Tecnología de Precalentamiento de Batería
1.¿Qué es el Control Térmico de Baterías?
Las baterías no toleran el exceso de calor ni el frío extremo; su rango de temperatura óptima de funcionamiento se encuentra entre 15-40°C.
Sin embargo, los vehículos operan en una amplia gama de condiciones, desde -20°C hasta 55°C, lo que crea un desafío en cuanto a la temperatura.
¿Cómo se aborda normalmente este problema? La solución es equipar la batería con un sistema de aire acondicionado para lograr tres funciones de control térmico:
(1) Enfriamiento
Cuando la temperatura se vuelve demasiado alta, la vida útil de la batería disminuye (degradación de la capacidad) y aumenta el riesgo de sobrecalentamiento (descontrol térmico).
Por lo tanto, el enfriamiento es esencial cuando la temperatura aumenta.
(2) Calentamiento
Cuando la temperatura es demasiado baja, la vida útil de la batería disminuye (degradación de la capacidad) y su rendimiento se debilita. La carga de la batería a temperaturas tan bajas puede plantear un riesgo de descontrol térmico debido a cortocircuitos internos inducidos por el plateado de litio.
Por lo tanto, se requiere el calentamiento (o aislamiento) cuando la temperatura es demasiado baja.
(3) Consistencia de Temperatura
¿Recuerda los viejos aires acondicionados que comenzaban con un golpe de aire frío y luego se detenían?
Hoy en día, la mayoría de los aires acondicionados tienen funciones de frecuencia variable y distribución de aire en todo el entorno, todas diseñadas para mantener la consistencia de la temperatura en dimensiones temporales y espaciales.
Del mismo modo, las baterías de vehículos eléctricos también deben minimizar las diferencias de temperatura en el espacio tanto como sea posible. (Menores diferencias de temperatura entre las celdas de la batería son mejores).
2. Efectos de los Ambientes de Baja Temperatura en Vehículos y Baterías
Como todos sabemos, la batería de potencia es uno de los componentes más críticos de un vehículo eléctrico, y afecta el rendimiento del vehículo en varios aspectos: cuánto puede recorrer, su aceleración máxima y su vida útil en general.
Por supuesto, el rendimiento en seguridad también es esencial, y muchos de estos factores están fuertemente influenciados por la batería de potencia.
El factor más significativo que afecta el rendimiento de la batería de potencia es la temperatura.
Muchos vehículos eléctricos tempranos solo podían recorrer el 70% de su rango habitual en invierno. Algunas personas dudaban en encender la calefacción para no afectar su autonomía.
De hecho, las bajas temperaturas también conducen a una disminución de la capacidad de descarga de la batería.
Las temperaturas más bajas suprimen por completo la capacidad de descarga de la batería, lo que afecta no solo a la autonomía de conducción, sino también al rendimiento del vehículo, la recuperación de energía y otros aspectos.
Tomando como ejemplo las baterías de iones de litio comunes:
El principio de funcionamiento de las baterías de iones de litio es esencialmente la reacción de oxidación-reducción entre los electrodos positivo y negativo y el electrolito en su interior.
A bajas temperaturas, la velocidad de reacción de la intercalación de litio en los materiales activos en la superficie de los electrodos disminuye, y la concentración interna de iones de litio en estos materiales disminuye. Esto conlleva a una reducción del potencial de equilibrio de la batería, un aumento de la resistencia interna, una disminución de la capacidad de descarga y, en temperaturas extremadamente bajas, pueden ocurrir fenómenos como la congelación del electrolito y la incapacidad de la batería para descargar.
Esto afecta significativamente el rendimiento a bajas temperaturas de los sistemas de baterías, lo que resulta en una disminución de la potencia y un menor alcance para los vehículos eléctricos.
Además, a bajas temperaturas, la carga puede dar lugar a la deposición de litio en la superficie del electrodo negativo. La acumulación de litio metálico en la superficie del electrodo negativo puede perforar el separador de la batería, causando un cortocircuito entre los electrodos positivo y negativo, lo que representa una amenaza para la seguridad de la batería. Los problemas de seguridad asociados con la carga a bajas temperaturas de los sistemas de baterías de vehículos eléctricos obstaculizan en gran medida la adopción generalizada de vehículos eléctricos en regiones frías.
