Pruebas de durabilidad de batería del auto eléctrico Chevy volt

Hoy en día, el desarrollo de la energía híbrida está aumentando a nivel mundial en la industria automotriz, estas tecnologías demandan soluciones de pruebas de vibraciones que permitan llevar a cabo pruebas de tiempo de vida aceleradas incluso en ensambles grandes y completamente funcionales.

El laboratorio de pruebas de baterías de 3000 m2 de General Motors en el Centro de Energía Alternativa, Centro Técnico Warren en Michigan, Estados Unidos, prueba las celdas de la batería y los paquetes para el vehículo eléctrico de Chevrolet Volt.

Este laboratorio, utiliza un sistema de análisis de vibraciones LDS para la calificación de la preproducción y prueba funcional de una batería completa en forma de T, la cual está diseñada para montarse debajo del automóvil.

El peso de la batería puede exceder los 190 kg.

Chevrolet Volt-Rendimiento impresionante

El Chevrolet Volt es un auto eléctrico. Llamado a ser el sucesor espiritual y tecnológico del EV1, fue lanzado en noviembre del 2010 como modelo 2011 y cuenta con un sistema de propulsión de rango extendido “Voltec”.

Anthony (Tony) Cullen ha trabajado para GM durante 20 años, principalmente para el grupo de pruebas en terreno de Milford.

Ha estado involucrado con el laboratorio de pruebas de vibraciones del GM-Volt desde que entró en línea en el segundo trimestre del año pasado. Hoy en día es el ingeniero en jefe de pruebas del laboratorio de vibraciones.

El laboratorio de pruebas de batería cuenta con 7 ingenieros en jefe, de los cuales 4 se dedican a las pruebas de batería, uno para la celda, otro para vibraciones y el otro para pruebas de abuso.

GM anunció que expandirá su laboratorio de pruebas de baterías en Warren a casi el doble de su tamaño y aumentará su capacidad en los meses siguientes.

El actual laboratorio comenzó sus operaciones en enero de 2009 y es usado por más de 1000 ingenieros para probar celdas, módulos y paquetes enteros.

Tony menciona “El desarrollo del Volt es único con su generador a bordo. Utiliza la energía cinética para cargar las baterías de iones de litio y un Volt en condiciones normales de conducción urbana puede recorrer 40 millas [64 km] con una carga completa de la batería”. Y continúa “Una vez que la energía de la batería alcanza un nivel específico, el motor de gasolina a bordo de 1.4 litros toma el control y alimenta un generador como complemento a la batería. El motor y el generador ahora suministran energía para el vehículo y todo se controla automáticamente por un sistema sofisticado de computadoras”.

La batería

A medida que la electrificación de los automóviles continúa ganando impulso, GM refuerza su reconocimiento de la importancia del componente más caro en cualquier vehículo eléctrico “La batería”, por eso sus planes para la instalación de la fábrica en Brownstown Twonship, Michigan. Mientras tanto las baterías del Volt con celdas de iones de litio son suministradas por LG Chem.

Los paquetes de batería en forma de T pesan más de 400 libras, son enfriadas por agua y tienen una capacidad de cerca de 400 A a 400 V. En los laboratorios son probados bajo condiciones extremas, altas y bajas temperaturas, extremas en humedad y diferentes tipos de carreteras para determinar si durarán durante la vida del auto.

Sistema LDS para pruebas de vibración

Tony explica las tareas de su equipo “El propósito primordial del laboratorio de vibración es probar la duración de la batería simulando su ciclo de vida. El objetivo del tiempo de uso de la batería son 10 años. Además de la vibración se hacen otras pruebas como fatigas térmicas y mecánicas. Las pruebas de vibración aleatorias duran 48 horas, es decir, 48 horas de vibraciones aleatorias e impulsos de choque. Los datos para excitar al “Shaker” (excitador) son tomados del Volt en las pistas de GM. Las pruebas de la batería en el eje X, Y, Z son una a la vez y cada prueba por eje dura 16 horas”.

Las pruebas de vibración también se realizan en cámaras climáticas en donde la temperatura y la humedad son estrictamente controlados. El ambiente en la cámara climática puede variar en un intervalo de -30 °C a 78 °C y cada 16 horas la prueba se lleva a cabo bajo condiciones controladas de temperatura y humedad.

Para satisfacer las necesidades de las pruebas de GM, el sistema utilizado tuvo que ser de alto rendimiento, versátil y fácilmente adaptable a varios tipos de prueba, incluyendo cargas pesadas y múltiples ejes. El sistema de análisis de vibraciones LDS cumple a la perfección con los requisitos de GM para un sistema de alta resistencia, es capaz de llevar a cabo pruebas de durabilidad acelerada simulando la vida útil del auto. Esto incluye varios días de prueba continua a muy altos niveles de vibración y temperaturas extremas.

