Gestión térmica de la batería
slug: "battery/thermalmanagement" articleType: "Technology" category: "technology" status: "Published" language: "es" version: 11 title: "Gestión térmica de la batería" linkTitle: "Gestión térmica" description: "Cómo afectan la calefacción, la refrigeración y el preacondicionamiento de la batería a la carga, las prestaciones, la eficiencia y la durabilidad." translationStatus: "Translated" storageType: "Database" contentHash: "e86a94c116990b71af95ad30de8a7e9728e05fa516e13e82da4133a7ec0fa18b"
La temperatura de la batería afecta a la carga, la potencia de salida, el frenado regenerativo, la eficiencia y la durabilidad, porque las celdas no pueden aceptar ni entregar energía igual de bien a todas las temperaturas.
Por tanto, un sistema de gestión térmica de la batería (BTMS) calienta, enfría y uniformiza la temperatura del pack según la química, el estado de carga, la potencia necesaria y la estrategia de control del fabricante.
Por qué importa la temperatura de la batería
Las celdas son dispositivos electroquímicos. Su resistencia, velocidad de reacción, energía disponible y comportamiento de envejecimiento cambian con la temperatura.
El sistema de gestión térmica debe equilibrar varias prioridades:
- Proporcionar potencia suficiente para conducir
- Permitir una gran potencia de carga y frenado regenerativo
- Limitar las pérdidas eléctricas
- Mantener las celdas dentro de límites seguros
- Reducir la degradación a largo plazo
- Mantener temperaturas similares en todo el pack
- Utilizar la menor cantidad práctica de energía para calentar y refrigerar
Una batería puede encontrarse dentro de su intervalo seguro sin estar a la mejor temperatura para cada tarea.
No existe una única temperatura ideal. Una adecuada para circular eficientemente puede seguir siendo demasiado baja para alcanzar la potencia máxima de carga rápida, mientras que una batería preparada para carga de alta potencia puede estar más caliente de lo necesario para estacionar o almacenarse durante mucho tiempo. Audi, por ejemplo, describe un intervalo preferido de 30–35°C para la batería del e-tron GT bajo condiciones exigentes de funcionamiento y carga, pero no es un objetivo universal para todos los vehículos eléctricos. (Audi)
Qué ocurre cuando la batería está fría
Una temperatura baja ralentiza el movimiento de iones a través del electrolito y los materiales de los electrodos. Aumenta la resistencia interna, lo que provoca una mayor caída de tensión y más generación de calor para una corriente determinada.
El conductor puede notar:
- Menor aceleración
- Menor potencia pico y continua
- Frenado regenerativo restringido
- Carga en CC más lenta
- Menor energía disponible de inmediato
- Mayor consumo en trayectos cortos de invierno
Por sí solo, el frío no suele dañar una batería. El mayor riesgo aparece cuando se carga una celda fría con alta corriente.
En celdas convencionales de iones de litio con electrodos negativos basados en grafito, los iones pueden llegar a la superficie del electrodo más rápido de lo que pueden insertarse en el grafito. Entonces puede formarse litio metálico en la superficie mediante un proceso denominado deposición de litio.
La deposición puede:
- Consumir litio que, de otro modo, seguiría disponible para los ciclos
- Aumentar la pérdida de capacidad
- Elevar la resistencia interna
- Formar depósitos desiguales
- Aumentar los riesgos para la seguridad en casos graves
Por tanto, el BMS restringe la carga y el frenado regenerativo hasta que las celdas están suficientemente calientes para aceptar más corriente. La carga rápida sin deposición de litio sigue siendo uno de los principales retos de ingeniería con frío o altas tasas. (US Department of Energy)
Qué ocurre cuando la batería está caliente
Una batería más caliente presenta inicialmente menos resistencia y suele poder entregar o aceptar más potencia. Esto no significa que cuanto más caliente, mejor.
Una temperatura elevada acelera las reacciones no deseadas entre los electrodos y el electrolito. La exposición prolongada puede contribuir a:
- Envejecimiento natural más rápido
- Pérdida de litio activo
- Crecimiento de capas superficiales como la SEI
- Descomposición del electrolito
- Generación de gases
- Aumento de la resistencia interna
- Menor vida útil en ciclos
La temperatura y el estado de carga interactúan. Estacionar una batería durante mucho tiempo con una temperatura y un SOC elevados suele ser más exigente que calentarla brevemente antes de una sesión de carga.
