La gestión térmica es uno de los desafíos de ingeniería más importantes en el diseño moderno de baterías para vehículos eléctricos.

A medida que los paquetes de baterías de vehículos eléctricos avanzan hacia una mayor densidad de energía, carga más rápida, mayor potencia de salida y arquitecturas más compactas, el control de la temperatura de las celdas se vuelve cada vez más difícil. El sistema de refrigeración en sí mismo es solo una parte de la solución. Los materiales colocados entre las celdas, las estructuras de refrigeración, las carcasas del paquete y otros componentes determinan la eficacia con la que el calor puede moverse, o la eficacia con la que puede bloquearse.

Por esta razón, la gestión térmica de la batería debe considerarse como una combinación derefrigeración, transferencia de calor, aislamiento, sellado, disipación de calor y calefacción activaen lugar de una única tecnología de refrigeración.

Un sistema de gestión térmica de baterías bien diseñado suele utilizar varias tecnologías de materiales, y cada material se selecciona según su ubicación y función específicas dentro del paquete.

Las baterías de iones de litio son sensibles a la temperatura de funcionamiento. El rendimiento de la batería, el comportamiento de envejecimiento, la capacidad de carga y la seguridad pueden verse afectados por la temperatura.

Muchas estrategias de gestión térmica de baterías de vehículos eléctricos tienen como objetivo mantener las temperaturas de las celdas dentro de una ventana de funcionamiento controlada, comúnmente alrededor de15-40 °C, dependiendo de la química de la celda, las condiciones de funcionamiento y los requisitos del OEM. Las revisiones de investigación también han enfatizado la importancia del control preciso de la temperatura para el rendimiento, la seguridad y la vida útil de la batería.

El desafío es que un sistema de refrigeración solo puede controlar la temperatura de manera efectiva cuando el calor puede llegar al medio de refrigeración.

Una placa fría líquida, un canal de refrigerante o una corriente de aire establecen la condición de contorno de refrigeración. Sin embargo, cada interfaz entre la celda y el sistema de refrigeración introduce resistencia térmica.

Por ejemplo:

Celda → TIM → Placa fría → Refrigerante

Si la interfaz contiene huecos de aire microscópicos, compresión insuficiente o un grosor excesivo de la línea de unión, la ruta térmica puede convertirse en un cuello de botella, incluso cuando el sistema de refrigeración en sí tiene suficiente capacidad.

Es por eso que la selección de materiales es una parte esencial del diseño de la gestión térmica de la batería.

Un paquete de baterías moderno contiene varias zonas térmicas y de protección diferentes.

Cada zona realiza una función diferente y, por lo tanto, requiere una estrategia de material diferente.

Este enfoque basado en zonas facilita la selección de materiales porque el ingeniero puede definir primeroqué necesita lograr cada interfazy luego seleccionar la clase de material apropiada.

La interfaz celda-placa fría es una de las rutas térmicas más importantes en un vehículo eléctrico refrigerado por líquido.

El objetivo es simple:

Minimizar la resistencia térmica entre la celda generadora de calor y la estructura de refrigeración.

El aire tiene una conductividad térmica de solo aproximadamente0,026 W/m·K, por lo que los huecos de aire no controlados pueden aumentar significativamente la resistencia de la interfaz.

Los materiales de interfaz térmica llenan estos huecos y crean una ruta térmica más continua.

Los tres enfoques más comunes son:

• Almohadillas térmicas

• Rellenos de huecos térmicos dispensados

• Adhesivos térmicamente conductores

Las almohadillas térmicas son láminas sólidas conformables que se colocan entre el componente de la batería y la estructura de refrigeración.

Están disponibles en formulaciones de silicona y sin silicona y se pueden troquelar en formas personalizadas.

Las ventajas típicas incluyen:

• Sin proceso de curado

• Fácil instalación

• Geometría troquelada precisa

• Buen aislamiento eléctrico en grados aislantes

• Reparabilidad en muchas aplicaciones

• Espesor controlado

Los parámetros de selección importantes incluyen:

• Conductividad térmica

• Impedancia térmica

• Espesor

• Dureza

• Comportamiento de compresión

• Resistencia dieléctrica

• Deformación permanente

• Temperatura de operación

Un alto valor de conductividad térmica por sí solo no garantiza un buen rendimiento de la aplicación.

