Gestión
térmica en vehículos eléctricos
Los vehículos convencionales, requieren una gestión térmica para enfriar la
enorme energía generada por el motor de combustión interna. El sistema de bomba,
refrigerante y radiador evacuan el calor de la combustión en el motor. En los
vehículos eléctricos, la gestión térmica implica el enfriamiento de baterías,
sistemas electrónicos de energía y el motor eléctrico.
La temperatura óptima es fundamental
para el correcto funcionamiento de la batería, los sistemas electrónicos de
potencia y el motor. Cuando se mantiene a una temperatura óptima, se conservan
la carga, el estado y la capacidad de la batería. Los sistemas electrónicos de
potencia y los motores muestran su mejor perfil de trabajo bajo temperaturas
óptimas.
En el bucle de refrigeración, circula un
refrigerante mediante una bomba eléctrica para enfriar las baterías, la
electrónica, el motor y los sistemas relacionados. Los radiadores se utilizan
para liberar calor al aire ambiente. El sistema de aire acondicionado se
utiliza para enfriar los sistemas dentro del bucle de refrigeración y los
evaporadores se incorporan para eliminar el calor. A continuación veremos por qué la gestión
térmica en los vehículos eléctricos es tan crítica.
Definición de
resistencia térmica en la transferencia de calor
Para
el análisis de transferencia de calor de bloques electrónicos integrados, la
resistencia térmica es un parámetro importante, ya que juega un papel crucial
en la implementación de un mecanismo de enfriamiento. Un criterio clave que debe cumplirse durante el enfriamiento de
dispositivos electrónicos es que las temperaturas deben mantenerse por debajo
de los límites máximos permitidos en las peores condiciones operativas. Todos
los bloques de circuitos electrónicos se pueden caracterizar por su resistencia
térmica. Como podemos relacionar la difusión del flujo de calor con el
movimiento de cargas eléctricas, la resistencia térmica es análoga a la
resistencia eléctrica. La ecuación de resistencia térmica se encuentra a
continuación, donde T es la diferencia de temperatura en ℃, q es la tasa de
transferencia de calor en vatios y R es la resistencia térmica en ℃/W:
El
valor de la resistencia térmica en la transferencia de calor difiere según el
alcance y la aplicación de los dispositivos. Por ejemplo: los paquetes de baja
potencia para teléfonos, computadoras personales y productos electrónicos de
consumo pueden caracterizarse por una resistencia térmica muy alta. En los
bloques electrónicos, el calor se transfiere desde la unión del componente al
disipador de calor final. La resistencia térmica total determina las
temperaturas de unión en la ruta de transferencia de calor.
La
resistencia térmica total de un bloque electrónico se puede clasificar en tres
niveles según la ruta de transferencia de calor. Los niveles de clasificación
son:
Nivel de componente:
a nivel de componente, existe una resistencia térmica interna, denominada Rint.
Es la resistencia al flujo de calor desde la unión o cualquier otro elemento
del circuito hacia la superficie exterior de la caja del componente.
Nivel de paquete:
la resistencia térmica externa, expresada por Rext, está al nivel del paquete y
ofrece resistencia a la transferencia de calor desde la superficie de la caja
hasta algún punto de referencia.
Nivel del sistema: la
resistencia térmica a nivel del sistema es la etapa final de la resistencia
térmica. Esta etapa se centra en la transferencia de calor desde el
refrigerante al disipador de calor.
Las resistencias térmicas internas y
externas gobiernan la temperatura de unión del dispositivo en el embalaje de
productos electrónicos. La resistencia térmica total viene dada por la suma de
Rint y Rext y su valor disminuye con la densidad de potencia del paquete.
Para una gestión térmica y una
transferencia de calor adecuadas, se deben seleccionar combinaciones de
resistencias térmicas internas y externas de tal manera que permitan valores
específicos de potencia y temperaturas de unión. Las resistencias térmicas
internas y externas están influenciadas por los mecanismos de enfriamiento y
los diseños del paquete. Esto indica la importancia de la gestión térmica y la
selección del sistema de refrigeración para controlar la temperatura de los bloques
electrónicos.
El método de enfriamiento, el diseño del
paquete y el material elegido son cruciales para establecer la resistencia
térmica interna y externa. Si la selección de gestión térmica es incorrecta, la
combinación de resistencia térmica interna y externa no podrá satisfacer las
limitaciones de temperatura del sistema.
Gestión
térmica en vehículos eléctricos
Cuando
se mantiene a una temperatura óptima, se conserva la carga de la batería, la
salud y la capacidad. Los sistemas electrónicos de alimentación y los motores
muestran su mejor perfil de trabajo bajo temperaturas óptimas.
Gestión térmica de la
batería
El
rendimiento, la vida útil y el costo de los bancos de baterías y los vehículos
eléctricos tienen una dependencia directa. La disponibilidad de energía de
descarga para el arranque y la aceleración, la aceptación de carga durante el
frenado regenerativo y la salud de la batería están en su mejor momento a temperaturas
óptimas. A medida que aumenta la temperatura, la duración de la batería y la
economía de energía se degradan. Teniendo en cuenta el efecto térmico global de
la batería, la gestión térmica es
fundamental.
