Nuova piastra di raffreddamento migliora gestione termica batterie
Nel dinamico panorama della mobilità elettrica, dove sicurezza, prestazioni ed efficienza sono obiettivi prioritari, la gestione termica delle batterie continua a rappresentare una delle sfide più complesse per gli ingegneri automobilistici. Con l’aumento della domanda di veicoli elettrici ad autonomia estesa, tempi di ricarica rapidi e funzionamento affidabile anche in condizioni climatiche estreme, il controllo della temperatura dei pacchi batteria agli ioni di litio è diventato un fattore determinante. Il surriscaldamento non solo riduce la durata delle celle, ma aumenta anche il rischio di fenomeni pericolosi come il thermal runaway, che può portare a incendi o esplosioni. In questo contesto, una ricerca recente pubblicata sulla rivista Energy Conservation introduce un’innovazione significativa: una nuova piastra di raffreddamento liquido composita che combina canali di flusso non uniformi e materiali a cambiamento di fase (PCM), ottenendo risultati superiori in termini di dissipazione del calore e risparmio energetico.
Lo studio, condotto da Liu Jiaxin e Wang Changhong del Dipartimento di Materiali ed Energia dell’Università di Tecnologia di Guangdong, affronta uno dei problemi più critici nella progettazione dei veicoli elettrici: come gestire efficacemente il calore generato dai moduli batteria durante cicli di scarica ad alta intensità. In condizioni di utilizzo intensivo – come ricarica rapida, accelerazione brusca o funzionamento in climi caldi – le batterie possono superare rapidamente il loro intervallo di temperatura ideale, compreso tra 25 °C e 45 °C. Un eccesso di calore non solo degrada la vita utile della batteria, ma provoca anche un invecchiamento non uniforme delle celle se la differenza di temperatura supera i 5 °C, compromettendo l’efficienza e la sicurezza del sistema.
I metodi di raffreddamento tradizionali presentano da tempo limiti ben noti. Il raffreddamento ad aria attivo, sebbene semplice ed economico, spesso non riesce a dissipare sufficiente calore sotto carichi termici elevati. I sistemi a liquido, pur essendo più efficaci, richiedono flussi elevati e pompe potenti, con conseguenti perdite energetiche parassite. I sistemi passivi basati su materiali a cambiamento di fase offrono un’eccellente capacità di accumulo termico grazie al loro alto calore latente, ma una volta completata la fusione del PCM, la sua capacità di assorbire ulteriore calore si riduce drasticamente, a meno che il calore accumulato non venga dissipato attivamente. Riconoscendo questi svantaggi, Liu e Wang hanno proposto un approccio ibrido che combina i vantaggi del raffreddamento attivo e passivo.
La soluzione sviluppata dai ricercatori si concentra su una nuova piastra di raffreddamento liquido composita caratterizzata da una geometria dei canali non uniforme. A differenza delle piastre di raffreddamento tradizionali, che utilizzano canali paralleli di larghezza costante, questo nuovo design prevede un restringimento progressivo della larghezza dei canali dall’ingresso verso l’uscita. I ricercatori hanno testato due configurazioni: una con canali che si restringono progressivamente (definita Struttura A) e un’altra con canali che si allargano (Struttura B), mantenendo costante la sezione trasversale totale. Questa innovazione architettonica mira a risolvere un difetto comune nei sistemi di raffreddamento a canali multipli: la distribuzione non uniforme del flusso. Nei layout tradizionali, il liquido di raffreddamento tende a seguire i percorsi di minor resistenza, causando un flusso non equilibrato e un trasferimento di calore subottimale in alcune zone della piastra.
