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¿Por qué la gestión térmica es imprescindible para el 'boom' del coche eléctrico?

Iñigo Ortega, ingeniero asociado del Grupo Ingeniería de sistemas y transferencia de tecnología del área de Soluciones de Energía Térmica de CIC energiGUNE

 ¿Por qué la gestión térmica es imprescindible para el 'boom' del coche eléctrico?

A la hora de diseñar un sistema de gestión térmica en un vehículo eléctrico donde la autonomía continúa suponiendo un reto, resulta crítico considerar, no solo el paquete de baterías, analizado previamente en el blog, si no también otros componentes como el motor eléctrico, el sistema climatización del habitáculo, el sistema de carga de la batería y/o la electrónica de potencia.

Este artículo tiene como objetivo identificar cuáles son las necesidades y características térmicas de cada uno de estos componentes, analizando las tendencias actuales y futuras del sector en materia de gestión térmica integrada en el vehículo eléctrico.

 

Motor eléctrico (e-motor)
Junto con el paquete de baterías, el e-motor es uno de los componentes críticos dentro del vehículo eléctrico. A la hora de gestionar térmicamente el e-motor, no se plantea en ningún momento la necesidad de calentarlo, por lo que todas las soluciones propuestas a nivel comercial tienen como objetivo la refrigeración de sus componentes. De hecho, la refrigeración del e-motor es de gran relevancia debido a que la eficiencia de conversión electro-mecánica se reduce significativamente con el aumento de la temperatura.

Teniendo esto en cuenta, dentro del vehículo eléctrico, el e-motor ha de considerarse como un componente generador de calor, el cual puede ser capturado y reutilizado en otros sistemas demandantes de calor dentro del vehículo, con el objetivo final de mejorar la eficiencia energética y extender la autonomía del vehículo.

Analizando las soluciones propuestas por empresas del sector como Volkswagen AG, YASA o Punch Powertrain NV existen, principalmente, dos alternativas de refrigeración en el e-motor. Por un lado, estaría el uso de una camisa externa al motor y, por otro, internamente a través del eje del rotor. En ambos conceptos, la propuesta es el uso de líquidos como fluido caloportador (agua, refrigerantes o aceites térmicos). La selección de la tecnología de refrigeración del e-motor depende directamente de la potencia del mismo, siendo necesario en casos de motores de alta potencia la combinación de ambas. Respecto a la selección del fluido, éste dependerá del utilizado en el resto de componentes del vehículo. En casos extremos, como pueden ser vehículos de competición, se contempla incluso la necesidad de sumergir el motor en aceite como único método para alcanzar las potencias de refrigeración necesarias.

 

Confort térmico en la cabina
Un debate que surge en el vehículo eléctrico con la eliminación de los motores de combustión interna (ICE) es, cómo satisfacer la demanda térmica de la cabina para lograr el confort de los pasajeros. En los vehículos ICE, este calor es “gratuito” ya que proviene de las ineficiencias del motor y se genera en grandes tasas, teniendo que evacuar el excedente al exterior. Sin embargo, la generación de calor por ineficiencias en los diferentes componentes del VE es muy inferior, y en muchas situaciones no es suficiente para satisfacer el total de la demanda. En este sentido, es necesario disponer de un sistema auxiliar que, a partir de la energía acumulada en la batería, genere el calor necesario.

En este marco, el foco se pone en cuál es la forma más eficiente de satisfacer el confort de los ocupantes del vehículo. Entre las alternativas, se valoran el uso de aire para calentar la cabina como se ha hecho tradicionalmente, el calentamiento únicamente de superficies, como los asientos, volante, etc., o una combinación de ambas.

En lo referente al uso de aire, la forma más sencilla y económica es usar resistencias eléctricas. Sin embargo, esta alternativa presenta bajas eficiencias en comparación con el uso de bombas de calor (más costosas). El uso del calentamiento directo de superficies, se ve como una alternativa para optimizar el uso energético y garantizar el confort térmico de tal forma que se calienten solo aquellas zonas del habitáculo en las que haya ocupantes.

