Desarrollo de tecnologías de gestión térmica en vehículos eléctricos
Los vehículos eléctricos chinos lideran el sector mundial gracias al uso de sistemas térmicos altamente integrados y controlados por dominio, así como a estructuras de refrigeración avanzadas. En lugar de tratar el habitáculo, la batería y los motores como sistemas separados (dominios), los principales fabricantes consolidan el hardware y el software para compartir el calor, reducir el peso de los componentes y mejorar drásticamente la eficiencia.
Entre las principales estrategias técnicas empleadas por los fabricantes chinos se incluyen:
Bombas de calor integradas: Empresas líderes como BYD, Geely y NIO utilizan bombas de calor indirectas multifuncionales. Estos sistemas recuperan el calor residual de los motores eléctricos y los inversores para calentar el habitáculo y la batería, mitigando así la pérdida de autonomía en climas fríos.
Simplificación del sistema: En lugar de utilizar tuberías de refrigerante separadas y extensas, los diseñadores chinos integran compresores, válvulas y enfriadores en módulos modulares unificados. Esto elimina la redundancia, reduce los costes de fabricación y minimiza la cantidad de refrigerante necesaria.
Refrigerantes de última generación: Para aumentar la eficiencia y la sostenibilidad, los principales proveedores chinos de componentes (como Shanghai Highly y Welling) están desarrollando e implementando activamente sistemas térmicos basados en CO₂ y R290 (propano) para sistemas de aire acondicionado móvil.
Refrigeración líquida y enfriadores directos: Se incorporan placas avanzadas de refrigeración líquida a los paquetes de baterías. Mediante software predictivo y sensores, el sistema de gestión térmica ajusta el circuito de refrigeración para mantener las celdas dentro de su temperatura óptima de funcionamiento, incluso durante sesiones de carga ultrarrápida.
Innovaciones en baterías: La integración estructural de la batería (como la batería Blade de BYD o la batería Qilin de CATL) permite que las capas avanzadas de refrigeración líquida se entrelacen directamente en la estructura del paquete, en lugar de solo debajo, optimizando así la eficiencia espacial y la integridad estructural.
Las estrategias específicas utilizadas en los vehículos eléctricos chinos incluyen:
Integración a nivel de plataforma
Fabricantes como BYD utilizan arquitecturas multi-en-uno controladas por dominio (por ejemplo, e-Platform 3.0) que gestionan el intercambio de calor y frío entre la batería, el habitáculo y las unidades de propulsión en un solo módulo. Esto permite redistribuir el calor residual del motor para calentar el habitáculo en invierno o desviarlo para enfriar la batería durante la carga rápida.
Refrigeración/Calefacción directa: Los sistemas avanzados utilizan refrigeración directa por refrigerante en lugar de depender de circuitos de refrigeración intermedios. Esto permite que el refrigerante entre en contacto directo con las placas de la batería, lo que resulta en una regulación de temperatura más rápida y configuraciones de hardware más pequeñas y livianas.
Seguridad a nivel de celda y autocalentamiento: Los gigantes de las baterías, como CATL, utilizan placas de refrigeración líquida flexibles de gran superficie. También implementan tecnologías de autocalentamiento que elevan la temperatura de las baterías, recuperándolas de temperaturas bajo cero (por ejemplo, -30 °C) hasta niveles óptimos en tan solo unos minutos, lo que las hace altamente resistentes en invierno.
Prevención del embalamiento térmico: Para prevenir incendios, los fabricantes de baterías utilizan aislamiento de grado aeronáutico y separación gas-eléctrica. Por ejemplo, la tecnología NP (No Propagation) de CATL aísla los gases calientes y los expulsa del paquete, asegurando que si una celda falla, el problema no se propague a las celdas vecinas.
Bombas de calor y refrigerantes naturales: Muchos vehículos eléctricos chinos, tanto de gama alta como de consumo masivo, utilizan bombas de calor de alta eficiencia. Los principales fabricantes están adoptando refrigerantes naturales y ecológicos como el CO₂ y el R290 (propano), que proporcionan un control de temperatura superior y no dañan el medio ambiente.
La estrategia de BYD
BYD gestiona la refrigeración térmica de toda su gama de vehículos eléctricos mediante una arquitectura basada en una integración vertical extrema y la consolidación de hardware. Al abandonar los circuitos de refrigeración líquida aislados, BYD se basa en un sistema centralizado que transfiere dinámicamente la energía térmica entre el habitáculo, el tren motriz eléctrico y su batería patentada Blade. El marco principal se basa en tres pilares interconectados:
A-La bomba de calor integrada y el control de dominio: En lugar de operar sistemas de climatización separados para los pasajeros y los componentes del tren motriz, la plataforma electrónica 3.0 de BYD, diseñada específicamente para este fin, consolida las tareas térmicas en un único sistema de control de dominio administrado por el sistema operativo central del vehículo.
Recuperación de calor residual: La bomba de calor de alta eficiencia absorbe el calor residual generado por el tren motriz eléctrico 8 en 1 y lo desvía para calentar el habitáculo o precalentar la batería.
El tren motriz eléctrico "8 en 1" es una tecnología de propulsión que integra ocho componentes vitales en una sola unidad compacta, reduciendo el peso y aumentando drásticamente la eficiencia global del vehículo.
El sistema desarrollado consolida lo siguiente en un solo bloque:
1-Unidad de control del vehículo (VCU): El cerebro que coordina la energía.
2-Sistema de gestión de baterías (BMS): Monitorea y protege las celdas.
3-Unidad de control del motor (MCU): Controla la velocidad y el torque.