Por ejemplo, una almohadilla muy dura puede tener una excelente conductividad pero requerir una presión de ensamblaje excesiva para lograr un contacto íntimo con la superficie. Un material más blando puede proporcionar una mejor conformidad a menor presión.

Por lo tanto, los ingenieros deben evaluarla impedancia térmica bajo la presión de ensamblaje real y el grosor de la línea de unión, en lugar de seleccionar un material solo por su clasificación W/m·K.

Los rellenos de huecos dispensados son particularmente útiles cuando el hueco de la interfaz varía en el ensamblaje de la batería.

A diferencia de una almohadilla precortada, un relleno de huecos a base de líquido o gel puede adaptarse a la geometría real de la interfaz.

Esto hace que la tecnología sea atractiva para:

• Interfaces celda-placa fría

• Arquitecturas celda-paquete

• Módulos de batería de área grande

• Tolerancias complejas

• Líneas de producción automatizadas

Están disponibles formulaciones de una y dos partes.

Los materiales de una parte están diseñados para un curado controlado según las condiciones especificadas por el fabricante, mientras que los sistemas de dos partes se mezclan y curan después de dispensarlos.

Las principales ventajas incluyen:

• Excelente conformidad superficial

• Gran capacidad de llenado de huecos

• Bajo estrés mecánico

• Compatibilidad con dispensación automatizada

• Menor dependencia de la geometría de la almohadilla precortada

Las principales consideraciones de fabricación son:

• Volumen de dispensación

• Relación de mezcla para sistemas de dos partes

• Vida útil de la mezcla

• Tiempo de curado

• Requisitos de equipo

• Control de la línea de unión

• Estrategia de reparación

Para la producción de baterías de alto volumen, estos factores de proceso pueden ser tan importantes como la conductividad térmica.

La elección entre una almohadilla y un relleno de huecos dispensado depende principalmente de la geometría de la interfaz y el proceso de fabricación.

Ninguna tecnología es universalmente mejor.

La elección correcta depende delrango de huecos, la pila de tolerancias, el requisito de compresión, el volumen de producción y el objetivo térmico.

Algunas interfaces de batería requieren transferencia de calor y fijación mecánica.

Los adhesivos térmicamente conductores pueden proporcionar una unión permanente mientras disipan el calor del componente.

Pueden considerarse para:

• Fijación permanente de componentes

• Interfaces térmicas estructurales

• Aplicaciones relacionadas con barras colectoras

• Fijación de disipadores de calor

• Componentes donde no se desean fijaciones mecánicas

Las cintas térmicamente conductoras pueden proporcionar un método de ensamblaje más simple para componentes más ligeros.

Sin embargo, los adhesivos y las cintas son generalmente menos convenientes de reparar que las almohadillas térmicas. Por lo tanto, deben seleccionarse cuando la naturaleza permanente de la junta sea aceptable.

No todos los problemas térmicos son causados por una mala transferencia de calor vertical.

Las celdas prismáticas grandes y los ensamblajes de celdas tipo bolsa también pueden experimentar gradientes de temperatura en su superficie.

En estas situaciones, los materiales de disipación de calor pueden distribuir el calor lateralmente antes de que llegue a la interfaz de refrigeración principal.

Los materiales a base de grafito y grafeno son ejemplos de materiales térmicos anisotrópicos que pueden proporcionar una alta conductividad térmica en el plano.

Dependiendo de la arquitectura del material, los disipadores de calor a base de grafito pueden alcanzar valores de conductividad en el plano muy altos, en algunos productos comerciales superando1.000 W/m·K.

Estos materiales se utilizan generalmente como parte de una pila térmica en lugar de un reemplazo directo del TIM principal.

Una estructura simplificada puede ser:

Celda → Disipador de calor → TIM → Placa fría

El disipador de calor ayuda a reducir la concentración de temperatura local, mientras que el TIM proporciona el contacto térmico con la estructura de refrigeración.

