Sistema de Gestión Térmica de Baterías (BTMS) para Vehículos Eléctricos Comerciales: Principio de Funcionamiento, Componentes Principales y Despliegue en el Mundo Real

Cada batería de iones de litio en un vehículo eléctrico comercial funciona dentro de una estrecha zona de confort térmico.Por encima de 45 oC, la capa de interfase sólido-electrolítico (SEI) se degrada, acelerando la capacidad de desvanecimiento.Cada aumento de 10oC por encima de los 35oC puede reducir la duración del ciclo en aproximadamente un 50% (JFuentes de energía, vol. 412, 2019, pp. 146-154).

A Battery Thermal Management System (BTMS) is the engineered solution that maintains battery temperature within this window under real-world operating conditions --from a -30 deg C northern winter start to a +50 deg C mining site in full sun.

Este artículo cubre el principio de funcionamiento, los componentes básicos y la experiencia práctica de despliegue con la serie BTMS refrigerada por agua de 5kW-16kW de Newbase,que ha sido desplegado en más de 200 camiones eléctricos pesados, más de 80 autobuses urbanos y más de 40 gabinetes de almacenamiento de energía en China, el sudeste asiático y Europa desde 2023.

La serie Newbase BTMS también ha sido probada para el cumplimiento de los requisitos del mercado norteamericano y australiano, incluyendo sal (ASTM B117, 720 horas), funcionamiento de alta humedad (95% RH,500 horas), y los ciclos de precondicionamiento nórdicos para climas fríos hasta -35 oC, según se detalla en las secciones de conformidad regionales siguientes.

Un sistema de gestión térmica de la batería regula activamente la temperatura del paquete de la batería mediante un circuito de refrigerante líquido y un ciclo de refrigeración por compresión de vapor.

A diferencia de los vehículos eléctricos de pasajeros, los vehículos comerciales se enfrentan a tres desafíos térmicos únicos:

• Las emisiones de gases de efecto invernadero (C2C en camiones pesados) son más elevadas que las emisiones de gases de efecto invernadero.
• Las baterías más grandes (200-500 kWh, generando 20-50 kW de calor)
• Exposición más amplia a la temperatura ambiente (-30 oC a +60 oC)
• Carga rápida a 150-350 kW, lo que puede aumentar las temperaturas de las celdas de 8 a 12 grados C en 15 minutos

El BTMS aborda las tres funciones siguientes:

• Refrigeración: La refrigeración accionada por compresor elimina el calor durante la conducción con una gran carga y la carga rápida.
• Calentamiento: El calentador de líquido PTC integrado (6-14 kW opcional) eleva la temperatura del refrigerante para la aceptación de carga en clima frío.
• Equilibrio de temperatura: el flujo de refrigerante a través de placas de frío mantiene la diferencia de temperatura de célula a célula dentro de 2-3 grados C, en comparación con 5-10 grados C en envases refrigerados por aire.

Experiencia en el campo:Durante el invierno de 2024 el despliegue de un BTMS Newbase de 12 kW en una flota de 30 camiones eléctricos pesados en Xinjiang, China, las temperaturas ambientales cayeron a -28 grados C a las 6 a.m.El calentador PTC del sistema (12 kW de potencia) elevó la temperatura del refrigerante de -28oC a +25oC en 14 minutos, lo que permite que el paquete de baterías de 423 kWh acepte una carga de 180 kW sin recubrimiento de litio.Consumo de 18 kWh de energía almacenada antes de comenzar la carga.

Nota de adaptación nórdica: En un ensayo de validación separado en clima frío que simula las condiciones de invierno noruegas (ambiente -35oC, refrigerante de etilenoglicol al 50%),El calentador PTC de 12 kW logró un aumento de temperatura de -35 ° C a +20 ° C en 18 minutos --dentro de la ventana de precondicionamiento de 20 minutos requerida por varios OEM de autobuses europeosLa viscosidad del refrigerante a -35°C se mantuvo dentro del rango de funcionamiento de la bomba, confirmado por las pruebas de la curva de la bomba en el laboratorio de baja temperatura de Newbase.

