¿Cómo funciona el sistema de gestión térmica de la batería?

En artículos anteriores, mencionamos la importancia de un sistema de gestión térmica de la batería y la causa de su calentamiento. Pero, ¿cómo funciona un sistema de gestión térmica? En este artículo lo explicaremos en detalle. El sistema de gestión térmica de la batería puede dividirse en sistema de gestión térmica activa y sistema de gestión térmica pasiva, echemos un vistazo a sus respectivos principios de funcionamiento.

Sistema de gestión térmica activa

La gestión térmica activa consiste en utilizar gases (incluido el aire), líquidos o refrigerantes para que fluyan a través de todas las celdas de la batería con el fin de reducir la temperatura. En la actualidad, la refrigeración por gas y la refrigeración por líquido se utilizan habitualmente.

Refrigeración por gas

La refrigeración por gas consiste en utilizar gas refrigerante directamente a través de todas las celdas de la batería y los dispositivos electrónicos para reducir la temperatura de la batería. Normalmente, un sistema de refrigeración por gas requiere un ventilador, un conducto y un disco de intercambio de calor. El sistema de refrigeración por gas responde más rápido que el sistema de refrigeración por líquido y la masa diaria es menor, por lo que la eficiencia es relativamente alta. Además, otra ventaja del sistema de refrigeración por gas es que el aire refrigerado puede fluir directamente a través de la célula, sin ángulo muerto. El fallo del sistema de refrigeración por gas es que el gas suele ser peor que el líquido en capacidad de absorción de calor, es fácil que en el proceso de flujo de las baterías se caliente, por lo que el gas tiene baja temperatura cerca de la posición de entrada, y el aumento de temperatura cerca de la posición de salida. No sólo es el efecto de enfriamiento de la célula en esta posición pobre, pero el gradiente de temperatura formado en el canal a través del cual fluye el gas causará directamente la temperatura desigual de la célula, lo que conducirá a diferentes tasas de envejecimiento de la célula y afectar a la vida de toda la batería.

Si se utiliza aire ambiente como gas refrigerante, lo denominamos sistema pasivo de refrigeración por aire. Es ligeramente diferente del sistema de refrigeración por gas activo. Por un lado, es necesario filtrar el aire para evitar el polvo, el vapor de agua y otras contaminaciones en el interior de la batería. Por otro lado, la capacidad de refrigeración se limita a reducir la temperatura a la temperatura ambiente. Por ejemplo, si la temperatura ambiente es de 30 ℃, entonces el sistema de gestión térmica sólo puede enfriar la batería a 30 ℃, pero normalmente los sistemas de gestión térmica activa pueden cambiar entre los modos de refrigeración activa y pasiva.

Otro reto de la refrigeración por gas es la dificultad del diseño del sistema, que entra en conflicto con la necesidad de sellar la batería. El sistema de refrigeración por gas suele ser un sistema abierto, lo que dificulta que el pack de baterías cumpla la norma de embalaje IP69. Si la batería está dentro del vehículo, edificio o contenedor, el problema del embalaje está bien resuelto, mientras que si la batería está instalada en el exterior, es difícil de solucionar.

Refrigeración líquida

Los líquidos son otro medio de refrigeración habitual en los sistemas de gestión térmica activa, y suelen ser mezclas 50/50 de agua y etilenglicol, el mismo refrigerante que se utiliza en los motores. El sistema consta de un sistema de distribución integrado en la batería, normalmente con varias tuberías e intercambiadores de calor, y varias placas de intercambio de calor distribuidas por la superficie de la célula de la batería. La ventaja del sistema de refrigeración líquida es que el calor de la célula puede transferirse de forma rápida y eficaz. También puede servir como sistema de calefacción para proporcionar flujo de calor en respuesta a condiciones de frío en invierno. La desventaja de este sistema es que la masa es relativamente pesada y existe riesgo de fugas. Como el sistema de refrigeración líquida es un sistema cerrado, el problema del embalaje se resuelve fácilmente para el pack de baterías instalado en un entorno externo.

