Gestión térmica de los sistemas de baterías de vehículos eléctricos
Publicado por Adelle Webber con
¿Por qué es necesario el BTMS para los vehículos eléctricos?
El BTMS consta de más componentes además de las baterías. En la mayoría de los vehículos eléctricos hay un inversor para la carga en casa que cambia la CA por la CC. También hay un inversor para la salida al motor de accionamiento. Hay controles de temperatura, calentadores, dispositivos de refrigeración y ventiladores. Todos estos componentes forman parte de un BTMS.
Los sistemas de gestión térmica de las baterías de los vehículos eléctricos son un concepto nuevo para los ingenieros de automoción y los consumidores. Se sabe poco sobre los requisitos para mantener temperaturas óptimas para la carga y el funcionamiento eficientes de los grandes paquetes de baterías necesarios para los vehículos eléctricos.
El consumo de energía y los índices de descarga necesarios para los sistemas de calefacción y refrigeración pueden afectar al rendimiento del vehículo si no se diseñan y mantienen adecuadamente.
Sobrecalentamiento de las baterías de iones de litio
Las baterías de iones de litio han provocado incendios en dispositivos móviles, tablas de aspiradoras y coches mientras se cargaban. General Motors retiró 141.000 pernos debido a los incendios provocados mientras los propietarios cargaban sus coches durante la noche.
Rendimiento de las baterías de iones de litio en tiempo frío
Tesla tiene un problema de rendimiento debido a las condiciones climáticas frías. Lea el artículo de Forbes. Los consumidores están empezando a saber que durante los meses de invierno el rendimiento de las baterías puede reducirse hasta un 40%, lo que se traduce en distancias de conducción mucho más cortas.
Soluciones para la gestión térmica de los sistemas de baterías de vehículos eléctricos.
¿Cómo se pueden calentar o refrigerar eficazmente los sistemas de baterías de los vehículos?
El calentamiento y la refrigeración de los paquetes o sistemas de baterías suelen ser por convección del aire que rodea el compartimento de la batería o por conducción mediante la transferencia de calor a través del marco y la estructura que contiene los elementos de la batería. Hay sistemas más complejos que utilizan tubos de calor, refrigeración líquida e incluso el electrolítico dentro de las baterías. Estos sistemas pueden ser caros y añadir peso al ya pesado paquete de baterías del vehículo.
Sistemas de calefacción para EV BTMS
Los elementos calefactores PTC se utilizan habitualmente tanto para la refrigeración por convección del aire como para la conducción o el contacto directo de los paquetes de baterías. Los calentadores PTC, de coeficiente de temperatura positivo, son ideales debido a su pequeño tamaño, su alta densidad de vatios y su control de temperatura autorregulado para la seguridad. Estos dispositivos se han utilizado durante años para calentar la industria en climas fríos.
Calentadores flexibles de alambre grabado son otra opción debido a su versatilidad en cuanto a tamaño personalizado, calentamiento uniforme y espesores muy finos. Estos elementos calefactores pueden intercalarse entre los módulos de la batería para conseguir un calentamiento más uniforme. Los calefactores flexibles revestidos de silicona pueden colocarse bajo los módulos de la batería para la transferencia de calor por conducción directa.
Las bombas de calor son otra forma de calentar tanto la batería como el habitáculo. Las bombas de calor no son eficaces para calentar cuando la temperatura exterior es inferior a 32 grados Fahrenheit. Los fabricantes de vehículos eléctricos están aprendiendo a utilizar la Bomba de calor para captar el exceso de calor de las baterías en invierno para calentar el habitáculo interior
Tesla utiliza tanto la calefacción resistiva como las bombas de calor en sus vehículos.
Refrigeración BTMS para vehículos
Mantener frías las baterías de los vehículos eléctricos es lo más importante para los fabricantes, debido a la oleada de incendios y retiradas de General Motors. La circulación de aire y la ventilación del compartimento de la batería son suficientes en la mayoría de los casos.
Algunos fabricantes están tomando precauciones adicionales utilizando bombas de calor para la refrigeración y la calefacción. Otros están utilizando dispositivos de refrigeración termoeléctrica, como los refrigeradores Peltier.
