Gestión térmica de la batería de vehículos eléctricos: cuatro tecnologías de refrigeración explicadas
¿Cómo se "enfrían" las baterías de los vehículos eléctricos? Cuatro tecnologías clave de gestión térmica
Con la rápida evolución de los vehículos de nuevas energías, la batería de tracción no es sólo el “corazón” de un vehículo eléctrico sino también un factor decisivo para el rendimiento, la seguridad y la vida útil.
Las baterías de iones de litio, ampliamente adoptadas por su alta densidad de energía y su largo ciclo de vida, funcionan de manera muy similar a un sistema biológico de precisión: el control estable de la temperatura es esencial para un funcionamiento seguro y eficiente.
1. ¿Por qué las baterías requieren control térmico?
El doble desafío del sobrecalentamiento y el sobreenfriamiento
La generación de calor es inevitable durante la carga y descarga de la batería. Para los paquetes de baterías de vehículos eléctricos de alta capacidad y alta densidad de energía, la acumulación de calor y la falta de uniformidad de la temperatura se convierten en desafíos de ingeniería críticos.
Riesgos de alta temperatura
- Los sistemas electroquímicos de baterías son inherentemente sensibles al calor.
- Por cada aumento de 10 °C, el envejecimiento de la batería normalmente se acelera ~2 veces.
- Los estudios demuestran que las células Sony 18650 sometidas a ciclos a 50 °C pueden perder hasta un 60 % de su capacidad después de 500 ciclos
- El calor excesivo acelera la degradación activa del material, aumenta la resistencia interna y puede provocar una fuga térmica.
Limitaciones de baja temperatura
- La actividad iónica reducida limita la potencia de carga/descarga
- La capacidad y la autonomía disminuyen drásticamente
- La experiencia del usuario y la capacidad de carga rápida están comprometidas
Objetivo de gestión térmica
Mantenga el funcionamiento de la batería dentro de un margen óptimo de 25 a 40 °C, lo que garantiza una disipación de calor eficiente a altas temperaturas y un calentamiento eficaz en ambientes fríos.
Este artículo se centra específicamente entecnologías de enfriamiento de baterías.
2. Tecnologías convencionales de refrigeración de baterías
Cuatro vías comprobadas de gestión térmica
Los sistemas de baterías de vehículos eléctricos modernos suelen depender de cuatro enfoques de refrigeración maduros, que en conjunto forman la base de la seguridad y el rendimiento de la batería.
2.1 Sistema de refrigeración por aire (AC): convección forzada o natural
Principio de funcionamiento
El calor se disipa a través del flujo de aire, ya sea a través de:
- Convección natural generada por el movimiento del vehículo.
- Convección forzada mediante ventiladores.
Perspectiva de ingeniería
La refrigeración por aire ofrece una arquitectura sencilla y de bajo coste, lo que la hace adecuada para las primeras plataformas de vehículos eléctricos. Sin embargo, debido a la baja conductividad térmica y la baja capacidad calorífica del aire, su capacidad de refrigeración es fundamentalmente limitada.
- A medida que aumentan la densidad de energía de la batería y las demandas de carga rápida, la refrigeración por aire tiene dificultades para:
- Controle el aumento de temperatura durante el funcionamiento sostenido de alta potencia
- Mantener una distribución uniforme de la temperatura en todo el paquete.
Aplicaciones típicas
Vehículos eléctricos de baja potencia, microvehículos y plataformas sensibles a los costos con cargas térmicas modestas.
2.2 Sistema de refrigeración líquida (LC): el estándar de la industria
Principio de funcionamiento
Una bomba hace circular refrigerante (normalmente una mezcla de agua y glicol) a través de placas frías de microcanales integradas en los módulos de batería. El calor se transfiere a un radiador frontal para su disipación.
