¿Por qué se calienta la batería al cargarla?

¿Por qué se calienta la batería? Necesitamos una gestión térmica de la batería

El calentamiento de la batería procede generalmente del calor de reacción química y del calor joule debido a la impedancia en el proceso de extracción o inserción de iones de litio en la célula, o de la energía desequilibrada consumida por el calor en el proceso de equilibrio pasivo de la célula, y del calor generado por el funcionamiento de los dispositivos electrónicos y el sistema de gestión térmica del pack de baterías.

En el diseño del sistema de gestión térmica de baterías, no debe ignorarse la influencia del calentamiento de la batería en los dispositivos electrónicos. Si no se tienen en cuenta las medidas de protección adecuadas, como los sistemas de gestión térmica de la batería, o si no se encuentran ubicaciones apropiadas para estos dispositivos electrónicos, estos dispositivos electrónicos calentados pueden afectar negativamente a la vida útil de la celda.

Además, la alta tasa de descarga hace que se genere más calor dentro de la célula, por lo que la batería se calienta. Si a menudo a una mayor tasa de descarga, entonces el tiempo de intervalo de la célula es corto, no hay suficiente tiempo de enfriamiento, la temperatura de la célula aumentará gradualmente;

Al mismo tiempo, el sistema de gestión térmica no tiene tiempo suficiente para movilizar el sistema de refrigeración para bajar la temperatura de la célula. Se puede establecer una buena analogía con el efecto escalera; cuando se pisa el acelerador, la batería se descarga rápidamente.

A medida que la batería sigue cargándose y descargándose, el sistema de gestión térmica de la batería no tiene tiempo de enfriarla desde la última descarga, lo que provoca un aumento constante de la temperatura de la batería.

Por ejemplo, la batería de un vehículo eléctrico híbrido convencional se descarga continuamente durante la conducción e inmediatamente después vuelve a cargarse, de modo que, tras un ciclo de carga y descarga, puede que la batería no tenga tiempo de enfriarse antes de iniciar un nuevo ciclo.

De este modo, la temperatura de la batería aumentará lenta y continuamente. Si se deja la batería fuera de servicio durante un cierto tiempo, el sistema de refrigeración puede reducir la temperatura de la batería hasta su rango de temperatura de funcionamiento normal.

La figura muestra el aumento de la temperatura de la batería en este modo de funcionamiento. Aunque no se trata de datos reales de rendimiento, este modelo de generación de calor sería el esperado en aplicaciones similares.

¿Es malo que la batería se caliente? necesidad de gestión térmica de la batería

Para maximizar el rendimiento de las pilas de iones de litio, es necesario mantenerlas entre 23 y 25℃durante el ciclo de servicio. Sin embargo, durante el funcionamiento, la célula experimenta un proceso exotérmico: la batería se calienta debido a la aparición de reacciones químicas exotérmicas dentro de la célula y a la resistencia interna de la misma.

Independientemente del proceso exotérmico o de la elevada temperatura ambiente, el diseño del pack de baterías debe contar con una gestión térmica de la batería para enfriarla y mantener su rango de temperatura de funcionamiento adecuado, garantizando así el rendimiento y la vida útil del sistema de baterías.

Si la temperatura alcanza de 30 a 35℃ o más, es importante utilizar la gestión térmica de la batería para evitar que la batería se caliente continuamente y reducir la temperatura para garantizar la vida útil y el rendimiento de la batería y evitar que falle. Trabajando a temperaturas más altas, la célula perderá su vida debido al envejecimiento acelerado.

Un ejemplo práctico de batería de coche que se calienta:

He aquí un ejemplo práctico que nos da una idea más intuitiva de la importancia de la gestión térmica de las baterías. En 2012, un grupo de propietarios de Nissan en Arizona se quejaron de problemas con sus coches en un corto periodo de tiempo, desde cortas autonomías de conducción hasta un rápido deterioro de la batería. Las quejas no eran muchas, pero bastaron para llamar la atención de los medios de comunicación nacionales sobre Nissan y el sector de los coches eléctricos.

De hecho, la evaluación sistemática de los vehículos realizada por Nissan demostró que los que presentaban un deterioro de la capacidad tenían un kilometraje superior a la media y que esos propietarios solían cargar sus coches con carga rápida. Las baterías suelen tener un rendimiento medio según las especificaciones del fabricante, pero las altas temperaturas continuas y las condiciones de funcionamiento extremas pueden acelerar el declive de la capacidad de la batería, con la consiguiente reducción de la autonomía.