El principio de funcionamiento sigue un ciclo de refrigeración por compresión de vapor de cuatro etapas, adaptado para el servicio de tipo vehículo:

Etapa 1 - Compresión
El compresor (tipo scroll en las unidades Newbase) extrae vapor de refrigerante a baja presión (R134a, 350-500 g según el modelo) y lo comprime a un estado de alta presión y alta temperatura.El compresor está accionado por el bus de alta tensión de CC del vehículo (400-750 VDC para modelos de 8-16 kW), 220-350 VDC para el modelo de 5 kW).

Etapa 2 - Condensación
El vapor de refrigerante de alta presión entra en el condensador, donde el aire forzado del ventilador integrado elimina el calor. El refrigerante se condensa en un líquido de alta presión.En las unidades Newbase de 12 kW y 16 kW, el condensador está diseñado con una superficie 25% mayor que la referencia de la industria para mantener el rechazo de calor a 50 oC ambiente.

Etapa 3 - Ampliación
El refrigerante líquido pasa a través de una válvula de expansión, donde una caída repentina de presión provoca un enfriamiento rápido.frente a un TXV de orificio fijo que se encuentra en sistemas más simples.

Etapa 4 - Evaporación
El refrigerante frío entra en el intercambiador de calor de la placa, donde absorbe el calor del refrigerante de retorno (50/50 de etilenoglicol/solución de agua).El refrigerante se vaporiza y vuelve al compresor para repetir el ciclo.

Desde el lado del refrigerante, una bomba eléctrica (20 m de cabeza / 2000 L/h en la unidad de 8 kW, 17,5 m / 2880 L/h en la de 10 kW,y >= 5 L/min a 180 kPa en las unidades de 12 kW/16 kW) circula el refrigerante a través de las placas de frío de la batería.

Nota práctica:Durante la puesta en marcha de una unidad de 10 kW en un autobús eléctrico de 40 pies en Bangkok, observamos que el 17.La cabeza de la bomba de 5 m fue suficiente para superar la caída de presión de 12 placas de frío conectadas en serie (longitud total del bucle)Sin embargo, cuando la misma unidad fue instalada más tarde en un autobús articulado de 60 pies con 18 placas de frío, tuvimos que actualizar a la bomba de la unidad de 12 kW (> = 5 L/min a 180 kPa) para mantener un flujo adecuado.Siempre comprobar la curva de la bomba contra la caída de presión del sistema - un desajuste es el error de puesta en marcha más común que vemos en el campo.

• Compresor: tipo de rollo, herméticamente sellado. Los modelos de 10-16 kW utilizan un compresor de rollo de dos cilindros que reduce las vibraciones en un 30% en comparación con las alternativas de un solo cilindro.
• Condensador: Construcción de aluminio de microcanal con ventilador integrado. El condensador de 12 kW utiliza una configuración de 3 filas, 22 tubos con aletas con persianas para una mejor transferencia de calor.
• Válvula de expansión: EEV en modelos de 8-16 kW; válvula de expansión térmica (TXV) en el modelo de 5 kW.
• Intercambiador de calor de placa: acero inoxidable soldado, configuración de 30-40 placas dependiendo del modelo.

• Bomba de refrigerante: tipo centrífuga, motor de corriente continua sin escobillas. La bomba de la unidad de 8 kW (20 m / 2000 L / h) utiliza un diseño de volute en espiral que reduce el riesgo de cavitación en NPSH bajo.
• Reservorio de refrigerante: tanque de expansión integrado con sensor de nivel. Las unidades de 12 kW/16 kW incluyen un vidrio de visión para la verificación de nivel a simple vista.
• Calentador PTC: Opcional, 6-14 kW dependiendo del modelo. Las unidades de 10 kW y 12 kW ofrecen un calentador PTC de 24 kW (el más alto de su clase), lo que permite un calentamiento rápido en clima frío.
• Accesorios: entrada/salida de O25 mm, con una tubería de desbordamiento opcional de O8 mm. Todas las conexiones utilizan sellos de cara de anillo O con una resistencia nominal de 150 psi.

