Projeto de sistema de refrigeração líquida para gerenciamento térmico de baterias de veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia.

O projeto de sistemas de refrigeração líquida para baterias de veículos elétricos e aplicações de armazenamento de energia depende da composição química das células, da arquitetura de tensão do módulo, da taxa máxima de rejeição de calor e dos requisitos de uniformidade de temperatura. placas frias de bateria Distribuir um fluxo de calor moderado por grandes superfícies planas. Ao mesmo tempo, deve manter a paridade de temperatura entre as células dentro de tolerâncias rigorosas. Esses dois requisitos orientam todas as decisões tomadas a montante — desde a geometria do canal da placa fria até a seleção do fluido refrigerante.

Na Trumonytechs, nossa equipe de engenharia se baseia na colaboração em P&D com a Universidade Jiao Tong de Xangai. Também contamos com experiência em produção em programas de sistemas térmicos para veículos elétricos, sistemas de armazenamento de energia, eletrônicos de consumo e estações base 5G. Os parâmetros de projeto e os métodos de verificação neste guia refletem padrões de montagens de produção com múltiplos módulos.

Este artigo aborda o projeto de sistemas de resfriamento líquido indireto para baterias de veículos elétricos e sistemas estacionários de armazenamento de energia (ESS) na faixa de 48 V a 1000 V. As aplicações em veículos elétricos e ESS compartilham os fundamentos do projeto de placas frias. No entanto, diferem em relação às normas aplicáveis, ambientes de instalação e requisitos de validação de segurança. Este artigo não aborda circuitos térmicos de células a combustível de hidrogênio, resfriamento de baterias de fluxo ou sistemas sujeitos a cargas de fadiga por vibração industrial pesada.

Como funciona um circuito de resfriamento líquido em um conjunto de baterias.

Componentes Essenciais e Suas Funções

Um circuito de refrigeração líquida funcional possui quatro partes principais. Primeiro, as placas frias entram em contato térmico com as superfícies das células. Segundo, uma bomba fornece a pressão necessária. Terceiro, um trocador de calor dissipa o calor. Quarto, os coletores de alimentação e retorno distribuem o fluxo pelos circuitos de placas paralelas. Cada componente contribui para a queda de pressão. Em aplicações para veículos elétricos de passageiros, os engenheiros geralmente buscam uma queda de pressão total na rede de placas frias inferior a 50 kPa. O limite ideal depende da seleção da bomba, da arquitetura do sistema e do consumo de energia parasita.

O BMS aciona a bomba com base nas leituras do sensor de temperatura da célula. Os limites de controle variam de acordo com a composição química da célula, a taxa C, a massa térmica da bateria e o perfil ambiental. Eles não são constantes de projeto universais. O posicionamento do termistor dentro do módulo — e não apenas na entrada e saída da bateria — proporciona a resolução espacial necessária para detectar pontos quentes precocemente. Verificamos os mapas de posicionamento dos sensores em relação às localizações dos pontos quentes previstas pela CFD antes de finalizarmos o roteamento dos cabos. Ignorar essa etapa é comum em projetos de terceiros. O resultado são distribuições de temperatura assimétricas entre as fileiras do módulo.

Arquitetura de Loop Único vs. Arquitetura de Loop Duplo

Os sistemas de circuito único direcionam o líquido refrigerante da bateria através de um trocador de calor compartilhado com outras cargas térmicas do veículo. Isso reduz o número de componentes e o custo. No entanto, elimina a independência térmica. Os sistemas de circuito duplo isolam o circuito da bateria com um resfriador e uma válvula de expansão dedicados. Isso proporciona um controle preciso da temperatura da bateria, independente das condições ambientais ou da demanda da cabine.

O circuito duplo é frequentemente necessário quando o carregamento rápido exige o pré-condicionamento da entrada da bateria antes do início do carregamento. Como ponto de partida típico, os engenheiros avaliam o circuito duplo quando as taxas de carregamento de pico excedem aproximadamente 100 kW. O limite real depende da constante de tempo térmica da bateria, dos requisitos de pré-condicionamento e dos critérios de aceitação das células.

Por que as placas frias da bateria requerem uma lógica diferente das placas do inversor?

Os requisitos de área da superfície da placa fria da bateria dependem da quantidade de células, da densidade do fluxo de calor e das metas de uniformidade de temperatura. Essa distinção altera a seleção de materiais, a densidade dos canais e o projeto do coletor — todos seguindo uma lógica diferente da anterior. Projeto de placa fria para gerenciamento térmico de eletrônica de potência.