Las temperaturas altas durante una carga extremadamente rápida también son difíciles de gestionar. Las investigaciones del Departamento de Energía de Estados Unidos identifican la generación de calor y temperaturas superiores a aproximadamente 45°C como obstáculos importantes para mantener la carga extremadamente rápida y la vida útil. El límite exacto sigue dependiendo de la química y el diseño. (US Department of Energy)
De dónde procede el calor de la batería
Una batería genera calor siempre que circula corriente.
Entre las fuentes se incluyen:
- Resistencia eléctrica dentro de las celdas
- Transporte de iones por el electrolito y los electrodos
- Reacciones electroquímicas
- Pestañas y colectores de corriente de las celdas
- Barras colectoras y conexiones eléctricas
- Contactores y uniones del pack
- Ineficiencia durante la carga y descarga
- Calor transferido desde la electrónica de potencia cercana
El calor resistivo aumenta aproximadamente con el cuadrado de la corriente:
Calor resistivo ∝ Corriente² × Resistencia
Por tanto, duplicar la corriente puede generar aproximadamente cuatro veces más calor resistivo si la resistencia no cambia.
Esto ayuda a explicar por qué las condiciones exigentes crean grandes cargas térmicas:
- Carga en CC de alta potencia
- Aceleraciones fuertes repetidas
- Conducción prolongada a alta velocidad
- Ascensos largos
- Remolque
- Uso en circuito
- Frenado regenerativo intenso
El calor no siempre se genera uniformemente. El centro de una celda grande puede estar más caliente que su superficie exterior, mientras que las celdas próximas a las salidas de refrigerante o a los bordes del pack pueden funcionar a temperaturas distintas de las demás. Las investigaciones de NREL han relacionado una temperatura no uniforme con diferencias locales del estado de carga, deposición de litio, crecimiento de la SEI y degradación. (US Department of Energy)
No existe una única temperatura ideal
La temperatura preferida depende de la tarea que el vehículo se prepara para realizar.
Conducción normal
Durante una conducción moderada, el sistema puede priorizar un bajo consumo auxiliar en lugar de calentar o refrigerar la batería hasta el objetivo de carga rápida.
Conducción de alta potencia
La aceleración repetida, el remolque, los ascensos o la conducción a alta velocidad pueden requerir refrigeración adicional para mantener la potencia disponible.
Carga rápida en CC
La batería suele necesitar estar más caliente que durante una conducción invernal normal. La resistencia de las celdas debe ser suficientemente baja para aceptar una corriente elevada sin un aumento excesivo de tensión ni deposición de litio.
Estacionamiento
El coche generalmente no mantiene la batería a su temperatura de carga rápida mientras está estacionado. Hacerlo desperdiciaría energía. El pack normalmente puede moverse dentro de un intervalo protector más amplio.
Almacenamiento prolongado
Una temperatura y un SOC elevados no son deseables para un almacenamiento prolongado, aunque una batería temporalmente caliente pueda cargar o entregar potencia con mayor eficacia.
Por tanto, la gestión térmica es un compromiso continuo entre prestaciones inmediatas, consumo de energía y envejecimiento.
Arquitecturas del sistema de gestión térmica
Los fabricantes emplean varios métodos para introducir y extraer calor de la batería.
Los principales son:
- Gestión térmica pasiva
- Refrigeración por aire
- Refrigeración líquida indirecta
- Refrigeración directa con refrigerante
- Sistemas integrados de refrigerante y bomba de calor
La mayoría de los vehículos modernos diseñados para alta potencia de carga utiliza refrigeración líquida activa, a menudo conectada al circuito de refrigerante del vehículo mediante un intercambiador o enfriador.
Gestión térmica pasiva
Una batería con gestión pasiva depende principalmente de la transferencia de calor a través de:
- Carcasas de las celdas
- Estructuras de los módulos
- Carcasa de la batería
- Bajos del vehículo
- Aire circundante
Este método tiene pocos componentes y consume poca energía.
Ventajas
- Bajo coste
- Poco peso
- Sin bombas ni líquido refrigerante
- Pocos puntos de mantenimiento
- Bajo consumo en reposo
Limitaciones
- Capacidad limitada para extraer calor
- Gran dependencia de la temperatura ambiente
- Calefacción y refrigeración lentas
- Dificultad para mantener una temperatura uniforme
- Escasa idoneidad para cargas repetidas de alta potencia
La gestión pasiva puede ser suficiente para un vehículo urbano de baja potencia, pero se vuelve cada vez más restrictiva al aumentar la velocidad de carga, el tamaño de la batería y la potencia sostenida.