Diagrama Esquemático de las Reacciones Internas en Baterías de Iones de Litio
3. ¿Existe una tecnología que pueda aliviar los problemas mencionados anteriormente?
A partir de la información anterior, podemos ver cuánto impacto puede tener la falta de gestión térmica de la batería o una mala gestión térmica en el rendimiento de los vehículos eléctricos.
Por supuesto, con los avances tecnológicos, la mayoría de los vehículos eléctricos modernos están equipados con sistemas de gestión térmica de la batería.
El objetivo final de estos sistemas de gestión térmica es, en pocas palabras, mantener la temperatura de la batería lo más cerca posible de su temperatura ideal de funcionamiento.
La necesidad de la gestión térmica de la batería depende de la elección de diferentes tipos de baterías en los vehículos, así como de la tasa de generación de calor, la eficiencia energética y la sensibilidad a la temperatura de estas baterías.
La gestión térmica incluye tanto el calentamiento como el enfriamiento, y ambos son igual de importantes.
La tecnología de precalentamiento de la batería es un componente vital de la gestión térmica de la batería. Se trata de una tecnología diseñada para elevar rápidamente la temperatura de la batería a su rango de funcionamiento óptimo cuando la temperatura es baja.
Típicamente, existen varios métodos principales para calentar la batería, que incluyen los siguientes:
(1) Calentamiento Autónomo de la Batería
Este método utiliza el calor generado durante el funcionamiento de la batería, ya sea durante la descarga o la carga, para elevar la temperatura de la batería.
Este método de calentamiento es relativamente lento y, en ocasiones, el vehículo puede haber completado su viaje antes de que la temperatura de la batería alcance el nivel deseado. Principalmente se encuentra en algunos modelos de automóviles tempranos y vehículos de bajo costo.
(2) Calentamiento con Soplador de Aire
Siendo sinceros, los paquetes de baterías enfriados por aire no son muy comunes en el mercado.
Se dice que BYD ha desarrollado un paquete de baterías enfriado por aire. Esta tecnología implica el uso de aire acondicionado externo para soplar aire caliente o frío en el paquete de baterías con el fin de controlar su temperatura.
Sin embargo, esta técnica requiere un diseño meticuloso del flujo de aire dentro del paquete de baterías, y el efecto de aumento de la temperatura es relativamente lento. Además, si el diseño es deficiente, puede dar lugar a un sobrecalentamiento localizado.
g to blow hot or cold air into the battery pack to control its temperature.
However, this technique requires a meticulous design of the airflow within the battery pack, and the temperature rise effect is relatively slow.
Moreover, if the design is inadequate, it can lead to localized overheating.
(3) Dispositivo de Calentamiento Interno de la Batería
El sistema de calentamiento se compone principalmente de elementos calefactores y circuitos, siendo el elemento calefactor la parte más crucial.
Los elementos calefactores comunes incluyen elementos calefactores de resistencia variable y elementos calefactores de resistencia constante.
El primero se conoce comúnmente como PTC (coeficiente de temperatura positivo), mientras que el segundo generalmente consiste en una película calefactora hecha de hilos calefactores de metal, como películas calefactoras de silicona y películas calefactoras eléctricas flexibles.
En el caso de PTC o películas calefactoras, el efecto de calentamiento es generalmente bueno y rápido. Sin embargo, puede haber instancias de aumento de temperatura desigual dentro de la batería, con las celdas más cercanas a la fuente de calor experimentando un aumento de temperatura significativamente mayor que las que están más lejos. Esto es especialmente cierto para las películas calefactoras, que están en contacto directo con la superficie del módulo de la batería para el calentamiento.
Por lo tanto, existen ciertos requisitos para la estructura de disipación de calor dentro del paquete de baterías.
Common PTC and Heating Films
El PTC se utiliza ampliamente debido a su seguridad, alta eficiencia en la conversión de calor, calentamiento rápido, ausencia de llama abierta y regulación automática de la temperatura. Tiene un costo más bajo, lo cual es ventajoso para las baterías de energía relativamente caras en la actualidad.
Sin embargo, los elementos calefactores PTC tienen un volumen mayor, lo que puede ocupar una parte significativa del espacio dentro del sistema de batería.
