Explorando las pruebas de baterías para la aviación

Palabras de Jonathan Dyble

El combustible alternativo en la aviación está comenzando a cobrar impulso. En noviembre de 2021, los ingenieros de Rolls Royce rompieron el récord de velocidad eléctrica con Spirit of Innovation. El avión deportivo modificado, equipado con lo último en tecnología de baterías y un sistema de propulsión totalmente eléctrico, alcanzó una velocidad de 555,9 km/h (345,4 mph). Hace ya más de un año que se logró esta hazaña, y las tecnologías para vehículos eléctricos y los aviones híbridos siguen madurando. Por ejemplo, se espera que vuele pronto el avión experimental X-57 totalmente eléctrico de la NASA, que utiliza baterías de litio para hacer funcionar motores eléctricos para 14 hélices y se centra en examinar los efectos de la propulsión eléctrica distribuida.

A pesar de los problemas relacionados con la electrificación, los expertos de la industria creen que los aviones eléctricos son adecuados para vuelos comerciales de corta distancia a mediano plazo.

Sin embargo, todavía hay muchos desafíos a los que se enfrentan los fabricantes de aviones que desarrollan sistemas de propulsión eléctrica, tanto híbridos como eléctricos. Desde decidir qué celdas de batería usar hasta configurar celdas, optimizar el tamaño, el peso y la potencia, y evaluar exactamente cómo funcionan las baterías en casos de uso del mundo real, los ingenieros todavía tienen muchas tecnologías y enfoques nuevos para explorar a medida que desarrollan sus estrategias de prueba y productos finales

Las pruebas en el túnel de viento validaron el rendimiento de la hélice y los procesos de enfriamiento del motor eléctrico para el Airbus EcoPulse (Imagen: Airbus)

Afortunadamente, el sector de los vehículos eléctricos (EV) está allanando el camino para un progreso más rápido. Las tecnologías de baterías de iones de litio, principalmente para vehículos eléctricos, han evolucionado drásticamente en los últimos 15 años. El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) estima que el precio de las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos fue alrededor de un 89 % más bajo en 2022 que en 2008. Bloomberg predice que los costos de las baterías de iones de litio caerán por debajo de los 100 USD/kWh este año y /kWh para 2030, momento en el que alcanzarán la paridad de precios con los modelos de combustible convencional si aún no lo han hecho.

Sin embargo, es difícil trasladar este progreso de la automoción al sector aeroespacial. No se trata simplemente de escalar esas baterías aprobadas para el sector de la automoción para su uso en aeronaves.

"La tecnología que sustenta las baterías a nivel de celda es fundamentalmente la misma para la industria aeroespacial y la automotriz. Pero en la primera encarnación de la electrificación aeroespacial, las diferentes aplicaciones impulsan cambios significativos en todos los elementos de los procesos de diseño, desarrollo, fabricación y certificación", explica Martin Dowson, ingeniero jefe y jefe de ingeniería e investigación de sistemas de baterías en WMG en el Reino Unido.

WMG es un departamento académico de la Universidad de Warwick que ha estado probando paquetes de baterías EV para compañías automotrices desde su introducción y ahora está sirviendo cada vez más al sector aeroespacial. Dowson está bien versado en los desafíos técnicos y regulatorios que rodean el uso de baterías en aeronaves.

"Los jugadores aeroespaciales necesitan demostrar que las baterías son seguras, mientras que los jugadores automotrices están más enfocados en pasar pruebas de seguridad discretas", dice.

"Los automóviles solo tienen un paquete de baterías por vehículo, mientras que los aviones requieren un sistema de almacenamiento de energía compuesto por múltiples paquetes, configurados de una manera que sea resistente a la falla de elementos individuales. Además, tanto a nivel de sistema como de paquete, las características clave de un El paquete automotriz se volverá crítico para la seguridad en una aplicación aeroespacial".

Aquí, Dowson señala la importancia de SOX (State Of X), una estimación basada en modelos de diferentes estados de la batería, como el estado de carga (SOC), el estado de energía (SOE), el estado de potencia (SOP) y el estado de salud. (SOL). SOX proporciona información sobre el estado y el rendimiento de las celdas en los sistemas modernos de gestión de baterías.

