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Protección de conjuntos de batería con venteo de doble etapa

Por Jake Sanders, director de desarrollo de producto, Donaldson Integrated Venting Solutions

Con el crecimiento de los vehículos eléctricos e híbridos, las baterías de iones de litio juegan un papel cada vez más importante en el mundo del automóvil. Las baterías recargables ofrecen una alta proporción de energía por unidad de volumen y se pueden organizar de manera eficiente en conjuntos para accionar vehículos. A diferencia de las baterías de iones de litio más pequeñas que se usan en la electrónica doméstica, las baterías de iones de litio para automóviles necesitan una protección sólida contra condiciones externas adversas, junto con un venteo adecuado para las fluctuaciones de temperatura y presión.

El venteo de protección de cámara de doble etapa ha demostrado satisfacer eficientemente las necesidades de las baterías automotrices. La primera etapa nivela la presión mientras previene la entrada de agua y contaminantes. El venteo de la etapa dos se abre por completo en el caso de presión rápida y acumulación de calor para permitir que los gases en expansión escapen, y así se evitan daños adicionales a las células restantes. En la mayoría de los casos, un solo conjunto de venteo puede cumplir ambas funciones.

Por qué se necesita venteo de protección de la cámara
Figura 1: Una batería de automóvil puede contener cientos de celdas.

Las cámaras de las baterías suelen ser chasis de metal o plástico sellados, diseñados para proteger la batería del polvo, los escombros y la humedad, como la lluvia, la nieve y los aerosoles de lavado de autos. Cualquiera de esos elementos puede dañar las celdas de la batería y la electrónica auxiliar, por lo que una cámara eficiente mantiene esos materiales potencialmente dañinos lejos de la batería. Una batería para un vehículo eléctrico puede tener cientos de celdas contenidas en varios módulos, como se muestra en la figura 1.

Además de evitar la entrada de contaminantes, los chasis de baterías deben manejar diferenciales de presión entre el interior del chasis y la atmósfera circundante. El diferencial de presión puede fluctuar ampliamente durante el funcionamiento normal del vehículo debido a los cambios de temperatura ambiente, la generación de calor en las celdas y los cambios de presión atmosférica. Al igual que un pasajero de un automóvil podría experimentar un estallido en los oídos al atravesar un terreno montañoso, los chasis de la batería experimentan una fluctuación de presión similar a medida que cambia la elevación.

Para evitar que la cubierta protectora se colapse o se dañe, los chasis deben ventilarse para igualar las presiones internas y externas, al tiempo que liberan gases producidos en una acumulación de presión rápida, a menudo llamada fuga térmica. Ya sea de forma gradual o repentina, la acumulación de presión puede someter a una presión excesiva a los sellados, y provocar fugas y posibles explosiones.

Los efectos específicos del venteo se pueden entender mejor al revisar el interior de una batería de iones de litio para automóviles. Un conjunto de batería generalmente consta de dos secciones unidas entre sí, con una junta que sella la conexión. Si el chasis no se ventila correctamente, pueden producirse fugas después de que la cámara experimente múltiples y pequeñas diferencias de presión. Dado que los fabricantes de automóviles eléctricos a veces ofrecen garantías de ocho años, cabe esperar que los chasis de baterías duren al menos de ese tiempo. Un venteo adecuado reduce el número y la severidad de los diferenciales de presión experimentados por los sellados, alargando la durabilidad de los sellos y cámaras.

Etapa uno de venteo
Figura 2: Las membranas de ePTFE, que se muestran en forma de rollo a la izquierda y ampliadas con un microscopio electrónico de barrido (SEM) a un factor de 5000 a la derecha, ofrecen protección contra la intrusión, pero permiten el paso de gases.

El venteo de la etapa uno, también conocida como venteo pasivo, generalmente se basa en un venteo de politetrafluoroetileno expandido (ePTFE) para permitir la nivelación de la presión, al tiempo que evita que entren contaminantes en el chasis. Membranas de ePTFE como las que se muestran en lafigura 2, aparecen opacas a simple vista y ofrecen protección contra la intrusión de agua, polvo, solventes y otros contaminantes. Sin embargo, las aberturas submicrónicas en la membrana permiten el paso de gases y nivelan las presiones.

Dependiendo del tipo de exposición a contaminantes prevista, los respiraderos pueden diseñarse para varios niveles de protección contra cuerpos extraños o humedad. Un chasis de batería normal puede proporcionar protección contra el polvo, la inmersión y la pulverización de agua a alta presión y retener el agua a presiones de hasta 690 milibares.