Attraverso estese simulazioni numeriche condotte con il software Ansys Fluent 2022R1, il team ha analizzato la dinamica dei fluidi e le prestazioni termiche di ciascuna configurazione sotto diverse condizioni operative. I risultati sono stati sorprendenti. A basse velocità di ingresso – specificatamente inferiori a 0,08 m/s – la Struttura A mostrava pochi vantaggi rispetto ai design con canali uniformi. Tuttavia, superata questa soglia, il design con canali restringenti dimostrava una chiara superiorità sia nella riduzione della temperatura massima che nell’uniformità termica all’interno del modulo batteria. Quando la velocità di ingresso raggiungeva 0,16 m/s, il sistema a canali non uniformi riusciva a mantenere la differenza di temperatura all’interno del modulo batteria sotto i 5 °C, rispettando il fondamentale parametro di sicurezza. In contrasto, il design tradizionale con canali uniformi richiedeva una velocità di flusso più elevata, pari a 0,2 m/s, per raggiungere lo stesso livello di uniformità termica.
Questo miglioramento è attribuibile alla migliore distribuzione del flusso ottenuta dalla geometria a canali restringenti. Aumentando progressivamente la resistenza idraulica lungo il percorso, il design promuove una distribuzione più bilanciata del liquido di raffreddamento in tutti i canali, prevenendo la formazione di punti caldi localizzati e garantendo un’estrazione di calore più coerente in tutto il modulo. È importante sottolineare che questo ottimizzazione è stata ottenuta con un aumento minimo della caduta di pressione. A 0,16 m/s, la perdita di pressione nella Struttura A era superiore di soli 5,51 Pa rispetto al design uniforme – un incremento trascurabile considerando i significativi vantaggi ottenuti in termini di prestazioni termiche. Ciò significa che la potenza richiesta alla pompa per circolare il liquido rimane relativamente bassa, contribuendo all’efficienza energetica complessiva del sistema.
Sfruttando ulteriormente questo avanzamento strutturale, i ricercatori hanno ulteriormente perfezionato il concetto integrando un materiale a cambiamento di fase (PCM) nella piastra di raffreddamento. Il design composito incorpora PCM – selezionato per la sua temperatura di transizione compresa tra 38 °C e 40 °C e un calore latente di 160.000 J/kg – negli spazi tra i canali di raffreddamento. Questa configurazione ibrida permette al sistema di beneficiare simultaneamente del trasferimento di calore convettivo (tramite il raffreddamento a liquido) e dell’assorbimento di calore latente (tramite la transizione di fase del PCM). La combinazione crea un meccanismo di regolazione termica a doppia modalità: durante le fasi iniziali di funzionamento, il PCM assorbe il calore in eccesso durante la fusione, stabilizzando la temperatura della batteria; nel frattempo, il liquido in movimento rimuove continuamente il calore dal sistema, impedendo al PCM di saturarsi completamente.
La sinergia tra questi due meccanismi di raffreddamento si è rivelata particolarmente efficace in condizioni di flusso ridotto. Quando la velocità di ingresso era impostata a 0,12 m/s, il sistema composito riduceva la temperatura massima della batteria a 41,27 °C e la differenza di temperatura tra le celle a 4,84 °C – miglioramenti rispettivamente di 0,23 °C e 0,17 °C rispetto a un sistema di riferimento senza PCM che utilizzava la stessa piastra Struttura A. Ancor più importante, il design composito ha ottenuto questi risultati senza richiedere velocità della pompa più elevate, riducendo quindi il consumo energetico parassita. Questo lo rende particolarmente adatto a cicli di guida urbani o a traffico stop-and-go, dove si verificano frequenti transitori termici ma non è necessaria una potenza di raffreddamento sostenuta.
Uno degli aspetti più interessanti dello studio è stata l’indagine sull’impatto della temperatura del liquido di raffreddamento in ingresso sulle prestazioni del sistema. Intuitivamente, si potrebbe pensare che un liquido più freddo offra sempre un raffreddamento migliore. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto un compromesso tra il controllo della temperatura massima e l’uniformità termica. Temperature di ingresso più basse – come 30 °C o 31 °C – hanno effettivamente ridotto la temperatura massima della batteria, ma hanno anche portato a gradienti termici maggiori all’interno del modulo. Questo accade perché il liquido assorbe calore progressivamente mentre scorre attraverso i canali, diventando più caldo verso l’uscita. Di conseguenza, le celle vicine all’ingresso sperimentano condizioni più fresche, mentre quelle vicine all’uscita rimangono relativamente più calde, creando uno squilibrio termico longitudinale.
