La clave para unas baterías de alta tensión eficientes

La importancia de las resistencias pequeñas

En el proceso de producción de celdas o baterías de iones de litio, el comprobador de baterías no se utiliza hasta una fase bastante tardía. Sin embargo, los valores de resistencia se comprueban mucho antes en el proceso, ya que garantizar que los valores de resistencia sean lo más bajos posible y, a ser posible, siempre iguales, es un factor decisivo para la calidad de la batería. Esto se debe principalmente a dos razones.

Por un lado, una baja resistencia total del sistema de la batería es fundamental para que, por ejemplo, al acelerar un deportivo eléctrico, el conductor se vea empujado contra el asiento. Para ello, la batería debe ser capaz de suministrar corrientes elevadas al motor. La relación con la resistencia se explica de forma muy sencilla mediante la ley de Ohm.

Si se reorganiza U = RI , en I = U/R , se observa que una resistencia R baja, a igual tensión U, implica un flujo de corriente I elevado.

Por otra parte, cualquier resistencia en un sistema de baterías provoca que la energía eléctrica se pierda en forma de energía térmica. No se trata de un fenómeno específico de las baterías, sino que se deriva de la ley general de la energía térmica de la corriente, también conocida como «primera ley de Joule».

La potencia disipada en la resistencia puede describirse de forma clásica mediante P = UI . Si sustituimos la tensión U por RI, según la ley de Ohm mencionada anteriormente, obtenemos P = UI = (RI)I = RI² . Así pues, se observa cómo la potencia disipada P aumenta al aumentar la resistencia R.

¿CA o CC?

A la hora de medir resistencias, especialmente en el contexto de las baterías, se distingue entre dos métodos de medición: la medición de resistencia en CA y la medición de resistencia en CC. En este contexto, la medición de resistencia en CC no se refiere a la determinación de la resistencia interna en CC de una batería, en la que la resistencia interna se determina a partir de la variación de tensión al descargar la batería con una carga. Más bien, aquí se hace referencia a la medición de resistencia mediante un método de 4 hilos.

El método de medición de CC se utiliza, por ejemplo, para medir resistencias de contacto. Los aparatos que funcionan con este método son los multímetros, los medidores de resistencia (de CC) o los comprobadores de aislamiento. Por el contrario, el método de medición de CA se encuentra en los comprobadores de baterías o en los medidores LCR.

Imagen 1: Comparación entre la medición de la resistencia en CA y en CC.

Pruebas de electrodos

Si se repasa cronológicamente el proceso de fabricación de una batería de iones de litio, se observa que una medición importante de la resistencia eléctrica en corriente continua tiene lugar poco después del recubrimiento de los electrodos con la masa activa. En este proceso, el material aleado con litio se aplica sobre el material del electrodo a presión y a las temperaturas adecuadas.

Una medición posterior de la resistencia permite determinar la resistencia eléctrica específica de la masa activa aplicada, así como 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; en particular, la medición de la resistencia de transición entre la masa activa y el material del electrodo suponía un reto. Esto cambió con el lanzamiento al mercado de un nuevo sistema de medición de la resistencia de los electrodos: el RM2610 de HIOKI.

El RM2610 de HIOKI es, en principio, un medidor de resistencia de corriente continua. Sin embargo, en lugar de utilizar una medición clásica de cuatro hilos, el RM2610 funciona con una sonda en la que se disponen un total de 42 contactos elásticos en una superficie total de 1 mm². Durante la medición, se realizan una serie de mediciones de resistencia de corriente continua entre los contactos. A partir de estos resultados, se calculan, con ayuda de un modelo matemático y de parámetros conocidos, la resistividad de la masa activa y la resistencia de contacto entre la masa activa y el electrodo.

Los parámetros conocidos son magnitudes fáciles de determinar, como el espesor del material del electrodo, el espesor de la capa de masa activa y el valor de la conductividad eléctrica del material del electrodo. El material del electrodo del ánodo suele ser cobre, mientras que para el cátodo se suele elegir aluminio. El cobre no puede utilizarse como material del cátodo, ya que se corroería en el cátodo. Por el contrario, el aluminio no es adecuado como material del ánodo, ya que reacciona con el litio.