Perspectiva de ingeniería
Con una conductividad térmica y una capacidad calorífica de órdenes de magnitud superiores a las del aire, la refrigeración líquida permite:
- Control preciso de la temperatura
- Excelente uniformidad térmica
- Soporte para carga rápida y salida de alta potencia
La refrigeración líquida se ha convertido en la solución predeterminada para los vehículos eléctricos de gama media y alta.
Desafíos de ingeniería
- Mayor complejidad del sistema (bombas, válvulas, tuberías)
- Peso añadido
- Requisitos estrictos para la confiabilidad del sellado, la resistencia a la corrosión y la durabilidad a largo plazo.
2.3 Enfriamiento por tubería de calor (HP): gestión de puntos calientes locales
Principio de funcionamiento
Los tubos de calor utilizan un fluido de trabajo sellado (p. ej., agua o acetona) que se somete a ciclos rápidos de evaporación-condensación para transferir calor de manera eficiente con una diferencia de temperatura mínima.
Perspectiva de ingeniería
Los heatpipes exhiben una conductividad térmica axial extremadamente alta, a menudo equivalente a miles de veces la del cobre sólido.
En los sistemas de baterías de vehículos eléctricos, los heatpipes rara vez se utilizan como soluciones de refrigeración independientes. En cambio, actúan como:
- Autopistas térmicas
- Mejoradores de ecualización de temperatura
Normalmente se integran en placas de refrigeración líquida o interfaces de módulos para:
- Extraiga calor de puntos críticos localizados
- Mejorar la consistencia general de la temperatura
- Mitigar el efecto de “célula más débil”
2.4 Enfriamiento del material por cambio de fase (PCM)
Principio de funcionamiento
El PCM absorbe o libera grandes cantidades de calor latente durante las transiciones de fase sólido-líquido, estabilizando la temperatura alrededor de su punto de cambio de fase.
Perspectiva de ingeniería
Ventajas clave:
- Operación totalmente pasiva
- Consumo energético cero
- Excelentes características de amortiguación térmica
Limitaciones:
- Conductividad térmica intrínsecamente baja
- Transferencia de calor lenta sin mejora.
Aplicación práctica
El PCM rara vez se utiliza solo. En cambio, funciona como un amortiguador térmico combinado con sistemas activos (normalmente refrigeración líquida), donde:
- Absorbe picos de calor transitorios
- Retarda el aumento de temperatura
- Reduce la carga máxima en el circuito de enfriamiento primario
3. Integración de sistemas y tendencias futuras
La sinergia multitecnológica es el futuro
A medida que las baterías de los vehículos eléctricos avanzan hacia una mayor densidad de energía y una carga más rápida, las soluciones de refrigeración únicas alcanzan sus límites. La tendencia de la industria es clara: arquitecturas híbridas de gestión térmica.
Las configuraciones típicas incluyen:
- Refrigeración líquida + PCM: amortiguación térmica y reducción de picos de carga
- Refrigeración por líquido/aire + heatpipes: extracción rápida de puntos calientes y ecualización de temperatura
- Enfriamiento directo por refrigerante: uso de refrigerante HVAC para una eficiencia de enfriamiento extremadamente alta (aplicado en vehículos eléctricos premium seleccionados)
4. Diseño térmico basado en materiales
Cómo las barras colectoras RHI potencian la gestión térmica avanzada de la batería
Cada tecnología de refrigeración de baterías convencional (refrigeración líquida, refrigeración por aire, tubos de calor, PCM e incluso refrigeración termoeléctrica emergente) impone exigencias térmicas y estructurales únicas a las barras colectoras, los conductores eléctricos críticos dentro de los paquetes de baterías.
Como proveedor líder de soluciones de interconexión y barras colectoras de cobre y aluminio, RHI aprovecha su profunda experiencia en materiales y procesos de fabricación avanzados para ofrecer sistemas de barras colectoras impulsadas por la seguridad y adaptables al enfriamiento, que actúan como:
- Conductores térmicos eficientes
- Puentes eléctricos fiables
4.1 Soluciones de barras colectoras para refrigeración termoeléctrica (TEC)
Acoplamiento térmico de precisión
Los módulos termoeléctricos requieren una resistencia de contacto térmico extremadamente baja.