Refrigeración por aire
Los sistemas refrigerados por aire mueven aire ambiente o del habitáculo a través o alrededor de la batería.
El flujo puede estar impulsado por ventiladores o por el movimiento del vehículo.
Ventajas
- Más sencilla que la refrigeración líquida
- Menor masa
- Sin circuito de refrigerante para la batería
- Menor riesgo de fugas de líquido
Limitaciones
- El aire transporta mucho menos calor que un líquido
- La refrigeración depende en gran medida de la temperatura del aire
- Los conductos ocupan espacio
- Puede ser difícil mantener una temperatura uniforme
- El ruido y el consumo de los ventiladores aumentan bajo una carga elevada
Una batería refrigerada por aire puede completar con éxito una sesión rápida, pero tener dificultades para extraer suficiente calor en cargas repetidas. Nissan documentó una disminución de la potencia desde la segunda sesión rápida en adelante al probar la batería del LEAF e+ con gestión por aire. (Nissan)
Refrigeración líquida indirecta
Es la arquitectura más habitual en los vehículos actuales de alta potencia.
Una mezcla de agua y glicol circula por:
- Placas bajo las celdas
- Canales junto a las filas de celdas
- Secciones extruidas dentro del piso del pack
- Placas en contacto con las caras anchas de las celdas
- Estructuras de refrigeración integradas en los módulos
Normalmente, el líquido no circula dentro de las celdas. El calor debe atravesar varias capas:
- Interior de la celda
- Envolvente de la celda
- Material de interfaz térmica
- Placa de refrigeración
- Refrigerante
El material de interfaz térmica puede ser una almohadilla, pasta, adhesivo, gel u otra capa conductora utilizada para rellenar pequeños huecos entre la celda o el módulo y la placa.
El Audi Q4 e-tron utiliza un circuito específico de baja temperatura con una mezcla de agua y glicol que circula por canales planos bajo los compartimentos de las celdas. Una pasta térmica conecta las celdas con la estructura de refrigeración, mientras que un calentador de alta tensión calienta el líquido con frío. (Audi)
Ventajas
- Gran capacidad de transferencia de calor
- Mejor uniformidad de temperatura que la refrigeración pasiva o por aire
- Calefacción y refrigeración eficaces mediante las mismas placas
- Adecuada para conducción y carga de alta potencia
- Puede conectarse a un radiador, enfriador o bomba de calor
Compromisos
- Añade líquido, bombas, válvulas, mangueras e intercambiadores
- Aumenta el peso y el coste
- Crea posibles puntos de fuga y mantenimiento
- Requiere sellado y control de corrosión cuidadosos
- Su rendimiento depende del contacto entre las celdas y las placas
Refrigeración mediante radiador
Cuando el aire ambiente está suficientemente frío, el refrigerante puede liberar calor a través de un radiador.
Suele ser el modo de refrigeración con mayor eficiencia energética, porque el sistema puede necesitar únicamente:
- Una bomba de refrigerante
- Flujo de aire a través del radiador
- Un ventilador cuando la velocidad del vehículo no basta
Un radiador no puede reducir la temperatura de la batería por debajo de la del aire ambiente. También puede resultar insuficiente con calor o durante una carga de alta potencia.
Refrigeración mediante enfriador de refrigerante
Cuando el radiador no puede extraer suficiente calor, el líquido puede pasar por un enfriador conectado al circuito de aire acondicionado.
El enfriador transfiere calor del líquido de la batería al refrigerante. El compresor eléctrico mueve después ese calor por el sistema y lo expulsa fuera del vehículo.
Una vía de calor simplificada es:
Celdas de la batería
↓
Placa de refrigeración
↓
Mezcla de agua y glicol
↓
Enfriador de refrigerante
↓
Refrigerante del aire acondicionado
↓
Condensador y aire exterior
Esto permite enfriar la batería por debajo de la temperatura ambiente o mantenerla bajo una carga térmica sostenida.
El Audi e-tron GT utiliza cuatro circuitos interconectados. Con una carga elevada de propulsión o carga, unas válvulas conectan el circuito de la batería con el del aire acondicionado para ofrecer una refrigeración más intensa. (Audi)
Refrigeración directa con refrigerante
Algunos diseños colocan canales de refrigerante o superficies de evaporador directamente contra la estructura de refrigeración, en lugar de utilizar primero un circuito separado de agua y glicol.