Aparentemente no existe un consenso sobre una solución estándar. En la actualidad, la tenencia del sector parece ser diferente en el caso de utilitarios pequeños y vehículos premium. Los primeros, en los cuales prima la reducción de costes, suelen incluir un sistema de climatización basado en aire, calentado por resistencias, de serie y, ofrecen de forma opcional, la bomba de calor, con el objetivo de minimizar el consumo eléctrico y, por ende, aumentar el alcance del vehículo. Sin embargo, en vehículos premium la solución de serie tiende a ser la combinación de bomba de calor (aire) y calentamiento de superficies (asientos y volante).

 

Cargador
Durante la operación de carga del vehículo eléctrico, los diferentes elementos del vehículo que entran en funcionamiento (conexiones, conducciones, electrónica de potencia, baterías, etc.) se calientan, principalmente, por efecto Joule. Esto quiere decir que la potencia disipada en la operación de carga crece cuadráticamente con la corriente aplicada.

De forma general, los fabricantes recomiendan realizar cargas lentas o semi rápidas para aumentar la vida útil del paquete de baterías. Sin embargo, el sector trabaja en aumentar las potencias de carga admisibles por la batería con el objetivo de minimizar los tiempos de recarga, sobre todo para aquellos casos en los que se realicen trayectos de distancia superior al alcance de la batería.

Nombre Potencia (kW)
Lenta 3,7 (AC)
Semi rápida 7,4 (AC) - 22 (DC)
Rápida 50 (DC)
Super rápida 100 (DC)
Ultra rápida 130 - 150 (DC)
Extra rápida 350 (DC)

En estos momentos, el reto del sector está en alcanzar electroquímicas de celda capaces de cargar de forma prolongada a C-rates de 4 (potencias de hasta 350 kW), lo que equivaldría a poder recargar el 50% del alcance del vehículo en menos de 10 minutos. Este tipo de carga es la conocida como carga extra rápida (XFC). No obstante, todavía queda cierto camino por recorrer. A modo de ejemplo, en la actualidad, el fabricante que homologa a nivel comercial una mayor potencia de carga es Tesla con el Model S y Model X que permite cargas máximas de hasta 142 kW.

Sin embargo, el reto no está únicamente en la electroquímica de celda, sino también en el sistema de refrigeración necesario, ya que se estima que, durante la carga extra rápida, se requerirán potencias de refrigeración de hasta 15 kW. Para dar respuesta a esta necesidad, el sector automovilístico apunta como única alternativa viable, a día de hoy, el uso de sistemas basados en inmersión en fluidos dieléctricos.

 

Paquete de baterías
A diferencia de los sistemas mencionados anteriormente, el paquete de baterías puede requerir ser calentado (climas fríos, antes de una carga rápida, etc.) o refrigerado (verano, durante cargas rápidas, proceso de descarga, etc.). Esta característica aumenta la complejidad del sistema de gestión térmica global y obliga a una integración efectiva con el resto de componentes. Además, se prevé que las necesidades de gestión térmica de este componente varíen sustancialmente en el corto/medio plazo, principalmente guiadas por la entrada en el vehículo eléctrico de las baterías de estado sólido. Si bien, las baterías de Li-ion con electrolito líquido (usadas en la actualidad), tienen un rango óptimo de operación entre 15 y 35 ºC, pero son capaces de trabajar fuera del mismo, las baterías de estado sólido trabajan a altas temperaturas (actualmente en torno a los 70 ºC, aunque ya se está trabajando en reducirlo a temperatura ambiente). Este nuevo escenario, aumentará la demanda térmica del paquete de baterías y requerirá de sistemas auxiliares de calentamiento para su entrada en operación.

