Tecnología de gestión térmica de baterías de iones de litio

En la actualidad, la teoría de gestión térmica de la batería se perfecciona y la tecnología se innova continuamente.Por un lado, empezar con los propios materiales de la batería para mejorar la resistencia a altas/bajas temperaturas de la batería y fortalecer la tolerancia de la batería.Por ejemplo, las últimas baterías de estado sólido son mejores que las baterías líquidas en términos de densidad de energía, seguridad y velocidad de carga.Por otro lado, comenzando desde el exterior de la batería, la temperatura de la batería se controla dentro del rango de trabajo óptimo mediante convección forzada de aire, flujo de medio líquido y recubrimiento de material de cambio de fase.Para buscar una mejor eficiencia de disipación de calor, se diseña un sistema de refrigeración líquida con una estructura compleja.En términos de estructura, se disponen tantos canales de flujo como sea posible para hacer contacto con cada unidad de batería.Optimice la estructura de la ruta de flujo, elija las mejores posiciones de entrada y salida, y diseñe la longitud adecuada de la ruta de flujo para reducir la pérdida de energía, etc. El desarrollo de nuevos materiales en los últimos años combina materiales con efectos de refrigeración o conservación del calor con sistemas de gestión térmica para mejorar Rendimiento de disipación de calor o conservación del calor.El desarrollo de tecnologías como nuevos tubos de calor, placas frías y refrigeración directa también proporciona nuevas ideas de investigación para la gestión térmica de las baterías.Este documento analiza los principales métodos de transferencia de calor a partir del calor generado por las baterías eléctricas y conduce a las principales tecnologías actuales de gestión térmica de baterías: tecnología de refrigeración por aire, tecnología de refrigeración líquida, tecnología de refrigeración PCM, tecnología de refrigeración por tubería de calory tecnología de calentamiento de baterías en ambientes de baja temperatura.Se revisan sus características, estado de investigación, ventajas y desventajas, y se resume y propone su tendencia de desarrollo futuro.

1. Análisis de conducción de calor de la batería de energía.

Para diseñar un sistema de gestión térmica de batería con buen rendimiento, primero se deben comprender los métodos de generación y transferencia de calor de las baterías de energía.Durante el proceso de carga y descarga de la batería de potencia, se presentan diferentes comportamientos electroquímicos en el interior de la batería.Las reacciones químicas complejas suelen ir acompañadas de generación de calor, y la presencia de resistencia interna de la batería también generará calor Joule.

La transferencia de calor incluye tres formas básicas de conducción de calor, transferencia de calor por convección y transferencia de calor por radiación.El calor generado por la batería se puede transferir de una forma determinada o combinarse entre sí.

La convección es la principal forma de transferencia de calor en líquidos y gases.Es un proceso en el que un fluido (gas o líquido) realiza transferencia de calor a través del flujo macroscópico de sus diversas partes, y suele ir acompañado de conducción de calor.De acuerdo con el estado del flujo, hay transferencia de calor laminar y transferencia de calor turbulenta.Según la causa del flujo, se divide en convección natural y convección forzada.La convección forzada es mejor que la convección natural.

Dado que la refrigeración líquida se utiliza principalmente para la disipación de calor en los vehículos en la actualidad, la transferencia de calor por convección es la principal.La transferencia de calor por radiación es mediante la radiación y la absorción de energía de radiación a los objetos circundantes y su conversión en energía térmica.

En resumen, el calor generado por la batería se transfiere principalmente por transferencia de calor por convección y conducción de calor.La tecnología de disipación de calor actual también utiliza principalmente estos dos métodos de transferencia de calor.

