Introducción
Los fabricantes de automóviles observaron que la carga y descarga de las baterías de vehículos eléctricos genera una cantidad considerable de calor, y la gestión del calor es crucial para la gestión térmica de las celdas de la batería. A menudo, una mala conexión de contacto o una refrigeración desigual dentro de los paquetes de baterías pueden generar puntos calientes, lo que reduce su vida útil y, en casos extremos, puede provocar una fuga térmica. Por lo tanto, el rendimiento eficiente de los paquetes de baterías, su seguridad y durabilidad dependen de la gestión eficaz del calor generado en las celdas.
Por lo tanto, este artículo proporciona una comparación detallada entre las almohadillas térmicas y los geles térmicos para facilitar la elección del material térmico adecuado para el diseño y la producción del producto.
Baterías EV
Una batería de vehículo eléctrico es una batería recargable de iones de litio diseñada para alimentar equipos pesados con una alta relación potencia-peso y alta densidad energética. Las baterías de vehículos eléctricos (VE) se utilizan para suministrar energía de voltaje de descarga (DV) al motor eléctrico de un vehículo eléctrico de batería (VEB) o un vehículo eléctrico híbrido (VEH).
Las investigaciones indican que los rellenos de huecos facilitan una transferencia de calor más uniforme entre las celdas. Los módulos de batería que utilizan rellenos de huecos de alta conformidad, en comparación con los paquetes sin rellenos de huecos efectivos, muestran perfiles de distribución de temperatura más uniformes de aproximadamente ±2 °C, tasas de aumento de temperatura entre un 15 % y un 20 % más lentas (en condiciones de uso abusivo donde la transferencia de calor es mínima), reducen la resistencia térmica en el recorte de los materiales de interfaz y prolongan la vida útil entre un 30 % y un 50 %. Estos resultados experimentales se obtuvieron con cargas y descargas repetidas de baterías de vehículos eléctricos (VE).
Por lo tanto, realizar la selección correcta de materiales (almohadillas térmicas o geles térmicos) puede mejorar la disipación de calor y la transferencia de calor entre las celdas del paquete de baterías y los terminales de enfriamiento.
Paquetes de baterías
Los paquetes de baterías son un sistema de almacenamiento de energía (ESS) que constituye un componente esencial en los vehículos eléctricos (VE). Están diseñados para servir como unidad de almacenamiento principal que proporciona energía eléctrica a todo el sistema, garantizando así su óptimo rendimiento. La energía se almacena en varias celdas cilíndricas conectadas entre sí en el paquete de baterías, como se muestra en la figura siguiente. Los paquetes constan de múltiples celdas conectadas en serie y en paralelo para formar una batería de alto voltaje, que funciona convirtiendo la energía química almacenada en energía eléctrica. La tecnología de estos paquetes de almacenamiento de energía ha contribuido significativamente a la sustitución de los motores de combustión interna tradicionales por vehículos eléctricos de batería (VEB).
El uso de TIM es fundamental en las baterías de vehículos eléctricos para no exceder sus requisitos térmicos y garantizar así su óptimo rendimiento y seguridad. Estos materiales previenen el sobrecalentamiento que podría reducir la vida útil de la batería entre los componentes y el sistema de refrigeración, ya que es esencial para mantener la vida útil y la eficiencia del paquete.
En la producción de baterías, se crean microespacios de aire para facilitar la respiración y el hinchamiento de la batería, lo cual determina las propiedades térmicas y mecánicas de las celdas. Esta respiración se refiere al cambio que se produce entre los componentes activos del ánodo y el cátodo, lo que genera tensión mecánica interna dentro de la celda para comprimir las baterías. De ahí la necesidad de mejorar los contactos térmicos de las celdas. El hinchamiento consiste en un aumento progresivo del espesor debido a reacciones secundarias relacionadas con el envejecimiento, como el crecimiento de la capa de pasivación y el recubrimiento de litio, que incrementa la tensión intrínseca de la celda. Estos fenómenos son comunes en las baterías de iones de litio.
Los materiales de interfaz térmica están diseñados para gestionar estos espacios de aire microscópicos rellenando los huecos, creando así una vía eficiente para que el calor fluya entre las superficies sólidas y otros elementos.
