¿Por qué las baterías necesitan pruebas de congelación?

¿Has notado el creciente número de vehículos eléctricos en las carreteras?

Con el desarrollo de las nuevas tecnologías energéticas y la mejora de la conciencia ambiental, los vehículos eléctricos se han convertido en una vista común en la vida diaria. ¿Alguna vez te has preguntado por qué los vehículos eléctricos se cargan más lentamente y se descargan más rápido en invierno? ¿Esto afecta la vida útil de la batería? ¿Por qué algunos vehículos eléctricos también tienen un rendimiento estable en un entorno de -20℃?

Esto está estrechamente relacionado con una etapa clave en la investigación y desarrollo: la prueba de batería a bajas temperaturas. ¿Qué es la prueba de batería a bajas temperaturas? ¿Por qué se realiza? ¿Qué sucede cuando la batería se congela? ¿Cómo se lleva a cabo la prueba de congelación? Este artículo revela el misterio de las pruebas de batería para ti.

¿Por qué congelar la batería?

La prueba de congelación de la batería tiene como objetivo simular el entorno de bajas temperaturas que puede encontrarse en el uso real. En América del Norte, Europa del Norte, Rusia y otros lugares, las temperaturas en invierno son muy bajas, lo que puede dificultar el arranque de los vehículos eléctricos. En equipos de transporte de cadena fría y algunos equipos de exploración polar, el sistema de la batería puede fallar o incluso cortocircuitarse debido a las bajas temperaturas.

Para evitar que estos problemas ocurran durante el uso, el personal de I+D debe comprender previamente su rendimiento a bajas temperaturas. Evaluar la resistencia al frío de los materiales, la vida útil de las baterías, las reacciones químicas internas y los valores críticos de temperatura baja.

Why Do Batteries Need Freezing Tests（images 1）

¿Qué sucede cuando la batería se congela?

¿Cómo se comporta una batería en entornos de bajas temperaturas? Estos son los principales efectos:

Carga lenta

Al cargar un coche eléctrico en invierno, se tarda mucho en cargar por completo, porque la baja temperatura afecta la velocidad de carga de la batería. A bajas temperaturas, aumenta la viscosidad del electrolito, aumenta la resistencia al movimiento de los iones de litio en el electrolito y disminuye la eficiencia de carga de la batería. Si la carga continúa en un entorno de baja temperatura, puede producirse la deposición de metal de litio, lo que a su vez daña la batería e incluso puede causar una fuga térmica.

Descarga acelerada

Quizás hayas notado que la potencia de la batería disminuye mucho después de conducir un coche eléctrico por una corta distancia en invierno. La razón por la que la batería puede suministrar energía es que ocurre una reacción química en su interior, convirtiendo la energía química en energía eléctrica. Después de conectar la batería al circuito externo, los iones de litio se moverán desde el electrodo negativo y alcanzarán el electrodo positivo a través del circuito externo, formando así una corriente. A bajas temperaturas, la migración de los iones de litio se ve obstaculizada, la resistencia interna de la batería aumenta, el voltaje disminuye durante la descarga y la potencia disponible se reduce.

Riesgos de seguridad

A temperaturas extremadamente bajas, el electrolito puede cristalizar o precipitar parcialmente litio, e incluso pueden ocurrir daños estructurales, como hinchazón, fugas, cortocircuitos, etc. Encontrarse con estos problemas en un coche en movimiento pondrá en gran peligro la seguridad de la vida del conductor y los pasajeros.

Rendimiento de la batería a diferentes bajas temperaturas

Las baterías tienen un rendimiento diferente en diferentes rangos de bajas temperaturas. Las pruebas en diferentes zonas de temperatura pueden ayudar al personal de I+D a optimizar las fórmulas de las baterías y evaluar la estabilidad del embalaje de las celdas de la batería.

Temperatura	Rendimiento de la batería
0℃ ~ -10℃	Ligera disminución en el rendimiento, aún operativo
-10℃ ~ -20℃	Pérdida notable de capacidad, voltaje de arranque insuficiente, tiempo de descarga más corto
-20℃ ~ -40℃	La mayoría de las baterías de litio no pueden funcionar correctamente; se requieren baterías especiales para bajas temperaturas.
-40℃ ~ -80℃	Rango de prueba extremo para aplicaciones aeroespaciales, militares y otros entornos hostiles

Normas de prueba de congelación de baterías

Para verificar la confiabilidad de las baterías y facilitar la comparación y certificación, muchos países y regiones han emitido normas de prueba de congelación de baterías.

