Il liquido di raffreddamento migliore è quello più adatto alla finestra operativa, ai materiali a contatto con il fluido e al carico termico. Non esiste una soluzione univoca. Per la maggior parte dei pacchi batteria per veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia, ciò significa utilizzare acqua o una miscela di acqua e glicole che scorre attraverso una piastra di raffreddamento; un fluido dielettrico entra in gioco solo quando l'architettura di raffreddamento prevede che il fluido entri in contatto diretto o in prossimità di parti sotto tensione. Questo articolo confronta i liquidi di raffreddamento più comuni e illustra come gli ingegneri dei pacchi batteria restringono effettivamente la scelta. Noi di Trumonytechs progettiamo le piastre di raffreddamento e i materiali di interfaccia che si trovano tra le celle e il liquido di raffreddamento, quindi la scelta del fluido e quella dell'hardware non sono mai separate.
Informazioni sui sistemi di raffreddamento a liquido
Un circuito di raffreddamento a liquido dissipa il calore dalle celle in modo molto più efficace rispetto all'aria, poiché un liquido combina un'elevata capacità termica con un flusso denso e controllabile attorno alla superficie calda. La quantità di calore effettivamente dissipata dal circuito dipende dalle proprietà del fluido, dalla portata massica, dall'aumento di temperatura consentito del refrigerante e dalle piastre e dallo scambiatore di calore che attraversa. Non esiste una singola proprietà determinante.
I componenti principali di un circuito di raffreddamento a batteria sono:
- Liquido di raffreddamento: il fluido di lavoro che assorbe calore nelle celle e lo cede allo scambiatore. La sua conduttività termica e il suo calore specifico determinano il limite massimo di calore che il circuito può trasferire.
- Piastra fredda: la parte conduttiva in alluminio o rame premuta contro le celle o i moduli. Una piastra ben abbinata design della piastra fredda è ciò che effettivamente trasferisce efficacemente il calore al refrigerante, quindi la piastra e il fluido devono essere specificati insieme.
- Materiale di interfaccia termica: il riempitivo che rimuove l'aria tra la cella e la piastra. È un elemento in serie nel percorso termico dalla cella alla piastra, quindi materiali per interfaccia termica liquida e i pad modellano la distribuzione della temperatura del pacco insieme alla disposizione delle celle, alla resistenza di contatto e al design delle piastre, non da soli.
- Pompa: sposta continuamente il liquido di raffreddamento dalle celle allo scambiatore di calore. Un fluido più viscoso costringe la pompa a lavorare di più per garantire la stessa portata.
- Scambiatore di calore: cede il calore raccolto all'aria o a un secondo circuito.
- Tubazioni e serbatoio: trasportano il fluido e assorbono la dilatazione termica; i loro materiali devono essere compatibili con il refrigerante scelto.
Interpretando la catena in questo modo, la questione del fluido rimane ancorata alla realtà: un liquido di raffreddamento è "buono" solo se dissipa bene il calore e rimane compatibile con la piastra, le guarnizioni e la pompa attraverso cui scorre.
Analisi comparativa dei liquidi di raffreddamento
Quasi tutte le batterie e i circuiti di elettronica di potenza sono coperti da tre famiglie di fluidi refrigeranti: acqua, miscele di acqua e glicole e fluidi dielettrici. Ognuna di esse offre un compromesso tra prestazioni termiche, intervallo di temperatura, sicurezza elettrica e manutenzione, quindi la scelta giusta dipende dal vincolo che non si può trascurare.
L'acqua trasferisce il calore meglio delle alternative, ma ha la finestra di utilizzo più ristretta. In termini di massa, il suo calore specifico è circa quattro volte quello dell'aria in condizioni ambientali e la sua conduttività termica è vicina a 0,6 W/m·K. Questa combinazione è il motivo per cui l'acqua è il punto di riferimento rispetto al quale vengono misurati tutti gli altri fluidi di raffreddamento. I limiti sono pratici: a pressione atmosferica congela a 0 °C e bolle a 100 °C, e l'acqua non trattata può corrodere l'alluminio e il rame comunemente utilizzati nelle piastre di raffreddamento. L'acqua deionizzata o distillata con gli additivi appropriati viene utilizzata laddove tali limiti sono accettabili. Il rischio di corrosione è sufficientemente reale da rendere necessario il trattamento del fluido e il controllo dei materiali. riduce i rischi di corrosione che altrimenti, col tempo, ostruirebbero i canali.
