Introducción
Los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía han acaparado la atención en los últimos tiempos. Sin embargo, uno de los aspectos menos importantes de estas tecnologías es la gestión térmica de las baterías, que ha sido objeto de atención en esta perspectiva de crecimiento. A medida que se avanza en el desarrollo de nuevas tecnologías de baterías destinadas a aumentar las capacidades energéticas y las tasas de carga, la consideración de la energía térmica producida dentro de los paquetes de baterías se vuelve vital.
Para mantener temperaturas óptimas en la mayoría de estos sistemas, es necesario un sistema de gestión integral de las baterías. Una gestión térmica de baterías mal implementada puede dar lugar a un rendimiento deficiente, a una reducción de la vida útil de las baterías y, tal vez, a fallos de arco eléctrico como consecuencia de las diferencias de temperatura dentro de las celdas. Los sistemas de gestión térmica de baterías son especialmente importantes para dispositivos electrónicos como los del campo de los vehículos eléctricos, ya que hacen posible que sus baterías funcionen con eficacia.
Este artículo se centrará en el área de los kits de entrada de gestión térmica de baterías, donde se presenta la ciencia de la generación de calor, así como las técnicas de refrigeración, incluida la importancia de los ventiladores de refrigeración, con el fin de proteger y prolongar la vida útil de los sistemas de baterías.
¿Qué es la gestión térmica de baterías?
Definido brevemente, el término Gestión térmica de baterías puede describirse como el conjunto de métodos y medidas que se utilizan para mantener la temperatura de las baterías o los paquetes de baterías dentro de unos límites aceptables. Es parte integrante del sistema de baterías y consta de diferentes componentes, hardware y software, cuyo principal objetivo es defenderse de los efectos de las altas temperaturas, gestionar el rango de temperatura o controlar la transferencia de calor.
Estas soluciones son esenciales para controlar el suministro de energía eléctrica dentro de la batería y necesitan mejoras constantes para adaptarse a las aplicaciones modernas.
¿Por qué es crucial la gestión térmica de las baterías?
Hay varias razones que explican la importancia de una gestión térmica eficaz de las baterías. La primera es evitar el desbordamiento térmico, que es una situación peligrosa cuando la temperatura de la célula aumenta y activa una serie de eventos exotérmicos que pueden producir combustión o explosión.
El segundo factor es que unos niveles de temperatura adecuados dentro de las celdas de la batería pueden mejorar la eficacia, ya que una temperatura extrema puede interferir en la electroquímica dentro de las celdas.
Otra razón es que un buen sistema de gestión térmica protege las baterías del envejecimiento y mantiene su capacidad cuando están expuestas a altas temperaturas.
Un estudio publicado en el Journal of Power Sources indica que un aumento de la temperatura de funcionamiento de la batería de 10 grados centígrados puede provocar una pérdida de vida útil de hasta 50% La afirmación pone de manifiesto las amenazas que se ciernen cuando no se aplica una gestión térmica eficaz de la batería y subraya la importancia de este tipo de técnicas de gestión en los sistemas de baterías.
Factores que afectan a la temperatura de la batería
Entre los factores que influyen en la temperatura de las pilas y baterías se incluyen los siguientes:
Temperatura ambiente: La temperatura exterior puede influir considerablemente en la temperatura de la batería.
Velocidad de carga y descarga: La carga o descarga rápidas pueden provocar un aumento de la temperatura debido al flujo de corriente.
Otros factores que influyen en la temperatura son La química de las células y el diseño de las baterías, entre otros, son otros factores determinantes.
Batería Diseño: Al igual que los canales de refrigeración del tejido, el diseño del pack de baterías con sus sustancias disponibles desempeña un gran papel en la gestión térmica.
Consumo de energía eléctrica: Las prácticas de uso de la energía eléctrica también pueden provocar cambios de temperatura.
Es importante tener en cuenta estos aspectos, ya que en el futuro ayudarán a desarrollar técnicas de gestión térmica de las BTM y, por tanto, a mejorar el rendimiento de los sistemas de baterías.
