los Consorcio de baterías avanzado de EE. UU. (USABC) afirma que se espera que la batería utilizada por un híbrido enchufable (PHEV) dure más de 15 años y 300,000 ciclos de carga.
Sin embargo, su vida útil depende de diferentes factores de estrés que afectan fuertemente la tasa de degradación, siendo la temperatura un factor enorme. Además, al ser el elemento más costoso en un vehículo eléctrico, la industria automotriz se centra en desarrollar mejores sistemas de gestión térmica de la batería para evitar el reemplazo prematuro y costoso de la batería.
¿Cuáles son los últimos desarrollos en sistemas de gestión térmica de baterías?
La relación entre degradación y temperatura. puede ser formulado por un Arrhenius-tipo de comportamiento donde la tasa de degradación aumenta exponencialmente con la temperatura:
“La relación exacta depende de la electroquímica específica y el diseño de la batería. Por lo tanto, no existe un modelo de vida único que modele todas las químicas diferentes «.
Aunque la capacidad aumenta a medida que aumenta la temperatura de funcionamiento, el grado de desvanecimiento de la capacidad también aumenta. Por otro lado, se observa un bajo rendimiento a bajas temperaturas de funcionamiento. Además, el aumento excesivo o desigual de la temperatura en un sistema o paquete reduce significativamente su ciclo de vida.
Como referencia de la industria, Las baterías EV alcanzan sus últimos días una vez que alcanzan una pérdida de capacidad del 20 por ciento o un crecimiento de resistencia interna del 30 por ciento, y los sistemas de gestión térmica de batería activa y pasiva (BTMS) son las principales tarjetas que juegan los ingenieros para abordar el sobrecalentamiento de la batería y el bajo rendimiento.
Además, existen varios tipos de técnicas de BTMS según el propósito, la fuente y el medio de enfriamiento. Por propósito, hay sistemas basados en enfriamiento solo en lugar de calefacción y enfriamiento. La fuente incluye pasivo, si el aire de la cabina se usa sin preacondicionamiento adicional, o activo, si se instala un componente específico de calefacción o refrigeración en el sistema para cambiar el aire antes de ingresar al paquete. Por último, por medio de enfriamiento podría significar aire versus líquido.
«Los sistemas eficientes de gestión de la temperatura contribuyen significativamente a la salud de la batería y extienden la vida útil general», dice Lyu et al en su artículo de 2019 Sistema de gestión térmica de batería de vehículo eléctrico con refrigeración termoeléctrica.. “Además, a medida que aumentan la capacidad y la velocidad de carga y descarga, los problemas de seguridad de la batería necesitan más atención. Posteriormente, se han desarrollado varios BTMS para satisfacer la demanda de mayor potencia, tasas de carga más rápidas y un mejor rendimiento de conducción «.
Con respecto al BTMS pasivo, se utilizan materiales de cambio de fase, tuberías de calor e hidrogeles, con el beneficio de no consumir energía adicional. En el lado negativo, el proceso de enfriamiento es difícil de administrar. En oposición, continúa el artículo, los métodos activos tradicionales generalmente conducen a la circulación forzada y la circulación de materiales y sustancias refrescantes específicos como el agua y el aire: «El problema principal es que el efecto de enfriamiento puede ser muy limitado en ciertas circunstancias».
TEC combinado con otras técnicas BTMS
El primer método para la mitigación efectiva del calor en las baterías de iones de litio es la elección de los materiales de los electrodos, lo cual es inherente a la tecnología de celdas de batería. Un BTMS que está llamando la atención en la industria de vehículos eléctricos es el enfriamiento termoeléctricoo TEC.
Esto se debe a algunos beneficios relacionados con sus capacidades de enfriamiento sólido y potencial de trabajo confiable, además de ser silencioso, estable y permitir un control más fácil de la temperatura simplemente ajustando el suministro de voltaje.
Los enfriadores termoeléctricos se basan en la conversión de voltaje a la diferencia de temperatura. Este efecto Peltier-Seebeck, junto con el efecto Thompson, pertenece al efecto termoeléctrico. «El efecto termoeléctrico se refiere a todos los procesos de transformación del calor a la electricidad, y viceversa». Varios estudios destacados se han llevado a cabo en los últimos años.
