurre en el interior y cómo progresa el calor. “Podemos ver de inmediato cómo se propaga la temperatura, y podemos observar inmediatamente si estamos recibiendo puntos calientes, incluso si no tenemos un termopar justo en ese punto”, continúa Gordon.

La termografía de alta velocidad captura el calor que se extiende en una batería durante una prueba de penetración de clavos.

El resultado es que la termografía proporciona mucha más información que una simple certificación de prueba superada/no superada. El Dr. Fleetwood afirma que ese perfil térmico proporciona mucha más información sobre cómo funciona el sistema de gestión térmica, en comparación con qué si el sistema prendió fuego o no. El perfil térmico no solo proporciona grandes cantidades de datos en cada fotograma, sino que también facilita una manera de entender visualmente lo que ocurre durante las pruebas. “Creo que, por lo general, todo el mundo puede entender mejor una imagen o un vídeo que muestre su propio perfil, que una hoja de Excel con miles y miles de números y gráficos genéricos”.

Obtenga más información sobre las soluciones de termografía de alta velocidad de Teledyne FLIR: www.flir.com/instruments/science/high-speed-ir/