IEC 62660

La Comisión Electrotécnica Internacional emitió el estándar IEC 62660 en 2010, que se aplica a todas las celdas de iones de litio utilizadas en los sistemas de energía de los vehículos eléctricos. Establece que se deben realizar pruebas de capacidad de la batería, pruebas de retención de voltaje y pruebas de vida útil de ciclos a -20°C. También se especifican el entorno de prueba, los métodos de prueba y los estándares de calificación de las baterías.

UN 38.3

La Comisión Económica de las Naciones Unidas emitió el estándar UN 38.3 en 1999, y este estándar se actualiza continuamente. Se aplica a todas las baterías de litio y paquetes de baterías terminados utilizados para el transporte internacional, incluidos vehículos eléctricos, teléfonos móviles, herramientas eléctricas, etc. La batería debe ser almacenada a -40°C±2°C durante 6 horas, seguida de +75°C±2°C durante otras 6 horas, repitiendo el ciclo 10 veces en un período de 5 días. Durante la prueba, la batería no debe presentar fugas, hinchazón, incendio, explosión y debe cumplir con los requisitos de voltaje nominal para ser calificada.

SAE J2929

La Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) publicó el SAE J2929 en 2008 y lo revisó en 2020. Este estándar se aplica a los sistemas de baterías de vehículos eléctricos e híbridos vendidos en los Estados Unidos. Requiere una simulación ambiental de todo el sistema de baterías, que incluye operación a bajas temperaturas, carga a bajas temperaturas y modos de fallo a bajas temperaturas. Se recomienda que la temperatura de prueba se controle a -30°C para simular la temperatura invernal de América del Norte.

NASA-STD-4009

La Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) revisó el estándar NASA-STD-4009 en 2021. Este estándar se aplica a los sistemas de baterías para naves espaciales, satélites y equipos de exploración del espacio profundo. Se requiere realizar pruebas a -60°C o incluso a temperaturas más bajas para evaluar la estanqueidad, la capacidad de control térmico y la estabilidad electroquímica del sistema de baterías a temperaturas extremadamente bajas.

GB/T 31467

La Administración Estatal de Regulación del Mercado de China emitió el estándar GB/T 31467 en 2015. Este estándar se aplica a los sistemas de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos. Se requiere que la batería pase pruebas de capacidad, potencia y rendimiento de carga y descarga a -20°C, y se especifican el método de prueba y el margen de error de la caja de control de temperatura (±2°C).

Nombre del estándar	País/Organización	Requisitos de temperatura	Aplicación principal	Año de lanzamiento
IEC 62660	Internacional / IEC	-20℃	Pruebas de rendimiento y seguridad de celdas individuales de vehículos eléctricos (EV)	Desde 2010
UN 38.3	Naciones Unidas / UNECE	Ciclado a -40℃	Pruebas de adaptabilidad al transporte y seguridad de las baterías	Desde 1999
GB/T 31467	China	-20℃	Pruebas de rendimiento y seguridad de los paquetes de baterías de vehículos eléctricos (EV)	Desde 2015
SAE J2929	USA / SAE	-30℃	Seguridad y rendimiento de los sistemas de paquetes de baterías	Desde 2008
NASA-STD-4009	USA / NASA	-60℃ y menos	Pruebas especiales de baterías para aplicaciones aeroespaciales	Edición 2021

¿Cómo se realiza la prueba de congelación de la batería?

A continuación se presentan los procedimientos básicos y precauciones para la prueba de congelación de baterías.

Prepare las muestras.

Es necesario seleccionar celdas y paquetes de baterías representativos, y revisar cuidadosamente las muestras para asegurarse de que estén libres de defectos evidentes, como hinchazón y fugas.

Registre el estado inicial

Para mayor comodidad de comparación, registre el voltaje inicial, la resistencia, el estado de carga y otros datos de la batería. Si desea realizar una prueba de ciclos, también debe registrar los datos de la última prueba.

