En el actual sector de los vehículos eléctricos, en rápido desarrollo, la gestión térmica se ha convertido en un factor clave que afecta al rendimiento y la seguridad de los vehículos eléctricos. A medida que avanza la tecnología de los vehículos de nueva energía, los sistemas de baterías son cada vez más complejos, lo que dificulta la gestión térmica. Como proveedor líder de soluciones de gestión térmica, Trumonytechs se compromete a resolver estos retos y a garantizar que el sistema de baterías de los vehículos eléctricos funcione de forma eficiente y eficaz dentro del rango óptimo de temperatura.
En la próxima sección, examinaremos más detenidamente la importancia de la gestión térmica en el sector de los vehículos eléctricos, los problemas específicos a los que se enfrenta y las soluciones eficaces que pueden ayudarle a comprender y abordar plenamente los retos técnicos en este ámbito.
Índice
La importancia de la gestión térmica
Los vehículos de nueva energía son productos industriales complejos. Tienen muchas piezas. La batería es su núcleo. Por eso, superar los retos térmicos en la industria de los vehículos eléctricos es clave. Son necesarios para garantizar el funcionamiento seguro, eficiente y estable del vehículo.
Las baterías eléctricas funcionan mejor entre 20 °C y 35 °C. Si hace demasiado frío, la capacidad de carga y descarga de la batería disminuirá mucho. Si la temperatura es demasiado alta, las celdas de la batería se verán afectadas. Esto puede causar embalamiento térmico. Los estudios demuestran que mantener este intervalo de temperatura puede mejorar significativamente la vida útil y el rendimiento de las pilas, reduciendo la probabilidad de averías.
Estos sistemas son cruciales. Calientan la batería cuando está fría y la enfrían cuando está caliente. Este controla la temperatura de la batería. La mantiene en un buen rango y asegura su consistencia. Esto hace que la batería de potencia fiable y eficiente.
En 2018, un famoso fabricante de vehículos eléctricos tuvo una gran llamada a revisión. Se debió al sobrecalentamiento de la batería. Este problema provocó que varios vehículos se incendiaran. Este incidente demostró la urgente necesidad de buenos sistemas térmicos en los vehículos eléctricos.
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Factores que afectan a la gestión térmica de las baterías de automoción
Control de temperatura constante en baterías de vehículos eléctricos
La densidad energética de las baterías de los vehículos de nueva energía aumenta con los avances de la industria. Sin embargo, esta alta densidad de energía genera mucho calor. Lo hace durante la carga y la descarga. Las altas temperaturas repercuten negativamente en el rendimiento de las baterías, por lo que la disipación eficiente del calor es una cuestión crítica.
Refrigeración líquida: Este método utiliza placas refrigeradas por líquido en contacto con la batería para transferir el calor fuera de ella a través del líquido refrigerante de las placas. Ofrece una gran eficiencia, pero requiere sistemas complejos y una gestión del riesgo de fugas.
Refrigeración por aire: Más sencillo que la refrigeración líquida, este método utiliza el flujo de aire para disipar el calor. Es menos eficiente pero más fácil de implementar.
Materiales de cambio de fase: Estos materiales absorben calor durante las transiciones de fase. También lo liberan. Las transiciones son de sólido a líquido y viceversa. Este proceso proporciona una gestión térmica pasiva. Sin embargo, su integración puede ser compleja y costosa.
Distribución desigual de la temperatura celular
Los límites en la capacidad de producción, el material de las celdas y el espacio en el paquete de baterías pueden provocar temperaturas desiguales. Esto puede provocar un sobrecalentamiento en algunas zonas.
Materiales de interfaz térmica: Estos materiales mejoran la conducción del calor entre las células. Enfrían los componentes e igualan la temperatura.
Diseño modular: Diseño baterías en módulos más pequeños y manejables puede ayudar. Permite temperaturas más uniformes en todo el paquete.
Restricciones a la disipación del calor
El movimiento del calor dentro del módulo de la batería se ve limitado por la forma en que se disipa, el diseño del pack, su material y su disposición. Todos estos factores dificultan la disipación eficiente del calor.
Diseño de envases: La optimización de la disposición puede mejorar el flujo de aire y la conducción del calor. Esto puede mejorar enormemente la disipación del calor.
Selección de materiales: Utilizar materiales con alta conductividad térmica puede ayudar. Hacen que las baterías transfieran mejor el calor.
Diseño de la ruta de refrigeración: El diseño eficiente de las vías de refrigeración garantiza que el refrigerante pueda evacuar eficazmente el calor de las zonas críticas.
Un ejemplo notable es el uso por Tesla de un sistema de refrigeración líquida en su Model S. El sistema es muy eficiente. Mantiene la batería a la temperatura adecuada, lo que garantiza un alto rendimiento y seguridad. Nissan utiliza refrigeración por aire en su modelo Leaf. Es menos eficiente, pero suficiente para el diseño de su batería.