Esto puede reducir el número de etapas de transferencia de calor y proporcionar una refrigeración potente.
Entre los compromisos se incluyen:
- Distribución más difícil del refrigerante
- Mayor sensibilidad a la presión y el sellado
- Procedimientos de mantenimiento más complejos
- Riesgo de refrigeración desigual si el flujo no está bien controlado
- Integración más estrecha entre la batería y el sistema HVAC
La refrigeración líquida indirecta sigue siendo habitual porque separa el circuito de la batería del circuito de alta presión del refrigerante.
Gestión térmica integrada
Los sistemas térmicos modernos conectan cada vez más la batería, los motores, la electrónica de potencia, el hardware de carga y el habitáculo.
Según las condiciones, el calor puede:
- Extraerse de la batería
- Reutilizarse para calentar el habitáculo
- Transferirse desde el sistema de propulsión hasta la batería
- Expulsarse mediante un radiador
- Moverse por el circuito de refrigerante
- Extraerse del aire exterior mediante una bomba de calor
El Audi Q6 e-tron utiliza intercambiadores de refrigerante y líquido, mientras su control predictivo coordina la calefacción y la refrigeración de la batería. Nissan también describe un sistema integrado que reutiliza para la batería y el habitáculo el calor generado durante la conducción y la carga. (Audi)
Métodos de calefacción de la batería
Calentar una batería fría requiere energía. Los fabricantes difieren en cómo la suministran.
Calentador de refrigerante de alta tensión
Un calentador eléctrico específico puede calentar el líquido que circula por las placas de la batería.
Los calentadores con coeficiente de temperatura positivo, o PTC, se utilizan habitualmente porque su resistencia eléctrica aumenta a medida que se calientan, lo que ayuda a limitar un calentamiento excesivo.
Ventajas
- Funciona en casi todas las condiciones ambientales
- Proporciona una potencia previsible
- Puede calentar la batería sin conducir
- Resulta relativamente fácil de controlar
Compromisos
- La energía eléctrica se convierte directamente en calor
- Una potencia elevada puede reducir la autonomía disponible
- Añade hardware, peso y coste
Audi utiliza calentadores de alta tensión en varios sistemas térmicos, incluido el circuito del Q4 e-tron. (Audi)
Calefacción mediante bomba de calor
Una bomba de calor transfiere calor en vez de producirlo todo mediante resistencia eléctrica.
Entre las posibles fuentes se incluyen:
- Aire exterior
- Líquido del motor y el inversor
- Hardware de carga
- Aire de salida del habitáculo
- Circuito de refrigerante
Bajo condiciones adecuadas, una bomba puede transferir más energía térmica que la energía eléctrica consumida por su compresor.
Su rendimiento disminuye al aumentar la diferencia de temperatura. Por eso, muchos vehículos combinan una bomba de calor con calentadores de resistencia para calentar con rapidez o funcionar con frío extremo.
Recuperación de calor residual
Los motores, inversores, cargadores de a bordo y convertidores CC-CC generan calor al funcionar.
Un sistema integrado puede redirigir parte de ese calor hacia:
- La batería
- El habitáculo
- Otro circuito de refrigerante
La recuperación es útil durante la conducción y la carga, pero no siempre puede aportar suficiente calor después de un arranque en frío. Nissan describe la reutilización del calor del sistema de propulsión y la carga como parte de su estrategia integrada de acondicionamiento térmico. (Nissan)
Calor generado durante la conducción
La propia conducción calienta la batería porque el flujo de corriente genera calor.
Un pack frío puede recuperar gradualmente potencia de carga y frenado regenerativo después de:
- Conducción por autopista
- Ascensos
- Aceleración intensa
- Uso sostenido de potencia
Este calentamiento no es gratuito. El calor procede de energía perdida por resistencia y otras ineficiencias.
Algunos vehículos pueden crear deliberadamente una carga eléctrica adicional o modificar el funcionamiento del sistema de propulsión antes de cargar. Su uso e intensidad dependen de la arquitectura térmica del vehículo.
Colocación de la placa de refrigeración
La posición de la superficie de refrigeración influye en la eficacia con que el calor atraviesa la celda.