La reducción de los diferenciales de presión a través del venteo de la etapa uno se puede ver en la figura 3. Un chasis de batería expuesto a un aumento de temperatura de 50 ° C en 60 minutos, simulando aproximadamente a un automóvil arrancado en un día frío y conducido a altas velocidades, experimentaría diferenciales de presión de hasta 180 milibares sin venteo. Un chasis con un conjunto de venteo de 50 mm de diámetro experimentaría diferenciales de menos de 10 milibares.

Figura 3: El venteo de la etapa uno (pasiva) puede reducir drásticamente las diferencias de presión.
Etapa dos de venteo

Si bien el venteo de la etapa uno aborda los cambios graduales de la presión, es posible que no pueda abordar la acumulación rápida de la presión en un evento de fuga térmica. El venteo de la etapa dos, también conocida como venteo activo, está diseñada para abordar estas situaciones, con un venteo que se abre por completo para permitir que los gases que se expanden rápidamente escapen de manera controlada, evitando daños adicionales a las células restantes, así como la explosión incontrolada del propio chasis.

El venteo de la etapa dos a menudo se proporciona con características mecánicas integradas con la membrana de ePTFE para permitir una desgasificación rápida durante eventos térmicos, cuando el gas se expande a una velocidad que el material de ePTFE no puede igualar pasivamente. Esencialmente, el venteo evita que el chasis supere una presión que podría causar una fallo catastrófico durante un evento de fuga térmica, cuando se generan rápidamente gases y altas temperaturas.

La figura 4 muestra cómo un sistema combinado de venteo pasivo y activo puede evitar la ruptura de la carcasa. Un chasis que se rompería a una presión de 1500 milibares podría equiparse con un sistema de venteo activo que se abra a 500 milibares. El sistema combinado limitaría el diferencial de presión a aproximadamente 750 milibares, muy por debajo de la presión de ruptura. Sin venteo, el chasis se rompería rápidamente.

Figura 4: El venteo de la etapa dos (activa) junto con el venteo pasivo puede evitar la ruptura de la cámara.

Para incorporar un respiradero en la etapa dos, los diseñadores deben considerar la rapidez con la que se liberarán los gases y la a la que presión se abrirá por completo. El respiradero debe estar diseñado para mantener la presión por debajo de la presión explosiva, que es esencialmente la presión máxima que puede manejar el chasis antes de que se fracture.

Otra consideración de diseño es la presión a la que el chasis podría experimentar una deformación plástica, un cambio irreversible en la forma. Esto produce daños no deseados en el chasis, pero no necesariamente problemas de seguridad. En chasis metálicos, la deformación plástica ocurre a una presión mucho más baja que la presión explosiva. En chasis de plástico, la deformación plástica ocurre a una presión más cercana a la presión explosiva. En consecuencia, un diseño de venteo adecuado debe tener en cuenta la diferenciación existente según los materiales de los chasis.

Cuando se produce un escape térmico, la batería necesitará un mantenimiento o una sustitución. El venteo de la segunda etapa no se centra en la duración de la batería, sino en la seguridad. Es necesario ventilar los gases para reducir el calor, difundir gradualmente los productos químicos nocivos para evitar nubes de alta concentración y evitar escombros proyectados que podrían provocar una explosión.

Resumen/Conclusión

Un venteo adecuado es primordial en las baterías de iones de litio que proporcionan los principales medios para propulsar vehículos eléctricos. Los sistemas de venteo diseñados adecuadamente brindan protección contra los contaminantes, junto con la nivelación de presión en condiciones normales de funcionamiento, lo que supone una mayor duración del chasis y durabilidad de la batería. En el raro caso de que la batería se esté quemando y la protección contra la humedad y los escombros pase a un segundo plano, el sistema de venteo también debe ser capaz de aliviar inmediatamente la presión y evitar posibles explosiones y otros resultados catastróficos. El uso de sistemas de venteo de doble etapa es la clave para abordar una amplia gama de necesidades de venteo en automoción.

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Jake Sanders es el director de desarrollo de producto para el equipo de soluciones de venteo integradas en Donaldson Company. Sanders tiene un BSME de la Universidad de Minnesota y un MBA de la Universidad de St Thomas. Lleva trabajando en el grupo de soluciones de venteo integradas de Donaldson 12 años, a lo largo de los cuales ha prestado sus servicios en los sectores de automoción, electrónica móvil, medicina, sensores, unidades de disco duro y filtración y venteo de semiconductores.
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