Diseño de placas frías para gestión térmica

Una placa fría es una placa metálica sellada que transporta refrigerante líquido a través de canales internos para extraer el calor de un dispositivo. En un paquete de baterías, se encuentra en el medio del recorrido del calor. El calor sale de las celdas, atraviesa una material de interfaz térmicamente conductor, El fluido entra en la pared de la placa y el refrigerante lo transporta. El refrigerante nunca entra en contacto con las celdas; la placa llega al módulo a través del material de interfaz, lo que la sitúa en la rama de refrigeración líquida sin contacto, junto con métodos de contacto como la inmersión y la pulverización. Un buen diseño se logra adaptando el material de la placa, la disposición de los canales y el proceso de fabricación a una carga térmica y una temperatura objetivo definidas, no eligiendo una pieza genérica.

¿Qué papel desempeña la refrigeración por placa fría en la gestión térmica de la batería?

Una placa fría solo enfría aquello con lo que entra en contacto físico, y esa limitación de contacto es lo que hace que las decisiones de diseño sean importantes. El calor se transfiere del módulo a un refrigerante monofásico que circula por la placa, por lo que la planitud de la placa, la calidad de la interfaz y el trazado de los canales determinan el rendimiento. Tres propiedades deciden si una placa es adecuada para un paquete determinado:

• Interfaz de contacto: la planitud de la placa, la distancia al módulo y la calidad del material de la interfaz determinan la resistencia térmica de contacto.
• Embalaje: a placa de refrigeración por agua Debe ajustarse al formato de la celda y a la geometría del módulo, y las celdas cilíndricas, prismáticas y tipo bolsa presentan cada una una superficie de contacto diferente.
• Límite del refrigerante: debido a que el refrigerante está sellado dentro de la placa, el aislamiento eléctrico, el sellado y los márgenes de fuga forman parte del diseño, no son consideraciones posteriores.

Determinar si una placa fría es más económica que otro método de refrigeración es una cuestión del sistema en sí, no una propiedad de la placa. Depende del refrigerante, el sellado, la bomba y el mantenimiento que requiera el sistema, por lo que la comparación debe realizarse a nivel del conjunto de placas.

Tipos comunes de placas de refrigeración y cómo se fabrican

El proceso de fabricación es la primera decisión de diseño, ya que define la geometría del canal, la presión nominal, el peso y el coste antes de cualquier ajuste térmico. Cada uno de los cinco procesos que se describen a continuación se ajusta a una combinación específica de carga térmica, resistencia y volumen de producción. Las ventajas y desventajas indicadas son tendencias que deben verificarse en función de la aleación, el espesor de la pared y el ciclo de trabajo, no valores nominales fijos.

Extrusión de perfiles mediante soldadura por fricción-agitación

La ruta de extrusión de perfiles da forma a los canales directamente, los mecaniza para abrirlos y luego sella la cubierta con soldadura por fricción-agitación. La soldadura en estado sólido suele proporcionar buena resistencia estructural, planitud superficial y transferencia de calor fiable a gran volumen. Sin embargo, los costes son considerables: mayor mecanizado, una placa más gruesa y pesada, más espacio y espacio limitado para los orificios de los tornillos en la superficie de sellado. Esta opción es adecuada para baterías donde la carga estructural y la integridad de la unión son más importantes que el peso.

Placas de tubo de armónica

Las placas de tubo armónico extruyen aluminio en microcanales paralelos y sueldan los extremos a los colectores. Esto las hace ligeras, económicas en cuanto a herramientas y rápidas de producir. La desventaja es una pequeña área de contacto, paredes delgadas, un coeficiente de intercambio de calor moderado y una baja capacidad de carga, por lo que suelen ser más adecuadas para módulos ligeros y económicos ubicados fuera de las zonas de mayor flujo.

Planchas de unión por laminación (expansión)

Las planchas de laminación imprimen un patrón de canales entre dos láminas, las laminan en caliente y luego inflan los canales con gas. Son económicas para la producción en masa, transfieren bien el calor y pueden fabricarse muy delgadas y ligeras. Su principal desventaja es mecánica: la estructura inflada tiene una resistencia a la presión limitada y un mayor riesgo de fugas, lo que limita su uso a configuraciones de baja presión y espesor restringido.

Placas estampadas

Las placas estampadas comprimen el aluminio entre matrices para formar canales, y luego sueldan las dos carcasas. Este método permite una amplia gama de formas de canal, una gran superficie de contacto y una buena resistencia a la presión y a la tracción en grandes volúmenes. Sin embargo, conlleva costes de utillaje y requiere un control estricto de la planitud, y esta misma planitud, que facilita el contacto térmico, dificulta el montaje. Las placas estampadas son ideales para diseños de alto volumen, desde celdas hasta paquetes, donde el utillaje se amortiza.

