¿Por qué es importante el sistema de gestión térmica de baterías?

En este artículo se analiza la sistema de gestión térmica de baterías mencionado en el artículo anterior. Las células de iones de litio prefieren un rango de temperatura muy similar al de los seres humanos, en torno a los 23 ℃. El sistema de gestión térmica de la batería ajusta la célula a la temperatura adecuada enfriándola o calentándola.

Un sistema sencillo de gestión térmica de baterías consiste en instalar un intercambiador de calor en la batería para mantener la célula a una temperatura constante. Hay muchas formas de hacerlo, pero la más común es transferir calor de la célula al exterior de la misma a través de algún medio.

¿Por qué es importante un sistema de gestión térmica de baterías?

Para la célula, la temperatura más adecuada es de unos 23℃. En un paquete de baterías, también hay una diferencia de temperatura entre las celdas del paquete. En general, el sistema de gestión térmica de la batería debe mantener la diferencia de temperatura entre las celdas de la cadena de baterías dentro de dos o tres grados, y en las peores condiciones, la diferencia de temperatura debe controlarse dentro de 6~8℃.

La gestión térmica es muy importante, porque la alta temperatura es una condición sensible para acelerar el envejecimiento de la célula. Cuando la diferencia de temperatura de la célula dentro del pack de baterías es demasiado grande, la velocidad de envejecimiento de cada célula también será muy diferente. Una célula caliente suele envejecer más rápido que una fría, y la vida útil de un pack de baterías depende de la célula con peor rendimiento, por lo que un desequilibrio de temperatura implica una reducción de la vida útil prevista del pack de baterías.

Consideraciones sobre el sistema de gestión térmica de la batería

Tres factores：tipo de batería, entorno de funcionamiento, estado de la célula.

Los sistemas complejos de gestión térmica de baterías dependerán en gran medida de tres factores. El primer factor es el tipo de batería que funcione. Una batería de alta potencia producirá mucho calor, mientras que una batería de energía producirá mucho menos calor. El segundo factor es el entorno en el que se utiliza la batería.

Si la batería se utiliza a temperaturas más altas, significa que ya está caliente cuando empieza a funcionar. El tercer factor es el estado de la propia pila. Las pilas de distintos sistemas materiales tienen temperaturas diferentes.

Por tanto, hay que tener en cuenta estos tres factores a la hora de diseñar un sistema de gestión térmica de baterías.

Tres tipos de intercambio de calor: conducción, convección y radiación

Mientras tanto, en el diseño de la batería y del sistema de gestión térmica de la batería hay que tener en cuenta tres tipos de intercambio de calor: conducción, convección y radiación. La conducción es la transferencia directa de calor entre dos objetos en contacto; la convección es la transferencia de calor a través de un medio que fluye hacia un dispositivo de absorción de calor.

La radiación se refiere a la difusión de energía hacia el exterior en forma de ondas electromagnéticas o partículas, normalmente a través de un gas o del vacío. Estos tres modos de transferencia de calor deben tenerse en cuenta en el diseño del sistema, pero la conducción de calor y la convección de calor son los principales factores a considerar en el diseño del sistema de gestión térmica de baterías.

La célula de iones de litio de la bolsa se monta con la unidad de refrigeración a la derecha y el estante adyacente a la izquierda. El calor de la célula a la placa de refrigeración, y luego al canal de refrigeración, a través de la forma de conducción de calor para lograr. El medio que fluye en el canal de la placa de refrigeración elimina el calor mediante convección térmica.

El calor de la célula se transfiere al bus por conducción. El bastidor utilizado como soporte mecánico en el lado izquierdo de la célula no tiene contacto directo con ésta, y el calor de la célula se transfiere por radiación térmica.

Cuando la célula se descarga, genera calor, que se transfiere al bus y a otros componentes conectados a la célula por conducción térmica. Los sistemas de gestión térmica de baterías que utilizan líquidos los calientan o enfrían por convección. Del mismo modo, la célula puede enfriarse por convección utilizando gas frío.

No se pueden ignorar los efectos del calor radiante. Aunque la célula calefactora no esté directamente conectada a otras células o componentes, puede calentarse por radiación. Del mismo modo, si el sistema de gestión térmica de la batería no está bien diseñado, el componente electrónico calefactor también puede afectar a la célula por radiación.

Ajuste la temperatura del sistema de gestión térmica de la batería

Las baterías de iones de litio funcionan bien en el rango de temperaturas de 10-35 ℃, lo que significa que el mantenimiento de la temperatura del sistema de gestión térmica de la batería debe establecerse dentro de este rango de temperatura. Esta es también la temperatura que el paquete de baterías debe mantener en la mayoría de los casos.

En este rango de temperatura, la batería no sufrirá reacciones secundarias adicionales de oxidación-reducción.

La mayoría de las baterías de iones de litio no pueden funcionar por debajo de -20℃ ni por encima de 45℃. Por debajo de -40℃, el electrolito se solidificará o precipitará la sal de litio, en este momento la impedancia de la célula aumenta significativamente, la movilidad de los iones es pobre, la capacidad y la potencia de la célula se reducen significativamente.