En un pack de baterías con un sistema de refrigeración líquida, hay dos formas de gestionar el calor de una célula de iones de litio. La primera consiste en utilizar férulas bien conductoras unidas directamente a la célula y hacer pasar el líquido refrigerante/calentador directamente a través de las férulas. El segundo método consiste en utilizar una única férula que permita el paso del líquido, con una serie de paneles de refrigeración fijados a la férula. En lugar de colocarse directamente sobre los paneles, las células se fijan a ellos.

Otra clasificación de los sistemas de gestión térmica es directa e indirecta. A veces, la refrigeración directa se refiere al contacto directo del medio de refrigeración/calentamiento con la célula, mientras que la refrigeración indirecta se refiere al flujo del medio de refrigeración/calentamiento a través del intercambiador de calor que está en contacto directo con la célula. En la práctica, es más factible utilizar un sistema de refrigeración directa por aire, en el que el sistema de gestión térmica puede diseñarse para empujar o bombear aire a través de la célula.

Sistemas de refrigeración

Los sistemas de refrigeración por líquido refrigerante también son un método de gestión térmica de las baterías. Los sistemas de refrigerante tienen muchas de las ventajas de los sistemas de refrigeración líquida, pero su coste es elevado. En el lado positivo, por supuesto, eliminan el peligro de fugas de líquidos de las baterías. El Grupo Behr (ahora Mahler International GMBH) es un ejemplo típico de introducción de refrigerante en el sistema de refrigeración de baterías para vehículos híbridos y eléctricos puros.

Tubos de calor

Para los grandes sistemas de almacenamiento de energía, se ha debatido y evaluado el uso de "tubos de calor" en varios tipos de sistemas de gestión térmica de baterías de iones de litio, pero aún no hay una buena solución que equilibre rendimiento y coste. En principio, los tubos de calor combinan dos principios termodinámicos para transferir calor: la conducción y la transición de fase. Un tubo de calor es un tubo metálico con un líquido especial en su interior. Al calentarse, el líquido del interior se evapora en forma de gas hasta el otro extremo del tubo, que vuelve a convertirse en líquido en condiciones de refrigeración. Los tubos de calor ya se utilizan en ordenadores portátiles, pero no en coches ni en grandes dispositivos de almacenamiento de energía. El mayor problema de los tubos de calor en los coches es que el calor del paquete de baterías de un coche es demasiado alto. Cuando todo el líquido se convierte en gas y no se puede enfriar a tiempo, el sistema deja de convertir el calor.

Refrigerador de semiconductores

Otro dispositivo de gestión térmica es un refrigerador de semiconductores, el dispositivo Peltier. El dispositivo Partie no es mecánico y consta de dos tipos diferentes de materiales. Cuando entra corriente eléctrica por un extremo del dispositivo, se transfiere calor de un extremo al otro, y esta sinergia térmica ayuda a la batería a transferir calor. Este modo de funcionamiento es el sistema híbrido de gestión térmica mencionado anteriormente. El sistema híbrido de gestión térmica consta de diferentes tipos de medios, como líquido, aire y otros medios de refrigeración, combinados con el sistema de la batería. Por ejemplo, se puede encerrar un ventilador eléctrico dentro de una batería o módulo para hacer circular aire dentro de la batería, que se puede combinar con un intercambiador de calor (como un tubo de soporte de aluminio o un dispositivo Partie) para permitir que el aire fluya sobre la superficie. Todo el líquido refrigerante se encuentra en el exterior de la batería, y el equipo de transferencia de calor enfría el gas que circula por el interior de la batería.

