¿Qué es el sistema de refrigeración?
Pregunta de James Wong, Fremont, California.
Trabajo aquí en la antigua planta de GM-Toyota NUMMI y acabamos de enterarnos de que algún día construiremos un coche eléctrico. La gente sigue hablando de refrigeración de baterías. ¿Cuál es la verdadera historia?
Respondido por Richard Flagan, Profesor de Ingeniería Química e Ingeniería Ambiental, Caltech.
(Sobre todo trabajo con aerosoles, pero últimamente me he visto arrastrado a un par de proyectos de baterías con JPL y las compañías automotrices).
Un paquete de iones de litio-genera una cantidad sorprendente de calor cuando lo empujas. Un paquete de 60 kWh con una carga de 3 °C puede generar entre 15 y 20 kW de calor. Se trata de un pequeño calentador que se coloca dentro del piso del automóvil. Déjalo así y las celdas del medio alcanzarán los 60 grados mientras aún intentas alcanzar el 80 % de carga. La vida cae rápidamente por encima de los 45 grados, por lo que hay que sacar el calor.
La mayoría de los paquetes ahora utilizan placas frías planas de aluminio de aproximadamente 4 a 6 mm de espesor con un canal estampado en el interior. Desliza una placa entre cada dos módulos o debajo de cada fila de bolsas. La placa se rellena con una fina capa de pasta térmica contra el fondo de la celda. Las placas Ultium de GM son así. Tesla solía enrollar un tubo redondo debajo de los años 18650 y 2170 en zigzag. Parece espagueti, funciona bien, pero es complicado de ensamblar. El nuevo paquete 4680 en Texas utilizó una cinta doblada más ancha en lugar de un tubo redondo. Más fácil de soldar.
El refrigerante casi siempre es agua-glicol 50/50 con los inhibidores habituales. Algunos prototipos de autos de carreras usan glicol puro o incluso aceite de silicona, pero nadie los envía a los clientes. El flujo suele ser de 10 a 20 litros por minuto para una mochila grande. La bomba es una pequeña cosa sin escobillas de 400 W que funciona con 12 V. Vive debajo del capó o en el maletero.
El radiador se encuentra delante del condensador del aire acondicionado. A velocidad de autopista, obtienes mucho aire, pero sentado frente a un Supercharger en un día de 110 grados F en Barstow, el ventilador eléctrico tiene que tirar con fuerza. Es por eso que Tesla agregó la pequeña válvula pulpo hace unos años:-permite que el enfriador tome refrigerante frío del circuito de aire acondicionado de la cabina cuando hace mucho calor.
La propagación de la temperatura es la causa de la muerte. Si la celda más fría está a 25 grados y la más caliente a 40 grados, se pierde quizás entre un 15 y un 20 % del ciclo de vida del paquete. Por lo tanto, el colector de entrada tiene que dividir el flujo de manera uniforme. Algunas empresas mecanizan pequeños orificios en cada rama. Otros simplemente hacen que los canales sean largos y delgados para que la caída de presión obligue a un flujo igual. El paquete de celdas de cuchillas de BYD hace pasar el refrigerante a lo largo del borde largo de la celda en lugar de por la parte inferior-afirma una mejor uniformidad.
El clima frío es la parte de la que nadie hablaba en 1999. Por debajo de aproximadamente 0 grados no se puede cargar rápidamente o se coloca litio metálico y se mata la celda. Entonces el mismo circuito que se enfría ahora tiene que calentarse. Un calentador PTC de 3 a 5 kW se encuentra en el depósito o justo después de la bomba. El BMS observa los voltajes de las celdas como un halcón durante el precalentamiento.
La presión suele ser de 1 a 1,5 bar manométricos. Mantiene el punto de ebullición entre 115 y 120 grados para que nunca se formen bolsas de vapor si una célula decide volverse exotérmica.
El año pasado ejecutamos un módulo de 30-celdas en el laboratorio del JPL. Con el enfriamiento, pasó de 25 grados a 65 grados en ocho minutos con una descarga de 200 A. Encienda la bomba a 12 L/min y se estabilizará a 38 grados. Ocho minutos versus nunca: es por eso que ahora todos los paquetes serios tienen refrigeración líquida.
Esa es la imagen básica. Los detalles cambian cada año del modelo, pero la física no.