Los materiales de cambio de fase (PCM) absorben calor mientras experimentan una transición de fase.

Esto los hace útiles para aplicaciones donde la carga térmica contiene picos de corta duración.

Por ejemplo, una batería puede experimentar un aumento temporal en la generación de calor durante:

• Carga rápida

• Aceleración de alta potencia

• Frenado regenerativo

• Descarga de alta corriente

Un PCM puede absorber parte de este calor transitorio y reducir la tasa de aumento de temperatura.

Sin embargo, el PCM no debe considerarse un reemplazo para un sistema de refrigeración activo.

El material tiene una capacidad de calor latente finita. Una vez que se agota la capacidad de cambio de fase disponible, el PCM ya no puede proporcionar el mismo efecto de amortiguación.

Por lo tanto, el PCM es más efectivo cuando se integra con un sistema de rechazo de calor apropiado.

La literatura de revisión de 2024 sobre la gestión térmica de baterías de vehículos eléctricos identifica los enfoques basados en PCM como una de las tecnologías de gestión térmica pasiva o híbrida importantes.

Mientras que algunas partes del paquete de baterías necesitan transferir calor de manera eficiente, otras áreas necesitan hacer exactamente lo contrario.

Entre las celdas, se pueden requerir materiales para ralentizar la propagación térmica y proporcionar aislamiento eléctrico.

Las tecnologías de materiales comunes incluyen:

Las mantas a base de aerogel pueden proporcionar una conductividad térmica muy baja en una estructura delgada.

Su principal ventaja es la eficiencia del aislamiento térmico.

Sin embargo, puede ser necesaria protección mecánica, ya que algunas estructuras de aerogel pueden ser sensibles a la compresión, la abrasión y la manipulación.

La espuma de silicona proporciona una combinación de:

• Aislamiento térmico

• Amortiguación

• Recuperación de compresión

• Resistencia ambiental

• Aislamiento eléctrico

• Opciones ignífugas

Por ejemplo, la familia Z-FOAM800 de ZIITEK incluye grados con una conductividad térmica de alrededor de0,06 W/m·K, clasificaciones UL 94 V-0 y capacidades de temperatura que se extienden hasta aproximadamente 200 °C, dependiendo del grado específico.

Las láminas de mica y cerámica pueden proporcionar aislamiento eléctrico y protección a alta temperatura.

A menudo se consideran para aplicaciones donde el material debe soportar una exposición térmica severa o proporcionar una barrera física entre los componentes de la batería.

El material apropiado depende de la arquitectura de la batería, el escenario del evento térmico y los requisitos de seguridad aplicables.

El aislamiento térmico por sí solo no puede prevenir todos los eventos de seguridad de la batería.

Una estrategia completa de mitigación de fugas térmicas puede implicar:

• Controles del sistema de gestión de la batería

• Monitorización de celdas

• Aislamiento térmico

• Barreras resistentes al fuego

• Estructuras de ventilación

• Diseño de la carcasa mecánica

• Sistemas de refrigeración

• Materiales ignífugos

Se pueden utilizar estándares y métodos de prueba comoUL 2596 para evaluar el rendimiento térmico y mecánico de los materiales de la carcasa de la batería en condiciones representativas de fugas térmicas.

Es importante destacar que los resultados de las pruebas a nivel de material no deben interpretarse como garantías directas de seguridad de la batería a nivel de sistema. El rendimiento real depende del material, la geometría, el grosor, el diseño de la celda y la configuración de uso final.

La gestión térmica de la batería está estrechamente relacionada con la protección del medio ambiente.

Una carcasa de batería debe proteger los componentes internos contra agua, polvo, humedad, vibraciones y ciclos de temperatura.

Por lo tanto, el material de sellado debe mantener la compresión y la fuerza de sellado durante toda la vida útil requerida.

Las especificaciones importantes incluyen:

• Deformación permanente

• Absorción de agua

• Rango de temperatura

• Retardancia de llama

• Propiedades de tracción y desgarro

• Resistencia dieléctrica

• Resistencia ambiental

• Tolerancia de troquelado

Para aplicaciones que requieren retardancia de llama, UL 94 V-0 puede especificarse según los requisitos del OEM y del sistema. UL describe las clasificaciones UL 94 V como clasificaciones de inflamabilidad de materiales basadas en condiciones de prueba definidas.

