Gestión térmica de las baterías Ev: esencial para los vehículos eléctricos

Durante el funcionamiento normal, la batería de un vehículo eléctrico generará mucho calor debido a la intercalación y desintercalación de los iones de litio dentro de la batería, el flujo de corriente en la batería y el paquete de baterías, y diversas pequeñas reacciones secundarias en la batería.

Si el calor no se descarga lo antes posible, se acumulará en el interior de la batería, lo que aumentará su temperatura. Cuando el tiempo sea demasiado largo o la temperatura supere el límite superior permitido, afectará gravemente a la vida útil de la batería e incluso provocará directamente un cortocircuito y su explosión.

Además, cuando el batería de iones de litio primera carga se encuentra en un entorno de baja temperatura, aparecerán dendritas de litio. Las dendritas en crecimiento corren el riesgo de perforar el separador y provocar un cortocircuito en la batería.

Por tanto, la calidad del sistema de gestión térmica de la batería del VE está directamente relacionada con las prestaciones de seguridad y de carga y descarga del pack de baterías.

Métodos de gestión térmica de baterías de VE

En la actualidad, la investigación sobre la tecnología de gestión térmica de las baterías de los vehículos eléctricos se centra principalmente en cómo exportar el calor generado por la batería durante su funcionamiento, de modo que ésta pueda trabajar dentro del rango óptimo de temperatura.

Los métodos de refrigeración que se aplican actualmente a los vehículos eléctricos puros son principalmente la refrigeración por aire, la refrigeración por líquido y la refrigeración directa.

Al mismo tiempo, la aplicación de materiales de cambio de fase en la gestión térmica de las baterías de los vehículos eléctricos es también un tema candente de investigación. A continuación se presentan los principales tipos de refrigeración de baterías y el estado de la investigación.

Refrigeración por aire

La refrigeración por aire es la primera tecnología de refrigeración de baterías que se ha utilizado. Según la potencia de flujo del viento, existen dos tipos de refrigeración por aire natural y refrigeración por aire forzado, y según el canal de aire del sistema de refrigeración por aire, existen dos tipos de refrigeración en serie y refrigeración en paralelo, como se muestra a continuación.

La ventaja del sistema de refrigeración por aire es que su estructura es más sencilla que la de los sistemas de refrigeración por líquido y refrigeración directa, y su consumo de energía es menor. Sin embargo, debido a la disposición de sus canales de flujo, el índice de utilización del espacio es bajo, y es difícil evitar el agua y el polvo.

Además, cuando la temperatura del aire exterior es demasiado alta o demasiado baja, el sistema de gestión térmica tiene dificultades para satisfacer las necesidades, y se requiere el sistema de aire acondicionado para suministrar aire para la refrigeración.

Por lo tanto, el rendimiento de refrigeración del sistema refrigerado por aire es difícil de satisfacer las necesidades de uso, y está siendo sustituido gradualmente por sistemas de refrigeración líquida y refrigeración directa.

Refrigeración líquida

La refrigeración líquida es el método de refrigeración con el mejor rendimiento global. Según su estructura, la refrigeración líquida puede dividirse en contacto directo y contacto indirecto. El tipo de contacto directo consiste en sumergir la batería en el líquido refrigerante.

La ventaja es que el efecto de intercambio de calor es excelente y la uniformidad de la temperatura es buena, pero la desventaja es que impone elevados requisitos al rendimiento de sellado y aislamiento del interior y el exterior de la batería.

El tipo de contacto indirecto consiste en colocar un canal de flujo en la batería para que el refrigerante fluya por el canal de flujo. La ventaja es que reduce los requisitos de estanqueidad y aislamiento.

La investigación actual sobre el sistema de refrigeración líquida se centra principalmente en la optimización de la placa de refrigeración y la disposición de la placa de refrigeración y la batería de alimentación. Las 10 empresas de baterías más importantes del mundo tienen diferentes disposiciones de las placas de refrigeración.

Refrigeración directa

La refrigeración directa consiste en introducir directamente el refrigerante del sistema de aire acondicionado en la batería para refrigerarla, lo que equivale a utilizar la placa de refrigeración de la batería como evaporador del sistema de aire acondicionado.

Las ventajas del sistema de refrigeración directa son su alta eficacia, su rápida respuesta y su gran capacidad de refrigeración. Su desventaja se debe principalmente a la gran dependencia del sistema de aire acondicionado del coche.

En verano, tanto el habitáculo como el sistema de la batería requieren una refrigeración de alta potencia, lo que supone una gran carga para el sistema de aire acondicionado.

En invierno, como el habitáculo debe calentarse continuamente y el paquete de baterías debe precalentarse y luego enfriarse, esto supone un reto para el sistema de aire acondicionado del coche. 