Al contrario, quando la temperatura del liquido in ingresso è stata aumentata avvicinandosi alla temperatura iniziale della batteria – intorno a 33–34 °C – il gradiente termico attraverso il modulo è diminuito significativamente. A 34 °C, la differenza di temperatura è scesa a 4,97 °C, appena sotto la soglia di sicurezza di 5 °C, mentre la temperatura massima è stata mantenuta a un livello sicuro di 40,48 °C. Questa scoperta ha importanti implicazioni pratiche: invece di spendere energia aggiuntiva per raffreddare il liquido al di sotto della temperatura ambiente, i produttori di veicoli possono far funzionare il sistema di gestione termica con un liquido pre-riscaldato a una temperatura vicina a quella della batteria, ottenendo sia un risparmio energetico che una migliore uniformità termica.
La scelta di 34 °C come temperatura di ingresso ottimale si allinea bene anche con le condizioni operative reali. In molti climi, specialmente durante i mesi estivi, le temperature ambiente superano spesso i 30 °C. Raffreddare il liquido al di sotto di questo punto richiederebbe un sistema di refrigerazione aggiuntivo, aumentando il carico sul sistema HVAC del veicolo e riducendo l’efficienza complessiva. Operando il sistema di gestione termica con un liquido leggermente superiore alla temperatura ambiente, si evita un consumo energetico inutile pur mantenendo temperature della batteria sicure e stabili.
Dal punto di vista dei materiali, l’uso del PCM offre ulteriori vantaggi oltre alla regolazione termica. I materiali a cambiamento di fase hanno tipicamente una densità inferiore ai metalli, il che significa che sostituire parti della piastra di raffreddamento in alluminio con PCM riduce il peso complessivo del sistema di gestione termica. In un settore dove ogni chilogrammo conta ai fini dell’autonomia e delle prestazioni, questa riduzione del peso può contribuire a un miglioramento dell’efficienza del veicolo. Inoltre, il PCM selezionato presenta proprietà stabili nella forma durante la transizione di fase, prevenendo perdite e garantendo una lunga affidabilità anche in condizioni di vibrazione meccanica e cicli termici.
Il modello di simulazione utilizzato nello studio è stato rigorosamente validato con dati sperimentali. Utilizzando un tasso di scarica di 4C a una temperatura ambiente di 35 °C, i ricercatori hanno confrontato i profili di temperatura superficiale simulati con misurazioni reali ottenute tramite termocoppie collegate a un registratore di temperatura Agilent. La stretta corrispondenza tra i due dataset – con una deviazione massima di circa 1 °C – ha confermato l’accuratezza e l’affidabilità del modello numerico. Questo passaggio di validazione è cruciale per instaurare fiducia nei risultati della simulazione, specialmente quando si propongono nuovi design per l’implementazione nel mondo reale.
Il dominio computazionale è stato accuratamente costruito per bilanciare accuratezza ed efficienza. Sfruttando la simmetria del modulo batteria, il team ha modellato solo metà di una singola cella e della sua piastra di raffreddamento adiacente, riducendo significativamente il carico computazionale senza sacrificare la fedeltà. Assunzioni chiave hanno incluso una generazione di calore interna uniforme all’interno della batteria, un flusso di liquido incomprimibile e in stato stazionario, una resistenza termica di contatto trascurabile tra i materiali e proprietà termodinamiche costanti per il PCM. Sebbene queste semplificazioni siano comuni nelle simulazioni ingegneristiche, impongono certi limiti. Per esempio, le batterie reali possono presentare una generazione di calore non uniforme a causa di variazioni della resistenza interna, e le proprietà del PCM come la conducibilità termica possono variare con la temperatura. Lavori futuri potrebbero esplorare il comportamento transitorio della fase e le proprietà dei materiali dipendenti dalla temperatura per una maggiore realismo.