Placas de placas y aletas

Las placas de aletas rellenan el espacio entre dos paneles con aletas dentadas y las sellan mediante soldadura fuerte al vacío sin fundente. Esto proporciona una alta limpieza interna, una distribución uniforme del flujo y un excelente rendimiento de transferencia de calor. El coste es mayor y el requisito de planitud es exigente, por lo que esta opción se elige cuando la densidad del flujo de calor y la uniformidad de la temperatura justifican el gasto.

Elección del material de la placa: aluminio o cobre.

El aluminio es la opción habitual para la placa fría de una batería porque el peso del paquete importa más que la conductividad máxima. El cobre conduce el calor aproximadamente el doble de bien, cerca de 400 W/m·K frente a unos 150-250 W/m·K para las aleaciones de aluminio, dependiendo de la aleación y el temple, pero es más pesado, más caro y más difícil de mecanizar. El cobre solo justifica su uso donde el flujo de calor local es lo suficientemente alto como para necesitarlo; en otros casos, el aluminio recupera la conductividad mediante el diseño de canales. Cualquiera que sea el metal utilizado, debe ser químicamente compatible con el refrigerante para evitar la corrosión galvánica, por lo que selección de refrigerante Se decide junto con la placa metálica, no después.

Factores térmicos en el diseño de placas frías

El diseño de placas frías sigue la misma lógica que un disipador de calor refrigerado por aire, con un cambio que lo determina todo: el fluido de trabajo es un líquido, lo que aumenta el coeficiente de transferencia de calor alcanzable y cambia la forma en que se optimiza la geometría. Cuatro factores están bajo el control del diseñador en cada placa:

• área de contacto entre sólido y fluido dentro de un volumen fijo;
• la trayectoria térmica desde la fuente de calor a través del material de la interfaz;
• la forma de la superficie de contacto fluido-sólido para una humectación eficaz;
• una trayectoria de conducción corta desde la fuente hasta la pared de la placa, luego al refrigerante y finalmente a la salida del sistema.

Los cuatro factores mencionados anteriormente están ajustados para mantener las celdas dentro de un rango de temperatura objetivo. Las revisiones de gestión térmica de baterías, sometidas a revisión por pares, suelen citar un rango objetivo de diseño de aproximadamente 15–35 °C para celdas de iones de litio, aunque algunas fuentes lo sitúan entre 20 y 40 °C, y el rango aceptable es aún más amplio; los límites exactos dependen de la química de la celda, el estado de carga, la tasa C y las especificaciones del fabricante. Estas mismas revisiones suelen apuntar a mantener la diferencia de temperatura entre celdas dentro de unos 5 °C. Esta cifra representa un objetivo de uniformidad a nivel de paquete, independiente de la diferencia de temperatura dentro de una sola celda y del límite superior absoluto. Se trata de objetivos de diseño, no de límites de seguridad universales.

Los parámetros de diseño se dividen en cuatro categorías que no deben confundirse: la distribución de la carga térmica (uniforme o concentrada), el caudal del refrigerante y la curva de la bomba, la caída de presión admisible y los criterios de aceptación de temperatura (una temperatura superficial máxima y, por separado, si dicha superficie debe ser uniforme). Los requisitos reales los combinan en casos reconocibles:

• Flujo de calor uniforme, caudal fijo, caída de presión limitada y temperatura superficial máxima, sin que sea necesario que la superficie sea uniforme.
• Los límites hidráulicos son los mismos, pero con cargas térmicas concentradas en puntos calientes debajo del componente, por lo que el mapa térmico no es uniforme.
• Flujo de calor uniforme y caudal fijo dentro de la tapa de presión, admitiéndose una temperatura superficial no uniforme en todos los componentes.
• Cualquiera de las opciones anteriores, más el requisito de que la diferencia de temperatura superficial se mantenga dentro de un límite de uniformidad establecido, en toda la placa o debajo de un componente elegido.

Los casos que requieren uniformidad superficial son los más complejos y costosos de satisfacer; los dos que aceptan temperaturas superficiales no uniformes son más comunes en paneles refrigerados fijos. Para resolver un caso, es necesario crear un mapa térmico, diseñar un circuito de líquido, calcular el aumento de temperatura y la caída de presión, y ajustar el trazado del circuito hasta que los valores cumplan con los objetivos. Posteriormente, se simula el diseño y se construye un prototipo que se prueba para determinar la caída de presión, las temperaturas de entrada y salida, y la diferencia de temperatura entre la superficie de la placa y el paquete de refrigerante. Esta prueba confirma la viabilidad antes de la producción en masa.

Diseño de canales de flujo y rodetes

La dirección del flujo determina tanto la dirección como la eficiencia de la transferencia de calor, por lo que el diseño del canal de distribución define el rendimiento de la placa una vez que se han definido el proceso y el material. Primero se define la ruta: se traza el circuito de líquido y luego se calcula el aumento de temperatura y la caída de presión antes de implementarlo. La selección del material se realiza paralelamente, sopesando el costo, la disponibilidad y la maquinabilidad frente a la conductividad térmica y la densidad. Las propiedades del refrigerante, incluidos sus puntos de congelación y ebullición y su compatibilidad química, constituyen una verificación independiente que corresponde al fluido, no al metal de la placa.

