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Procesos y retos en la aplicación de pastas conductoras térmicas

Gestión térmica inteligente en el proceso de unión de las baterías de vehículos eléctricos

8 minutos para leer Julio 06, 2023

La aplicación de pasta térmica es un paso fundamental en el proceso de unión de las baterías de vehículos eléctricos. Además, desempeña un papel esencial en la gestión térmica, ya que garantiza el rendimiento y la seguridad de la batería. Una solución de aplicación inteligente permite ahorrar materiales, peso y costos.

La electromovilidad debe evolucionar constantemente para satisfacer las crecientes exigencias del mercado en términos de seguridad operativa, rendimiento, autonomía, tiempos de carga y costos. Como pieza central del vehículo, la batería solo puede ofrecer el máximo rendimiento dentro de un rango de temperatura específico. Cada batería genera calor durante la carga y la descarga, que debe controlarse y disiparse por motivos de seguridad y para mantener su capacidad a largo plazo. En la bandeja de la batería se aplica una pasta térmica para evitar el sobrecalentamiento debido al calor generado por el funcionamiento de las celdas.

 

Pastas conductoras térmicas: alto costo y gran peso

Estos materiales altamente viscosos con una gran cantidad de rellenos especiales, también conocidos como rellenadores de huecos o materiales de interfaz térmica, permiten la gestión térmica activa de las baterías de gran tamaño al disipar el calor generado durante la carga y descarga de las celdas en estructuras de refrigeración adecuadas.

“Según el tipo de batería y el fabricante, se aplican hasta 5 litros de material de interfaz térmica por batería, lo que supone un peso de hasta 15 kg de material en el vehículo. Los costes son elevados, en torno a 10 euros por kg. Optimizar el uso de materiales en el compartimento de la batería es fundamental para reducir el peso, los costos y la huella de carbono.”

Daniel Boes Responsable de catálogo de productos, división de soluciones de dispensación SCA y montaje industrial

Proceso de unión en la gestión térmica

En el proceso de unión se aplica un compuesto térmico como material de interfaz térmica tras el sellado de la bandeja de la batería y el montaje del sistema de refrigeración y de los compartimentos. Para ello, es esencial aplicar el compuesto con precisión y sin bolsas de aire. La avanzada tecnología de apriete garantiza un contacto óptimo entre la carcasa y el módulo de la batería teniendo en cuenta el comportamiento de la pasta conductora en la junta.

Aplicar el material líquido en grandes cantidades y con un caudal elevado es todo un reto. Es fundamental disponer de un sistema de aplicación de alto rendimiento, con componentes que puedan soportar el material abrasivo. De este modo, se pueden utilizar distintos patrones de aplicación, como líneas paralelas o serpenteantes, o la denominada aplicación con forma de hueso, para favorecer el prensado sin burbujas de los módulos sobre la pasta conductora. Para desarrollar el patrón de aplicación adecuado es necesario realizar pruebas exhaustivas del material. En nuestros centros de innovación globales reunimos a fabricantes de baterías y equipos y proveedores de materiales con nuestros expertos en soluciones de unión para encontrar la aplicación óptima para cada caso concreto.

 

Consideración de las tolerancias

Al aplicar el material, se deben tener en cuenta las tolerancias en el ajuste entre el compartimento de la batería y el módulo de celdas como contrapartida. Las respectivas cadenas de tolerancia de los componentes dan como resultado separaciones de entre 0,5 y 3 mm.
Si se aplica muy poco material, puede que el relleno no sea suficiente y se formen bolsas de aire, lo que repercute negativamente en la calidad de la gestión térmica.
Los fabricantes suelen aplicar demasiado material para garantizar que el hueco se rellene adecuadamente, incluso con las tolerancias máximas, lo que conlleva un desperdicio de material y un aumento del peso de la batería y de los costos. La pérdida de material al apretar los módulos entre sí también puede provocar defectos técnicos. El objetivo consiste en aplicar la cantidad mínima de material de forma precisa.

Medición, cálculo y aplicación adaptados

Optimized material application with Smart.Adjust Atlas Copco has developed a special solution for optimized application of the thermal paste. Here, 3D sensors measure the underside of the battery module (left) as well as the surface of the battery compartment (right). By matching the scan data, the gap tolerances can be calculated precisely.

 

Atlas Copco se basa en un sistema de procesamiento de imágenes industrial anterior en combinación con un algoritmo inteligente, que permite al sistema de medición aplicar el material de interfaz térmica con precisión. Smart.Adjust calcula y controla la cantidad óptima de material.
En el primer paso, los sensores 3D miden la parte inferior del módulo de la batería y la superficie del compartimento de la batería. Los datos de análisis se fusionan en el software, lo que permite calcular con precisión las tolerancias y el volumen de la columna. El algoritmo inteligente determina el volumen de material necesario a partir de los datos de análisis y envía la información directamente al control de línea del sistema de aplicación, que ajusta los parámetros en consecuencia para cada aplicación individual, y se aplica el volumen de material óptimo. El ajuste preciso del volumen se realiza directamente a través del sistema de medición.

