¿Cuál es el mejor sistema de refrigeración para las baterías de un coche eléctrico?

El flujo de corriente en las baterías de los coches eléctricos produce el calentamiento de sus celdas. Cuanto mayor es el flujo de la corriente, mayor es el calentamiento. El rendimiento de las baterías de ion-litio depende en gran parte de su temperatura de funcionamiento: sufren el efecto Goldilocks, es decir, no funcionan bien cuando están sometidas a demasiado frío o a demasiado calor.

Exponerlas a temperaturas demasiado bajas o demasiado elevadas puede provocar daños permanentes en las baterías y una degradación acelerada. Por lo tanto, se hace necesario un sistema de control de temperatura para las baterías, que las enfríen o calienten cuando sea necesario.

La mayoría de las baterías de litio no se pueden cargar rápido cuando están a menos de 5º C, y no se pueden cargar de ninguna forma cuando están por debajo de 0º C. Además, las celdas comienzan a degradarse rápidamente cuando su temperatura es superior a 45º C.

Actualmente las tres técnicas más usuales de gestión térmica de la batería son las siguientes:

  • Por convección del aire, ya sea de forma pasiva o forzada.
  • Utilizando como refrigerante un aceite dieléctrico que se bombea a un sistema intercambiador de calor.
  • Enfriamiento por circulación de un refrigerante a base de agua a través de conductos de refrigeración ubicados dentro de la estructura de la batería.

El enfriamiento por aire no es el ideal para la mayor parte de las aplicaciones de alto rendimiento, debido a su incapacidad de hacer frente a un amplio rango de temperaturas ambiente. Es decir, no es posible eliminar el suficiente calor dentro de la batería con este sistema de enfriamiento.

Un sistema de enfriamiento con aceite dieléctrico como refrigerante normalmente enfría extrayendo calor de la superficie de las celdas. Dicho enfriamiento se logra mejor con un refrigerante a base de agua o con un refrigerante orgánico. El refrigerante se puede usar para eliminar el calor del pack y también para proporcionarle calefacción durante una recarga rápida a baja temperatura.

La situación de los sistemas de refrigeración también es importante. Por ejemplo, el eficaz enfriamiento de las lengüetas de las celdas no es algo común en la industria. Tanto el BMW i3 como el Chevrolet Bolt utilizan una placa de refrigeración inferior en su batería. La instalación de la placa de refrigeración en la parte inferior del pack probablemente esté motivada por su construcción más sencilla, así como por la mayor facilidad para realizar análisis cuando haya fugas dentro del sistema de baterías.

Las lengüetas del BMW están situadas en la parte superior de la batería y no en la inferior, mientras que las del Chevrolet Bolt se encuentran en los laterales. Por ello, ninguno de los dos sistemas de refrigeración está situado en la que sería su ubicación ideal para conseguir un rendimiento óptimo.

Por su parte, el sistema de enfriamiento de la batería de los Tesla Model S y Model X, que consiste en un tubo de enfriamiento patentado que serpentea a través del pack de baterías (contiene un flujo de refrigerante de glicol en agua), consigue el contacto directo con las células mediante el material de transferencia térmica.

De nuevo, esto elimina el calor del costado de las celdas en lugar de las pestañas, por lo que es fácil sobrecalentar un pack de baterías Tesla durante una conducción exigente.

El enfriamiento de las lengüetas es difícil, debido a la necesidad de aislar eléctricamente el sistema de enfriamiento para evitar un cortocircuito en el pack, y también para asegurar que ningún fallo del sistema de enfriamiento en una junta dé como resultado la liberación del refrigerante dentro de la batería.

Un diseño eficaz del sistema de refrigeración generalmente conlleva una menor capacidad de la batería, debido a la longitud de los canales de refrigeración necesarios. Además, se hace necesaria una bomba de refrigerante eléctrica que pueda generar altas tasas de flujo.

El diseño más eficaz es, por tanto, el de hacer circular el refrigerante por la batería, el cual una vez haya pasado a través de ella se hará circular a través de un intercambiador de calor. Allí el calor se transfiere al flujo de aire ambiental que está siendo soplado gracias a un ventilador. Además, a veces se utiliza un sistema de enfriamiento del refrigerante para lograr un enfriamiento secundario.

