El enfriamiento directo con refrigerante supera al líquido en baterías EV
La gestión térmica de las baterías de iones de litio en vehículos eléctricos (VE) ha evolucionado de un aspecto técnico a un factor determinante en el rendimiento, la seguridad y la vida útil del vehículo. A medida que la industria automotriz mundial acelera su transición hacia la electrificación, las limitaciones de los sistemas de enfriamiento por líquido tradicionales se vuelven cada vez más evidentes, especialmente en escenarios de carga rápida o descarga de alta potencia. Un nuevo estudio publicado por investigadores de la Universidad de Jiangsu desafía el paradigma actual al demostrar que un sistema de enfriamiento directo con refrigerante, que utiliza el propio circuito de refrigeración del vehículo, no solo es viable, sino que supera significativamente al enfriamiento por líquido en condiciones de operación exigentes.
Dirigido por el profesor Chunxian Shan y el investigador Peng Yang de la Escuela de Ingeniería Energética y de Potencia de la Universidad de Jiangsu, el estudio presenta una innovadora solución de gestión térmica para módulos de baterías. En lugar de depender de un circuito secundario de líquido refrigerante, el sistema propuesto utiliza directamente el refrigerante R134a del sistema de aire acondicionado del vehículo, canalizándolo a través de una placa fría de tipo acordeón situada directamente bajo las celdas de la batería. Este enfoque elimina la necesidad de bombas, depósitos y tuberías adicionales, simplificando el sistema y mejorando su eficiencia.
La hipótesis central del estudio era que el enfriamiento directo, que aprovecha el cambio de fase del refrigerante (de líquido a vapor), proporcionaría una capacidad de absorción de calor superior a la del enfriamiento por líquido, que depende únicamente de la transferencia de calor sensible. Para probar esta afirmación, el equipo diseñó un banco de pruebas altamente controlado que permitió comparar directamente ambos métodos bajo condiciones idénticas. El módulo de batería de prueba, compuesto por 16 celdas de fosfato de hierro y litio (LFP) en una configuración 8S2P, fue sometido a ciclos de descarga de 2.0C, un escenario que simula una aceleración agresiva o una carga rápida, generando un calor significativo.
La comparación fue meticulosa. Ambos sistemas, el de enfriamiento directo y el de líquido, utilizaron la misma placa fría de geometría acordeón para garantizar una evaluación justa. El refrigerante R134a y el agua, el líquido refrigerante de referencia, entraron en la placa a una temperatura idéntica de 16.00 °C. Para hacer la prueba aún más rigurosa, el flujo de agua (0.53 g/s) fue aproximadamente el doble que el del refrigerante (0.25 g/s), otorgando una ventaja teórica al sistema líquido. Los resultados, sin embargo, fueron concluyentes. Durante la descarga de 2.0C, el sistema de enfriamiento directo mantuvo la temperatura media del paquete de baterías por debajo del umbral crítico de 40.00 °C, alcanzando un máximo de 39.60 °C. En contraste, el sistema de enfriamiento por líquido superó este límite, alcanzando una temperatura media de 42.22 °C. Esta diferencia de 2.62 °C, lograda con la mitad del flujo de refrigerante, es un testimonio directo de la eficacia del calor latente de evaporación, que permite al refrigerante absorber una cantidad masiva de calor sin un aumento proporcional de su temperatura.
Más allá de la comparación directa, el estudio profundizó en los parámetros clave que rigen el rendimiento del sistema de enfriamiento directo, proporcionando una hoja de ruta para su optimización en aplicaciones del mundo real. Uno de los factores más influyentes identificados fue la velocidad del compresor. El compresor de tornillo eléctrico, el corazón del sistema, opera entre 2,000 y 6,000 rpm. A medida que aumenta la velocidad del compresor, aumenta el flujo másico de refrigerante y disminuye la presión de evaporación, lo que a su vez reduce la temperatura de evaporación. Los experimentos demostraron que a una velocidad de 3,500 rpm, el sistema logra un control térmico excepcional. Incluso bajo una descarga continua de 2.0C, la temperatura media del paquete se mantiene por debajo de 40.00 °C, lo cual es fundamental para permitir operaciones de alta potencia sin comprometer la salud de la batería.
Sin embargo, el estudio también reveló un compromiso inherente. Mientras que una mayor velocidad del compresor mejora el enfriamiento general, también aumenta el gradiente de temperatura dentro de las celdas individuales. La intensa refrigeración en la base de la celda, donde se encuentra la placa fría, crea un perfil térmico vertical más pronunciado. Las secciones superior y media de la celda, donde se genera principalmente el calor en las pestañas de los electrodos, permanecen relativamente más cálidas, lo que resulta en una diferencia de temperatura interna más grande. Este hallazgo subraya un desafío fundamental en la gestión térmica de baterías: optimizar la temperatura media no garantiza necesariamente una distribución uniforme. Las baterías de iones de litio funcionan mejor cuando la diferencia de temperatura dentro del paquete es inferior a 5.00 °C, ya que los gradientes excesivos pueden provocar un envejecimiento desigual, una reducción de la capacidad y un mayor riesgo de fallo. En el sistema de enfriamiento directo probado, la diferencia de temperatura dentro del paquete se mantuvo dentro de límites aceptables en la mayoría de las condiciones, pero superó los 5.00 °C durante descargas de alta tasa a velocidades de compresor más bajas.
