Las baterías representan una parte importante del coste de un vehículo eléctrico o hibrido y, por lo tanto, no sorprende el empeño por mejorar la gestión en esta área. A su vez, el control térmico de los packs de batería gana protagonismo, ya que la temperatura influye en el rendimiento, la seguridad y la duración del propio pack de batería.

Cualquier cambio de temperatura puede provocar una merma de las prestaciones y acortar la vida de la batería. Lo ideal sería que las variaciones de temperatura fueran mínimas entre las celdas de batería; una temperatura demasiado baja puede reducir la salida de energía, mientras que un calor excesivo puede disminuir la esperanza de vida. Este el motivo por el que ha aumentado el interés por cómo mejorar la refrigeración mediante inmersión en líquido para gestionar el calor generado por las propias baterías.

La refrigeración líquida por inmersión

Para la empresa 3M, la refrigeración líquida por inmersión ha demostrado ser una alternativa más económica que el aire y un modo rápido, efectivo y seguro a la hora de eliminar el calor sin producir daños. En este aspecto, se han producido diversos avances técnicos en los últimos años.

Esto no quiere decir que otras formas de refrigeración –mediante aire o materiales de interfaz térmicos– no puedan desempeñar su función en la electrónica de automoción. Aunque existen muchos ejemplos donde estas últimas son ideales en la gestión de calor, en los vehículos eléctricos hay un consenso en lo que se refiere a la idoneidad de la refrigeración líquida por inmersión en los futuros diseños de batería.

Echemos un vistazo a las opciones de refrigeración líquida disponibles, con sus respectivos pros y contras. Las subcategorías son mezcla de agua gliconada y fluidos basados en aceite y otros químicos avanzados.

Independientemente del tipo, existen determinados atributos a analizar:

• Propiedades termofísicas: los líquidos de transferencia de calor eliminan el calor mediante convección, por lo que factores como coeficiente de expansión, alta densidad, mínima viscosidad y baja tensión superficial son beneficiosos.
• Contacto directo: una elevada fuerza dieléctrica hace que los fluidos sean buenos aislantes y resulten idóneos para contacto directo con sistemas de electrónica de potencia.
• Rango de temperatura: depende de la aplicación, pero se suele requerir un punto de congelación bajo. El punto de ebullición, por su parte, se elige en función de la temperatura operativa superior.
• Larga duración: estabilidad química y térmica a lo largo de la vida del componente o dispositivo a refrigerar.
• Compatibilidad de materiales: el comportamiento no corrosivo con componentes electrónicos, así como la compatibilidad con una amplia gama de plásticos.
• Coste de propiedad: en toda la vida del componente o dispositivo. Por ejemplo, la complejidad tiene un impacto en el coste, ya que algunos sistemas demandan un menor número de componentes, como puede ser el caso de una bomba separada.
• Sostenibilidad: ¿está sujeto el refrigerante a cualquier legislación o restricciones ambientales y de seguridad?
• Baja o ninguna inflamabilidad: un requisito obvio en el diseño de un vehículo eléctrico.
• Seguridad: ¿es el refrigerante seguro o tóxico?
• Peso: los productos hidrofluoroeter (HFE) son pesados, pero suelen usar menos fluido.

Alternativas a la refrigeración tradicional

Tradicionalmente, la refrigeración líquida por inmersión en la industria del automóvil se ha basado en mezcla de agua gliconada o solamente agua que, por naturaleza, es muy conductora y corrosiva. Para poder introducirse en el agua, los componentes a enfriar tienen que estar sellados para evitar cualquier riesgo de daño y esto limita la eficiencia de la refrigeración, ya que no existe un contacto directo. También impone otras limitaciones de diseño a los ingenieros.

La refrigeración por inmersión con fluidos basados en hidrocarburo es otra alternativa que funciona bien en muchas aplicaciones, pero la inflamabilidad de este método pone en cuestión su uso en el mercado de la automoción. Además, la combinación del bajo coeficiente de expansión térmica y la elevada viscosidad de los lubricantes hace que las propiedades convectivas sean menos favorables. Y también se requiere una bomba para eliminar el calor de los componentes. Por último, la naturaleza de los aceites complica los procesos de mantenimiento, por no mencionar el peligro de exposición a líquidos inflamables.

Como consecuencia, muchas organizaciones del sector están a la búsqueda de la próxima generación de refrigeración líquida por inmersión, basada en agentes químicos especialmente fluorados. Estos elementos cuentan con el beneficio de permitir el contacto directo y, por lo tanto, la gestión térmica resulta más rápida y eficiente. Y, por si fuera poco, permiten la inmersión completa, ya que no producen daños ni dejan residuos.

Estos fluidos tampoco son corrosivos ni suelen necesitan equipos auxiliares, por lo que su impacto en el tamaño de la batería es mínimo.

Otro aspecto a tener en cuenta con cualquier refrigerante de batería es la legislación ambiental, que puede afectar en su uso en el futuro. Aunque los químicos dieléctricos tienen sus ventajas, muchos de ellos son mirados con lupa por las normativas. Por ejemplo, los HFC, unas sustancias químicas normalmente empleadas en aplicaciones de transferencia de calor, se encuentran en fase de eliminación gradual bajo la regulación F-gas. Se espera que en 2030 su producción y su uso se hayan reducido un 79 por ciento (con respecto a ahora).

Sin embargo, hay buenas noticias: la utilización de algunos fluidos, como ‘3M Novec Engineered Fluids’, no se ve afectada por la regulación F-gas, al contrario de lo que sucede con los químicos basados en HFE, y ofrece valores muy bajos del índice global warming potential (GWP) y, en consecuencia, baja permanencia en la atmósfera y zero ozone depletion potential.

La gama ‘3M Novec’ Engineered Fluids no sólo satisfacen las necesidades actuales y futuras de disipación de calor en la batería de un vehículo, sino que también se usa exitosamente en otras muchas aplicaciones.

Además, estos fluidos no son inflamable ni combustibles, garantizando la máxima seguridad en el vehículo. Tampoco necesitan una bomba adicional.