Esto último es importante si el vehículo está destinado a ser vendido de forma global, pues la temperatura ambiente puede variar muchísimo de un país a otro (véase España y Rusia). Por lo tanto, se necesita un enfriamiento de dos fases para conseguir que la batería se mantenga a una temperatura óptima de funcionamiento. Debido al alto coeficiente de rendimiento de los sistemas con bomba de calor de refrigerante, se reduce el consumo total de energía del sistema. Por contra, supone añadir más piezas y por tanto aumentar los costes.

Debido a que los ventiladores y las bombas tienen un alto potencial de consumo de energía parasitaria, lo que afecta al rendimiento general del vehículo, hay que seleccionar componentes muy eficientes para el sistema de refrigeración de las baterías. El consumo total de energía parasitaria se puede reducir en más de un 75% mediante el uso de bombas y ventiladores eficientes.

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Fuente | AVID Technology



Energias renovables

27 Comment responses

  1. Avatar
    January 14, 2018

    pues en california ,nuevo mejico ,texas y arizona hace mucho calor y nadie se ha quejado de los,tesla .
    osea que en españa no tienen ningun problema

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  2. Avatar
    January 14, 2018

    No se podrian llenar los contenedores de las celdas en aceite mineral, y poner un ventilador con un radiador una bomba y una resistencia, tanto para enfriar o calentar las baterias cuando se necesite.

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  3. Avatar
    January 14, 2018

    ¿A que conclusión queremos llegar?
    ¿Cual es la forma más eficiente, desde el punto de vista térmico, de refrigerar las celdas de una batería?
    O ¿Cuál es la forma más practica de llevar a cabo una refrigeración de una batería?
    O ¿De que manera han afrontado los diferentes fabricantes el problema de la refrigeración de sus baterías?

    Parece lo mismo pero es muy distinto.

    Para refrigerar, o calentar, una celda el mejor sistema es hacer pasar el liquido refrigerante por el centro de la celda.

    Estamos hablando del sistema más eficiente desde el punto de vista térmico, pero complicado de implementar.
    Ya comentan los sistemas elegidos por cada fabricante, que además del clima de uso de los coches, tienen que tener en cuenta las recargas a las cuales han certificado sus baterias.
    Si Nissan no prevee recargas de más de 50kw y su motor no va a exigir potencias muy altas, evidentemente tendrá un sistema refrigerante mucho menos potente que Tesla, que prevee recargas a 120kw y picos de potencia para el motor importantes.

    También comentar que parece que en el Model 3 las celdas van montadas y pegadas en una cinta por donde pasará el refrigerante.
    Habrá que esperar a que le hagan una autopsia a uno.

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      January 15, 2018

      Lo que mas se acerca a esto es el sistema de refrigeración de los volt/ampera.

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    January 15, 2018

    Artículo lleno de suposiciones, con pocos argumentos técnicos… devalúa a un medio especializado rellenando con paja… Rapel acierta lo mismo.

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      January 15, 2018

      Tiro la piedra, y escondo la mano. Si puedes aportar algo a este tema, el resto de usuarios te lo agradeceremos ya que es un apartado clave para un coche eléctrico. Si no pensaremos que simplemente estás troleando y no tienes ni idea de lo que se habla.

      Gracias.

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    January 15, 2018

    Este es un tema realmente importante. Puede suponer aumentar los años de vida del coche.

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    January 15, 2018

    El sistema que se indica en el artículo como “ideal”, es el que montan el Chrvrolet Volt y el Opel Ampera, pero no se mencionan en todo el artículo. Bravo!

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    January 15, 2018

    A mi me queda claro que la refrigeración por “aire forzado” y las cargas rápidas de la batería son incompatibles o producen un deterioro de estas anticipado “ojito con el nuevo Nissan Leaf” . Habría que ver el deterioro de las celdas a “altas velocidades” 120km/h o mas ahí dudo mucho que la refrigeración por aire forzado sea suficiente para proteger las celdas de las baterías.

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      January 15, 2018

      El nuevo leaf, como el anterior no tinene aire forzado. el env200, llevaba el mismo pack que el leaf pero con aire forzado. Estaria bien añadir al articulo el listado de EV con el tipo de refrigeración.

      leaf aire de modo pasivo
      env200 refrigeracion forzada
      Zoe aire forzado refrigerado per el AACC
      BMWi3 refrigeracion liquida por patillas
      Tesla refrigeración liquida por superficie

      Si alguien tiene información contrastada de mas VE, añadir al listado así tenemos la foto completa…
      me falta info del ioniq, egolf,…

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        January 15, 2018

        Yo he estado en su momento en la presentación de la env200, y según los ingenieros de Nissan la batería está refrigerada, pero sólo durante el proceso de recarga rápida. El resto del tiempo nada. Por eso su degradación parecida a la del Leaf.