Las películas eléctricas calefactoras aisladas flexibles son otro tipo de calentador. Pueden doblarse para adaptarse a la forma de la pieza de trabajo, asegurando un contacto cercano con la pieza de trabajo y maximizando la transferencia de calor.
Las películas calefactoras de silicona son delgadas, flexibles y tienen buenas propiedades de distribución de calor, pero requieren un contacto cercano con el objeto que se está calentando y su seguridad no es tan buena como la del PTC.
(4) Calentamiento por Circulación de Líquido
Los paquetes de baterías refrigerados por líquido dominan en la actualidad debido a su efectivo calentamiento, una disipación de calor uniforme y características de seguridad.
En la estructura del paquete de batería, generalmente se diseñan canales para una eficiente disipación de calor, asegurando una distribución uniforme del calor en todo el paquete de baterías y logrando un aumento de la temperatura uniforme.
Diagramas Esquemáticos de Dos Sistemas Comunes de Refrigeración Líquida de Baterías
En cuanto a los principios de control, tomando como ejemplo al Xiaopeng G3, que ya está en el mercado, emplea un método de control de enfriamiento líquido más avanzado para la gestión térmica.
El G3 utiliza un controlador HVAC más integrado, lo que lo hace más sensible al control de la temperatura de la batería.
Como se muestra en el diagrama anterior, para la calefacción de la batería, se utiliza un líquido calefactor PTC independiente dentro del paquete de baterías para la calefacción por circulación. Esto permite calentar la batería de manera más rápida y uniforme.
Al comienzo del proceso de carga cuando el usuario arranca el vehículo (ya sea una carga rápida o lenta), el controlador del vehículo recopila señales de temperatura de la batería. Cuando la temperatura de la batería es baja y se requiere calefacción, el controlador del vehículo controla el refrigerante para ingresar al circuito de calefacción. Por lo general, hay una fuente de calor (calentador PTC2 en el diagrama) que calienta el líquido en circulación, que luego fluye a través de la batería de potencia, calentando la batería. Este es el principio de la calefacción de la batería.
4. Escenarios y Características de Uso de la Precalefacción de la Batería
Los escenarios de uso principales para la precalefacción de la batería se concentran principalmente en las ciudades del norte durante el invierno. Los escenarios de uso principales incluyen tanto situaciones de descarga como de carga.
Cuando un vehículo ha estado estacionado en un entorno frío durante algún tiempo y luego se pone en marcha, la temperatura de la batería es baja, lo que afecta significativamente la experiencia de conducción y el rendimiento.
La eficiencia de la carga también se ve seriamente afectada al cargar en este punto. Por lo tanto, para las estrategias de inicio y parada de la precalefacción de la batería, es necesario realizar una calibración detallada de la temperatura para lograr una mejor usabilidad sin desperdiciar recursos, al tiempo que se satisfacen los escenarios de uso de los clientes.
Esto también pone a prueba las capacidades de integración y emparejamiento de un fabricante de automóviles.
El “efecto del barril” de la batería de potencia (el rendimiento y la confiabilidad del sistema de batería dependen de la celda individual más débil, y la seguridad del sistema depende de la celda individual más inestable) determina que solo los paquetes de baterías con una mejor consistencia de temperatura pueden ofrecer un rendimiento óptimo.
Es por eso que la mayoría de los diseños de paquetes de baterías utilizan enfriamiento por líquido en la actualidad.
Temperatura de una Cierta Celda – Curva de Corriente de Descarga Máxima
Como se muestra en el diagrama anterior, supongamos que la temperatura de la mayoría de las celdas es de 20 grados, mientras que la celda B, debido a un calentamiento más lento, solo está a 10 grados. En este caso, todo el paquete de baterías debe adaptarse a la celda B, y la corriente de descarga se ve obligada a disminuir de 140 A a 100 A, lo que resulta en una disminución del rendimiento en un tercio.
De hecho, existen muchos más detalles y puntos por explorar en lo que respecta a la tecnología de precalentamiento de baterías. Por ejemplo, la disipación de calor de las celdas cuadradas, el rango de temperatura de funcionamiento óptimo para diferentes materiales de celdas, la integración de la gestión térmica de la cabina y de la batería, la optimización de la estructura del paquete de baterías, entre otros.
Cada uno de estos temas merece una investigación en profundidad.