Otro parámetro crítico explorado fue la apertura de una válvula de control en la línea de refrigerante. Al ajustar esta válvula, los investigadores pudieron variar el flujo másico de refrigerante desde 0 hasta 0.70 g/s y lograr temperaturas de evaporación tan bajas como 5.20 °C. Aumentar la apertura de la válvula mejoró el rendimiento de enfriamiento al permitir que más refrigerante fluya a través de la placa fría, reduciendo así la temperatura media de la batería. Sin embargo, al igual que con la velocidad del compresor, esta mejora tuvo un costo: un aumento en la no uniformidad térmica. Con una apertura de válvula del 11.2%, la diferencia de temperatura dentro del paquete alcanzó los 9.30 °C. Lo más revelador fue que, bajo condiciones de alta no uniformidad, la diferencia de temperatura dentro de las celdas individuales representó hasta el 88% de la diferencia total del paquete. Este hallazgo es crucial, ya que indica que el mayor desafío para la uniformidad térmica no es la variación entre celdas, sino la gestión del gradiente térmico dentro de cada celda. Esto sugiere que los futuros diseños deben centrarse no solo en la eliminación de calor del conjunto, sino también en la optimización de la geometría de las celdas y la distribución del calor interno.
Desde una perspectiva de integración del sistema, el enfoque de enfriamiento directo ofrece ventajas sustanciales. Al compartir el circuito de refrigerante con el sistema de aire acondicionado de la cabina, elimina la necesidad de un circuito de enfriamiento por líquido separado, reduciendo así la complejidad, el peso, el costo y los puntos de fallo potenciales. Esta integración también abre la puerta a estrategias avanzadas de gestión térmica, como el uso del calor residual de la batería para ayudar a calentar la cabina en climas fríos, mejorando así la eficiencia general del vehículo.
No obstante, la tecnología no está exenta de desafíos. El control preciso del flujo y la presión del refrigerante es esencial para evitar problemas como el arrastre de líquido o un enfriamiento insuficiente. Los investigadores observaron una zona de acumulación de líquido en la salida de la placa fría de microcanales, lo que causó caídas de temperatura anómalas en las celdas aguas abajo, indicando la necesidad de un diseño de distribución de flujo mejorado. Además, el uso de refrigerantes como el R134a, aunque eficaz, plantea preocupaciones medioambientales debido a su potencial de calentamiento global (GWP). Las futuras iteraciones del sistema podrían beneficiarse de la adopción de refrigerantes de próxima generación con un GWP bajo.
La metodología experimental empleada en este estudio es destacable por su enfoque en el comportamiento real de descarga de la batería, en lugar de fuentes de calor simuladas. Muchos estudios anteriores han dependido de calentadores eléctricos para simular la generación de calor de la batería, lo que no capta la respuesta térmica dinámica de los procesos electroquímicos reales. Al probar con un paquete de baterías real bajo condiciones de descarga controladas, el equipo de la Universidad de Jiangsu proporcionó información más precisa y aplicable sobre el rendimiento de los sistemas de enfriamiento directo.
Las implicaciones de esta investigación son significativas para los fabricantes de vehículos eléctricos que buscan mejorar el rendimiento, la seguridad y la longevidad de sus baterías. A medida que se expande la infraestructura de carga rápida y los consumidores exigen tiempos de carga más cortos, la capacidad de gestionar altas cargas térmicas se volverá cada vez más importante. El enfriamiento directo con refrigerante, con su capacidad superior de eliminación de calor y sus beneficios de integración del sistema, representa un camino prometedor.
Además, los hallazgos contribuyen a un creciente cuerpo de evidencia que apoya la transición del enfriamiento por líquido al enfriamiento basado en cambio de fase en aplicaciones de alto rendimiento. Si bien el enfriamiento por líquido sigue siendo adecuado para muchos vehículos eléctricos actuales, la próxima generación de vehículos, particularmente aquellos que apuntan a una carga ultrarrápida y una operación de alta potencia, puede requerir soluciones térmicas más avanzadas. El trabajo de Shan, Yang y sus colegas proporciona una base experimental sólida para tales desarrollos.
En conclusión, la investigación demuestra que el enfriamiento directo con refrigerante no solo es factible, sino que es superior al enfriamiento por líquido convencional en la gestión de la temperatura media de los paquetes de baterías de vehículos eléctricos bajo altas cargas térmicas. Parámetros clave como la velocidad del compresor y la apertura de la válvula ofrecen medios efectivos de control, aunque deben equilibrarse cuidadosamente para evitar gradientes térmicos excesivos. La integración del enfriamiento de la batería con el sistema de climatización del vehículo presenta una oportunidad convincente para simplificar la arquitectura térmica y mejorar la eficiencia general. A medida que la industria automotriz continúa expandiendo los límites de la tecnología de baterías, las innovaciones en la gestión térmica desempeñarán un papel crucial para desbloquear todo el potencial de la movilidad eléctrica.
Chunxian Shan, Peng Yang, Aikun Tang, Dengfu Xia, Escuela de Ingeniería Energética y de Potencia, Universidad de Jiangsu. Journal of Jiangsu University (Natural Science Edition), DOI: 10.3969/j.issn.1671-7775.2024.01.005