Los refrigeradores de efecto Peltier son un dispositivo de estado sólido que no necesita refrigerante ni otros líquidos para funcionar. Estos refrigeradores aprovechan los coeficientes Peltier de diferentes materiales para transferir calor y frío enfriando el aire. El uso del flujo de aire mejora el efecto apoyando un enfriamiento más eficiente. Estos refrigeradores vienen en tamaños estándar de 60 a 200 vatios.
Temperaturas de funcionamiento ideales para las baterías de los vehículos eléctricos
Consumers and engineers are familiar with radiators and oil circulations systems in combustible engines that have been around for 100 years. The circulating coolant and oi
Los paquetes de baterías utilizados en los vehículos eléctricos tienen una vida más larga con menos mantenimiento que los motores de combustión, pero aun así, requieren una cuidadosa atención a las temperaturas de funcionamiento para garantizar su longevidad y seguridad.
Las baterías de iones de litio son las más utilizadas en los vehículos actuales por su peso, capacidad de almacenamiento y rendimiento. Estas baterías de uso común pierden el 40% o más de su rendimiento a bajas temperaturas y corren el riesgo de deteriorarse rápidamente y de sufrir un posible desbordamiento térmico a altas temperaturas.
Las condiciones óptimas de funcionamiento se dan a temperaturas entre 59 y 95 grados Fahrenheit. Casi todo el mundo sabe que los coches, camiones y otros vehículos funcionan a una gama de temperaturas ambiente mucho más amplia que las condiciones óptimas. Las temperaturas extremas en el exterior van desde temperaturas bajo cero hasta más de 100 grados Fahrenheit.
Un vehículo típico puede estar fácilmente expuesto a ambos extremos del rango de temperaturas en los Estados Unidos. Las temperaturas internas de un vehículo en verano pueden alcanzar los 150 grados F y más si está aparcado al sol. De ahí la necesidad de gestionar térmicamente el sistema de baterías.
Las baterías de los vehículos eléctricos y el frío
La gestión térmica de los sistemas de baterías de vehículos eléctricos es un problema subestimado por los fabricantes de vehículos. Lo que ocurre con el rendimiento de las baterías de los vehículos eléctricos a bajas temperaturas es el elefante en la habitación. No lo verás en los folletos de marketing de los fabricantes de coches, pero el rendimiento puede caer hasta un 40% de lo anunciado en climas fríos.
Una gestión térmica inadecuada de los sistemas de baterías puede disminuir su vida útil y reducir la eficiencia de los paquetes de baterías. Las baterías utilizadas para el arranque de motores de combustión interna presentan los mismos problemas de baja potencia de arranque en los meses de invierno y dificultad para mantener la carga.
Los vehículos eléctricos con sistemas de baterías mucho más grandes requieren una gestión de la calefacción en los climas invernales para cargar de forma eficiente y mantener la autonomía de conducción.
¿Por qué el frío es un problema para los sistemas de baterías de los vehículos eléctricos?
Precalentamiento
Los fabricantes de vehículos eléctricos entienden este problema y algunos disponen de BTMS que activan el sistema de precalentamiento de la batería cuando el vehículo detecta que el propietario está buscando una estación de recarga. Cuando una batería está fría, las celdas no se cargan por completo, lo que hace que la capacidad sea inferior al 100% y que la autonomía del vehículo sea menor. Esto es especialmente cierto cuando se realiza una carga rápida.
Esto es cierto para los cargadores de baterías de tipo garaje 1 o 2 de los propietarios. Para conseguir una carga completa de las baterías durante la noche, es necesario precalentar la batería antes de cargarla. Es posible que con una carga lenta de más de ocho horas la resistencia interna de las celdas de la batería la caliente lo suficiente para una carga completa.
Mantener las condiciones ideales de funcionamiento del sistema de baterías.