Entre las disposiciones habituales se incluyen:
- Refrigeración inferior
- Refrigeración lateral
- Refrigeración entre filas de celdas
- Refrigeración por las caras anchas
- Refrigeración por pestañas o terminales
- Refrigeración por ambos lados
Refrigeración inferior
Una placa bajo los módulos o las celdas resulta relativamente fácil de integrar en un pack plano. El calor debe desplazarse desde las zonas superiores de una celda alta hasta la placa.
Refrigeración lateral o por las caras anchas
Refrigerar las grandes caras de celdas prismáticas o de bolsa puede acortar el recorrido del calor, pero exige un contacto mecánico y una compresión uniformes.
Refrigeración entre filas de celdas
Los canales entre celdas cilíndricas ofrecen una gran superficie de contacto, pero ocupan espacio y crean numerosas vías repetidas de refrigerante.
Refrigeración por ambos lados
Refrigerar una celda grande desde ambos lados reduce la distancia que debe recorrer el calor y puede mejorar la uniformidad.
El Porsche Cayenne Electric utiliza placas por encima y por debajo de cada uno de sus seis módulos. Porsche afirma que pueden tanto calentar como refrigerar la batería, ayudando a las grandes celdas de bolsa a alcanzar su temperatura objetivo con mayor eficacia. ([Porsche Ne…136 tokens truncated…eldas grandes
- Módulos alejados de la entrada de refrigerante
- Celdas próximas a contactores y barras colectoras
- Módulos centrales densamente empaquetados
- Celdas con mal contacto con la placa
- Zonas expuestas al calor de la carretera o del escape
El sistema térmico, el BMS, el diseño de las placas, el formato de las celdas y la compresión del pack contribuyen a la uniformidad. Las investigaciones del DOE sobre celdas de carga extremadamente rápida identifican los gradientes internos como causa de degradación desigual y limitación para grandes celdas refrigeradas solo por un lado. (US Department of Energy)
Preacondicionamiento de la batería
El preacondicionamiento acerca el pack a la temperatura necesaria para una tarea prevista.
El término suele referirse a la preparación para carga rápida en CC, pero también puede incluir:
- Calentar antes de salir
- Refrigerar antes de cargar
- Preparar para una potencia elevada de propulsión
- Mantener una temperatura adecuada durante la carga en CA
El preacondicionamiento no siempre consiste en calentar. Una batería caliente puede necesitar refrigeración activa antes de llegar a un cargador rápido.
Preacondicionamiento para carga rápida
Cuando se selecciona un cargador rápido en el sistema de navegación, el vehículo puede estimar cuánta calefacción o refrigeración se necesita antes de llegar.
Entre los datos utilizados pueden incluirse:
- Temperatura actual de la batería
- Temperatura ambiente
- Distancia y tiempo de conducción
- SOC de llegada previsto
- Carga de conducción reciente
- Capacidad prevista del cargador
- Elevación y velocidad de la ruta
El sistema ajusta la calefacción o la refrigeración durante el viaje.
La gestión térmica del Audi e-tron GT puede intensificar la refrigeración aproximadamente media hora antes de llegar a un cargador de alta potencia previsto, o calentar el pack con frío.
El preacondicionamiento no garantiza la potencia pico. La carga sigue dependiendo de:
- SOC de llegada
- Tensión y corriente del cargador
- Tensión de las celdas
- Desequilibrio de las celdas
- Temperatura del pack
- Estado de la batería
- Curva de carga del vehículo
- Reparto de potencia en la estación
Preacondicionamiento manual
Algunos vehículos permiten iniciar manualmente la preparación de la batería.
Resulta útil cuando:
- Se utiliza un teléfono o planificador de rutas de terceros
- El cargador no está en la base de datos del vehículo
- Ha cambiado la parada prevista
- El conductor no utiliza guiado de ruta
- El vehículo ha seleccionado el tipo de cargador incorrecto
- Se espera cargar antes de lo previsto por la navegación
El preacondicionamiento manual puede seguir sujeto a restricciones:
- SOC mínimo
- Disponibilidad dependiente de la temperatura
- Tiempo máximo fijo de funcionamiento
- Desconexión automática
- Menor potencia de calefacción con SOC bajo
- Cancelación si el conductor cambia el modo de funcionamiento
Iniciarlo tampoco demuestra que la batería haya alcanzado su objetivo. Siguen importando el tiempo disponible y la capacidad de calefacción.
