La medición de la presión mantiene frías las baterías de iones de litio

La medición de la presión mantiene frías las baterías de iones de litio

Todos hemos visto los videoclips de computadoras portátiles que se incendiaron inexplicablemente, o leído sobre el Chevy Volt que estalló en llamas semanas después de completar una prueba de choque: conocidos como eventos de ‘fuga térmica’, estos sucesos en baterías de iones de litio no lo son solo espectacular pero también extremadamente peligroso.

La fuga térmica suele ser causada por una corriente excesiva o una temperatura ambiente alta e implica varias fases: 

  • A partir de los 80ºC, la capa de interfase de electrolitos sólidos (SEI) comienza a descomponerse; después de lo cual el electrolito reacciona con el ánodo. Esta reacción es exotérmica, lo que aumenta rápidamente la temperatura.
  • En segundo lugar, la temperatura elevada hace que los disolventes orgánicos se descompongan y provoquen la liberación de gases, que normalmente comienza alrededor de los 110ºC. Durante esta fase, la presión dentro de las células aumenta y la temperatura se eleva más allá del punto de inflamación. Sin embargo, el gas no se enciende debido a la falta de oxígeno.
  • Finalmente a 135ºC el separador se funde provocando un cortocircuito entre el ánodo y el cátodo, provocando que el cátodo de óxido metálico se rompa a 200ºC y liberando oxígeno que permite quemar el electrolito y el gas hidrógeno. Esta reacción también es exotérmica y rápidamente aumenta la temperatura y la presión aún más.

Baterías refrigeradas por líquido; la respuesta a la fuga térmica.

Para regular la temperatura de las celdas en paquetes de baterías de vehículos eléctricos de iones de litio de alta energía, los fabricantes emplean sofisticados sistemas de gestión térmica de baterías, que a menudo incorporan disipadores de calor refrigerados por líquido, para controlar las temperaturas altas y bajas.

Pero para implementar un diseño eficiente de disipador de calor refrigerado por líquido para una batería de vehículo eléctrico o híbrido, es importante determinar la temperatura de la batería y el perfil de flujo de calor a través de pruebas y registros de valores en múltiples ubicaciones. Esto se hace mediante termopares durante los ciclos de carga y descarga de la batería. 

Una vez que se recopilan y analizan estos datos, las líneas de tendencia se extrapolan para ajustarse a los datos de flujo de calor y luego se utilizan para crear ecuaciones para el perfil de flujo de calor durante las fases de carga y descarga. 

Tan pronto como se haya registrado este perfil, se crea un modelo de “medio disipador de calor” utilizando un software de modelado como PTC Creo Parametric 3D. De esta manera, las rutas propuestas de los canales de flujo de fluido se pueden trazar para crear el canal de enfriamiento deseado secciones transversales a lo largo de las rutas críticas. 

Sin embargo, la transferencia de calor eficaz requiere un equilibrio fino entre la velocidad, la presión y la temperatura del fluido que fluye a través de los canales del disipador de calor. Por lo tanto, es fundamental optimizar las presiones de entrada y salida para controlar el caudal del refrigerante a través del disipador de calor. 

La medición precisa de las presiones optimiza la transferencia de calor 

Y con un diferencial de presión de aproximadamente 0,008273709 bar considerado óptimo, los sensores de presión utilizados para medir las presiones de fluido a través del disipador de calor deben increíblemente preciso y estable en una amplia gama de temperaturas y presiones. 

Hay solo un puñado de fabricantes de sensores de presión en el mundo que producen instrumentos capaces de realizar la tarea de manera confiable. Los fabricantes se eligen para suministrar sensores de presión a los equipos de desarrollo de todo el mundo debido a su rendimiento preciso y constante. 

Los resultados de la prueba estos sensores de calidad Los registros se utilizan para trazar las presiones máxima y mínima a diferentes caudales volumétricos, lo que permite comparar diferentes diseños de canales de flujo. 

Como se define en la ecuación de Bernoulli, donde la velocidad al cuadrado varía inversamente con la presión, la caída de presión aumenta cuadráticamente a medida que aumenta el caudal volumétrico. 

Por esta razón, los ingenieros optan por canales más anchos que permitan un caudal y más pases sobre la batería, optimizando así la transferencia de calor de las celdas al disipador de calor. 

Por lo tanto, en gran parte gracias a las mediciones de presión precisas durante la fase de desarrollo, el calor disipado a través de la convección forzada ha mejorado significativamente la seguridad, confiabilidad y capacidad de ciclo de las baterías de iones de litio. 

La electrificación de 48 voltios ejerce presión sobre el sistema de enfriamiento del motor

La electrificación de 48 voltios ejerce presión sobre el sistema de enfriamiento del motor

Con el telón de fondo del Acuerdo de París de 2015, que exige una reducción del 80% de los gases de efecto invernadero para 2050, la industria automotriz está trabajando fervientemente para lograr vehículos con ‘cero emisiones’. Sin embargo, después de más de un siglo, el motor de combustión interna no va a desaparecer de la noche a la mañana, lo que deja a la industria sin otra opción que explorar nuevas tecnologías para limpiar las emisiones de ICE.

Si bien la electrificación total es el objetivo final, la tecnología es actualmente prohibitivamente costosa, con una falta de infraestructura para respaldar un despliegue masivo. Por otro lado, la hibridación, en particular el vehículo eléctrico híbrido suave de 48 voltios , ofrece una solución rentable y fácil de implementar. 