Materiales de interfaz térmica (TIM), funciones y atributos
Los materiales de interfaz térmica (TIMS) son materiales que se colocan entre dos superficies sólidas. En las baterías de vehículos eléctricos, estos materiales se colocan normalmente entre la superficie exterior de la celda y la placa de refrigeración interna. Esto se hace con el fin de reducir la resistencia térmica interfacial mediante el relleno de huecos macroscópicos y microscópicos.
Existen huecos entre dos superficies debido a las tolerancias de producción asignadas a la celda, la placa de refrigeración y el conjunto. Otras condiciones que crean huecos incluyen la rugosidad de la superficie, la dilatación de la celda durante el ciclo y la deformación de la placa de refrigeración. En los sistemas de baterías de vehículos eléctricos, los materiales de interfaz térmica unen superficies imperfectas para mejorar la distribución del calor desde las celdas hasta los conjuntos de refrigeración y los disipadores térmicos pasivos. Estos materiales se presentan como almohadillas conductoras, geles (rellenadores de huecos líquidos o semilíquidos), adhesivos, materiales de cambio de fase o grasas.
La interferencia electromagnética se reduce a una pequeña cantidad en los sistemas de gestión de baterías cuando se emplean el uso de carcasas conductoras, revestimientos especializados y ubicación estratégica de componentes como solución para minimizar la emisión y la susceptibilidad a EMI.
Un material de interfaz térmica viable se define por una serie de atributos. Estos atributos incluyen los siguientes:
- que los materiales deben poseer una buena conductividad térmica
- fácil de aplicar
- estable durante un largo período de tiempo,
- tienen alta resistencia a gases y productos químicos,
- y están hechos de material incombustible.
¿Qué son las almohadillas térmicas y los geles térmicos?
Las almohadillas y geles térmicos son materiales térmicamente conductores que se utilizan comúnmente para rellenar pequeños espacios entre un componente y un disipador de calor con el fin de lograr una transferencia de calor efectiva.
Como se mencionó anteriormente, los TIM funcionan rellenando los microespacios de aire existentes entre las fuentes de calor y las estructuras de refrigeración. Dado que el aire tiene baja conductividad térmica, los pequeños espacios vacíos pueden aumentar significativamente la resistencia. El uso de almohadillas suaves y adaptables garantiza un contacto firme y mejora la eficiencia de la transferencia de calor.
Almohadillas térmicas
Las almohadillas térmicas son materiales intrínsecos sólidos fabricados con una combinación de una base de silicona y rellenos de alta conductividad térmica, como cerámica y partículas metálicas. Son comprimibles hasta aproximadamente un 10-50 % de su espesor original y, debido a su grosor, se utilizan a menudo para cubrir huecos predecibles entre componentes y disipadores de calor. Se comprimen para reducir el aire atrapado a través del contacto térmico. Otra razón por la que se comprimen es que ayudan a ajustar la tolerancia de fabricación y la tensión mecánica del componente.
Las almohadillas son fáciles de instalar (es decir, se colocan fácilmente) ya que son materiales aislantes eléctricos que proporcionan un buen aislamiento eléctrico, lo que ayuda a prevenir cortocircuitos en los ensambles electrónicos. Se utilizan a menudo en la fabricación automatizada y son eficientes en la gestión térmica y la disipación del calor.
Pasta termica
Las pastas o geles térmicos también se denominan rellenos de huecos con dosificación líquida o geles de encapsulación térmica. Los geles térmicos son adaptables y más suaves, ya que son fluidos o pastosos. Al utilizar esta pasta térmica, se mantienen suaves y adaptables en las zonas de aplicación. Además, son eficientes para humedecer, rellenar microasperezas y adaptarse a huecos variables en las zonas de aplicación, lo que resulta en una reducción de las microbolsas de aire que aumentan la resistencia térmica. Algunos se clasifican como siliconas de curado ligero y otros como siliconas sin curado. Generalmente, son materiales eficaces para gestionar el calor.
