Cuando al conocimiento en materiales y tecnologías para la gestión, conversión y almacenamiento de energía térmica del área de Soluciones de Energía Térmica (TES) de CIC energiGUNE, se le unen los del área de Almacenamiento de Energía Electroquímica (EES), surgen innovaciones disruptivas de gestión térmica enfocadas a las baterías.

El objetivo de los BTMS (Battery Thermal Management System, de sus siglas en inglés) es evitar el deterioro acelerado de la batería mediante la gestión del calor generado por sus componentes para que ésta opere de forma continuada en condiciones óptimas de temperatura.

Si bien las celdas existentes a nivel comercial pueden operar de forma segura entre -40 y 60 ºC, es cierto que el rango de operación preferido por los fabricantes, con el objetivo de maximizar su comportamiento, se sitúa entre los 15 y 35 ºC. En este sentido, también se recomienda que dentro del battery-pack no exista una diferencia superior a 5 ºC entre las celdas que lo componen.

Cabe destacar que la exposición de la batería a condiciones extremas puede acabar en consecuencias fatales para la misma. Por ejemplo, su operación a muy altas temperaturas (> 80 ºC) puede causar el conocido thermal runaway, derivando en fuego y, en el peor de los casos, explosión de la batería con las consecuentes implicaciones a nivel de seguridad de las personas.

El BTMS es el componente del battery-pack encargado de garantizar que las celdas operan en las condiciones óptimas de temperatura especificadas por el fabricante.

Tecnologías de gestión térmica

A la hora de seleccionar un BTMS para un battery-pack, no existe una única alternativa. En la siguiente figura se incluye un esquema donde se recogen las principales tecnologías de gestión térmica disponibles a nivel comercial o que están siendo investigadas por la comunidad científica:

La primera gran clasificación de BTMS se corresponde con aquellos sistemas en los que existe un fluido en movimiento y en los que no. A los primeros se les conoce como BTMS activos y a los segundos como BTMS pasivos.

BTMS activos

Hoy en día, los BTMS activos basados en aire forzado o líquidos refrigerantes son los más usados en vehículos eléctricos. Por ejemplo, tanto Toyota como Lexus emplean ventiladores que hacen circular aire frío a través de las celdas de la batería. Por otro lado, Tesla o Audi utilizan canales en contacto directo con las celdas por donde circula un fluido refrigerante (comúnmente, una mezcla de agua y etilenglicol).

Cuando se usan líquidos refrigerantes, estos pueden estar en contacto directo con las celdas (inmersos en el fluido) o circular por el interior de conductos y actuar de forma indirecta. Los ejemplos de refrigeración líquida antes mencionados son todos sistemas indirectos.

Una de las principales desventajas de los sistemas indirectos frente a los directos es la pérdida de eficiencia en la transferencia de calor, debido, principalmente, a la resistencia a la misma en la interfase entre el conducto que contiene el refrigerante y la propia celda.

Sin embargo, los sistemas indirectos, al no existir un contacto directo entre el fluido y los componentes eléctricos de la batería, permiten el uso de los líquidos refrigerantes convencionales ya empleados en vehículos de combustión. Es por este motivo, y por su bajo coste, que esta es la alternativa preferida, hoy en día, por los fabricantes que implementan refrigeración líquida.

La inmersión de las celdas en fluidos refrigerantes ha adquirido en los últimos años un gran interés tanto a nivel científico como industrial. La principal ventaja que aporta esta configuración es el contacto directo entre el fluido refrigerante y las celdas, lo que permite una transferencia térmica más efectiva. Estudios indican que la transferencia se puede incrementar hasta en cuatro veces frente a sistemas indirectos.

Sin embargo, existen importantes barreras que frenan la implementación de esta solución en vehículos eléctricos hoy en día. La principal de ellas es la necesidad de profundizar en la investigación en fluidos dieléctricos que garanticen el correcto funcionamiento de las celdas, no tengan incompatibilidades con ninguno de los componentes del battery-pack (celdas, colectores de corriente, electrónica…), tengan un coste razonable y garanticen la seguridad del vehículo en caso de impacto.

Un caso más extremo de esta alternativa es el uso de fluidos con punto de ebullición en el rango de temperaturas deseado para las celdas, con el objetivo de beneficiarse del cambio de fase líquido-vapor.

Existen estudios a nivel científico en estos fluidos, con los que se estima que la transferencia de calor se puede aumentar hasta en 10 veces en comparación con el uso de fluidos sin cambio de fase. Sin embargo, estos fluidos se encuentran en un TRL (Nivel de Madurez Tecnológica, del inglés “Technology Readiness Level”) muy bajo y no se espera que se puedan implementar en vehículos en el corto plazo.

De forma general, las ventajas y desventajas que presentan los BTMS activos se pueden resumir de la siguiente manera:

• Ventajas:
  • Diseño relativamente sencillo de los basados en aire forzado.
  • Alta eficiencia a la hora de mantener el battery-pack en el rango de temperatura deseado en el caso de los basados en líquidos.
• Desventajas:
  • Altos costes operativos en los basados en aire forzado debido a la necesidad de implementar grandes flujos de aire.
  • Baja eficiencia a la hora de conseguir homogeneidad en temperatura entre celdas.
  • En los basados en líquidos pueden surgir problemas de fugas.
  • Volumen ocupado y complejidad de los sistemas basados en líquidos.

