A medida que aumentan las demandas de autonomía y eficiencia de carga en vehículos de nueva energía, los sistemas de gestión térmica de las baterías se han convertido en un factor crítico que determina el rendimiento y la seguridad de los paquetes de baterías. Debido a las diferencias estructurales inherentes a sus formatos de embalaje, las estrategias de gestión térmica varían para cada tipo de celda.
I. Objetivos centrales y lógica general de la gestión térmica
La gestión térmica de la batería implica esencialmente la regulación precisa de los procesos térmicos dentro del paquete de baterías. Sus objetivos principales incluyen: mantener la batería dentro de un rango de temperatura de funcionamiento óptimo, prevenir el sobrecalentamiento localizado, mitigar el riesgo de fuga térmica, equilibrar las necesidades de refrigeración a alta-temperatura y calefacción a baja-temperatura, y minimizar las diferencias de temperatura entre celdas para mejorar la consistencia.
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Los procesos térmicos dentro del paquete constan de cuatro componentes principales: primero, el calor electroquímico generado por las reacciones químicas internas de la batería, que está directamente relacionado con el diseño de la batería; segundo, el calor óhmico generado por la corriente que fluye a través de los conductores, determinado por el diseño del circuito eléctrico; tercero, la conducción de calor entre las celdas y los componentes del paquete, regida por el diseño estructural y la estrategia de gestión térmica; y cuarto, la transferencia de calor por convección que involucra fluidos (enfriamiento por líquido o aire), que sirve como vía principal de disipación de calor para el sistema.
Las principales soluciones actuales de gestión térmica se dividen en cuatro categorías: sistemas de refrigeración directa (p. ej., BMW i3/X5), sistemas de refrigeración líquida (p. ej., Tesla, Audi), sistemas de refrigeración por aire (p. ej., Nissan Leaf, Prius) y sistemas de refrigeración de material de cambio de fase-(PCM).
II. Comparación de características y estrategias de gestión térmica para los tres tipos de celdas
Debido a las diferencias en las estructuras del empaque, los tres tipos de celdas difieren en sus parámetros fundamentales y lógica de gestión térmica:
| Artículo de comparación | Celda cilíndrica | Célula prismática | Celda de bolsa |
| Modelos representativos | 18650, 21700, 26650 | L135, L148, L173 | 118, 161 |
| Ventajas y desventajas principales | Proceso maduro, alto rendimiento, buena consistencia, pero pesado, baja energía específica | Estructura simple, densidad de energía relativamente alta, fuerte resistencia al impacto, pero variedad de modelos complejos, procesos difíciles de unificar | Peso ligero, alta densidad de energía, baja resistencia interna, buen rendimiento del ciclo, pero mala consistencia, alto costo y propenso a fugas. |
| Área de disipación de calor de una sola celda- | 3674 mm² (especificación 18650) | 38296 mm² (148 especificaciones) | 73094 mm² (161 especificaciones) |
1. Gestión Térmica de Celdas Cilíndricas
Los módulos que utilizan celdas cilíndricas suelen emplear un diseño de flujo de refrigeración líquida bidireccional. En esta configuración, ambos extremos de los canales de enfriamiento sirven como entradas y salidas, lo que evita un enfriamiento insuficiente en el extremo del canal-un problema que de otro modo podría surgir del aumento de temperatura del refrigerante a medida que fluye a través del sistema. Se utilizan materiales como Stycast 2850/CT-que son aislantes eléctricos pero altamente conductores térmicos-para llenar el espacio entre las celdas de la batería y los tubos de refrigeración. Esto logra tres beneficios principales: primero, transforma el contacto entre las celdas y las tuberías de un contacto de línea a un contacto de superficie, lo que aumenta significativamente la eficiencia de la transferencia de calor; en segundo lugar, facilita el intercambio de calor entre celdas, mejorando pasivamente la uniformidad de la temperatura en las unidades individuales; y tercero, aumenta la masa térmica general del paquete de baterías, reduciendo así la magnitud del aumento de temperatura promedio.
2. Gestión térmica de células prismáticas.
Los módulos de celdas prismáticas suelen albergar 32 celdas estándar VDA-; cada cuatro celdas comparten una única placa fría soldada por fricción-agitación-. Estas placas frías están conectadas en paralelo mediante tuberías para garantizar la uniformidad de temperatura en todo el sistema. La ruta de transferencia de calor es: celda → material de interfaz térmica (TIM) → placa base/lateral → placa fría. Esta configuración ofrece estabilidad estructural y cumple con los requisitos de aplicación de diversos escenarios, incluidos los vehículos comerciales.
3. Gestión térmica para celdas de bolsa
Las celdas de bolsa suelen estar unidas a una carcasa compuesta de plástico y lámina de aluminio de 0,35 mm; el aluminio transfiere calor a los bordes del módulo, mientras que el componente plástico proporciona aislamiento eléctrico y enclavamiento estructural. Los componentes clave del módulo incluyen placas finales, placas de cubierta, barras colectoras, placas de disipación de calor, almohadillas amortiguadoras y sensores NTC. En cuanto a la gestión térmica, se colocan placas de refrigeración líquida de 1 mm-de espesor-con canales de flujo mecanizados-entre las celdas individuales. Esto asegura el contacto directo entre cada celda y la placa de enfriamiento; el calor se conduce a través del TIM a la placa de disipación de calor y luego a la placa de enfriamiento para su disipación. Esta solución ofrece la mayor proporción de área efectiva de disipación de calor.
Similitudes y diferencias fundamentales entre las tres soluciones
Similitudes: los tres mejoran la eficiencia de la disipación de calor al agregar canales de enfriamiento, aceleran las tasas de transferencia de calor utilizando medios altamente conductores térmicamente y emplean métodos de enfriamiento activo para el control de la temperatura.
Diferencias:
| Artículo de comparación | Cilíndrico | Prismático | Bolsa |
| Medio de conducción térmica | Celda en sí + relleno térmicamente conductor | Célula en sí + adhesivo termoconductor + placa base/placa lateral | Celda propiamente dicha + adhesivo termoconductor + esparcidor de calor |
| Ruta de conducción térmica | Celda → adhesivo termoconductor → soporte/placa fría líquida | Celda → adhesivo termoconductor → placa base/placa lateral → placa fría | Celda → adhesivo termoconductor → esparcidor de calor → placa fría |
| Área efectiva de disipación de calor | 918 mm² (18650) | 3996 mm² (148) | 36547 mm² (161) |
| Relación de área de disipación de calor efectiva | 25% | 10.40% | 50% |
Además, existen diferencias significativas en cuanto a la elección del medio de refrigeración, la disposición de las placas de refrigeración y el rendimiento final de disipación de calor.