Diseño de sistemas de refrigeración líquida para la gestión térmica de baterías de vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía.

El diseño del sistema de refrigeración líquida para baterías de vehículos eléctricos y aplicaciones de sistemas de almacenamiento de energía depende de la química de las celdas, la arquitectura de voltaje del módulo, la tasa máxima de disipación de calor y los requisitos de uniformidad de la temperatura. Placas frías de la batería Distribuye un flujo de calor moderado sobre superficies grandes y planas. Al mismo tiempo, debe mantener una temperatura uniforme entre celdas dentro de tolerancias estrictas. Estos dos requisitos determinan cada decisión previa, desde la geometría de los canales de la placa fría hasta la selección del refrigerante.

En Trumonytechs, nuestro equipo de ingeniería se nutre de la colaboración en I+D con la Universidad Jiao Tong de Shanghái. Asimismo, contamos con experiencia en producción en los sectores de vehículos eléctricos, sistemas de almacenamiento de energía, electrónica de consumo y programas térmicos para estaciones base 5G. Los parámetros de diseño y los métodos de verificación que se describen en esta guía reflejan patrones de ensamblajes de producción multimodulares.

Este artículo aborda el diseño de sistemas de refrigeración líquida indirecta para baterías de vehículos eléctricos (VE) y sistemas de almacenamiento de energía estacionarios (ESS) en el rango de 48 V a 1000 V. Las aplicaciones de VE y ESS comparten los principios básicos del diseño de placas de refrigeración. Sin embargo, difieren en las normas aplicables, los entornos de instalación y los requisitos de validación de seguridad. Este artículo no cubre los circuitos térmicos de pilas de combustible de hidrógeno, la refrigeración de baterías por flujo ni los sistemas sometidos a fuertes cargas de fatiga por vibración industrial.

Cómo funciona un circuito de refrigeración líquida en un paquete de baterías.

Componentes principales y sus funciones

Un circuito de refrigeración líquida funcional consta de cuatro partes principales. Primero, las placas frías entran en contacto térmico con las superficies de las celdas. Segundo, una bomba proporciona la presión de flujo. Tercero, un intercambiador de calor disipa el calor. Cuarto, los colectores de suministro y retorno distribuyen el flujo a través de circuitos de placas paralelas. Cada componente genera una caída de presión. En aplicaciones para vehículos eléctricos de pasajeros, los ingenieros suelen buscar una caída de presión total en la red de placas frías inferior a 50 kPa. El límite óptimo depende de la selección de la bomba, la arquitectura del sistema y el consumo de energía.

El BMS activa la bomba en función de las lecturas del sensor de temperatura de la celda. Los umbrales de control varían según la química de la celda, la tasa C, la masa térmica del paquete y el perfil ambiental. No son constantes de diseño universales. La ubicación del termistor dentro del módulo —no solo en la entrada y salida del paquete— proporciona la resolución espacial necesaria para detectar puntos calientes con anticipación. Verificamos los mapas de ubicación de los sensores con respecto a las ubicaciones de los puntos calientes predichas por CFD antes de finalizar el trazado del cableado. Omitir este paso es común en diseños de terceros. El resultado son distribuciones de temperatura asimétricas entre las filas del módulo.

Arquitectura de bucle simple frente a arquitectura de bucle doble

Los sistemas de circuito simple hacen circular el refrigerante de la batería a través de un intercambiador de calor compartido con otras cargas térmicas del vehículo. Esto reduce el número de componentes y el coste. Sin embargo, elimina la independencia térmica. Los sistemas de doble circuito aíslan el circuito de la batería con un enfriador y una válvula de expansión dedicados. Esto proporciona un control preciso de la temperatura de la batería, independientemente de las condiciones ambientales o la demanda en el habitáculo.

