Una de las tecnologías clave de los vehículos de nueva energía son las baterías. La calidad de las baterías determina, por un lado, el coste de los vehículos eléctricos y, por otro, su autonomía. Un factor fundamental para su aceptación y rápida adopción.
Según las características de uso, los requisitos y los campos de aplicación de las baterías, los tipos de baterías que se investigan y desarrollan a nivel nacional e internacional son, a grandes rasgos: baterías de plomo-ácido, baterías de níquel-cadmio, baterías de níquel-metal hidruro, baterías de iones de litio, pilas de combustible, etc., entre las cuales el desarrollo de las baterías de iones de litio es el que recibe mayor atención.
Comportamiento de generación de calor de la batería de potencia
La fuente de calor, la tasa de generación de calor, la capacidad calorífica 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 calorífica generada en la reacción de la batería se puede expresar mediante el calor de reacción de la batería Qr; la polarización electroquímica provoca 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 mediante Qp. Además de la reacción de la batería que procede según la ecuación de reacción, también existen 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 causan la generación de calor en la batería también varían. Por ejemplo, durante la carga normal, Qr es el factor dominante; en la etapa posterior, debido a la descomposición del electrolito, comienzan a producirse reacciones secundarias (el calor de reacción secundaria es Qs). Cuando la batería está casi completamente cargada o sobrecargada, lo que ocurre principalmente es la descomposición del electrolito, donde Qs predomina. El calor Joule Qj depende de la corriente y la resistencia. El método de carga comúnmente utilizado se realiza con corriente constante, y Qj tiene un valor específico en ese momento. Sin embargo, durante el arranque y la aceleración, la corriente es relativamente alta. Para los vehículos híbridos eléctricos (HEV), esto equivale a una corriente de decenas a cientos de amperios. En este caso, 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: refrigeración por aire, refrigeración por líquido y almacenamiento térmico por cambio de fase.
Gestión térmica con el aire como medio de transferencia de calor.
El fluido de transferencia de calor influye significativamente en el rendimiento y el coste del sistema de gestión térmica. El uso de aire como fluido de transferencia de calor implica su introducción directa para que circule a través del módulo de la batería y disipe 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 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 la batería necesita calentarse en invierno, se puede utilizar el aire caliente del habitáculo para aspirar aire. Si la temperatura de la batería es demasiado alta durante la conducción y el aire del habitáculo no enfría lo suficiente, se puede aspirar aire frío del exterior para enfriarla.
Para el sistema activo, es necesario establecer un sistema independiente que proporcione funciones de calefacción o refrigeración y que se controle de forma independiente según el estado de la batería, lo que también incrementa el consumo de energía 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 un líquido como medio, es necesario establecer una comunicación térmica entre el módulo y el líquido, como una camisa de agua, para conducir el calentamiento y enfriamiento indirecto por convección y conducción de calor. El medio de transferencia de calor puede ser agua, etilenglicol o incluso refrigerante. También existe la transferencia de calor directa mediante la inmersión de la pieza polar en el líquido dieléctrico, pero deben tomarse medidas de aislamiento para evitar cortocircuitos.
La refrigeración pasiva por líquido generalmente utiliza el intercambio de calor líquido-aire ambiente y luego introduce cápsulas en la batería para un intercambio de calor secundario, mientras que la refrigeración activa utiliza intercambiadores de calor refrigerante del motor-medio líquido, o calefacción eléctrica/calefacción por aceite térmico para lograr la refrigeración primaria. Calefacción, refrigeración primaria con refrigerante de cabina de pasajeros/aire acondicionado-medio líquido.
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 para hacer 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 la batería por agua utiliza un refrigerante (50 % agua/50 % etilenglicol) para transferir el 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. La temperatura del agua importada se reduce fácilmente tras el intercambio de calor mediante el enfriador de la batería, lo que permite ajustar la batería para que funcione en el rango óptimo de temperatura. 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 de aire acondicionado, entre otros. El circuito de agua de refrigeración incluye:bomba de agua eléctrica, batería (incluidas las placas de refrigeración), enfriadores de batería, tuberías de agua, depósitos de expansión y otros accesorios.
Fecha de publicación: 13 de julio de 2023