• Interfaz de alta tensión: 400-750 VDC (8-16 kW), 220-350 VDC (5 kW). Todas las unidades incluyen un circuito de precarga para evitar la entrada de corriente.
• Control de bajo voltaje: 24 VDC (rango de 18-32 VDC), conforme con la inmunidad transitoria ISO 7637-2.
• Comunicación: CAN 2.0 (250 kbps o 500 kbps configurable). El controlador Newbase admite el protocolo J1939 para la integración de camiones pesados y CANopen para el ESS industrial.
• Arquitectura eléctrica: integración de cuatro en uno o tres en uno (controlador, contactor, fusible, precarga en una carcasa). Esto reduce el cableado en un 40% en comparación con los componentes discretos.
• Calificación IP: IP67 para todos los componentes eléctricos; IP27 para el conjunto de la unidad. Confirmada por pruebas de terceros en SGS (informe de prueba no SGS-EMC-2024-1172).

Característica de diseño patentada:El controlador Newbase BTMS utiliza un algoritmo PID adaptativo que aprende la respuesta térmica del paquete de baterías específico durante los primeros 10 ciclos de funcionamiento.Esto reduce el sobrepaso de la temperatura objetivo de 3.5 grados C (PID de ganancia fija) a 1.2 grados C, mejorando el COP promedio en un 8% - una característica confirmada en pruebas de ciclos internos en 50 configuraciones de paquetes de baterías.

Protección contra sal y corrosión: para aplicaciones costeras y offshore (equipos portuarios, buques marinos, ESS de parques eólicos costeros),Newbase ofrece un revestimiento conforme opcional en todos los conjuntos de PCBA (conforme a IPC-CC-830) y accesorios de refrigerante de acero inoxidable (304L) como una actualización resistente a la corrosiónLa unidad estándar ha superado las pruebas de salpullido de 720 horas según la norma ASTM B117 sin degradación funcional (informe de ensayo no CTI-COR-2024-089).Esto es particularmente relevante para los operadores portuarios del sudeste asiático y las operaciones mineras costeras australianas en las que la concentración de sal en el aire exceda de 50 ug/m3..

Nota de la fuente industrial:El COP >=2,5 se medirá en las condiciones de ensayo ARI 210/240Pruebas independientes realizadas por el Centro Nacional de Supervisión de Calidad y Pruebas de Equipos de Refrigeración de China (2024) confirmaron que las unidades de Newbase alcanzaron COP de 2.65-2.85 en el rango de 5-16 kW en condiciones estándar.

Cada unidad Newbase BTMS se somete a las siguientes pruebas de certificación y cumplimiento:

• CE EMC Clase III (EN 55011, EN 61000-6-2, EN 61000-6-4): Confirma la compatibilidad electromagnética para aplicaciones en vehículos comerciales.
• ONU R100 (Seguridad de los vehículos eléctricos con batería): el BTMS contribuye al cumplimiento a nivel del vehículo manteniendo la temperatura de la batería dentro de límites seguros en condiciones normales y de avería.
• IEC 62660-2 (Células de iones de litio secundarias para propulsión): el BTMS está diseñado para mantener la temperatura de la célula dentro del rango especificado en esta norma.
• IP67 e IP27: verificado por pruebas de terceros de SGS (no de informe SGS-IP-2024-0831).
• Ciclos de altas y bajas temperaturas: unidades sometidas a 500 horas de ciclos de temperaturas de -40 °C a +85 °C con una humedad corporal del 95%, sin deterioro del rendimiento (informe de ensayo no CTI-ENV-2024-214).

América del Norte (EE.UU. y Canadá):

• UL 2580 (Cubiertos de baterías para vehículos eléctricos):El circuito de refrigeración Newbase BTMS está diseñado para mantener la temperatura de la batería por debajo del umbral de escape térmico UL 2580 de 60 grados C en condiciones normales y de falla única.
• FMVSS 305 (vehículos eléctricos: protección contra derrames de electrolitos y descargas eléctricas):Los accesorios de sellado de cara con anillo O y de la carcasa con clasificación IP67 cumplen los requisitos de contención de electrolitos y aislamiento eléctrico de FMVSS 305..
• SAE J2929 (Norma de seguridad para los sistemas de baterías de vehículos eléctricos):El autodiagnóstico de fallas del controlador BTMS y el sistema de alerta basado en CAN respaldan el cumplimiento de los requisitos de detección de fallas de la norma SAE J2929.

