Tutti noi abbiamo visto video di portatili che prendono inspiegabilmente fuoco o abbiamo letto della Chevy Volt scoppiata in fiamme settimane dopo aver completato un crash test. Questi fenomeni che avvengono con le batterie agli ioni di litio – noti come “runaway termici” – non sono solo impressionanti, ma anche estremamente pericolosi. 

Di solito un runaway termico è causato da una corrente eccessiva o da una temperatura ambientale elevata e si sviluppa in diverse fasi: 

• A partire da una temperatura di 80°C, lo strato SEI (dall’inglese Solid-Electrolyte Interphase) inizia a rompersi; successivamente l’elettrolita reagisce con l’anodo. Questa reazione è esotermica e fa aumentare velocemente la temperatura.
• In secondo luogo, la temperatura elevata provoca la rottura dei solventi organici con conseguente rilascio di gas; normalmente questo inizia a verificarsi a circa 110°C. Durante questa fase la pressione all’interno delle celle si accumula e la temperatura aumenta fino a superare il punto di esplosione. Nonostante ciò, il gas non prende fuoco per mancanza di ossigeno.
• Infine, a 135°C il separatore si scoglie e causa un corto circuito tra l’anodo e il catodo, portando alla rottura del catodo di ossido di metallo a 200 °C e rilasciando ossigeno. Questo permette all’elettrolita e al gas idrogeno di bruciare. Anche questa reazione è esotermica e fa aumentare ulteriormente la temperatura e la pressione in modo rapido.

Batterie raffreddate a liquido: la risposta ai runaway termici  

Al fine di regolare la temperatura delle celle nelle batterie al litio ad alta energia dei veicoli elettrici, i produttori utilizzano dei sofisticati sistemi di gestione termica delle batterie, spesso dotati di dissipatori di calore raffreddati a liquido, per controllare sia le temperature alte che basse. 

Tuttavia, per poter implementare un design efficiente di dissipatore di calore raffreddato a liquido per la batteria di un veicolo elettrico o ibrido, è importante determinare la temperatura della batteria e il profilo del flusso termico mediante i test e la registrazione dei valori in vari punti. Questo viene fatto utilizzando le termocoppie durante i cicli di carica e scarica della batteria. 

Una volta che questi dati sono stati raccolti e analizzati, vengono estrapolate le linee di tendenza per adattarsi ai dati del flusso termico e queste vengono poi usate per creare le equazioni per il profilo del flusso termico durante le fasi di caricamento e scaricamento. 

Appena questo profilo viene registrato,viene creato un modello con mezzo dissipatore mediante un software di modellazione come il PTC Creo Parametric 3D. In questo modo, i percorsi proposti dei canali del flusso del fluido possono essere disposti per creare le sezioni trasversali dei canali di raffreddamento desiderati lungo i percorsi critici. 

Il trasferimento efficace del calore, però, richiede un equilibrio preciso tra la velocità, la pressione e la temperatura del fluido che scorre attraverso i canali del dissipatore. Pertanto, è essenziale ottimizzare le pressioni di ingresso e di uscita per controllare la portata del liquido di raffreddamento all’interno del dissipatore di calore. 

Misurare le pressioni in modo accurato ottimizza il trasferimento di calore

Considerando ottimale una differenza di pressione di circa 0.008273709 bar, i sensori di pressione utilizzati per misurare le pressioni del fluido attraverso il dissipatore di calore, devono essere estremamente accurati e stabili per un ampio intervallo di temperature e pressioni. 

Nel mondo esistono solo una manciata di produttori di sensori di pressione che producono strumenti in grado di eseguire questo compito in modo affidabile. Per fornire sensori di pressione alle squadre di sviluppo di tutto il mondo, i produttori vengono scelti in base all’accuratezza e consistenza nelle prestazioni dei loro sensori. 

I risultati dei test registrati da questi sensori di qualità sono utilizzati per tracciare le pressioni massime e minime a diverse portate volumetriche del fluido e grazie a ciò è possibile confrontare vari modelli di canali di flusso. 

Come definito nell’equazione di Bernoulli, secondo cui la velocità al quadrato varia inversamente alla pressione, la perdita di pressione aumenta di quattro volte all’aumentare della portata volumetrica del fluido. 

Per questo motivo, gli ingegneri optano per canali più ampi che permettono una portata maggiore del fluido e più passaggi nella batteria, ottimizzando così il trasferimento di calore dalle celle al dissipatore. 

Insomma, grazie soprattutto alle misurazioni accurate della pressione durante la fase di sviluppo, il calore dissipato mediante convenzione forzata ha migliorato notevolmente la sicurezza, l’affidabilità e capacità di ciclo delle batterie al litio.