Una de las tecnologías clave de los vehículos de nuevas energías son las baterías. La calidad de las baterías determina, por un lado, el coste de los vehículos eléctricos y, por otro, su autonomía. Este factor es clave para su rápida aceptación y adopción.
De acuerdo con las características de uso, los requisitos y los campos de aplicación de las baterías de energía, los tipos de investigación y desarrollo de baterías de energía en el país y en el extranjero son aproximadamente: baterías de plomo-ácido, baterías de níquel-cadmio, baterías de níquel-hidruro metálico, baterías de iones de litio, pilas de combustible, etc., entre los cuales el desarrollo de baterías de iones de litio recibe la mayor atención.
Comportamiento de generación de calor de la batería de energía
La fuente de calor, la tasa de generación de calor, la capacidad térmica de la batería y otros parámetros relacionados del módulo de batería de potencia están estrechamente relacionados con la naturaleza de la batería. El calor liberado por la batería depende de la naturaleza y las características químicas, mecánicas y eléctricas de la batería, especialmente de la naturaleza de la reacción electroquímica. La energía térmica generada en la reacción de la batería puede expresarse por el calor de reacción de la batería Qr; la polarización electroquímica hace que el voltaje real de la batería se desvíe de su fuerza electromotriz de equilibrio, y la pérdida de energía causada por la polarización de la batería se expresa por Qp. Además de que la reacción de la batería proceda según la ecuación de reacción, también hay algunas reacciones secundarias. Las reacciones secundarias típicas incluyen la descomposición del electrolito y la autodescarga de la batería. El calor de reacción secundaria generado en este proceso es Qs. Además, debido a que cualquier batería inevitablemente tendrá resistencia, se generará calor Joule Qj cuando pase la corriente. Por lo tanto, el calor total de una batería es la suma del calor de los siguientes aspectos: Qt = Qr + Qp + Qs + Qj.
Dependiendo del proceso específico de carga (descarga), los principales factores que hacen que la batería genere calor también son diferentes. Por ejemplo, cuando la batería está normalmente cargada, Qr es el factor dominante; y en la etapa posterior de la carga de la batería, debido a la descomposición del electrolito, comienzan a ocurrir reacciones secundarias (el calor de reacción secundaria es Qs), cuando la batería está casi completamente cargada y sobrecargada, lo que ocurre principalmente es la descomposición del electrolito, donde Qs domina. El calor Joule Qj depende de la corriente y la resistencia. El método de carga comúnmente utilizado se lleva a cabo bajo corriente constante, y Qj es un valor específico en este momento. Sin embargo, durante el arranque y la aceleración, la corriente es relativamente alta. Para HEV, esto es equivalente a una corriente de decenas de amperios a cientos de amperios. En este momento, el calor Joule Qj es muy grande y se convierte en la principal fuente de liberación de calor de la batería.
Desde la perspectiva de la controlabilidad de la gestión térmica, los sistemas de gestión térmica se pueden dividir en dos tipos: activos y pasivos. Desde la perspectiva del medio de transferencia de calor, los sistemas de gestión térmica se pueden dividir en: refrigerados por aire, refrigerados por líquido y con almacenamiento térmico por cambio de fase.
Gestión térmica con aire como medio de transferencia de calor
El medio de transferencia de calor tiene un impacto significativo en el rendimiento y el costo del sistema de gestión térmica. El aire se introduce directamente en el módulo de batería para disipar el calor. Generalmente, se requieren ventiladores, ventilación de entrada y salida, y otros componentes.
Según las diferentes fuentes de entrada de aire, generalmente existen las siguientes formas:
1 Refrigeración pasiva con ventilación de aire exterior
2. Refrigeración/calefacción pasiva para la ventilación del aire del habitáculo.
3. Refrigeración/calefacción activa del aire exterior o del habitáculo
La estructura del sistema pasivo es relativamente simple y aprovecha directamente el entorno existente. Por ejemplo, si es necesario calentar la batería en invierno, se puede aprovechar el calor del habitáculo para inhalar aire. Si la temperatura de la batería es demasiado alta durante la conducción y el efecto de refrigeración del habitáculo no es bueno, se puede inhalar aire frío del exterior para enfriar.
Para el sistema activo, se requiere un sistema independiente que proporcione funciones de calefacción o refrigeración y se controle de forma independiente según el estado de la batería, lo que también aumenta el consumo energético y el coste del vehículo. La elección de los diferentes sistemas depende principalmente de los requisitos de uso de la batería.
Gestión térmica con líquido como medio de transferencia de calor
Para la transferencia de calor con líquido como medio, es necesario establecer una comunicación de transferencia térmica entre el módulo y el medio líquido, como una camisa de agua, para conducir el calentamiento y enfriamiento indirectos por convección y conducción térmica. El medio de transferencia térmica puede ser agua, etilenglicol o incluso refrigerante. También se puede lograr transferencia térmica directa sumergiendo la pieza polar en el líquido del dieléctrico, pero se deben tomar medidas de aislamiento para evitar cortocircuitos.
La refrigeración líquida pasiva generalmente utiliza el intercambio de calor entre el líquido y el aire ambiente, introduciendo posteriormente membranas en la batería para el intercambio de calor secundario. La refrigeración activa utiliza intercambiadores de calor de refrigerante del motor a líquido, o calefacción eléctrica o de aceite térmico para lograr la refrigeración primaria. Calefacción y refrigeración primaria con refrigerante líquido en el aire acondicionado de la cabina de pasajeros.
El sistema de gestión térmica con aire y líquido como medio requiere ventiladores, bombas de agua, intercambiadores de calor, calentadores (Calentador de aire PTC), tuberías y otros accesorios hacen que la estructura sea demasiado grande y compleja, y también consume energía de la batería, la densidad de potencia y la densidad de energía de la batería se reducen.
(refrigerante PTCcalentadorEl sistema de refrigeración de baterías por agua utiliza refrigerante (50 % agua/50 % etilenglicol) para transferir calor de la batería al sistema de refrigeración del aire acondicionado a través del enfriador de la batería y, posteriormente, al ambiente a través del condensador. Tras el intercambio de calor a través del enfriador de la batería, la temperatura del agua importada se reduce fácilmente, y la batería se puede ajustar para operar en el rango óptimo de temperatura de funcionamiento. El principio del sistema se muestra en la figura. Los componentes principales del sistema de refrigeración incluyen: condensador, compresor eléctrico, evaporador, válvula de expansión con válvula de cierre, enfriador de la batería (válvula de expansión con válvula de cierre) y tuberías del aire acondicionado, entre otros. El circuito de agua de refrigeración incluye:bomba de agua eléctrica, batería (incluidas placas de refrigeración), enfriadores de batería, tuberías de agua, tanques de expansión y otros accesorios.
Hora de publicación: 13 de julio de 2023
