Seguridad y rendimiento en baterías de alto voltaje

Batería de alto voltaje personalizada para una grúa híbrida sobre orugas en el sector de la construcción. (Foto: Flash Battery)

La creciente cuota de modelos electrificados en el mercado de vehículos industriales se extiende ahora a máquinas más grandes y de mayor potencia. La satisfacción de la mayor demanda de potencia de los modelos de este segmento se ha visto impulsada por una serie de avances tecnológicos en baterías de litio, en particular en baterías de litio de alto voltaje.

El qué y el porqué

En aplicaciones industriales y todoterreno, las baterías de bajo voltaje se definen comúnmente como unidades de hasta 102,4 V nominales. Esto, a pesar de que la normativa las define como de 60 V. Las baterías de alto voltaje parten de 300 V y pueden suministrar más de 800 V.

Flash Battery explicó que el costo de una batería de bajo voltaje es menor que el de una solución de alto voltaje porque los componentes de los modelos de bajo voltaje son fáciles de conseguir y no necesitan componentes mejorados necesarios para manejar corrientes más altas, como conectores dedicados o dispositivos de seguridad.

Sin embargo, una solución de bajo voltaje simplemente no puede adaptarse a un sistema de alta potencia. Esto se debe en gran parte a la potencia de salida del motor eléctrico, que influye directamente en la elección del voltaje; en aplicaciones industriales y todoterreno, los motores de más de 20 o 30 kW requieren un voltaje más alto para ser compactos y funcionar eficientemente.

Flash Battery afirmó que algunos fabricantes de equipos originales (OEM) aún se muestran escépticos respecto a las soluciones de alto voltaje, a menudo por la preocupación por la seguridad. Sin embargo, es importante destacar que las baterías de alto voltaje requieren estrictas medidas y protocolos de seguridad para garantizar tanto la seguridad del operador como la fiabilidad del sistema.

El cómo

Correspondencia entre el voltaje de la batería y la potencia del motor (estas tablas presentan parámetros genéricos a modo de ejemplo). (Ilustraciones: Batería Flash)

Flash Battery desarrolló recientemente una batería de 396,8 V y 420 Ah (166,6 kWh) para una grúa híbrida sobre orugas. Dada la alta demanda de potencia, la solución requirió cuatro paquetes de baterías en serie, pero separados en dos zonas distintas del chasis. El sistema incluía un sistema de control integrado que utilizaba un sistema de enclavamiento de alto voltaje aislado (HVIL) para cumplir con los estándares de seguridad requeridos por las aplicaciones de alto voltaje. El proyecto requirió un estudio mecánico para la ubicación de las baterías dentro del chasis del vehículo.

El proyecto se basó en tres pilares clave: química, ensamblaje inteligente y electrónica de control avanzada propia.

Paquetes de baterías

Según Flash Battery, la química de las celdas de ferrofosfato de litio (LFP) se considera actualmente la mejor opción para aplicaciones industriales, tanto por su eficiencia como por su seguridad. Además, el LFP tiene una larga vida útil (más de 4000 ciclos de carga) y es la química más estable disponible actualmente.

El ensamblaje de celdas de la batería es otro aspecto importante de seguridad. Es especialmente importante la capacidad de las celdas y, en consecuencia, el número de celdas conectadas en paralelo dentro de un paquete de baterías.

El uso de celdas de batería más pequeñas requiere inevitablemente más conexiones en paralelo dentro del paquete para alcanzar la capacidad solicitada, pero aumentar el número de conexiones aumenta el riesgo de cortocircuito. Los paquetes fabricados por Flash Battery no utilizan más de cuatro celdas en paralelo: las pruebas han demostrado que este diseño ofrece la solución más segura.

Lista de componentes

Existen otros componentes que desempeñan un papel fundamental en la seguridad de una batería de alto voltaje. Estos incluyen fusibles que interrumpen la corriente si se detecta una sobrecarga o un cortocircuito, así como contactores que pueden interrumpir el circuito y limitar los daños a los componentes del sistema.

Los componentes de seguridad en un paquete de baterías de alto voltaje de Flash Battery, (Imagen: Flash Battery)

Además, el sistema de enclavamiento de alto voltaje utiliza un circuito continuo de bajo voltaje para supervisar la correcta conexión de todos los componentes de alto voltaje del vehículo. Si se interrumpe la señal HVIL, la corriente de alto voltaje se interrumpe inmediatamente.

En todos estos sistemas automatizados, la desconexión mecánica de seguridad (MSD) es un dispositivo manual que se activa durante las operaciones de mantenimiento para desconectar físicamente el circuito. También actúa como una capa adicional de seguridad en caso de emergencia.

Además de todos estos elementos, es esencial contar con un sistema electrónico de control inteligente para proporcionar un control completo y continuo del paquete de baterías. Esto ayuda a garantizar un rendimiento estable durante su ciclo de carga y descarga.

Un componente clave de esto es el BMS, que monitorea continuamente la temperatura y el voltaje de cada celda de la batería e inicia el protocolo necesario en caso de un problema de seguridad. Tal es la importancia del BMS que Flash Battery desarrolló su propio BMS, el Flash Balancing System.

Flash Battery también opera su Centro de Datos Flash, un sistema remoto que utiliza la potencia de procesamiento de la nube, el aprendizaje automático y la tecnología de IA para recopilar y analizar datos en tiempo real de los productos Flash Battery que operan en todo el mundo. El análisis de estos datos facilita el mantenimiento predictivo para una mayor durabilidad.

El Flash Data Center fue uno de los finalistas en la categoría de Sistema de control/Solución de monitoreo del año en la Power Progress Summit 2024.

Nota del editor: esta historia apareció por primera vez en la edición de octubre-diciembre de 2024 de Power Progress International.