En esta entrevista, Tekscan habla con Raúl Oreste sobre el mapeo de presión y cómo puede mejorar drásticamente el diseño y la fabricación de baterías y vehículos eléctricos.
¿Podría presentarse y explicar su función en Tekscan?
Me llamo Raúl Oreste. Tengo más de doce años de experiencia en desarrollo empresarial, gestión de productos e ingeniería en diversos sectores, desde el aeroespacial hasta el industrial. Como Director de Producto en Tekscan, me centro en trabajar con nuestros clientes para comprender sus aplicaciones y elaborar una hoja de ruta para nuevos productos que satisfagan sus necesidades de detección de superficies.
¿Qué es la cartografía de presión?
Un sistema de mapeo de presión mide la presión de interfaz entre dos superficies. Tekscan ha desarrollado una solución de medición que consta de tres componentes: un sensor ultrafino, componentes electrónicos de escaneado y una herramienta de análisis de software.
La primera parte del sistema es el sensor de mapeo de presión, hecho de láminas de polímero con una capa conductora impresa en cada cara.
Cuando no hay carga sobre el sensor, esos dos materiales resistivos se tocan pero tienen una resistencia muy alta. Cuando no se ejerce presión sobre el sensor, esa resistencia es muy alta. Al añadir fuerza, la resistencia disminuye. Esa diferencia de resistencia se correlaciona con la medición de la presión.
El sensor es un circuito impreso muy estable dimensionalmente que se puede cargar hasta 6000 PSI, y puede caber en áreas estrechas debido a su pequeño tamaño y perfil delgado. El sensor proporciona un mapa de distribución que se conecta a la electrónica, la segunda parte del sistema de mapeo de presión. La electrónica recoge información de cada punto del sensor donde se cruzan los materiales resistivos. El mapa de distribución representa cómo se está aplicando la presión a esa superficie o el contacto que estás haciendo contra el sensor.
Después de que la electrónica obtiene los datos del sensor, el software de mapeo de presión crea una representación visual para su análisis.
Todas las señales eléctricas del sensor crean una imagen digital, un mapa de distribución. Estos datos se pueden manipular grabándolos, creando reproducciones y creando medidas estáticas y dinámicas.
Esta es la esencia de nuestra tecnología de mapas de presión.
¿Cómo se puede utilizar la tecnología Tekscan para caracterizar la presión de las baterías con mapas de presión?
El sector de los vehículos eléctricos (VE) se enfrenta a retos de optimización del rendimiento de las baterías. Los ingenieros trabajan para optimizar las baterías en cuanto a seguridad, estabilidad a largo plazo, densidad energética y tiempo de carga.
Conseguir que la velocidad de carga sea lo más rápida posible es uno de los retos más importantes. Se quiere que sea comparable a repostar un coche. Y todas las mejoras de ingeniería tienen que ser fabricables y rentables.
Todos estos requisitos entran en conflicto entre sí. Un mejor tiempo de carga afecta a la durabilidad, la seguridad, el tamaño y la capacidad. Por ejemplo, una batería con mayor densidad energética será más pequeña y tendrá mayor capacidad de carga, pero será más propensa a problemas térmicos y de seguridad.
Todo esto se aplica tanto a las tecnologías de baterías establecidas como a las emergentes: baterías de iones de litio y baterías de estado sólido. Ambos tipos de diseño pueden hacer uso del mapeo de presión.
Las baterías de iones de litio utilizan electrolitos líquidos. Un parámetro clave del montaje de baterías es la presión de apilamiento, que se aplica a cada celda al colocarla en una carcasa. Si la presión de apilamiento está por debajo del nivel óptimo, puede permitir una expansión excesiva que provoque una fuga térmica o un fallo prematuro durante los ciclos.
Por otro lado, si es más alta de lo deseado, la presión de apilamiento puede perjudicar el rendimiento general de la batería y dañar los componentes internos. Llegar a un punto en el que se encuentre la presión correcta en esta batería es esencial.
El deterioro se produce tanto en las baterías de estado sólido como en las de iones de litio. En las baterías de iones de litio, la batería tiende a respirar: hay expansión y contracción a medida que la batería pasa por ciclos de carga y descarga.
En el caso de las baterías de estado sólido, tenemos un electrolito sólido. Éste no se expande tanto como el electrolito líquido de iones de litio, pero se agrieta si la presión es demasiado alta. El control de la presión nos permite evitar los problemas causados por la expansión en las baterías de iones de litio y las grietas en las baterías de estado sólido.
¿Cómo ha validado el uso del mapeo de presión en baterías?