2. Tecnología de gestión térmica

Inicialmente, los vehículos eléctricos generalmente adoptaron un sistema de refrigeración por aire de estructura simple.Use el efecto de succión del soplador para aspirar el aire externo hacia el ensamblaje de la batería de energía.El aire fluye alrededor del módulo de la batería y, finalmente, el calor generado por la batería de energía se descarga desde la salida de aire junto con el aire para lograr el efecto de enfriar la batería.El enfriamiento por aire se puede dividir en convección natural y convección forzada debido a los diferentes métodos de ventilación.La convección natural es el uso de aire frío externo para fluir a través de la superficie de cada celda de la batería para el intercambio de calor y lograr fines de enfriamiento.El enfriamiento por convección forzada se basa en la adición de dispositivos mecánicos, que necesitan consumir parte de la energía de la batería para funcionar.La convección forzada es más confiable y fácil de mantener que la convección natural.Por lo tanto, la convección forzada es más común en diferentes modelos.Sin embargo, la falta de uniformidad de la temperatura entre las celdas es un gran problema que la convección forzada debe resolver.De acuerdo con los diferentes modos de ventilación, el enfriamiento por aire tiene dos modos de ventilación, en serie y en paralelo, como se muestra en la Figura 1. Durante la ventilación en serie, el aire ingresa a la línea de ventilación y fluye sobre la superficie de cada celda de la batería a su vez.Durante el flujo de aire, la temperatura del aire aumenta gradualmente y la diferencia de temperatura entre las baterías continúa reduciéndose.Debido a que la temperatura y la velocidad del flujo en ambos lados del módulo de batería son diferentes, el lado donde el aire fluye primero tiene una temperatura de batería más baja y una velocidad de flujo de aire más alta.La eficiencia de la transferencia de calor disminuye cuando el flujo de aire llega al otro lado.En este momento, la temperatura de la superficie de la batería no cambia mucho, lo que resulta en una temperatura desigual entre los paquetes de baterías en ambos lados.Durante la ventilación paralela, el aire fluye sobre diferentes superficies de la batería al mismo tiempo y el caudal es relativamente constante.El intercambio de calor de cada batería es casi el mismo.Esto mejora la ecualización de la temperatura del módulo.Por lo tanto, la ventilación paralela es ampliamente utilizada.La forma en que se organizan las baterías también afecta el efecto de enfriamiento del aire.Aunque la resistencia al flujo del flujo de aire de refrigeración de los módulos de batería dispuestos en fila es pequeña, el área de contacto de las celdas de batería es pequeña.Este efecto de convección y la eficiencia de enfriamiento son deficientes, por lo general no se utilizan.La disposición cruzada aumenta la perturbación del flujo de aire que fluye entre las baterías y mejora el efecto de disipación de calor, pero la pérdida de resistencia al flujo es relativamente grande.El coeficiente de transferencia de calor se puede mejorar adoptando una disposición trapezoidal.Equilibrar el efecto de disipación de calor en ambos extremos de la batería mantiene la temperatura general de la batería en un nivel relativamente estable.

Para aumentar la autonomía del vehículo, es necesario disponer el mayor número posible de baterías para proporcionar energía.Más células generarán mucho calor.Si no se descarga a tiempo, se puede formar una fuga térmica.Mejore la capacidad de enfriamiento cambiando la estructura de la entrada y salida de aire.A través de la ventilación alterna, se permite que el aire pase intermitentemente desde los lados izquierdo y derecho de la batería, evitando el fenómeno de temperatura excesiva en un lado.

Las configuraciones de enfriamiento de aire activo y enfriamiento de aire pasivo se muestran en la Figura 2. La estructura de disipación de calor pasiva enfriada por aire es relativamente simple y el aire del entorno circundante se usa directamente.La estructura de refrigeración activa utiliza aire preacondicionado del acondicionador de aire para fluir a través de la batería.El enfriamiento por aire pasivo es menos eficiente que el enfriamiento por aire activo.

La refrigeración por aire solo es adecuada para baterías de baja densidad debido a las características de baja capacidad calorífica del aire y baja conductividad térmica.Los paquetes de baterías grandes requieren canales de flujo grandes, lo que hace que el sistema sea voluminoso.Los sistemas de enfriamiento de aire activo, que usan ventiladores para aumentar la transferencia de calor, agregan costos, producen mucho ruido y afectan la comodidad del viaje.Para mejorar el rendimiento de la refrigeración por aire, se pueden tomar las medidas pertinentes, como aumentar el volumen de aire, el caudal, el tamaño del canal y optimizar la ubicación de la unidad sin comprometer la utilización del espacio.