El sistema de doble bucle suele ser necesario cuando la carga rápida requiere un preacondicionamiento de la entrada de la batería antes de que comience la carga. Como punto de partida habitual, los ingenieros evalúan el sistema de doble bucle cuando las tasas de carga máximas superan aproximadamente los 100 kW. El umbral real depende de la constante de tiempo térmica de la batería, los requisitos de preacondicionamiento y los criterios de aceptación de las celdas.

¿Por qué las placas frías de las baterías requieren una lógica diferente a la de las placas de los inversores?

Los requisitos de superficie de la placa fría de la batería dependen del número de celdas, la densidad del flujo de calor y los objetivos de uniformidad de la temperatura. Esta distinción cambia la selección de materiales, la densidad de canales y el diseño del colector, todos los cuales siguen una lógica diferente a la de la batería. Diseño de placa fría para la gestión térmica de la electrónica de potencia.

La diferencia del flujo de calor

Un módulo inversor que disipa 5 kW concentra esa carga en aproximadamente 100–200 cm². El flujo de calor suele superar los 25 W/cm². Un paquete de baterías que disipa los mismos 5 kW distribuye esa carga en 2000–10 000 cm² de superficies de celdas. El flujo resultante se mantiene muy por debajo de 1 W/cm². En este régimen, la aleación de aluminio 3003 o 6063 proporciona una conductancia adecuada. No se necesita cobre. Calculamos mapas de flujo de calor por zona del módulo antes de especificar el material de la placa. Esto evita sobredimensionar la conductividad de la placa cuando la distribución del flujo es la limitación real.

Cómo los objetivos ΔT determinan la geometría

Un ΔT inferior a 5 °C en todo el paquete es un objetivo ampliamente utilizado en los programas de placas frías para vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía. A este nivel, las diferencias en la tasa de envejecimiento entre las celdas se mantienen dentro de límites aceptables para la mayoría de las químicas de iones de litio. Para lograrlo, se requiere un espaciado entre canales lo suficientemente ajustado como para evitar picos de temperatura entre canales. Los parámetros iniciales típicos para celdas prismáticas oscilan entre 8 y 15 mm entre canales paralelos. El paso adecuado depende del flujo de calor, el caudal y la geometría del canal. Modelamos la sensibilidad del ΔT al paso del canal antes de definir cualquier geometría para la fabricación.

Selección del método de enfriamiento: líquido, aire o inmersión.

La refrigeración por aire funciona en diseños de sistemas de almacenamiento de energía estacionarios de baja potencia. Las tasas de descarga deben mantenerse por debajo de 1C y las temperaturas de las celdas por debajo de 40 °C. Falla cuando se requiere carga rápida o una uniformidad estricta de ΔT. No recomendamos la refrigeración por aire para aplicaciones de vehículos eléctricos compatibles con carga rápida de CC.

La inmersión directa elimina la resistencia térmica de la interfaz entre la placa fría y la celda. Sin embargo, requiere fluido dieléctrico, aumenta el peso del sistema e introduce riesgos para el recubrimiento de la celda. Utilizamos la refrigeración indirecta como referencia para diseños superiores a 400 V. Solo evaluamos refrigeración líquida por inmersión Cuando la selección optimizada de TIM no puede cumplir con los objetivos de resistencia de la unión, la penalización en el rendimiento térmico del fluido dieléctrico debe verificarse frente a la reducción de la resistencia de la unión antes de comprometerse con esa arquitectura.

Fundamentos del diseño de placas de refrigeración

Arquitectura de la ruta de flujo

Los conductos serpenteantes dirigen todo el refrigerante a través de un canal continuo. Esto maximiza la extracción de calor por unidad de caudal. Sin embargo, crea un gradiente de temperatura desde la entrada hasta la salida. En el caso de paquetes más largos, este gradiente incumple los objetivos de ΔT.

