¿Cuál es la Normativa y los Ensayos a realizar sobre celdas y baterías de Litio-ion?

Las últimas actualizaciones de las normas de equipos de Tecnología de la Información (norma IEC 60950) y equipos electromédicos (IEC 60601) destacan la importancia de las baterías incluidas en este tipo de dispositivos, no por su tensión, que habitualmente no es peligrosa por baja, sino por la energía que pueden almacenar y lo que deriva de ella, como pueden ser riesgos térmicos, de explosión, etc. Ambas normas armonizadas en sus nuevas versiones, requieren que la batería cumpla su norma de producto desde el punto de vista de seguridad eléctrica. La norma IEC 62133, especifica los ensayos necesarios tanto en celdas individuales como para el pack de baterías a la hora de identificar qué elemento de la batería está certificado, pues, en ocasiones, el proveedor de baterías suministra un pack en el que solo están revisadas las celdas y no el pack completo ni su sistema de Gestión (Battery Management System).

Con respecto a la norma ONU ST/SG/AC.10/27/add.2.; ST/SG/AC.10/11, en su apartado 38.3 se recogen las pruebas a las que se deben someter las pilas y baterías de litio antes del transporte. Los ensayos recogidos en la normativa ONU, son muy similares a la normativa internacional EN 62133 pero de distinta severidad.

Por ello, EUCAR ha establecido una serie de recomendaciones, delimitando el tipo de Nivel de Riesgo (Hazard Level) en función del Efecto que produce el problema sobre la celda o batería ensayada: 

Como información adicional, a continuación se listan los ensayos tipo a los que se debe someter a una batería, en los que deberán cumplir las recomendaciones de EUCAR en seguridad (Hazard Levels).

Las pruebas T1 a T5 deberán realizarse secuencialmente a la misma batería. Las pruebas T6 y T8 deberán realizarse a baterías que no hayan sido sometidas a ninguna otra prueba. La prueba T7 puede realizarse utilizando baterías no dañadas utilizadas anteriormente en las pruebas T1 a T5 con el fin de comprobar su funcionamiento sometidas a ciclos.

• Prueba T.1: Simulación de altitud

También conocida como prueba de baja presión, la prueba de simulación de altitud trata de conocer su influencia en el transporte de celdas y baterías en condiciones de baja presión en cámara climática (igual o inferior a 11,6 kPa y temperatura de +20 °C durante al menos 6 horas), como las experimentadas en una bodega de carga no presurizada de un avión, o en una cabina de avión que experimenta una pérdida repentina de presión.

Para pasar esta prueba en cámara climática, la batería no debe tener fugas, evacuación de gas, estallido, rotura o incendio y si la tensión en circuito abierto de la muestra analizada no es inferior al 90% de la tensión medida inmediatamente antes de realizarse la prueba en la cámara climática. El requisito relativo a la tensión no es aplicable a pilas y baterías ensayadas en estado completamente descargado.

• Prueba T.2: Prueba térmica

La prueba térmica en cámara climática evalúa la integridad del sello y las conexiones eléctricas internas de una celda o batería después de la exposición a variaciones de temperaturas extremas y rápidas en una cámara climática adecuada con control de temperatura. Las baterías se deben mantener a una temperatura igual a +72ºC ± 2ºC durante al menos 6 horas y a continuación durante al menos seis horas, a una temperatura de -40ºC ± 2ºC. El cambio entre esas dos temperaturas debe producirse en un máximo de 30 minutos. El procedimiento se repite hasta que se completen 10 ciclos, después de lo cual todas las baterías deben mantenerse durante 24 horas a temperatura ambiente (+20ºC ± 5ºC). En el caso de baterías grandes, la duración de la exposición a cada temperatura deberás ser, como mínimo, de 12 horas.

Para pasar esta prueba en cámara climática, la batería no debe tener fugas, evacuación de gas, estallido, rotura o incendio y si la tensión en circuito abierto de la muestra analizada no es inferior al 90% de la tensión medida inmediatamente antes de realizarse la prueba en la cámara climática. El requisito relativo a la tensión no es aplicable a pilas y baterías ensayadas en estado completamente descargado.

• Prueba T.3: Vibración

El ensayo de vibración simula el efecto del tipo de vibración que podría aplicarse a una celda o batería durante su transporte. Durante el ensayo, las baterías se sujetan firmemente a la armadura o mesa del vibrador de modo que la vibración se transmita fielmente. Se aplica una onda sinusoidal con un barrido logarítmico de frecuencias entre 7 Hz a 200 Hz, para volver a 7 Hz con un tiempo de recorrido de 15 minutos. El ciclo se repetirá 12 veces durante un total de 3 horas para cada una de las tres posiciones de montaje perpendiculares entre si (en cada uno de los 3 ejes XYZ). Uno de los ejes de vibración será perpendicular a la superficie que lleva los bornes. Eventualmente, la prueba puede ser realizada en cámara climática preparada para realizar los ensayos combinados con vibración y temperatura, equipada con los elementos de seguridad necesarios para proteger el shaker electrodinámico y la propia cámara climática.