Preacondicionamiento antes de salir
Cuando el vehículo está conectado a la carga doméstica, un preacondicionamiento programado puede utilizar energía de la red para calentar el habitáculo y, en algunos modelos, la batería.
Esto puede reducir la energía almacenada que se utiliza inmediatamente después de salir.
No deben confundirse tres funciones:
- Preacondicionamiento del habitáculo
- Preacondicionamiento de la batería
- Carga programada para terminar cerca de la salida
Algunos vehículos realizan las tres. Otros solo calientan el habitáculo.
Terminar la carga poco antes de salir también puede ayudar, porque la carga genera calor en las celdas. Una batería que ha terminado de cargarse recientemente puede iniciar el viaje más caliente que otra que terminó muchas horas antes.
Un análisis del Departamento de Energía de Estados Unidos señala que el preacondicionamiento mientras el vehículo está conectado permite obtener energía directamente de la red y reducir las pérdidas de un arranque en frío en trayectos invernales cortos. (US Department of Energy)
Refrigeración antes de una carga rápida
Con calor o después de un uso exigente, la batería puede estar demasiado caliente en vez de demasiado fría.
Esto puede ocurrir después de:
- Conducción prolongada a alta velocidad
- Remolque
- Conducción de montaña
- Uso en circuito
- Una sesión rápida anterior
- Estacionamiento bajo un sol intenso
- Aceleraciones repetidas
El vehículo puede iniciar la refrigeración activa mucho antes de la parada. Un pack grande tiene una masa térmica considerable y no puede cambiar de temperatura instantáneamente.
Por tanto, el preacondicionamiento necesita suficiente tiempo de viaje para extraer calor del interior de las celdas, no simplemente enfriar las superficies medidas.
Por qué puede detenerse con un SOC bajo
Calentar y refrigerar la batería consume energía.
Con un SOC bajo, el fabricante debe equilibrar:
- Llegar al cargador
- Preparar la batería
- Conservar una reserva
- Evitar una descarga excesiva de las celdas
- Mantener la calefacción del habitáculo
El sistema puede reducir o detener el preacondicionamiento cuando el SOC cae por debajo de un umbral definido.
El umbral varía entre vehículos y puede cambiar con el software. El ejemplo anterior del Kia EV9 muestra una implementación y no debe interpretarse como una regla general del 12%.
Consumo de energía y autonomía
El preacondicionamiento consume energía. Cuando el vehículo no está enchufado, procede de la batería de tracción y reduce la cantidad disponible para la propulsión.
Sus principales ventajas son:
- Paradas de carga más cortas
- Más potencia de propulsión disponible
- Más frenado regenerativo
- Menor riesgo de daños por cargar con frío
- Prestaciones más previsibles
Una batería más caliente puede tener menor resistencia, pero esto no significa que el preacondicionamiento aumente siempre la autonomía total. La energía ahorrada mediante menores pérdidas puede ser inferior a la consumida para calentar.
En un viaje largo con una parada de carga rápida, gastar energía de la batería en preacondicionarla puede reducir considerablemente el tiempo total.
Cuando está enchufado, el preacondicionamiento alimentado por la red suele ofrecer el beneficio más claro para la autonomía, porque se consume menos energía almacenada antes de salir.
Carga rápida repetida y saturación térmica
La potencia pico solo describe una parte del rendimiento en carretera.
Después de una sesión, queda calor en:
- Interior de las celdas
- Estructuras de los módulos
- Placas de refrigeración
- Refrigerante
- Barras colectoras y terminales
- Carcasa de la batería
Este calor acumulado suele denominarse saturación térmica.
La siguiente parada puede comenzar con una batería más caliente aunque el cuadro de instrumentos no muestre ningún aviso. El sistema debe extraer calor durante el viaje y mantener una temperatura suficientemente uniforme antes de volver a cargar.
Un buen sistema para larga distancia necesita:
- Preparar la batería antes de la primera parada
- Extraer calor durante la carga
- Continuar refrigerando después de salir
- Evitar un aumento excesivo de temperatura en la siguiente parada
- Mantener una potencia repetible
- Limitar el consumo innecesario del compresor y los ventiladores
El Audi e-tron GT utiliza circuitos interconectados de líquido y refrigerante para admitir repetidamente una alta potencia de salida y carga. Su estrategia térmica basada en la ruta puede calentar o enfriar la batería antes de la parada. (Audi)
Por tanto, dos vehículos con la misma potencia pico anunciada pueden rendir de forma distinta a lo largo de varias sesiones.
