Diagnóstico y reacondicionamiento de baterías de movilidad eléctrica

15/04/2024

Las baterías de litio son el presente y el futuro del almacenamiento energético, ya que su alta densidad energética, potencia y durabilidad, supone la mejor opción para la electrificación de sectores como el de automoción o el industrial.

El impulso del sector de las baterías trae consigo un incremento de baterías retiradas del uso, bien por fin de vida útil o bien por fallo. Este proyecto trata de aportar soluciones tecnológicas al problema detectado en la industria del incremento de baterías tratadas como residuos cuando aún ofrecen capacidades para su uso, la baja rentabilidad del reciclaje debido a los volúmenes de trabajo actuales, y la necesidad de especialización y automatización de la industria en este campo.

Actualmente, la durabilidad de las baterías es difícil de predecir, ya que su degradación no es un proceso lineal, sino que intervienen numerosas variables. La determinación de su vida útil depende de conocimientos sobre los mecanismos internos de envejecimiento, que no son medibles en una batería en uso. Es por ello por lo que estos conocimientos se han de traducir a variables externas, medibles y controlables por el sistema de gestión de las baterías.
 

Figura 1. Ensayo de diagnóstico sobre baterías de movilidad ligera en el ITE.

En el caso de las aplicaciones de movilidad eléctrica, la vida útil de las baterías se limita a una pérdida del 20% de la capacidad inicial. Debido a las diferencias entre celdas esto puede significar un diagnóstico de fin de vida de un pack cuando una de sus celdas ve su salud reducida un 20%.

Estas diferencias son difíciles de reducir, ya que entran en juego variables intrínsecas derivadas de los procesos de fabricación de las celdas, variables extrínsecas como los contactos y soldaduras, y otras de uso, como el gradiente térmico según su sistema de refrigeración. El sistema de gestión de las baterías, centralizado en su BMS (Battery Management System), ha de mantener la homogeneidad entre el estado de las celdas para garantizar el rendimiento, seguridad y vida útil de las baterías.

El BMS tiene ciertas limitaciones en su diagnóstico y estimación de parámetros, puesto que depende de la sensórica, y, en muchas ocasiones se opta por la de mayor simplicidad para reducir la complejidad del sistema. Esto implica que la incertidumbre de la medida se propague y cause desviaciones en el diagnóstico y en el equilibrado de las celdas.

La heterogeneidad entre las celdas y el diagnóstico del BMS pueden conducir a retirar del mercado una batería que aún puede ser aprovechada. Esto supone el tratamiento como residuo de un producto apto para uso, y un consumo material y energético en la producción de su reemplazo.

Propuesta de valor
El reacondicionamiento de las baterías en el ITE se plantea como opción para alargar la vida útil para la que fue diseñada inicialmente. Para ello, una de las etapas necesarias para el reacondicionamiento es el diagnóstico de la batería. Conocer su estado permite establecer la estrategia de reparación o reemplazo de sus componentes.

De este modo, la propuesta de valor se presenta en forma de una solución tecnológica que permite acelerar en tiempo y reducir en costes este proceso de diagnóstico y de reacondicionamiento, mediante la combinación de la investigación industrial y el desarrollo experimental para la validación de las soluciones.

El proyecto contempla la investigación industrial encaminada al desarrollo de procesos, herramientas y servicios de diagnóstico de baterías, además de la construcción de un prototipo en entorno de laboratorio que permita validar estos desarrollos. El prototipado y validación física de los conocimientos teóricos, en forma de un banco de reacondicionamiento de baterías, también se enmarcan en el desarrollo experimental, mediante el empleo de conocimientos y técnicas ya existentes de índole tecnológica.

El proyecto parte de la integración multidisciplinar del ITE, que engloba el conocimiento electroquímico, modelizado de baterías, testeo en laboratorio, electrónica e ingeniería eléctrica, para alcanzar el objetivo del proyecto: mejorar el reacondicionamiento de las baterías de litio provenientes del ámbito de la movilidad a partir de un diagnóstico avanzado.

Avances tecnológicos
Se han definido los criterios a considerar en la sistemática de diagnóstico: por un lado, el diagnóstico ha de realizarse en tiempos equivalentes a los de la industria de cara al incremento de volúmenes de baterías que se han de diagnosticar en un futuro; de la misma manera, el diagnóstico ha de ser robusto frente a las condiciones de entorno y cambios en los equipos de medida; y, por otro lado, el diagnóstico ha de ser implementable al pack o módulo de baterías, puesto que en muchos casos el desensamblaje a subsistemas más simples como es el nivel de celda no es posible o es ineficiente.

