Vincere le sfide del test nella mobilità elettrica

Le soluzioni di test per il mercato dei veicoli elettrici, siano essi terrestri, marini, aerei o spaziali, devono coprire non solo il test delle batterie, ma anche tutti gli altri moduli e sistemi ad esse collegate, come il Battery Management System (BMS), l’OBC (OnBoard Charger), l’Inverter e lo stesso motore elettrico.

Emerge come fondamentale nel settore della mobilità elettrica l’impegno e la ricerca per vincere le sfide del test, e tutti i produttori di veicoli elettrici sono concordi sulla necessità di raggiungere un’alta densità energetica, affiancata da un lungo ciclo di vita e da un elevato livello di sicurezza. Per raggiungere questi obiettivi ci vogliono processi produttivi stabili e controllati, con una o più fasi di test che assicurino che i prodotti rispettino le specifiche funzionali e qualitative richieste.

Il mondo della mobilità elettrica non è solo autovetture

I progressi tecnologici che vanno verso l’efficienza (alta velocità, dimensioni compatte, accelerazione, peso del motore) sono il volano della crescita del mercato della mobilità elettrica che, grazie alle necessità di eco-sostenibilità e alle numerose iniziative governative, ha registrato una crescita rapida e considerevole.

L’adozione di batterie di maggiore capacità è uno dei principali fattori di questa crescita e si prevede che il segmento delle batterie agli ioni di litio dominerà il mercato, grazie alle alte prestazioni offerte, al continuo aggiornamento del design, dell’autonomia, della durata, della riciclabilità e quindi della sostenibilità.

La batteria: produzione e fasi dei test

La produzione dei pacchi batteria inizia con la realizzazione della singola cella. I componenti della cella sono prima assemblati inserendo un separatore tra l’anodo e il catodo, poi immersi nel liquido elettrolitico e chiusi in involucro rigido. Prima di essere assemblate in moduli, le singole celle sono sottoposte a test specifici, tra cui la verifica dell’assenza di perdite di elettrolita (che potrebbero causare incendi o esplosioni) e l’assenza di infiltrazione di umidità. Successivamente le celle sono assemblate in moduli che vengono impilati in serie o in parallelo all’interno di un robusto alloggiamento finale, il pacco, che protegge il suo contenuto da urti, vibrazioni e da altri fattori ambientali avversi. 

Ultimato l’assemblaggio del pacco batterie, viene testata la resistenza interna “IR”; se un pacco batteria fosse composto da celle con “IR” diverse, ci sarebbe una distribuzione di corrente non uniforme, con conseguente difformità delle temperature all’interno del pacco. Questo test può essere effettuato con sistemi Mini80 e Mini200 di Seica, sia in modalità manuale che con soluzioni automatiche, grazie alle potenzialità di integrazione dei due sistemi nei processi di collaudo.

A pacco assemblato, vengono testate anche le connessioni elettriche tra le singole celle (wedge bonding test); un’operazione questa fondamentale per la verifica della corretta prestazione e della sicurezza del pacco batteria. Per verificare che le connessioni siano presenti si deve misurare su ciascuna di esse un valore, secondo precise specifiche, in range di μOhm. 

La soluzione ottimale per svolgere questo tipo di test è un sistema “flying probe”, in grado di eseguire dei test Kelvin paralleli molto precisi su più di 16 celle in contemporanea, con una velocità di produzione fino a 2.000 celle al minuto. La strumentazione di misura è in grado di raggiungere la precisione necessaria per testare la resistenza dei wedge bonding, con una risoluzione di 0,5 μOhm, fornendo anche una completa tracciabilità per ogni giunzione.

Il sistema “flying probe” Pilot BT è caratterizzato da un alto livello di flessibilità e si rende quindi funzionale ed efficiente per ogni tipo di “produzione” di batteria, ma anche per reparti di ricerca e sviluppo e/o centri di riparazione.

I test sulle batterie servono a garantirne l’affidabilità e la sicurezza, a prescindere dal dispositivo su cui sono montate. La comprensione delle sue condizioni operative è fondamentale per prevenire i guasti e ottimizzarne le prestazioni.

I test inoltre svolgono un ruolo importante nell’accelerare la produzione, tenendo sotto controllo i processi e quindi i costi, evitando di sprecare tempo e denaro in scarti o rilavorazioni.

Componenti chiave della mobilità elettrica: OBC e Inverter

Il modulo OBC (OnBoard Charger) svolge il compito di ricaricare l’intero pacco batterie a veicolo fermo, trasformando la tensione AC, proveniente dalla colonnina di ricarica, in tensione DC che alimenta il pacco batterie. Il modulo Inverter svolge lo stesso compito dell’OBC, ma lavorando in senso “contrario”, convertendo la tensione DC proveniente dal pacco batterie, in tensione trifase che va ad alimentare il motore elettrico. L’Inverter gestisce inoltre la modulazione della tensione, per fornire potenza e coppia al motore e per recuperare l’energia cinetica durante la frenata (Kinetic Energy Recovery System).

Per il test del modulo OBC, il Compact MULTI di Seica opportunamente attrezzato, consente di eseguire in completa sicurezza, anche con alte tensioni, la verifica dell’isolamento, il controllo della potenza, la calibrazione dei sensori e l’integrità dei connettori.

Sempre il Compact MULTI è la soluzione ideale per testare il modulo inverter, grazie alla possibilità di simulare un carico trifase di un motore elettrico.

Motore Elettrico

Il Motore Elettrico converte l’energia elettrica proveniente dall’Inverter in energia di movimento per le ruote del veicolo, e la sua velocita di rotazione può superare 20.000 giri/min.

Per verificare la totalità delle funzioni, per il test del motore elettrico si applica all’albero motore un torsiometro per misurare la forza che deve reggere il motore alla massima velocità. Per simulare il carico (cioè il veicolo) viene utilizzato un secondo motore che agisce appunto come “braking motor” o come simulatore della frenata rigenerativa. Viene in questo modo analizzata l’efficienza del motore, misurandone i livelli di dissipazione e le eventuali vibrazioni.

Battery Management System

IIl sistema di gestione delle batterie (BMS) è un altro componente fondamentale, con il suo ruolo di tutor del “corretto funzionamento” e della “durata” delle batterie. Per garantire che ogni BMS sia conforme alle sue specifiche è d’obbligo il test funzionale completo, che richiede la capacità di simulare le condizioni operative reali a cui il BMS è soggetto. Per effettuare il test del BMS, il sistema di collaudo Compact BMS include strumenti dedicati e simulatori di celle di batteria progettati per eseguire un collaudo funzionale completo.