Los requisitos de protección de entrada comoIP67 o IP68también pueden aplicarse según la carcasa de la batería y la especificación del OEM.

La espuma de silicona puede combinar funciones de sellado, amortiguación y aislamiento en un solo material.

La serie Z-FOAM800 de ZIITEK, por ejemplo, incluye grados diseñados para el sellado de carcasas de baterías y protección térmica. Las especificaciones disponibles incluyen baja deformación permanente, retardancia de llama UL 94 V-0 y amplia resistencia a la temperatura, con valores exactos que dependen del grado.

Para aplicaciones de baterías, los ingenieros deben evaluar el diseño completo del sellado en lugar de seleccionar un material de junta basándose únicamente en la deformación permanente.

El material, la geometría de la ranura, la relación de compresión, las tolerancias y la exposición ambiental afectan el rendimiento del sellado a largo plazo.

La gestión térmica de la batería no se trata solo de eliminar el calor.

En entornos de baja temperatura, la batería también puede necesitar calentarse antes o durante la carga.

Las bajas temperaturas pueden reducir la potencia disponible y el rendimiento de carga. La carga de celdas de iones de litio a temperaturas suficientemente bajas también puede aumentar el riesgo de deposición de litio, dependiendo de la química de la celda y las condiciones de carga.

Por lo tanto, se pueden integrar elementos calefactores flexibles en los paquetes de baterías para elevar la temperatura de las celdas a un rango de funcionamiento apropiado.

Las tecnologías comunes incluyen:

Los calentadores de poliimida ofrecen:

• Construcción delgada

• Bajo peso

• Alta flexibilidad

• Patrones de calefacción personalizados

• Buena resistencia a la temperatura

Los calentadores de caucho de silicona ofrecen:

• Construcción flexible

• Buena resistencia ambiental

• Durabilidad mecánica

• Zonas de calefacción personalizadas

• Compatibilidad con estructuras de paquetes de baterías

Las soluciones de calentadores Kheat de ZIITEK incluyen tecnologías de calentadores de poliimida y silicona, con diseños personalizados capaces de aproximadamente1-2 W/cm² de densidad de potencia, dependiendo del diseño y la aplicación.

Los sistemas de calefacción deben diseñarse junto con sensores de temperatura y algoritmos de control para evitar gradientes de temperatura excesivos o sobrecalentamiento.

Las arquitecturas celda-paquete (CTP) reducen o eliminan algunas estructuras de módulos tradicionales.

IDTechEx ha informado que los diseños CTP pueden reducir sustancialmente la cantidad de TIM utilizada porque la arquitectura elimina algunas de las interfaces asociadas con los módulos convencionales.

Sin embargo, reducir el número de capas de TIM no elimina la necesidad de una ingeniería de interfaz cuidadosa.

En algunos diseños CTP, la interfaz celda-placa fría restante se vuelve aún más importante.

Los ingenieros pueden necesitar gestionar:

• Áreas de interfaz más grandes

• Mayor variación dimensional

• Expansión de celdas

• Requisitos de compresión

• Estabilidad mecánica a largo plazo

• Impedancia térmica

• Aplicación automatizada

Como resultado, la tendencia hacia menos materiales puede aumentar los requisitos de rendimiento de los materiales restantes.

La selección de materiales debe comenzar con la arquitectura térmica en lugar de un catálogo de productos.

Un proceso de selección práctico incluye los siguientes pasos.

Identifique cada interfaz entre la celda generadora de calor y el medio de refrigeración.

Por ejemplo:

Celda → TIM → Placa fría → Refrigerante

Luego, identifique otras áreas donde el calor debe bloquearse, disiparse, sellarse o generarse activamente.

Determinar:

• Temperatura máxima permitida de la celda

• Diferencia de temperatura máxima entre celdas

• Tasa de generación de calor

• Resistencia térmica objetivo

• Área de interfaz

• Rango de temperatura esperado

No utilice la conductividad térmica como único criterio de selección.