Prestaciones sostenidas
La gestión térmica también determina durante cuánto tiempo puede mantener el vehículo una gran potencia de propulsión.
Una batería puede admitir una potencia muy alta durante varios segundos, pero necesitar una potencia continua menor debido a:
- Generación de calor en las celdas
- Temperatura del inversor o el motor
- Temperatura del refrigerante
- Capacidad del radiador
- Capacidad del circuito de refrigerante
- Condiciones ambientales
Esto importa durante:
- Conducción por Autobahn
- Remolque
- Largos ascensos de montaña
- Conducción en circuito
- Aceleraciones repetidas
Un motor potente no garantiza prestaciones repetibles si la batería y el sistema térmico no pueden mantenerlas.
Gestión térmica durante el estacionamiento
La batería puede seguir calentándose o refrigerándose después de:
- Una carga rápida
- Una conducción exigente
- Estacionar con calor extremo
- Conectarse a carga en CA
- Completar un trayecto programado
Los conductores pueden oír:
- Bombas de refrigerante
- Ventiladores
- Válvulas
- Compresor del aire acondicionado
- Calentadores eléctricos
Esto puede ser normal incluso después de cerrar el coche.
El vehículo normalmente no mantiene indefinidamente la temperatura ideal para carga rápida. Permite una ventana más amplia durante el estacionamiento e interviene cuando es necesario para proteger, cargar o preparar una salida.
Las estrategias varían. Algunos coches acondicionan activamente la batería solo mientras están enchufados; otros pueden utilizar energía de tracción cuando las temperaturas se aproximan a límites protectores.
Comportamiento térmico específico de la química
La necesidad de gestión térmica depende en parte de la química, pero el diseño completo del vehículo sigue siendo decisivo.
Iones de litio ricos en níquel
Las celdas NMC, NCA y NCMA pueden ofrecer alta densidad energética y potencia.
Sus prestaciones dependen de controlar cuidadosamente:
- Temperatura alta
- Tensión elevada de las celdas
- Corriente de carga
- Uniformidad de la refrigeración
- Tiempo con SOC alto
Las celdas ricas en níquel se utilizan ampliamente en vehículos que necesitan mucha autonomía y potencia, pero plantean grandes exigencias de refrigeración y control.
Litio-ferrofosfato
LFP ofrece gran estabilidad térmica y larga vida útil en ciclos.
Su principal limitación térmica es el funcionamiento con frío. Las celdas LFP frías pueden presentar:
- Mayor restricción de carga
- Menor frenado regenerativo
- Menor potencia
- Estimación del SOC más difícil
- Mayor dependencia de la calefacción activa
Una batería LFP bien calentada puede ofrecer buen rendimiento de carga en invierno. La química por sí sola no determina el resultado.
Iones de sodio
Algunos diseños de iones de sodio se desarrollan específicamente para funcionar en un amplio intervalo de temperaturas.
CATL afirma que su celda Naxtra de iones de sodio para turismos conserva el 90% de la potencia utilizable a −40°C. Es una especificación del fabricante para ese producto concreto, no una propiedad universal de todas las celdas de iones de sodio. (CATL)
Los packs de iones de sodio siguen necesitando gestión térmica porque:
- La carga genera calor
- El envejecimiento sigue dependiendo de la temperatura
- La uniformidad de temperatura importa
- Los límites de potencia y carga siguen cambiando con la temperatura
- El habitáculo y el sistema de propulsión comparten recursos térmicos
Gestión térmica y envejecimiento
La gestión térmica afecta tanto al envejecimiento por ciclos como al natural.
Un buen sistema limita:
- Periodos largos a una temperatura excesiva
- Carga rápida cuando las celdas están demasiado frías
- Grandes diferencias de temperatura entre celdas
- Uso repetido de alta potencia sin refrigeración suficiente
- Puntos calientes locales
- Exposición prolongada a temperatura y SOC altos
El objetivo no es mantener la batería a una sola temperatura en todo momento. Esto consumiría demasiada energía.
En su lugar, el sistema utiliza distintos objetivos para:
- Conducción
- Carga rápida
- Estacionamiento
- Carga en CA
- Alta potencia
- Protección de la batería
Un vehículo con una refrigeración potente puede permitir deliberadamente que las celdas se calienten durante la carga rápida y extraer después ese calor. Un calentamiento breve y controlado es distinto de una exposición prolongada.