El enfriamiento por aire tiene una eficiencia de disipación de calor baja y generalmente se usa en modelos con una potencia de motor relativamente baja.Como los primeros Nissan Leaf, Kia Soul EV, etc.Priorizar el uso de disipación de calor refrigerada por aire ayuda a reducir el costo del vehículo.Sin embargo, cuando hay muchos módulos de batería y no se puede lograr el efecto de disipación de calor requerido, se deben considerar otros métodos de gestión térmica.

Cuando el enfriamiento por aire no puede cumplir con los requisitos de disipación de calor, se introduce el enfriamiento por líquido.Durante el proceso de enfriamiento líquido, el fluido de transferencia de calor absorbe el calor de la batería y transfiere el calor al aire exterior de manera oportuna a través de la circulación continua, lo que reduce la temperatura del paquete de baterías.En comparación con el enfriamiento por aire, la eficiencia de disipación de calor es mayor y la velocidad de enfriamiento es más rápida.

Existen enfoques activos y pasivos para los sistemas de refrigeración líquida.En la refrigeración líquida activa, el intercambio de calor entre el fluido térmico y el exterior se realiza principalmente por la combinación del refrigerante del motor o el sistema de aire acondicionado, que se ve menos afectado por la temperatura ambiente.Sin embargo, su compleja estructura aumenta el costo de fabricación y mantenimiento.Los componentes que consumen energía también provocan una pérdida secundaria de energía de la batería.En la refrigeración líquida pasiva, un medio líquido fluye a través de la batería para absorber calor.El fluido térmico se bombea al intercambiador de calor, que disipa el calor al ambiente externo para enfriar la batería.El medio (refrigerante) se puede reutilizar.La estructura es simple y el costo es bajo.Dado que la refrigeración líquida pasiva se basa principalmente en el aire ambiente externo para el intercambio de calor, no se puede lograr una disipación de calor efectiva cuando la temperatura ambiente externa es alta.El efecto de disipación de calor del sistema de refrigeración líquida pasiva es inferior al de la refrigeración líquida activa.El principio de refrigeración líquida activa y pasiva se muestra en la Figura 3.

Según el modo de contacto entre el medio líquido y la batería, se puede dividir en refrigeración líquida por contacto directo e indirecto.Cuando la batería está en contacto directo con el medio líquido, el medio puede ser agua, etanol y refrigerante.El medio suele ser un líquido aislante eléctrico (aceite) con una alta conductividad térmica para resolver el problema de la ecualización de la temperatura del módulo.Estos medios tienen alta viscosidad y bajas tasas de flujo, lo que consume más energía y reduce la eficiencia de enfriamiento.Por lo tanto, se puede mejorar cambiando la conductividad térmica, la velocidad de flujo, la viscosidad, la densidad y otros parámetros del medio para aumentar la tasa de intercambio de calor.En el sistema de refrigeración líquida indirecta, el líquido fluye en la tubería o canal integrado en contacto con la batería, eliminando el calor generado por la batería para lograr el propósito de disipación de calor.Normalmente, en este sistema se utilizan fluidos de baja viscosidad (agua, glicol, etc.) para transferir calor.Por lo tanto, requiere menos consumo de energía y no está limitado por el caudal, pero su uniformidad de temperatura es pobre.Aunque la refrigeración líquida directa es más eficiente que la refrigeración líquida indirecta, los sistemas de refrigeración líquida indirecta se utilizan comúnmente en los vehículos eléctricos debido a su practicidad, estabilidad y fiabilidad.