La ciencia detrás de la generación de calor en las baterías
Para apreciar la importancia de la gestión térmica de las baterías, es importante conocer los factores responsables de la generación de calor en las baterías y la significativa influencia de la densidad de energía junto con las condiciones de temperatura.
Reacciones químicas y generación de calor
A medida que las pilas reciben y emiten energía, algunos, si no todos, de los procesos químicos internos de la pila tienen lugar y, al hacerlo, liberan energía: calor. Esta generación de calor es una consecuencia natural de las reacciones electroquímicas que tienen lugar dentro de las pilas. Numerosos elementos influyen en la cantidad de calor generado, como la química de la pila, el flujo de corriente y la resistencia interna. Por otra parte, las baterías con alta densidad energética pueden generar más calor, lo que debe controlarse para evitar situaciones de sobrecalentamiento.
Factores externos que influyen en la generación de calor
Aparte de la generación interna de calor, los factores externos también influyen mucho en la temperatura de la batería. La temperatura ambiente, por ejemplo, tiene un efecto considerable en las tendencias térmicas de las pilas y baterías. En caso de temperaturas ambiente elevadas, cualquier reacción en curso se aceleraría aún más, aumentando la tasa de generación de calor, lo que podría provocar un desbordamiento térmico. Además, la luz solar directa u otras fuentes de calor pueden elevar la temperatura de la batería en cuestión. Para controlar estos aspectos, se pueden aplicar diferentes métodos de refrigeración de varias maneras para mejorar la seguridad y controlar la temperatura de equilibrio dentro de los sistemas de baterías.
Métodos de refrigeración de baterías
Se han ideado diferentes enfoques para refrigerar las baterías con el objetivo de reducir los efectos del calentamiento y conservar una buena temperatura para la batería. Cada enfoque tiene sus instalaciones específicas para garantizar la gestión del calor.
Refrigeración por aire frente a refrigeración líquida
Para contrarrestar el sobrecalentamiento de las baterías, se pueden emplear las dos tecnologías de refrigeración por aire y refrigeración por líquido. En la refrigeración por aire, normalmente se utilizan ventiladores o sopladores para ayudar a enfriar la batería mediante un flujo de aire activo. Se trata de un método de refrigeración menos complejo y barato, pero en la mayoría de los casos probablemente no sea lo bastante eficaz para satisfacer las necesidades de los sistemas de alto rendimiento, ya que depende de la baja conductividad térmica del aire.
La refrigeración líquida simplemente emplea un fluido refrigerante, como agua o glicol, que se mueve a través de un tubo de calor para absorber el calor de la célula de la batería y reubicarlo. Este método es más eficaz a la hora de transferir calor, pero añade más costes y complejidad al equipo, ya que utiliza materiales conductores térmicos para mejorar la eficacia del método.
Refrigeración pasiva frente a refrigeración activa
La refrigeración de variedad pasiva se basa en principios naturales de transferencia de calor, como la conducción y la convección, utilizados para eliminar el calor de la batería. Suele consistir en colocar disipadores de calor y sustancias conductoras del calor, normalmente aleaciones o compuestos, para mejorar la gestión térmica sin piezas móviles. El diseño de las carcasas de las baterías también es importante para mejorar la eficacia de este método.
Por otro lado, la refrigeración activa se refiere al uso de potenciadores externos como ventiladores, bombas o tubos de calor para ayudar a eliminar el calor del sistema de baterías. Este método proporciona un rango de temperatura de funcionamiento más controlado, pero a costa de un mayor consumo de energía. Estos sistemas se diseñan para adaptarse a las distintas necesidades de conductividad térmica, minimizando el compromiso entre complejidad y eficiencia.