Aunque el RM2610 se utiliza hoy en día ampliamente como equipo de ensayo en la producción de celdas de iones de litio, en realidad fue concebido para su uso en departamentos de desarrollo. El objetivo era acortar el proceso de desarrollo de celdas con nuevos materiales, permitiendo evaluar la calidad esperada de la celda terminada tan pronto como se completara el recubrimiento de los electrodos. Esta posibilidad era tan única y suponía una mejora tan significativa del proceso que el sistema de medición de la resistencia de los electrodos de HIOKI se utilizó, aún en fase de prototipo, en varias docenas de clientes de Asia.

Imagen 2: Medición de la resistencia de contacto en electrodos – RM2610.

Resistencias de los contactos de soldadura

Por el contrario, las mediciones de resistencia en corriente continua para determinar las resistencias de contacto tras la realización de uniones soldadas se llevan a cabo de forma clásica mediante una medición de 4 hilos. Independientemente de si se trata de la instalación de conexiones de potencia en una célula tipo «pouch» o de la conexión de una célula a un barrido de corriente, en cualquier caso se debe comprobar la resistencia de contacto tras la unión para evitar que se genere, precisamente en ese punto, una fuente de calor dependiente de la resistencia.

Las mediciones de resistencia de CC de 4 hilos pueden realizarse con casi cualquier multímetro digital de uso en laboratorio o industrial. Sin embargo, para la medición de resistencias de contacto en la producción, existen algunas razones importantes por las que conviene realizar la medición con un medidor de resistencia diseñado específicamente para ello.

La primera razón importante es el rango de medición de la resistencia. En un multímetro digital de 7½ dígitos muy extendido y, sin duda, de primera clase, de uno de los fabricantes más conocidos, el rango de medición de resistencia más pequeño es de 1 Ω. A primera vista, esto parece impresionante; sin embargo, las resistencias de contacto de los contactos de soldadura en las baterías de iones de litio deberían situarse, idealmente, por debajo de 0,1 mΩ. El medidor de resistencia RM3545 de HIOKI cumple sin problemas este requisito gracias a su rango de medición más bajo, de tan solo 10 mΩ, con una resolución de 0,01 µΩ.

Imagen 3: Medición de la resistencia de los puntos de soldadura – RM3545.

Alta velocidad de comprobación para la producción

Además de un rango de medición muy reducido, el RM3545 de HIOKI cuenta con otra función muy útil en entornos de producción: la comprobación del contacto entre el medidor y la pieza a probar durante la medición: Para ello se utiliza el principio de la medición de 4 hilos, con el fin de garantizar que los cuatro contactos de medición estén correctamente en contacto con el dispositivo a probar. Esta función evita que las mediciones se consideren «defectuosas» debido a un contacto incorrecto de los electrodos y, por lo tanto, que se descarten erróneamente productos en perfecto estado.

Otra razón fundamental que justifica el uso de un medidor de resistencia específico es la velocidad de medición: desde el inicio de la medición hasta la visualización del resultado, el RM3545 tarda tan solo 2,2 ms en el ajuste más rápido. Debido al gran número de contactos de soldadura que hay que medir en una línea de producción de baterías, de esta forma se pueden realizar numerosas comprobaciones de contactos con un número reducido de medidores.

Imagen 4: El RM3545 de HIOKI.

En este punto, los lectores con experiencia en producción objetarán, con toda razón, que el transporte mecánico de una pieza de prueba dura mucho más que unos pocos milisegundos, lo que relativiza claramente la ventaja de una velocidad de medición muy alta en el contexto general. Por ello, para sacar un provecho efectivo de la elevada velocidad de medición en la fabricación, HIOKI ofrece el RM3545-02, una variante del equipo con ranuras para tarjetas multiplexoras.

Imagen 5: Módulos multiplex para su uso en la producción.