Existen ensayos para el diagnóstico y evaluación de la calidad de las baterías a nivel normativo, tanto para celdas (UNE-EN 62660-1:2019) como para packs (ISO 12405-4:2018). También existen técnicas de diagnóstico científicas ampliamente usadas en entornos de investigación y laboratorio, como el análisis de capacidad incremental (ICA) o el de diferencial de voltaje (DVA). En el proyecto EÓN se han analizado diferentes técnicas de diagnóstico para la caracterización de baterías a partir de los criterios establecidos previamente y se han planteado nuevas sistemáticas para la obtención de los indicadores de diagnóstico. Además se han realizado pruebas de concepto sobre baterías de movilidad ligera (Figura 1).

Por otra parte, en el proyecto también se está trabajando en el reacondicionamiento centrado en las celdas, como unidad de almacenamiento básica de la batería. Las diferencias entre celdas son difíciles de reducir, ya que entran en juego variables intrínsecas derivadas de los procesos de fabricación de las celdas, variables extrínsecas como los contactos y soldaduras, y otras de uso, como el gradiente térmico según su sistema de refrigeración.

En el proyecto se abordan dos vías de reacondicionamiento dependiendo del diagnóstico previo y según implique la sustitución de componentes o la operación externa sobre las propias celdas. En el primer caso se evalúa la sistemática de desensamblaje, considerando los riesgos que entraña la manipulación de las baterías y sus posibles modos de fallo, y posterior reacondicionamiento de la batería, con lo que el ITE está elaborando instrucciones técnicas para la correcta manipulación y reacondicionamiento de las baterías. En el segundo caso, se está implementando un banco de ensayos para el reacondicionamiento de baterías a partir de la operación externa sobre las celdas, de manera que la solución tecnológica permita prolongar el uso de la batería.

A partir de las etapas de diagnóstico y el reacondicionamiento de la batería, también se están recopilando los criterios de diseño que faciliten la circularidad de la propia batería y que sean integrables en las etapas previas de su cadena de valor, en la etapa de diseño.

Estimación del estado de salud de la batería
Las diferencias entre celdas condicionan la vida del pack, ya que una sola celda puede condicionar el uso de todo el sistema. En el proyecto se ha sometido una batería que ha sido retirado de su aplicación en movilidad ligera a una descarga completa y se ha observado como la degradación de una única celda condiciona el funcionamiento de la batería, tal y como se observa en la Figura 2.

Figura 2. Evolución de la tensión de las celdas de una batería de movilidad ligera durante una descarga completa C/5.

El diagnóstico de la batería mediante el ensayo de capacidad de acuerdo con las especificaciones del fabricante precisa de una dedicación de entre 2 y 4 horas como mínimo, además de una etapa de preacondicionamiento. Por este motivo, se ha desarrollado una sistemática de diagnóstico basado en una descarga parcial que permite identificar las celdas más degradadas, así como estimar el estado de salud de cada una de las celdas sin necesidad de realizar el ensayo de descarga completa, lo que permite reducir considerablemente el tiempo de diagnóstico.

En la Figura 3 se muestra la descarga parcial realizada sobre la misma batería de movilidad ligera y que permite identificar la celda con mayor degradación que ha provocado la retirada de la batería.

Figura 3. Evolución de la tensión de las celdas de una batería de movilidad ligera durante una descarga parcial.

La sistemática de diagnóstico propuesta por el ITE, y bajo desarrollo en el proyecto, emplea los resultados de la descarga parcial para estimar el estado de salud actual de cada una de las celdas de la batería, tal y como se muestra en la Figura 4, donde también puede identificarse la celda más degradada.
 

Figura 4. Estimación del estado de salud de las celdas de una batería de movilidad ligera retirada.

Avances en metodología de diagnóstico y reacondicionamiento de baterías
De la tecnología desarrollada en EÓN se pueden obtener las siguientes conclusiones:

• La metodología de diagnóstico en desarrollo representa un avance en el conocimiento del estado de las baterías y una reducción del tiempo dedicado al testeo necesario.
• Con las pruebas de concepto realizadas hasta el momento en el Battery Lab del ITE, queda de manifiesto la necesidad del reacondicionamiento de baterías provenientes de movilidad con una degradación heterogénea.  

Los resultados alcanzados hasta el momento adelantan que la implementación de esta metodología en el banco de diagnóstico enfocado hacia el reacondicionamiento de baterías permitirá a las empresas de la cadena de valor de las baterías agilizar y reducir el coste asociado a este proceso, favoreciendo el incremento de la competitividad empresarial a través de la diferenciación de productos y servicios innovadores basados en la economía circular.

El proyecto EÓN, con número de expediente IMDEEA/2023/34, ha sido financiado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE) y por la Unión Europea a través del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER