Impulsar la eficiencia con los secretos del sistema de gestión térmica de baterías

Introducción

¿Qué es un sistema de gestión térmica de baterías?

Por qué el control de la temperatura no es negociable

• Rendimiento Optimización: En un rango óptimo de temperatura, una batería rinde al máximo. A temperaturas demasiado bajas, aumenta la resistencia interna, lo que se traduce en menos potencia generada, menos cantidad de carga y menos cantidad de energía. Por otro lado, las altas temperaturas pueden inducir la aceleración de las reacciones químicas, lo que puede provocar la pérdida de capacidad y aumentar la probabilidad de embalamiento térmico. Un ejemplo es una batería de iones de litio, que a una temperatura baja (0 °C) puede proporcionar la mitad de su capacidad nominal con respecto a una temperatura alta (25 °C), y trabajando a una temperatura alta (50 °C) puede tener un ciclo de vida de sólo un pequeño porcentaje de la que tiene a una temperatura más baja. Por tanto, se puede maximizar el rendimiento asegurando que el control de la temperatura de la batería sea uniforme.
• Prolongación de la vida útil: Probablemente, el factor más crucial en términos de influencia sobre la degradación de la batería es la temperatura de la misma. Un aumento de la temperatura cataliza reacciones secundarias parásitas en la batería, lo que provoca una degradación permanente de la capacidad. Una temperatura de funcionamiento estable es una condición ideal y puede aumentar el calendario y la vida útil de la batería en un grado significativo. La bibliografía indica que un incremento de 10 o C por encima de los mejores niveles de temperatura (por ejemplo, de 25 °C a 35 °C) puede reducir a la mitad la vida útil de la batería. Los modernos sistemas de gestión de baterías vigilan de cerca estas variables con la vista puesta en la durabilidad a largo plazo.
• Seguridad Garantía: Desgraciadamente, el efecto más pernicioso de una mala gestión térmica es el denominado desbordamiento térmico. Se trata de un bucle de retroalimentación positiva en el que incluso un pequeño aumento de la temperatura da lugar a un aumento aún mayor de la temperatura, lo que a menudo provoca un incendio o una explosión. La principal defensa contra este tipo de incidentes es un BTMS sólido, que realice un control continuo de las temperaturas y actúe con rapidez para evitarlos. Mantener todas las celdas de un pack a la misma temperatura también elimina la posibilidad de que una celda determinada se convierta en un punto caliente que suele preceder al desbocamiento térmico.
• Habilitación de carga rápida: Con la nueva tendencia de carga más rápida, las baterías se ven sometidas a una enorme carga térmica. Los grandes valores de corriente de carga producen mucho calor. A menos que haya un BTMS que funcione para descargar este calor de forma conveniente y rápida, el potencial de carga rápida que desea el rendimiento de la batería a largo plazo se vería extremadamente reducido debido a la degradación prematura de la batería o incluso a su explosión. Estos sistemas permiten que las baterías se carguen a gran velocidad sin dejar de generar menos energía, y la seguridad no se ve afectada al controlar la temperatura de la batería de forma inteligente.

Componentes clave y consideraciones de diseño

Hardware esencial en BTMS

• Placas/almohadillas de refrigeración: Normalmente se colocan en conexión directa con las celdas o módulos de la batería, y son el principal medio de intercambio de calor. Pueden estar hechos para tocar directamente, o también pueden utilizar un material de interfaz térmica. También pueden utilizarse materiales de alta conductividad térmica para garantizar una evacuación eficaz del calor a las superficies críticas de las celdas.
• Bombas y ventiladores: desempeñan un papel importante a la hora de impulsar fluidos refrigerantes (en el caso de sistemas líquidos) o aire (sistemas refrigerados por aire) a través del bucle de gestión térmica. Son primordiales para transferir su forma el calor generado en el proceso de funcionamiento debido a su eficacia y fiabilidad.
• Intercambiadores de calor Radiadores: Se trata de dispositivos que provocan la liberación del calor del fluido refrigerante en el entorno circundante, transformando así la energía térmica que se pierde en el paquete de baterías y manteniendo la proporción de energía eléctrica utilizada.
• Calentadores: En climas fríos, el precalentamiento es necesario, tanto para asegurar que la batería está a su temperatura óptima de funcionamiento inicial como para garantizar la eficacia óptima de carga cuando sea necesario, como el arranque en frío y la carga en frío.
• Sensores de temperatura: Una red de sensores de temperatura, tensión y corriente proporciona datos en tiempo real al controlador BTMS, lo que permite una supervisión precisa y una respuesta rápida a los eventos térmicos. Esto también contribuye a mantener una distribución uniforme de la temperatura, clave para prolongar la vida útil de la batería.
• Válvulas - Tuberías / Conductos: Permiten regular la circulación de fluido refrigerante o aire dentro del sistema, y distribuyen el calor a donde debe ir, y por lo tanto ayudan a controlar los tipos localizados de problemas de transferencia de calor.
• Materiales de interfaz térmica (TIM): Los materiales aplicados en la interfaz entre los componentes calentados (por ejemplo, las celdas de la batería) y los disipadores de calor o las placas de refrigeración pueden incluir pastas térmicas, rellenadores de huecos o almohadillas, y ayudan a mejorar la conductividad térmica de las interfaces objetivo, disminuyendo la magnitud de la resistencia térmica. Los TIM son relevantes para la uniformidad de la temperatura en el módulo.