Las arquitecturas de flujo paralelo dividen el flujo a través de múltiples canales. Esto reduce la caída de presión y el gradiente térmico. Sin embargo, la resistencia desigual de los canales provoca el desvío del flujo en las ramas de menor resistencia. Utilizamos configuraciones de flujo dividido con posicionamiento opuesto de entrada/salida para diseños de paquetes más largos. Esto crea perfiles de temperatura complementarios a través de las ramas paralelas y contrarresta la estratificación térmica. La orientación del canal es una variable relacionada. Geometría de canal recto frente a canal inclinado Afecta tanto a la caída de presión como a la uniformidad en diseños específicos para vehículos eléctricos.

 

Dimensionamiento del colector y distribución del flujo

En muchos programas prácticos de placas frías, la distribución del flujo se convierte en el principal cuello de botella una vez definidos los materiales y las interfaces. Esto es especialmente cierto en sistemas largos con múltiples ramificaciones paralelas. La sección transversal del colector debe suministrar el caudal adecuado a cada ramificación sin sobrecargar las cercanas a la entrada.

El proceso de diseño comienza con el número de ramificaciones paralelas, la variación del flujo objetivo en cada ramificación y la caída de presión total aceptable. Realizamos un análisis de la red de flujo mediante CFD antes de enviar la geometría del colector a la planta de producción. Una distribución fuera de tolerancia en las primeras simulaciones de CFD indica una sección transversal insuficiente del colector, no errores en la geometría del canal.

Parámetros de geometría del canal

Los parámetros iniciales típicos para placas frías de celda prismática son un ancho de canal de 3 a 6 mm y una altura de 4 a 8 mm. Los valores objetivo del número de Reynolds dependen del presupuesto de caída de presión, el diámetro hidráulico del canal, el flujo de calor y las limitaciones de potencia de la bomba. El flujo turbulento mejora la transferencia de calor por convección. Sin embargo, algunos programas aceptan flujo laminar en diseños de canales más grandes donde la caída de presión es la limitación principal. Realizamos análisis de sensibilidad del diámetro hidráulico del canal y el espesor de la pared antes de finalizar la geometría de la herramienta.

Presión de contacto TIM: la variable más subestimada

En los procesos de producción, la presión de contacto entre la placa fría y la carcasa de la celda varía entre lotes. Esta variación se debe a la uniformidad de la planitud de la placa y a la tolerancia del espesor de la capa térmica. Como resultado, se producen diferencias de temperatura locales entre las celdas con contacto estrecho y las que tienen contacto laxo. La selección de la conductividad de la capa térmica y la gestión de la presión de contacto deben formar parte del diseño del ensamblaje.

Las tolerancias de planitud y los mínimos de conductividad del TIM deben obtenerse del análisis de la pila térmica para la interfaz de celda específica. Una conductividad térmica del TIM superior a 3,0 W/m·K es un mínimo común para diseños de celdas prismáticas que buscan una baja resistencia de unión a refrigerante. Este umbral depende de la geometría y el diseño. Verificamos la uniformidad de la presión de contacto del TIM en todos los lotes de producción como un control de calidad estándar.

Selección de materiales

La aleación de aluminio 3003 ofrece una resistencia a la corrosión y una conformabilidad superiores para la soldadura fuerte. Es la opción estándar para placas frías estampadas y soldadas al vacío en aplicaciones de vehículos eléctricos de pasajeros. La aleación 6063 proporciona una conductividad térmica más alta: 200–210 W/m·K frente a 155–175 W/m·K para la 3003. Se prefiere cuando la longitud de la trayectoria de conducción dentro de la placa limita el rendimiento. Su menor resistencia a la corrosión requiere un control más riguroso de la composición química del refrigerante. Recomendamos el cobre solo cuando el análisis de la densidad de flujo de calor y la resistencia a la conducción confirma que el aluminio no puede cumplir con el objetivo térmico.

Selección de refrigerantes para sistemas de vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía.

