Avance en gestión térmica reduce ruido y riesgo de incendio en cargadores rápidos de VE

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

En baterías de VE, la acumulación de calor puede llevar a degradación acelerada o incluso a fuga térmica. Ese problema puede ocurrir a medida que mayor autonomía y carga más rápida se vuelven esenciales para convencer al público de que la electricidad, no la gasolina o diésel, es la fuente de energía del futuro para el transporte personal. D2H —cuyos clientes incluyen McLaren, Chevrolet Racing y Fórmula E— está trabajando con Croda, una empresa de químicos especializados, para abordar estos desafíos.

El trabajo de investigación de D2H sobre el problema de ruido del VE comenzó en 2019 cuando un fabricante de automóviles contactó a la empresa pidiendo una causa definitiva al problema. Se construyó un módulo de batería de 32 celdas para pruebas físicas y se sometió a una variedad de soluciones de refrigeración potenciales, incluyendo técnicas de inmersión y placa fría. Los resultados se correlacionaron mediante técnicas físicas y de dinámica de fluidos computacional (CFD).

Un beneficio vital adicional

El uso de un fluido dieléctrico de Croda dentro de un sistema de inmersión fue identificado como la respuesta, requiriendo potencia de bombeo reducida, especialmente en situaciones de carga rápida. «Toda la batería se sumerge en un refrigerante eléctricamente no conductor», explicó Chris Hebert, director de ingeniería de D2H. «Esto aporta beneficios significativos a través de temperaturas pico de celda más bajas, permitiendo C-rates [tasa a la que la batería se carga/recarga] más altos y gradientes de temperatura reducidos dentro de cada celda, llevando a una vida más larga del paquete.»

Pero eso presenta un desafío porque niega el uso de agua-glicol, con su alta capacidad calorífica específica. Los fluidos dieléctricos pueden tener dificultades para alcanzar la mitad de eso, explicó Hebert, resultando en gradientes de temperatura más grandes a través de la batería de entrada a salida. Sin embargo, con cuidadosa atención a los internos de la batería y los caminos de flujo de refrigerante —combinado con Croda desarrollando un fluido de baja viscosidad y baja densidad— «hemos podido mitigar esto mientras mantenemos baja la potencia de bomba», dijo Hebert.

D2H encontró que la transferencia de calor a través del paquete era mucho más eficiente usando el método de inmersión con fluido Croda. «Confirmamos que tiene el potencial de aliviar el desafío de gestión térmica», señaló Hebert. «Un beneficio vital adicional es el alto punto de inflamación de fluidos dieléctricos de baja viscosidad, llevando a la posibilidad de una reducción adicional en el riesgo de incendio.»

La investigación de D2H sobre el calor generado por ciclos de carga rápida concierne tanto al rendimiento como a la longevidad de la batería. El papel de Croda en el trabajo se considera esencial, introduciendo un fluido de inmersión «novedoso». «Dado los beneficios de la refrigeración por inmersión, el desarrollo continuará», dijo Hebert. «Los riesgos de incendio se reducen a medida que la batería funciona más fría. Esa inmersión reduce la posibilidad de ignición. Y el calor es la causa principal del envejecimiento de la batería y la caída de 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 potencialmente dañan las baterías, resultando en 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.

Generalmente se considera que para aplicaciones automotrices, las baterías de iones de litio requieren reemplazo 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 afirmó que en este punto, hay un mayor riesgo de que electrodos y electrolitos queden expuestos al aire, aumentando 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 refrigeración absoluto. La credibilidad de cada VE depende del empaquetado exitoso tanto como del rendimiento y tiempo de recarga. Hebert señaló que la refrigeración por inmersión puede tener un beneficio adicional: «Los diseños de inmersión prescinden de la placa de refrigeración y son por lo tanto más compactos, lo que puede crear la oportunidad de dedicar más espacio a las celdas reales.»

Aunque la inmersión a primera vista parece una opción más pesada, la investigación de D2H sugiere que el diseño cuidadoso de los caminos dentro del paquete de batería debería permitir tamaños de galería reducidos sin impedir el flujo, resultando en volumen y peso de refrigerante reducidos.

«Mejorar la gestión térmica, especialmente la disipación de calor durante ciclos de carga rápida, tiene el potencial de permitir mayor densidad de potencia, autonomía y vida en futuras iteraciones —junto con riesgos de incendio reducidos», afirmó Hebert. «Se requiere investigación extendida en esta área y nuestro trabajo experimental junto con Croda está en curso.»

Este artículo fue escrito por Stuart Birch, Editor Europeo, SAE Automotive Engineering. Para más información sobre D2H, visite aquí .