Descubriendo los secretos de la temperatura de las celdas de iones de litio para mejorar el rendimiento de refrigeración

Un factor clave es optimizar estas tecnologías y el sistema de gestión de baterías (BMS) para estas temperaturas más frías. Los datos de temperatura también pueden ayudar con la gestión de seguridad de la batería y SOH.

La temperatura es una barrera clave para cargar las baterías rápidamente. En particular, la carga rápida a bajas temperaturas aumenta el riesgo de que se produzca un recubrimiento de litio, lo que provoca un envejecimiento acelerado de la batería.

Dado que la temperatura tiene una influencia significativa en las baterías de iones de litio, es fundamental tener en cuenta el estado térmico de las baterías como parte de la gestión de las mismas. En pocas palabras, las temperaturas extremas son el enemigo de estas baterías.

Las celdas de las baterías de iones de litio funcionan mejor en un rango de temperatura entre 15 y 45 °C (hasta cierto punto). Las temperaturas más frías reducen el rendimiento de las celdas, reduciendo el alcance y la potencia disponible. La carga, especialmente la carga rápida, funciona mejor a unos 55 °C. Este nivel de temperatura reduce la impedancia interna y facilita los cambios electroquímicos durante la carga.

Optimización de sistemas de gestión de baterías para bajas temperaturas.

Los sistemas de gestión de baterías (BMS) se utilizan a menudo para preparar las celdas para una carga rápida. El BMS puede aumentar la temperatura cambiando el flujo de refrigerante a un paquete de baterías. Si es necesario y se dispone de un equipamiento adecuado, también se pueden encender calentadores internos para acercar las celdas a la temperatura de carga ideal. Un mayor número de sensores más potentes puede hacer que este proceso sea más eficaz.

Los modelos sofisticados del BMS determinan la mejor estrategia para controlar los calentadores y el flujo de refrigerante. Los sensores de temperatura en las celdas y en todo el sistema de enfriamiento son necesarios para proporcionar datos en tiempo real para que el modelo funcione correctamente. Un sistema que maneja la gestión térmica a este nivel a menudo se denomina sistema de gestión térmica de batería (BTMS).

Por supuesto, en condiciones cálidas existe la preocupación de que una carga demasiado rápida pueda elevar la temperatura interna de las celdas hasta el punto de degradar la batería, lo que podría incluso conducir a una situación peligrosa de fuga térmica. La fuga térmica puede provocar la liberación de gases inflamables, lo que podría provocar una explosión o un incendio.

En situaciones más frías, particularmente por debajo de 15°C, el BTMS también se puede utilizar para calentar la batería en preparación para generar energía para alimentar el vehículo o para cargarla.

Sin dicho calentamiento, se ralentiza la acción química dentro de la célula. Esto, a su vez, reduce la cantidad de energía que se puede extraer y aumenta la impedancia, lo que dificulta la carga. Intentar cargar las celdas demasiado rápido en estas circunstancias, además del efecto de galvanoplastia, puede resultar en la formación de dendritas (cristales ramificados) que potencialmente podrían penetrar la interfaz cátodo-ánodo. Esto podría provocar un cortocircuito, destrucción celular o algo peor.

Técnicas para monitorear la temperatura celular.

Un método para monitorear la temperatura de las celdas es medir la temperatura exterior de todas las celdas o de una muestra grande colocando termistores o termopares sobre ellas. Esto puede resultar costoso y complejo, especialmente cuando están implicadas cientos de células.

Incluso si un gran porcentaje de celdas tienen sensores, es posible que las mediciones externas no muestren los cambios rápidos en la temperatura interna durante los procesos de carga y descarga o cuando las temperaturas externas fluctúan. Al menos con un sensor externo habrá cierto retraso en el registro de los cambios de temperatura internos. Incrustar sensores internamente en la celda sería una buena solución posible, excepto que no es práctico.

Por lo tanto, el enfoque más prometedor es estimar la temperatura interna de la celda examinando señales mensurables como corriente, voltaje, impedancia/resistencia, posiblemente combinadas con datos de temperatura de la superficie.

Los ingenieros quieren poder examinar la temperatura global de paquetes completos, la temperatura central de las celdas y las temperaturas superficiales de las celdas y la distribución de la temperatura. En conjunto, esta información puede ofrecer una imagen mucho más clara del estado térmico y la salud de la batería.

Existen métodos eléctricos para medir indirectamente la temperatura de la batería en función de la impedancia y la resistencia.

Por ejemplo, la espectroscopia de impedancia se puede medir basándose en la respuesta a una señal de corriente de excitación o una señal de voltaje. Generar excitaciones en un amplio rango y determinar la impedancia puede conducir a un indicador indirecto de la electroquímica y los procesos internos. Las fluctuaciones de temperatura están relacionadas con fluctuaciones electroquímicas y pueden indicar implícitamente, por ejemplo, lo que sucede en el ánodo.

Por supuesto, SOC y SOH también impactan la medición e interpretación de estos resultados. Y no es fácil convertir esto en una medida fiable. Cualquier implementación probablemente requeriría datos experimentales antes de que pueda convertirse en una herramienta regular y confiable para la gestión de baterías.

Los investigadores dicen que es más fácil utilizar mediciones similares de resistencia CC como indicador de la temperatura de la celda. Sin embargo, es menos probable que proporcione detalles sobre los procesos electroquímicos reales dentro de la celda, ya que solo proporciona un indicador general de la temperatura dentro de la celda. Este "promedio" podría subestimar significativamente las áreas de alta temperatura o estrés dentro de una célula.

Si bien no existe una manera única de mejorar el monitoreo de la temperatura de las celdas y baterías, particularmente a bajas temperaturas, estas mejoras ayudarán a que las celdas y baterías sean más eficientes y duraderas.

La medición directa es difícil e inadecuada. Indirecto significa complejo y costoso. Es probable que ambos sean necesarios para llevar la gestión de la batería a un mayor nivel de rendimiento en climas fríos.