Gestión térmica de EV: el sistema oculto que impulsa la autonomía, el
rendimiento y la comodidad
Desde la refrigeración de la batería
hasta el aislamiento de la cabina, la gestión térmica se está convirtiendo en
una de las tecnologías más críticas que dan forma al futuro de los vehículos
eléctricos.
*Por: Craig Van Batenburg para
https://www.vehicleservicepros.com
El mercado de vehículos eléctricos ha avanzado en
los últimos 15 años en Estados Unidos, y los sistemas más antiguos han
cambiado. Muchas tecnologías más eficientes han encontrado su camino en los
nuevos diseños. Vivo en el centro de Massachusetts, y fue un invierno muy frío.
ACDC, nuestro centro de capacitación técnica EV, agregó un sistema de bomba de
calor a nuestro laboratorio de entrenamiento de 4,000 pies cuadrados hace unos
años. La empresa de bombas de calor que instaló el sistema solo había trabajado
en los hogares. El sistema no pudo mantenerse al día con el clima ártico del
invierno pasado. Aprendí mucho sobre bombas de calor para edificios, y algunos
de esos conocimientos pueden transferirse a los vehículos, por lo que hay más
trabajo por hacer y lecciones que aprender.
ACDC comenzó a enseñar los sistemas de bomba de
calor en 2013 cuando Nissan agregó una bomba de calor al Leaf. Desde entonces,
esa tecnología para calentar el habitáculo ha recorrido un largo camino. A los
humanos les gusta calentar en los días fríos y enfriarse en los días calurosos.
Un paquete de alto voltaje es orgánico. Es muy parecido a nosotros.
El rendimiento y la autonomía del vehículo son las
principales cualidades que continúan impulsando la reinvención. Muchas
tecnologías compiten por dólares de desarrollo, pero pocos componentes superan
la batería en importancia, con calefacción de cabina en el segundo lugar. A los
humanos les gusta calentar en los días fríos y enfriarse en los días calurosos.
Un paquete de alto voltaje es orgánico.
Mantener la batería de un EV frío es necesario para
el rendimiento y la longevidad. Esta tecnología ha seguido evolucionando junto
con las otras tecnologías sofisticadas presentes en los vehículos eléctricos
modernos. Discutiremos la importancia de la gestión térmica en las baterías EV,
cómo se diseña actualmente, las limitaciones de cada método y las soluciones
que se están desarrollando
¿Por
qué las baterías de vehículos eléctricos requieren gestión térmica?
Sabemos que todas las baterías pierden su capacidad
de trabajar cuando están afuera en el frío, y a la electrónica no le gusta el
calor. Todas las baterías funcionan mejor cuando no están sometidas a
temperaturas extremas. La temperatura que la mayoría de las baterías requieren
para un rendimiento óptimo es de entre 65 F y 80 F (18.33 °C y 26.67 °C). Puede
parecer sorprendente que la temperatura óptima para una batería de vehículo
eléctrico avanzada exista dentro de un rango tan estrecho. Teniendo en cuenta
cómo las temperaturas pueden variar de una temporada a la siguiente, es
tentador cuestionar por qué alguien usaría un vehículo eléctrico en todos los
climas, excepto en los más templados. Afortunadamente, los sistemas de gestión
térmica a bordo se utilizan para controlar las temperaturas de la batería EV,
mejorando así el rendimiento y la vida útil.
Seguridad
de la batería y embalaje térmico
TMS (Thermal Management System) en vehículos
eléctricos no solo ayuda a disminuir los efectos de un día frío o caliente en
la batería del vehículo; también juegan un papel clave en la gestión de las
temperaturas elevadas generadas por las propias baterías. Las células de iones
de litio se vuelven inestables y pueden incendiarse cuando las temperaturas
celulares internas exceden de 140 F a 190 F (60°C a 87.8°C). Algunas químicas
de iones de litio pueden llegar hasta 194 grados Fahrenheit (90ºC). Una vez
encendidas, estas células pueden alcanzar temperaturas extremas, a menudo entre
2.000 F y 5.000 F cosas de miedo. Una
batería EV necesita mantener las temperaturas de la celda por debajo de 140 F a
280 F (60 °C a 137.78 °C). Todos han escuchado el término “fuga térmica”, una
condición en la que la celda de iones de litio de una batería entra en un ciclo
de autocalentamiento incontrolable.
La
Carga Rápida Crea Calor
Enchufar a una estación de carga rápida también
calentará la batería hasta un punto en el que el sistema de gestión térmica
tendrá que intervenir. La alta corriente genera una cantidad considerable de
calor que necesita ser retirado del paquete de baterías para evitar el
sobrecalentamiento. La gestión térmica no se trata solo de disipar el calor;
dependiendo de la época del año, puede haber momentos en que la batería de un
vehículo eléctrico debe calentarse antes de que pueda cargarse rápidamente.
La
gestión térmica de la batería EV está evolucionando
Los procesos de gestión térmica, como cualquier otra
cosa, no son perfectos. Como cualquier otro sistema dentro de un vehículo
eléctrico, la gestión térmica no está exenta de desafíos.