"En automoción, SOX tiene un modo de falla", dice Dowson. "Esto puede provocar la insatisfacción del cliente, donde el rendimiento del vehículo puede disminuir un poco en estados bajos de carga, por ejemplo.

"Pero en una aplicación aeroespacial, estos datos se vuelven críticos para la capacidad de una aeronave de aterrizar de manera segura o realizar cualquier escenario de aterrizaje abortado: operaciones que consumen mucha energía y energía. En las aplicaciones automotrices, los conductores pueden reducir la velocidad y volver a casa cojeando. Las aeronaves no están permitidas. este lujo".

El escenario de mayor riesgo de vuelo significa que el sector aeroespacial requiere tecnologías y técnicas de baterías alternativas. Los estándares de prueba son significativamente más altos donde las fallas y los errores tienen una mayor probabilidad de causar incidentes catastróficos.

"Las pruebas de batería generalmente determinarán la idoneidad de la batería para su aplicación prevista, un proceso conocido como prueba de calificación", dice Michael Galea, profesor de máquinas eléctricas y unidades del departamento de conversión de energía eléctrica industrial en la Universidad de Malta.

"Durante las pruebas de calificación, es necesario determinar la capacidad de la batería, la resistencia interna y la cantidad de autodescarga, que son indicadores del estado de salud de la batería, con pruebas que incluyen pruebas de ciclo y medición de los parámetros de la batería, como el calor generado durante el uso. "

Sin una mejor tecnología universal de baterías para aeronaves eléctricas, y debido a que los diferentes casos de uso requieren diferentes soluciones, gran parte del desafío para los ingenieros radica en evaluar la idoneidad de las baterías para sus aplicaciones aeroespaciales.

Se deben tomar decisiones clave sobre el tipo más adecuado de celdas de batería para su aeronave, cómo se configuran, integran y cómo se optimizan su tamaño, peso y potencia, al mismo tiempo que se prioriza la seguridad. Galea dice: "Un ingeniero debe considerar el rendimiento en términos de densidad de potencia y densidad de energía y seguridad en términos de adecuación, confiabilidad, monitoreo de estado de carga y estado de salud, con planes de respaldo asociados en caso de degradación.

"Dicho esto, la seguridad y el rendimiento son dos objetivos de diseño que a menudo se contradicen en la industria aeroespacial. Si bien la calificación de una batería en kWh/kg es atractiva para la industria, el aumento de kWh/kg puede significar un mayor riesgo de problemas térmicos y una pérdida de suministro de energía para impulsar los sistemas de la aeronave".

El espíritu de innovación de Rolls-Royce utilizó más de 6000 celdas: el paquete de baterías con mayor densidad de energía jamás ensamblado para un avión (Imagen: Rolls-Royce)

Pipistrel, fabricante del Velis Electro, el primer y único avión eléctrico del mundo con certificación de tipo, ha trabajado arduamente para encontrar ese equilibrio entre rendimiento y seguridad. La compañía fue adquirida por el gigante de la aviación estadounidense Textron en 2022.

"Comenzamos el camino del desarrollo de baterías de litio a partir de celdas comerciales listas para usar hace más de 15 años", dice Tine Tomažič, directora de tecnología del grupo y directora de I+D de Pipistrel Vertical Solutions.

"Pipistrel ha desarrollado procesos para identificar candidatos adecuados para celdas de batería. Estas pruebas incluyen la evaluación del rendimiento durante diferentes condiciones ambientales y el envejecimiento de la batería con diferentes perfiles de carga/descarga. evaluaciones calorimétricas de descarga”.

Galea cree que la mejor manera de probar con éxito cada una de estas características, así como otras, es construir modelos precisos de las propias celdas de la batería, empaquetadas como paquetes de baterías e integrar esos modelos en la aeronave o en los modelos del subsistema de la aeronave.

"Los modelos electroquímicos que se validan experimentalmente son los más precisos y se pueden usar para el diseño y el análisis de por vida", dice Galea. "Tan pronto como sea posible, se debe probar una lista corta de celdas candidatas en comparación con los perfiles de la misión para comprender el rendimiento y la degradación antes de ir demasiado lejos en el proceso de abastecimiento y diseño del paquete.

