Sistema de gestió tèrmica de la bateria (BTMS)
El sistema de gestió tèrmica de la bateria (BTMS) és un dels sistemes bàsics d'un vehicle elèctric, que afecta directament la seguretat, el rendiment i la vida útil de tot el vehicle.
I. Per què les bateries necessiten gestió tèrmica
Les bateries d'alimentació, especialment les de ions de liti-, depenen molt de la temperatura de funcionament pel seu rendiment, vida útil i seguretat.
Interval de funcionament òptim
El rang de temperatura de funcionament ideal per a les bateries sol estar entre 15 i 40 graus, amb el rang òptim d'aproximadament 20 a 35 graus.
Riscos d'alta temperatura
Les temperatures excessivament altes (per exemple, superiors als 60 graus) acceleren la decadència de la capacitat de la bateria, augmenten la resistència interna i, en casos extrems, poden desencadenar una fuga tèrmica, provocant incendis i explosions.
Riscos de baixa temperatura
Les temperatures excessivament baixes redueixen la taxa de reaccions químiques internes dins de la bateria, donant lloc a una forta caiguda de la capacitat i de la potència, dificultats de càrrega i, potencialment, deposició de liti, danyant la bateria.
Perills de diferència de temperatura
La distribució desigual de la temperatura (diferència de temperatura excessiva) entre les cèl·lules o mòduls de la bateria provoca un rendiment inconsistent, accelera l'envelliment de la bateria sencera i limita la seva capacitat útil.
Per tant, un sistema de gestió tèrmica eficient té com a objectiu mantenir la temperatura de la bateria dins de la seva finestra òptima i minimitzar la diferència màxima de temperatura dins de la bateria (idealment inferior o igual a 3 graus).
II. Com funciona el sistema tèrmic
El sistema de gestió tèrmica líquida utilitza refrigerant circulant com a mitjà per dissipar la calor o escalfar la bateria.
Funció de refrigeració
Absorció de calor: impulsat per una bomba elèctrica, el refrigerant flueix a través de plaques de refrigeració líquida dins del paquet de bateries (normalment en contacte amb els mòduls de la bateria), absorbint la calor generada per la bateria.
Dissipació de calor: el refrigerant d'alta-temperatura, després d'haver absorbit la calor, es bombeja al radiador frontal (refrigerat per aire-) o intercanvia calor amb el sistema d'aire condicionat del vehicle (mitjançant un intercanviador de calor de refrigeració), dissipant la calor a l'aire exterior.
Circulació: el refrigerant refrigerat torna a fluir al paquet de bateries, començant el cicle següent.
Funció de calefacció
Quan la temperatura de la bateria és massa baixa, el sistema pot escalfar el refrigerant mitjançant un escalfador PTC (termistor de coeficient de temperatura positiu).
El refrigerant escalfat flueix a través de les plaques de refrigeració líquida, actuant com una "ampolla d'aigua calenta" per escalfar la bateria.
Alguns sistemes avançats també poden utilitzar la calor residual generada pel sistema d'accionament elèctric, recuperant-la mitjançant intercanviadors de calor de plaques per escalfar la bateria, millorant així l'eficiència energètica.
III. Components clau del sistema
Un sistema de gestió tèrmica líquida típic consta principalment dels components següents:
Placa de refrigeració líquida: el component central d'intercanvi de calor en contacte directe amb el mòdul de la bateria, normalment fet d'alumini amb un disseny de canal de flux intern. El seu disseny ha d'equilibrar la potència de dissipació de calor, la fiabilitat i la lleugeresa.
Refrigerant: requereix alta conductivitat tèrmica, aïllament (per evitar curtcircuits), baixa viscositat, un ampli rang de temperatures de funcionament i bona compatibilitat amb els materials. Les mescles d'aigua d'etilenglicol-s'utilitzen habitualment (la proporció s'ajusta segons els requisits d'anticongelant), tot i que de vegades també s'utilitzen alcohols orgànics purs i altres fluids dielèctrics.
Bomba elèctrica: proporciona energia per a la circulació del refrigerant. La seva velocitat sovint es pot ajustar per aconseguir-subministrament sota demanda i reduir el consum d'energia.
Intercanviador de calor (Chiller): un intercanviador de calor que connecta el circuit de refrigeració i el circuit de refrigeració de l'aire condicionat, utilitzat per millorar la refrigeració.
Radiador: situat a la part davantera del vehicle, dissipa la calor del refrigerant a través del flux d'aire.
Bescanviador de calor de plaques: s'utilitza per a l'intercanvi de calor entre diferents circuits, com per exemple per a la recuperació de calor residual.
Escalfador PTC: Un dispositiu que escalfa el refrigerant quan es requereix calefacció.
Cos de la vàlvula (p. ex., vàlvula de tres vies, vàlvula solenoide): controla la direcció del flux del refrigerant, permetent canviar entre diferents modes (p. ex., canviar entre els modes de refrigeració i calefacció, o entre diferents fonts de calor).
Dipòsit: Compensa l'expansió i la contracció del refrigerant a causa dels canvis de temperatura, i facilita l'ompliment i el sagnat.
Sensors i unitat de control: els sensors de temperatura controlen la temperatura de la bateria i del refrigerant en temps real. El controlador de gestió tèrmica del sistema de gestió de bateries (BMS) és el cervell, que controla de manera intel·ligent el funcionament d'actuadors com bombes, escalfadors PTC, vàlvules i compressors d'aire condicionat en funció dels senyals de temperatura i l'estat del vehicle mitjançant algorismes.