En uno, los lados fríos de los enfriadores termoeléctricos se conectaron al disipador de calor en estos diseños y la temperatura máxima se mantuvo por debajo de 55 ° C. “El aire frío se introdujo en la batería y la cabina para refrescarse. Más tarde, se incorporó un ventilador de disipador térmico para el enfriamiento del lado frío y la disipación del calor del lado caliente ”.
Además, la refrigeración termoeléctrica se puede combinar con otros sistemas de gestión térmica de la batería, como la refrigeración por aire forzado y la refrigeración líquida.
En el sistema de refrigeración por aire, la batería se enfría mediante un flujo de aire que barre la batería. El aire generalmente proviene del exterior, pero también de la cabina y unidades de aire acondicionado adicionales en sistemas que son más complejos. La ventaja de este método es su naturaleza simple, donde no se necesita aislamiento entre el aire y la batería o que permite menos mantenimiento y componentes más livianos.
También hay inconvenientes en este enfoque. La capacidad calorífica específica limitada del aire requiere un mayor espacio para los componentes que constituyen el BTMS. Además, se debe utilizar una geometría especial para el canal de refrigerante y solo unas pocas celdas se pueden enfriar a la vez. Debido a las consideraciones anteriores, es necesario aumentar la velocidad del flujo de aire, lo que conduce a una menor eficiencia energética.
En cuanto a los sistemas refrigerados por líquido, los componentes que contienen un refrigerante se encuentran entre celdas o módulos. El calor se transporta a un disipador de calor, alejado de la batería. El disipador de calor puede ser un radiador simple o un sistema más complejo que disipa el calor en un circuito refrigerante. Por lo general, ambos se usan en combinación, donde el cambio se realiza en función de varios parámetros.
Las desventajas de dicho sistema son un mayor peso resultante de los componentes adicionales y la proximidad del líquido refrigerante a los componentes de alto voltaje. Por lo tanto, durante la operación y el mantenimiento, deben implementarse varias medidas de seguridad.
Ambos enfoques anteriores se denominan activos, porque usan componentes externos como bombas y ventiladores que usan energía de batería adicional. Una desventaja adicional es la creación de ruido y vibración en un entorno generalmente silencioso, la necesidad de mantenimiento adicional y un mayor costo de los componentes con el tiempo.
Es posible una combinación de TEC y estos BTMS
Aquí, el líquido refrigerante actúa como el medio para eliminar el calor generado por la batería durante el funcionamiento. Tal diseño BTMS es una combinación de TEC con refrigeración por aire forzado y refrigeración líquida en la que el líquido refrigerante funciona como medio para eliminar el calor de las baterías:
“La eliminación de calor asistida por aire forzado se realiza desde el lado del condensador de la carcasa del líquido termoeléctrico. Se llevan a cabo experimentos detallados en un sistema de batería de vehículo eléctrico simulado «.
La batería se coloca verticalmente en el centro del contenedor de refrigerante. El líquido que fluye elimina una cantidad considerable de calor generado por la batería durante el funcionamiento. Se usa una bomba de agua para conducir la circulación de líquido. El TEC se utiliza para controlar la temperatura del refrigerante después. Por último, el extremo caliente del TEC será enfriado por el disipador de calor y el ventilador conectado a él.
Desde el mismo papel, los resultados experimentales revelan un prometedor efecto de enfriamiento con una cantidad razonable de disipación de energía: «Además, la prueba experimental muestra que la temperatura de la superficie de la batería cae alrededor de 43ºC – de 55ºC a 12ºC – usando un sistema de enfriamiento de agua basado en TEC para una sola celda con soporte de cobre cuando se suministran 40 V al calentador y 12 V al módulo TEC «.
Sin embargo, el rendimiento del sistema se mejorará constantemente para satisfacer la demanda de una generación de calor progresivamente más alta. En otro estudio, se informó que la COP del BTMS disminuye gradualmente al aumentar el suministro de energía al TEC y la temperatura máxima de la batería era inferior a 36,2 ° C.
La revolución EV no es nada si los autos mismos no pueden entregar. Y eso significa no solo después de 15 días, o 15 meses, sino 15 años. Como resultado, no sorprende que se haya dedicado tanto tiempo y esfuerzo a refinar los sistemas de gestión térmica de la batería, y continuará haciéndolo para garantizar que los EV funcionen una y otra vez.