Investigación sobre la tecnología de gestión térmica de baterías de litio para vehículos de nueva energía.

1. Características de las baterías de litio para vehículos de nueva energía

Las baterías de litio presentan principalmente ventajas como una baja tasa de autodescarga, alta densidad energética, largos ciclos de vida y alta eficiencia operativa. Utilizar baterías de litio como principal fuente de energía para vehículos eléctricos equivale a obtener una fuente de energía eficiente. Por lo tanto, en la composición de los componentes principales de estos vehículos, el paquete de baterías de litio, en particular la celda de la batería, se ha convertido en su componente central más importante y en el elemento clave que proporciona la energía. Durante el funcionamiento de las baterías de litio, existen ciertos requisitos para el entorno circundante. Según los resultados experimentales, la temperatura óptima de funcionamiento se mantiene entre 20 °C y 40 °C. Si la temperatura alrededor de la batería supera el límite especificado, su rendimiento y vida útil se reducen considerablemente. Debido a una temperatura demasiado baja, la capacidad y el voltaje de descarga finales se desvían del estándar preestablecido, lo que provoca una caída drástica.

Si la temperatura ambiente es demasiado alta, la probabilidad de sobrecalentamiento de la batería de litio aumenta considerablemente, y el calor interno se acumula en un punto específico, causando graves problemas de acumulación de calor. Si este calor no se disipa adecuadamente, y además prolonga el tiempo de funcionamiento de la batería, esta es propensa a explotar. Este riesgo para la seguridad representa una gran amenaza para la integridad física, por lo que las baterías de litio deben utilizar dispositivos de refrigeración electromagnética para mejorar la seguridad del equipo durante su funcionamiento. En consecuencia, al controlar la temperatura de las baterías de litio, los investigadores deben utilizar dispositivos externos para disipar el calor y controlar la temperatura óptima de funcionamiento. Una vez que el control de temperatura alcanza los estándares correspondientes, el objetivo de seguridad de los vehículos de nueva energía difícilmente se verá comprometido.

2. Mecanismo de generación de calor de la batería de litio para vehículos de nueva energía

Aunque estas baterías pueden utilizarse como dispositivos de alimentación, en la práctica las diferencias entre ellas son más evidentes. Algunas baterías presentan mayores desventajas, por lo que los fabricantes de vehículos de nueva energía deben elegir con cuidado. Por ejemplo, la batería de plomo-ácido proporciona suficiente energía para la rama central, pero causa un gran daño al medio ambiente durante su funcionamiento, un daño que posteriormente resulta irreparable. Por lo tanto, para proteger la seguridad ecológica, el país ha incluido las baterías de plomo-ácido en la lista de sustancias prohibidas. Durante su desarrollo, las baterías de níquel-metal hidruro han tenido buenas perspectivas, su tecnología de desarrollo ha madurado gradualmente y su ámbito de aplicación se ha ampliado. Sin embargo, en comparación con las baterías de litio, sus desventajas son algo más notorias. Por ejemplo, a los fabricantes de baterías convencionales les resulta difícil controlar el coste de producción de las baterías de níquel-metal hidruro. Como resultado, el precio de las baterías de níquel-hidruro en el mercado se ha mantenido elevado. Algunas marcas de vehículos de nueva energía que priorizan la relación coste-rendimiento difícilmente considerarán utilizarlas como componentes. Más importante aún, las baterías de níquel-metal hidruro (Ni-MH) son mucho más sensibles a la temperatura ambiente que las de litio y tienen mayor probabilidad de incendiarse debido a las altas temperaturas. Tras numerosas comparaciones, las baterías de litio destacan y actualmente se utilizan ampliamente en vehículos de nueva energía.

La razón por la que las baterías de litio pueden alimentar vehículos de nueva energía radica precisamente en que sus electrodos positivo y negativo contienen materiales activos. Durante el proceso continuo de incrustación y extracción de estos materiales, se obtiene una gran cantidad de energía eléctrica. Posteriormente, según el principio de conversión de energía, la energía eléctrica y la energía cinética se intercambian, proporcionando así una gran potencia a los vehículos de nueva energía, lo que permite su funcionamiento. Al mismo tiempo, cuando la celda de la batería de litio experimenta una reacción química, absorbe y libera calor para completar la conversión de energía. Además, el átomo de litio no es estático, sino que se mueve continuamente entre el electrolito y el diafragma, generando una resistencia interna de polarización.

Ahora bien, el calor también se disipará adecuadamente. Sin embargo, la temperatura alrededor de la batería de litio de los vehículos de nueva energía es demasiado alta, lo que puede provocar fácilmente la descomposición de los separadores positivo y negativo. Además, la batería de litio de nueva energía está compuesta por múltiples módulos. El calor generado por todos los módulos supera con creces el de una sola batería. Cuando la temperatura supera un valor predeterminado, la batería es extremadamente propensa a explotar.

3. Tecnologías clave del sistema de gestión térmica de baterías

Para el sistema de gestión de baterías de vehículos de nueva energía, tanto a nivel nacional como internacional se ha prestado un alto grado de atención, se han lanzado una serie de investigaciones y se han obtenido muchos resultados. Este artículo se centrará en la evaluación precisa de la energía restante de la batería del sistema de gestión térmica de la batería del vehículo de nueva energía, la gestión del equilibrio de la batería y las tecnologías clave aplicadas en elsistema de gestión térmica.