Cuando la temperatura de la batería supera los 60℃, los materiales del ánodo y el cátodo en estado de carga se vuelven inestables.

El calor es un concepto y un parámetro importante que debe utilizarse en el diseño del sistema de gestión térmica de baterías. El calor es un tipo de expresión de la energía. Todos los objetos de masa de la batería pueden absorber calor, incluidos todos los componentes de la célula y la batería. La cantidad de calor que absorbe cada objeto está directamente relacionada con su masa y su capacidad calorífica específica (características del material).

Por ejemplo, un bus de cobre de la misma masa puede absorber más calor que el plástico. Si la cantidad de calor absorbida por el objeto supera el umbral para un cambio de fase o reacción, el material empieza a cambiar. Los plásticos se funden o queman, y los metales se funden u oxidan. Salvo en el caso de algunos componentes electrónicos en contacto directo con la fuente de calor, el calor no suele ser una consideración importante en el diseño.

Sin embargo, en una batería con refrigeración pasiva o en una situación sin dispositivo de refrigeración, debe estimarse el efecto del calor. Si se aplica a zonas con temperaturas más elevadas, podría ayudar. En este entorno, el pack absorbe calor de su entorno, lo que obliga al sistema de gestión térmica de la batería a trabajar duro para mantener baja la temperatura.

Por ejemplo, en Arizona, la temperatura ambiente en verano es de 38-44 ℃ o superior, y la batería absorbe calor del ambiente. Por tanto, es necesaria una refrigeración activa para reducir la alta temperatura inicial de la batería a 23 ℃, mejorando así el rendimiento y la vida útil del sistema de baterías.

Evolución del desbordamiento térmico

Si la temperatura de la batería es superior a 90℃, el separador a base de polímero comenzó a derretirse y ser destruido, y entre 90~130℃el separador seguirá siendo destruido, hasta que el cortocircuito interno entre el cátodo y el ánodo, entonces la célula aparecerá control térmico.

En la práctica, el desbordamiento térmico significa que la célula alcanza una temperatura lo suficientemente alta como para producir su propio calor, seguido de combustión o explosión (lo que a menudo se denomina "Desmontaje Rápido").

Una vez que el núcleo supera el umbral, no hay forma de evitar el calor espontáneo y provocar el desbocamiento térmico. El umbral de temperatura de fuga térmica de las distintas baterías de iones de litio es diferente. Algunas baterías pueden desencadenar el desbordamiento térmico a bajas temperaturas, como 120℃, mientras que otras pueden superar los 140℃.

La evolución del desbocamiento térmico comienza con la descomposición de las sustancias químicas del interior de la célula, seguida de una serie de reacciones secundarias de evolución del oxígeno, que aceleran la combustión continua de la célula. Si la célula está lo suficientemente sellada como para evitar que el oxígeno del aire entre en contacto con el material combustible de la célula, la combustión no se mantendrá cuando se agote el oxígeno del interior de la célula.

Los estudios demuestran que la temperatura máxima puede superar los 600~800℃ cuando el calor está fuera de control. La temperatura específica depende del tamaño de la célula y del número de células fuera de control. Hay pocas formas eficaces de prevenir el fallo de las baterías de iones de litio causado por el desbordamiento térmico.

Los diseñadores intentan mejorar la seguridad del paquete de baterías en la medida de lo posible mediante el diseño del sistema de gestión térmica de la batería, aislando la célula averiada o ventilando el gas generado por la célula averiada. En cualquier caso, la gestión de los fallos de las celdas requiere un enfoque holístico del sistema. Pero hasta ahora no hay ninguna forma eficaz de prevenir el fallo de la célula.

Términos relacionados con el sistema de gestión térmica de baterías

También debemos comentar brevemente algunos de los términos relacionados con el diseño y las pruebas del sistema de gestión térmica de baterías, primero describiéndolos un poco para comprender mejor estos conceptos.

Adiabático

El primer término es Adiabático. Adiabático está relacionado con la primera ley de la termodinámica. En este contexto, adiabático significa que no hay intercambio de calor entre el mundo exterior y la batería. En el campo de las baterías de iones de litio, las características térmicas de las células de iones de litio suelen probarse en condiciones adiabáticas.

El método consiste en colocar la célula en una cámara caliente que cambia de temperatura para que permanezca a la misma temperatura que la célula mientras se está probando. Esto permite calcular con precisión cuánto calor genera la célula en un entorno de funcionamiento determinado.

Reacciones exotérmicas y reacciones endotérmicas

Otro término es "Reacciones Exotérmicas" y "Reacciones Endotérmicas", la reacción exotérmica se refiere a aquella que libera energía en el ambiente, provocando su calentamiento. La reacción endotérmica es aquella que absorbe calor del entorno y disminuye la temperatura ambiente.

La gran mayoría de las baterías de iones de litio se descargan (liberan energía) en una reacción exotérmica, que requiere un sistema de gestión térmica de la batería para procesar el calor generado.