La refrigeración de las baterías de vehículos eléctricos mantiene el paquete de iones de litio dentro de un rango de temperatura de funcionamiento, limitando la desviación de temperatura entre las celdas individuales. El método para lograr ambos objetivos depende de la generación de calor medida en las celdas, la uniformidad requerida y el tipo de encapsulado disponible. El aire, las placas de refrigeración líquida indirecta, el refrigerante directo, la inmersión, los tubos de calor y el almacenamiento por cambio de fase alcanzan primero un límite físico diferente. La generación de calor debe provenir de datos a nivel de celda en el rango de corriente, estado de carga y temperatura esperados. La capacidad del paquete multiplicada por la tasa C describe el flujo eléctrico, por lo que no es un sustituto.
Cómo funciona la refrigeración de las baterías de los vehículos eléctricos y qué es lo que realmente controla.
El sistema de refrigeración de una batería de vehículo eléctrico disipa el calor del paquete manteniendo dos objetivos distintos: un rango de temperatura absoluto para las celdas y un límite máximo de separación entre ellas. El objetivo que se cumple primero depende del flujo del refrigerante, el empaquetado y la interfaz entre la celda y el refrigerante.
La generación de calor dentro del paquete se debe a varios factores. El calor irreversible proviene de las pérdidas óhmicas y de polarización en las celdas, y el calor entrópico reversible proviene de la propia electroquímica. Las barras colectoras, las pestañas y las resistencias de contacto también contribuyen, por lo que las uniones suelen convertirse en puntos calientes antes que las celdas. Todos estos factores varían con la corriente, la resistencia interna, el estado de carga, la temperatura, el envejecimiento y la dirección de la carga. Por lo tanto, una carga de refrigeración que valga la pena considerar en el diseño se obtiene mediante calorimetría, un mapa de generación de calor del proveedor o un modelo electrotérmico validado aplicado a su ciclo de trabajo real.
Guía publicada sobre las divisiones absolutas de bandas. Artículo de E-Mobility Engineering sobre la refrigeración de baterías de vehículos eléctricos, Según una denominación técnica especializada en ingeniería, el mejor rendimiento y la mayor vida útil se sitúan aproximadamente entre los 20 y los 25 °C. Comparación de Saur Energy entre la refrigeración líquida y la refrigeración por aire. Describe una región operativa viable cercana a los 20–40 °C. Las dos figuras responden a preguntas diferentes: la estrecha representa un óptimo de longevidad, mientras que la amplia indica una tolerancia operativa. Un diseño que adopte la tolerancia como objetivo superará su propia prueba de aceptación y, aun así, envejecerá más rápido de lo que supone la hoja de datos de la celda. Ambas son generalizaciones de la industria, y la especificación aprobada de la celda tiene prioridad sobre cualquiera de ellas.
Conviene establecer un límite desde el principio. La gestión térmica normal controla la temperatura de funcionamiento, la propagación, el envejecimiento y el consumo de energía auxiliar. Fuga térmica y la seguridad de propagación es una disciplina aparte: detección, ventilación, aislamiento, advertencia a los ocupantes y resistencia a la propagación de celda a celda. Para los vehículos de carretera se aborda mediante ISO 6469-1:2019/Enmienda 1:2022, que abarca la gestión de seguridad de la propagación térmica para sistemas de almacenamiento de energía recargables. Un circuito de refrigeración dimensionado para el funcionamiento normal no es una estrategia de propagación, y ninguna versión de esa norma prescribe un método de refrigeración, un tamaño de placa o una temperatura óptima de la celda.
Por qué la refrigeración líquida no supera automáticamente a la refrigeración por aire.
La elección entre refrigeración por aire y por líquido para un paquete de baterías de vehículos eléctricos depende del flujo de calor superficial, el flujo disponible y el objetivo de uniformidad, lo que hace que la capacidad del paquete y la clase del vehículo sean predictores poco fiables por sí solos. La capacidad de refrigeración por aire varía con el flujo másico de aire, el aumento de temperatura del aire admisible, la temperatura de entrada, la superficie de contacto entre la celda y el aire, el bypass del conducto y la distribución del flujo, la presión estática del ventilador, las condiciones ambientales y si el aire se acondiciona previamente. La capacidad de refrigeración por líquido varía con el área de la placa, la resistencia de contacto, el caudal, la temperatura de entrada, la geometría del canal, la caída de presión y la capacidad del enfriador. Ninguna de estas listas se reduce a un único umbral de potencia. Los umbrales publicados suelen corresponder a la capacidad máxima de un solo proveedor.