A diferença no fluxo de calor

Um módulo inversor que dissipa 5 kW concentra essa carga em aproximadamente 100–200 cm². O fluxo de calor normalmente excede 25 W/cm². Um conjunto de baterias que dissipa os mesmos 5 kW distribui essa carga por 2.000–10.000 cm² de superfície das células. O fluxo resultante permanece bem abaixo de 1 W/cm². Nesse regime, as ligas de alumínio 3003 ou 6063 fornecem condutividade adequada. O cobre não é necessário. Calculamos os mapas de fluxo de calor por zona do módulo antes de especificarmos o material da placa. Isso evita o superdimensionamento da condutividade da placa quando a distribuição do fluxo é a verdadeira restrição.

Como os alvos ΔT influenciam a geometria

Uma variação de temperatura (ΔT) inferior a 5 °C em toda a bateria é uma meta amplamente utilizada em programas de placas frias para veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia. Nesse nível, as taxas de envelhecimento diferencial entre as células permanecem dentro de limites aceitáveis para a maioria das químicas de íon-lítio. Para atingir esse objetivo, é necessário um espaçamento entre canais suficientemente estreito para evitar picos de temperatura entre eles. Os parâmetros iniciais típicos para células prismáticas variam de 8 a 15 mm entre canais paralelos. O espaçamento ideal depende do fluxo de calor, da vazão e da geometria do canal. Modelamos a sensibilidade da ΔT ao espaçamento entre canais antes de definirmos qualquer geometria para a produção das ferramentas.

Seleção do método de resfriamento: líquido vs. ar vs. imersão

O resfriamento a ar funciona em projetos de sistemas de armazenamento de energia estacionários de baixa potência. As taxas de descarga devem permanecer abaixo de 1C e as temperaturas das células abaixo de 40°C. Ele falha quando o carregamento rápido ou a uniformidade rigorosa de ΔT são exigidos pelas especificações. Não recomendamos o resfriamento a ar para aplicações em veículos elétricos com compatibilidade com carregamento rápido em corrente contínua.

A imersão direta elimina a resistência térmica da interface entre a placa fria e a célula. No entanto, requer fluido dielétrico, aumenta o peso do sistema e introduz riscos de danos ao revestimento da célula. Utilizamos o resfriamento indireto como base para projetos acima de 400 V. Avaliamos apenas projetos com tensão de 400 V. arrefecimento líquido por imersão Quando a seleção otimizada de TIM (Material de Interface Térmica) não consegue atender às metas de resistência de junção, a penalidade de desempenho térmico do fluido dielétrico deve ser verificada em relação à redução da resistência de junção antes de optar por essa arquitetura.

Fundamentos do projeto de placas frias

Arquitetura do Caminho do Fluxo

Os caminhos de fluxo serpentinos direcionam todo o fluido refrigerante por um canal contínuo. Isso maximiza a extração de calor por unidade de vazão. No entanto, cria um gradiente de temperatura da entrada à saída. Para conjuntos de fluido refrigerante mais longos, esse gradiente viola as metas de ΔT.

As arquiteturas de fluxo paralelo dividem o fluxo em vários canais. Isso reduz a queda de pressão e o gradiente térmico. No entanto, a resistência desigual dos canais causa desvios de fluxo em ramos de menor resistência. Usamos configurações de fluxo dividido com posicionamento oposto de entrada/saída para layouts de módulos mais longos. Isso cria perfis de temperatura complementares em ramos paralelos e neutraliza a estratificação térmica. A orientação do canal é uma variável relacionada. geometria de canal reto versus canal inclinado Afeta tanto a queda de pressão quanto a uniformidade em layouts específicos para veículos elétricos.

 

Dimensionamento do coletor e distribuição de fluxo

Em muitos programas práticos de placas frias, a distribuição do fluxo torna-se o principal gargalo após a definição dos materiais e das interfaces. Isso é especialmente verdadeiro em sistemas mais longos com muitas ramificações paralelas. A seção transversal do coletor deve suprir adequadamente cada ramificação sem sobrecarregar as ramificações próximas à entrada.

O processo de projeto começa com o número de ramificações paralelas, a variação de fluxo alvo em cada ramificação e a queda de pressão total aceitável. Realizamos análises de rede de fluxo por CFD antes de liberar a geometria do coletor para a produção das ferramentas. A distribuição fora da tolerância nas primeiras análises de CFD indica uma seção transversal insuficiente do coletor — e não erros na geometria do canal.

Parâmetros de geometria do canal

Os parâmetros iniciais típicos para placas frias de células prismáticas são largura do canal de 3 a 6 mm e altura de 4 a 8 mm. Os valores-alvo do número de Reynolds dependem do balanço de perda de carga, do diâmetro hidráulico do canal, do fluxo de calor e das restrições de potência da bomba. O fluxo turbulento melhora a transferência de calor por convecção. No entanto, alguns programas aceitam fluxo laminar em projetos com canais maiores, onde a perda de carga é a principal restrição. Realizamos análises de sensibilidade no diâmetro hidráulico do canal e na espessura da parede antes de finalizar a geometria da ferramenta.

