Artículo técnico
ZFoam
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Nuevas aplicaciones de espumas técnicas en vehículos eléctricos
Las espumas técnicas siempre han estado históricamente presentes en aplicaciones de aislamiento térmico, acústico, estanqueidad, amortiguación de vibraciones y revestimientos ‘soft touch’ en el compartimento motor y el habitáculo interior del automóvil.
Un nuevo campo de aplicaciones se abrió con las tendencias de ahorro energético y sustitución de materiales plásticos de densidades elevadas por soluciones más ligeras en plásticos espumados, que contribuyen a la reducción de peso del vehículo y a la mejora de la eficiencia energética de los mismos.
El paso a motorizaciones eléctricas implica unas necesidades adicionales de espumas técnicas en varias nuevas aplicaciones:
- Módulo de batería.
- Acústica mejorada.
- Mejora de las pérdidas energéticas en el habitáculo interior con aislamientos ligeros.
1. BATERIAS
El encapsulado de la zona de baterías exige la protección en los tres niveles de diseño de la misma. El primer nivel es la celda individual, con estructura cilíndrica, prismática o tipo bolsa. Estas unidades individuales se enlazan mediante un sistema de conexión y forman módulos. Los módulos se disponen geométricamente para formar el pack final, que quedará protegido por la caja de la batería. En los tres niveles es necesaria una protección ante las variaciones de temperatura, transmisión de fuego entre celdas y módulos, amortiguación de vibraciones derivadas de la circulación, aislamiento dieléctrico y estanqueidad al aire y al agua.
Existen soluciones en espumas técnicas que se adaptan a estos requerimientos en varias aplicaciones como:
El encapsulado de la zona de baterías exige la protección en los tres niveles de diseño de la misma. El primer nivel es la celda individual, con estructura cilíndrica, prismática o tipo bolsa. Estas unidades individuales se enlazan mediante un sistema de conexión y forman módulos. Los módulos se disponen geométricamente para formar el pack final, que quedará protegido por la caja de la batería. En los tres niveles es necesaria una protección ante las variaciones de temperatura, transmisión de fuego entre celdas y módulos, amortiguación de vibraciones derivadas de la circulación, aislamiento dieléctrico y estanqueidad al aire y al agua.
Existen soluciones en espumas técnicas que se adaptan a estos requerimientos en varias aplicaciones como:
- Sellado de la caja de baterías. La caja de baterías suele estar formado por dos cavidades, una inferior y otra superior. El cierre entre ambas con juntas adecuadas se realiza mediante espumas de silicona, poliuretano y PVDF. La caja de baterías puede incorporan los sistemas de refrigeración de los módulos, que también necesitan protección adicional.
- Sellado de módulos y sistemas de gestión electrónica y conexión. El mismo tipo de materiales se usan para las juntas de sellado en estos sistemas. Cumplen con requerimientos de fuego de acuerdo con normas como UL 94, presentan una baja deformación remanente, una buena estanqueidad al aire o al agua y algunas juntas proporcionan barreras de fuego mediante comportamientos intumescentes.
- TIM (Thermal Interface Materials). Materiales que ayudan a eliminar al exterior el calor acumulado en el interior del módulo de la batería, mejorando la eficiencia y la vida útil de la misma. Son materiales con una elevada conductividad térmica (hasta 3 W/mK), una buena resistencia a la llama y una baja conductividad eléctrica.
- Protección mecánica y ajuste de las celdas. Materiales que se colocan entre las celdas de la batería y absorben las variaciones dimensionales de las mismas en los procesos de carga y descarga, manteniendo el grupo compacto y evitando movimientos indeseados. Se utilizan de nuevo espumas base PVDF, poliamida, silicona y poliuretano de bajo espesor, muy buena resistencia a la llama, baja deformación remanente y con posibilidad de autoadhesivado. Además, el revestimiento de las celdas mejora de forma importante la protección de las mismas ante vibraciones e incidencias durante la circulación del vehículo sobre firmes irregulares, con una elevada capacidad de absorción de impactos. Con la misma filosofía se utilizan mantas antivibratorias colocadas entre los platos de refrigeración y la carcasa de la batería.
- Protección térmica y fuego de las celdas, mediante materiales que con una función de barrera térmica y de fuego que eviten la propagación a celdas adyacentes de reacciones exotérmicas en una celda.
2. ACÚSTICA MEJORADA
El vehículo eléctrico genera menores niveles de ruido y vibraciones, como consecuencia de la eliminación del motor de combustión, que hasta ahora había sido la fuente más importante de los mismos. Pero aparecen ruidos con una distribución de frecuencias diferente y relacionada con el funcionamiento del motor eléctrico. Con un motor eléctrico sustancialmente más silencioso, otras fuentes de ruido que estaban enmascaradas en el vehículo con motor de combustión se hacen ahora más visibles (ruido de rodadura, sistemas HVAC).