4-Unidad de distribución de potencia (PDU): Gestiona la distribución eléctrica.
5-Motor eléctrico: Genera el movimiento.
6-Transmisión (Reductor): Adapta las revoluciones a las ruedas.
7-Cargador integrado (OBC): Permite recargar el vehículo.
8-Convertidor CC-CC: Adapta el voltaje para los sistemas auxiliares de 12 V
Esta integración tecnológica permite alcanzar una eficiencia global cercana al 89%.
Tolerancia a condiciones climáticas extremas: Esta configuración integrada funciona eficazmente en temperaturas ambiente que oscilan entre -30 °C y 60 °C, reduciendo la degradación de la autonomía en invierno hasta en un 20 %.
B- Refrigeración directa: Una característica técnica clave de la estrategia térmica de baterías de BYD es el uso de contacto directo con el refrigerante en lugar de las mezclas tradicionales de agua y glicol. Integración con el aire acondicionado: El sistema dirige el refrigerante del aire acondicionado del vehículo (que se vaporiza y licúa para absorber el calor) a través de placas de refrigeración conectadas directamente a las celdas de la batería.
Mayor eficiencia: La eliminación de fluidos refrigerantes intermedios y bombas secundarias reduce el peso del hardware, aumenta la relación gravimétrica de celdas por paquete y eleva la eficiencia térmica general hasta en un 20 %.
Refrigeración de doble plano: Las versiones más recientes de las generaciones Blade incorporan placas de refrigeración que actúan tanto en el plano superior como en el inferior de las celdas largas y delgadas para garantizar una distribución uniforme de la temperatura.
C- Disipación estructural mediante la batería Blade
La geometría alargada y delgada de la batería Blade de fosfato de hierro y litio (LFP) de BYD cumple una función física específica en la mitigación de la acumulación de calor.
Alta relación de sus dimensiones: Las celdas prismáticas tradicionales y gruesas suelen experimentar una alta acumulación de temperatura justo en su centro. En cambio, las celdas estrechas con forma de cuchilla actúan como disipadores de calor de gran superficie, asegurando que el calor se disipe naturalmente hacia afuera desde dos lados en lugar de solo desde la parte inferior.
Química y diseño intrínsecos: La química LFP genera menos calor y presenta una alta estabilidad térmica en comparación con las celdas de níquel-manganeso-cobalto (NMC). Esta configuración permite que el paquete Blade supere pruebas extremas, como la prueba de penetración de clavos, sin provocar un sobrecalentamiento ni superar los 60 °C de temperatura superficial.
Ejemplo: Gestión Térmica Integrada hacia la optimización a nivel de plataforma
La integración se está convirtiendo en una tendencia dominante en la gestión térmica de los vehículos eléctricos. Por ejemplo, el BYD Dolphin, construido sobre la plataforma e 3.0, adopta un sistema de gestión térmica basado en refrigerante totalmente integrado. En su núcleo hay un compresor de bomba de calor que trabaja en conjunto con un módulo de control centralizado que reasigna la energía térmica para regular la temperatura del habitáculo, los módulos de la batería y la electrónica de potencia.
El diseño de BYD simplifica los bucles de refrigerante, reduciendo drásticamente la complejidad de los circuitos de refrigerante al tiempo que mejora la eficiencia y confiabilidad del sistema.
Huawei también ha entrado en el campo con su solución TMS (Thermal Management System, Sistema de Gestión Térmica). Introducida en 2021, la plataforma de Huawei cuenta con el nivel más alto de integración en la industria. Combina el control inteligente y las innovaciones a nivel de componentes dentro de una arquitectura minimalista, con el objetivo de mejorar el rango de conducción de los vehículos eléctricos hasta en un 20%. El enfoque inteligente basado en algoritmos también contribuye a reducir las pérdidas de energía y a una regulación térmica más sensible.
Mejorar la eficiencia en escenarios de carga de alta potencia
El aumento de las tecnologías de carga rápida de alto voltaje exige más soluciones sofisticadas de gestión térmica de baterías. En Junio de 2022, CATL presentó su "Kirin Battery", que incorpora una nueva generación de gestión térmica. Al optimizar la arquitectura de refrigeración por agua, el sistema admite una gran carga y descarga de corriente sin comprometer la seguridad térmica. El sistema Kirin logra una mejora del 50% en la conductividad térmica sobre los diseños convencionales, lo que resulta en velocidades de carga significativamente más rápidas y una protección mejorada de la batería.
Refrigerantes ecológicos: Equilibrando la sostenibilidad y el rendimiento
La creciente conciencia ambiental también está acelerando la transición a refrigerantes de próxima generación:
R1234yf: Este refrigerante de bajo costo es ampliamente compatible con los componentes actuales de la bomba de calor, pero permanece bajo protección de patente, lo que limita una accesibilidad más amplia.
R744 (CO2): Los sistemas de bomba de calor de CO2 ofrecen un rendimiento de calefacción superior a temperaturas tan bajas como -20 ° C. Sin embargo, los costos de implementación a nivel de sistema son altos debido a la necesidad de compresores reforzados.
Conclusión
La integración a nivel de plataforma agilizará aún más las arquitecturas del sistema, mientras que las nuevas estrategias térmicas de la batería y las actualizaciones de refrigerante mejorarán el rendimiento tanto en condiciones de carga rápida como de temperatura extrema. Los próximos tiempos serán testigo de un cambio de paradigma en la forma en que se diseñan e implementan los sistemas térmicos en toda la industria de vehículos eléctricos.
Ricardo Berizzo
Ingeniero Electricista 2026.-
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