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    January 15, 2018

    Está claro que a esta conclusión llegaron hace muchos muchos años los fabricantes con los motores térmicos (gasolina y diesel).

    Vemos que hoy en día ya no existe vehículos refrigerados por aire como el antiguo Volkswagen Escarabajo, Seat 600 y similares.

    Pues no entiendo como Nissan aún sigue renovando el Leaf con su pack refrigerado por aire, ES UN TREMENDO ERROR, yo he padecido el verano andaluz con un Renault Fluence y prácticamente era imposible hacer bajar de los 30 grados el pack de batería salvo que dejase el coche aparcado (bajo techado) y enchufado durante dos o tres días para que su nefasto sistema de refrigeracion Peltier hiciera mínimamente su trabajo.

    El Nissan Leaf con el aire forzado le ocurre exactamente lo mismo, aunque el pack de batería está en una mejor disposición qué Renault Fluence, no existe la posibilidad de refrigerar adecuadamente su batería si la temperatura exterior es de 40 grados centígrados o más, lógicamente cogerá un aire extremadamente caliente del exterior que no servirá para refrigerar esa batería por debajo de la temperatura ambiente.

    Así que mi conclusión es que los vehículos eléctricos que no estén refrigerados por líquido, no sirven para climas extremos de calor o frío como por ejemplo el verano andaluz, el cual hace deteriorar la batería a alta velocidad.

    Hasta ahora el mejor sistema de refrigeración es el de Tesla, ya que está demostrando que está funcionando en climas como el de Noruega o el de Arizona y sus baterías tienen una mínima degradación después de cientos de miles de kilómetros.

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      January 15, 2018

      El sistema que mejor rendimiento con diferencia ha demostrado y que además sobre el papel mejor refrigera la celda es el de los volt/ampera, entre otras cosas porque refrigera la celda de una manera mucho mas homogénea (prácticamente toda la superficie de la misma) mientras que el sistema Tesla se limita a un sector circular de aprox. 60 grados de la celda). Teniendo en cuenta el tamaño de la bateria y los rates de carga y descarga al que los somete el coche, la variedad de climas en los que se ha vendido el coche y la práctica inexistencia de degradación de la batería sin duda es el mejor sistema. Después probablemete estaria del de los tesla (creo que las baterías de las versiones de 100kWh llevan otro sistema un poco distinto).

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        January 15, 2018

        No.

        El Volt/Ampera basa sobre todo su fiabilidad en el buffer extra de batería que “no se usa”.

        Por otra parte: Una batería prismática por su forma no disipa tan bien el calor hacia fuera como una cilíndrica. La cilíndrica tiene una superficie tanto mayor cuanto más nos alejamos del centro (directamente proporcional al radio S=2*pi*r*h), mientras que la prismática la superficie es la misma, por lo que las capas internas soportarán más temperatura. A esto hay que añadir que la generación de calor en la cilíndrica en las capas internas es menor. Como además las celdas cilíndricas usadas son mucho más pequeñas el gradiente de temperatura de dentro a fuera de esas celdas es considerablemente menor.

        En el caso de placas de refrigeración en la masa de las celdas prismáticas hay doble transferencia de calor: De la masa a la placa y de la placa al refrigerante, por lo que hay doble pérdida.

        Lo óptimo sería el sistema Tesla, rodeando todas las celdas con el tubo, cosa que se podría hacer si el tubo presentara un espacio de sección circular donde introducir la celda, o con dos tubos uno por cada lado y entre celda y celda ambos tubos unidos por la sección común (basta algunos puntos arriba y abajo). Los costes, la rapidez de producción y las pruebas habrán decantado a Tesla a optar por su sistema de pegado (mucho más adaptable a cualquier equidistancia de celdas), considerándolo más que suficiente para el uso a que va destinado, como se ha demostrado en la práctica.

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          January 15, 2018

          Vaya no más rotundo!!!!!

          Lástima que estés equivocado, las celdas del Volt/Ampera no son prismáticas!!!!! Y es verdad que tienen mucho buffer, pero también es verdad que son las que más se ciclan y a unas potencias más altas (hablando en términos de C, claro, no potencia absoluta)

          Busca un poco en google (sólo con ver una imagen creo que te bastará) y verás como la construcción del las celdas del Volt/Ampera es la que más se parece a lo que describes, en la que la celda está prácticamente rodeada de refrigerante. ¿No te estarás confundiendo con las Samsung de BMW??