La refrigeración normal no protege contra la fuga térmica
La gestión térmica normal extrae el calor generado durante la carga y conducción ordinarias.
La fuga térmica es una condición diferente. Consiste en reacciones internas autoaceleradas que pueden liberar calor más rápido de lo que el sistema normal puede extraerlo.
Si comienza dentro de una celda, abrir los contactores y activar las bombas puede no detener la reacción. La energía ya está almacenada químicamente dentro de la celda.
La protección también depende de:
- Química de las celdas
- Calidad de fabricación
- Separación entre celdas
- Barreras térmicas
- Dirección de venteo
- Vías de gestión de gases
- Alivio de presión del pack
- Detección de fallos
- Protección contra impactos
- Prevención de propagación a celdas vecinas
La gestión térmica ayuda a evitar condiciones abusivas durante el uso normal, pero no sustituye a una protección específica contra la propagación. NREL considera el control térmico ordinario y la contención del abuso térmico como problemas de ingeniería relacionados, pero separados. (NREL)
Compromisos del sistema térmico
Un sistema más capaz no es gratuito.
Añade:
- Peso
- Coste
- Refrigerante
- Bombas
- Válvulas
- Intercambiadores de calor
- Componentes de refrigerante
- Sensores
- Complejidad del software
- Consumo eléctrico
- Puntos de mantenimiento y fuga
Un gran enfriador y compresor pueden permitir cargas repetidas de alta potencia, pero ocupan más espacio y consumen más energía.
Un sistema más sencillo puede ser completamente adecuado para un vehículo urbano económico que rara vez carga rápidamente. El mismo sistema podría resultar insuficiente en uno de larga autonomía destinado a cargas repetidas, remolque o conducción prolongada a alta velocidad.
Por tanto, las tecnologías de gestión térmica implican compromisos entre prestaciones, coste, eficiencia, empaquetado y durabilidad. Las hojas de ruta del DOE también identifican el peso, el coste y la complejidad añadidos como limitaciones fundamentales. (US Department of Energy)
Qué deben comparar los compradores
Los fabricantes rara vez publican suficiente detalle técnico para comparar directamente el hardware de refrigeración. El comportamiento real ofrece mejores pruebas.
Entre las preguntas útiles se incluyen:
- ¿Preacondiciona el coche automáticamente al navegar hacia un cargador?
- ¿Puede iniciarse también manualmente?
- ¿Una salida programada calienta la batería o solo el habitáculo?
- ¿Cuánto tiempo necesita la batería para prepararse en invierno?
- ¿Con qué SOC se detiene el preacondicionamiento?
- ¿Puede mantener la velocidad de carga en paradas repetidas?
- ¿Cómo rinde la carga con calor?
- ¿Se restringe mucho el frenado regenerativo con frío o al estar lleno?
- ¿Mantiene la potencia de propulsión durante el remolque o la conducción prolongada a alta velocidad?
- ¿Puede mostrarse al conductor la temperatura de la batería?
- ¿Continúa el vehículo refrigerando después de cargar?
- ¿La bomba de calor es de serie, opcional o no está disponible?
La potencia pico dice poco por sí sola sobre el rendimiento térmico. La medida más útil es si el vehículo puede llegar al cargador con la batería preparada, mantener una curva potente y repetir el resultado durante todo el viaje.
Para conocer comportamientos relacionados, consulte Carga de la batería y rendimiento de carga, Degradación de la batería y Seguridad de las baterías de vehículos eléctricos y gestión de fallos.
Fuentes
- Batería y gestión térmica del Audi e-tron GT
- Departamento de Energía de Estados Unidos — Evaluación tecnológica de la carga extremadamente rápida
- Departamento de Energía de Estados Unidos — Generación de calor durante la carga extremadamente rápida
- Nissan Technical Review 2022
- Gestión térmica de la batería del Audi Q4 e-tron
- Batería y carga del Audi Q6 e-tron
- Acondicionamiento térmico de vehículos eléctricos Nissan
- Sistema de alta tensión del Porsche Cayenne Electric
- Departamento de Energía de Estados Unidos — Estudio del rendimiento de vehículos eléctricos con frío
- Batería Naxtra y arquitectura de doble potencia de CATL
- NREL — Estudio de integración de celda a pack
- Departamento de Energía de Estados Unidos — Hoja de ruta del almacenamiento electroquímico de energía