Las baterías potentes y seguras son un elemento clave para el éxito de los vehículos eléctricos. Por lo tanto, medir la capacidad y el estado de las baterías es crucial. La espectroscopía de impedancia es un método de medición que proporciona más información. La impedancia en sí no se puede medir directamente, sino que se calcula a partir de la relación entre la corriente y el voltaje. La impedancia proporciona información sobre el estado de carga (SoC) de la batería y ayuda a inferir su estado de salud (SoH, es decir, el estado interno de la batería, incluyendo la posición del ánodo, el cátodo y el electrolito) o su estado de seguridad.

La recopilación de todos los datos necesarios requiere métodos de medición y análisis que consumen tiempo. Además, hasta ahora, las mediciones de impedancia solo se podían realizar en estado estacionario. Por lo general, se necesitan hasta 20 minutos para obtener los datos necesarios para caracterizar la batería.

Bajo el liderazgo de Fabio La Mantia, los investigadores del Fraunhofer IFAM han desarrollado aún más este método. Ahora, la tecnología de espectroscopía de impedancia dinámica puede calcular por primera vez los valores de medición del estado de la batería durante su operación y proporcionar datos en tiempo real.

La información obtenida de esta manera va mucho más allá de datos simples como la capacidad de carga o el tiempo de trabajo restante. Puede proporcionar una descripción detallada, precisa y profunda del estado interno de la batería. Esto también nos permite predecir la vida útil potencial de baterías individuales.

Aunque los indicadores de estado de carga de baterías existentes (por ejemplo, los integrados en la electrónica del vehículo de los coches eléctricos) también realizan mediciones continuas durante el uso, la información que proporcionan es menor, con una respuesta más lenta y menos precisa.

"En primer lugar, la tecnología de espectroscopía de impedancia dinámica abre nuevas posibilidades para optimizar la gestión de baterías, prolongando así su vida útil. También allana el camino para su aplicación en campos de aplicación críticos para la seguridad", explica el responsable del proyecto, Hermann Pleteit.

Método de medición de alta resolución y análisis directo

En este método innovador, la corriente de descarga o carga se superpone con una señal de prueba multifrecuencia. Las diferentes frecuencias permiten inferir el estado de ciertos componentes o procesos internos de la batería. Las señales de respuesta de corriente y voltaje se miden hasta un millón de veces por segundo. Todos los datos de este método de medición de alta resolución fluyen hacia un sistema de procesamiento de datos que opera simultáneamente. El software utiliza esta información para calcular la evolución de los valores de impedancia y luego inferir el estado de las celdas de batería relevantes.

Para obtener resultados en tiempo real en casos de datos masivos generados por mediciones de alta resolución, los investigadores de Fraunhofer han diseñado otro truco ingenioso. "Hemos desarrollado algoritmos que reducen significativamente la cantidad de datos antes del análisis, sin perder información relevante", dice Pleteit. En consonancia con estos avances, el control en tiempo real de los diversos aspectos del estado de la batería mediante espectroscopía de impedancia tiene ventajas significativas.

Cierre rápido de baterías sobrecalentadas

Por ejemplo, el sistema de gestión de baterías puede utilizar datos de impedancia para registrar inmediatamente un sobrecalentamiento local en una celda de batería durante la conducción. Luego, el sistema desconectará directamente esa celda de batería o reducirá la potencia. Esto elimina la necesidad de sensores de temperatura tradicionales, que suelen colocarse en el exterior de las celdas de batería y, por lo tanto, registran los problemas de calor con retraso. Para entonces, suele ser demasiado tarde para evitar daños en la celda de batería.

Los cargadores de vehículos eléctricos también se benefician. Por ejemplo, esta tecnología puede usarse para decidir si optar por una carga ultrarrápida o una carga más lenta que reduzca el desgaste de la batería. Durante paradas cortas en estaciones de servicio, el sistema de gestión de baterías carga rápidamente la batería, asegurando que no se produzcan picos de temperatura peligrosos y que los componentes internos no sufran una presión excesiva. Si el vehículo está conectado al cargador durante varias horas, el sistema de gestión carga la batería a una velocidad más lenta para reducir el desgaste y prolongar su vida útil.

Energías renovables y aplicaciones aeronáuticas

Los proveedores de energías renovables como la eólica o la fotovoltaica necesitan almacenamiento de energía para compensar las fluctuaciones en la producción de electricidad, y con la tecnología de Fraunhofer, pueden obtener sistemas de módulos de batería estables que se pueden controlar en cualquier momento.

El monitoreo en tiempo real del estado de la batería incluso promete aplicaciones en escenarios críticos para la seguridad en el futuro. "Por ejemplo, este tipo de sistemas podría usarse en aviones eléctricos ecológicos. Este mercado aún está en sus primeras etapas. La industria naviera también ha mostrado un gran interés en esta tecnología", dice Pleteit.

La espectroscopía de impedancia no solo es aplicable a las baterías de iones de litio comunes en la actualidad, sino también a baterías de estado sólido, baterías de iones de sodio, baterías de litio-azufre o cualquier otra tecnología futura.