Unión Europea:

• EU 2023/1230 (Reglamento de máquinas): las funciones de seguridad del controlador del BTMS (apagado por exceso de temperatura, protección contra exceso de corriente,Las máquinas que se utilicen para la detección de fallas en tierra (Machinery Fault Detection) están diseñadas para cumplir con los requisitos esenciales de salud y seguridad del nuevo Reglamento de la UE sobre máquinas., con efecto en enero de 2027.
• ECE R100 Rev.3 (Seguridad de los vehículos eléctricos): las unidades de 12 kW y 16 kW han sido sometidas a ensayos con arreglo a la ECE R100.03 para prevenir la propagación térmica.mantener la batería por debajo de 60oC durante un simulado de fuga térmica de una sola célula (informe de ensayo no. CTI-THERM-2024-312).

Australia (minería y fuera de carretera):

• Las normas AS/NZS 3000 (Reglas de cableado) y AS 62040 (Sistemas de alimentación ininterrumpidos - Aplicaciones del SES):La interfaz eléctrica del BTMS cumple los requisitos de aislamiento y protección de las instalaciones mineras y de ESS australianas.
• Objetivo de Desarrollo del Milenio 41 (Directriz para vehículos eléctricos en minas de carbón subterráneas):el BTMS Newbase puede especificarse con una carcasa eléctrica a prueba de chispas conforme con ATEX/IECEx (pedido personalizado).

Completo conjunto de ensayos por unidad (del manual del producto):

• Eficiencia de refrigeración y verificación de la capacidad
• Evaluación de la relación entre el consumo de energía y la eficiencia energética
• Pruebas de fugas y presión
• Pruebas de seguridad eléctrica (resistencia al aislamiento, resistencia dieléctrica)
• Detección de la carga y las fugas del refrigerante
• Evaluación del rendimiento del compresor
• Ensayo del rendimiento del condensador y del evaporador
• Pruebas de rendimiento del ventilador
• Verificación del sistema de control
• Pruebas de ciclo y durabilidad a altas y bajas temperaturas

En el caso 1 --Frota de camiones pesados eléctricos, Mongolia Interior (2024)
Una flota de 50 camiones pesados eléctricos (423 kWh de batería LFP, chasis 6x4) que operaban en una mina de carbón a cielo abierto requería un sistema de enfriamiento BTMS durante ciclos de carga de 2 horas a 40 ° C en el ambiente de verano.La unidad Newbase de 12 kW fue seleccionada después de que la simulación térmica mostrara una generación de calor máxima de 18 kW durante el ascenso a todo velocidad.

Los resultados:La temperatura máxima de la celda es de 38,2oC (42oC ambiente), la diferencia de temperatura entre los 24 módulos es de 2,8oC. La COP del sistema es de 2,7 durante un período de monitorización de 8 meses.La función de autodiagnóstico de fallas detectó un soporte de ventilador de condensador defectuoso en 2100 horas, lo que permite el reemplazo preventivo antes de fallar.

En el caso de los vehículos de transporte por carretera, el precio de venta de los vehículos de transporte por carretera en China fue el siguiente:
Una flota de 80 autobuses eléctricos urbanos (303 kWh de batería LFP, de 12 metros de longitud) que operan en 14 rutas urbanas.La unidad de 10 kW fue seleccionada por su huella compacta (960x603x291 mm) y su grado de ruido <= 80 dB ((A)).

Los resultados:Dieciséis meses de operación con cero tiempo de inactividad relacionado con el BTMS. La carga de datos en tiempo real CAN 2.0 permitió al sistema de gestión de flotas rastrear el tiempo de funcionamiento del compresor y programar el mantenimiento proactivo.La opción del calentador PTC de 24 kW no fue seleccionada inicialmenteEn el caso de los autobuses, el tiempo de carga se redujo de 3,5 horas a 1,5 horas a -15oC.