Mezclas de agua y glicol

La solución de etilenglicol-agua con una concentración de 40–60% es estándar para la mayoría de las aplicaciones de refrigeración indirecta de vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía. Este rango proporciona protección contra la congelación hasta aproximadamente -25 °C a -45 °C, según la concentración. La selección del paquete de inhibidores determina la duración de la protección contra la corrosión del aluminio y el intervalo de servicio. Los paquetes OAT y HOAT ofrecen intervalos de servicio más prolongados que las formulaciones de silicato convencionales. Los objetivos específicos dependen de la composición química del inhibidor, la temperatura de funcionamiento y los requisitos del fabricante.

Especificamos etilenglicol inhibido con paquete de inhibidores HOAT como punto de partida típico para sistemas de placas frías de aluminio. Verificamos la conductividad del refrigerante en el llenado inicial y en los intervalos de servicio programados. corrosión en sistemas de refrigeración líquida Por lo general, se inicia por el agotamiento del inhibidor, que la monitorización de la conductividad detecta antes de que aparezcan daños visibles. El límite aceptable depende de la composición química del inhibidor y de las especificaciones del proveedor del fluido.

Dimensionamiento de la bomba y riesgo de arranque en frío

La selección de la bomba requiere que la curva de caudal-presión se ajuste a la resistencia del sistema en todo el rango de funcionamiento. A bajas temperaturas ambiente, la viscosidad del refrigerante puede aumentar significativamente la resistencia del sistema. En programas de validación de producción, hemos observado que la bomba centrífuga se bloquea a bajas temperaturas ambiente cuando el dimensionamiento se basó únicamente en los objetivos de caudal en condiciones de calentamiento. El resultado es un caudal nulo o muy reducido a través de una o más ramas de la placa fría durante la activación inicial. La asimetría de la temperatura de la celda persiste entonces durante el primer ciclo de carga.

Para evitar esto, verifique el dimensionamiento de la bomba tanto en estado estacionario en caliente como en condiciones de arranque en frío. Evalúe también las estrategias de preacondicionamiento, como la derivación durante el calentamiento, la activación gradual de la bomba o el enrutamiento de la derivación termostática. Las bombas de engranajes resisten mejor el bloqueo en condiciones de alta viscosidad. Son preferibles para circuitos con válvulas de derivación termostática que modifican la resistencia del circuito de forma dinámica.

Marco de validación y normas aplicables

Estándares para baterías de vehículos eléctricos

• ISO 6469-1: Requisitos de seguridad para el REESS a bordo, que abarcan la seguridad eléctrica y la interacción del sistema térmico.
• ISO 12405-4: Procedimientos de prueba de rendimiento para paquetes y sistemas de baterías, que proporcionan la estructura del programa de pruebas para la validación del rendimiento térmico y la durabilidad.
• Reglamento n.º 100 de la CEPE: Requisitos de seguridad para vehículos eléctricos de batería, que rigen la seguridad de los REESS, incluida la interacción de gestión térmica.
• UL 2580Marco de evaluación de seguridad para sistemas de baterías de vehículos eléctricos, que abarca condiciones de pruebas de abuso que interactúan con el diseño del sistema térmico.

Estándares ESS

• IEC 62619Requisitos de seguridad para aplicaciones industriales y estacionarias de baterías de iones de litio; las normas específicas para vehículos de carretera tienen prioridad para los programas de vehículos eléctricos.
• UL 9540AMétodo de ensayo para evaluar la propagación de incendios por descontrol térmico; los resultados afectan directamente a la masa térmica de la placa fría y a las disposiciones de flujo de derivación.
• NFPA 855Norma de instalación para sistemas de almacenamiento de energía estacionarios, que rige la ubicación, la separación y los requisitos de extinción de incendios.