Nonostante questi limiti, i risultati di questo studio offrono spunti preziosi per gli ingegneri automobilistici e i progettisti di sistemi batteria. L’integrazione di una geometria a canali non uniformi con PCM rappresenta un passo significativo nello sviluppo di soluzioni di gestione termica ad alta efficienza energetica e alte prestazioni. A differenza degli approcci precedenti, focalizzati esclusivamente sul miglioramento del trasferimento di calore attraverso modifiche strutturali o la selezione dei materiali, questo lavoro dimostra il potere di una filosofia di progettazione olistica e a livello di sistema.
Le implicazioni si estendono oltre i veicoli elettrici per passeggeri. Applicazioni ad alte prestazioni come autobus elettrici, camion commerciali e sistemi di accumulo di energia – dove i carichi termici sono ancora più intensi – potrebbero trarre grande vantaggio da questa tecnologia. In impianti di accumulo su scala di rete, dove migliaia di celle devono essere mantenute entro una finestra di temperatura ristretta, la capacità di ridurre la potenza della pompa migliorando al contempo l’uniformità termica potrebbe tradursi in sostanziali risparmi operativi durante l’intera vita del sistema.
Inoltre, i principi scoperti in questa ricerca potrebbero ispirare ulteriori innovazioni in altri settori dell’ingegneria termica. Il concetto di ridistribuzione del flusso attraverso il design geometrico potrebbe essere applicato a scambiatori di calore nei sistemi di climatizzazione, a raffreddatori a microcanali nell’elettronica o persino in pile a combustibile. La combinazione efficace di raffreddamento attivo e passivo apre nuove strade per la gestione termica ibrida in ambito aerospaziale, robotica ed elettronica portatile.
Mentre la transizione globale verso la mobilità elettrificata si accelera, innovazioni come questa sottolineano l’importanza di un continuo investimento nella ricerca fondamentale. Mentre molta attenzione è rivolta alla chimica delle batterie e alla densità energetica, altrettanto critici sono i sistemi di supporto che ne garantiscono un funzionamento sicuro ed efficiente. La gestione termica, sebbene spesso trascurata, svolge un ruolo fondamentale nel determinare la durata, l’affidabilità e la sicurezza di ogni veicolo elettrico in circolazione.
Il lavoro di Liu Jiaxin e Wang Changhong esemplifica come un’ingegneria accurata e una rigorosa simulazione possano portare a soluzioni pratiche e scalabili. La loro piastra di raffreddamento liquido composita non solo soddisfa gli attuali standard industriali per le prestazioni termiche, ma lo fa in un modo che priorizza il risparmio energetico e l’efficienza del sistema. Mentre i produttori di automobili si sforzano di soddisfare normative sulle emissioni sempre più severe e le aspettative dei consumatori, innovazioni come questa saranno essenziali per plasmare la prossima generazione di mobilità sostenibile.
In conclusione, lo studio pubblicato su Energy Conservation presenta un caso convincente per ripensare il design tradizionale delle piastre di raffreddamento liquido. Combinando canali di flusso non uniformi con materiali a cambiamento di fase e ottimizzando parametri operativi come la velocità di ingresso e la temperatura, i ricercatori hanno sviluppato un sistema che raggiunge un’eccellente regolazione termica con un minimo consumo energetico. Quando funziona a una velocità di ingresso di 0,12 m/s e a una temperatura di ingresso di 34 °C, la piastra di raffreddamento composita mantiene la temperatura massima della batteria a 40,48 °C e la differenza di temperatura a 4,96 °C – ben entro i limiti operativi sicuri. Questo equilibrio tra prestazioni ed efficienza segna un significativo avanzamento nella tecnologia di gestione termica delle batterie.
Liu Jiaxin, Wang Changhong, Dipartimento di Materiali ed Energia, Università di Tecnologia di Guangdong, Energy Conservation, doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2024.10.001