Raffreddamento e dissipazione del calore dalle batterie nei veicoli elettrici

Al giorno d’oggi, ci sono diverse domande relative alle tecnologie utilizzate nelle auto elettriche. I clienti chiedono, ad esempio, il tasso di degrado previsto della batteria, la sua manutenzione e come garantire una maggiore durata della batteria. In questo articolo, discutiamo delle soluzioni di raffreddamento attualmente utilizzate nelle batterie dei veicoli elettrici, poiché la progettazione di un sistema di raffreddamento efficace per tali veicoli rimane una delle maggiori sfide.

La maggior parte delle auto elettriche oggi disponibili utilizza batterie agli ioni di litio, che funzionano secondo il principio della differenza di tensione tra due poli. Poiché gli elettroni sono eccitati in condizioni di alta temperatura, una diminuzione della temperatura provoca un significativo deterioramento delle prestazioni del sistema.

Esistono due metodi di raffreddamento delle batterie nei BEV (Battery Electric Vehicles): raffreddamento ad aria o raffreddamento a liquido. In questo articolo discutiamo di questi due metodi e, infine, diremo alcune parole sui risultati della nostra ricerca.

Aria condizionata

Con il raffreddamento ad aria, l’aria che entra nel veicolo viene utilizzata per ridurre la temperatura della batteria. Questo è un metodo di raffreddamento più vecchio che si presenta sia in forma attiva che passiva. In caso di raffreddamento ad aria attivo, il veicolo è dotato di un climatizzatore costituito da riscaldatore ed evaporatore. Nel caso del raffreddamento passivo, la quantità di calore dissipata è molto ridotta, solo poche centinaia di watt. In questo caso viene utilizzata l’aria ambiente, in quanto è il metodo di raffreddamento più semplice ed economico utilizzato nelle auto elettriche piccole ed economiche, come la Volkswagen E-up. Poiché la ricarica rapida è ormai una soluzione comune, è meno probabile che i produttori utilizzino il raffreddamento ad aria passivo. Una batteria a ricarica rapida richiede un raffreddamento più intenso, quindi il raffreddamento passivo ne causerebbe un maggiore degrado.

Una soluzione più avanzata è il raffreddamento a liquido, a cui questa sezione è dedicata.

Raffreddamento a liquido

Il raffreddamento a liquido è attualmente la soluzione più comune tra i veicoli elettrici disponibili sul mercato. Usano un refrigerante, o liquido di raffreddamento, come acqua o glicole etilenico, che circola intorno alle celle.

Anche qui esistono due tipi di sistemi: attivo e passivo. Una caratteristica dei sistemi attivi è la loro maggiore efficienza, ma sono più costosi e più complicati nonostante un migliore controllo della temperatura. Includono componenti come pompa di calore, scambiatore di calore, pompa di circolazione, valvole e sensori di temperatura. A causa del numero di componenti in caso di guasto del sistema, dobbiamo tenere conto di maggiori costi di riparazione. Nel caso di sistemi passivi, il liquido viene raffreddato dall’aria dell’ambiente.

Gli svantaggi del raffreddamento a liquido includono perdite nei giunti dei tubi, che di solito si verificano quando la batteria inizia a invecchiare. Se l’umidità penetra nell’isolamento, potrebbe non funzionare. Per questo motivo è fondamentale anche l’integrità dei moduli batteria, delle connessioni, delle pompe e delle valvole. La corrosione tipica dei sistemi di raffreddamento può essere prevenuta sostituendo frequentemente il liquido di raffreddamento.

Tuttavia, oltre ai sistemi passivi e attivi, al giorno d’oggi vengono sviluppate e testate altre soluzioni di raffreddamento a liquido, vale a dire diretto e indiretto.

Con il raffreddamento diretto a liquido, la batteria è a diretto contatto con il liquido di raffreddamento. Questo sistema è attualmente in fase di sviluppo, nessuna macchina in uso lo ha. L’implementazione qui è difficile perché il liquido di raffreddamento deve avere una bassa conduttività, perché è a diretto contatto con la batteria. Per questo è necessaria una sostanza completamente diversa dai refrigeranti solitamente utilizzati nei veicoli a combustione, la cui conduttività è molto elevata.

Nel caso di sistemi indiretti, il liquido scorre in tubi metallici, dissipando il calore dalla batteria. Il refrigerante in questo caso è glicole o poliglicole. La corrosione può verificarsi sui tubi metallici perché le impurità nel refrigerante si caricano positivamente e possono reagire con il metallo. Vari additivi vengono utilizzati per prevenire questa situazione.

Perché il raffreddamento è importante?

La durata della batteria dipende fortemente dalle condizioni di temperatura: una maggiore durata può essere garantita dal controllo della temperatura durante il funzionamento. La temperatura ottimale per la batteria è compresa tra 20 e 25 ° C. L’intervallo di temperatura di esercizio tipico è compreso tra -30°C e 50°C. Tra 70°C e 100°C può verificarsi un’esplosione termica, una reazione a catena in cui il guasto di una cella della batteria accende le altre celle attorno ad essa. Durante la ricarica rapida, il raffreddamento è particolarmente necessario perché nella batteria scorre una corrente elevata, che genera ulteriore calore