"Caracterizar completamente una celda es un proceso de tres a seis meses. Esto se debe a que el comportamiento de una celda es sensible al estado de carga, la temperatura, la potencia de salida y el envejecimiento".

Las pruebas previas a la solicitud son solo una parte del rompecabezas. El análisis es tan importante como la implementación para evaluar si una batería se ha implementado con éxito porque permite identificar oportunidades de mejora o aplicaciones donde se pueden requerir alternativas en proyectos futuros.

Por esta razón, es fundamental que los ingenieros trabajen para evaluar el rendimiento de las baterías en casos de uso del mundo real junto con los esfuerzos de prueba iniciales. Se espera que las actividades aumenten en esta área durante los próximos años a medida que los aviones electrificados se acerquen al mercado.

Nuevamente, los ingenieros de Pipistrel están trabajando arduamente en este frente y han identificado varias áreas de enfoque clave donde es posible mejorar sus modelos existentes.

"Estamos trabajando en varias trayectorias diferentes en lo que respecta al desarrollo de baterías en este momento", explica Tomažič. "Esto incluye varios programas de investigación sobre la química de las baterías, la optimización de la integración estructural, las optimizaciones termodinámicas, como la refrigeración líquida e híbrida, el mantenimiento bajo demanda con mayores períodos de vida útil de la batería y las consideraciones de sostenibilidad del ciclo de vida con soluciones para la segunda vida de la batería".

El progreso en estos frentes es positivo. Pero la industria aeroespacial debe trazar su propio viaje de transición hacia aplicaciones netas cero. Además, los ingenieros deben explorar exactamente qué tecnologías funcionan de manera más efectiva para las aeronaves dados los requisitos matizados del sector.

El Velis Electro de Pipistrel es un avión de entrenamiento eléctrico alimentado por una batería refrigerada por líquido de 24,8kWh que pesa 72 kg (Imagen: Pipistrel)

Para Galea, esto requerirá un pensamiento creativo externo y el uso de técnicas y tecnologías de desarrollo novedosas e innovadoras, como gemelos digitales, modelos de alta precisión y sistemas de hardware en bucle.

"En el futuro, las pruebas de baterías solo deben usarse para validar experimentalmente ciertos aspectos de nuevos productos y para probar que se ingresan datos correctos a los sistemas mencionados anteriormente", afirma, describiendo su visión.

"Los requisitos de las aeronaves eléctricas necesitan una mejora de orden de magnitud en términos de capacidad de densidad de energía y en términos de confiabilidad para la certificación.

"Esto solo se puede lograr cambiando los procesos de diseño actuales, desde el diseño tradicional, la construcción y la prueba de destrucción de muestras, a procesos en los que todos los objetivos de diseño se incluyen desde el inicio del proceso de desarrollo".

Sin duda, se requerirá una combinación de métodos, y todavía queda un largo camino por recorrer para cerrar la brecha de potencia actual en los aviones. Galea apunta a las aplicaciones híbridas como las soluciones más realistas para uso comercial en el futuro cercano.

"La aeronave con mayor demanda de energía eléctrica en uso hoy en día exige una capacidad total de generación de energía eléctrica de 1 MW a bordo. Sin embargo, se estima que para aeronaves comerciales como un A320, B737, la potencia de propulsión requerida para una versión totalmente eléctrica sería algo en la región de 40MW", dice Galea.

"Desde la perspectiva de la batería y de los componentes eléctricos, el camino a seguir probablemente no sea el de los vehículos totalmente eléctricos, excepto en el caso de los aviones ligeros y los modelos de hasta 50-100 pasajeros.

Las soluciones probables van a ser aviones de tipo híbrido o turboeléctrico”.

Galea estima que la industria necesita celdas de batería con una capacidad de al menos 400 Wh/kg, algo que realmente solo podemos esperar ver dentro de unos cinco años, para lograr estas plataformas. En este sentido, la industria sigue estando muy atenta a este espacio en lo que respecta a las baterías.