Le miscele acqua-glicole sacrificano parte delle prestazioni di raffreddamento in cambio di un intervallo di temperatura di sicurezza molto più ampio. Le miscele di etilenglicole o propilenglicole abbassano il punto di congelamento e alzano il punto di ebollizione, aspetto importante per le batterie che vengono conservate a temperature sotto zero o soggette a forti escursioni termiche, e le confezioni di glicole solitamente contengono inibitori di corrosione. Il costo è di natura fisica: una miscela di glicole è più viscosa dell'acqua e trasporta un calore leggermente inferiore, ed entrambi gli effetti aumentano con la frazione di glicole e variano con la temperatura. È necessario dimensionare la pompa e il budget di caduta di pressione in base alle curve delle proprietà di concentrazione-temperatura del fluido candidato, non a una regola empirica. Questo è il fluido predefinito nella maggior parte delle batterie per veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia perché la protezione dal congelamento di solito compensa la perdita di prestazioni.
I fluidi dielettrici garantiscono la sicurezza elettrica a un costo termico non trascurabile. Poiché non conducono elettricità, una perdita su parti sotto tensione comporta un rischio elettrico inferiore, motivo per cui vengono utilizzati in applicazioni a immersione e a contatto diretto. Tuttavia, la loro conduttività termica è ben inferiore a quella dell'acqua e le proprietà, l'infiammabilità e la compatibilità con i materiali variano notevolmente da un fluido all'altro. La scelta di un fluido dielettrico si effettua quindi solo quando l'architettura richiede isolamento, verificandone poi le caratteristiche specifiche; una semplice ipotesi di categoria non è sufficiente.
| Liquido di raffreddamento | Trasferimento di calore relativo | Finestra di temperatura | principale punto di osservazione |
|---|---|---|---|
| Acqua (DI/distillata) | Il più alto dei tre | Più ristretto (limitato da congelamento/bollitura) | Corrosione senza inibitori e controllo dei materiali |
| Miscela di acqua e glicole | Elevata, ridotta con frazione glicolica | Esteso (dipendente dalla formulazione) | Viscosità più elevata → costo della pompa/caduta di pressione |
| fluido dielettrico | Pozzo sotto la superficie dell'acqua | Dipendente dalla formulazione | Trasferimento di calore debole; verificare per fluido specifico |
La classifica sopra riportata è indicativa. Prima di procedere all'acquisto, si consiglia di verificare le caratteristiche di ciascun candidato confrontandole con i dati relativi alle proprietà e alla compatibilità dei materiali, nonché con i dati di resistività dei fluidi dielettrici.
Gli ultimi progressi nella tecnologia di raffreddamento a liquido
I nuovi approcci al raffreddamento modificano principalmente il modo in cui il fluido entra in contatto con le celle, non la fisica intrinseca dei fluidi stessi. Per quanto riguarda le batterie e i sistemi di accumulo di energia (ESS), vale la pena seguire due direzioni, ognuna con un chiaro compromesso.
Il raffreddamento a immersione immerge le celle o i moduli direttamente in un fluido dielettrico, eliminando così l'interfaccia tra piastra e cella come collo di bottiglia e migliorando l'uniformità della temperatura. Lo svantaggio è rappresentato dalla bassa conduttività termica già menzionata, oltre al maggiore volume, peso e complessità di contenimento del fluido, aspetti da considerare in fase di progettazione. Il raffreddamento a immersione viene scelto quando l'uniformità o l'isolamento elettrico sono prioritari, non per massimizzare il trasferimento di calore.
L'altro settore di ricerca attivo riguarda i fluidi a basso potenziale di riscaldamento globale, con l'obiettivo di sostituire le formulazioni più datate con alternative che abbiano un minore impatto ambientale. Questi fluidi vengono comunque valutati in base alle stesse proprietà che qualsiasi liquido di raffreddamento deve possedere: conduttività, viscosità, compatibilità con i materiali e stabilità per tutta la durata di vita del pacco. Un'etichetta "più ecologica" non qualifica di per sé un fluido per un determinato circuito, pertanto i dati relativi alle prestazioni e alla compatibilità di qualsiasi nuovo fluido vanno verificati con i materiali utilizzati.