Pressão de contato TIM — A variável mais subestimada

Em linhas de produção, a pressão de contato entre a placa fria e a carcaça da célula varia entre lotes. A planicidade da camada de placa e a tolerância na espessura da camada de interface térmica (TIM) são os principais fatores que influenciam essa variação. O resultado são diferenças de temperatura locais entre células com contato firme e células com contato frouxo. A seleção da condutividade da TIM e o gerenciamento da pressão de contato devem fazer parte do projeto de montagem.

As tolerâncias de planicidade e os valores mínimos de condutividade da camada de interface térmica (TIM) devem ser obtidos por meio de análise térmica da interface específica da célula. Uma condutividade térmica da TIM acima de 3,0 W/m·K é um mínimo comum para projetos de células prismáticas que visam baixa resistência entre a junção e o fluido refrigerante. Esse limite depende da geometria e do projeto. Verificamos a uniformidade da pressão de contato da TIM entre os lotes de produção como um critério padrão de qualidade.

Seleção de materiais

A liga de alumínio 3003 oferece resistência superior à corrosão e excelente conformabilidade para brasagem. É a escolha padrão para placas frias estampadas e brasadas a vácuo em aplicações para veículos elétricos de passageiros. A liga 6063 proporciona maior condutividade térmica — 200–210 W/m·K contra 155–175 W/m·K da liga 3003. É preferível quando o comprimento do caminho de condução dentro da placa limita o desempenho. Sua menor resistência à corrosão exige um controle mais rigoroso da química do fluido refrigerante. Recomendamos o cobre somente quando a análise da densidade do fluxo de calor e da resistência à condução confirmar que o alumínio não atende à meta térmica.

Seleção do líquido refrigerante para sistemas de veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia.

Misturas de água e glicol

A mistura de etilenoglicol e água, com concentração entre 40 e 60%, é padrão para a maioria das aplicações de resfriamento indireto de veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia. Essa faixa de concentração oferece proteção contra congelamento até aproximadamente -25 °C a -45 °C, dependendo da concentração. A escolha do pacote inibidor determina a duração da proteção contra corrosão do alumínio e o intervalo de manutenção. Os pacotes OAT e HOAT proporcionam intervalos de manutenção mais longos do que as formulações de silicato convencionais. Os objetivos específicos dependem da composição química do inibidor, da temperatura de operação e dos requisitos do fabricante original do equipamento (OEM).

Especificamos etilenoglicol inibido com pacote inibidor HOAT como ponto de partida típico para sistemas de placas frias de alumínio. Verificamos a condutividade do fluido refrigerante no enchimento inicial e nos intervalos de manutenção programados. corrosão em sistemas de refrigeração líquida Normalmente, o problema se inicia com o esgotamento do inibidor, que o monitoramento da condutividade detecta antes que danos visíveis apareçam. O limite aceitável depende da composição química do inibidor e das especificações do fornecedor do fluido.

Dimensionamento da bomba e risco de partida a frio

A seleção da bomba exige que a curva de vazão-altura corresponda à resistência do sistema em toda a faixa de operação. Em baixas temperaturas ambientes, a viscosidade do fluido refrigerante pode aumentar significativamente a resistência do sistema. Em programas de validação de produção, observamos a parada da bomba centrífuga em baixas temperaturas ambientes quando o dimensionamento foi baseado apenas em metas de vazão em condições de temperatura ambiente elevada. O resultado é uma vazão nula ou severamente reduzida em um ou mais ramos da placa fria durante a ativação inicial. A assimetria de temperatura da célula persiste então durante o primeiro ciclo de carga.

Para evitar isso, verifique o dimensionamento da bomba tanto em regime permanente a quente quanto na partida a frio. Avalie também estratégias de pré-condicionamento, como um bypass de aquecimento, ativação gradual da bomba ou roteamento de bypass termostático. Bombas de engrenagem resistem melhor à paralisação em condições de alta viscosidade. Elas são preferíveis para circuitos com válvulas de bypass termostáticas que alteram a resistência do circuito dinamicamente.

Padrões Aplicáveis e Estrutura de Validação

Padrões de baterias para veículos elétricos

• ISO 6469-1Requisitos de segurança para sistemas REESS embarcados, abrangendo segurança elétrica e interação do sistema térmico.
• ISO 12405-4Procedimentos de teste de desempenho para baterias e sistemas, fornecendo a estrutura do programa de testes para validação do desempenho térmico e da durabilidade.
• Regulamento nº 100 da UNECERequisitos de segurança para veículos elétricos a bateria, que regem a segurança dos sistemas de armazenamento de energia renovável (RESES), incluindo a interação com o gerenciamento térmico.
• UL 2580Estrutura de avaliação de segurança para sistemas de baterias de veículos elétricos, abrangendo condições de teste de abuso que interagem com o projeto do sistema térmico.