Superar los retos de diseño del BTMS

• Consumo de energía (pérdidas parásitas): Los sistemas de refrigeración y calefacción utilizan energía eléctrica, lo que puede afectar a la eficiencia de un VE en general y a la producción neta de energía de un ESS. Es muy importante que los componentes sean eficientes (por ejemplo, bombas y ventiladores de alta eficiencia).
• Complejidad e integración de sistemas: Los BTMS son potencialmente complejos (pueden tener muchos circuitos de fluidos, sensores y sistemas de control). La capacidad de incorporarlos fácilmente a una batería o a la red troncal de un vehículo, junto con la posibilidad de realizar su mantenimiento, es algo que supondría un reto esencial para la ingeniería de una unidad de este tipo.
• Peso y Volumen: Un BTMS contribuye a aumentar el peso y el volumen del pack de baterías, lo que supone una desventaja en la densidad energética y el rendimiento del vehículo. Los diseñadores siempre quieren utilizar soluciones más ligeras y pequeñas que ofrezcan ríos de alta conductividad térmica.
• Coste: Los materiales necesarios para fabricar BTMS de alto rendimiento son especializados, el proceso de producción es complicado y los sistemas de control son sofisticados, lo que se traduce en un elevado coste de explotación. isto, levantagens. Equilibrar el compromiso entre rendimiento y rentabilidad es una variable esencial para el despliegue a gran escala, especialmente dentro de varias clasificaciones primarias de aplicaciones de baterías.
• Uniformidad de temperatura: Es muy difícil que todas las celdas de una batería de gran tamaño tengan la misma temperatura. Esto puede provocar una degradación desigual, ya que los puntos calientes o fríos pueden acortar la vida útil total del pack. El requisito asociado a este reto es la utilización de canales térmicos innovadores, TIM de alto rendimiento y una gestión precisa del flujo para garantizar una distribución uniforme de la temperatura.
• Mantenimiento y fiabilidad: Los componentes del BTMS, especialmente los que están asociados al flujo de fluidos, tienen que diseñarse para ser fiables y fáciles de mantener ahora y en el futuro. El fallo de un componente puede ser perjudicial para la eficiencia del sistema de baterías y puede deberse a una fuga o a otros factores.

Diferentes tipos de BTMS

Sistemas de refrigeración activos

• Refrigeración por aire: Es el más barato y sencillo, además de ser el más eficaz. Disipa su calor al aire circundante, que suele ser movido por los ventiladores o sopladores. Aprovechar la eficacia del flujo de aire es el principal factor que hay que tener en cuenta para conseguir el máximo rendimiento. Ya resulta apropiado en los paquetes de baterías más pequeños con densidades de potencia más bajas (por ejemplo, en algunos coches híbridos o vehículos eléctricos ligeros), pero no puede ser totalmente eficaz en aplicaciones de carga rápida de alta potencia debido a su escasa conductividad térmica. Sus aspectos positivos son su sencillez, su bajo peso y la posibilidad de que no haya fugas.
• Refrigeración líquida: Es la forma más extendida de refrigeración activa de baterías de alta potencia (por ejemplo, la tendencia actual de los VE o los ESS de alta potencia). Se utilizan refrigerantes líquidos (por ejemplo, mezclas de glicol y agua, fluidos de avioducto), que son mucho más conductores térmicamente que el aire y más eficientes en el manejo de baterías en estado líquido durante la operación. La refrigeración líquida puede llevarse a cabo de dos maneras:
  • Refrigeración líquida indirecta: Una solución de refrigeración indirecta por líquido implicaría un circuito de refrigerante dentro del refrigerador de difusión de placas o tubos fríos. Las células nunca tienen contacto directo con el refrigerante. Este es el medio más extendido y normalmente forma parte de un circuito de refrigeración más grande alrededor de otras unidades como radiadores o enfriadores.
  • Refrigeración por inmersión directa: La refrigeración por inmersión directa implica la inmersión directa de las celdas de la batería en un refrigerante dieléctrico no conductor. Tiene un mayor rendimiento de transferencia de calor y homogeneidad de temperatura, y su control preciso requiere fluidos dieléctricos especiales y un sellado adecuado.
• Refrigeración por refrigerante (refrigeración por expansión directa): Al igual que un sistema de aire acondicionado, el sistema enfría el paquete de baterías, pero lo hace directamente mediante un refrigerante. Es capaz de ofrecer refrigeración y calefacción potentes, pero conlleva una complejidad y un coste adicionales.