Los PCM son capaces de absorber o liberar una gran cantidad de calor latente a medida que cambia el estado de la materia y mantener la temperatura constante a lo largo del tiempo.La tecnología de enfriamiento PCM es para aprovechar esta característica.La batería está en contacto directo con el PCM y el calor se transfiere de la batería al PCM.Almacene y libere calor en el proceso de cambiar el estado de la materia para lograr el efecto de calentamiento a baja temperatura y disipación de calor a alta temperatura para la batería de energía.PCM incluye tres tipos: PCM orgánico, inorgánico y compuesto.El PCM orgánico tiene las características de bajo precio, buena estabilidad, baja toxicidad, no corrosivo, sin sobreenfriamiento y separación de fases, pero tiene las desventajas de una baja conductividad térmica e inflamabilidad.Para resolver los problemas anteriores, los investigadores intentaron agregar materiales de alta conductividad térmica y materiales ignífugos al PCM orgánico.Este es un tema candente en el campo de la gestión térmica de baterías.Debido a la limitación de la temperatura de transición de fase, la mayoría de los PCM inorgánicos disponibles son sales hidratadas, cuyas propiedades termofísicas son inestables.El PCM inorgánico es completamente no inflamable y cuesta mucho menos que el PCM orgánico.Los PCM inorgánicos tienen una conductividad térmica y una estabilidad deficientes debido a la separación de fases, la deshidratación o el sobreenfriamiento, lo que dificulta su aplicación generalizada.Para mejorar estas deficiencias del PCM orgánico y el PCM inorgánico, se ha desarrollado el PCM compuesto combinando las ventajas de los dos anteriores, que tiene una mejor conductividad térmica y calor latente de cambio de fase.

En comparación con los métodos tradicionales de gestión térmica, PCM no necesita consumir energía, tiene un bajo costo y buena uniformidad de temperatura, y a menudo se usa en combinación con otros métodos.

La tecnología de tubos de calor es una nueva tecnología que se ha desarrollado rápidamente en los últimos años.Utiliza principalmente las características de cambio de fase de las sustancias para eliminar las deficiencias de la tecnología de gestión del calor PCM.Se propone un sistema alternativo llamado heat pipe, que es una versión mejorada basada en PCM.Un tubo de calor tradicional se compone principalmente de tres componentes: una carcasa de tubo, un núcleo absorbente de líquidos y una tapa de extremo.De acuerdo con las condiciones de transferencia de calor, la tubería de calor generalmente se puede dividir en tres partes: el extremo caliente, la parte adiabática y el extremo frío.La combinación de tubería de calor y batería se muestra en la Figura 4. La tubería de calor se llena con una cantidad adecuada de refrigerante después de que la carcasa metálica cerrada se bombea a una presión negativa.Cuando un extremo del tubo de calor absorbe el calor generado por la batería, el refrigerante se evapora.El refrigerante gaseoso fluye hacia el otro extremo bajo la acción del gradiente de presión para liberar calor y recondensarse en líquido.El líquido regresa al evaporador bajo la acción de la fuerza capilar, y lo anterior circula continuamente para lograr el efecto de disipación de calor.

Los altos costos de producción y mantenimiento y la dificultad para controlar la cantidad de medio de intercambio de calor son las principales razones que dificultan la aplicación de tubos de calor.En el sistema de disipación de calor de la tubería de calor, la batería de energía no solo puede mantener el rango de temperatura de funcionamiento normal, sino también mantener la uniformidad de temperatura entre las celdas de la batería, con una dirección de flujo de calor reversible.Este es un efecto que otros sistemas de enfriamiento no pueden lograr.El método de enfriamiento por tubería de calor también es fácil de combinar con las tecnologías anteriores para mejorar el rendimiento de disipación de calor y tiene amplias perspectivas de desarrollo.