Caída de presión

La caída de presión debe tenerse en cuenta en el diseño de los sistemas de gestión térmica. La presión del fluido es diferente donde entra y donde sale. El fluido puede ser líquido o gaseoso, y medir la cantidad de presión que el sistema tiene que superar garantiza el flujo continuo del fluido a través del sistema de refrigeración. En un sistema de refrigeración por líquido, la caída de presión determina el tamaño de la bomba seleccionada y la velocidad a la que fluye el fluido, lo que garantiza que el fluido pase a través del sistema de refrigeración. En un sistema de refrigeración por gas, la caída de presión puede seleccionarse seleccionando el tamaño del ventilador y el caudal para garantizar que el gas fluya a través del sistema.

Sistema pasivo de gestión térmica

La gestión térmica pasiva se refiere a la gestión de la temperatura de la célula sin introducir activamente gas, líquido o medio refrigerante en la batería. La gestión térmica pasiva puede llevarse a cabo de varias maneras.

Utilice el embalaje exterior de la pila

Una gestión térmica pasiva de uso común consiste en utilizar el envoltorio exterior de la pila para conducir y disipar el calor, es decir, el envoltorio de aluminio o acero inoxidable se utiliza para transferir eficazmente el calor de la célula al envoltorio de la pila y, a continuación, irradiar el calor al entorno. Esta gestión térmica pasiva es eficaz para las baterías con tasas de descarga bajas porque producen menos calor y se calientan a un ritmo más lento.

Utilizar el disipador de calor

Otro diseño de refrigeración pasiva utiliza el disipador de calor para disipar el calor generado por la batería y, a continuación, utiliza el flujo de aire natural generado por el coche para que fluya pasivamente a través del disipador de calor y enfríe la batería.

Utilizar material de cambio de fase

Además, otro método de refrigeración pasiva es utilizar material de cambio de fase (PCM). Por material de cambio de fase se entiende el material que absorbe calor dentro de un determinado intervalo de temperatura y luego cambia de fase. Aunque el Cambio de Fase no es sólo la transformación sólido-líquido, el Cambio de Fase endotérmico se utiliza generalmente para Cambiar de Fase sólida a Fase líquida. O más exactamente, de la fase sólida a la fase blanda. En estos diseños, el PCM suele ser un material sólido, como la parafina o el grafito, que puede introducirse en una célula. Cuando la célula se calienta, el PCM absorbe calor y se ablanda o funde. El PCM es un buen método de refrigeración porque puede absorber mucho calor mediante transiciones de fase y es relativamente rentable. Pero el material tiene una temperatura máxima de funcionamiento a partir de la cual se funde completamente y ya no puede absorber calor.

Ventajas e inconvenientes de los sistemas pasivos de gestión térmica

La mayor ventaja de los sistemas de gestión térmica pasiva es su bajo coste, ya que no hay hardware adicional de intercambio de calor; La desventaja es que la respuesta es relativamente lenta, la velocidad de enfriamiento está relacionada con la temperatura ambiente, y la temperatura de la célula sólo puede reducirse a la temperatura ambiente.

Protección contra la temperatura y aislamiento

Otro aspecto del sistema de gestión térmica es la integración de paneles de aislamiento térmico en la zona del foco, cuyo objetivo es transferir e igualar el calor de los componentes externos e internos. Según el diseño del sistema de almacenamiento de energía, la ubicación de la instalación y la generación de calor, puede ser necesario añadir algunas placas de acero o aluminio para evitar el calor radiante y alejarlo de las baterías de iones de litio. También existen paneles aislantes más avanzados con diseños tipo sándwich en los que dos placas metálicas están separadas por material aislante para separar el calor de partes específicas del sistema.

En algunos sistemas, la propia carcasa de la batería puede actuar como escudo térmico sin necesidad de blindaje térmico adicional. Para mantener el calor de la batería dentro y fuera de la carcasa del módulo, se pueden utilizar aislantes térmicos. Los aislantes térmicos se utilizan en estos sistemas por dos razones. En verano y en entornos calurosos, pueden utilizarse para proteger la batería de temperaturas ambiente excesivas. En zonas frías o en invierno, puede utilizarse para evitar la pérdida de calor. Pero incluso en estos sistemas, es necesario proteger los componentes electrónicos del calor de la batería.

