Una solución inmersiva para baterías de vehículos eléctricos térmicamente más seguras

El trabajo de investigación y desarrollo para resolver un problema de ruido excesivo creado por el cargador rápido de la batería de un EV ha llevado a avances en la gestión térmica, la disipación de calor y la reducción de los riesgos de incendio. D2H Advanced Technologies, una empresa de ingeniería especializada con sede en el Reino Unido, descubrió que el ruido se producía durante los ciclos de carga rápida del vehículo. Fue causado por los requisitos de alta potencia de bombeo para el refrigerante, esencial para disipar el calor de la batería. Con su cliente OEM satisfecho, D2H cambió su enfoque de investigación directamente a las demandas térmicas de las baterías de iones de litio de producción en serie.

En las baterías de vehículos eléctricos, la acumulación de calor puede provocar una degradación acelerada o incluso una fuga térmica. Ese problema puede ocurrir a medida que una mayor autonomía y una carga más rápida se vuelvan esenciales para persuadir al público de que la electricidad, y no el gas o el diésel, es la futura fuente de energía para el transporte personal. D2H, cuyos clientes incluyen McLaren, Chevrolet Racing y Fórmula E, está trabajando con Croda, una empresa de productos químicos especializados, para abordar estos desafíos.

El trabajo de investigación de D2H sobre el problema del ruido de los vehículos eléctricos comenzó en 2019 cuando un fabricante de automóviles se puso en contacto con la empresa para solicitar una causa definitiva del problema. Se construyó un módulo de batería de 32 celdas para pruebas físicas y se sometió a una variedad de posibles soluciones de enfriamiento, incluidas técnicas de inmersión y de placa fría. Los resultados se correlacionaron mediante técnicas de dinámica de fluidos física y computacional (CFD).

Un beneficio extra vital

Se identificó como la respuesta el uso de un fluido dieléctrico Croda dentro de un sistema de inmersión, que requería una potencia de bombeo reducida, especialmente en situaciones de carga rápida. “Toda la batería está sumergida en un refrigerante eléctricamente no conductor”, explicó Chris Hebert, director de ingeniería de D2H. "Esto brinda beneficios significativos a través de temperaturas máximas más bajas en las celdas, lo que permite tasas C más altas [velocidad a la que se carga/recarga la batería] y gradientes de temperatura reducidos dentro de cada celda, lo que lleva a una vida útil más prolongada".

Pero eso presenta un desafío porque niega el uso de agua y glicol, con su alta capacidad de calor específico. Los fluidos dieléctricos pueden tener dificultades para alcanzar la mitad, explicó Hebert, lo que da como resultado mayores gradientes de temperatura en la batería desde la entrada hasta la salida. Sin embargo, con una cuidadosa atención a los componentes internos de la batería y las rutas de flujo del refrigerante, combinado con Croda desarrollando un fluido de baja densidad y baja viscosidad, "hemos podido mitigar esto mientras mantenemos una baja potencia de la bomba", dijo Hebert.

D2H descubrió que la transferencia de calor a través del paquete era mucho más eficiente utilizando el método de inmersión con fluido Croda. “Confirmamos que tiene el potencial de aliviar el desafío de la gestión térmica”, señaló Hebert. "Un beneficio extra vital es el alto punto de inflamación de los fluidos dieléctricos de baja viscosidad, lo que lleva a la posibilidad de una mayor reducción del riesgo de incendio".

La investigación de D2H sobre el calor generado por los ciclos de carga rápida se refiere tanto al rendimiento como a la longevidad de la batería. El papel de Croda en el trabajo se considera esencial, introduciendo un fluido inmersivo "novedoso". “Dados los beneficios del enfriamiento por inmersión, el desarrollo continuará”, dijo Hebert. “Los riesgos de incendio se reducen a medida que la batería se enfría. Esa inmersión reduce la posibilidad de ignición. Y el calor es la principal causa del envejecimiento de la batería y la disminución del rendimiento”.

Caminos dentro del paquete

Un informe de investigadores de la Universidad de California, Riverside, citado por Hebert, encontró que las altas temperaturas y la resistencia de tales ciclos dañan potencialmente las baterías, lo que resulta en un desgaste acelerado y, en circunstancias extremas, riesgo de incendio. Los investigadores encontraron que después de 40 cargas rápidas, las baterías tenían alrededor del 60 % de su capacidad original.

En general, se considera que para las aplicaciones automotrices, las baterías de iones de litio deben reemplazarse una vez que la capacidad cae por debajo del 80%, un nivel que se alcanzó después de solo 25 ciclos de carga rápida. El informe indicó que en este punto, existe un mayor riesgo de que los electrodos y electrolitos estén expuestos al aire, lo que aumenta el riesgo de incendio o explosión, especialmente a temperaturas de 60 °C y superiores.

A pesar de los cortos plazos involucrados, D2H no solo consideró el rendimiento de enfriamiento absoluto. La credibilidad de cada EV depende tanto del éxito del embalaje como del rendimiento y el tiempo de recarga. Hebert señaló que el enfriamiento por inmersión puede tener un beneficio adicional:"Los diseños de inmersión prescinden de la placa de enfriamiento y, por lo tanto, son más compactos, lo que puede crear la oportunidad de dedicar más espacio a las celdas reales".

Si bien la inmersión parece una opción más pesada, la investigación de D2H sugiere que el diseño cuidadoso de las vías dentro del paquete de baterías debería permitir tamaños de galería reducidos sin impedir el flujo, lo que resulta en una reducción del volumen y el peso del refrigerante.

“Mejorar la gestión térmica, especialmente la disipación de calor durante los ciclos de carga rápida, tiene el potencial de permitir una mayor densidad de energía, rango y vida útil en iteraciones futuras, junto con la reducción de los riesgos de incendio”, afirmó Hebert. "Se requiere una mayor investigación en esta área y nuestro trabajo experimental junto con Croda está en curso".

Este artículo fue escrito por Stuart Birch, editor europeo, SAE Ingeniería automotriz. Para obtener más información sobre D2H, visite aquí .