Optimización del diseño de un sistema de gestión térmica con múltiples placas de refrigeración para baterías para minimizar la diferencia de temperatura considerando las interacciones entre las placas de refrigeración

Por qué las baterías más frías importan para los conductores de a pie

A medida que los vehículos eléctricos se vuelven más comunes, lo que ocurre dentro de sus paquetes de baterías condiciona silenciosamente la autonomía, la vida útil de las baterías y su seguridad. Este estudio examina cómo mantener cientos de celdas prismáticas de ion-litio, muy apretadas entre sí, a temperaturas prácticamente iguales mediante placas metálicas que conducen un fluido refrigerante y están ajustadas de forma ingeniosa. Al replantear cómo estas placas comparten el refrigerante, los investigadores muestran que pequeños ajustes de diseño pueden igualar notablemente las temperaturas sin consumir más energía.

Calor oculto en las baterías de los coches eléctricos

Los coches eléctricos modernos dependen de paquetes grandes formados por muchas celdas individuales de ion-litio. Cuando estas celdas se cargan y descargan, generan calor. Si algunas celdas funcionan más calientes que otras, envejecen más rápido, pueden entregar menos potencia y, en casos extremos, resultar inseguras. Por ello, los fabricantes buscan mantener las temperaturas de las celdas dentro de un rango seguro y, igual de importante, reducir las diferencias entre las celdas más calientes y las más frías—idealmente a pocos grados.

Cómo las placas de refrigeración mantienen controlado el paquete

Muchos coches eléctricos usan un enfoque de refrigeración líquida indirecta: placas metálicas planas se colocan bajo las pilas de celdas y el refrigerante circula por canales internos. En el paquete estudiado aquí, cinco placas largas están bajo cinco módulos de celdas prismáticas. Todas las placas comparten una única entrada y salida de refrigerante: el fluido entra por un lado, se reparte entre las placas y luego se reúne para salir. Investigaciones previas a menudo asumieron que cada placa recibía el mismo caudal y se comportaba de forma independiente. En realidad, sin embargo, las placas están conectadas hidráulicamente y el refrigerante tiende a favorecer ciertas rutas sobre otras.

Flujo desigual, temperaturas desiguales

Mediante simulaciones detalladas de flujo de fluido y transferencia de calor, los autores examinaron primero el diseño original, en el que todas las placas tenían anchos de canal idénticos. Descubrieron que el refrigerante seguía la ruta de menor resistencia: las placas más cercanas a la entrada y salida recibían la mayor parte del caudal, mientras que la placa más alejada recibía muy poco. Esas placas bien alimentadas extraían el calor de manera eficaz, pero las celdas sobre la placa mal alimentada se calentaron más. Dentro de cada placa, el refrigerante también se calentaba a medida que avanzaba, por lo que las celdas próximas al extremo aguas abajo funcionaban algo más calientes que las cercanas a la entrada. En el paquete completo de 75 celdas, la diferencia de temperatura entre la celda más caliente y la más fría alcanzó casi 4 kelvin, aunque la temperatura máxima se mantuvo dentro de un rango aceptable.

Ajustes inteligentes en lugar de bombas más potentes

En lugar de añadir más bombas, entradas o hardware voluminoso—lo que a menudo es inviable en un vehículo real—el equipo trató los propios canales de flujo como mandos ajustables. Permitieron que el ancho del canal de cada placa variara de forma independiente y también que los canales se estrecharan de la entrada a la salida. Un canal más estrecho aumenta la resistencia al flujo, empujando suavemente el refrigerante hacia otras placas; un canal cónico acelera el líquido cerca de la salida, mejorando la extracción de calor local. Dado que ejecutar simulaciones completas para todas las combinaciones posibles sería demasiado lento, los investigadores construyeron un sustituto matemático rápido de su modelo y usaron un algoritmo evolutivo de optimización para buscar el mejor conjunto de dimensiones y la tasa de flujo global.

Un paquete más uniforme sin energía adicional

El diseño optimizado produjo una distribución del refrigerante más equilibrada entre las cinco placas. Las placas más próximas a la entrada y a la salida acabaron con canales más estrechos, lo que aumentó su resistencia y fomentó un mayor flujo hacia la placa lejana que antes quedaba desatendida. Al mismo tiempo, los canales se diseñaron para estrecharse gradualmente a lo largo de la trayectoria del flujo, lo que mejoró la refrigeración cerca de las salidas y redujo los gradientes de temperatura dentro de cada módulo. A medida que el caudal y el área de superficie se compensaban, la transferencia neta de calor de cada placa se volvió más parecida. El resultado fue una reducción sustancial en la dispersión de temperatura entre celdas del paquete—from aproximadamente 3.98 a 1.73 kelvins—mientras que la temperatura máxima disminuyó ligeramente y la potencia de bombeo se mantuvo esencialmente sin cambios.

Qué significa esto para los futuros coches eléctricos

Para un público no especialista, el mensaje clave es que una geometría más inteligente puede, en ocasiones, reemplazar hardware más pesado. Al ajustar con cuidado cómo se dimensionan y forman los canales de refrigerante, los ingenieros pueden inducir al fluido a ir donde más se necesita, nivelando las temperaturas en paquetes de baterías grandes. Esto facilita mantener cada celda en un rango cómodo, lo que a su vez favorece una mayor vida útil de la batería, un rendimiento más uniforme y una mayor seguridad, todo ello sin exigir energía adicional a las bombas del vehículo.

Cita: Lee, H., Park, S., Park, C. et al. Design optimization of multiple cooling plate battery thermal management system for minimizing temperature difference considering interactions between cooling plates. Sci Rep 16, 14063 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41068-3

Palabras clave: baterías de vehículos eléctricos, refrigeración de baterías, gestión térmica, placas de refrigeración líquida, paquetes de ion-litio