Batería de pre-producción de calificación y prueba de funcionamiento

El sistema se utiliza para pruebas y calificación de los vehículos eléctricos de pre-producción para el ensamble de la batería en forma de “T” montada debajo del automóvil.

La prueba se realiza de forma continua durante varios días en una cámara climática a una amplia gama de temperaturas. Un requisito para el sistema es que tenía que ser capaz de entregar un nivel de vibración continúa de varios Gs con un nivel de curtosis de hasta 7.

Durante la prueba, la batería es constantemente cargada y descargada para simular las condiciones de manejo normal. Todos los datos son analizados por ingenieros de prueba de GM.

La solución

• Un sistema LDS V8-640 con un amplificador SPA-56k con capacidad de 55.6 KN aleatorio y sinusoidal.
• Dos diferentes tamaños de cabeza expansoras que pueden manejar hasta 1,8 in y 1,8 m.
• Dos mesas de diferentes tamaños de deslizamiento también capaces de manejar hasta 1,8 in y 2,4 m.
• Dos acelerómetros tipo DeltaTron ® 4513 utilizados para retroalimentar el sistema de control.
• Cinco acelerómetros triaxiales miniatura DeltaTron ® tipo 4524, que se montan en la batería para monitoreo en tiempo real y análisis de post-procesamiento.

Con respecto al sistema, Tony comenta “Una de las ventajas principales del sistema de vibración es que toma menos de dos horas cambiar la tabla de deslizamiento de posición horizontal a vertical. La alineación es crítica. La prueba de perfiles en los ejes horizontal y vertical son ligeramente diferentes”.

La cabeza expansora y el montaje se separan seis pulgadas de distancia de la armadura a través de bolsas de aire entre el marco de la cabeza expansora y la base del excitador. Es entonces cuestión de mover la muestra bajo prueba, girar el excitador y fijarlo a la mesa deslizable.

El procedimiento normal sería quitar todos los pernos de la cabeza expansora y los pernos del marco – quitar por completo la cabeza expansora y el montaje guía para finalmente rehacer la nueva configuración” Otros criterios de compra fueron:

• El tamaño de la cabeza expansora y la mesa de deslizamiento que se adaptan fácilmente a la unidad de batería de gran tamaño.
• Versatilidad: El sistema se puede convertir rápidamente para probar componentes más pequeños utilizando la cabeza expansora y la mesa deslizable más pequeños.
• Capacidad para reducir el tiempo de prueba, debido a la capacidad de curtosis del controlador.
• Capacidad para funcionar a temperaturas extremas de -40 a +140 °C. Una barrera térmica especial se encarga de estas temperaturas
• Capacidad para gestionar grandes cargas excéntricas.
• Servicio y soporte local: La asistencia y soporte para el mantenimiento del excitador garantizan el máximo tiempo de operación.

El laboratorio de ensayo de Warren funciona las 24 horas del día y tiene una función de apagado automático si algo sale mal. “La sala de ensayo de vibración”, dice Tony, “se usa todos los días incluyendo fines de semana. Por lo general se configura el equipo durante el día y se ejecutan las pruebas por la noche”.

El futuro

El compromiso de GM con la tecnología híbrida es de gran alcance y se ha extendido a su subsidiaria OPEL quién fabrica el automóvil eléctrico “Ampera” en Europa. El prototipo del Ampera fue construido en Michigan y su batería probada en Warren, se espera que el Ampera llegue a los mercados de Europa en el 2011.

El interior de un Opel Ampera

El compromiso de GM es, además, ser el mayor fabricante de EE.UU. para el diseño y fabricación de motores eléctricos, una tecnología fundamental para los vehículos híbridos y eléctricos y que hará debutar vehículos híbridos de 2 modos (funcionan con la potencia del motor, con la energía eléctrica o una combinación de ambos) en 2013.

En un comunicado de prensa en 2010, GM estableció que el paso a los autos híbridos de 2 modos provocaría “bajar los costos y mejorar el rendimiento, calidad, fiabilidad y capacidad de fabricación de los motores eléctricos”.

Tom Stevens, vicepresidente de GM de operaciones de productos globales añadió: “En el futuro, los motores eléctricos podrían llegar a ser tan importantes para GM como los motores de combustión interna lo son ahora. Mediante el diseño y fabricación de motores eléctricos en nuestra planta, se puede utilizar de manera más eficiente la energía de las baterías a medida que evolucionan, reduciendo potencialmente el costo y el peso – dos importantes desafíos que enfrentan hoy en día las baterías”.