          La batería de Tesla refrigera un sector circular muy pequeño de la 18650 (no se el dato exacto pero andará por 60 grados). Es una solución de compromiso que no incrementa demasiado el volumen del pack pero dista mucho de ser idónea en cuanto a refrigeración. Y en cuanto a la elección de la 18650 como formato, no es que eligieran la 18650 por ser la ideal… es que no había otras en cantidad y comoditización suficiente para lo que querían hacer ( o al menos así lo dice Musk en su biografía). Diseñaron el pack alrededor del formato, no al revés.

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          • Avatar
            January 15, 2018

            Tienes razón respecto a las baterías del Volt.

            Son casi planas (rectangulares con un espesor pequeño), por lo que no se pueden considerar prismáticas. La memoria me ha fallado al recordarlas rectangulares y he supuesto un espesor mayor, sin detenerme a recordar.

            Seguí con mucha atención el desarrollo de ese coche en su momento, ya que se trataba de un verdadero hito entonces. Se que prestaron mucha atención a la generación del calor, intentaron hacerlas sin refrigerante, pero tomaron enseguida (no como Nissan), la solución de refrigerarlas e hicieron numerosas pruebas, dejando además un generoso buffer muy criticado entonces.

            Unas láminas de aluminio transferían el calor al refrigerante. Ahí si es diferente, ya que el circuito refrigerante no está en contacto directo con la celda, por lo que hay una pérdida de eficiencia, pero el sandwich repetido funciona muy bien.

            Lo que dices de Tesla de la celda, es lo que digo yo, si te lo lees otra vez, creo que estarás de acuerdo.

            Respecto al sistema Tesla sigo pensando lo mismo: Dividir una batería en más de 2.000 puntos y refrigerar esos 2.000 puntos es una solución óptima. Que las celdas no estén envueltas es seguro una solución de compromiso que ha demostrado su eficacia. Mientras más puntos y esos puntos sean más pequeños más se acerca a la solución idónea.

            Los sandwich, si la dimensión hasta llegar al circuito de refrigeración es grande no son tan eficaces, desde mi punto de vista (de aficionado), como la fragmentación en cilindros muy pequeños.

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              January 16, 2018

              Yo creo que lo importante es tener la mayor superficie de la celda en contacto con el medio que mejor pueda refrigerarlo, y en el diseño de tesla hay demasiado aire quieto alrededor de la celda por lo que la aparición de puntos calientes es mas fácil es este sistema. Tampoco soy experto en CFD ni en celdas, es simple afición, asi que probablemente ambos tengamos algo de razon.

        • Avatar
          January 15, 2018

          Lamento decirte que este párrafo no es correcto “Por otra parte: Una batería prismática por su forma no disipa tan bien el calor hacia fuera como una cilíndrica. La cilíndrica tiene una superficie tanto mayor cuanto más nos alejamos del centro (directamente proporcional al radio S=2*pi*r*h), mientras que la prismática la superficie es la misma,”, una célula prismática digamos de sección cuadrada tambien tiene una superficie mayor a medida que nos alejamos del centro proporcional a la distancia al centro d , S=2d*2d*h.
          Por otro lado el prisma considerando igual longitud l y sección s que el cilindro tiene mas superficie para disipar calor que este ,pero el inconveniente de que al apilarse no dejan espacio para que pase el aire y los cilindros sin embargo dejan sitio para ello.
          También es cierto lo que dices de que se refrigeran mejor muchos elementos pequeños que muchos grandes, por que la superficie de disipación de calor es mayor.

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            January 17, 2018

            Sergio:

            No te he contestado antes, porque por algún motivo tenía dificultades para entrar en la página.

            Lo que dices del prisma no es correcto. Supongamos una célula prismática de sección rectangular de dimensiones a y b y un espesor e. Coge la sección media, que dista e/2 del exterior y tiene de superficie a x b. Esa sección media permanece invariable a medida que te alejas de ella hacia afuera.

            Por otra parte nunca establezco que un cilindro de igual masa que un prisma tenga mayor superficie que este prisma. Siempre divido ese prisma en muchos más cilindros pequeños, que tienen en conjunto una refrigeración mejor, y dependiendo del número mucha más superficie externa.