Lo que sí se puede afirmar es la gran diferencia en la escala de ambos. A unos 25 °C, el aire transporta aproximadamente 1,005 kJ/kg·K a una densidad cercana a 1,225 kg/m³, o aproximadamente 1,2 kJ por metro cúbico por kelvin. El agua transporta aproximadamente 4,18 kJ/kg·K a unos 1000 kg/m³, o aproximadamente 4180 kJ por metro cúbico por kelvin. Para la misma cantidad de calor extraído con el mismo aumento de temperatura del fluido, el aire necesita, por lo tanto, un caudal volumétrico del orden de 3000 veces mayor. Esta diferencia determina la comparación. Las cifras asumen únicamente calor sensible, presión atmosférica y agua pura; una mezcla de glicol transporta menos. En la práctica, un diseño refrigerado por aire se topa con el volumen del conducto y la potencia del ventilador que permite el espacio disponible, y pierde uniformidad antes de perder temperatura promedio.
Ambos enfoques también se combinan. El material de cambio de fase puede amortiguar los picos dentro de una carcasa refrigerada por aire, y un sistema mayoritariamente refrigerado por aire puede incorporar un pequeño circuito de líquido que alimente únicamente los módulos de mayor flujo. El almacenamiento estacionario está sujeto a diferentes limitaciones de embalaje y servicio, por lo que se trata de una comparación aparte.
Seis métodos de enfriamiento y el límite que alcanza cada uno primero.
En el diseño actual de los paquetes de baterías para vehículos eléctricos se utilizan seis métodos de refrigeración, y cuál alcanza primero su límite depende del flujo de calor superficial, el volumen del paquete y la compatibilidad del fluido con las celdas vivas.
| Método | Trayectoria del calor | Más adecuado cuando | Límite alcanzado primero |
|---|---|---|---|
| Aire forzado o acondicionado | Superficie celular al aire al conducto o recinto | El flujo de calor es bajo, hay flujo de aire disponible y se tolera una mayor dispersión. | Baja capacidad calorífica volumétrica y mala distribución del flujo de aire. |
| Líquido indirecto, placa fría | Célula para interfaz material a placa a refrigerante | Mayor flujo de calor, o propagación debe ser estrecha | Resistencia de interfaz, caída de presión, gestión de fugas |
| Refrigerante directo | Celda o placa para evaporar refrigerante | El embalaje favorece la conexión del paquete al circuito de refrigeración. | Distribución de refrigerante y control de sobrecalentamiento a través de ramas paralelas |
| Inmersión, dieléctrico directo | Superficie externa de la célula al fluido dieléctrico | El flujo de calor superficial es alto o el embalaje es muy compacto. | Viscosidad del fluido, potencia de bombeo, compatibilidad, facilidad de mantenimiento |
| Tubo de calor | La célula pasa a un cambio de fase dentro de una tubería sellada y luego a un fregadero. | El calor tiene que salir de un lugar confinado hacia una región más fría. | El límite capilar, la orientación y el sumidero aún deben existir. |
| Almacenamiento en búfer de PCM | Almacenamiento de calor latente a partir de células | Los picos transitorios necesitan suavizarse. | El calor almacenado aún necesita una vía de regeneración o de rechazo. |
El grado de madurez varía en esa lista. La refrigeración por aire y la refrigeración líquida indirecta están consolidadas en la producción, y los sistemas basados en refrigerantes aparecen en los vehículos de producción. Enfriamiento por inmersión Los sistemas PCM a gran escala siguen siendo más comunes en programas piloto y desarrollo avanzado, siendo la refrigeración líquida indirecta el método más consolidado para los paquetes de baterías de alta energía para pasajeros en la actualidad. El mismo artículo señala que los aceites de silicona investigados como fluidos dieléctricos son lo suficientemente viscosos como para aumentar notablemente la potencia de la bomba, y que un fluido probado se comportó de forma no newtoniana bajo carga de bombeo.
El formato de la celda modifica la ubicación de estos límites, ya que cambia el área de contacto disponible, la trayectoria de conducción interna y la dirección desde la que la refrigeración funciona mejor. Para realizar esta comparación, es necesario conocer las dimensiones reales de la celda y las superficies disponibles para el contacto térmico. La disposición del flujo es importante por la misma razón. En un canal serpentino de paso único, las celdas cercanas a la salida pueden alcanzar temperaturas más altas debido a que el refrigerante ya ha absorbido calor aguas arriba, mientras que las disposiciones paralelas o de múltiples entradas pueden reducir o redistribuir ese gradiente.
¿Qué variables del paquete determinan el método y cuáles se deben establecer primero?