Medir:

• Hueco mínimo

• Hueco máximo

• Planitud

• Rugosidad superficial

• Tolerancia del componente

• Rango de compresión

Esta información determina si una almohadilla térmica, un relleno de huecos, un adhesivo u otra tecnología de interfaz es apropiada.

Considerar:

• Fuerza de compresión

• Deformación permanente

• Expansión de celdas

• Vibración

• Golpe

• Movimiento de cizallamiento

• Relajación de estrés a largo plazo

Un TIM debe permanecer funcional durante toda la vida mecánica del paquete de baterías.

Dependiendo de su ubicación, el material puede necesitar:

• Aislamiento eléctrico

• Resistencia dieléctrica

• Retardancia de llama

• Bajo humo

• Baja emisión de gases

• Cumplimiento RoHS

• Cumplimiento REACH

Las clasificaciones a nivel de material siempre deben verificarse con los requisitos reales del OEM y del sistema.

Un material técnicamente excelente aún puede ser inadecuado si no se puede fabricar de manera eficiente.

Evaluar:

• Capacidad de troquelado

• Velocidad de dispensación

• Requisitos de mezcla

• Tiempo de curado

• Compatibilidad con automatización

• Utilización de material

• Requisitos de reparación

• Vida útil

Para la producción de baterías de vehículos eléctricos de alto volumen, la compatibilidad del proceso de fabricación puede tener un gran impacto en el costo total.

Finalmente, pruebe el material en la pila real de la batería.

Las evaluaciones relevantes pueden incluir:

• Ciclos térmicos

• Vibración

• Envejecimiento por compresión

• Envejecimiento por humedad

• Impedancia térmica

• Adhesión

• Deformación permanente

• Aislamiento eléctrico

• Pruebas relacionadas con incendios y propagación

Para materiales de interfaz térmica, ASTM D5470 es un método comúnmente utilizado para medir las propiedades de transmisión térmica de materiales de aislamiento eléctrico térmicamente conductores.

Las condiciones de prueba, incluida la presión, el grosor y la configuración de la prueba, siempre deben informarse, ya que la impedancia térmica depende en gran medida de las condiciones reales de la interfaz.

Antes de seleccionar un material para un programa de baterías de vehículos eléctricos, vale la pena hacerle al proveedor varias preguntas prácticas.

No confíe únicamente en el valor W/m·K anunciado.

Pregunte por:

• Método de prueba

• Presión

• Grosor de la línea de unión

• Temperatura

• Configuración de la muestra

Pregunte por las curvas de compresión y el rendimiento en el rango de huecos real.

Para rellenos de huecos, pregunte sobre:

• Equipo de dispensación

• Relación de mezcla

• Vida útil de la mezcla

• Perfil de curado

• Precisión de dispensación

Solicite datos para:

• Ciclos térmicos

• Envejecimiento a alta temperatura

• Humedad

• Deformación permanente

• Expulsión o migración

• Estabilidad de adhesión

Los diseños de baterías a menudo requieren personalización de:

• Espesor

• Geometría

• Dureza

• Conductividad térmica

• Adhesión

• Retardancia de llama

• Aislamiento eléctrico

Un proveedor capaz de ofrecer soporte de formulación y conversión puede reducir el tiempo de desarrollo.

La arquitectura térmica de una batería de vehículo eléctrico rara vez se resuelve con un solo material.

Un paquete típico puede combinar:

Almohadillas térmicas + Geles térmicos + Aislamiento + Barreras contra incendios + Espumas de sellado + Disipadores de calor + Películas calefactoras

Cada material realiza una función diferente.

ZIITEK, por ejemplo, proporciona materiales de interfaz térmica, materiales de sellado de espuma de silicona y soluciones de calefacción flexibles para aplicaciones de vehículos eléctricos y de nueva energía. Su cartera actual de vehículos eléctricos incluye geles térmicos para interfaces celda-placa fría, almohadillas térmicas de la serie TIF, espuma de silicona Z-FOAM800 y soluciones de calefacción Kheat.

