Estándares y métodos propuestos para pruebas de fugas de litio

Los sistemas de baterías de iones de litio son una fuente de energía para una variedad de aplicaciones de vehículos eléctricos debido a su alta densidad de energía y bajas tasas de descarga. Los paquetes de baterías, ya sean de celdas prismáticas, cilíndricas o de bolsa, se enfrían mediante sistemas de gestión térmica comunes en los automóviles.

La detección rápida de fugas en el sistema de refrigeración del paquete de baterías durante las operaciones de producción es esencial para cumplir con los requisitos necesarios de seguridad y vida útil. Sin embargo, actualmente no existen estándares industriales para medir las tasas de fugas para sistemas de enfriamiento basados ​​en glicol y refrigerantes.

Este artículo analiza cómo las fugas en los circuitos de refrigeración de agua y glicol se pueden detectar de forma fiable y cuantitativa mediante la detección del gas de prueba que se escapa como indicador de fugas de etilenglicol y cómo las tasas de fuga del gas de prueba se correlacionan con la fuga del líquido refrigerante. Se consideran las variables que influyen, como el diámetro del canal de fuga, la diferencia de presión y la viscosidad, y se describen las tasas de fuga pasa/no pasa.

En este trabajo se consideran los requisitos de estanqueidad que son necesarios en un circuito de refrigeración que no funciona con agua pura, sino con una mezcla de agua y glicol. Dos aplicaciones automotrices típicas son la refrigeración del bloque motor en un motor de combustión interna y el circuito de refrigeración en una caja de batería de tracción para enfriar las celdas de la batería.

El requisito de estanqueidad del circuito de refrigeración del bloque del motor se define como menos crítico que el requisito del circuito de refrigeración de la tracción y del recinto de la batería. En el caso de la aplicación del bloque del motor que se va a enfriar, la pérdida de refrigerante no debe exceder los límites específicos antes de cualquier reabastecimiento requerido. En el caso de la aplicación para la refrigeración de una carcasa de batería, los requisitos se definen de forma mucho más crítica. En este caso se deben evitar daños o cortocircuitos en las celdas de la batería. Las fugas de refrigerante del circuito de refrigeración pueden provocar un incendio en la batería.

Independientemente de la estanqueidad requerida en cada aplicación respectiva en cuanto a la pérdida de líquido, durante la prueba de estanqueidad con gas de prueba se debe definir un requisito para la estanqueidad. En este documento, se deriva la sección transversal o el diámetro más pequeño aceptable de un canal de fuga para el refrigerante glicol y se proporciona el valor de tasa de fuga que se asignará para la prueba de fuga de gas de prueba. En comparación con los requisitos relativos a IP67, en el caso de aplicación de un circuito de refrigeración se deben tener en cuenta tres diferencias esenciales.

En el circuito de refrigeración prevalece una sobrepresión de hasta 5 bar en condiciones de funcionamiento, mientras que los requisitos para IP67 consideran generalmente una fuerza efectiva en el canal de fuga correspondiente a una diferencia de presión de 1100 mbar frente a 1000 mbar. Al aumentar la diferencia de presión en el canal de fuga, la tasa de fuga aumenta correspondientemente con la misma geometría del canal de fuga y se escapan significativamente más medios que en las condiciones de prueba IP67, por lo que los requisitos para los criterios de prueba para probar un circuito de refrigerante deben definirse de manera más estricta.

Además, durante el funcionamiento la temperatura en el circuito de refrigeración aumenta considerablemente, lo que a su vez influye en la viscosidad del medio. A medida que aumenta la temperatura, la viscosidad disminuye, lo que a su vez aumenta la tasa de fuga.

La diferencia de temperatura entre la temperatura ambiente y la temperatura de funcionamiento en el circuito de refrigeración modifica la viscosidad hasta en un orden de magnitud, lo que aumenta correspondientemente la tasa de fuga.

En tercer lugar, la propiedad de la tensión superficial o ángulo de humectación del líquido en un canal de fuga y su pared afecta la geometría del canal tanto del flujo de fuga, lo que puede evitarse debido al bloqueo del canal de fuga. Por lo tanto, al establecer límites de rechazo para pruebas de fugas, se deben considerar las propiedades del medio líquido utilizado.

El bloqueo de un canal de fuga con un líquido, por ejemplo, una mezcla de agua y glicol, depende principalmente de la tensión superficial (σ), el ángulo de contacto (θ) entre el material en estado sólido y el fluido y la sobrepresión máxima (p ).

El radio del canal de fuga en el que ya no puede salir líquido de un canal de fuga se describe en el anexo. Utilizando la ecuación (1), se puede calcular el radio del canal de fuga en el que el líquido bloquea el canal de fuga debido a las fuerzas capilares y evita que el líquido escape del tubo.