Fugas
de refrigerante y componentes de envejecimiento
Si el TMS utiliza refrigeración líquida para
mantener la batería a la temperatura óptima, existe la posibilidad de que el
refrigerante líquido pueda filtrarse a medida que las conexiones y la batería
envejecen. Si bien una pequeña fuga de refrigerante suena como un problema
menor, si no se controla, el refrigerante filtrado puede degradar la batería
hasta el punto en que su rendimiento y vida útil se reducen en gran medida.
Corrosión,
obstrucción y selección de refrigerante
La corrosión y la obstrucción son dos desafíos más
de un sistema refrigerado por líquido. Cuando hay glicol líquido presente, a
medida que envejece, puede comenzar a corroer las placas frías, que son
responsables de la transferencia de calor de las células al refrigerante. La
sustitución del glicol como parte del mantenimiento regular del vehículo
evitará que esto suceda. La obstrucción de los muchos tubos estrechos y las
conexiones que transportan el refrigerante es otro desafío que podría reducir
el rendimiento de la batería. Por lo tanto, es importante elegir el
refrigerante adecuado para el sistema y cambiarlo regularmente.
Por ejemplo, el agua pura como refrigerante funciona
bien porque su uso minimiza la corrosión, y tiene una alta capacidad térmica y
conductividad térmica. El agua desionizada, por otro lado, elimina los
minerales y sales dañinos que podrían acumularse, estrechando los muchos
canales, pero tiene una resistividad más alta que el agua pura. La resistividad
del refrigerante mide su capacidad para resistir la corriente eléctrica, con
alta resistividad que indica refrigerante puro y no conductor que protege
contra la electrólisis y la corrosión. A medida que los inhibidores de la
corrosión se agotan y los contaminantes aumentan, la resistividad disminuye y
la conductividad aumenta, lo que indica la necesidad de reemplazo,
particularmente en vehículos eléctricos. Cuanto mayor es la resistividad, mayor
es la probabilidad de corrosión.
Los fluidos dieléctricos como los carbonos
perfluorados, los compuestos perfluorados son productos químicos altamente
estables, repelentes al agua y al aceite que presentan enlaces carbono-flúor, y
la polialfaolefina, un aceite base de hidrocarburos sintéticos, también se
pueden usar para enfriar la batería de un vehículo eléctrico, ambos de los
cuales ofrecen varios beneficios sobre los otros tipos de refrigerante. Utilice
refrigerantes OEM (Original Equipment Manufacturer, Fabricante de Equipo
Original). al dar servicio a los vehículos eléctricos.
Desafíos
climáticos y autorregulación de la batería
El clima que rodea al vehículo es otro desafío
evidente que el sistema de gestión de la batería (TMS) del vehículo debe
mitigar. Dependiendo de la ubicación del conductor, el vehículo puede estar
expuesto a temperaturas extremas, tanto de calor como de frío, cuando no está
en funcionamiento. En estas condiciones, lo mejor es mantener el vehículo
conectado a la red eléctrica.
Cuando esto no sea posible, la batería de alto
voltaje consumirá su propia energía para autorregular la temperatura de las
celdas. Tesla enviará un mensaje de texto para avisarle que conecte el vehículo
a la red eléctrica si la batería se está agotando en climas fríos.
El
envejecimiento de las baterías genera más calor
Por último, la antigüedad de la batería en sí es un
desafío para el sistema de gestión térmica. Cuanto más vieja es la batería, más
energía se pierde como calor. El sistema debe ser capaz de hacer frente a este
exceso de calor a medida que la batería se acerca al final de su vida útil.
Mantener las baterías frías
Entonces, ¿cómo se mantienen las baterías EV frías?
Hemos hecho referencia brevemente a un sistema refrigerado por líquido
anterior, pero el líquido no es de ninguna manera el único, o incluso el mejor,
método para mantener la batería de un vehículo eléctrico dentro del rango de
temperatura aceptable. Algunos de estos métodos se discuten a continuación.
Sistemas
de enfriamiento de aire
En primer lugar, existen sistemas de refrigeración
por aire, como los de los primeros híbridos. La refrigeración por aire
funcionaba bien, pero Ford optó por un paquete sellado con aire acondicionado
en el modelo de 2005. Posteriormente, Ford utilizó el aire del habitáculo. Según
si la batería necesita calentarse o enfriarse, se hace circular aire caliente o
frío a través de ella. En algunos sistemas de refrigeración por aire, el aire
del habitáculo circula desde el interior del vehículo hacia el paquete de
baterías, calentándola o enfriándola según sea necesario.
Si bien esto parece una forma novedosa y sencilla de
mantener la temperatura de la batería dentro de un rango óptimo, no es la
opción más eficiente.
Sistemas
de refrigeración líquida
Los sistemas de refrigeración líquida se basan en
una serie de canales para suministrar refrigerante líquido en y alrededor de
los paquetes de baterías con el fin de absorber el exceso de calor del sistema.
