IDTechEx analiza las Tecnologías, materiales y mercados futuros para la gestión térmica

IDTechEx analiza las Tecnologías, materiales y mercados futuros para la gestión térmica

Gestión térmica de los vehículos eléctricos: las baterías toman el foco, pero los motores y la electrónica de potencia les siguen

La batería ocupa merecidamente el foco principal cuando se trata de desarrollo tecnológico en vehículos eléctricos. Pero el tren motriz de un vehículo eléctrico debe actuar de manera integral para funcionar con un rendimiento óptimo e interactuar con el sistema de acondicionamiento de la cabina de pasajeros. Esto significa que la gestión térmica de los motores, la electrónica de potencia y cómo interactúa todo esto es tan importante como la batería.

La tendencia inicial del mercado de vehículos eléctricos se alejaba de las baterías enfriadas pasivamente o por aire forzado hacia la refrigeración líquida a través de placas frías y canales de refrigerante. Esta transición está casi completa cuando IDTechEx descubrió que el 95% del mercado de automóviles eléctricos ha adoptado el enfriamiento de placa fría (agua o refrigerante) en la primera mitad de 2023. La siguiente etapa de evolución gira en torno a la integración de baterías, con celda a paquete. y los diseños de tipo célula-cuerpo son cada vez más comunes. Por lo general, esto implica celdas de factor de forma más grande y reduce en cierta medida la complejidad del diseño de la placa fría. Por ejemplo, la batería Blade de BYD requiere una placa fría grande para todo el paquete. El paquete 4680 de Tesla requiere menos canales de refrigerante para la pared lateral para enfriar sus celdas gracias a que se utilizan menos celdas individuales en el paquete.

Esto también afecta profundamente el uso del material de interfaz térmica (TIM) . En primer lugar, hay una cantidad menor por vehículo, pero como las células se pueden unir directamente a la placa fría, el TIM debe proporcionar mayores propiedades de adhesión. La investigación de IDTechEx encuentra que a pesar de la reducción en la cantidad de TIM, el precio del adhesivo conductor térmico es más alto que el de un relleno de huecos típico, lo que significa que se pueden obtener ingresos similares por vehículo para los proveedores de TIM. Combinando esto con el creciente mercado de vehículos eléctricos, IDTechEx predice un aumento de 5,6 veces en los ingresos anuales de TIM para 2033 en comparación con 2022.

La implementación de celda a paquete/cuerpo aún se encuentra en una etapa temprana, y IDTechEx estima que aproximadamente el 15% del mercado de automóviles eléctricos utilizó un diseño de celda a paquete o de celda a carrocería en 2022. El mercado está algo dividido en cuanto a desarrollo, con grandes empresas chinas y Tesla en EE. UU. centrándose en gran medida en cell-to-pack y una mayor integración, mientras que algunas empresas han adoptado un enfoque basado en módulos, como GM con su plataforma Ultium, que potencialmente puede ayudar en el servicio.

Los motores eléctricos presentan un desafío de gestión térmica diferente; Si bien las camisas de agua alrededor del motor han sido comunes, la tendencia es hacia motores que usan aceite en su interior. Esto permite un contacto más directo entre el refrigerante y los devanados del motor, pero también un motor en general más pequeño si se elimina la camisa. Los motores refrigerados por aceite superaron a los motores refrigerados por camisa de agua en 2022, y el crecimiento continuará hasta 2023, con estimaciones para el primer semestre de 2023 acercándose al 65% del mercado. IDTechEx espera que ambos enfoques se mantengan, pero que la refrigeración por aceite sea la mayor parte del futuro del mercado, especialmente para los modelos de mayor costo/rendimiento.

Con los motores pasando a refrigeración directa por aceite, ¿es posible que se pueda observar lo mismo en la electrónica de potencia? La adopción de la electrónica de potencia de carburo de silicio da como resultado un mayor flujo de calor en los MOSFET (en comparación con los IGBT de silicio) gracias a la mayor densidad de potencia. Normalmente, el inversor y el motor están alojados juntos en la unidad de accionamiento, con el mismo circuito de agua enfriando ambos componentes. También ha habido cierto interés en enfriar directamente los chips del inversor con aceite, para proporcionar un mejor contacto térmico, pero esto también podría eliminar el circuito de agua de la unidad motriz. Por tanto, podría utilizarse un único intercambiador de calor agua/aceite para poner en contacto el sistema térmico del vehículo con la unidad motriz. El proyecto SingleOilCnL entre Dana, Diabatix, Lubrizol, Siemens y Flanders Make explora esta idea. IDTechEx cree que se trata de un enfoque prometedor, pero es poco probable que se convierta en una solución dominante en un futuro próximo. Sin embargo, con una mayor adopción de la electrónica de potencia de SiC y transmisiones más integradas, podríamos comenzar a ver algunos ejemplos más adelante en la década.