El mapeo de presión puede localizar la presión en baterías con electrolitos tanto líquidos como sólidos.
Para validarlo, analizamos estudios publicados que caracterizaban el impacto de la presión durante los ciclos de carga y descarga.
Un estudio de 2014 de la Universidad de Princeton midió la presión de la pila, simulando una fijación de una bolsa de batería y una batería de celdas.
Los investigadores del estudio utilizaron una célula de carga para medir la fuerza que ejercía la bolsa de la batería mientras se cargaba y descargaba; podían ver la fuerza pero nada más. Mientras se cargaba, la fuerza aumentaba, pero no se disponía de más información.
Añadiendo un sensor Tekscan al dispositivo, los investigadores midieron la fuerza y la distribución de la carga de la bolsa de la batería durante la carga y la descarga. Pudieron identificar picos locales de presión en la pila a partir de pequeños defectos en el proceso de fabricación de las células.
Se comprobó que las pilas en las que se observaban zonas de presión local extrema se degradan más rápido que aquellas con distribuciones de presión relativamente uniformes. Cuanto mayor es la presión, más rápida es la degradación, lo que constituye un dato interesante.
La cartografía de la presión y las pruebas del ciclo de vida de las baterías son mínimamente invasivas. El mapeo de presión identifica los puntos altos de presión mediante la distribución de los sensores por la zona. Los sensores son muy finos, flexibles y no intrusivos, lo que permite añadirlos a cualquier accesorio de prueba. Puede añadirlos entre las bolsas y medir las presiones en una pila, una bolsa individual o una celda individual.
Al probar el mapeo de presión y las pruebas del ciclo de vida de las baterías, uno de nuestros ingenieros en Tekscan construyó un accesorio.
Utilizamos el sistema electrónico VersaTek con el sensor de mapeo de presión 1526 de doble asa y una bolsa para pilas. Colocamos esta funda de batería con una placa de acero sobre el sensor.
Lo primero que apareció en el software al fijar las sujeciones fue el pico de presión en el centro de la batería inmediatamente después de presionar. Se entendió que era necesario un material que cumpliera las normas entre la bolsa y el sensor para igualar o distribuir mejor las presiones. Los picos no se producían gracias al material rígido de la placa contra el sensor.
El ingeniero colocó el material complaciente entre la pila y el sensor y lo arregló todo de nuevo. Apretó los tornillos de la fijación y observó el aumento de las presiones.
Realizamos una prueba, iniciando ciclos de carga y descarga, observando diferentes factores como el gradiente de presión a través de la superficie en un momento en el tiempo o la fuerza total frente al tiempo. Esto coincidiría con lo que se lee en la célula de carga.
Podemos obtener una representación visual de la distribución de la presión para ver cómo se presentan las presiones en el ejercicio. Luego obtenemos los resultados del ciclo de carga y descarga y lo visualizamos. Podemos ver que a medida que se descarga, todas las fuerzas bajan y la presión disminuye, y a medida que se carga, las presiones suben.
La presión central se mantiene relativamente uniforme, con más presión en el centro. La presión tiende a relajarse hacia la mitad del proceso de carga y descarga. No se trata de un aumento constante de la presión. Esto podría deberse a la composición química o a algo en la batería, que iguala la distribución de la presión.
Son datos fascinantes que los usuarios no verían con otras herramientas invasivas.
También se pueden reconocer regiones de presión inusuales, quizás el teflón o el conector de la batería creando una presión excesiva, que podría evitarse utilizando un diseño diferente. También podemos representar gráficamente cómo la batería fluctúa entre la expansión y la contracción.
¿Cómo puede utilizarse la cartografía de presión más allá de la I+D?
Hasta ahora he hablado de I+D y de cómo la cartografía de presión podría ayudar en aplicaciones de I+D, pero en Tekscan estamos descubriendo aplicaciones más allá de I+D.
Podría ser muy valioso, por ejemplo, en el control de calidad en la fabricación. Se ha demostrado que controlar la uniformidad de la presión durante el proceso de formación reduce la formación de dendritas y mejora la calidad del producto.
Es posible diseñar un pequeño sensor Tekscan integrado en el interior de la fijación. Esto puede proporcionar datos sobre el sistema de gestión de la batería en un bucle de retroalimentación, por lo que puede supervisar constantemente la batería para saber si está sobrecargada.
Si una célula está recibiendo demasiada presión en comparación con la otra, ¿cómo se está descargando en esa aplicación concreta? Puede controlar esa pila de presión a lo largo del tiempo para obtener un indicador de la salud de la batería y de posibles problemas de seguridad.