Come scegliere il miglior liquido di raffreddamento
La scelta di un liquido di raffreddamento consiste nell'escludere le opzioni in base al vincolo immutabile, per poi ottimizzare in base a ciò che rimane. Per un pacco batterie, procedete all'incirca in quest'ordine.
Iniziate dall'intervallo di temperatura, perché questo parametro esclude rapidamente intere famiglie di prodotti. Se la confezione deve resistere a temperature sotto zero o ad ambienti caldi, l'acqua pura è da escludere e va utilizzata una miscela di acqua e glicole o un altro liquido a lunga durata. Il punto di congelamento necessario determina la frazione minima di glicole, e tale frazione a sua volta determina la penalità in termini di viscosità.
Successivamente, si decide l'architettura di raffreddamento, poiché da essa dipende l'eventuale utilizzo di un fluido dielettrico. Una piastra di raffreddamento indiretta mantiene il fluido fisicamente separato dalle celle, e una soluzione di acqua trattata o una miscela di acqua e glicole solitamente offrono prestazioni migliori. I sistemi a contatto diretto e a immersione mettono il fluido a diretto contatto con le parti sotto tensione. In questi casi, la scelta di un fluido dielettrico passa da opzione a necessità, in base alle perdite tollerabili e alla sua resistività e compatibilità con i materiali. Il suo minore coefficiente di scambio termico è compensato dall'aumento della superficie di scambio.
Successivamente, verificare la compatibilità dei materiali e delle guarnizioni. Controllare il liquido di raffreddamento con ogni materiale a contatto con il fluido: lega delle piastre, tubi, guarnizioni e componenti interni della pompa, e specificare gli inibitori di corrosione adatti a quella specifica combinazione. I metalli misti rappresentano il punto critico più frequente, e un fluido compatibile con l'alluminio può comunque danneggiare una guarnizione.
Infine, dimensioni per viscosità e caduta di pressione, poiché una miscela a viscosità più elevata aumenta la potenza della pompa e può ampliare il gradiente di temperatura se il flusso diminuisce nei canali più lontani. È qui che la scelta del fluido e l'hardware si incontrano: il design del canale della piastra fredda e dove il circuito respinge il calore attraverso un sistema di raffreddamento liquido-liquido o uno scambiatore lato aria, devono essere dimensionati per il fluido che hai scelto. Il nostro pannelli di raffreddamento a liquido per veicoli elettrici ed ESS sono progettati per questo percorso dalla cella al refrigerante e il fluido deve essere abbinato alla piastra e al ciclo di lavoro, non specificato singolarmente.
Effetti del liquido di raffreddamento sull'efficienza e sulla durata del pacco batteria
Il refrigerante scelto ha ripercussioni a valle, non solo in termini di valore di conducibilità termica, ma anche di uniformità della temperatura, durata delle celle e margine di sicurezza. Un fluido che trasferisce bene il calore ma non viene adeguatamente regolato, o uno la cui viscosità non permette un adeguato raffreddamento dei canali più distanti, può degradare un pacco batterie anche quando la sua conducibilità nominale appare buona.
L'uniformità della temperatura è fondamentale per l'efficacia del fluido di raffreddamento, poiché il degrado delle celle non dipende solo dalla temperatura di picco, ma anche dalla sua distribuzione sull'intero pacco. Le celle agli ioni di litio funzionano al meglio all'interno di un intervallo di temperatura che dipende dalla loro composizione chimica. La differenza media e massima accettabile tra le celle dovrebbe essere definita in base alla scheda tecnica della cella, allo stato di carica, al C-rate, alla durata di vita prevista e alla finestra di accettazione del produttore, piuttosto che a un singolo valore generico. Un fluido di raffreddamento con un'elevata capacità di trasferimento del calore e un flusso sufficiente in ogni canale è ciò che consente di ottenere un gradiente termico preciso.
Longevità e sicurezza derivano dallo stesso controllo. Mantenere le celle entro i limiti previsti e con caratteristiche simili riduce lo stress termico che ne causa l'invecchiamento e preserva il margine contro l'instabilità termica, la modalità di guasto che rende il raffreddamento della batteria un sistema di sicurezza, non solo un sistema prestazionale. Ecco perché la scelta del fluido viene verificata in base al ciclo di lavoro effettivo del pacco batteria, non a un valore di picco riportato nella scheda tecnica.