Dónde:

p = presión dentro de la gota de líquido

σ = tensión superficial del líquido

θ = ángulo de contacto Theta

r = radio del canal de fuga

En el caso de un sistema de refrigeración, la sobrepresión máxima (p) varía normalmente entre 2,5 y 5 bar de sobrepresión, dependiendo del sistema de refrigeración. La tensión superficial (σ) del agua pura y el etilenglicol se da con 72,7·10-3 N/m y 48,0·10-3 N/m.

En nuestros experimentos se utilizan capilares de vidrio porque sólo están disponibles capilares de vidrio en una gama tan pequeña de diámetros internos. En nuestro documento SAE anterior se utilizó un ángulo de contacto para capilares de vidrio de 25° para agua destilada pura.

Sin embargo, este artículo describe las propiedades humectantes de diferentes líquidos: agua destilada pura, una mezcla de agua, etilenglicol y etilenglicol puro. Por lo tanto, utilizamos un ángulo de contacto ligeramente diferente para el vidrio, sustituyendo el ángulo de contacto del cuarzo. En lugar de un ángulo de contacto para vidrio de 25°, utilizamos el ángulo de contacto para cuarzo de 29°, ya que el vidrio tiene un contenido de cuarzo del 80 por ciento.

Usando esta ecuación, se puede calcular el radio del canal de fuga en el cual el canal de fuga de vidrio (cuarzo) se bloquea teóricamente usando agua destilada pura y etilenglicol puro.

La Figura 1 muestra los resultados del diámetro del canal de fuga bloqueado a diferentes sobrepresiones de un sistema de enfriamiento utilizando la tensión superficial derivada y los ángulos de contacto para agua destilada pura y etilenglicol puro.

El ángulo de contacto (θ) entre el material sólido, la sobrepresión del líquido (p) y la tensión superficial (σ) del líquido influye en el comportamiento de bloqueo de un canal de fuga. Así, el diámetro del orificio a partir del cual se bloquea un canal de fuga con un líquido depende esencialmente del material utilizado, de la tensión superficial del líquido refrigerante y de la sobrepresión del sistema de refrigeración.

Si el radio del canal de fuga es mayor que el radio calculado, el fluido escapará y se formará un canal de fuga. Si el radio del canal de fuga es menor o igual al radio calculado, el fluido bloquea el canal de fuga debido a la fuerza capilar y no se escapará ningún fluido. Por tanto, el sistema de refrigeración es hermético si el radio del canal de fuga es menor o igual a este radio calculado.

Para simular un sistema de refrigeración con fugas se desarrolló un sistema de prueba especial en el que se adaptaron capilares de vidrio con una longitud de 30 mm y diferentes diámetros interiores. Con esta configuración de prueba, es posible contar el número de gotas de líquido de diferentes diámetros de canales de fuga.

La configuración experimental que se muestra en la Figura 2 consta de un depósito de líquido, una bomba de agua, varios tubos y adaptadores de acero inoxidable, una mirilla con una rueda de paletas en su interior, un manómetro, cinco ranuras capilares de vidrio, un regulador de presión y varios tubos de plástico. Tubos para conectar los componentes individuales.

Al reducir el caudal en el regulador de presión se ajustó una diferencia de presión con respecto a la atmósfera de 1 bar, 2 bar, 3,5 bar y 5 bar, que se leía en el manómetro situado en el centro de la construcción del adaptador. Las diferentes composiciones de refrigerante son agua destilada, una solución 1:1 de agua destilada y etilenglicol (EG) y 99 por ciento de etilenglicol.

Con el tiempo, durante el experimento se desarrolla un número diferente de gotas en los extremos de los capilares de vidrio. Estas gotas gotean una vez que alcanzan cierto tamaño. El número de gotas que gotean proporciona información sobre la fuga en los distintos diámetros de capilares a las distintas presiones.

Realizamos experimentos para determinar si la teoría se ajusta a la práctica cuando el fluido presurizado se expulsa a través de una variedad de orificios. Se utilizó tanto agua destilada como una mezcla de agua y agua/etilenglicol, ya que son refrigerantes típicos de automóviles. En teoría, como el agua/etilenglicol tiene una viscosidad diferente a la del agua destilada, esperábamos que la presión y el diámetro interior de los capilares de prueba produjeran diferencias significativas.

El primer experimento analizó el número de gotas que goteaban de un capilar de vidrio durante una hora en el sistema con agua destilada como refrigerante a varias presiones de funcionamiento a 20 °C. Se puede observar que la presión del sistema tiene una influencia significativa en el número de gotas, al igual que el diámetro interior de los capilares.