Rellenos de huecos
Los estudios indican que los rellenos superan a las almohadillas en cuanto a la reducción de la resistencia térmica, ya que se adaptan perfectamente a la rugosidad de la superficie. Los rellenos en las baterías de vehículos eléctricos constan de cuatro módulos. Esto incluye dos placas de agua en la parte superior e inferior del módulo, y el material de relleno separa los contactos de refrigeración de las celdas de la bolsa y del chasis.
Los rellenos de huecos son fundamentales en la gestión energética de cuerpos calientes por varias razones: mejoran el aislamiento eléctrico, proporcionan amortiguación de vibraciones y tienen la capacidad de mejorar el enfriamiento entre las celdas y los contactos.
Conductividad Térmica
El valor de una conductividad térmica para un gel térmico típico está entre 2.0 W/m·K y 4.5 W/m·K. Este rango posiciona al gel entre las almohadillas térmicas estándar y la pasta térmica premium en términos de conductividad térmica. Las pruebas de laboratorio del gel térmico confirmaron que la conductividad térmica efectiva de los geles en aplicaciones en tiempo real se ajusta completamente a las superficies bajo investigación. Matemáticamente, el Rendimiento Térmico Efectivo está dado por (X: Rendimiento Térmico Efectivo = Conductividad Térmica × Espesor ÷ Resistencia Térmica de Contacto. Por lo tanto, en escenarios con un pequeño vacío (por ejemplo, <0.3 mm), los geles dan una mejor solución para proporcionar alta compresión y alto ajuste de superficie. Pero cuando se trata de vacíos más grandes, una almohadilla puede ser una mejor opción, ya que proporcionará un mejor soporte estructural. Los geles a menudo sufren problemas de secado o problemas de bombeo. En las almohadillas térmicas, la conductividad térmica está en un rango entre 1 y 20 W/m·K, dependiendo de los materiales y la calidad.
Buena conductividad térmica
Generalmente, la conductividad térmica se mide en vatios por metro kelvin (W/m·K) y existen parámetros que determinan que los materiales tengan una buena conductividad térmica. Estos materiales, como se mencionó anteriormente, pueden presentarse en forma de almohadillas, geles o pastas. Una buena conductividad térmica se define como un material utilizado en refrigeración electrónica que tiene una capacidad de transferir calor eficientemente, típicamente superior a 3 W/m·K.
Almohadillas térmicas vs. geles térmicos
| Elemento | Gel Térmico | Parche térmico |
|---|---|---|
| Estilo de aplicación | Los rellenos de gel térmico se dispensan directamente sobre la superficie y requieren un control preciso, generalmente mediante una máquina dispensadora automática. Son más resistentes y se secan con menos frecuencia que los rellenos de grasa, como los rellenos de juntas sin silicona. | Las almohadillas térmicas se colocan directamente sin requerir procesamiento adicional ya que se cortan a medida, lo que hace que sean más fáciles de manipular en determinadas aplicaciones. |
| Procedimientos de curado o solidificación | Los procedimientos de solidificación requieren mucho tiempo, ya que implican el uso de calor o presión. Los geles térmicos necesitan tiempo de secado para obtener una conductividad térmica óptima, ya que el proceso solo es aplicable a selladores como el RTV y los encapsulantes de silicona. Sin embargo, la gran mayoría de las pastas/geles térmicos no son sólidos. | Las almohadillas térmicas se producen para una aplicación lista para su uso, por lo tanto, no necesitan secado ya que su aplicación es sencilla en los procesos de montaje. |
| Rendimiento de conductividad térmica | Dado que los geles térmicos tienen la capacidad de llenar huecos de aire microscópicos, ofrecen un rendimiento de conductividad superior en términos de mitigación de temperatura. | Las almohadillas térmicas, por otro lado, ofrecen una menor conductividad térmica para mitigar la temperatura. Sin embargo, se utilizan eficazmente en otras aplicaciones de gestión térmica. |
| Consideración de costos | La selección del material es uno de los parámetros que determinan el costo. Otros parámetros incluyen la instalación, el tiempo de aplicación y la confiabilidad a largo plazo. Al considerar el costo unitario, el gel o la pasta térmica son más costosos debido a su larga duración, de aproximadamente 7 a 10 años. Esta característica hace que los geles sean rentables en muchas aplicaciones. | Al comparar las almohadillas térmicas y los geles en términos de reducción de costos, las almohadillas son más económicas en su aplicación que los geles. |
Concepto erróneo entre las almohadillas térmicas y los geles térmicos
Existen conceptos erróneos que aparecen en la literatura que niegan los hechos de ingeniería sobre las almohadillas térmicas y los geles térmicos. Estas confusiones se identifican y analizan a continuación.