Padrões ESS

• IEC 62619Requisitos de segurança para aplicações industriais e estacionárias de baterias de íon-lítio; normas específicas para veículos rodoviários têm prioridade nos programas de veículos elétricos.
• UL 9540AMétodo de teste para avaliar a propagação de incêndios com fuga térmica; os resultados afetam diretamente a massa térmica da placa fria e as disposições de fluxo de desvio.
• NFPA 855Norma de instalação para sistemas estacionários de armazenamento de energia, que rege os requisitos de localização, separação e supressão de incêndio.

Estrutura de Tipos de Validação

A verificação abrange quatro tipos. A validação de projeto (DV) confirma se o projeto atende aos requisitos sob condições definidas. Ela inclui a distribuição de fluxo por CFD, simulação de desempenho térmico e termografia de protótipos. A validação de desempenho (PV) confirma se as construções representativas da produção atendem às metas de desempenho em toda a faixa operacional. A validação de segurança abrange testes de contenção de fuga térmica e os padrões de teste de abuso aplicáveis. A validação de instalação e comissionamento abrange a execução do protocolo de purga, termografia pós-enchimento e calibração de sensores.

Os resultados da simulação CFD por si só não são suficientes como evidência final de aceitação. É necessária a correlação com testes físicos antes de liberar a geometria para a produção das ferramentas.

Verificação ao longo do ciclo de vida do projeto da placa fria

Critérios de aceitação para simulação CFD

A verificação por CFD visa três critérios. A variação do fluxo nos ramos deve estar dentro dos limites aceitáveis em todos os canais paralelos. A distribuição de temperatura em todo o conjunto deve atender à meta de uniformidade ΔT sob carga térmica máxima. A queda de pressão total do sistema deve permanecer dentro do orçamento de pressão do sistema. Estudos de independência da malha e validação do modelo de turbulência com base em dados de testes físicos são necessários antes que os resultados da CFD fundamentem a liberação do projeto.

Protocolo de Imagem Térmica

Exigimos imagens térmicas após transientes de partida a frio — não apenas em estado estacionário. Pontos quentes de bloqueio de vapor passam despercebidos quando as imagens são obtidas somente após operação prolongada. As bolhas de ar são expelidas durante a operação prolongada, mas causam picos de temperatura localizados nos primeiros ciclos de aquecimento. Esses picos se correlacionam com a degradação precoce das células em testes subsequentes de retenção de capacidade. Os critérios de aceitação exigem que todas as temperaturas da superfície das células estejam dentro da faixa de uniformidade ΔT no terceiro ciclo de aquecimento.

Protocolo de sangramento e condições de contorno

A sangria inadequada é a causa da maioria das falhas iniciais em sistemas térmicos que investigamos. O enchimento inicial de fábrica requer três etapas: enchimento assistido por vácuo, repouso estático na pressão do sistema e circulação ativa da bomba durante pelo menos um ciclo térmico completo. A termografia pós-sangria confirma a completa purga de ar.

Em cenários de serviço de campo, é necessário um procedimento alternativo definido com critérios de aceitação ajustados. Em sistemas paralelos com múltiplas ramificações, a purga deve tratar cada ramificação de forma independente. Uma purga em um único ponto não elimina completamente todos os caminhos paralelos. Exigimos a documentação comprovando a conformidade com a purga como um requisito obrigatório de qualidade na instalação.

Conclusão

Na maioria dos programas de placas frias para baterias de veículos elétricos, a uniformidade da distribuição do fluxo torna-se o principal gargalo após a definição dos materiais e das interfaces. Três variáveis geralmente separam o sucesso em campo das falhas prematuras: uniformidade da distribuição do fluxo entre os ramos paralelos, consistência da pressão de contato do TIM (material de interface térmica) entre os lotes de produção e qualidade da execução do protocolo de purga durante a instalação.

Na Trumonytechs, consideramos a distribuição do fluxo como um critério de avaliação primordial antes de otimizarmos a geometria do canal ou a seleção de materiais. Aplicamos a estrutura completa de validação — abrangendo projeto, desempenho, segurança e comissionamento — antes de lançar nosso produto. placas de arrefecimento de água para ferramentas de produção. Compartilhe a configuração do seu pacote de baterias, o formato das células, a arquitetura de voltagem e o ciclo de trabalho com nossa equipe. Analisaremos suas condições térmicas e forneceremos uma direção de projeto preliminar.

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