¿Qué se puede hacer para mitigar los incendios de vehículos eléctricos?

Las preocupaciones en torno a los incendios de vehículos eléctricos siguen estando a la vanguardia tanto de la industria de los vehículos eléctricos como, ahora más que nunca, del ojo público. El mercado automotriz experimentó importantes retiros relacionados con riesgos de incendio de baterías por parte de fabricantes de automóviles como GM, Hyundai, VW y varios otros. Cada vez se han publicado más datos que sugieren que los vehículos eléctricos tienen un riesgo significativamente menor de sufrir un incendio que un vehículo con motor de combustión, aunque cabe señalar que los datos en esta etapa no tienen en cuenta factores como la antigüedad de los vehículos. En general, el mercado ha tomado varias medidas para combatir la probabilidad de incendios de vehículos eléctricos, como químicas más estables, un mayor control de calidad de las baterías y una mejor gestión del software.

Independientemente de la tasa de ocurrencia, los incendios de vehículos eléctricos pueden ser muy destructivos y bastante diferentes a los de los motores de combustión. La combinación de sustancias químicas volátiles y el mecanismo de fuga térmica pueden hacer que los incendios sean explosivos y difíciles de extinguir. Este es uno de los principales impulsores detrás de la predicción de IDTechEx de que la demanda de materiales de protección contra incendios en vehículos eléctricos crecerá 13 veces para 2033 en comparación con 2022.

A pesar del enfoque, las regulaciones han evolucionado con bastante lentitud. China fue el primero (01/01/2021) en exigir una advertencia de 5 minutos entre la ocurrencia de un evento térmico y la salida de fuego o humo del vehículo, lo que permite a los ocupantes salir del vehículo. Otras regiones han tenido proyectos de regulaciones en proceso durante varios años, pero a menudo les cuesta mantenerse al día con el ritmo del desarrollo tecnológico en este campo. La regulación ONU GTR 20 parece incluir tiempos de escape similares, pero también agrega características como probar los riesgos de liberación de gas mientras el vehículo está encendido o apagado. Independientemente de cómo se desarrollen los detalles de la regulación, seguramente ejercerá más presión sobre los OEM para que proporcionen enfoques de detección y mitigación de la propagación junto con una protección general contra incendios.

Hay muchos materiales que pueden brindar protección contra la fuga térmica en un paquete de baterías. En general, especialmente con diseños de baterías con mayor densidad energética, estos materiales deben proporcionar múltiples funciones, incluido el aislamiento térmico, la protección contra incendios, el aislamiento eléctrico y el soporte mecánico de las celdas. Hasta ahora, el mercado ha empleado en gran medida materiales como láminas de mica o mantas cerámicas a nivel de módulo/paquete para proporcionar aislamiento eléctrico y protección contra incendios; Este era a menudo el caso incluso antes de que progresaran las regulaciones y una mayor conciencia sobre los incendios de vehículos eléctricos. Cuando Tesla lanzó por primera vez el Modelo 3, optó por utilizar agentes encapsulantes alrededor de sus celdas para eliminar el oxígeno dentro del paquete y agregar protección contra incendios. La variedad de diseños de baterías y la necesidad de mantener el peso y el costo bajos está haciendo que los fabricantes consideren varias opciones.

Un material que ha experimentado un rápido crecimiento en el mercado son los aerogeles. Los aerogeles proporcionan un excelente aislamiento térmico con un peso mínimo, pero su máxima protección de la temperatura y su mayor costo históricamente han limitado su aceptación. El informe " Aerogels 2024-2034 " de IDTechEx encontró que el mercado total de aerogeles en 2020 estaba por debajo de los 300 millones de dólares , de los cuales menos del 10% correspondía al mercado de vehículos eléctricos. En 2022, la aplicación de aerogel en paquetes de baterías para vehículos eléctricos se convirtió por sí sola en un mercado de 150 millones de dólares . IDTechEx espera que los aerogeles se conviertan en una de las opciones estándar en esta aplicación, junto con otras opciones de materiales.

Gestión térmica para centros de datos.