3.1 Método de evaluación de la potencia residual del sistema de gestión térmica de la batería
Los investigadores han invertido mucho tiempo y esfuerzo en la evaluación del estado de carga (SOC), utilizando principalmente algoritmos de datos científicos como el método integral de amperios-hora, el modelo lineal, las redes neuronales y el filtro de Kalman para realizar numerosas simulaciones. Sin embargo, durante la aplicación de este método suelen producirse errores de cálculo. Si el error no se corrige a tiempo, la diferencia entre los resultados se irá ampliando. Para subsanar este problema, los investigadores suelen combinar el método de evaluación de Anshi con otros métodos para verificar sus resultados y obtener así la mayor precisión posible. Con datos precisos, pueden estimar con exactitud la corriente de descarga de la batería.

3.2 Gestión equilibrada del sistema de gestión térmica de la batería
La gestión del equilibrio del sistema de gestión térmica de la batería se utiliza principalmente para coordinar el voltaje y la potencia de cada parte de la batería. Cuando se utilizan diferentes baterías en diferentes partes, la potencia y el voltaje varían. En este caso, se debe utilizar la gestión del equilibrio para eliminar la inconsistencia entre ambos. Actualmente, la técnica de gestión del equilibrio es la más utilizada.

Se divide principalmente en dos tipos: ecualización pasiva y ecualización activa. Desde el punto de vista de la aplicación, los principios de implementación que utilizan estos dos tipos de métodos de ecualización son bastante diferentes.

(1) Equilibrio pasivo. El principio de ecualización pasiva utiliza la relación proporcional entre la potencia y el voltaje de la batería, basándose en los datos de voltaje de una sola cadena de baterías. La conversión de ambos se logra generalmente mediante descarga resistiva: la energía de una batería de alta potencia genera calor por calentamiento resistivo, que luego se disipa a través del aire para lograr la pérdida de energía. Sin embargo, este método de ecualización no mejora la eficiencia de uso de la batería. Además, si la disipación de calor es desigual, la batería no podrá completar la tarea de gestión térmica debido al problema del sobrecalentamiento.

(2) Balance activo. El balance activo es una versión mejorada del balance pasivo, que compensa sus desventajas. Desde el punto de vista de su principio de funcionamiento, el balance activo no se basa en el del balance pasivo, sino que adopta un concepto completamente nuevo: no convierte la energía eléctrica de la batería en energía térmica ni la disipa, sino que transfiere la energía de la batería de alta energía a la de baja energía. Además, este tipo de transferencia no infringe la ley de conservación de la energía y ofrece las ventajas de bajas pérdidas, alta eficiencia y resultados rápidos. Sin embargo, la estructura de gestión del balance es relativamente compleja. Si el punto de balance no se controla adecuadamente, puede causar daños irreversibles al paquete de baterías debido a su tamaño excesivo. En resumen, tanto el balance activo como el pasivo presentan ventajas y desventajas. En aplicaciones específicas, los investigadores pueden elegir en función de la capacidad y el número de celdas de los paquetes de baterías de litio. Los paquetes de baterías de litio de baja capacidad y número reducido son adecuados para la gestión de ecualización pasiva, mientras que los paquetes de baterías de litio de alta capacidad y número elevado son adecuados para la gestión de ecualización activa.

3.3 Principales tecnologías utilizadas en el sistema de gestión térmica de la batería
(1) Determinar el rango óptimo de temperatura de funcionamiento de la batería. El sistema de gestión térmica se utiliza principalmente para controlar la temperatura alrededor de la batería, por lo que, para garantizar su eficacia, la tecnología clave desarrollada por los investigadores se emplea principalmente para determinar la temperatura de funcionamiento de la batería. Siempre que la temperatura de la batería se mantenga dentro de un rango adecuado, la batería de litio podrá funcionar en óptimas condiciones, proporcionando suficiente energía para el funcionamiento de los vehículos de nueva energía. De esta manera, el rendimiento de la batería de litio de los vehículos de nueva energía se mantendrá siempre en excelentes condiciones.

(2) Cálculo del rango térmico de la batería y predicción de la temperatura. Esta tecnología implica un gran número de cálculos mediante modelos matemáticos. Los científicos utilizan métodos de cálculo específicos para obtener la diferencia de temperatura dentro de la batería y la emplean como base para predecir su posible comportamiento térmico.

(3) Selección del medio de transferencia de calor. El rendimiento superior del sistema de gestión térmica depende de la elección del medio de transferencia de calor. La mayoría de los vehículos de nueva energía actuales utilizan aire/refrigerante como medio de refrigeración. Este método de refrigeración es sencillo de operar, de bajo coste de fabricación y puede lograr bien el propósito de disipar el calor de la batería.Calentador de aire PTC/Calentador de refrigerante PTC)

(4) Adoptar un diseño de estructura de ventilación y disipación de calor en paralelo. El diseño de ventilación y disipación de calor entre los paquetes de baterías de litio puede expandir el flujo de aire para que se pueda distribuir uniformemente entre los paquetes de baterías, resolviendo eficazmente la diferencia de temperatura entre los módulos de baterías.

(5) Selección del ventilador y del punto de medición de temperatura. En este módulo, los investigadores realizaron numerosos experimentos para llevar a cabo cálculos teóricos y, posteriormente, aplicaron métodos de mecánica de fluidos para obtener los valores de consumo energético del ventilador. A continuación, utilizarán el método de elementos finitos para determinar el punto de medición de temperatura más adecuado y así obtener con precisión los datos de temperatura de la batería.