El potencial de la tecnología Tekscan no se limita a las baterías. La industria de fabricación de automóviles está experimentando cambios, y el mapeo de presión podría impulsar potencialmente el diseño de vehículos eléctricos.
Tenemos toneladas de información sobre el diseño de vehículos, ya que llevamos muchos años trabajando con la industria automovilística. Toda la información que tenemos, y todo lo que hemos estado haciendo con el sensor, se ha aplicado para crear un vehículo eléctrico mejor.
¿Qué cambios en el diseño de los asientos se podrían introducir en la industria del automóvil con la aplicación directa de sus sensores?
El diseño de los asientos de los vehículos, como los asientos, los cinturones de seguridad o la posición de una persona, será diferente del diseño actual de los coches.
Nos estamos dando cuenta de que habrá vehículos autónomos, por ejemplo, que no requerirán que uno esté delante del volante: toda la posición de conducción cambia.
También hay una aplicación potencial en el rediseño de los cinturones de seguridad. Un cinturón de seguridad de diseño diferente podría ser más cómodo para una persona que no va a estar al volante, que simplemente va a estar sentada en un vehículo transportándose del punto A al punto B.
Nuestro sensor BPMS es una aplicación del diseño de asientos que utiliza el sistema de medición de la presión corporal para mejorar el diseño y la comodidad de los asientos. Es un tipo de aplicación con la que hemos tenido mucho éxito.
How does pressure mapping apply to tire design?
Tire design is also essential to electric vehicle design. We have technology that analyzes tire footprints. As vehicles change, tire and automotive manufacturers are looking at ways of maximizing tire life. They have relied on pressure mapping systems for a long time. Technologies such as our own TireScan are used to understand how a tire responds to different loads and conditions.
With the evolution of electric and autonomous vehicles, engineers will keep changing the tire for different requirements. We know electric engines and motors could have much higher torques than regular combustion engines.
That requires new insight into the design of the tires to make them last longer or even last as long as they do now.
Another example could be the bidirectional tires in EV design because we are talking to designers who are thinking of autonomous vehicles that will have the four wheels turning, and this creates an entirely different wear profile of the tire than the regular car.
These are just some of the applications we are seeing inside tire design.
¿Cómo pueden aplicarse sus sensores a las juntas de las puertas?
Otra aplicación es la medición del sellado en las puertas. Después de utilizar un sensor Tekscan en el marco de una puerta, pudimos ajustarla de forma que el sellado, tras el ajuste, fuera mucho más uniforme en toda la superficie.
Si el sellado de la puerta es desigual y las presiones varían, se crea una superficie desigual de distribución de la presión que no proporciona un sellado adecuado, sino también un mayor desgaste de las juntas. Puede aumentar el ruido procedente del exterior. Una serie de problemas pueden evitarse por completo cuando la junta se distribuye uniformemente por toda la zona de detección.
El diseño de las puertas es otra área que está siendo completamente cambiada por los VE. Hemos visto el Tesla Model X con sus puertas de ala que se elevan en el aire. Hay que tener en cuenta toda una serie de reglas nuevas para diseñar puertas para vehículos eléctricos.
¿Disponen de sensores específicos para distintas aplicaciones?
Tenemos un amplio catálogo de sensores estándar y también podemos crear sensores personalizados. Podemos ponerlo en contacto con nuestros equipos de ventas e ingeniería si necesita un paquete de baterías o cualquier otro componente necesario para su aplicación. Ellos le ayudarán a identificar el sensor adecuado para sus necesidades. Podemos diseñar un sensor específicamente para lo que usted necesita.
¿Dónde pueden encontrar más información los clientes?
Podríamos profundizar mucho más en el sector de la movilidad y las aplicaciones de los sensores Tekscan para cartografiar la distribución de presiones y crear diseños mejores y optimizados. Para más información, le invito a visitar nuestra página de automoción para ver todas las aplicaciones en las que hemos trabajado en este espacio.
En Tekscan, nos enorgullecemos de proporcionar a nuestros clientes las mejores herramientas para el conocimiento de los sensores de superficie. Queremos que la industria cree mejores productos y que la próxima generación de vehículos sea superior. No somos expertos en VE, pero sabemos cómo apoyar a los expertos con herramientas de mapeo de presión y medición de fuerza para hacer realidad el potencial de la industria.
Visite la página web y, si tiene alguna pregunta, no dude en ponerse en contacto con nosotros. Estaré encantado de ponerme en contacto con usted si desea una demostración o tiene alguna pregunta concreta sobre su caso.
Estoy muy ilusionado con el futuro de esta industria y estoy deseando ver todo lo que va a ocurrir.