Soluție de management termic EV - Blog

Importanța managementului termic în bateriile EV

Menținerea vehiculelor electrice să funcționeze în siguranță și eficient se reduce într-adevăr la gestionarea căldurii. Bateriile litiu-ion sunt pretențioase-le plac lucrurile între 20 și 40 de grade Celsius. Împingeți-le mai fierbinte și veți cere probleme. Electrolitul începe să se strice, stratul SEI se îngroașă și, înainte de a-ți da seama, bateria își pierde din capacitate, devine mai puțin eficientă și, în cel mai rău caz, lucrurile iau foc sau chiar explodează.

Vremea rece nu este mult mai bună. Când temperatura scade, chimia bateriei încetinește. Rezistența internă crește. Dintr-o dată, nu obțineți puterea sau viteza de încărcare de care aveți nevoie. Chiar și o mică diferență-doar o variație de cinci-de grade între celule-conduce la îmbătrânirea neuniformă. Unele celule îmbătrânesc înainte de vremea lor, în timp ce altele rămân în urmă.

Deci, rezultatul final? Menținerea fiecărei celule la aproximativ aceeași temperatură nu face doar lucrurile mai sigure. Păstrează mașina să funcționeze cât mai bine și ajută bateria să dureze mult mai mult.

Răcire cu aer pentru bateriile EV

Răcirea cu aer funcționează prin mișcarea aerului peste sau prin acumulator pentru a îndepărta căldura. Uneori este doar aerul care se mișcă pe măsură ce mașina conduce (asta este pasiv), alteori ventilatoarele sau suflantele fac treaba (aceasta este activă). Întreaga configurație este simplă-fără instalații sanitare complicate, nu prea multă greutate suplimentară și este ieftină. De aceea îl vedeți în mașinile electrice timpurii sau în vehiculele mai mici. Folosesc doar conducte și câteva ventilatoare-nu se încurcă cu lichide sau părți grele.

Dar există o captură. Aerul pur și simplu nu este grozav la transportul căldurii. Este mult mai puțin dens decât lichidul, așa că nu poate absorbi multă energie. Când bateriile încep să funcționeze din greu, în special în timpul încărcării rapide sau al utilizării intense, răcirea cu aer rămâne în urmă. Pur și simplu nu poate menține toate celulele la o temperatură constantă sau nu poate gestiona căldura vehiculelor electrice moderne. În zilele noastre, răcirea cu aer funcționează doar pentru cele mai simple setări ale bateriei. Orice lucru mai solicitant are nevoie de ceva mai bun.

Avantaje:Este o configurare simplă-doar câteva piese, așa că rămâne ușor și nu necesită multă întreținere. Nu trebuie să vă faceți griji cu privire la scurgerile de lichid de răcire și, atunci când mașina se mișcă, poate folosi aerul care curge pentru a ajuta la răcirea lucrurilor.

Limitări:Puterea de răcire este destul de slabă. Punctele fierbinți apar rapid, mai ales dacă împingi mașina cu putere sau încarci rapid, deoarece aerul pur și simplu nu este grozav la mișcarea căldurii. Acest lucru poate uza componentele mai repede sau chiar poate cauza oprirea sistemului. Sincer, această metodă pur și simplu nu poate ține pasul cu vehiculele electrice de înaltă-performanță sau de înaltă-energie.

Răcire cu lichid pentru acumulatori EV

Răcirea cu lichid este alegerea-pentru majoritatea mașinilor electrice de- și înaltă-performanță medie. Iată cum funcționează: o pompă împinge lichidul de răcire-de obicei un amestec de apă-glicol-prin canale sau plăci reci care stau chiar lângă celulele bateriei. Pe măsură ce lichidul de răcire preia căldură de la baterii, acesta trece la un schimbător de căldură, care elimină căldura folosind aer sau agent frigorific. Deoarece lichidele transportă căldura mult mai bine decât aerul, aceste sisteme mențin temperatura bateriei constantă și uniformă. Acesta este motivul pentru care aproape fiecare vehicul electric cu rază lungă de acțiune-folosește baterii răcite cu lichid-. Cu o eliminare mai bună a căldurii, aceste pachete pot gestiona o putere mai mare și o încărcare super-rapidă, fără supraîncălzire.

Avantaje:Răcirea cu lichid trage rapid căldura și menține temperatura chiar în toate celulele. Aceasta înseamnă că bateriile durează mai mult și veți obține o încărcare mai rapidă. Lichidul de răcire este mult mai bun decât aerul la căldură în mișcare, astfel încât aceste pachete pot face față ratelor de încărcare ridicate fără transpirație.

Dezavantaje:Ajungi cu un sistem mai complicat și mai greu. Aveți nevoie de pompe, furtunuri, schimbătoare de căldură și toate componentele electronice pentru a le controla și totul trebuie sigilat etanș. Mai sunt de întreținut și-pompele sau supapele se pot rupe, iar scurgerile sunt o problemă reală. În plus, toate acele părți suplimentare ocupă spațiu și adaugă greutate, ceea ce reduce puțin eficiența ta generală.