Refrigeración pasiva

• Convección natural y radiación: La simple manipulación de la transferencia de calor a través de corrientes de aire, así como un tipo de calor llamado luz infrarroja, es irradiado por la superficie de la batería. Bajo rendimiento en cargas térmicas pesadas, pero los materiales conductores térmicos pueden aumentar el nivel de transferencia superficial.
• Disipadores de calor: Armazones metálicos de gran superficie que hacen circular el calor hacia el aire ambiente por medios pasivos. Los disipadores de calor suelen utilizarse en combinación con otras técnicas de refrigeración, y pueden combinarse con tubos de calor, recipientes sellados que aprovechan tanto la transición de fase como la fuerza capilar para transportar el calor fuera de los puntos calientes.
• Cambio de fase (PCM): Materiales que pueden absorber una enorme cantidad de calor latente cuando experimentan una transición de fase (por ejemplo, de sólido a líquido) a una determinada temperatura y devolver una cantidad equivalente de calor cuando la transición de fase se produce en sentido contrario. Son capaces de absorber picos de temperatura elevados y mantener la batería dentro de unos límites razonables durante un periodo de tiempo más corto. Junto con el hecho de que son frágiles, los PCM ofrecen una solución fácil pero robusta, con escaso potencial de almacenamiento de calor, y pueden ser pesados. Requieren que la temperatura ambiente esté por debajo de su punto de fusión para regenerarse.

  Tipo BTMS	Medio primario	Ventajas	Desventajas	Aplicación típica
  Refrigeración por aire	Aire	Sencillo, barato y ligero	Bajo coeficiente de transferencia de calor, poca uniformidad	VE de baja potencia, VEH
  Refrigeración líquida	Líquido	Alta transferencia de calor, buena uniformidad, control preciso	Complejo, posibilidad de fugas, más pesado	VE de alta potencia, ESS
  Refrigeración por inmersión	Fluido dieléctrico	Excelente transferencia de calor, uniformidad superior	Fluido especializado, coste, retos de sellado	HPC, VE del futuro, ESS
  Pasivo (PCM)	Material de cambio de fase	Simple, sin potencia activa, eficaz para transitorios	Almacenamiento de calor limitado, regeneración necesaria, más pesado	BTMS híbrido, tampones