La decisión sobre la refrigeración de una batería de vehículo eléctrico depende de siete variables, y cada una tiene un origen legítimo: la hoja de datos de una celda, un requisito de validación o el ciclo de trabajo real al que está sometida la batería.
| Variable | De dónde proviene el valor | Lo que limita |
|---|---|---|
| generación de calor celular | Calorimetría, mapa de generación de calor del proveedor o modelo electrotérmico validado. | Cada paso de dimensionamiento posterior |
| Límite de propagación célula a célula | Requisitos de validación de celdas y paquetes, establecidos con la condición de medición | Si el aire sigue siendo una opción en absoluto. |
| aumento de la temperatura del refrigerante | Caudal, área de la placa, disposición de los canales | Un término del presupuesto extendido |
| Resistencia de interfaz | Espesor de la línea de unión, conductividad del relleno, planitud de la superficie | Temperatura celular alcanzable a una temperatura de placa determinada |
| Recinto y trayectoria del flujo de aire | Clasificación de ingreso, acceso de servicio, volumen de embalaje | Viabilidad del aire acondicionado |
| fluido de trabajo | Conductividad eléctrica, viscosidad a baja temperatura, compatibilidad de materiales | Consecuencias de la fuga y régimen de servicio |
| Umbrales de reducción de carga y de apagado | Especificación celular aprobada y concepto de seguridad del BMS | Comportamiento de carga rápida sostenida |
Los siete parámetros convergen, aunque conviene definir dos de ellos desde el principio. La generación de calor en la celda es el primer parámetro: el área de la placa, el número de canales, el caudal y la selección de la bomba la consideran como un dato de entrada, por lo que cualquier cambio en este parámetro repercute en todas las decisiones posteriores. El límite de dispersión es el siguiente, y es el menos negociable de los dos. Se origina en la celda, lo que lo deja en gran medida fuera del control del diseñador. El tipo de carcasa y el fluido de trabajo generalmente se pueden revisar más adelante en el diseño sin necesidad de recalcular el tamaño.
En contra de nuestros propios intereses: cuando la disipación medida de un paquete es modesta y el embalaje permite el uso de aire acondicionado, un circuito de refrigeración líquida añade bombas, conexiones, servicio de refrigerante y detección de fugas para un margen que el ciclo de trabajo quizás nunca requiera. Un presupuesto detallado en papel lo demostrará más rápidamente que una comparación de proveedores.
Límites de conductividad del refrigerante que cambiaron en 2025
Dos documentos fueron trasladados selección de refrigerante Es posible que las especificaciones recientes y las más antiguas del refrigerante no reflejen ninguna de las dos.
- GB 29743.2-2025, Refrigerante para vehículos de motor, Parte 2: Refrigerante para vehículos eléctricos. En vigor en China desde el 1 de octubre de 2025, esta normativa limita la conductividad eléctrica del refrigerante suministrado a 100 µS/cm, con un aumento permitido durante su uso. Acción: Confirme el estado de conformidad con su proveedor de refrigerante antes de especificar un fluido para cualquier plataforma que se venda en ese mercado.
- ASTM D8566-24, Especificación estándar para refrigerante de vehículos eléctricos a base de glicol con baja conductividad eléctrica. Aprobada el 15 de mayo de 2024 bajo el subcomité D15.26 de ASTM, informa una conductividad eléctrica máxima de 100 µS/cm para refrigerante nuevo. Acción: Compruebe si su circuito se ajusta a este documento o a una especificación anterior de refrigerante de motor, ya que los refrigerantes de motor convencionales tienen valores mucho más elevados.
Ninguno de los documentos establece una temperatura óptima para la celda, un objetivo de uniformidad ni un caudal de refrigeración. Limitan el fluido, y el diseño térmico queda a su criterio.
Resistencia de interfaz entre la celda y la placa fría
Resistencia de interfaz entre una celda y su placa de frío A menudo, la línea de unión determina la temperatura celular alcanzable más que la placa, ya que es un elemento en serie cuya resistencia aumenta con el espesor y disminuye con la conductividad y el área. Esta misma característica hace explícita la relación de intercambio. Un espacio de 10 mm relleno con un material de 10 W/m·K presenta aproximadamente la misma resistencia térmica que un espacio de 1 mm relleno con un material de 1 W/m·K. Esta comparación se mantiene constante en igualdad de condiciones.
La relación entre espesor y conductividad conlleva una consecuencia en la adquisición que rara vez se menciona. Reducir a la mitad la línea de unión equivale aproximadamente a duplicar la conductividad del relleno. El espesor es una decisión de tolerancia y planitud, mientras que la conductividad es una decisión de precio. El espesor suele ser la palanca más económica. Especificar una prima material de interfaz térmica Reparar una batería que se calienta suele ser la opción más costosa para lograr la reducción de temperatura que se conseguiría con una configuración más compacta. La comparación presupone una conducción unidimensional e ignora la resistencia de contacto entre las dos superficies, que aumenta cuando alguna de ellas no es plana.