 

Gap filler material application with Smart.Adjust The intelligent algorithm determines the required material volume from the scan data and sends the information directly to the line control of the application system, which applies the material in an optimized manner. In this test setup, the gap tolerances were simulated by recesses in the battery base for clarity.

 

 

 

Ahorro cuantificable de costes y peso

Smart.Adjust mejora considerablemente la calidad y fiabilidad de la gestión térmica.

Cuando el hueco se rellena con una cantidad óptima de material conductor térmico, se garantiza una gestión térmica suficiente, se evitan defectos técnicos, se reduce el desperdicio de material y la batería puede funcionar a plena potencia. Si se aplica el principio de "bien a la primera", también se pueden evitar las rectificaciones.

Las pruebas exhaustivas han demostrado que Smart.Adjust permite ahorrar hasta dos kilogramos de peso de material puro por batería, en función del material. Con respecto a la cantidad total de material aplicado en la batería, se puede ahorrar hasta un 20 % de los costes de material. Esto no solo reduce las emisiones de CO2 asociadas al proceso de aplicación, sino que además la reducción de peso se traduce en una mayor autonomía.

 

Retos en el suministro de materiales

Para mejorar la gestión térmica, se debe prestar atención al suministro de materiales además de su aplicación. Los retos surgen debido a las propiedades únicas de los materiales de gestión térmica. La alta densidad suele dejar los barriles llenos solo hasta la mitad, por lo que es necesario sustituirlos con frecuencia. Después de cada cambio es necesario purgarlos y ventilarlos manualmente, lo que supone una pérdida de entre 1,5 y 6 litros de material como residuo de bombeo. Además, las bombas convencionales tienen dificultades para vaciar por completo un barril, dejando hasta 6 litros de material en un barril de 200 litros.
Este complejo proceso requiere tiempo, desperdicia pasta térmica cara y requiere una costosa eliminación de los residuos del material. Garantizar una calidad uniforme en todo el proceso de dispensación también es un reto debido a las operaciones manuales.

 

The SCA ENSO Plus.Supply offers three different base plate versions for optimal logistics and easy handling of barrel change. The SCA ENSO Plus.Supply offers three different base plate versions for optimal logistic and easy handling of barrel change.

 

 

La tecnología de vacío garantiza el ahorro de materiales

Para responder a estos retos, Atlas Copco ha inventado una nueva generación de bombas de materiales, denominada Plus.Supply. Con un cambio de barril semiautomatizado, una placa de seguimiento plana de nuevo diseño y una tecnología de vacío, SCA ENSO Plus.Supply es nuestro "héroe en cuanto a la reducción de la huella de carbono" con un uso del 99,4 % de material por barril. Una bomba de vacío bombea automáticamente el aire atrapado entre la placa de seguimiento plana y el material, lo que permite realizar un cambio de barril semiautomatizado. También se eliminan los procesos manuales, como la ventilación y el lavado. De esta forma, se reduce la complejidad del cambio de barril y la cantidad de formación necesaria, se evita la aparición de bolsas de aire en el material que pueden provocar errores de aplicación y se aumenta la seguridad del operador. Al ofrecer tres placas base distintas para la generación de bombas Plus.Supply, satisfacemos las necesidades logísticas de casi todos los fabricantes.

 

Plus.Supply and Flat Follower Plate savings in EV Battery *per system per year. Our Plus.Supply with vacuum pump and Flat Follower Plate can increase the material efficiency up to 99,4 %

 

 

Obtén más información sobre nuestra solución en el vídeo

 

 

Conclusión: uso eficiente de los materiales como factor clave para lograr una mayor sostenibilidad en la producción de baterías

Un sistema de aplicación innovador, que puede tener en cuenta las tolerancias de los componentes y aplicar el material de forma óptima, aporta ventajas cuantificables. La función del suministro de materiales suele subestimarse en la gestión térmica. Los innovadores conceptos de suministro de materiales ofrecen una gran ventaja para el ahorro de materiales y la mejora de los procesos durante los cambios de barril, lo que también ayuda a reducir significativamente las emisiones de CO2 en el proceso de montaje de las baterías de vehículos eléctricos.

 

Conclusiones clave

  • La gestión térmica garantiza el rendimiento y la seguridad de las baterías de los vehículos eléctricos modernos, además de aumentar su autonomía.
  • Las posibilidades de ahorro son enormes para los fabricantes de baterías de vehículos eléctricos en lo que respecta a los materiales, el peso y los costes.
  • La aplicación óptima del material permite obtener ventajas cuantificables.
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Este artículo es uno de los 11 publicados. Para obtener más información sobre nuestras soluciones de electromovilidad, visite nuestro blog de expertos "Electrificación" en INSIGHTS.
 
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