Enfriamiento de materiales de cambio de fase

El método de gestión térmica del material de cambio de fase consiste en introducir el material de cambio de fase en la batería y utilizar su elevado calor latente de cambio de fase para absorber el calor generado cuando se descarga la batería.

La mayor ventaja de los materiales de cambio de fase es que su estructura y funcionamiento son los más sencillos, y sólo es necesario disponer razonablemente las baterías y los materiales de cambio de fase en el pack de baterías.

Todo el proceso no requiere la intervención de sistemas externos, y la uniformidad de la temperatura es excelente. Además, el material de cambio de fase tiene amplias fuentes y bajo precio. 

Las principales desventajas de los materiales de cambio de fase son: el volumen y la masa de los materiales de cambio de fase necesarios son grandes, lo que reduce la densidad energética global de la batería.

Otros sistemas de gestión térmica

Además del sistema de refrigeración mencionado, la refrigeración por tubos de calor es también una línea de investigación relativamente popular.

El principio del tubo de calor es que el material del tubo absorbe calor y se evapora en la zona de alta temperatura, y se expande en la zona de baja temperatura para producir un cambio de volumen, provocando así el flujo espontáneo del líquido en el tubo.

La ventaja del tubo de calor es que, mientras exista una diferencia de temperatura suficiente entre las zonas de alta y baja temperatura, puede seguir realizando una circulación espontánea, y la eficacia de transferencia de calor del tubo de calor es mucho mayor que la de los materiales conductores de calor generales medidos en el laboratorio.

Sin embargo, la aplicación actual de los tubos de calor en los sistemas de gestión térmica de las baterías no es perfecta, por lo que su uso no se ha generalizado en los vehículos eléctricos.

Calentamiento de la batería

Al estudiar cómo disipar el exceso de calor dentro de la batería, algunos estudiosos han observado que cuando el vehículo eléctrico se encuentra en un entorno de frío intenso o bajas temperaturas, la vida útil y la densidad energética de la batería se ven muy afectadas.

Por lo tanto, algunos estudiosos también se centran en la investigación de la preservación del calor y el calentamiento de la batería.

La dirección general es: envolver el material aislante fuera de la batería, colocar láminas de calefacción eléctrica entre las baterías o dejar que el refrigerante calentado fluya por el interior de la batería para completar el calentamiento de la batería, etc.

Futuro desarrollo de la gestión térmica de las baterías de los vehículos eléctricos

Las tecnologías de calefacción y refrigeración del sistema de gestión térmica de las baterías de los vehículos eléctricos son dos tecnologías importantes para controlar la temperatura interna de la batería, y también son el centro de la investigación sobre la gestión térmica de las baterías de los vehículos eléctricos.

A continuación se resumen el estado de desarrollo y la futura dirección de desarrollo de la tecnología de gestión térmica de las baterías de los VE:

(1) La tecnología de refrigeración por aire mejora el efecto de disipación del calor del sistema de refrigeración por aire controlando el volumen y la presión del aire, cambiando la disposición de la batería y la anchura del conducto de aire.

(2) Cuando el sistema de gestión térmica de baterías de VE adopta la tecnología de tubos de calor, el sistema de gestión térmica de baterías de VE combinado con tubos de calor y refrigeración líquida tiene un gran potencial de desarrollo en el futuro.

(3) En comparación con los materiales de cambio de fase simples, el rendimiento de disipación de calor del sistema de gestión térmica de baterías de vehículos eléctricos que utiliza materiales de cambio de fase compuestos es mejor. La investigación sobre el acoplamiento de materiales de cambio de fase y otros métodos de refrigeración tiene más importancia a largo plazo;

(4) En el caso de la tecnología de calentamiento interno, la tasa de calentamiento de la batería y la seguridad pueden mejorarse estudiando en profundidad la estrategia de control actual.

Resumen

En resumen, el desarrollo de la tecnología de gestión térmica de las baterías de los VE es crucial para garantizar la seguridad y el rendimiento de los vehículos eléctricos.

Con el desarrollo de diversos métodos de refrigeración, como la refrigeración por aire, la refrigeración líquida, la refrigeración directa, la refrigeración por materiales de cambio de fase y la refrigeración por tubos de calor, el sistema de gestión térmica de las baterías de los vehículos eléctricos puede ser más eficiente y eficaz.

Al mismo tiempo, el calentamiento del paquete de baterías es también una importante dirección de investigación. En la investigación y el diseño de la gestión térmica de las baterías de vehículos eléctricos en el futuro.

No sólo es necesario que el sistema de gestión térmica tenga un mejor control y uniformidad de la temperatura, sino también minimizar la masa de la batería y reducir el consumo de energía.