Enfoques híbridos

Aplicaciones del BTMS

Elegir el sistema de gestión térmica de baterías adecuado

• Química y diseño de baterías: Las químicas específicas de las baterías (por ejemplo, LFP, NMC) presentan diferentes sensibilidades térmicas, así como regímenes de temperatura ideales. El factor de la forma física de las celdas (cilíndricas, en bolsa, prismáticas) también determinará la eficacia de la transferencia de calor. El flujo de aire directo puede ser útil en un conjunto de células cilíndricas, al igual que el contacto de placas frías o los sistemas basados en un cambio de fase y una mayor capacidad de almacenamiento térmico en células prismáticas grandes.
• Requisitos de la solicitud:
  • Densidad de potencia y potencia máxima: Los productos de alta potencia (por ejemplo, VE deportivos, ESS de respuesta rápida a escala de red) pueden extraer una enorme cantidad de calor, por lo que debe aplicarse un mecanismo eficaz de refrigeración activa, como la refrigeración líquida o por inmersión. Otras aplicaciones que requieren menos potencia pueden emplear refrigeración por aire.
  • Velocidad de carga: Mientras que la disipación rápida del calor es necesaria para evitar la degradación y el desbordamiento térmico debido a la carga rápida y ultrarrápida, lo contrario ocurre con la carga lenta.
  • Funcionamiento Medio ambiente: Las severas condiciones ambientales de temperatura (frío y calor) exigen un Btms con sistemas de calefacción y refrigeración de alta potencia. Los sistemas basados en aire a gran altitud también tienen sus propios retos, ya que hay menos densidad de aire, lo que repercute directamente en los métodos de refrigeración por aire basados en ventiladores.
• Compromisos entre coste y rendimiento: Los BTMS más avanzados tienen mejores prestaciones, pero son más caros. Un análisis intensivo de la relación coste-beneficio debe garantizar un compromiso entre la inversión inicial y las mejoras en la vida útil de la batería y la eficiencia a largo plazo.
• Limitaciones de espacio y peso: En un caso de uso como el de los vehículos eléctricos, cualquier kilo o centímetro cúbico cuenta. También se buscan especialmente sistemas BTMS ligeros y compactos, y son una fuerza común de la innovación en ciencia de materiales, sobre todo cuando se trata de elegir materiales capaces de proporcionar una capacidad térmica aceptable al coste adecuado y, por supuesto, también tienen que hacer que la estructura sea mínimamente pesada.
• Mantenimiento y fiabilidad: El sistema que se seleccione debe ser fiable dentro de la vida útil prevista y debe ser fácil de mantener. Para ello, son cruciales factores como la compatibilidad de los fluidos, la integridad de las juntas y la vida útil de los componentes.
• Seguridad Normas y reglamentos: Existen estrictas normas de seguridad internacionales (por ejemplo, UN ECE R100, ISO 26262) y locales que deben seguirse en el diseño y validación del BTMS, especialmente en lo que se refiere a la propagación de fugas térmicas.
• Un estudio más demostrativo de estos aspectos (normalmente respaldado por simulación y modelado) ayudará al ingeniero y al integrador del sistema a decidir cuál es el BTMS mejor y más adecuado en una circunstancia determinada.

Potencia un rendimiento óptimo: Cómo ACDC FANS mejora el BTMS

• Gran Durabilidad/Longevidad en condiciones extremas: Esta es una preocupación clave en BTMS y es uno de los principales problemas a los que se enfrenta el desarrollo de BTMS. Nuestros ventiladores están diseñados para un régimen de temperaturas tan bajo como -40 °C y tan alto como 120 °C, lo que es bastante más duro de lo habitual. Nuestra dedicación a la larga duración es ejemplar: nuestros ventiladores tienen una vida útil de 70.000 horas a 40 °C. En lugares de gran altitud, con menor densidad de aire, nuestros ventiladores demuestran ser muy resistentes, con un tiempo medio de avería de más de 3 años, frente a una media del sector de 1 año. Se trata de un diseño duradero que reduce las necesidades de mantenimiento y garantiza una refrigeración uniforme que aumenta directamente la vida útil de la batería y reduce el coste de explotación de los clientes.
• Rendimiento estable del aire para refrigeración crítica: Un BTMS eficaz o una refrigeración auxiliar de sistemas líquidos requieren un caudal de aire estable. Las aplicaciones críticas de refrigeración que requieren un BTMS eficaz o refrigeración auxiliar de sistemas de líquidos dependen de un rendimiento estable del aire. Los marcos de nuestros ventiladores de refrigeración de armarios están construidos utilizando aluminio de la más alta calidad con cobre de 3-5 %, lo que hace que tengan un rendimiento más estable en 30 %. Esto proporcionará una pérdida de calor consistente, eliminará la aparición de fluctuaciones de temperatura, y asegurará el flujo simétrico de calor a través de los paquetes de baterías, lo cual es particularmente importante para eliminar los puntos calientes. Contamos con las certificaciones CE, UL, RoHS y EMC para garantizar la excelencia de nuestros productos de forma regular.
• Superior IP68 protección contra la fiabilidad: Las baterías suelen utilizarse en un entorno afectado por la humedad y el polvo. También es importante proteger los componentes sensibles del BTMS. ACDC FANS comercializa ventiladores de CC de gran calidad. Disponemos de un motor sin escobillas muy sofisticado que soporta un nivel de protección IP de hasta IP68, lo que proporciona una protección excepcional contra el agua, el polvo y la humedad. Esto permite trabajar continuamente en condiciones adversas sin que falle el sistema de refrigeración, de ahí el respaldo de la batería por seguridad y funcionalidad.

Conclusiones: Avanzar con la gestión térmica inteligente