Dependiendo del la masa de la batería (menor o mayor de los 12kg), las baterías tiene un perfil de ensayo diferente (hasta 8gn las < 12kg y hasta 2gn las > de 12kg). 

Para pasar esta prueba, la batería no debe tener fugas, evacuación de gas, estallido, rotura o incendio durante la prueba o después de ésta, y si la tensión en circuito abierto de la batería una vez finalizada la misma en su tercera posición de montaje perpendicular no es inferior al 90% de la tensión medida inmediatamente antes de realizarse la prueba. El requisito relativo a la tensión no es aplicable a pilas y baterías ensayadas en estado completamente descargado.

• Prueba T.4: Choque

La prueba de choque sirve para evaluar la solidez de las baterías contra choques acumulativos. Las baterías sometidas a ensayo se fijarán al aparato para la prueba de choque mediante un soporte rígido que sirve de apoyo para todas las superficies de montaje de cada batería.

Cada batería se someterá a un choque semi-sinusoidal con una aceleración máxima que dependerá de la masa de la batería. La duración del pulso será de 6ms para las pequeñas y de 11ms para las grandes. Cada batería se someterá a tres choques en la dirección positiva y otros 3 en la negativa de cada una de las tres posiciones de montaje, perpendiculares entre sí hasta un total de 18 choques.

Para pasar esta prueba en cámara climática, la batería no debe tener fugas, evacuación de gas, estallido, rotura o incendio y si la tensión en circuito abierto de la muestra analizada no es inferior al 90% de la tensión medida inmediatamente antes de realizarse la prueba en la cámara climática. El requisito relativo a la tensión no es aplicable a pilas y baterías ensayadas en estado completamente descargado.

• Prueba T.5: Cortocircuito externo

Esta prueba sirve para determinar la capacidad de una celda o batería para soportar un flujo máximo de corriente sin consecuencias adversas. Para esta prueba se debe calentar la batería hasta una temperatura homogénea y estable de +57ºC ± 4ºC medida sobre la envoltura externa y en cámara climática. El tiempo para ese calentamiento dependerá del tamaño, diseño de la batería y debe ser evaluado y documentado. Si no es posible realizar esta evaluación, el tiempo de exposición será de al menos 6 horas en el caso de las baterías pequeñas y unas 12 horas en las baterías grandes). Una vez alcanzada la condición de +57ºC ± 4ºC, se somete a la batería a un cortocircuito con una resistencia externa total inferior a 0,1 Ω.

Se mantendrá el cortocircuito durante al menos 1 hora a partir del momento en que la envoltura externa de la batería se enfríe hasta los +57ºC ± 4ºC o, en el caso de las baterías grandes, se haya reducido a la mitad el aumento de la temperatura máxima observado durante la prueba y se mantenga por debajo de ese valor.

Para superar esta prueba, la temperatura externa de la muestra no debe superar los 170°C y no se produce estallido, rotura o incendio durante la prueba y las seis horas siguientes.

• Prueba T.6: Impacto

Simula la agresión mecánica de un impacto o aplastamiento que puede producir un cortocircuito interno.

Durante la prueba de impacto (aplicable a celdas cilíndricas de más de 20 mm de diámetro), se somete a una muestra a un solo impacto de una masa de un peso específico caída desde una altura especificada.

Durante la prueba de aplastamiento (aplicable a células prismáticas, bolsas, monedas/botones y células cilíndricas de un diámetro no superior a 18 mm), se aplasta una muestra entre dos superficies planas a una velocidad definida hasta que la fuerza aplicada alcance un límite calculado, el voltaje de la celda cae en al menos 100 mV, o la celda se deforma en un 50%. En función del tamaño y forma hay diferencias.

Para superar esta prueba, la temperatura externa de la muestra no debe superar los 170 °C, y la muestra no debe desmontarse ni encenderse durante la prueba, ni dentro del período de seis horas después de la misma.

• Prueba T.7: Sobrecarga

Se evalúa la capacidad de una batería para resistir una sobrecarga.

La corriente de carga será el doble de la corriente máxima de carga continua recomendada por el fabricante. Las pruebas serán a temperatura ambiente y la duración de 24 horas.

Las baterías cumplen este ensayo si no se produce estallido ni incendio durante la prueba ni durante los 7 días siguientes a la prueba

• Prueba T.8: Descarga forzada

Se evalúa la capacidad de una batería para resistir un estado de descarga forzada.

Cada pila se someterá a una descarga forzada a temperatura ambiente colocándola en serie con una fuente de alimentación de 12 V corriente continua con una corriente inicial igual a la corriente de descarga máxima especificada por el fabricante.

Las baterías cumplen este ensayo si no se produce estallido ni incendio durante la prueba ni durante los 7 días posteriores a la prueba.

>> más información, Cámaras Climáticas para ensayo de celdas y baterías de Litio-Ion de weisstechnik