Debate sobre la tecnología de gestión térmica de baterías para vehículos de nueva energía
Las baterías de energía son la principal fuente de energía para los vehículos de nueva energía. Las baterías generan mucho calor durante el funcionamiento del vehículo y, a medida que pasa el tiempo, el calor se acumula en un espacio relativamente pequeño. Debido a la densa acumulación de celdas en el paquete de baterías, también es más difícil disipar el calor en el área media hasta cierto punto, lo que agrava la inconsistencia de temperatura entre las celdas. Como resultado, la eficiencia de carga y descarga de la batería se reducirá, lo que afectará la potencia de la batería. En casos graves, también provocará una fuga térmica, lo que afectará la seguridad y la vida útil del sistema. Especialmente en términos de gestión de la temperatura, la fuga térmica de la batería puede provocar incendios y degradación del rendimiento. Por lo tanto, la investigación sobre la tecnología de gestión térmica de las baterías de los vehículos de nueva energía es de gran importancia para el desarrollo de los vehículos de nueva energía.
1. Componentes básicos del sistema de gestión térmica del vehículo
El sistema de gestión térmica de los vehículos de nueva energía incluye cuatro partes: sistema de batería, sistema de motor, sistema de aire acondicionado y otros componentes. En comparación con la gestión térmica de los vehículos de combustible tradicional, el sistema de gestión térmica de los vehículos de nueva energía es más complejo. El sistema de batería es un componente vital de los vehículos de nueva energía. Los ingenieros deben comenzar con la gestión térmica del sistema de batería para diseñar un buen sistema de gestión térmica para todo el vehículo.
Desde el nacimiento de los vehículos de nueva energía, los expertos y académicos de las industrias relacionadas han llevado a cabo una gran cantidad de investigaciones sobre la disipación de calor de sus baterías y han logrado muchos resultados. El método de refrigeración convencional de la gestión térmica de las baterías ha cambiado del enfriamiento por aire al enfriamiento por líquido, el enfriamiento por material de cambio de fase y el enfriamiento por tubo de calor. A continuación, se analizan las tecnologías de refrigeración, como el enfriamiento por aire, el enfriamiento por líquido, el enfriamiento por material de cambio de fase y el enfriamiento por tubo de calor.
2.1 Refrigeración por aire
El enfriamiento por aire es un método de disipación de calor que utiliza el aire como medio y aprovecha la convección de calor en el aire para permitir que la batería intercambie calor directamente con el aire, reduciendo así la temperatura de la batería. El enfriamiento por aire se puede dividir en enfriamiento natural y enfriamiento forzado según se utilice un ventilador. El enfriamiento por aire natural se utiliza sin ventilador; el enfriamiento por aire forzado se utiliza con ventilador. Una gran cantidad de estudios han demostrado que el efecto de disipación de calor del enfriamiento por aire forzado es mucho mayor que el del enfriamiento por aire natural.
El enfriamiento por aire también se puede dividir en enfriamiento en serie y enfriamiento en paralelo según diferentes estructuras de disipación de calor. En el método de enfriamiento en serie, el flujo de aire fluye hacia adentro desde un lado y fluye hacia afuera desde el otro lado. Este método provocará un enfriamiento deficiente de las baterías lejos del canal de flujo de entrada de aire, una disipación de calor desigual de las baterías y grandes diferencias de temperatura en las baterías; en el método de enfriamiento en paralelo, el flujo de aire generalmente ingresa desde abajo y fluye hacia afuera desde arriba. Como se puede ver en la figura, el flujo de aire de enfriamiento puede fluir básicamente a través de la superficie de cada batería, por lo que la diferencia de temperatura entre cada batería será menor que la del enfriamiento en serie, pero también trae el problema de la distribución desigual del calor.
2.2 Refrigeración líquida
La tecnología de refrigeración líquida de baterías de energía es una de las tecnologías de gestión térmica. Esta tecnología generalmente utiliza un refrigerante con un alto coeficiente de transferencia de calor para permitir que la batería intercambie calor con el refrigerante, reduciendo así la temperatura de la batería.