También es notable que con el capilar de 5 μm no caen gotas durante el tiempo de medición y no emerge ninguna gota visible de la punta del capilar. Con el capilar de 10 μm, con una sobrepresión de 5 bar respecto a la atmósfera, solo gotea una gota durante el tiempo de medición. Con una sobrepresión de 2 bar y 3,5 bar se forma una gota en la punta del capilar, pero no gotea.

El número de gotas en función de la sobrepresión muestra una buena correlación lineal, como se espera de la ley de Hagen Poiseuille para líquidos. En un segundo experimento se investigó el comportamiento de goteo de los distintos capilares con una solución de agua destilada y etilenglicol en una proporción de mezcla de uno a uno a diferentes presiones de funcionamiento a 20 °C. Se puede observar que el número de gotas ha disminuido claramente en comparación con la medición anterior con agua destilada pura.

En este caso, durante el tiempo de medición de 60 minutos, por cada diferencia de presión no cayó ni una gota del capilar de 10 μm. En el capilar de 5 μm no se pudo determinar visualmente la formación de gotas. Al transferir los resultados de la medición a un diagrama a escala de doble logaritmo (Figuras 3a y b), la dependencia de la tasa de caída a la cuarta potencia del radio también se puede ver con buena aproximación, al igual que la influencia de la presión en el sistema que se describe en la teoría.

El agua tiene una viscosidad dinámica particularmente baja de 1,002 mPa/s y el etilenglicol puro tiene una viscosidad dinámica alta de 19,83 mPa/s a una temperatura de 20 °C. Una solución de agua y etilenglicol de 1:1 (50 por ciento en volumen de agua destilada y 50 por ciento de etilenglicol) tiene una viscosidad dinámica de 4,1 mPa/s.

Las mediciones muestran muy claramente que las gotas de líquido enumeradas o la tasa de fuga de líquido dependen linealmente de la diferencia de presión, siendo la presión siempre la presión atmosférica. Esta relación lineal es muy clara en la Figura 4. Además, es fácil ver en el gráfico que la magnitud de la tasa de fuga disminuye a medida que aumenta la viscosidad del líquido. La tasa de fuga de glicol muestra un factor 10 veces menor y para la mezcla de agua y glicol 50/50 un factor de 2,3 menor que para el agua pura, siendo todos los demás parámetros iguales.

A medida que aumenta la presión de funcionamiento del refrigerante en el circuito de refrigeración, la cantidad de fuga de líquido aumenta linealmente. La temperatura influye en la tasa de fuga porque la viscosidad del refrigerante disminuye al aumentar la temperatura. Por ejemplo, la tasa de fuga de glicol como refrigerante aumenta en un factor de cinco cuando la temperatura de funcionamiento aumenta de 20 °C a 80 °C. Esto es cierto durante largos períodos de tiempo. En términos de períodos de tiempo más largos, incluso unas pocas gotas de pérdida en la escala de tiempo de minutos u horas significan una pérdida significativa de refrigerante durante un año y, en consecuencia, deben evitarse.

Sin embargo, en el circuito de refrigeración de un motor de combustión en condiciones de funcionamiento, especialmente a altas temperaturas de funcionamiento, la pérdida de algunas gotas de refrigerante no tiene ningún efecto perjudicial sobre el entorno inmediato debido a la tasa de evaporación.

Desafortunadamente, no se puede decir lo mismo de las celdas, módulos y paquetes de baterías. El efecto nocivo de incluso una pequeña cantidad de líquido, gotas o vapor que contiene agua, es mucho más peligroso para cualquier módulo o paquete de batería de tracción. Allí, el líquido refrigerante o el vapor de agua pueden destruir las celdas de la batería o generar un cortocircuito. Las pruebas de estanqueidad de los circuitos de refrigeración de los paquetes de baterías de tracción y de las pilas de combustible deben realizarse con mayor fiabilidad que las pruebas de los sistemas de refrigeración de los motores de combustión.

En el artículo se presentan las tasas de fuga límite correspondientes para dichos canales de fuga; Las tasas de fuga especificadas aquí para las pruebas previas de gas son de un orden de magnitud significativamente por debajo del límite de detección de los métodos de prueba clásicos, como la caída de presión o las pruebas de fuga de flujo másico. Sin embargo, cuando se utilizan métodos modernos de gas de prueba con gas de formación o helio como gas de prueba, es posible una detección fiable de tasas de fuga críticas.

Este artículo fue escrito por Marc Blaufuß, ingeniero de aplicaciones, herramientas de detección de fugas, y Daniel Wetzig, director de investigación, ambos de Inficon GmbH (Köln, Alemania). Este artículo es una versión condensada y editada del documento técnico SAE 2022-01-0716. Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de diciembre de 2022 de la revista Battery & Electrification Technology.

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