Resumen : La tecnología de refrigeración directa (placa fría de la batería) para baterías de potencia ofrece ventajas como alta eficiencia de refrigeración, diseño de sistema compacto y ausencia de riesgos ocultos de cortocircuitos, lo que ha generado un interés creciente. Sin embargo, la complejidad de esta tecnología plantea nuevos desafíos para la simulación, incluyendo procesos de cambio de fase intensos dentro de la batería, grandes diferencias de temperatura entre las celdas y una alta integración con las estrategias de control de climatización. Este artículo presenta el método de simulación GT-SUITE para la refrigeración directa de baterías. Este método permite equilibrar la resolución y la velocidad de cálculo, y resulta adecuado para simulaciones transitorias a largo plazo.
El rango de temperatura óptimo para las baterías de litio utilizadas en vehículos eléctricos es de entre 20 y 30 grados Celsius. Las temperaturas altas (superiores a 45 grados Celsius) aceleran el envejecimiento de la batería y aumentan el riesgo de problemas de seguridad térmica. Por otro lado, las temperaturas bajas (inferiores a 0 grados Celsius) limitan el rendimiento de carga y descarga del paquete de baterías y aumentan el riesgo de que se produzcan depósitos de litio. Por lo tanto, la gestión térmica del paquete de baterías es crucial.
Actualmente, la combinación de un sistema de aire acondicionado con bomba de calor y un sistema de refrigeración líquida para la batería se ha convertido en la solución principal para la gestión térmica en vehículos eléctricos. La tecnología de refrigeración líquida ofrece la ventaja de un enfriamiento rápido, pero la recirculación secundaria del sistema de refrigeración líquida conlleva más componentes, mayores costes y riesgo de fugas. Por este motivo, la tecnología de refrigeración directa está ganando popularidad. La refrigeración directa elimina la necesidad de una recirculación secundaria del líquido refrigerante mediante la transferencia de calor por ebullición del refrigerante en lugar del intercambio de calor monofásico con el líquido refrigerante. Ofrece una alta eficiencia de refrigeración y requiere menos componentes, lo que reduce eficazmente el peso total del vehículo y mejora la eficiencia energética y la rentabilidad. Sin embargo, la tecnología de refrigeración directa implica un sistema de control más complejo.
En términos de simulación, la tecnología de enfriamiento directo también presenta nuevos desafíos. Estos desafíos giran principalmente en torno a tres aspectos: intensos procesos de cambio de fase dentro del paquete de baterías, diferencias significativas de temperatura dentro de las celdas de la batería (que requieren modelos de alta resolución) y la necesidad de una alta integración con estrategias de control de HVAC. Este artículo presentará el método de simulación de GT-SUITE en el enfriamiento directo de paquetes de baterías. Este método puede equilibrar la resolución y la velocidad computacional de la batería, lo que lo hace adecuado para simulaciones transitorias a largo plazo.
Hay tres métodos principales para la simulación de paquetes de baterías refrigerados directamente.
Método CFD 3D
Los modelos de simulación CFD proporcionan una alta fidelidad y pueden simular eficazmente la distribución de parámetros dentro del paquete de baterías. Sin embargo, debido a los intensos procesos de cambio de fase que ocurren dentro del paquete de baterías, la convergencia se vuelve un desafío. Además, el alto costo computacional de las simulaciones CFD a menudo conduce a un enfoque simplificado donde el circuito refrigerante no se modela explícitamente y solo se definen los límites del paquete de baterías. Desafortunadamente, en muchos casos, obtener condiciones de contorno precisas para el paquete de baterías es difícil. Además, la tecnología de enfriamiento directo está estrechamente integrada con el sistema HVAC y las estrategias de control (como compresores y válvulas de expansión electrónicas), que no se pueden capturar adecuadamente mediante simulaciones CFD. Aunque los enfoques de acoplamiento unidimensionales o tridimensionales pueden abordar los problemas de convergencia de las simulaciones CFD independientes, son computacionalmente costosos y no son prácticos para la mayoría de las aplicaciones.
Método de simulación del sistema: la celda se divide en varios nodos activos
En respuesta a las dificultades encontradas por las simulaciones CFD en la simulación de la tecnología de enfriamiento directo, especialmente los desafíos relacionados con la alta integración con las estrategias de control de HVAC, muchos investigadores e ingenieros han adoptado la simulación de sistemas. Debido a las variaciones significativas de temperatura dentro de las celdas de la batería en el enfriamiento directo, tratar cada celda como un solo nodo térmico es inadecuado. Por lo tanto, en las simulaciones de sistemas, las celdas de la batería a menudo se dividen en múltiples nodos térmicos para tener en cuenta las diferencias aproximadas de temperatura interna. Este enfoque proporciona un cálculo rápido, permite la integración con las estrategias de control de HVAC, pero mantiene una resolución de modelo relativamente baja.
Método de simulación del sistema: La celda se divide en elementos finitos
Para mejorar la resolución del modelo al integrar las estrategias de HVAC y control, GT-SUITE puede dividir la celda en elementos finitos, como se muestra a continuación, con cada celda dividida en 960 cuadrículas (la cantidad de cuadrículas está relacionada con el tamaño de la cuadrícula).
Temperatura de la celda en diferentes relaciones de carga
Se utilizó un modelo de paquete de baterías con un límite determinado (no integrado con el sistema HVAC). La temperatura ambiente era de 43 °C, el caudal de refrigerante era de 0.05 kg/s, la sequedad de entrada era de 0.3 y la presión de salida era de 3 bar. La batería se cargó a 1/2/3 °C y la ventana de carga del estado de carga (SOC) era de 0.3 a 0.8. Las siguientes figuras muestran los perfiles de temperatura del monómero ubicado en el medio del módulo en diferentes relaciones de carga, respectivamente.
El modelo del paquete de baterías está integrado con el sistema HVAC. La apertura de la válvula de expansión electrónica en la parte delantera del paquete de baterías se ajustó mediante PI y se investigó la influencia de diferentes sobrecalentamientos objetivo (1/2/3 ℃) en la salida del paquete de baterías en los resultados.
La temperatura ambiente es de 43 ℃, la velocidad del viento de entrada del condensador es de 5 m/s y la temperatura del aire de entrada es de 43 ℃, y la batería se descarga a 1 C. La estrategia de control en este ejemplo es muy simple (solo como ejemplo), es decir, el compresor controla la temperatura del aire objetivo del evaporador mediante PI a 3 ° C, cuando la presión de alta presión es mayor a 25 bar, reduce la velocidad del compresor a 1000 rpm y luego emite el valor de salida del controlador PI después de 30 s. La siguiente figura muestra la velocidad del compresor a diferentes sobrecalentamientos objetivo en la salida del paquete de baterías. Se puede ver en la figura que el compresor cambia con frecuencia. Cuanto mayor sea el sobrecalentamiento objetivo, menor será el flujo a través del paquete de baterías, lo que da como resultado una mayor presión en el sistema de aire acondicionado, que a su vez activa continuamente el interruptor de presión.
En resumen, para la disipación de calor del paquete de baterías , suele ser necesario realizar análisis de simulación para conocer la distribución de temperatura en su interior y así optimizar el diseño. Por supuesto, ningún análisis es suficiente; solo sirve como guía para el diseño. Para cualquier necesidad de gestión térmica, contáctenos. Kenfa Tech es experta en el diseño y la producción de disipadores de calor y placas de refrigeración líquida.