Identificación de problemas comunes de gestión térmica en vehículos eléctricos
Peligros de los problemas de sobrecalentamiento
El sobrecalentamiento puede dañar las baterías. Puede tener graves consecuencias. Los principales peligros son:
Disminución de la capacidad de la batería: En un entorno de funcionamiento sobrecalentado, las reacciones electroquímicas de las baterías de iones de litio se intensifican rápidamente. La velocidad de transferencia de electrones de la batería es más rápida que la velocidad de difusión de los iones de litio. Por lo tanto, el electrodo positivo puede contener menos iones de litio. Esto reduce la capacidad de la batería.
Reducción del rendimiento de la batería: Las altas temperaturas en el interior del pack pueden dañar las estructuras de la célula. Esto incluye los materiales de los electrodos y los electrolitos. Este daño es la causa principal. Reduce el rendimiento y la potencia de la batería.
Tiempos de ciclo reducidos: La carga y descarga a altas temperaturas acelera el envejecimiento de las pilas de litio. Esto reduce su vida útil y el número de ciclos que pueden soportar.
Riesgo de fuga térmica: Las altas temperaturas pueden reducir considerablemente la seguridad de la batería. Esto aumenta el riesgo de embalamiento térmico. Esto puede provocar accidentes graves, como incendios o explosiones de la batería. Las altas temperaturas agravan este riesgo, por lo que la gestión térmica es crucial para la seguridad.
Distribución desigual de la temperatura: Las temperaturas desiguales en el interior de la batería pueden provocar velocidades de reacción desiguales en las celdas. Esto perjudica al rendimiento y la eficiencia de la batería.
Problemas para una disipación eficaz del calor
La disipación eficaz del calor en las baterías eléctricas está sujeta a diversas restricciones y limitaciones:
Mecanismos de transferencia de calor: La conducción es la transferencia directa de calor a través de la materia sólida. Sin embargo, los materiales aislantes limitan la conducción del calor entre los módulos celulares de las baterías eléctricas.
Retos de la convección: La convección transfiere calor mediante el movimiento de fluidos. En los grupos electrógenos, el espacio es reducido. Las formas complejas restringen el flujo de fluidos y reducen el rendimiento térmico.
Disipación de calor por radiación: La radiación es la transferencia de calor de un objeto caliente a un entorno más frío a través de la radiación. No es el mecanismo principal en los grupos electrógenos. En la disipación del calor influyen las diferencias de temperatura y las características de la superficie.
Problemas de gestión térmica con tecnologías avanzadas
La industria está luchando contra estos problemas de calor. Está explorando y utilizando muchas tecnologías avanzadas.
Refrigerantes avanzados: El uso de nuevos refrigerantes de alto rendimiento que ofrecen mejores capacidades de transferencia de calor.
Materiales de interfaz térmica: Materiales mejorados que mejoran el contacto entre los componentes generadores de calor y los sistemas de refrigeración.
Enfoques de diseño innovadores: Diseños mejorados del pack de baterías que mejoran las vías de disipación del calor y optimizan el aprovechamiento del espacio.
Sistemas inteligentes de gestión térmica: Se integran sensores y análisis de datos para controlar continuamente la temperatura de las baterías. Lo hacen en tiempo real.
Soluciones eficaces para la gestión térmica
Opciones tecnológicas de refrigeración para VE
Refrigeración líquida: La refrigeración líquida utiliza un líquido refrigerante para alejar el calor de las celdas de la batería. El refrigerante fluye a través de una red de tuberías e intercambiadores de calor. Elimina eficazmente el calor. Sus ventajas son la alta conductividad térmica, la disipación eficaz del calor y la capacidad de refrigeración ajustable. Los inconvenientes son el complejo diseño del sistema, el riesgo de fugas de refrigerante y el coste más elevado en comparación con otros métodos. Por ejemplo, el Tesla Model S utiliza un avanzado sistema de refrigeración líquida. Mantiene la batería a la mejor temperatura. Esto garantiza un alto rendimiento y seguridad.
Refrigeración por aire: La refrigeración por aire se basa en el flujo de aire forzado o natural para disipar el calor de las celdas de la batería. A menudo se utilizan ventiladores o sopladores para mejorar el flujo de aire. Las ventajas son un diseño más sencillo, menor coste y mantenimiento más fácil. Sus inconvenientes son una menor eficiencia que la refrigeración líquida. Además, tienen una capacidad limitada para aplicaciones de alta potencia. Por ejemplo, el Nissan Leaf emplea refrigeración por aire para su paquete de baterías, lo que es suficiente para su diseño y caso de uso.