Gestión térmica de los
sistemas electrónicos
Los
sistemas electrónicos de alimentación (inverters) son responsables de controlar
los motores eléctricos. Estos funcionan en línea con el sistema de control del
vehículo eléctrico y conducen el motor eléctrico de acuerdo con las
instrucciones de control. Los convertidores DC-DC, inversores y circuitos de
control en el sistema electrónico de energía son vulnerables a los efectos
térmicos. Mientras trabajan, los circuitos electrónicos de energía generan
pérdida de calor, y la gestión térmica adecuada es esencial para liberar el
calor del circuito y los sistemas asociados. Si la gestión térmica es
inadecuada, puede resultar en fallos de control, fallos de componentes y malas
operaciones vehiculares.
Gestión térmica de
motores eléctricos
La
temperatura de trabajo del motor eléctrico es fundamental para el rendimiento
del vehículo. Con una carga mecánica creciente, el motor toma más energía de la
batería y calienta sus arrollamientos.
El control de la temperatura del motor
es necesario para el mejor rendimiento de vehículos eléctricos.
Bucle de refrigeración
en vehículos eléctricos
Si
bien la temperatura de funcionamiento óptima de la batería es similar a la de
un ser humano (~15-30°C), los motores y la electrónica de potencia son más
altos, con un funcionamiento a menudo por encima de los 60°C. Esto generalmente
significa que los motores y el inversor están en un circuito de enfriamiento
separado de la batería, aunque pueden interactuar para transferir calor entre
ellos para una eficiencia óptima del vehículo. La forma en que se maneja el
calor dentro del motor varía según el fabricante, y las opciones generalmente
se segmentan en motores enfriados por agua-glicol y/o aceite.
Una camisa de agua es un método
comúnmente utilizado en el que el refrigerante de agua y glicol fluye en una
camisa alrededor del exterior del estator. Esto ayuda a enfriar los devanados
de cobre del estator que generan los campos eléctricos utilizados para impulsar
el rotor. Algunos han adoptado geometrías alternativas de refrigeración por
agua. Sin embargo, la principal limitación del agua con glicol es su
conductividad eléctrica; esto limita su uso de modo que no se puede utilizar en
contacto directo con componentes eléctricos. Aquí es donde entra en juego la
refrigeración con aceite.
La desventaja del enfriamiento de aceite
es la adición de componentes adicionales y, por lo general, el circuito de
agua-glicol todavía existe para eliminar el calor del aceite e interactuar con
el resto del sistema térmico del vehículo. A pesar de esto, los beneficios de
rendimiento superan la complejidad.
Si bien la refrigeración por aceite es
ahora la estrategia térmica dominante para los motores eléctricos, los IGBT del inversor o los MOSFET casi siempre se enfrían mediante placas frías
de agua y glicol en uno o ambos lados de los módulos del inversor. Sin embargo,
ha habido cierto interés en enfriar directamente el inversor con aceite. Como
el inversor suele estar empaquetado junto al motor en una unidad de
accionamiento, se podría imaginar que eliminar la necesidad de un circuito de
agua-glicol dentro de la unidad de accionamiento simplificaría el sistema de
accionamiento y aún proporcionaría los beneficios de la refrigeración directa
del aceite dentro del motor y el inversor.
Ejemplos
de sistemas de gestión térmica de baterías
Los siguientes esquemas muestran
sistemas de gestión térmica en conocidos vehículos eléctricos.
Nissan
Chevrolet Volt
Tesla Modelo 3
Los
sistemas de gestión térmica ayudan a mantener los componentes estables en una
variedad de condiciones climáticas. Se asegura de que la batería, el motor del
vehículo y la electrónica asociada estén siempre en el rango de temperatura de
funcionamiento óptimo, ya sea extremadamente frío en el invierno o caluroso en
el verano.
¿Qué
sistema de refrigeración funciona mejor en los vehículos eléctricos?
Un
grupo de investigación del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (EE. UU.)
y el Centro Nacional de Investigación de Tecnología de Redes de Distribución
Activa (China) compararon cuatro métodos de enfriamiento diferentes para
baterías de litio: aire, líquido indirecto, líquido directo y sistemas de
enfriamiento de aletas.
Los
resultados muestran que: un sistema de refrigeración por aire necesita entre
dos y tres veces más energía que otros métodos para mantener la misma
temperatura media; un sistema de refrigeración líquida indirecta tiene el
aumento máximo de temperatura más bajo; y un sistema de enfriamiento de aletas
agrega aproximadamente un 40% de peso. La refrigeración líquida indirecta es
una forma más práctica que la refrigeración líquida directa, aunque tiene un
rendimiento de refrigeración ligeramente inferior.
Cada uno de estos sistemas propuestos se
puede diseñar para lograr el rango de temperatura y la uniformidad correctos.
La eficiencia energética es más difícil de lograr, ya que los efectos de
enfriamiento deben ser mayores que el calor generado al alimentar el sistema de
enfriamiento. Además, un sistema con demasiado peso adicional consumirá energía
del automóvil a medida que genera potencia.