Al añadir dos de las tarjetas multiplexoras disponibles opcionalmente, un único medidor de resistencia es capaz de realizar hasta 20 mediciones diferentes de 4 hilos de forma consecutiva en muy poco tiempo, siempre que las piezas a probar se introduzcan mecánicamente «en bloque» en el dispositivo de medición. Si este número de canales de medición no fuera suficiente, por ejemplo, porque se deban medir todos los contactos soldados de un módulo de batería completo en un solo paso, tampoco sería necesario utilizar varios RM3545 en paralelo, ya que su control en paralelo complicaría considerablemente la integración.

Imagen 6: 132 canales de medición con un solo equipo de medición.

En este caso, se recomienda utilizar un sistema multiplexor independiente. HIOKI ofrece este tipo de sistema en diferentes versiones y, en una configuración diseñada para mediciones de 4 hilos, permite controlar hasta 132 canales con un único equipo de medición, como el RM3545 (configuración: SW1002 + 12 unidades SW9001). La unidad multiplexora no se limita al uso con medidores de resistencia, sino que también puede utilizarse con los comprobadores de baterías, los medidores de impedancia o los voltímetros de HIOKI, siempre que las tensiones de medición sean inferiores a 60 V.

Si imaginamos un montaje de medición con los 132 canales que acabamos de describir, que se utilizan, por ejemplo, para medir los contactos soldados de un módulo de batería que lo conectan a las barras colectoras, entonces, debido al método de medición de 4 hilos, no solo estamos hablando de más de 500 cables de medición necesarios, sino también de más de 250 contactos de prueba mecánicos. Técnicamente, esto es posible. Sin embargo, especialmente en el caso de las celdas cilíndricas de un módulo, existe otra solución más adecuada.

La alternativa en este caso es un probador de sonda voladora con el nombre algo críptico de FA1240-W800. Estos dispositivos se utilizan habitualmente para probar placas de circuito impreso montadas y son capaces de realizar, entre otras cosas, mediciones de resistencia de 4 hilos en un tiempo de hasta 25 ms por prueba. Al fin y al cabo, da igual si la pieza que se va a probar es una placa de circuito impreso montada o un módulo de batería en el que se miden los contactos soldados.

Imagen 7: Medición de los contactos soldados con un comprobador de sonda voladora.

El uso de un probador de sonda volante, tomando como ejemplo la «medición de contactos soldados en módulos de batería», presenta otra ventaja frente a la configuración con contactos de prueba fijos —ya sea en la variante descrita anteriormente o, alternativamente, con un «lecho de clavos»—; pues, mientras que en las placas de circuito impreso montadas las posiciones de prueba son siempre exactamente las mismas, en la realidad, en un módulo de batería con cientos de celdas, estas siempre varían ligeramente entre sí debido a las tolerancias de producción. Sin embargo, el contacto soldado debe medirse con precisión.

El probador de sonda voladora FA1240 permite leer previamente un archivo de posición para cada módulo de batería. Este se puede crear de forma individual para cada módulo de batería con la cámara adecuada y el software de análisis adecuado. De este modo, se descartan los errores de medición debidos a las tolerancias mecánicas de producción.

¿Comprobador de baterías para contactos de soldadura?

Una pregunta que se le plantea habitualmente a HIOKI es si se puede utilizar un comprobador de baterías ya existente para medir resistencias de contacto. Existe un motivo técnico a favor de ello, pero hay razones de mayor peso que se oponen a ello.

A favor del uso del método de medición de CA que se emplea en el comprobador de baterías para medir resistencias de contacto estaría el hecho de que la fuerza electromotriz —también denominada tensión de base— no influye en este método de medición. Y es que, en términos sencillos, la fuerza electromotriz es un desplazamiento de corriente continua que se produce al poner en contacto metales diferentes. Sin embargo, este desplazamiento de corriente continua puede ignorarse en una medición de CA.

Imagen 8: El estándar de facto en la fabricación de baterías: el BT3562A.

Esta tensión de fondo es una tensión muy pequeña que no influye de forma apreciable en las mediciones de resistencia en el rango de los ohmios. Sin embargo, las resistencias de contacto se sitúan claramente en el rango de los microohmios, y en este caso incluso una desviación de CC muy pequeña cobra relevancia para el resultado de la medición. Por lo tanto, es importante señalar en este punto que el medidor de resistencia de CC RM3545, ya mencionado, dispone de una función de «compensación de tensión de offset», con cuya ayuda se minimiza la influencia de la tensión de fondo.