En los últimos 17 años, la potencia de diseño térmico (TDP) de la GPU se ha cuadriplicado. La creciente demanda de computación en la nube, criptominería e inteligencia artificial sugiere que el TDP de los chips seguirá aumentando. En 2023, ya existirán chips con un TDP cercano a los 1000W. Esta tendencia presenta desafíos importantes para la gestión térmica del centro de datos. Las configuraciones tradicionales refrigeradas por aire que utilizan paredes de ventilador y aire acondicionado tienen dificultades cuando el TDP supera los 500 W. Como solución, ha surgido la refrigeración líquida, que abarca la refrigeración directa al chip y por inmersión. La refrigeración directa al chip aumenta notablemente la capacidad de refrigeración y puede integrarse con relativa facilidad en los centros de datos refrigerados por aire existentes, lo que facilita una transición gradual para los usuarios finales.
IDTechEx ha observado colaboraciones industriales entre proveedores de soluciones de refrigeración líquida y componentes críticos de la cadena de suministro, incluidos fabricantes de chips (Intel, AMD, Nvidia, Broadcom), fabricantes de servidores (Dell, Gigabyte, Lenovo, Inspur, Hewlett Packard Enterprise), integradores de sistemas/infraestructuras ( Vertiv, Schneider Electric) y usuarios finales de centros de datos como Meta, Microsoft y Verizon. Impulsado por gigantes tecnológicos, IDTechEx proyecta que el mercado de refrigeración líquida para centros de datos superará los 900 millones de dólares en 2033.

Oportunidades de enfriamiento por inmersión: vehículos eléctricos y centros de datos

Actualmente, la refrigeración por inmersión para centros de datos se encuentra en sus primeras etapas debido a la demanda limitada, los casos exitosos y la experiencia industrial. Sin embargo, IDTechEx ha observado proyectos piloto notables liderados por grandes empresas. En 2021, Microsoft presentó proyectos piloto que utilizan refrigeración por inmersión de dos fases para sus servicios en la nube Azure. Al ser el primer proveedor de nube que emplea refrigeración por inmersión de dos fases en un entorno de producción, Microsoft tiene la intención de continuar su uso a largo plazo. Se están produciendo tendencias similares con otros jugadores; por ejemplo, Meta se asoció con Iceotope para realizar la transición de un almacenamiento estándar de alta densidad de refrigeración por aire a refrigeración por inmersión monofásica en 2022. Además, Minerbase, un proveedor líder de soluciones de minería de criptomonedas , lanzó un centro de datos refrigerado por inmersión en mayo de 2023 .
Si bien persisten los debates sobre los costos de los líquidos y las regulaciones de PFAS, IDTechEx cree que es probable que las aplicaciones que requieren computación de alto rendimiento adopten el enfriamiento por inmersión más rápidamente, abriendo importantes oportunidades de mercado para proveedores de refrigerantes, fabricantes de hardware, usuarios finales y otras entidades dentro de la cadena de suministro. . El informe de IDTechEx " Gestión térmica para centros de datos 2023-2033: tecnologías, mercados y oportunidades " encuentra que los ingresos anuales de la industria de enfriamiento por inmersión de centros de datos se triplicarán entre 2022 y 2033.
El enfriamiento por inmersión también está ganando mucha atención para las baterías de vehículos eléctricos. Si bien la inmersión puede proporcionar una mayor homogeneidad térmica para las celdas y eliminar las placas frías y los TIM, presenta algunos desafíos importantes para una mayor adopción. En primer lugar, se necesita una mayor presión de bombeo de fluido debido a la menor conductividad térmica del fluido. En segundo lugar está el espacio adicional requerido entre las celdas para el flujo de fluido. También existe el desafío de sellar eficazmente las baterías para evitar fugas.
Hay varios ejemplos de vehículos eléctricos de alto rendimiento o alto costo que utilizan o planean utilizar refrigeración por inmersión, como Mercedes-AMG y McLaren. También existen asociaciones entre desarrolladores de tecnología y proveedores de refrigerantes, pero por las razones descritas anteriormente, IDTechEx predice que el enfriamiento por inmersión se limitará en gran medida a aplicaciones que requieren paquetes de baterías con gran densidad de energía, pero no muy densas. A pesar de esto, una pequeña porción del creciente mercado de vehículos eléctricos sigue siendo importante, y el informe " Gestión térmica para vehículos eléctricos 2023-2033" de IDTechEx predice un aumento de ocho veces en la demanda de fluidos entre 2022 y 2027 en todos los segmentos de vehículos eléctricos.
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