Materiales de cambio de fase (PCM): El PCM absorbe y libera calor durante las transiciones de fase (de sólido a líquido y viceversa). Este método proporciona una gestión térmica pasiva. Sus ventajas son la alta densidad de almacenamiento térmico, la fiabilidad y la ausencia de energía externa. El reto es integrarlo en paquetes de baterías. Además, la disipación del calor es más lenta y el coste de los materiales es mayor. Los investigadores estudian el uso del PCM en vehículos eléctricos de alto rendimiento. La refrigeración pasiva puede ayudar a la activa.
Refrigeración por tubo de calor: Los tubos de calor transfieren el calor utilizando el cambio de fase y la acción capilar de un fluido de trabajo. Trasladan eficazmente el calor de las celdas de la batería a un disipador térmico o radiador. Sus ventajas son la alta conductividad térmica, la flexibilidad, la fiabilidad y el ahorro de espacio. Sus inconvenientes son su limitada capacidad de refrigeración y su sensibilidad a la orientación y la gravedad. Algunos diseños de baterías para vehículos eléctricos utilizan tubos de calor. Aumentan la refrigeración sin añadir mucho peso.
Refrigeración termoeléctrica: La refrigeración termoeléctrica utiliza el efecto Peltier. Una corriente eléctrica crea una diferencia de temperatura a través de un material termoeléctrico, lo que permite la refrigeración. Las ventajas son el control preciso de la temperatura, la alta fiabilidad y la ausencia de piezas móviles. Los retos son la baja eficiencia energética, el alto consumo de energía y la capacidad limitada de refrigeración. Los refrigeradores termoeléctricos se utilizan en algunas aplicaciones especiales. En estas aplicaciones, el control preciso de la temperatura es vital.
Optimización del diseño del sistema
Un diseño del sistema bien optimizado es crucial para una gestión térmica eficaz de los vehículos eléctricos. Esto incluye el diseño de vías de refrigeración. Éstas garantizan que el calor pase de las celdas de la batería al sistema de refrigeración. También implica utilizar bien el espacio para mejorar la refrigeración. Significa colocar disipadores de calor alrededor de las piezas que generan calor. Y significa asegurarse de que el diseño protege las piezas sensibles y cumple las normas de seguridad.
Simulación y análisis térmicos
La simulación y el análisis térmicos son fundamentales. Ayudan a diseñar sistemas térmicos eficientes. Los ingenieros pueden utilizar herramientas de software como STAR-CCM+, FLUENT y Flotherm. Pueden simular campos térmicos en paquetes y módulos de baterías y mejorar los diseños y materiales de los canales de refrigeración. También pueden elegir el mejor medio de refrigeración y los mejores caudales. Por ejemplo, Trumonytechs utilizó la simulación térmica para mejorar el diseño del sistema de refrigeración para un nuevo paquete de baterías para vehículos eléctricos. El resultado fue una mejor refrigeración y una mayor duración de la batería.
Tecnologías emergentes en gestión térmica
El sector de los vehículos eléctricos siempre está buscando nuevas tecnologías. Por ejemplo, los nanomateriales y los mejores fluidos refrigerantes mejoran la gestión térmica. Estas innovaciones pretenden mejorar la eficiencia de la transferencia de calor, reducir el peso del sistema y aumentar el rendimiento y la seguridad general de la batería. La investigación en nanomateriales es prometedora. Ofrece posibles avances en conductividad térmica y disipación del calor para las baterías de los futuros vehículos eléctricos.
conclusión
Trumonytechs sabe que gestionar el calor es crucial. Garantiza la seguridad, la eficiencia y el rendimiento de las baterías de los vehículos eléctricos (VE). Utilizamos varias tecnologías de refrigeración. Entre ellas están la refrigeración líquida, por aire, por materiales de cambio de fase (PCM), por tuberías de calor y termoeléctrica. Cada una de ellas presenta ventajas y retos únicos. Optimizamos el diseño del sistema. Utilizamos simulación y análisis térmicos. Esto nos ayuda a diseñar buenos sistemas térmicos.
PREGUNTAS FRECUENTES
La refrigeración líquida utiliza un fluido refrigerante para alejar el calor de las celdas de la batería. Es eficaz, pero requiere sistemas complejos.
La refrigeración por aire se basa en el flujo de aire forzado o natural para disipar el calor. Es una solución más sencilla y barata, pero menos eficaz.
El PCM absorbe y libera calor durante los cambios de fase. Así se consigue una gestión térmica pasiva. Sin embargo, su integración es compleja y su disipación, lenta.
Optimizar la disposición del sistema mejora la refrigeración. Garantiza una transferencia de calor eficaz, aprovecha bien el espacio y protege los componentes sensibles.
La simulación térmica utiliza programas informáticos para mejorar el diseño de los sistemas de refrigeración. Encuentra el mejor medio de refrigeración y los mejores caudales. Reduce costes al predecir el rendimiento.