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.
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".
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