El sistema de refrigeración directa también es un sistema de gestión térmica relativamente avanzado en la actualidad, que absorbe las ventajas del sistema de refrigeración líquida y PCM.El enfriamiento en dos etapas se logra mediante el uso de líquido y PCM.El refrigerante líquido fluye dentro de una placa de refrigeración unida al paquete de baterías.El intercambio de calor con el paquete de batería y la placa de enfriamiento por conducción y convección, y el sistema de batería enfría directamente el refrigerante mediante el proceso de cambio de fase de evaporación.Su adaptabilidad al sistema de aire acondicionado puede acoplar el enfriamiento del sistema de batería y la cabina en un solo sistema, mejorando la eficiencia de enfriamiento.En comparación con el sistema de refrigeración líquida que utiliza el calor sensible del refrigerante, el sistema de refrigeración directa utiliza el calor latente de vaporización del refrigerante para satisfacer la demanda de calor de la batería, y la eficiencia de refrigeración del sistema aumenta casi 5 veces.Además, se requieren menos componentes.El ahorro en equipamiento contribuye a la reducción de peso, reduciendo el coste de los vehículos eléctricos.La placa de enfriamiento directo se utiliza como evaporador del módulo de la batería en el sistema de enfriamiento directo y su rendimiento afecta directamente el efecto de intercambio de calor entre la batería y el refrigerante.En la actualidad, los más utilizados son las placas frías en forma de 'G' y las placas de aluminio infladas de una sola cara en nido de abeja.

Cuando los requisitos de densidad de energía de la batería y tasa de carga rápida son cada vez más altos, la solución de enfriamiento directo de la batería tiene las ventajas de tamaño pequeño, peso ligero, velocidad de enfriamiento rápido y buen rendimiento, y se considera una de las alternativas potenciales para el sistema de gestión térmica de la batería de próxima generación.Teniendo en cuenta futuras aplicaciones innovadoras, un enfoque basado en gemelos digitales puede proporcionar una guía para el diseño de futuros sistemas de enfriamiento directo.Este enfoque se basa en el potencial de las tecnologías digitales y las plataformas de control basadas en la nube para lograr una mejor gestión térmica.

En un entorno de baja temperatura (como -20 °C o menos), la capacidad, la potencia y la eficiencia de descarga de la batería disminuirán significativamente.La vida útil se acorta, lo que dificulta la carga y descarga, y puede provocar un desbordamiento térmico en casos graves.Por lo tanto, es necesario calentar o mantener caliente la batería en regiones frías para evitar que la temperatura de la batería sea demasiado baja y garantizar la conducción normal del automóvil.En la actualidad, el sistema de calefacción se divide en calefacción interna y calefacción externa.La calefacción interna incluye autocalentamiento, calefacción de CA de alta y baja frecuencia y calefacción de corriente pulsada.La calefacción externa incluye calefacción PCM, calefacción por aire, calefacción hidrónica, etc.

La forma de calentamiento interno es calentar la batería principalmente utilizando la resistencia interna de la batería y el calor generado por la reacción química interna.Este método tiene una alta eficiencia pero una baja eficiencia energética, lo que probablemente provoque una degradación del rendimiento de la batería y una mala consistencia.La calefacción externa consiste en calentar la batería generando calor a través de un elemento calefactor adicional.Este método es simple de calentar y tiene alta seguridad, pero la eficiencia es baja.

Cuanto más fría sea la temperatura de la batería, menor será la capacidad de la batería y menos se descargará.Esto no solo afectará el rango de conducción del vehículo, sino que también afectará el rendimiento de potencia y la recuperación de energía del vehículo, lo que limitará la promoción de vehículos eléctricos en regiones frías.La tecnología de calentamiento de baterías tiene grandes perspectivas de desarrollo, que se pueden explorar desde muchos aspectos.En cuanto a la forma de la batería, la batería está diseñada en forma hexagonal y las baterías están dispuestas para formar un paquete cerrado hexagonal, lo que favorece la optimización del espacio y la preservación del calor entre las baterías.En términos de materiales para baterías y electrolitos, el grafeno y los materiales superconductores se utilizan para mejorar la conductividad de las baterías en entornos de baja temperatura.En cuanto a la estructura del módulo de la batería, se pueden considerar algunas formas en la naturaleza, como el diseño de canales de flujo con la ayuda de venas de hojas, cuevas de hormigas y otras estructuras biónicas para calentar y mantener caliente la batería.