Establezca un entorno de baja temperatura

De acuerdo con las normas de prueba correspondientes, establezca la temperatura objetivo en la pantalla táctil de la cámara de prueba de baterías, que generalmente es de -20 o -40℃. Si se trata de una batería para aviación, debe configurarse alrededor de -70℃. Para evitar un choque térmico, es necesario establecer una velocidad de enfriamiento razonable.

Enfriamiento lento

Coloque la batería en la cámara de prueba y cierre la puerta, asegurando una conducción térmica uniforme a través del portamuestras. Espere a que la temperatura en la cámara ambiental descienda hasta la temperatura objetivo. Evite abrir y cerrar la puerta con frecuencia durante este proceso.

Mantenga la temperatura constante

Después de alcanzar la temperatura objetivo, la muestra debe colocarse en un entorno de temperatura constante durante al menos 6 horas, de acuerdo con los requisitos de la norma. Durante este período, se debe registrar la curva de fluctuación de temperatura para mantener la uniformidad de la temperatura dentro de ±2℃.

Pruebas

Realice la prueba de descarga, la prueba de carga y la prueba de ciclos en condiciones de baja temperatura. Registre la capacidad de la batería, el voltaje, la resistencia interna, la tasa de descarga y otros datos. Compare con los parámetros a temperatura ambiente.

Calefacción

Después de la prueba, caliente lentamente la batería hasta la temperatura ambiente. Cabe señalar que no se debe exponer la batería directamente a la temperatura ambiental, ya que esto puede causar condensación o daños por estrés térmico. Luego, realice una verificación de seguridad de la batería para comprobar si hay abultamientos, fugas u otros problemas.

Nota

• Asegúrese de que la batería de muestra no tenga daños evidentes
• No cargue a temperaturas extremadamente bajas
• Antes de descargar, es necesario mantener la temperatura constante el tiempo suficiente para evitar un enfriamiento desigual de la celda de la batería
• Alguien debe estar presente durante la prueba

Rendimiento de diferentes tipos de baterías en pruebas de congelación

Los diferentes tipos de baterías tienen distintos rendimientos y se comportan de manera diferente en entornos de baja temperatura.

Tipo de batería	Características a baja temperatura
Batería de litio ternaria	Alta densidad de energía pero bajo rendimiento a bajas temperaturas; rápida pérdida de capacidad; adecuado para climas templados
Batería de fosfato de hierro y litio (LFP)	Alta seguridad, mejor rendimiento a bajas temperaturas; puede descargarse a -20℃, pero tiene menor densidad de energía
Batería de estado sólido	Nueva tecnología de batería con buena estabilidad a bajas temperaturas; la comercialización aún está en curso
Batería de hidruro metálico de níquel (NiMH)	Pérdida significativa de capacidad a bajas temperaturas; adecuado para dispositivos de baja potencia
Batería de ion de sodio	En desarrollo; los datos preliminares muestran un mejor rendimiento a bajas temperaturas que las baterías de litio tradicionales

¿Cómo elegir una cámara de prueba de baterías?

Si compra una cámara de baterías con el propósito de probar baterías de vehículos eléctricos, ¿cómo debería elegirla? Debe considerar los siguientes factores:

Elemento	Descripción
Temperatura	Recomendado: -70℃ a +100℃ (cubre entornos extremos)
Precisión del control de temperatura	Al menos ±0,5℃ (dependiendo de la norma de prueba)
Uniformidad de temperatura	≤±2℃ para garantizar datos consistentes para múltiples muestras de batería
Velocidad de enfriamiento	Recomendado ≥1℃/min; algunas normas requieren ≥5℃/min
Registro de datos	Debe registrar automáticamente la temperatura, el voltaje, el tiempo y otros datos de prueba
Compatibilidad	Compatible con probadores de baterías, interfaces de comunicación, módulos de monitoreo de gases, etc.
Sistema de seguridad	Equipado con alarma de sobretemperatura, protección contra cortes de energía, detección de fugas, etc.
Servicio postventa y personalización	Admite personalización, entrega rápida y consulta técnica

Conclusión

Las pruebas de baterías son necesarias para garantizar la seguridad del equipo y del personal. Generalmente se utilizan cámaras de prueba de baterías especialmente diseñadas para simular entornos de aplicación del mundo real y probar el rendimiento de las baterías a diferentes temperaturas. Si está buscando un fabricante confiable de cámaras de prueba de baterías, LNEYA se complace en ofrecerle soluciones personalizadas y soporte técnico.

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