Gestión térmica para fabricación de baterías de vehículos eléctricos y productos electrónicos

Ahora más que nunca, las baterías de vehículos eléctricos y productos electrónicos deben durar más, funcionar más rápido y garantizar la seguridad. Satisfacer esas demandas cada vez mayores requiere una gestión térmica confiable.

Cuanta más potencia y capacidad se acumula en un espacio reducido, como una celda de batería o una placa de circuito, más calor se genera. La gestión térmica disipa de forma segura el exceso de calor de una batería o producto electrónico para que funcione correctamente y no se inflame.

• En las baterías de vehículos eléctricos, esto consiste por lo general en rodear o encapsular la pieza en un material de interfaz térmica (TIM), conocido también como tapajuntas.
• En electrónica, el TIM suele aplicarse directamente sobre la superficie de los componentes electrónicos.

La temperatura desempeña un papel fundamental en la longevidad, eficiencia y seguridad de una celda de batería o componente electrónico.

• Si la temperatura es demasiado baja, la potencia, capacidad o rendimiento pueden disminuir.
• Si la temperatura es demasiado alta, puede producirse una degradación que reduzca el ciclo de vida del producto. Demasiado calor también puede provocar riesgos de seguridad con consecuencias catastróficas.

Se recomienda mantener la temperatura constante y distribuida de manera uniforme. Sin embargo, una gestión térmica confiable plantea dificultades a los fabricantes, porque el calor excesivo se presenta por muchas razones diferentes.

Por lo tanto, las baterías y los productos electrónicos se deben diseñar con sistemas de gestión térmica que eviten el sobrecalentamiento y alejen el calor de los componentes críticos de manera segura.

Las baterías de vehículos eléctricos y productos electrónicos se pueden sobrecalentar —lo que a veces causa eventos térmicos— debido a una sobrecarga, descarga rápida o factores ambientales. Una optimización permanente suele poner en peligro la gestión térmica.

• Para mejorar el rendimiento de las baterías de los vehículos eléctricos y reducir su peso, las celdas de las baterías tienen una mayor densidad energética, lo que se traduce en una mayor generación de calor dentro de un espacio más reducido.
• Para aumentar su rapidez y reducir su tamaño, los componentes electrónicos se miniaturizan y las funciones se integran, de modo que quepan más en placas de circuito impreso (PCB) y en espacios reducidos. Cuanto más compactas y potentes son las placas de circuito impreso, más calor generan.

Durante el montaje de los paquetes de baterías, se distribuyen grandes volúmenes de materiales de interfaz térmica (TIM), conocidos también como tapajuntas, entre el circuito de refrigeración y los módulos/celdas de baterías. 

Los TIM contienen rellenos altamente abrasivos con características de conducción térmica que permiten disipar el calor de las celdas o módulos de baterías hacia el circuito de refrigeración.

Una placa de circuito impreso (PCB) puede incluir varios componentes que, en conjunto, generen mucho calor. En las superficies superior e inferior es donde van montados los microchips, condensadores, conectores, resistencias y otros componentes.

El calor se puede acumular en los espacios de aire más pequeños dentro del dispositivo electrónico, lo que provoca que la placa de circuito se sobrecaliente y deje de funcionar. Ahí es donde entra en juego el material de interfaz térmica. 

El TIM rellena esos espacios de aire, de modo que el calor se transfiera rápidamente desde los componentes que generan calor a los componentes que disipan calor.  Esto mantiene el dispositivo electrónico dentro de un rango óptimo de temperatura, para que funcione y dure más.

Los materiales de interfaz térmica son muy espesos y pastosos. Los TIM también contienen partículas altamente abrasivas que pueden ser tan duras como el diamante. Esta combinación desgasta y daña rápidamente los sistemas de dispensado industriales tradicionales. La reparación o remplazo frecuente de bombas, ejes y sellos implica mucho tiempo de inactividad en la producción y elevados costos de mantenimiento.

Mezclar y aplicar correctamente los materiales termoconductores también puede plantear dificultades. Las pastas suelen ser materiales de dos componentes que requieren dosificación precisa con una relación determinada. Es crucial dispensar cantidades adecuadas y uniformes para evitar espacios de aire o derrames.

Para mantener en producción las líneas de montaje de baterías y componentes electrónicos con materiales de interfaz térmica (TIM), se requieren sistemas de dosificación con los siguientes requisitos:

• componentes resistentes a la abrasión que soporten las condiciones más difíciles
• un dispensado preciso y repetible que distribuya adecuadamente el material para aplicaciones de bajo o alto caudal
• descarga de datos —datos de proceso y registros de trabajo— que identifiquen los problemas antes de que causen tiempos de inactividad
• fácil integración en equipos automáticos