Termopar y medición

La medición de la temperatura es la tecnología clave en el diseño y la gestión del sistema de gestión térmica. Como la conductividad térmica de la pila de iones de litio no es buena, y el objetivo de la gestión térmica es controlar la temperatura de la pila, teóricamente la mejor posición para conocer la temperatura real dentro de la pila de iones de litio es dentro de la pila. Sin embargo, es muy difícil instalar un sensor de temperatura en el interior de una batería, aunque se incorpore al diseño de la célula, pero los riesgos de seguridad resultantes y el aumento de los costes de fabricación hacen que ese diseño deba utilizarse, como mucho, para la investigación y no para la producción en serie. Por lo tanto, la temperatura medida por el sistema de gestión térmica de la batería es en realidad la temperatura de la superficie de la célula de la batería.

La posición y el número de sensores de temperatura instalados

Los sensores de temperatura suelen instalarse en tres lugares de la célula: cerca del terminal, en el centro de la superficie y más lejos del terminal. Un fototermistor puede suponer un coste significativo en un sistema práctico de gestión térmica si la temperatura de cada célula se mide en tres lugares. En consecuencia, se suelen montar dos o tres sensores de temperatura por módulo en aproximadamente los mismos lugares en los que se instalan para medir la temperatura de las células: uno en la primera célula del módulo, otro en el centro del módulo y otro en el extremo del módulo. Por supuesto, cuántos sensores instalar y dónde instalarlos son las cuestiones más apropiadas en el diseño del módulo, que deben determinarse mediante pruebas de caracterización del módulo y análisis de simulación CFD.

Función del sensor de temperatura

El sensor de temperatura es un componente importante del Sistema de Gestión Térmica (TMS). Por ejemplo, controla la temperatura de las cadenas de baterías. Cuando la temperatura es demasiado alta o demasiado baja, el sensor de temperatura se comunica con el BMS. Además, los diseños de refrigeración por líquido y aire también requieren sensores de temperatura para controlar la temperatura del líquido (o gas) que entra y la temperatura del líquido (o gas) que sale. En este caso, el sensor de temperatura debe instalarse en el destello de la cadena de baterías.

En general, la temperatura ambiente externa es diferente de la temperatura interna del sistema de energía. Muchas especificaciones establecen que el sistema puede funcionar en un rango de temperaturas de 0 a 70 °C, no la temperatura que puede alcanzarse en el interior de la batería, sino la temperatura del ambiente externo en el que funciona la batería. El sistema de gestión térmica debe mantener la célula de iones de litio a una temperatura de funcionamiento adecuada. Por lo tanto, para un entorno de temperatura más alta, el aire preenfriado o el sistema de refrigeración por refrigerante necesita reducir la temperatura de la célula a unos 23; En climas más fríos, los calentadores son necesarios para proporcionar gas caliente o líquido en el paquete de baterías para elevar la temperatura de funcionamiento de la batería.

Dos tipos de sensores de temperatura

Los sistemas de baterías suelen utilizar dos tipos de sensores de temperatura: Los Termopares (TC) y los Negativos Theral Coficients (NTC), que miden la temperatura a través de dos piezas de metal con uno o más puntos de contacto. Se genera un voltaje cuando las dos piezas de metal están a temperaturas diferentes, de la misma forma que funciona el Peltir. El rango de temperatura de medida del Termopar es relativamente amplio, es de -180~1800℃, mientras que el rango de medida que se suele utilizar es de 0~1100℃.

Coeficiente de temperatura negativo

Coeficiente negativo de temperatura (NTC) El valor de resistencia del termistor disminuye con el aumento de la temperatura. Las resistencias NTC pueden probarse normalmente en el rango de temperatura de -50 ℃ a 150℃, pero para algunas resistencias NTC especiales, como las células NTC recubiertas de vidrio pueden funcionar a 300℃. El rango de temperatura, la durabilidad, el coste, la estabilidad y el rendimiento son criterios importantes para la selección del sistema de gestión térmica de la batería.