La refrigeración líquida es la única
opción que no consume demasiada energía
parásita, cumple con los requisitos de refrigeración y cabe de forma compacta y
sencilla.
Las baterías de litio de Tesla, BMW i-3
e i-8, Chevy Volt, Ford Focus, Jaguar i-Pace y LG Chem utilizan algún tipo de
sistema de refrigeración líquida. En los sistemas de refrigeración líquida,
existe otra división entre refrigeración directa e indirecta: por ejemplo si
las céldas de las baterías están sumergidas en el líquido o si el líquido se
bombea a través de tuberías.
Los sistemas de refrigeración directa
colocan las celdas de la batería en contacto directo con el líquido
refrigerante. Estos esquemas de gestión térmica se encuentran actualmente en
etapa de investigación y desarrollo, no existiendo en el mercado ningún
automóvil que utilice este sistema. Debido a que la batería está en contacto
con el líquido, el refrigerante debe tener una conductividad eléctrica baja o
nula.
Los sistemas de enfriamiento indirecto
hacen circular refrigerante líquido a través de una serie de tubos metálicos.
La estructura del sistema de refrigeración que logra la máxima uniformidad de
temperatura depende de la forma del banco de baterías y tendrá un aspecto
diferente para cada fabricante de automóviles. El 99% del refrigerante está
compuesto por un producto básico como glicol o poliglicol y agua.
Ejemplo de un sistema de refrigeración/calefacción
Todo el sistema de refrigeración está
dividido en varios circuitos, cada uno de los cuales consta de un radiador
independiente (radiador de baja temperatura), una bomba de refrigerante, un
termostato y una válvula de cierre del refrigerante.
El circuito frigorífico del sistema de aire
acondicionado también está integrado mediante un intercambiador de calor
especial, llamado chiller.
Un
calentador eléctrico del refrigerante (que
se utiliza para enfriar) eventualmente es accionado para proporcionar una
temperatura adecuada al banco de baterías cuando las temperaturas exteriores son bajas.
La
temperatura del refrigerante para el motor eléctrico y la electrónica de
potencia se mantiene por debajo de 60°C dentro de un circuito separado (circuito
interior en la figura) mediante un radiador de baja temperatura.
Para lograr el máximo rendimiento y al mismo tiempo garantizar la mayor
vida útil posible de la batería, es necesario mantener siempre la temperatura
del refrigerante entre aprox. 15°C y
30°C. Cuando las temperaturas externas bajan demasiado, el refrigerante debe
calentarse mediante el calentador.
Cuando las temperaturas son demasiado
altas, se enfría mediante un radiador de baja temperatura. Si esto no fuera
suficiente, un Chiller (enfriador integrado) reducirá aún más la temperatura
del refrigerante de batería. Aquí, el refrigerante del sistema de aire
acondicionado fluye a través del Chiller y enfría aún más el refrigerante de
baterías, que también fluye a través del enfriador (Chiller). Todo el control
se realiza a través de termostatos, sensores, bombas y válvulas individuales.
A continuación se enumera algunas de las
características de los componentes mas sofisticados del circuito de gestión
térmica:
Compresor de aire
acondicionado
El
compresor del aire acondicionado funciona eléctricamente. Esto permite el aire
acondicionado del vehículo, incluso cuando el motor está apagado. Además, el
refrigerante de batería también se puede enfriar con ayuda del sistema de aire
acondicionado a través del chiller, como se vio mas arriba.
Enfriador
(Chiller)
El enfriador es un intercambiador de
calor especial conectado tanto al circuito de refrigerante de batería como al
circuito de refrigeración, lo que permite que el refrigerante en el sistema de
aire acondicionado reduzca aún más la temperatura del refrigerante de batería.
Calentador
auxiliar de alto voltaje del
refrigerante
Cuando las temperaturas bajan demasiado,
el refrigerante de batería se calienta mediante un calentador auxiliar
eléctrico.
Resumen
A diferencia de los vehículos de
combustión, el motor eléctrico produce poco calor, lo que supone un desafío a
bajas temperaturas. Esto significa que se requiere calefacción adicional para
calentar el habitáculo y esto tiene el costo de reducir la autonomía
disponible, ya que aumenta los esfuerzos para la gestión de la batería.
Además, la capacidad de carga rápida ha
sido un gran impulsor de la gestión térmica. Muchos proveedores de red ofrecen
ahora estaciones de carga rápida de CC con hasta 350 kW de potencia. Como
consecuencia, las baterías necesitan mantener un rango de temperatura aún más
estrecho que la del funcionamiento general para aprovechar al máximo la
potencia de carga disponible. Esto requiere precalentar o enfriar la batería. A
medida que las celdas individuales se cargan más rápido, existe una mayor
necesidad de gestión térmica. Por lo tanto, el sistema de gestión térmica juega
un papel fundamental en los actuales vehículos eléctricos.
Ricardo
Berizzo
Ingeniero
Electricista 2024.-
"No estamos ni
cerca del final de lo buena que puede llegar a ser esta tecnología".