Aunque la implementación técnica de un powernet de 48V es relativamente sencilla, requiere el montaje de una batería de iones de litio diseñada para soportar el arranque y reinicio del ICE, la recuperación de energía de frenado y la asistencia de torque durante la aceleración. Aunque se trata de una fuente de energía eléctrica muy eficiente, tiene varios inconvenientes, incluido el sobrecalentamiento, que podría provocar una “fuga térmica” e incluso provocar la ignición espontánea de las celdas de la batería. 

El descontrol térmico generalmente es causado por una corriente excesiva o una temperatura ambiente alta y progresa a través de varias fases: 

  • A partir de los 80ºC, la capa de interfase de electrolitos sólidos (SEI) comienza a descomponerse, después de lo cual el electrolito reacciona con el ánodo. El calor generado por esta reacción hace que los solventes orgánicos se descompongan liberando gases que aumentan la presión dentro de las celdas.
  • Sin embargo, el gas no se enciende debido a la falta de oxígeno. Pero si la temperatura sigue subiendo por encima de 135ºC, el separador se licuará provocando un cortocircuito entre el ánodo y el cátodo, provocando que el cátodo de óxido metálico se rompa a 200ºC y liberando oxígeno que permite quemar el electrolito y el gas hidrógeno.

Esta es una característica de la batería de iones de litio y, al igual que con los vehículos totalmente eléctricos, requiere una gestión y refrigeración eficientes de la batería para garantizar un funcionamiento seguro y eficiente.

Imagen 1: sistema de refrigeración de la batería Porsche (fuente de la imagen: vehículos eléctricos cargados)

Determinación de las demandas de refrigeración de la batería de iones de litio de 48 V

Para regular la temperatura de las celdas en paquetes de baterías de iones de litio de 48 V de mayor potencia (por encima de aproximadamente 1000 Wh), los fabricantes han desarrollado sofisticados sistemas de gestión térmica de baterías que a menudo incorporan disipadores de calor refrigerados por líquido para garantizar la estabilidad térmica.

Pero, antes de implementar un disipador de calor refrigerado por líquido, es importante determinar y registrar la temperatura de la batería y el perfil de flujo de calor en varias ubicaciones del sistema. Esto se hace mediante termopares durante los ciclos de carga y descarga de la batería. 

Una vez que se recopilan y analizan estos datos, las líneas de tendencia se extrapolan para ajustarse a los datos de flujo de calor y luego se utilizan para crear ecuaciones para el perfil de flujo de calor durante las fases de carga y descarga. 

Tan pronto como se haya registrado este perfil, se crea un modelo de “medio disipador de calor” utilizando un software de modelado como PTC Creo Parametric 3D. De este modo, las trayectorias propuestas de los canales de flujo de fluido pueden asegurarse para crear las secciones transversales de los canales de refrigeración deseadas a lo largo de las trayectorias críticas. 

La transferencia de calor eficaz requiere un equilibrio fino entre el caudal, la presión y la temperatura del fluido que fluye a través de los canales del disipador de calor. Por lo tanto, es fundamental optimizar las presiones de entrada y salida para controlar el caudal del refrigerante a través del disipador de calor. 

Llave de medición de presión para el acto de equilibrio térmico 

Y con un diferencial de presión de aproximadamente 0,008273709 bar que se considera óptimo, los sensores de presión utilizados para medir las presiones de fluido a través del disipador de calor deben ser increíblemente precisos y estables en una amplia gama de temperaturas y presiones. 

Durante esta etapa crucial de desarrollo, los fabricantes confían en transmisores de presión de alta calidad que solo están disponibles en un grupo selecto de fabricantes debido a su rendimiento preciso y constante. 

Centrándonos en el disipador de calor, las mediciones registradas durante estas pruebas se utilizan para trazar las presiones máxima y mínima a diferentes velocidades de flujo volumétrico dentro del disipador de calor, lo que permite comparar diferentes diseños de canales de flujo. 

Como se define en la ecuación de Bernoulli, donde la velocidad al cuadrado varía inversamente con la presión, la caída de presión aumenta cuadráticamente a medida que aumenta el caudal volumétrico. 

Por esta razón, los ingenieros optan por canales más anchos con una tasa de flujo baja y más pasadas por la batería, optimizando así la transferencia de calor de las celdas al disipador de calor. 

Hasta este punto, el desarrollo es similar al que se lleva a cabo normalmente durante las pruebas de la batería de EV, pero en el caso del MHEV de 48 V, el enfriamiento de la batería se integra comúnmente en el sistema de enfriamiento ICE para reducir el costo y la complejidad, aumentando así la carga térmica en los ICE. sistema de refrigeración. Por lo tanto, una vez que se ha optimizado el enfriamiento de la batería, los ingenieros deben integrar el enfriamiento del disipador de calor en el sistema de enfriamiento del ICE. 

Durante esta fase del diseño, el equipo de desarrollo no solo monitorea cualquier cambio en la diferencia de presión en el disipador de calor, sino que también mide la caída de presión en todo el sistema de enfriamiento para garantizar que el enfriamiento del motor no se vea afectado negativamente por la inclusión de la batería. enfriamiento. 

Una vez más, con ingenieros que buscan diferencias incrementales en las lecturas de presión, es importante que los sensores de presión utilizados para registrar estos valores sean estables y capaces de obtener resultados repetibles. 

Por lo tanto, aunque la refrigeración líquida de la batería de 48 V integrada en el sistema del ICE aumenta la carga térmica, el diseño y el desarrollo cuidadosos, en particular con respecto a las presiones del sistema, mejoran significativamente la seguridad, la confiabilidad y la capacidad de ciclo de la batería de iones de litio sin afectar la refrigeración del motor. 

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