La temperatura de la batería varía durante la carga, el funcionamiento y el almacenamiento - un vehículo estacionado. Las baterías de iones de litio funcionan mejor dentro del rango de temperatura de 59 a 95 grados F. Cuando las temperaturas del paquete de baterías llegan a 32 grados, la eficiencia de carga y de salida disminuye. Las temperaturas inferiores a -4 grados pueden dar lugar a rangos de funcionamiento del 40% de lo normal.
Si la autonomía de su vehículo es de 320 millas con una batería completamente cargada, esto significa que sólo podrá recorrer 128 millas antes de recargar. Si está cargando la batería a esa temperatura, es posible que sólo necesite el 40% de la carga normal. Esto reduce la autonomía a 51 millas. Esto es sólo una situación hipotética, pero puedes ver cómo tu viaje por carretera podría ser mucho más largo de lo que habías planeado.
Aunque damos por sentado el funcionamiento de nuestros ordenadores portátiles, teléfonos y otros dispositivos móviles que utilizan las baterías. La mayoría de nuestros dispositivos no se dejan a la intemperie, por lo que no nos damos cuenta de la misma diferencia de rendimiento que una batería de coche. Sin embargo, si utilizas tu portátil en tu "regazo" puedes sentir el calor que adquiere la batería. La batería de un coche tiene 1.000 veces más potencia que la de tu portátil y genera mucho más calor durante su funcionamiento.
Hay una razón por la que las aerolíneas no quieren estas baterías en el compartimiento de equipaje de un avión. También es la razón por la que cualquier batería enviada por correo lleva una advertencia en el paquete.
¿Por qué es tan importante la refrigeración de la batería de un vehículo eléctrico?
Los sistemas de baterías de los vehículos eléctricos están formados por cientos de baterías individuales conectadas entre sí para producir los 100-400 voltios necesarios para hacer funcionar el motor eléctrico del vehículo. La salida de corriente continua se convierte en corriente alterna para hacer funcionar el motor primario de corriente alterna del tren motriz.
Cada una de las pequeñas baterías de 3-5 voltios y sus conexiones crean resistencia a la corriente cuando se cargan. La corriente que fluye a través de una resistencia crea calor. La alta temperatura ambiental de la batería o una corriente de carga demasiado alta crea suficiente calor para vaporizar los fluidos dentro de las baterías creando gas. Es el gas que se expande lo que hace que las baterías exploten y que los fluidos de la batería y los gases producidos se incendien.
Para evitar que esto ocurra, las baterías tienen sistemas de ventilación para liberar el gas si se acumula y controles que restringen la corriente durante la carga. Aun así, el elevado calor y la corriente pueden provocar el chapado de los electrodos del interior de las baterías, lo que deteriora la vida útil y la potencia de la batería con el paso del tiempo.
La solución es un BTMS que enfría las baterías o el compartimento de las mismas para mantener una temperatura de funcionamiento segura y eficiente.
Se han producido importantes retiradas de sistemas de baterías de vehículos eléctricos debido al sobrecalentamiento durante la carga.
Las estaciones de recarga de vehículos eléctricos en exteriores también necesitan una gestión térmica.
Los propietarios de automóviles esperan que los surtidores de gasolina, los cajeros automáticos y, ahora, los cargadores eléctricos funcionen sin importar las condiciones meteorológicas. Todos estos dispositivos de exterior necesitan un control climático para que sus componentes electrónicos internos sigan funcionando correctamente.
Electrical vehicle chargers run on AC, alternating current that is converted to DC, direct current for charging t
Los armarios de exterior utilizan dispositivos de calefacción, refrigeración y control de la humedad para mantener el rango de temperatura de funcionamiento adecuado dentro del armario. El mismo tipo de dispositivos electrónicos de calefacción y refrigeración que se utilizan para la gestión térmica de las baterías se emplean en los armarios eléctricos de exterior. Además evaporadores eléctricos de condensado puede utilizarse para reducir la humedad. Más información sobre el control del clima en los armarios eléctricos de exterior.
En DBK USA somos expertos en gestión térmica
Puede encontrar ayuda para resolver sus problemas de sistemas de gestión térmica de baterías llamando a nuestros expertos en gestión térmica al 864-599-1600