Prevención de la fuga térmica en las baterías

La mayor amenaza para las baterías es la fuga térmica, donde el calor generado excede la tasa de disipación, lo que desencadena una serie de reacciones exotérmicas. Esto puede provocar incendios y fallos totales de la batería, afectando a otros componentes del vehículo. Para prevenir y contener la fuga térmica, el diseño de la batería incorpora almohadillas de compresión, gabinetes de módulos y carcasas de batería. Se colocan almohadillas de compresión entre las celdas para evitar la propagación del calor, mientras que los gabinetes de los módulos agrupan las celdas para contener la fuga térmica dentro de los módulos. Finalmente, estos módulos están alojados en una carcasa de batería para proteger las demás partes del vehículo de los efectos de la fuga térmica.

Diseño de caja de batería

Los gabinetes para baterías de vehículos eléctricos varían significativamente en diseño, forma y tamaño, según el tipo de batería, los requisitos de refrigeración, la distribución de módulos y la aplicación. Generalmente, un recinto de módulo consta de:

1. Una vivienda base,

2. Una carcasa exterior,

3. Una placa de conexión que une los componentes internos y externos,

4. Una válvula de escape para equilibrar la presión o liberar gas durante el descontrol térmico.

Selección de materiales para cajas de baterías

Los materiales utilizados para las carcasas de las baterías deben tener un alto rendimiento térmico, buenas propiedades mecánicas y ser livianos. Tradicionalmente, se ha preferido el aluminio y el acero por su resistencia al calor y su idoneidad para la producción en masa. Sin embargo, la masa de los materiales metálicos no se puede controlar bien, especialmente en el caso de los vehículos híbridos y eléctricos, donde una menor masa del vehículo significa una mayor densidad de energía y una mayor autonomía. Actualmente, las baterías pueden representar hasta el 50% de la masa total de un vehículo.

Materiales compuestos

Los materiales compuestos ofrecen una alternativa ligera y potencialmente pueden superar a los metales en muchos aspectos, aunque son más complejos y costosos. Por ejemplo, una carcasa de polímero reforzado con fibra de carbono desarrollada para clientes de deportes de motor reemplazó una carcasa de aluminio que pesaba 6,7 ​​kg (14,8 libras) por una compuesta que pesaba sólo 616 gramos (1,35 libras), logrando una reducción de peso del 91 %. Se utilizaron preimpregnados termoestables de fibra de carbono por su alto rendimiento térmico y mecánico. La fibra de carbono proporciona resistencia y rigidez, mientras que los sistemas de resina de alta calidad, como el epoxi, están preimpregnados. Sin embargo, los procesos de colocación manual, los largos tiempos de curado y la dependencia de autoclaves limitan la producción de carcasas de baterías preimpregnadas.

Otra ventaja de los materiales compuestos es la capacidad de optimizar la orientación de las fibras para cumplir con los requisitos de carga específicos de cada gabinete de batería. El análisis de elementos finitos (FEA) se utiliza ampliamente en el proceso de diseño para determinar la dirección de la fibra y el número requerido de capas, lo que garantiza una alta rigidez y resistencia manteniendo un peso ligero. Las propiedades isotrópicas del metal aún brindan ventajas, y a menudo se usan alrededor de conexiones atornilladas para ofrecer resistencia y rigidez adicionales. Software como Hypermesh y Optistruct simulan los materiales compuestos anisotrópicos de las carcasas de las baterías.

Aislamiento electrico

El aislamiento eléctrico es otra consideración a la hora de desarrollar carcasas para baterías. Dado que la fibra de carbono es conductora, se integran capas de fibra de vidrio en el laminado para aislar componentes electrónicos específicos.

Certificación

Para garantizar el rendimiento térmico de las baterías y los gabinetes, deben pasar varias pruebas y estándares de seguridad para su certificación. El primer estándar es UN38.8, que garantiza la seguridad de las baterías de litio durante el transporte a través de ocho pruebas, que incluyen simulación de altitud, pruebas térmicas, vibración, choque, cortocircuito externo, impacto y aplastamiento, sobrecarga y descarga forzada. Las baterías también necesitan certificación según ECE R100 REV2, que describe las pruebas necesarias para las baterías de litio instaladas en vehículos eléctricos de cuatro ruedas para el transporte de personas o mercancías. En aviación se deben considerar otras normas como DO311A y DO160G.

Simulación térmica de batería

Para los gabinetes de baterías, los materiales compuestos deben cumplir con los estándares de seguridad de inflamabilidad UL94, lo que implica varias pruebas de combustión superficial, vertical y horizontal. Se aplican llamas controladas al material varias veces durante un período específico, y el tiempo de combustión continua del material, así como la evidencia de quemaduras o goteos de llamas, determinan si cumple con las clasificaciones V0, V1 o V2 ​​de UL94. Cuanto más rápido se autoextingue la llama, mayor será la resistencia del material, siendo V0 el valor más alto, extinguiéndose en 10 segundos sin goteos de llama.