| Método de refrigeración | Descripción | Componentes clave | Ventajas | Desventajas |
|---|---|---|---|---|
| Refrigeración por aire | Utiliza ventiladores o sopladores para hacer circular el aire y disipar el calor. | Ventiladores de refrigeración, sopladores | Bajo coste, diseño sencillo | Menor conductividad térmica, menos eficaz para sistemas de alto rendimiento |
| Refrigeración líquida | Emplea un refrigerante líquido para absorber y transferir el calor fuera de las células | Tubos de calor, materiales conductores térmicos | Alta eficacia en la transferencia de calor | Más complejo y costoso |
| Refrigeración pasiva | Se basa en la transferencia natural de calor por conducción y convección. | Disipadores térmicos, carcasas conductoras del calor | Sin piezas móviles, bajo consumo de energía | Limitado por las condiciones ambientales |
| Refrigeración activa | Utiliza dispositivos mecánicos para mejorar la evacuación del calor | Ventiladores, bombas, intercambiadores de calor | Temperatura controlada, adaptable | Mayor consumo de energía |
Nuevas tecnologías de refrigeración
Debido a la enorme demanda de baterías energéticas, investigadores e ingenieros buscan nuevos métodos innovadores para mejorar la gestión térmica de las pilas. Uno de estos métodos novedosos es el uso de materiales de cambio de fase (MCP), que incorporan una alta conductividad térmica y paredes delgadas, minimizando así la acumulación térmica. Estos materiales pueden mantener temperaturas constantes utilizando la temperatura de cambio de fase, lo que permite una regulación eficaz de la temperatura gracias a su alta conductividad térmica. Otro método novedoso es el uso de la refrigeración termoeléctrica, que utiliza el efecto Peltier para bombear activamente el calor fuera de las celdas de la batería, creando las condiciones para una gestión precisa de las fluctuaciones de temperatura.
Un sistema de refrigeración híbrido integra distintos métodos de refrigeración para mejorar el rendimiento. Por ejemplo, un sistema híbrido puede combinar refrigeración por aire y por líquido para aumentar la eficiencia incorporando elementos de refrigeración activos y pasivos. Esta metodología garantiza una disipación eficaz del calor en distintos escenarios de funcionamiento, mejorando así la fiabilidad del sistema. En el campo de la gestión térmica de baterías, los sistemas híbridos combinan varias técnicas para lograr una gestión térmica óptima utilizando la conductividad térmica de varios materiales para ampliar el rango operativo de la batería. La integración de estas técnicas avanzadas abre nuevas posibilidades para los sistemas de gestión térmica y, por ende, para las tecnologías de almacenamiento de energía.
Ventiladores: un componente crítico en la gestión térmica de baterías
En casi todos los diseños de sistemas de gestión térmica de baterías refrigerados por aire, los ventiladores de refrigeración son uno de los componentes más indispensables. Es importante implementarlos correctamente para conseguir unas condiciones razonables de la batería con un coste mínimo.
El papel de los ventiladores en la gestión térmica de las baterías
La base del concepto de "refrigeración por aire" forzado reside en la aplicación de ventiladores de refrigeración que establecen un flujo de aire a través de las celdas de la batería que, a su vez, arrastra el aire caliente fuera de la batería. De este modo se consigue una migración controlada del aire caliente que favorece una transferencia eficaz del calor y evita la formación de puntos calientes por conducción. Además, se pueden instalar intercambiadores de calor para ayudar a eliminar el calor.
Aparte de las limitaciones de espacio y coste, la principal consideración a la hora de seleccionar el tipo de ventiladores de refrigeración a utilizar es la termodinámica del sistema de baterías y el diseño del vehículo. Debido a su sencilla construcción y bajo coste, los ventiladores axiales son capaces de generar un flujo de aire a baja presión, lo que los hace prácticos para la mayoría de las aplicaciones que requieren un flujo de aire de gran volumen y en las que el espacio no es limitado.
Por el contrario, los ventiladores centrífugos o radiales tienen una presión de funcionamiento más elevada y, por tanto, se suelen utilizar en instalaciones que emiten flujo de aire a través de conductos de ventilación estrechos, conductos y otros sistemas complicados.