Se comparó y analizó el rendimiento de disipación de calor de los paquetes de baterías refrigerados por aire y refrigerados por líquido. Los resultados muestran que la temperatura máxima del paquete de baterías es menor y la consistencia de la temperatura es mejor en el sistema de refrigeración por líquido. La refrigeración por líquido es un método de disipación de calor extremadamente eficaz y su coeficiente de transferencia de calor es mayor que el de la refrigeración por aire. El sistema de refrigeración por líquido de los vehículos eléctricos se puede dividir en contacto directo y contacto indirecto según la forma de contacto entre el líquido aislante y la batería. La forma de sumergir la celda o el módulo de la batería en el líquido para el intercambio de calor es la forma de contacto directo; además, se puede establecer un canal de enfriamiento entre los módulos de la batería o se puede utilizar una placa de enfriamiento en la parte inferior de la batería. El calor de la batería de potencia se transfiere al refrigerante a través de la placa de enfriamiento. Esta forma de refrigeración por líquido es el contacto indirecto. Estas dos formas tienen altos requisitos para la hermeticidad del sistema de refrigeración por líquido. Además, los requisitos de resistencia mecánica son altos y se deben garantizar la resistencia a las vibraciones y los requisitos de vida útil del sistema de refrigeración.
El sistema de refrigeración líquida del vehículo eléctrico se compone principalmente de refrigerante, placa de refrigeración, bomba de agua electrónica, sensor de temperatura, radiador, etc. El compresor, como fuente de energía de refrigeración, determina la capacidad de intercambio de calor de todo el sistema. El enfriador (dispositivo de refrigeración) desempeña la función de intercambiar refrigerante y refrigerante, y la cantidad de intercambio de calor determina directamente la temperatura del refrigerante. La bomba de agua determina el caudal del refrigerante en la tubería. Cuanto más rápido sea el caudal, mejor será el rendimiento del intercambio de calor y viceversa.
2.3 Enfriamiento de material por cambio de fase
La tecnología de disipación de calor del material de cambio de fase (PCM) utiliza el principio de que los materiales de cambio de fase absorben calor cuando experimentan un cambio de fase. El material de cambio de fase se coloca alrededor del paquete de baterías y alcanza la temperatura de cambio de fase en determinadas condiciones. El material de cambio de fase experimenta un cambio de fase y absorbe el calor generado cuando la batería está funcionando, evitando así de forma eficaz el proceso de sobrecalentamiento del módulo de la batería. Debido a que el proceso de cambio de fase es un proceso de temperatura constante, la temperatura de la batería se puede mantener bien cerca de la temperatura de cambio de fase del material de cambio de fase, lo que evita que la temperatura de la batería siga aumentando. Sin embargo, el uso de refrigeración por material de cambio de fase requiere atención a los problemas de sellado y aumentará el volumen del paquete de baterías y reducirá la densidad de energía. Además, la función de conservación del calor solo se puede mantener dentro de un tiempo de estacionamiento limitado. El precalentamiento de la batería a largo plazo todavía depende de la fuente de calor incorporada, y la conservación del calor generalmente requiere una conductividad térmica menor, lo que puede causar problemas con la distribución desigual de la temperatura.
2.4 Refrigeración por tubo de calor
El enfriamiento por tubo de calor consiste en dividir el tubo de calor en una sección de evaporación, una sección de transferencia de calor y una sección de condensación. Su principio principal de disipación de calor es eliminar el calor del paquete de baterías a través de la sección de evaporación del tubo de calor que absorbe el calor. El calor en la sección de evaporación se transfiere a la sección de condensación a través de la sección media del tubo de calor debido a la diferencia de presión formada, logrando así una gestión térmica eficaz del paquete de baterías. Con respecto a la investigación sobre el enfriamiento por tubo de calor, se compararon los efectos de enfriamiento de tres métodos de enfriamiento de baterías eléctricas, a saber, aire, líquido y enfriamiento por tubo de calor. Los resultados muestran que el enfriamiento por tubo de calor tiene el mejor efecto de enfriamiento en los paquetes de baterías.