La refrigeración líquida activa utiliza bombas para hacer circular el
refrigerante y los ventiladores y otros dispositivos para extraer o redirigir
el calor. El glicol o el agua refrigerante no entran en contacto directo con
las células.
Cabe señalar que, si bien otros sistemas dentro de
un vehículo también pueden requerir refrigeración, los paquetes de baterías EV
se enfrían por separado, ya que la temperatura de la batería debe mantenerse
mucho más baja en relación con los otros sistemas. Mantener los sistemas de
refrigeración separados asegura que el refrigerante responsable de la gestión
de la temperatura de la batería EV se mantenga lo más fresco posible.
La gestión térmica es la clave para la
adopción de vehículos eléctricos
Una batería demasiado caliente o demasiado fría
afectará negativamente el rendimiento. Dado que se espera que los vehículos
eléctricos operen en todo tipo de climas, el refinamiento continuo de los
procesos de gestión térmica es de vital importancia para el crecimiento del
mercado de vehículos eléctricos. Si los vehículos eléctricos están realmente
destinados a superar a los vehículos tradicionales de motor de combustión,
todas las tecnologías EV, incluida la gestión térmica, deben seguir
evolucionando.
Calefacción de la cabina
Mucho se ha escrito sobre las bombas de calor, pero
menos sobre el aislamiento del habitáculo. Esto puede mantener el interior más
cálido en invierno y mejorar la autonomía. Algunos aficionados al bricolaje han
intentado aislar sus vehículos eléctricos.
Aislamiento de vidrio e interior de baja E
(emisividad)
Algunos OEM han jugado con paneles de policarbonato
interiores extraíbles. Otros optan por el vidrio de baja E (baja emisividad).
Este es un tipo de acristalamiento de eficiencia energética recubierta con una
capa de metal u óxido metálico transparente, microscópicamente delgada,
utilizada en las ventanas.
Actúa como un filtro térmico, reflejando el calor de
nuevo a su fuente. Esto mantiene los interiores frescos en verano y cálidos en
invierno, al tiempo que permite que entre luz natural. Esto reduce la ganancia
y pérdida de calor al mejorar el aislamiento térmico.
El recubrimiento transparente es 500 veces más
delgado que un cabello humano, manteniendo el vidrio casi incoloro y claro. Una
“capa dura” se fusiona con el vidrio durante la producción. Una “capa blanda”
se aplica en una cámara de vacío y es más efectiva. Es mucho más eficaz en
unidades de vidrio con aislamiento de doble o triple panel (IGU).
El vidrio Low-E es ampliamente utilizado en ventanas
residenciales y comerciales para mejorar el aislamiento y reducir la
dependencia de los sistemas de calefacción y refrigeración. Es posible que los Teslas se adapten con este
tipo de techo de vidrio. El uso de asientos y volantes con calefacción es más
eficiente energéticamente que calentar toda la cabina, pero puede hacer más. Si
tiene un EVSE en casa o en el trabajo, puede precalentar el interior y la
batería del automóvil mientras aún está conectado a la red.
¿Por
qué aislar un EV?
El aislamiento y las modificaciones en el habitáculo
ayudan a retener el calor, permitiendo temperaturas confortables con menor
consumo de energía. En Worcester, Massachusetts, mi ciudad natal, una empresa
llamada Talbert Trading, dirigida por Bob Mantyla, fabricaba fieltro reciclado.
Bob me hizo un recorrido para mostrarme cómo se fabricaba. Dos grandes máquinas
francesas de 18 metros comenzaban con una tolva. La ropa usada donada que no se
vendía se depositaba en la tolva, y por el otro extremo salía una estera de
fieltro para debajo de la alfombra, comúnmente conocida como fieltro reciclado.
Se utiliza para el aislamiento acústico y como relleno debajo de la alfombra
del coche. Luego se enviaba a los fabricantes de equipos originales en Michigan
en grandes rollos de 90 centímetros de diámetro. Eso fue en los años 80.
Hoy en día, ese mismo concepto se está incorporando
al habitáculo, pero no solo debajo de la alfombra. Todo lo que se enfría y es
de metal se aislará. El cortafuegos, el techo, las puertas, debajo del asiento
trasero... en fin, todo.
Pruebas en el mundo real e implicaciones
futuras
Hace unos años, en el Congreso de la SAE en Detroit,
Michigan, tuve la oportunidad de visitar un stand que ofrecía un material
denso, aunque de calidad inferior. Era más tecnológico y algo caro. Presentaban
algunas estadísticas que justificaban su uso.
Una vez precalentado el habitáculo mientras está
conectado a la red eléctrica, se puede conducir hasta 32 kilómetros antes de
tener que encender la calefacción. Realizaron sus propias pruebas, pero el
concepto es sólido. Aún no lo he visto en coches de producción, pero cada gramo
de energía consumido en temperaturas bajo cero reduce la autonomía.
*Craig Van Batenburg es el CEO de ACDC, una empresa
de formación híbrida y enchufable con sede en Worcester, Massachusetts.