En el caso de los productores exportadores incluidos en la muestra, el precio de exportación de los productores exportadores incluidos en la muestra fue el precio de exportación del producto afectado.
Un ESS en contenedores de 2 MWh (células LFP, racks de 20x 100 kWh) requería refrigeración líquida para mantener la temperatura de la célula por debajo de 40 oC durante los ciclos de carga/descarga de 0,5 oC.Dos unidades BTMS Newbase de 10 kW se integraron en el circuito de refrigerante del ESS, cada uno de los cuales sirve 10 racks en paralelo.

Los resultados:La temperatura de la celda se mantiene en 33+/-1.5oC en todos los bastidores durante una hora de carga de 0.5oC.La integración eléctrica de cuatro en uno redujo el tiempo de cableado de la instalación en 6 horas por unidad en comparación con el sistema de componentes discretos anteriorEl sistema ha acumulado 5.400 horas de funcionamiento sin ninguna fuga de refrigerante o fallo del compresor.

Newbase ofrece tres niveles de personalización para clientes que realizan pedidos de volumen:

• Eléctrico:Rango de voltaje (220-350 VDC), protocolo de comunicación (J1939, CANopen, Modbus RTU), lógica de control (modo de trabajo + temperatura de agua objetivo o temperatura de la batería siguiente)
• Mecánica:Las dimensiones de los puntos de montaje, los tipos de conectores (AMP, TE, Deutsch), el tamaño y la orientación del dispositivo de refrigeración, el color del gabinete
• La energía térmica:Calificación del calentador PTC (6-14 kW), perfil de velocidad del ventilador, mapeo de velocidad del compresor, ajuste de la capacidad de refrigeración mediante ajuste de la carga del refrigerante

Experiencia en el campo:Para un OEM de camiones mineros europeos, personalizamos la comunicación CAN de la unidad de 16 kW de J1939 a CANopen, ajustamos el punto de ajuste de la capacidad de enfriamiento de 16 kW a 14 kW (para que coincida con su batería de 450 kWh),y añadió un circuito de refrigerante secundario para el enfriamiento del motorEl ciclo de Ingeniería a Orden (ETO) fue de 9 semanas desde la firma de especificaciones hasta la entrega de muestras.

Para los clientes de América del Norte y Australia, Newbase ofrece opciones de personalización adicionales:

• Seguridad y cumplimientoComponentes reconocidos por la UL, conectores certificados por la CSA, gabinete a prueba de chispas ATEX/IECEx
• Medio ambiente:Revestimiento conforme (IPC-CC-830), accesorios de acero inoxidable (304L), condensador de aluminio de grado marino
• Eléctrico:48 fuente de control VDC (para aplicaciones de telecomunicaciones/ESS), SAE J1939 con archivo.dbc personalizado, Modbus TCP para la integración de ESS

Un BTMS refrigerado por agua es un subsistema crítico en cualquier vehículo comercial eléctrico.y intercambiador de calor de placa -- combinado con un circuito de refrigerante líquido, proporciona el rendimiento térmico, la uniformidad de la temperatura y la capacidad de calefacción y refrigeración durante todo el año que exigen las aplicaciones de trabajo pesado.El rango de 5 a 16 kW de Newbase ofrece características específicas (PID adaptativo, EEV, integración de cuatro en uno, calefacción PTC de 24 kW) que lo distinguen de las unidades de refrigeración por agua genéricas.y una implementación probada en más de 200 vehículos y más de 40 gabinetes ESS, la base técnica está bien establecida.

Para los clientes que se dirigen a los mercados de América del Norte, Europa o Australia, Newbase proporciona paquetes de documentación de cumplimiento que incluyen informes de pruebas UL 2580, evaluación de riesgos EU 2023/1230,y declaraciones de conformidad de cableado AS/NZS 3000Contacte con el equipo de cumplimiento de Newbase para obtener soporte de certificación específico de la región.