El caudal de refrigerante se obtiene a partir de la carga térmica y el aumento de temperatura permitido. Según q = ṁ × Cp × ΔT, una carga de 5 kW con un aumento de temperatura de refrigerante de 3 K requiere aproximadamente 5000 ÷ (3300 × 3) ≈ 0,5 kg/s. La cifra de 3,3 kJ/kg·K proviene de valores de componentes puros para una mezcla de agua y glicol al 50/50, asumiendo una mezcla ideal. Sustituya esta cifra por su propia carga medida y su propia hoja de datos del fluido. Este cálculo dimensiona el aumento de temperatura del refrigerante, un término en el presupuesto de distribución de celda a celda. El resto proviene de la distribución del flujo en el colector, la conducción en el plano a través de la placa, la resistencia de la interfaz, las diferencias en la generación de calor por celda, los efectos de borde en el límite del módulo y la ubicación y tolerancia del sensor. Verificamos qué aumento de temperatura del refrigerante puede absorber un presupuesto de distribución determinado antes de comparar las opciones de placa.
Cuando el tamaño de una placa se determina únicamente en función de la carga térmica total y no se registra la variación de temperatura, el paquete suele alcanzar su temperatura objetivo promedio, pero aun así no supera la prueba de uniformidad cerca de la salida. La corrección suele consistir en aumentar el flujo en lugar de modificar la configuración del colector. En paquetes que funcionan diariamente a altas temperaturas ambiente, las celdas más cercanas a la salida del refrigerante y la línea de unión entre la placa y la celda suelen ser los primeros puntos que conviene revisar cuando la variación de temperatura medida comienza a aumentar.
De los datos de generación de calor a la decisión sobre el método de refrigeración.
La decisión sobre la refrigeración de una batería de vehículo eléctrico se basa principalmente en dos factores: un perfil de generación de calor medido o modelado, y un límite de dispersión entre celdas, especificado junto con sus condiciones de medición. Una vez que se conocen ambos, la selección del método, el dimensionamiento de las placas y el caudal se simplifican considerablemente. La mayoría de las discrepancias entre refrigeración por aire y por líquido se deben a discrepancias en estos dos valores. Ambos dependen del proyecto y del ciclo de trabajo, por lo que conviene establecerlos mediante una prueba de caudal sostenido antes de elegir el hardware.
Si ya tiene un perfil de generación de calor y un objetivo de uniformidad establecido, el siguiente paso es un diseño de canal y una pila de interfaz verificados con respecto a ambos, que es donde nuestro Gestión térmica de la batería Comienza el trabajo. Si no dispones de ninguno de los dos, empieza con la calorimetría o un mapa de generación de calor del proveedor, ya que cualquier decisión de dimensionamiento posterior dependerá de su precisión.
PREGUNTAS FRECUENTES
¿Un vehículo eléctrico estacionado aún necesita refrigeración de la batería?
A veces. La información para compradores señala que algunos vehículos eléctricos de producción mantienen el sistema de gestión térmica en funcionamiento mientras están estacionados en ambientes con altas temperaturas, con un bajo consumo de energía, para limitar el envejecimiento. Si su vehículo lo hace, es un comportamiento específico del modelo que conviene consultar en la documentación del propietario.
¿Es posible convertir posteriormente un paquete de refrigeración por aire a refrigeración líquida?
Rara vez se realiza sin rediseñar el paquete. El montaje de las placas, el espaciado de las celdas, el sellado y el enrutamiento del refrigerante son decisiones físicas que se fijan en el diseño del paquete, a diferencia de los parámetros de control, como la temperatura objetivo del refrigerante, que se pueden ajustar posteriormente. Considere que el método de refrigeración está definido una vez que se ha fijado la geometría de la carcasa.
¿Con qué frecuencia es necesario cambiar el refrigerante en un circuito de batería?
En cuanto al intervalo especificado en las directrices de mantenimiento del vehículo o del sistema de baterías, los datos del proveedor de fluidos sobre la vida útil del inhibidor y la compatibilidad de los materiales deben respaldar dicho intervalo, y los metales del circuito, los sellos y la variación de la conductividad también influyen en él.
¿Qué cambios son necesarios para que la refrigeración por inmersión sea adecuada para un paquete de producción?
Tres elementos clave: una capacidad de bombeo suficiente para soportar la viscosidad del fluido, juntas y acceso para mantenimiento diseñados para un sistema en contacto con el fluido, y un suministro de volumen de un fluido adecuado. La transferencia de calor rara vez representa un obstáculo.
¿Qué efecto tiene el preacondicionamiento de la batería en la velocidad de carga?
El preacondicionamiento acerca la batería al rango óptimo donde el sistema de gestión de baterías (BMS) permite una corriente de carga más alta. Por ello, un mismo cargador puede ofrecer curvas de carga muy diferentes para una batería fría y una preacondicionada. Los umbrales de reducción de potencia y apagado se basan en las especificaciones aprobadas de la celda. El preacondicionamiento también consume energía de la batería, por lo que el costo de la capacidad térmica adicional varía.