Marco de tipos de validación

La verificación abarca cuatro tipos. La validación del diseño (DV) confirma que el diseño cumple con los requisitos bajo condiciones definidas. Incluye la distribución del flujo mediante CFD, la simulación del rendimiento térmico y la termografía del prototipo. La validación del rendimiento (PV) confirma que las versiones representativas de la producción cumplen con los objetivos de rendimiento en todo el rango operativo. La validación de seguridad abarca las pruebas de contención de fugas térmicas y las normas de pruebas de abuso aplicables. La validación de instalación y puesta en marcha abarca la ejecución del protocolo de purga, la termografía posterior al llenado y la calibración de sensores.

Los resultados de la simulación CFD por sí solos no son suficientes como prueba de aceptación final. Se requiere una correlación mediante pruebas físicas antes de autorizar la fabricación de las herramientas.

Verificación a lo largo del ciclo de vida del diseño de la placa fría

Criterios de aceptación de la simulación CFD

La verificación mediante CFD se basa en tres criterios. La varianza del flujo en las ramificaciones debe mantenerse dentro de los límites aceptables en todos los canales paralelos. La distribución de temperatura en todo el conjunto debe cumplir con el objetivo de uniformidad ΔT bajo carga térmica máxima. La caída de presión total del sistema debe mantenerse dentro del presupuesto de presión del sistema. Se requieren estudios de independencia de malla y validación del modelo de turbulencia con datos de pruebas físicas antes de que los resultados de CFD respalden la aprobación del diseño.

Protocolo de imágenes térmicas

Necesitamos imágenes térmicas después de los transitorios de arranque en frío, no solo en estado estacionario. Los puntos calientes de bloqueo de vapor no se detectan cuando las imágenes se toman solo después de un funcionamiento prolongado. Las burbujas de aire se eliminan durante el funcionamiento prolongado, pero provocan picos de temperatura localizados en los primeros ciclos de calentamiento. Estos picos se correlacionan con la degradación temprana de la celda en las pruebas posteriores de retención de capacidad. Los criterios de aceptación requieren que todas las temperaturas de la superficie de la celda se encuentren dentro de la banda de uniformidad ΔT dentro del tercer ciclo de calentamiento.

Protocolo de sangrado y condiciones límite

La purga insuficiente es la causa de la mayoría de las fallas iniciales en sistemas térmicos que hemos investigado. El llenado inicial de fábrica requiere tres pasos: llenado asistido por vacío, un período de reposo estático a la presión del sistema y circulación activa de la bomba durante al menos un ciclo térmico completo. La termografía posterior a la purga confirma la eliminación completa del aire.

Los escenarios de servicio de campo requieren un procedimiento alternativo definido con criterios de aceptación ajustados. En sistemas paralelos de múltiples ramificaciones, la purga debe abordar cada ramificación de forma independiente. Una purga en un solo punto no purga completamente todas las rutas paralelas. Requerimos el cumplimiento documentado de la purga como un control de calidad de instalación obligatorio.

Conclusión

En la mayoría de los programas de placas frías para baterías de vehículos eléctricos, la uniformidad de la distribución del flujo se convierte en el principal obstáculo una vez definidos los materiales y las interfaces. Tres variables suelen ser la diferencia entre un buen rendimiento en campo y fallos prematuramente: la uniformidad de la distribución del flujo en las ramificaciones paralelas, la consistencia de la presión de contacto del material de interfaz térmica (TIM) en todos los lotes de producción y la calidad de la ejecución del protocolo de purga durante la instalación.

En Trumonytechs, tratamos la distribución del flujo como un criterio de revisión primordial antes de optimizar la geometría del canal o la selección de materiales. Aplicamos el marco de validación completo, que abarca el diseño, el rendimiento, la seguridad y la puesta en marcha, antes de lanzar nuestros productos. placas de refrigeración por agua para el utillaje de producción. Comparta con nuestro equipo la configuración de su paquete de baterías, el formato de las celdas, la arquitectura de voltaje y el ciclo de trabajo. Analizaremos sus condiciones térmicas límite y le proporcionaremos una orientación de diseño preliminar.

PREGUNTAS FRECUENTES