En la actualidad, el sector tiende a descartar los sistemas de gestión térmica basados en convección forzada por aire para las baterías, principalmente por su alto consumo, baja eficiencia y limitada potencia, comparado con los sistemas basados en líquidos (indirecta). Esta última es, hoy en día, la solución más extendida. En particular, la mayoría de fabricantes se decantan por los conocidos como “platos fríos” (cold plates), consolidándose como una tecnología madura, robusta, eficiente y segura para cubrir las necesidades del vehículo eléctrico actual.

En lo referente a tendencias futuras, se puede observar cómo los principales esfuerzos de las empresas del sector están centrados en la inmersión en fluidos dieléctricos ya que, a priori, es la única tecnología capaz de aportar las potencias de refrigeración estimadas para la carga extra rápida.

 

El rol de las herramientas de simulación en la gestión térmica
Como se puede deducir de los párrafos anteriores, existe una clara necesidad de integración entre los diferentes componentes del vehículo eléctrico con el objetivo de optimizar térmicamente el funcionamiento del mismo. El objetivo final es minimizar el consumo de energía eléctrica para la generación de calor.

En el cumplimiento de este objetivo y en el de reducir los tiempos y costes de diseño y fabricación, las herramientas de simulación juegan un papel primordial. De hecho, es cada vez más común el encontrar estudios de empresas relevantes en el sector utilizando este tipo de herramientas, como por ejemplo Ford OTOSAN, RIMAC Automobili, MAGNA, CAF, Volkswagen AG, etc.

Existen principalmente dos tipologías de herramientas de simulación que se aplican en el diseño y la optimización del sistema de gestión térmica del vehículo eléctrico: softwares que permiten hacerlo a nivel de componente como es el caso de herramientas CFD (dinámica de fluidos computacional) como COMSOL Multiphysics, ANSYS Fluent, SimScale GmbH, etc, y los que lo permiten a nivel de sistema como por ejemplo MATLAB-Simulink.

 

El rol del almacenamiento térmico
Un componente no integrado en la actualidad en el vehículo eléctrico pero que está llamado a tener un rol importante, sobre todo cuando se consoliden las celdas de estado sólido y la posibilidad de carga extra rápida, es el sistema de almacenamiento de calor.

Como se trató en una entrada previa del blog, este tipo de sistemas permiten desacoplar la generación de calor (operación de carga, funcionamiento del e-motor, etc.) de la demanda (calentamiento de baterías, confort térmico de la cabina, etc.). Por esta característica es el sistema ideal para integrar los diferentes subsistemas generadores y demandantes de calor dentro del vehículo eléctrico.

En esta dirección apunta, por ejemplo, IVECO S.p.A., quien está estudiando el implementar un sistema de almacenamiento térmico en sus vehículos, ya que estiman que pueden mejorar la eficiencia energética en invierno hasta en un 20%.

La tecnología de almacenamiento térmico que parte con mayor ventaja para esta aplicación es la basada en materiales de cambio de fase (PCMs), principalmente por su grado de madurez, alta densidad energética y capacidad de suministrar energía a temperatura constante. De hecho, suministradores de componentes para vehículos como VALEO ya disponen en su catálogo dispositivos de esta tipología.

 

El papel de CIC energiGUNE en los sistemas de gestión térmica
Como se desprende del gran incremento en ventas de vehículos eléctricos, se puede argumentar, sin lugar a dudas, que éste se encuentra ya en una fase madura, sin embargo, existen todavía retos en torno a él, que afectarán directamente al sistema de gestión térmica, con una tendencia clara hacia soluciones tecnológicamente más avanzadas.

En  CIC energiGUNE aceptamos este reto y es por ello, que desde el área de soluciones de energía térmica (TES) trabajamos de la mano de nuestras empresas colaboradoras en el desarrollo y validación de herramientas de simulación a diferentes niveles que nos permitan diseñar y optimizar soluciones de gestión térmica avanzada, apalancándonos en una plataforma de caracterización y predicción de propiedades y comportamientos térmicos y electroquímicos a nivel de celda y en la creación de bancos de pruebas que puedan integrar diferentes soluciones de gestión térmica.

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Artículos sobre movilidad sostenible | 29 de marzo de 2022 | 994

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