El vehículo eléctrico genera menores niveles de ruido y vibraciones, como consecuencia de la eliminación del motor de combustión, que hasta ahora había sido la fuente más importante de los mismos. Pero aparecen ruidos con una distribución de frecuencias diferente y relacionada con el funcionamiento del motor eléctrico. Con un motor eléctrico sustancialmente más silencioso, otras fuentes de ruido que estaban enmascaradas en el vehículo con motor de combustión se hacen ahora más visibles (ruido de rodadura, sistemas HVAC).
- Ruido de rodadura. Se convierte en la principal fuente de ruido. Para conseguir una atenuación importante ya existen en el mercado neumáticos específicos para vehículos eléctricos con eficiencia acústica mejorada y algunas soluciones implantadas por los fabricantes contemplan la inserción de una banda de espuma de poliuretano en el interior del neumático que actúa como absorbente y evita la reverberación interna. Al mismo tiempo, el diseño de los aislamientos acústicos en los pasos de rueda debe ser mejorado. Otras soluciones implican la amortiguación y el desacoplamiento en salpicaderos y pilares A, B y C.
- Sistemas HVAC. Existen ya soluciones para conductos del sistema de HVAC con espumas de poliolefina celda cerrada fabricadas en proceso de termoconformado ‘win sheet’ que aportan una importante reducción de peso y mayor capacidad de aislamiento térmico y acústico en comparación con las soluciones tradicionales.
3. MEJORA DEL AISLAMIENTO TÉRMICO DEL HABITACULO DE PASAJEROS
La autonomía de un vehículo eléctrico implica considerar las condiciones ambientales exteriores y el gasto energético en ventilación, calefacción y aire acondicionado. Circular en condiciones de temperaturas extremas en periodos cálidos o fríos exige un gasto energético superior y una disminución importante de la autonomía de la batería.
En climas fríos, se sustituye el uso del calor residual que proviene del motor de combustión por sistemas de calentamiento específicos que usan la batería como fuente de energía. En climas cálidos, el uso intensivo del aire acondicionado debe ser reducido.
En las dos situaciones, una mejora del aislamiento térmico del compartimento de pasajeros conlleva incrementos importantes de la autonomía de circulación. Las tendencias en la industria se enfocan en aumentar el aislamiento térmico de los cristales en las ventanas laterales, salpicadero y zona posterior y en la zona de techos y puertas.
Existen grados de espumas técnicas de baja densidad con valores de conductividad térmica muy baja (entre 0.020 y 0.035 W/mK) que aportan una capacidad aislante superior sin la exigencia de modificar la estructura de la carrocería y los espesores de diseño y sin aportar un peso superior.
Además, estos nuevos diseños de la cubierta exterior del vehículo aumentan la sensación de confort del mismo, ya que disminuyen los gradientes de calentamiento y enfriamiento en parado en climas extremos y el choque térmico inicial que supone un vehículo estacionado en el exterior a temperaturas extremas.
La autonomía de un vehículo eléctrico implica considerar las condiciones ambientales exteriores y el gasto energético en ventilación, calefacción y aire acondicionado. Circular en condiciones de temperaturas extremas en periodos cálidos o fríos exige un gasto energético superior y una disminución importante de la autonomía de la batería.
En climas fríos, se sustituye el uso del calor residual que proviene del motor de combustión por sistemas de calentamiento específicos que usan la batería como fuente de energía. En climas cálidos, el uso intensivo del aire acondicionado debe ser reducido.
En las dos situaciones, una mejora del aislamiento térmico del compartimento de pasajeros conlleva incrementos importantes de la autonomía de circulación. Las tendencias en la industria se enfocan en aumentar el aislamiento térmico de los cristales en las ventanas laterales, salpicadero y zona posterior y en la zona de techos y puertas.
Existen grados de espumas técnicas de baja densidad con valores de conductividad térmica muy baja (entre 0.020 y 0.035 W/mK) que aportan una capacidad aislante superior sin la exigencia de modificar la estructura de la carrocería y los espesores de diseño y sin aportar un peso superior.
Además, estos nuevos diseños de la cubierta exterior del vehículo aumentan la sensación de confort del mismo, ya que disminuyen los gradientes de calentamiento y enfriamiento en parado en climas extremos y el choque térmico inicial que supone un vehículo estacionado en el exterior a temperaturas extremas.