Conclusione
Non esiste un liquido di raffreddamento universalmente migliore. La risposta corretta è il fluido che resiste al vincolo più stringente e che al contempo trasferisce una quantità di calore sufficiente al suo interno. Per la maggior parte dei pacchi batteria per veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia, la procedura pratica è breve: definire prima l'intervallo di temperatura, che di solito porta a una miscela di acqua e glicole; decidere l'architettura, introducendo un fluido dielettrico solo dove il progetto prevede il contatto con parti sotto tensione; infine, verificare la compatibilità dei materiali e dimensionare il circuito in base alla viscosità accettata. Seguendo correttamente quest'ordine, la domanda sul "liquido migliore" trova praticamente risposta da sola.
Il fluido e l'hardware attraverso cui scorre devono essere specificati come un'unica decisione. Se si deve abbinare un refrigerante a uno specifico formato di cella, a una configurazione di piastra fredda o a uno stack di materiali di interfaccia, Contatta il team Trumonytechs per analizzare le variabili in relazione al tuo pacchetto.
FAQ
Devo usare acqua o una miscela di acqua e glicole per la piastra di raffreddamento di una batteria per veicoli elettrici o sistemi di accumulo di energia?
Utilizzate una miscela di acqua e glicole se il pacco deve essere conservato a temperature sotto zero o in presenza di ampie escursioni termiche, e solo acqua trattata se l'intervallo di temperatura rimane mite. Il glicole abbassa il punto di congelamento e alza il punto di ebollizione a scapito della capacità di trasferimento del calore e con una maggiore viscosità, che la maggior parte dei pacchi accetta per la protezione dal gelo. Verificate la percentuale di glicole in base alla temperatura minima a cui dovete resistere.
Posso utilizzare semplice acqua di rubinetto in un circuito di raffreddamento a liquido per batterie?
No. L'acqua del rubinetto introduce impurità che possono corrodere le piastre e ostruire i canali. Se l'acqua rientra nell'intervallo di temperatura richiesto, utilizzare acqua deionizzata o distillata e controllare la qualità dell'acqua, gli inibitori di corrosione e il rischio microbico secondo le specifiche del produttore o del fornitore del liquido di raffreddamento, verificate su tutti i materiali a contatto con il fluido. Considerare l'acqua del rubinetto non trattata come un rischio evitabile di corrosione e incrostazioni, non come un risparmio.
Quando è effettivamente necessario un fluido dielettrico al posto della miscela acqua-glicole?
Scegliete un fluido dielettrico quando l'architettura di raffreddamento mette il fluido a diretto contatto con le celle o le barre collettrici, come nei sistemi a immersione, e le conseguenze di una perdita di un refrigerante conduttivo sono inaccettabili. Il vantaggio principale è la sua non conduttività; il prezzo da pagare è la sua conduttività termica molto inferiore, compensata però da una maggiore superficie di scambio termico. Se una piastra di raffreddamento indiretta mantiene il fluido separato dalle celle, la soluzione di acqua e glicole rimane generalmente la scelta migliore, ma è consigliabile verificare i dati specifici del fluido.
Quale proprietà del liquido di raffreddamento è più importante per l'uniformità della temperatura all'interno di un pacco batterie?
Un adeguato trasferimento di calore combinato con un flusso sufficiente in ogni canale è fondamentale, perché l'uniformità dipende dalla vicinanza delle celle più fredde e più calde, non solo dalla media. Un fluido viscoso che non scorre a sufficienza nei canali più distanti amplifica il gradiente anche se le sue proprietà di massa sembrano ottimali. Definire la differenza media e massima di temperatura tra le celle in base alla cella e al ciclo di lavoro, quindi dimensionare la pompa e la progettazione dei canali in base al fluido effettivamente selezionato.
Per approfondire
- Scelta del liquido di raffreddamento per il raffreddamento a liquido — Astrodyne TDI — Articolo tecnico di ingegneria sulla selezione del refrigerante; supporta il confronto tra le proprietà dell'acqua e della miscela acqua-glicole (conduttività termica, punti di ebollizione/congelamento, viscosità) sopra riportato.
- Come funziona il raffreddamento a liquido delle batterie: un concetto neurale — Spiegazione tecnica del raffreddamento delle batterie; supporta la discussione sul percorso termico dalla cella al liquido refrigerante e sulla temperatura di esercizio delle batterie agli ioni di litio.
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