Propiedades adhesivas termoconductoras
En la mayoría de la literatura se ha citado que las propiedades adhesivas de las pastas térmicas proporcionan una unión muy fuerte tras la solidificación, lo que dificulta su separación bajo tensión térmica o vibración. Sin embargo, esta afirmación es un error grave en ingeniería, y es un error aceptarla. Las pastas/geles no poseen estructura ni proporcionan una unión fuerte. La vibración presente en los paquetes proviene del diseño estructural, la fuerza de compresión y el método de empaquetado. Por lo tanto, la mayoría de las almohadillas térmicas, a diferencia de los geles, suelen ser no adhesivas y muy fáciles de reemplazar. Pocas conservan sus uniones sellantes, pero se debilitan con el tiempo debido a la exposición a temperaturas extremas, aunque aún conservan sus propiedades de conducción térmica.
La clasificación de los grados de conductividad térmica es un estándar falso
Se ha citado en la literatura que existen reglas generales de refrigeración electrónica que establecen que cuando el rango de un material es inferior a 1 W/m·K, se considera deficiente. De igual manera, cuando un material tiene un rango de 1 a 3 W/m·K, se considera que tiene una refrigeración electrónica aceptable. Entre 3 y 6 W/m·K se considera una buena capacidad de refrigeración. Entre 6 y 10 W/m·K se considera muy buena y por encima de 10 W/m·K se considera excelente. Sin embargo, no existe una norma de ingeniería reconocida que cuente con dicha clasificación. Que una conductividad térmica sea buena o no depende en gran medida del espesor y de las condiciones de la interfaz de compresión. Esta es una clasificación de marketing, no de sentido común en ingeniería.
Velocidad en la eliminación del calor
El calor se transfiere de una superficie caliente a una fría en contacto mediante conducción. El proceso mediante el cual estas superficies calientes transfieren esta energía a las almohadillas y geles se realiza mediante la resistencia térmica de la interfaz en estado estacionario (ΔT). Por lo tanto, la idea errónea de que la velocidad de disipación de calor es mayor con las almohadillas es errónea, ya que no existe tal concepto de que las almohadillas conduzcan el calor más rápido y los geles más lento.
Factores de rendimiento entre almohadillas térmicas y geles térmicos
Capacidad de rellenar huecos
Las pastas térmicas son excelentes para rellenar superficies irregulares o desiguales que existen entre las fuentes y los disipadores de temperatura. Se filtran en los huecos microscópicos, proporcionando un contacto térmico óptimo. Las almohadillas térmicas, por otro lado, vienen preformadas y tienen una capacidad limitada para rellenar superficies muy irregulares.
Facilidad de Uso
Las pastas o geles térmicos requieren una mezcla y aplicación precisas, pero potencialmente son más complejos. Las almohadillas térmicas son fáciles de usar y aptas para la producción en masa gracias a su aplicación precisa.
Tolerancia a superficies irregulares
Las pastas térmicas son excelentes para su uso en superficies rugosas. Las almohadillas térmicas varían de regular a deficiente en superficies rugosas o irregulares.
Reelaboración
El mantenimiento para la reutilización de pastas térmicas es muy bajo, mientras que el de las almohadillas es alto. Sin embargo, en algunos casos, se recomienda no reutilizar las almohadillas térmicas, ya que se comprimieron durante la instalación y, al retirarlas, se rompen fácilmente o pierden adherencia, lo que altera su forma y grosor, reduciendo así su rendimiento térmico.
HoReCa
Al aplicar pasta térmica, la zona queda sucia después de su uso. En cambio, al aplicar almohadillas térmicas, el paquete queda limpio y ordenado.
Otros TIM
Los TIM regulan la temperatura en los paquetes de tracción optimizando eficazmente la transferencia de calor entre los componentes clave para facilitar su disipación eficiente. Además de los geles y las almohadillas mencionados anteriormente, existen otros TIM que ayudan a gestionar el calor.