Aunque en el manual de usuario de estos Nissan se indican precauciones para la temperatura de la batería , como que el vehículo no debe exponerse a temperaturas superiores a 49 durante más de 24 horas; El vehículo no debe colocarse en un entorno con una temperatura inferior a -25 durante más de 7 días.

El pack de baterías de Nissan, diseñado por un AESC, no tiene un sistema activo de gestión térmica de la batería. En su lugar, utiliza módulos metálicos y el embalaje de la batería para transferir el calor. Esto significa que no hay forma de acelerar la velocidad de refrigeración para hacer frente a la elevada tasa de calentamiento continuo en entornos más calurosos o en condiciones de descarga rápida frecuente.

Aunque el envase metálico es más barato y fácil de comercializar, este diseño deja al sistema de gestión térmica de la batería con importantes inconvenientes.

Otras causas de calentamiento de la batería

Por último, en lo que respecta a la gestión térmica de la batería, debemos hablar de la electrónica de alto voltaje y los sistemas de equilibrado. La electrónica de alto voltaje es también la principal causa de que la batería se caliente en muchos sistemas, especialmente en los módulos más pequeños. Además, la ecualización de la batería convierte el exceso de energía eléctrica en energía térmica.

Esencialmente, cuando se ecualiza un módulo, también se deja que la batería se caliente. En el caso de la carga en tres etapas, la mayoría de los sistemas de baterías están diseñados para activar rápidamente el sistema de gestión térmica durante estos eventos de carga, de lo contrario el módulo generará un calentamiento rápido.

Si no hay un sistema de refrigeración durante la carga rápida, el calor generado es lo suficientemente alto como para que decaiga la capacidad de la batería, o el calor generado es lo suficientemente alto como para apagar el sistema de la batería antes de que se enfríe. Este sobrecalentamiento puede provocar problemas de fiabilidad en los sistemas de módulos de baterías, así como el rápido deterioro de las baterías de iones de litio.

La acumulación de calor provocada por el calor generado en el sistema de baterías suele ser fácil de enfriar mediante el aire frío que la rodea. Sin embargo, el diseñador en este caso debe asegurarse de que el aire fluya primero hacia la célula y luego hacia la electrónica, o que el aire fluya en paralelo hacia la electrónica y la célula.

La mayoría de los dispositivos electrónicos tienen un rango de temperatura de funcionamiento más amplio que el de la pila, por lo que es más eficaz enfriar la pila antes que el dispositivo electrónico. Aunque la refrigeración líquida es más rápida, es difícil enfriar los dispositivos electrónicos por este método a menos que la placa de refrigeración esté diseñada dentro de la pila. Además, para garantizar la seguridad, la posición de los dispositivos electrónicos debe diseñarse especialmente en el diseño del sistema de almacenamiento de energía.

El calentamiento de la batería no es la única razón para su gestión térmica

Otra función que necesita un sistema de gestión térmica es calentar la batería. En general, los diseñadores de sistemas de baterías no quieren calentar activamente la batería a menos que ésta se encuentre a una temperatura muy baja y la velocidad de calentamiento no sea demasiado alta.

La mayoría de las baterías de iones de litio utilizan electrolitos líquidos, que pueden solidificarse o perder conductividad a temperaturas bajo cero, impidiendo que las celdas suministren tanta energía como deberían a temperaturas más bajas.

En los sistemas refrigerados por líquido, se puede añadir una bomba de calor al sistema para proporcionar fluido caliente a través del bucle de refrigeración, lo que hará que la batería se caliente lentamente. Otro método que puede haberse utilizado es emplear un calentador de membrana.

Otra situación es que el calentador no se utiliza principalmente para la calefacción, pero para reducir la tasa de enfriamiento de la batería, como el coche dejó de usar en el uso al aire libre, y la temperatura de la batería después de unos días para reducir a 25℃, durante el cual el sistema de batería del vehículo tendrá un buen rendimiento.

Además, aunque el calentador suele alimentarse del propio paquete de pilas, se pierde algo de energía, pero esta pérdida es pequeña y temporal.