El valor de un enfoque de materiales integrado no es simplemente tener más productos. Es la capacidad de evaluartoda la pila térmica, mecánica, eléctrica y ambientalcomo un sistema.

No existe un TIM universalmente mejor. Las almohadillas térmicas suelen ser adecuadas para huecos controlados y ensamblaje simple, mientras que los rellenos de huecos térmicos dispensados son ventajosos para huecos variables y geometrías complejas. La elección correcta depende de la impedancia térmica, el hueco, la compresión, el aislamiento eléctrico, el proceso de fabricación y los requisitos de fiabilidad.

No necesariamente. Los paquetes de baterías refrigerados por líquido requieren una interfaz térmica controlada entre los componentes generadores de calor y la estructura de refrigeración, pero esa interfaz puede ser una almohadilla térmica, un gel térmico, un relleno de huecos, un adhesivo u otra tecnología TIM.

Una almohadilla térmica es un material de interfaz sólido precurado, mientras que un gel térmico o relleno de huecos se dispensa en forma líquida o de gel y se adapta a la geometría real de la interfaz. Las almohadillas son generalmente más fáciles de manipular, mientras que los geles pueden proporcionar una mejor conformidad para huecos variables o más grandes.

Los materiales de aislamiento pueden reducir la transferencia de calor lateral y ayudar a ralentizar la propagación térmica entre celdas adyacentes. Dependiendo de la aplicación, se pueden considerar materiales como espuma de silicona, aerogel, mica y láminas de cerámica.

Generalmente, no. El PCM puede absorber una cantidad finita de calor durante una transición de fase y, por lo tanto, amortiguar los picos térmicos de corta duración. No elimina el calor continuamente y normalmente necesita funcionar con un mecanismo de rechazo de calor apropiado.

Las películas calefactoras proporcionan calor controlado durante la operación a baja temperatura. Pueden ayudar a llevar las celdas a un rango de temperatura apropiado antes o durante la carga, especialmente en climas fríos.

No existe un objetivo W/m·K universal. El rendimiento térmico depende de la conductividad térmica, el grosor, la resistencia de contacto, la presión, la geometría de la interfaz y la ruta de calor total. La impedancia térmica en condiciones de ensamblaje realistas es a menudo más útil que la conductividad sola.

Los parámetros importantes incluyen la deformación permanente, el rango de temperatura, la absorción de agua, la retardancia de llama, las propiedades dieléctricas, la resistencia ambiental y el diseño real de compresión de la carcasa. Los requisitos de IP deben evaluarse a nivel de sistema.

Algunos proveedores de materiales ofrecen múltiples tecnologías, que incluyen almohadillas térmicas, geles térmicos, espumas de silicona, disipadores de calor y películas calefactoras, lo que puede simplificar la calificación de materiales y la integración del sistema. Sin embargo, cada material aún debe validarse según el diseño específico de la batería y los requisitos del OEM.

La gestión térmica de las baterías de vehículos eléctricos se está convirtiendo cada vez más en undesafío de ingeniería de materiales tanto como un desafío de sistema de refrigeración.

La arquitectura de refrigeración determina a dónde puede ir el calor. Los materiales determinan la eficiencia con la que el calor llega a ese destino, y dónde el calor debe ser bloqueado, disipado, sellado o generado.

Para un paquete de baterías de vehículos eléctricos moderno, una gestión térmica eficaz puede requerir una combinación coordinada de:

Materiales de interfaz térmica

• Materiales de disipación de calor

• Aislamiento térmico

• Barreras contra incendios

• Materiales de sellado

• Películas calefactoras

Por lo tanto, la estrategia de selección de materiales más confiable no es buscar un único material térmico "mejor". En cambio, los ingenieros deben mapear la ruta térmica completa de la batería, definir los requisitos de cada zona, evaluar el rendimiento térmico y mecánico en condiciones realistas y validar el ensamblaje completo antes de la producción.

A medida que las arquitecturas de baterías evolucionan hacia celda-paquete, mayor densidad de energía y carga más rápida, la importancia de este enfoque de materiales integrado solo seguirá creciendo.