Cintas adhesivas
Estas cintas son de doble cara y unen componentes para facilitar una transferencia de calor eficiente, a la vez que proporcionan aislamiento dieléctrico y estabilidad mecánica. Se utilizan ampliamente para fijar sensores, difusores o calentadores, ya que eliminan la necesidad de fijación y mantienen la estabilidad.
Barreras Térmicas
Estas barreras son una solución diseñada para la protección contra fugas. Algunos diseños de paquetes incorporan barreras aislantes, como láminas de mica, fibras cerámicas o esteras de aerogel, entre los grupos de celdas para ralentizar la propagación del calor durante las fallas. Estas barreras funcionan dirigiendo la energía caliente hacia los canales de refrigeración y evitando la transferencia no deseada entre celdas.
Pastas y grasas
Estos materiales rellenan microscópicos huecos de aire entre superficies de interfaz estrecha, como celdas y placas de refrigeración. Son compuestos viscosos que mejoran el contacto interfacial y aumentan eficazmente la transferencia de calor en estructuras compactas.
Láminas de grafito flexibles
Estas láminas proporcionan una alta conductividad térmica al aislar el calor entre componentes adyacentes. Evitan la generación excesiva de calor durante cargas rápidas o condiciones de funcionamiento anormales. Además, compensan los huecos creados por las tolerancias del fabricante y mantienen rutas de refrigeración uniformes.
Aunque todavía se utilizan en algunas aplicaciones, los rellenos dispensados en líquido reemplazan cada vez más a las pastillas en la fabricación de vehículos eléctricos de gran volumen.
Resultados de estudios realizados sobre geles y almohadillas térmicas
La mayoría de los estudios sobre materiales de interfaz térmica (es decir, geles térmicos y almohadillas térmicas) han establecido que los geles térmicos tienen una impedancia térmica menor que las almohadillas térmicas, a pesar de que ambos tienen una conductividad térmica volumétrica comparable. Sin embargo, los geles térmicos se adaptan perfectamente a la rugosidad de las superficies microscópicas y, por lo tanto, reducen la resistencia térmica interfacial, facilitando así la transferencia de calor.
Además, el informe técnico publicado por Lord Cooperation demostró que los geles disipan una mayor cantidad de calor y producen temperaturas mínimas en la batería que las almohadillas de conductividad térmica similar. Sus hallazgos también establecieron que, incluso simulando tolerancias de fabricación o huecos, los geles siguen superando a las almohadillas en la disipación de calor, lo cual es un gran error común en ingeniería. Sin embargo, las almohadillas térmicas se degradan más con el aumento de huecos.
En términos de estabilidad y fiabilidad, LiPoly , empresa fabricante de materiales de interfaz térmica, informó que su gel térmico conserva su alto rendimiento durante 7 a 10 años. Este informe demuestra que el gel supera rigurosas pruebas de envejecimiento, ya que no se oxida en presencia de humedad al exponerse al aire. Esto contribuye a su resistencia a la degradación térmica, lo que se traduce en un funcionamiento fiable incluso en entornos exigentes. Esta estabilidad es fundamental para una gestión eficaz de la transferencia térmica.
En los ensamblajes de baterías reales, la conformabilidad tiene un mayor rendimiento que la conductividad térmica. Esto se debe a que un material con alta conductividad térmica, pero baja conformabilidad superficial, puede producir una mayor resistencia térmica efectiva que un material con menor conductividad que tiende a humedecer las superficies a la perfección.
Conclusión
Generalmente, la elección entre gel térmico o almohadilla térmica depende de las especificaciones de diseño o los requisitos de la aplicación, como el rendimiento térmico o el tamaño del espacio a rellenar. Los geles térmicos se adaptan bien a las superficies, pero su uso es costoso. Las almohadillas térmicas son más económicas, pero no se adaptan perfectamente a algunas superficies rugosas; son económicas y también ofrecen un excelente rendimiento en otras aplicaciones. Por lo tanto, se concluye que tanto las almohadillas como los geles son universalmente buenos según la aplicación.