RHI suministra barras colectoras de cobre niquelado de alta planitud, que garantizan:
- Interfaces térmicas estables
- Resistencia a la oxidación
- Contacto confiable con módulos TEC o almohadillas aislantes térmicamente conductoras
Aislamiento eléctrico de alta temperatura.
Los sistemas TEC introducen gradientes localizados de frío-calor.
RHIbarras colectoras de alta temperaturapresentando:
- Cinta de mica interior
- Cinta exterior compuesta de cerámica
mantener la rigidez dieléctrica y la estabilidad mecánica bajo ciclos térmicos repetidos.
Preparación para la integración del sistema
Las barras colectoras de aluminio personalizadas se pueden mecanizar con:
- Orificios de montaje del sensor
- Superficies de referencia planas
- Características estructurales para la integración de BMS
Soporta control térmico y eléctrico de circuito cerrado.
4.2 Barras colectoras para sistemas de enfriamiento con tubos de calor
Bases térmicas de alta eficiencia
Con conductividad térmica alrededor de 385 W/m·K, RHIbarras colectoras de cobreactúan como disipadores de calor eficaces, transfiriendo calor localizado de manera eficiente a las secciones del evaporador de tubería de calor.
Integración espacial flexible
RHI ofrece:
- Conectores flexibles laminados de cobre/aluminio
- Barras colectoras rígidas dobladas en 3D con múltiples ángulos
permitiendo el enrutamiento eléctrico alrededor de los tubos de calor y al mismo tiempo preservando un flujo de aire óptimo o el contacto de la placa fría.
Combinación de materiales en distintos rangos de temperatura
- Barras colectoras de cobre para zonas de alta temperatura y alta potencia
- Barras colectoras de aluminio para áreas livianas y de temperatura moderada
Todo con aislamiento moldeado por extrusión o inyección para una confiabilidad a largo plazo.
4.3 Valor central de las barras colectoras en los sistemas de refrigeración convencionales
Sistemas de refrigeración líquida
Las barras colectoras RHI proporcionan:
- Superficies planas, estañadas o niqueladas para una baja resistencia térmica
- Aislamiento de alto sellado mediante moldura insertada o extrusión PA12
mitigando eficazmente los riesgos de fugas de refrigerante y condensación.
Sistemas de refrigeración por aire
El rendimiento térmico se mejora mediante:
- Geometría de barra colectora optimizada para el flujo de aire
- Estructuras perforadas o tipo marco para aumentar el área de disipación de calor.
- Acabados de cobre desnudo o estaño brillante para mejorar la transferencia de calor radiativo.
Refrigeración asistida por PCM
RHI aborda la confiabilidad de la interfaz a largo plazo al ofrecer:
- Barras colectoras con superficie tratada para mejorar la adhesión del PCM
- Aislamiento completamente encapsulado (p. ej., moldeado por inyección PA66+GF30)
evitando la interacción química y asegurando un rendimiento eléctrico estable en el tiempo.
5. Conclusión
La gestión térmica de la batería es un equilibrio preciso entre seguridad, rendimiento y durabilidad. Desde la refrigeración por aire hasta la refrigeración líquida, y desde los tubos de calor hasta los materiales de cambio de fase, la continua evolución e integración de las tecnologías de refrigeración están impulsando a las baterías de vehículos eléctricos hacia una mayor densidad de energía y una carga más rápida.
A medida que los sistemas de gestión térmica se vuelven más integrados e inteligentes, el diseño de interconexión eléctrica desempeña un papel cada vez más crítico.
Como socio confiable en soluciones de interconexión de baterías, RHI respalda esta evolución brindando:
ayudando a los clientes a construir sistemas de gestión térmica de baterías eficientes, confiables y preparados para el futuro.
