Científicos alemanes crean sistema de comunicación interna para baterías que elimina el cableado de los sensores
Investigadores de la Universidad de Kiel dieron un paso decisivo para resolver uno de los grandes desafíos de la industria energética: conocer con precisión qué ocurre dentro de cada celda de baterías mientras está en funcionamiento.
El equipo desarrolló un novedoso sistema de comunicación que permite instalar sensores en el interior de las celdas y transmitir sus mediciones al exterior utilizando las propias conexiones eléctricas que ya existen para la carga y descarga, sin necesidad de añadir cables de comunicación adicionales.
Este avance, bautizado por sus creadores como «batería comunicativa» o «talkative battery« , representa un cambio de paradigma en la gestión de los sistemas de almacenamiento energético.
Según una estimación inicial de costos del equipo, el sistema podría reducir los gastos en torno a 35% en comparación con las soluciones convencionales, que dependen de un cableado independiente para los sensores. El concepto fue presentado por el Dr. Hamzeh Beiranvand, de la Cátedra de Electrónica de Potencia de la Universidad de Kiel, en la revista Communications Engineering.
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El problema de vigilar una batería desde fuera
Las baterías modernas, ya sean las de los vehículos eléctricos o las de los grandes sistemas de almacenamiento estacionario para energías renovables, están formadas por cientos o miles de celdas individuales, y cada una de ellas experimenta pequeñas variaciones de temperatura, presión y comportamiento electroquímico durante los ciclos de carga y descarga.
Los actuales sistemas de gestión de baterías (BMS) recopilan información sobre voltaje, corriente y temperatura para controlar el funcionamiento del conjunto, pero la mayoría de los sensores térmicos se ponen en la superficie exterior de las celdas.
Esa ubicación introduce una limitación crítica: el calor peligroso puede comenzar a acumularse en el interior de la batería antes de ser detectable desde el exterior. Cuando el aumento de temperatura alcanza la superficie, el problema interno puede encontrarse ya en una fase avanzada.
Por ello, instalar sensores en el interior de las celdas permitiría obtener información mucho más precisa y temprana, pero hasta ahora cada sensor necesitaba componentes electrónicos y conexiones adicionales para transmitir los datos, ocupando un espacio valiosísimo y complicando el diseño.
Una batería que utiliza sus propios terminales
La solución desarrollada en Kiel parte de una idea ingeniosa: aprovechar las conexiones eléctricas existentes para transportar también los datos de los sensores, por lo que el equipo integró un pequeño circuito electrónico directamente dentro de la celda de la batería.
Este dispositivo, que ocupa muy poco espacio, recibe las mediciones del sensor de temperatura y las transforma en una señal digital. La información viaja después hacia el exterior utilizando los mismos terminales empleados para cargar y descargar la batería, sin necesidad de conexiones independientes.
Además, el sistema aprovecha la electrónica de potencia que ya controla el proceso de carga y descarga para facilitar la comunicación. De este modo, la batería utiliza su propia infraestructura eléctrica para informar sobre lo que ocurre dentro de ella.
«Nuestro trabajo es un primer paso hacia baterías inteligentes que supervisan y reportan continuamente su propio estado», señaló Beiranvand. «Esto podría hacer que los sistemas de baterías sean más seguros y económicos».
Detectar señales antes de que el problema avance
La temperatura es uno de los parámetros más importantes para controlar la seguridad de una batería. Un aumento anormal puede indicar defectos internos, reacciones químicas no deseadas o el comienzo de procesos que deterioran rápidamente la celda.
Disponer de sensores internos permitiría detectar esos cambios mucho antes que los sistemas que miden únicamente desde el exterior. La información podría enviarse continuamente al sistema de gestión de la batería, que podría entonces reducir la potencia de carga, limitar la corriente, activar los sistemas de refrigeración o aislar una celda problemática antes de que el fallo afecte al resto del paquete.
La gran ventaja es que la batería dejaría de ser un componente relativamente opaco para convertirse en un dar información detallada y en tiempo real sobre su propio estado.
El concepto desarrollado por la Universidad de Kiel no está limitado a sensores térmicos. Johannes Diers, investigador doctoral en la Cátedra de Electrónica de Potencia y primer autor del estudio, señaló que «en principio, el concepto no se limita a los sensores de temperatura. Los sensores de presión, de gas u otros tipos también podrían transmitir información desde el interior de la batería exactamente de la misma manera».
Esta capacidad resultaría especialmente interesante para detectar procesos de degradación. Durante el envejecimiento de una batería pueden producirse cambios internos que afectan a su rendimiento mucho antes de provocar un fallo evidente.
Conocer esas variaciones permitiría desarrollar sistemas de diagnóstico más precisos y estimar mejor el estado de salud real de cada batería.
Del mantenimiento programado al predictivo
Actualmente, muchas baterías se revisan mediante calendarios de mantenimiento o cuando aparecen síntomas de pérdida de rendimiento. La disponibilidad de datos internos permitiría avanzar hacia modelos predictivos.
Los algoritmos de gestión podrían analizar la evolución de cada celda y detectar patrones anormales. Un pequeño aumento recurrente de temperatura, cambios de presión o formación de gases podrían servir como señales tempranas. El mantenimiento podría realizarse justo cuando resulta necesario: ni demasiado pronto ni demasiado tarde.
Para los grandes operadores de almacenamiento, esta capacidad puede traducirse en menores costos de operación y mayor disponibilidad de las instalaciones. Para los usuarios domésticos, podría significar baterías solares capaces de informar con mayor precisión sobre su estado real y la vida útil restante.
El sistema desarrollado por los investigadores de Kiel se encuentra en etapa de investigación. Antes de incorporarse a baterías comerciales, tendrá que demostrar su funcionamiento durante largos periodos, soportar miles de ciclos de carga y descarga y adaptarse a diferentes químicas y formatos de celda.
También será necesario estudiar cómo fabricar estos circuitos a gran escala sin introducir nuevos riesgos ni complicar los procesos industriales. La miniaturización será otro aspecto importante: cuanto menor sea el tamaño de los sensores y de la electrónica necesaria, más sencillo resultará integrarlos dentro de las baterías.
Aun así, el principio demostrado abre una vía interesante: obtener información directamente desde el interior de las celdas sin añadir una compleja red de cables de comunicación.
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