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              January 18, 2018

              Vamos a ver, entiendo que “a” es la longitud , “b” la anchura y “e” el grosor, según eso, tu fallo radica en que el calor no circula solo desde la sección media hacia delante y hacia atrás. el calor circula desde el centro hacia el exterior en todas direcciones, en círculos concéntricos, ) , y estos círculos evidentemente son mayores a medida que te alejas del centro. y esto es independiente de la forma de la sección de la batería, (sea circular o rectangular).
              Por otra parte dividir un prisma grande en muchos cilindros pequeños es evidente que refrigera mejor al aumentar la superficie, pero todavía aumentaría mas la superficie si dividimos el prisma grande en muchos prismas pequeños, aunque en este caso habría que apilarlos con separadores que permitan la circulación del fluido ( sea liquido o gaseoso) refrigerante.

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      January 15, 2018

      +1

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    • Avatar
      January 15, 2018

      El porsche 911 iba refrigerado por aire hasta la quinta generación (1997)… no era demasiado parecido al escarabajo, seat 600 o al citroen 2CV 😉

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  9. Avatar
    January 15, 2018

    No se menciona el número de celdas y su forma.

    No es lo mismo refrigerar 1.000 o 2.000 celdas cilíndricas directamente, que refrigerar 240 celdas prismáticas por ejemplo.

    Si tienes muchas celdas cilíndricas y llegas con un tubo a todas ellas (sistema Tesla), disipas mucho más eficazmente el calor de la batería, ya que llegas a muchos más puntos y de forma más uniforme en el conjunto de la batería, y las dimensiones de la celda y su forma facilitan la disipación de calor en esta.

    No te introduces dentro de la celda, pero si te introduces mucho más eficazmente dentro de la batería. Las dimensiones pequeñas de cada celda minimizan el hecho de que no te introduzcas dentro de ella. No tienes los problemas inherentes a introducirte dentro de la celda.

    Si tienes 240 celdas prismáticas de considerables proporciones, no tienes más remedio que introducirte en la celda para poder refrigerar su masa ya que si solo refrigeras por fuera, ni la masa ni la forma te ayudan y habría grandes zonas de cada celda que no se refrigerarían adecuadamente, con todos los inconvenientes que tiene el introducirte dentro de la masa de la celda, además de que la zona más cercana a la placa de refrigeración será refrigerada más eficazmente que el resto de masa (importante por ser cada celda mayor) más alejada.

    Por otra parte si basas tus baterías para todos tus coches en una celda tipo y un tubo tipo (Tesla), los costos de desarrollo y fabricación de las distintas baterías disminuyen ostensiblemente, frente a un sistema con celdas prismáticas adaptadas a cada batería.

    Además los estudios de costes y refrigeración en el sistema Tesla, te sirven de una batería a otra, mientras que de la otra forma siempre hay mayor parte de nueva implementación.

    Por otra parte basar tu batería en una celda de amplia difusión (Tesla), no solo en la automoción, disminuye el coste y aumenta la fiabilidad de la misma.

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    • Avatar
      January 15, 2018

      Se me olvidaba.

      El dibujo que aparece en el artículo tiene las baterías que peor se refrigeran ya que esas baterías NO EXISTEN.

      Ese dibujo que aparece en muchos sitios, es un claro ejemplo de la maquinaria propagandística de VW, que sin tener fabricación y diseño de baterías propio, y ser el último de la cola en movilidad eléctrica, parece como si fuera el gran innovador.

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    • Avatar
      January 16, 2018

      @1 no digas bobadas. Todas las pilas se refrigeran por fuera, cuanta mayor superficie al exterior tengan en proporción a su volumen, mejor, y un cilindro tiene siempre menor superficie en proporción a su volumen que las “rectangulares”. Si no te lo crees echa las cuentas. O mejor, más fácil, imagínate esto: si la pila fuera una hoja de papel, cuando la enrolles para convertirla en cilíndrica, va a tener más o menos superficie al exterior que antes?

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      • Avatar
        January 16, 2018

        No digo bobadas, en todo caso podría equivocarme, pero no es el caso con lo que dices.

        No te has enterado.

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  10. Avatar
    January 17, 2018

    A mi me parece que los cilindros se pueden refrigerar mejor por afuera ademas de rendir mejor por adentro. Ademas dejan espacio entre celdas optimas para la refrigeracion, quiza el estudio deberia ampliarse en la solucion (liquido) que se emplea y de la forma menos costosa y eficaz de hacerla circular.

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