3. Resumen

Habrá más vehículos de carga rápida en el futuro, y la carga rápida generará más calor.Teniendo en cuenta las características de descarga de la batería, el efecto de disipación de calor, el consumo de energía del sistema y el peso ligero y otros indicadores, proponer un esquema de disipación de calor eficiente para el sistema de gestión térmica es el foco de futuras investigaciones sobre la disipación de calor de batería mejorada.Para mantener la temperatura de funcionamiento de la batería dentro del rango de temperatura óptimo, es necesario mejorar el rendimiento de disipación de calor del sistema de gestión térmica de la batería.Un solo sistema de enfriamiento ya no puede satisfacer las necesidades, y el enfriamiento por aire, el enfriamiento por líquido, el enfriamiento por cambio de fase, el enfriamiento por tubería de calor y el enfriamiento directo se pueden combinar para lograr un enfriamiento completo.Mejore el rendimiento térmico optimizando cada método de enfriamiento.Investigación sobre la estructura de conductos de aire de ancho variable para refrigeración por aire.Considere el flujo alternativo y bidireccional de líquido para refrigeración líquida.Use la inercia para reducir la disipación de energía, cambie las propiedades del líquido para mejorar la conductividad térmica, optimice la estructura del canal del líquido, controle la velocidad y el flujo del flujo, etc. El enfriamiento por cambio de fase se optimiza controlando la temperatura de fusión de PCM, la conductividad térmica de PCM, la calidad de PCM, la distancia entre celdas, el grosor de PCM y otros parámetros.Agregue sustancias específicas a PCM para desarrollar PCM compuesto con excelente rendimiento para obtener un mejor rendimiento de enfriamiento.El acoplamiento de la tubería de calor con enfriamiento por aire, agua o refrigerante tiene una buena eficiencia de transferencia de calor.Las baterías son el corazón de los vehículos eléctricos.Empezando por la propia batería, mejorar su capacidad para adaptarse a la temperatura ambiente externa también es un tema candente de investigación.

En la aplicación de la gestión térmica por parte de las empresas automovilísticas, el sistema de refrigeración integral de Tesla incluye un ciclo de refrigeración y un ciclo de calefacción.Al mismo tiempo, la tecnología de fusión multisensor también se puede utilizar para controlar la temperatura de la batería con mayor precisión.A través del aprendizaje automático con una gran cantidad de datos, se ha desarrollado un sistema de gestión térmica capaz de distribuir energía y ajustar la temperatura de forma adaptativa.El sistema de gestión térmica inteligente e integrado de Huawei a través del diseño y desarrollo integrados logra un consumo de energía total óptimo.

Por lo tanto, con el fin de mejorar la eficiencia de enfriamiento y calentamiento de la batería de potencia, bajo la premisa de garantizar la seguridad y aumentar el rango de conducción, optimizar su rendimiento y fortalecer la investigación sobre inteligencia, integración y adaptabilidad a diversas condiciones de trabajo.Por ejemplo, la plataforma de control de nube de temperatura de monitoreo inteligente puede establecer umbrales de activación de temperatura alta y baja.Se puede combinar con un supercondensador para formar una potencia híbrida para mejorar la potencia y la duración de la batería de los vehículos eléctricos.Realice la optimización del diseño multiobjetivo para obtener una estructura más rentable.De acuerdo con algoritmos inteligentes, implemente estrategias de control de gestión térmica que se puedan optimizar en tiempo real.Optimice el protocolo de carga rápida según el modelo para reducir la generación de calor durante la carga.También puede cruzarse con otras disciplinas, como la biónica, la ciencia de los materiales, la informática, etc. Utilice las características y ventajas de estas disciplinas para desarrollar un ecosistema de temperatura de batería integrado, eficiente y seguro que se autorregula.