Una vez establecida la ruta, el diseño del canal se ajusta en función de variables contrapuestas:

• Mantenga el fluido cerca de la fuente de calor para reducir la resistencia a la propagación;
• Los canales de la ruta deben mantenerse a una distancia segura de los agujeros de fijación y los elementos estructurales;
• Extienda el refrigerante de manera uniforme para que se utilice toda la superficie de transferencia de calor;
• aumentar el caudal donde se necesite un coeficiente de convección más alto, aceptando la penalización por caída de presión;
• Combinar canales en serie y en paralelo para gestionar la resistencia y la distribución del flujo.

La geometría del canal es una de estas palancas; Disposiciones de canales rectos e inclinados La compensación entre la transferencia de calor local y la caída de presión varía. Que una división en serie-paralelo reduzca la resistencia y uniformice el flujo depende de la longitud de la rama, la sección transversal, el colector, los accesorios y el punto de operación, por lo que se verifica con la curva de la bomba en lugar de asumirla. Un mayor flujo aumenta el coeficiente de transferencia de calor, pero incrementa la presión de la bomba, y los canales más estrechos cerca de la fuente mejoran la refrigeración local, pero pueden limitar el flujo en otras zonas. El ciclo de cálculo y simulación es lo que resuelve estas compensaciones.

Reducción de la complejidad y el coste de producción de las placas de refrigeración

La fase de diseño determina el coste, por lo que el control reside en definir el estilo de la placa, la disposición de los canales de alimentación, la distribución de la zona de refrigeración y el proceso de producción antes del utillaje, y no en reducir el adelgazamiento del material posteriormente. Las compensaciones controlables se dan entre el coste del ciclo de vida, el volumen de producción, el utillaje y los costes de ingeniería no recurrentes (NRE), el mecanizado, la unión, las pruebas de fugas, la potencia de la bomba y el mantenimiento. El orden es importante: primero, verifique los límites térmicos, hidráulicos y estructurales que debe cumplir la placa; luego, busque complejidades que puedan eliminarse sin infringirlos.

Los requisitos exigentes no siempre implican una placa más sencilla. Una alta capacidad de disipación de calor, ciclos de temperatura rápidos o márgenes de seguridad estrictos en las celdas pueden requerir mayor interconexión, redundancia, control de juntas o verificación de fugas, no menos. Simplificar la placa reduce el costo solo cuando no compromete los límites verificados.

Un método viable consiste en partir de los parámetros térmicos del cliente, elegir el estilo de placa y el proceso que mejor se adapten a ellos con la menor complejidad posible, y validarlos mediante simulación y pruebas antes de fabricar las herramientas. Los componentes auxiliares, como las carcasas refrigeradas por líquido, las almohadillas de interfaz, los conectores y los colectores, se adaptan al mismo diseño, de modo que la placa no se optimiza de forma aislada del paquete al que sirve.

Conclusión

El diseño de placas frías para la gestión térmica es una cadena de decisiones interconectadas, no una sola especificación: elegir el proceso de fabricación que se ajuste a la carga térmica y la necesidad de resistencia, optar por el aluminio a menos que el flujo de calor justifique el peso del cobre, y luego ajustar el trazado de los canales en función de la caída de presión y la uniformidad de la temperatura. Una distinción importante a tener en cuenta: el inventario estático de refrigerante dentro de una placa no es, por sí solo, un indicador de rendimiento. El caudal másico y la capacidad calorífica son las variables centrales del sistema, y ambos permanecen acoplados a la curva de la bomba y la caída de presión a lo largo de todo el diseño. Trumonytechs desarrolla diseños de placas frías a partir de los parámetros térmicos del cliente y los valida mediante simulación y pruebas antes de la fabricación, pero la secuencia es la misma para cualquier proveedor: primero, fijar el rango de temperatura objetivo y la dispersión aceptable entre celdas, y luego descartar los tipos de placas y esquemas de canales que no puedan soportarlos.

PREGUNTAS FRECUENTES

Lecturas adicionales

• Una revisión crítica de los sistemas de gestión térmica de baterías renovables que utilizan tubos de calor. — Revisión por pares (Journal of Thermal Analysis and Calorimetry). Respalda el objetivo de uniformidad a nivel de paquete mencionado anteriormente (un objetivo común de menos de 5 °C entre celdas) y los límites máximos de temperatura de funcionamiento informados; las cifras se citan como objetivos de diseño para la refrigeración de paquetes de iones de litio, no como límites universales.
• Cuantificación del efecto de los parámetros para un sistema de gestión térmica de baterías de iones de litio basado en PCM — Estudio revisado por pares (Revista Turca de Química). Respalda el rango de temperatura de funcionamiento comúnmente citado para las celdas de iones de litio y la influencia de la temperatura ambiente en la diferencia de temperatura del paquete; las condiciones se aplican a la química de la celda y al paquete estudiados.

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