BTMS pasivos

Una alternativa a los BTMS activos que solventan las desventajas de éstos, son los sistemas pasivos. Si bien es cierto que este tipo de sistemas no se encuentran implementados en vehículos eléctricos hoy en día, en los últimos tiempos están adquiriendo una gran relevancia debido a las ventajas operacionales que presentan.

De entre las diferentes soluciones pasivas, cabe destacar dos grandes familias: los materiales de cambio de fase (PCMs por sus siglas en inglés) y los tubos de calor (HPs por sus siglas en inglés).

Los PCMs -sobre todo los que presentan un cambio de fase sólido-líquido-, han sido ampliamente estudiados para su aplicación en BTMS. El interés de estos materiales reside en la posibilidad de explotar las altas energías asociadas a los cambios de fase (típicamente >150 J/g) que ocurren prácticamente a temperatura constante. Estas dos características les hacen ser atractivos a la hora mantener una temperatura homogénea en todo el battery-pack, cercana a la temperatura de cambio de fase del PCM implementado.

Los compuestos más estudiados para estas aplicaciones son parafinas, ácidos grasos o sales hidratadas. De forma general, estos compuestos/mezclas presentan puntos de fusión en el rango de 30-50 ºC, lo cual les hace idóneos para la gestión térmica de baterías.

Sin embargo, de forma general, las familias de PCMs mencionadas anteriormente, presentan una relativa baja conductividad térmica, propiedad que limita la transferencia de calor de las celdas al propio PCM y de este al exterior del battery-pack.

Para solventar esta limitación, en la literatura existen numerosos trabajos que proponen embeber el PCM en estructuras porosas (generalmente metálicas), dopar el PCM con nanopartículas, fibras o grafito expandido entre otras.

Pese a su buen comportamiento a la hora de lograr una buena homogeneidad térmica en el paquete de baterías, los PCMs presentan ciertas limitaciones que hacen que no sean la opción preferente hoy en día. Entre ellas cabe destacar las siguientes:

• Baja conductividad térmica.
• Cuando se dopa el PCM, pierde densidad energética.
• Capacidad limitada de almacenamiento térmico.
• Aumenta el peso del battery-pack.

Una segunda alternativa a los sistemas activos son los tubos de calor. Se trata de tubos a vacío rellenados con un fluido (normalmente agua) que operan utilizando el cambio de fase líquido-vapor del mismo.

De forma general, un tubo de calor está compuesto de tres secciones: un evaporador (zona en contacto con el foco caliente/celda), una sección adiabática por donde circula el vapor y un condensador (zona en contacto con el foco frío/exterior del paquete de baterías). Y, aunque, a día de hoy no se usan en battery-packs, su uso en refrigeración de componentes electrónicos está muy extendida.

Las principales características que los hacen de gran interés para su implementación en BTMS son su geometría flexible, su alta conductividad térmica (prácticamente el doble que sólidos conductores) y un mantenimiento prácticamente nulo. Por otro lado, las principales limitaciones de esta tecnología son su complejidad y el coste de la solución completa.

BTMS híbridos

Finalmente, con el objetivo de aprovechar las ventajas de los sistemas activos y pasivos, surgen los sistemas híbridos, que combinan dos o más de las alternativas anteriormente presentadas.

Entre las combinaciones más estudiadas cabe destacar el uso de PCMs con aire forzado, PCMs con refrigeración líquida o PCMs con tubos de calor. En el primer caso, el objetivo es lograr una buena distribución de la temperatura en el battery-pack y el uso del aire forzado o la refrigeración líquida para evacuar el calor generado al exterior.

En el caso de PCMs con tubos de calor, el objetivo es mejorar la transferencia de calor del PCM al exterior de las celdas, de tal forma que éstas se puedan refrigerar por convección natural.

Si bien estos sistemas BTMS muestran un comportamiento mucho más efectivo que los puros pasivos o activos a la hora de gestionar térmicamente el paquete de baterías, su complejidad y coste suponen un limitante para ser implementados en vehículos eléctricos.

Un sector con grades expectativas

Sea cual sea la alternativa que finalmente domine el mercado en los próximos años, lo que sí parece seguro es la importancia que este sector cobrará en el corto y medio plazo. Ya no sólo por la paulatina implantación de los vehículos eléctricos, sino también por su utilidad y aplicación en otros usos y sectores donde la óptima operación y temperatura de las celdas y baterías es crítica para su correcto funcionamiento.

No en vano, si nos centramos solo en las perspectivas de mercado esperadas para la industria de BTMS asociados al vehículo eléctrico, observamos que se estima que esta actividad alcance un valor de 12-13 mil millones de euros solo hasta 2024, con un CAGR de casi el 40% en los próximos años (muy por encima de la media de otras industrias).

Esto no hace más que reafirmar las grandes apuestas que empresas como Samsung, CATL o LG Chem han comenzado a realizar en estas tecnologías, que demuestran el futuro y potencial que estas nuevas soluciones se espera que tengan en los próximos años.

En ese sentido, en CIC energiGUNE tampoco nos quedamos atrás y ya estamos trabajando en alternativas disruptivas de gestión térmica en colaboración con fabricantes de celdas, cuya información ampliaremos en próximos artículos.