Un argumento en contra del uso de comprobadores de baterías para la medición de resistencias de contacto son las corrientes parásitas, que pueden generarse en los cables de medición durante una medición de 4 hilos, incluso a frecuencias de medición de 1 kHz. Al igual que ocurre con la tensión de referencia, estas corrientes parásitas carecen de importancia en el caso de resistencias elevadas; sin embargo, cuando las resistencias de contacto son muy bajas, influyen en el resultado de la medición. La dificultad radica en que, en un mismo dispositivo de prueba, las corrientes parásitas pueden presentar ya magnitudes diferentes en función del trazado de los cables de medición. Si, por ejemplo, el cable de medición pasa junto a una chapa de acero (magnética), como la carcasa de un dispositivo, esto puede dar lugar a un resultado de medición diferente al que se obtendría si los cables de medición se colocaran de forma ligeramente distinta en la misma pieza de prueba. Esta es una de las razones por las que, al medir resistencias de contacto con un comprobador de baterías, puede resultar difícil obtener resultados de medición repetibles o exactamente comparables.

Otra razón surge al comparar la precisión de ambos métodos de medición: uno de los comprobadores de baterías más utilizados en el ámbito de la producción es el BT3562A de HIOKI. En este comprobador de baterías, la precisión básica en la medición de la resistencia es del 0,5 %. Se trata de un valor muy bueno para un ohmímetro de CA. Por el contrario, un ohmímetro de CC como el RM3545 presenta una precisión básica del 0,006 %.

Emparejamiento de celdas

Al principio de este texto se ha descrito que, para la calidad de una batería, no solo son decisivos los valores bajos de resistencia, sino también que estos sean uniformes. La uniformidad de los valores de resistencia es especialmente relevante en el caso de las celdas que se conectan entre sí en módulos y paquetes.

En una conexión en serie de celdas de batería, una sola celda con una resistencia mayor actuaría como un cuello de botella en todo el sistema. Esa mayor resistencia no solo provocaría un aumento de la temperatura en el conjunto, lo que tendría un impacto negativo en la vida útil. Además, esta celda se descargaría más rápido que las demás. En la vida cotidiana, un sistema de gestión de la batería se encarga de compensar estas diferencias entre las celdas, de modo que el usuario normal no las perciba.

La situación cambia cuando la batería no se utiliza únicamente para un coche eléctrico normal, sino, por ejemplo, para un coche de carreras de la famosa categoría reina. O cuando una batería diseñada específicamente se encarga del suministro eléctrico completo de un vehículo de expedición. En ambos casos, resulta ventajoso descartar en la medida de lo posible las variaciones de serie.

Imagen 9: Espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) con el BT4560.

Esto se puede lograr mediante un «emparejamiento» de las distintas celdas. Para ello, se determina la impedancia de cada celda mediante espectroscopia de impedancia electroquímica a diferentes frecuencias. En términos figurados, los valores de impedancia —compuestos por la resistencia óhmica y la reactancia— dan lugar, en conjunto, a una curva de Nyquist para cada celda. Si se superponen estas curvas de fase, se pueden agrupar en un módulo o paquete aquellas celdas cuyas curvas de fase estén más próximas entre sí.

El medidor de impedancia de baterías BT4560 de HIOKI es un dispositivo adecuado para estas mediciones, entre otras cosas, porque la formación de las corrientes parásitas descritas anteriormente se minimiza durante la medición gracias al uso de una medición de «par de 4 terminales».

Conclusión

En resumen, cabe señalar que, especialmente para la fabricación de baterías de alto rendimiento, se requiere la tecnología de medición adecuada. Cada una de las etapas del proceso de fabricación desempeña un papel decisivo en el resultado final de la batería.

Para HIOKI, la estrecha colaboración con los principales fabricantes de baterías a lo largo de décadas es garantía de que se refuerza el mercado de las baterías, tanto con tecnología de medición consolidada como con tecnología de nuevo desarrollo.