Las necesidades particulares de las limitaciones térmicas y espaciales de un sistema de baterías suelen requerir diseños de ventiladores personalizados. Los ingenieros pueden ajustar la geometría o el tamaño de las aspas, así como la velocidad de giro, para lograr el mejor rendimiento de refrigeración posible, minimizando al mismo tiempo el consumo de energía frente a la eficiencia del flujo de aire. Hoy en día, a medida que avanza el concepto de vehículo, el suministro de soluciones de ventiladores a medida es importante para lograr un rendimiento y una fiabilidad aún mayores de la batería.
Gestión térmica de baterías para aplicaciones específicas
Los métodos de gestión térmica de las baterías son específicos de cada aplicación. Sin embargo, los ventiladores de refrigeración tienen una amplia aplicación y pueden ser muy eficaces en muchos sectores. Examinemos sus aplicaciones en dos ámbitos concretos, como los vehículos eléctricos y el almacenamiento estacionario de energía.
Vehículos eléctricos
En los vehículos eléctricos, la batería es la parte más importante en términos de autonomía, rendimiento y seguridad. Además, la carga rápida o los escenarios de conducción de alto rendimiento pueden causar estrés a las baterías, por lo que una gestión térmica eficaz es un requisito. La mayoría de los vehículos eléctricos utilizan refrigerantes tanto líquidos como de aire y, en tales configuraciones, los ventiladores de refrigeración son una necesidad en los sistemas de refrigeración de combustible por aire forzado. Estos ventiladores se encargan de dirigir el flujo de aire a través de las superficies de las celdas de la batería para reducir las temperaturas y facilitar la eliminación del calor. Por último, el uso de ventiladores de aire acondicionado de la cabina del vehículo permite la refrigeración y la integración de ambos sistemas simplificando el procedimiento de diseño.
Almacenamiento estacionario de energía
El almacenamiento de energía integrado, como los sistemas de almacenamiento de energía en aplicaciones de energías renovables o de red, también requiere sistemas eficaces de gestión térmica de las baterías. En la mayoría de los casos, estos sistemas llevan incorporados grandes paquetes de baterías que producen un exceso de calor. Estas situaciones requieren la ayuda de ventiladores de refrigeración, que ofrecen un flujo de aire eficaz para mantener la temperatura del entorno y evitar el desbordamiento térmico. En términos de requisitos de refrigeración y restricciones de configuración, los ventiladores axiales y centrífugos se emplean habitualmente para el almacenamiento estacionario de energía. El perfil operativo indica que estas baterías están diseñadas para un uso a largo plazo y los ventiladores ayudan a garantizar una temperatura uniforme y, por tanto, la fiabilidad y resistencia del sistema.
Conclusión
Es evidente que, como ocurre con muchos otros sistemas, los de baterías de litio requieren medidas eficaces de control térmico para cumplir las normas de seguridad y los objetivos operativos, y resistir durante largos periodos. La necesidad de una gestión térmica adecuada sigue aumentando a medida que los dispositivos móviles son cada vez más potentes y requieren sistemas mejorados para la capacidad térmica. Es posible crear sistemas integrados de gestión térmica para baterías de forma que los distintos dispositivos también sean compatibles y se puedan proporcionar estructuras para soportar también vibraciones y golpes. Las diferentes temperaturas controladas en diferentes verticales, incluidos los vehículos eléctricos y los sistemas de energía estática, también pueden gestionarse eficazmente mediante un sistema de gestión térmica de baterías de vehículos diseñado profesionalmente.
Dado el creciente impulso mundial a los vehículos eléctricos y su capacidad para mezclarse con unidades de almacenamiento renovables, el impacto de la gestión térmica de las baterías será significativo, lo que permitirá que las tecnologías reciban una aceptación mundial. El diseño del sistema no solo podrá abarcar nuevos dispositivos en el nivel de la batería o la célula, sino que también incluirá casos de diseños estructurales multinivel.
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