Faza-Modificare material (PCM) Răcire

Materialele cu schimbare de fază-sau PCM-urile acționează ca amortizoare termice pentru baterii. De obicei, le veți găsi ca ceară sau săruri ascunse în jurul celulelor. Când bateria se încălzește după un anumit punct, PCM se topește, absorbind multă energie pe măsură ce trece de la solid la lichid. Dacă lucrurile se răcesc din nou, se solidifică și eliberează căldura stocată înapoi. Acest proces ajută la menținerea sub control a vârfurilor de temperatură, în special în timpul exploziilor rapide-cum ar fi atunci când apăsați puternic accelerația sau conectați pentru o încărcare rapidă.

Avantaje:Este complet pasiv, deci nu ai nevoie de energie pentru al rula. Fără ventilatoare, fără pompe-doar un sistem care uniformizează în liniște vârfurile de temperatură. PCM-urile intervin pentru a proteja celulele de exploziile scurte de căldură și ajută la menținerea pachetului la o temperatură sigură atunci când există o încărcare bruscă.

Limitări:Dezavantajul? PCM-urile nu mișcă foarte bine căldura singure. Odată ce termină schimbarea fazei, nu mai pot absorbi căldură. Dacă aveți de-a face cu temperaturi ridicate în curs, răcirea pasivă pur și simplu nu este suficientă. Pentru a îndepărta cu adevărat căldura de la PCM, de obicei aveți nevoie de componente suplimentare-gândiți-vă la aripioare de grafit sau conducte de căldură-pentru a duce treaba la bun sfârșit.

Răcire conductă de căldură (conducție termică)

Conductele de căldură sunt în principiu tuburi metalice sigilate, cu puțin lichid în interior. Ei mișcă căldura rapid, lăsând acel fluid să se evapore și să se condenseze în mod constant, astfel încât abia dacă pierzi temperatura pe parcurs. În pachetele de baterii, gândiți-vă la conductele de căldură ca la „superconductori” termici. Le puteți introduce în module sau le puteți atașa direct la celule pentru a îndepărta în grabă căldura de la punctele fierbinți. Uneori, o conductă de căldură pur și simplu duce căldura într-o zonă mai rece sau direct în rețeaua-de plăci reci. Pe lungimea lor, conduc căldura de mii de ori mai bine decât cuprul solid, ceea ce le face perfecte pentru gestionarea punctelor fierbinți locale. Le veți vedea adesea încorporate în-sisteme răcite cu lichid-cum ar fi plăcile reci-pentru a ajuta la distribuirea temperaturilor pe un întreg modul.

Avantaje:Acestea au o conductivitate termică incredibilă, așa că răspândesc căldura în lateral foarte bine. Când conectați celule îndepărtate-, ele ajută la echilibrarea temperaturii, ceea ce reduce problema „celului cea mai slabă”. În plus, funcționează singuri-nu este nevoie de energie.

Limitări:De obicei, oamenii le folosesc doar pentru răcirea la fața locului, nu ca sistem principal de răcire. Trebuie să le sigilați corect și să acordați o atenție deosebită modului în care ați configurat structura fitilului. De asemenea, măresc costurile și fac designul pachetului mai complicat. Și până la urmă, mai ai nevoie de altceva, cum ar fi o farfurie rece, pentru a scoate efectiv căldura din pachet.

Comparația metodelor de răcire

Iată concluzia: fiecare metodă de răcire vine cu propriile sale puncte forte și dureri de cap.

Răcire cu aer:Este foarte ieftin și foarte simplu. Abia ai nevoie de echipament suplimentar, dar sincer, pur și simplu nu-l taie pentru căldură serioasă. Temperaturile sar în jur și nu poate ține pasul dacă împingi bateria cu putere. Funcționează cu adevărat doar pentru vehiculele electrice vechi-școlare sau cu putere redusă-.

Răcire cu lichid:Este locul în care aterizează majoritatea vehiculelor electrice moderne. Păstrează lucrurile uniforme și reci, chiar și în timpul încărcării rapide. Sigur, funcționează excelent, dar acum aveți de-a face cu pompe, țevi și etanșări-plus greutate și costuri suplimentare. Totuși, este standardul pentru orice-gamă medie sau mai bună.

tamponare PCM:Este un fel de inteligent. Absorbe vârfurile de căldură fără a folosi putere, dar odată ce este plin, nu mai ajută. Oamenii de obicei îl împerechează cu răcire lichidă pentru un tampon suplimentar.

Conducte de căldură:Sunt ca soluții de probleme-axați pe laser. Acestea îndepărtează rapid căldura de la punctele fierbinți și ajută la uniformizarea, dar încă aveți nevoie de altceva-cum ar fi un radiator-pentru a elimina căldura. Ei strălucesc ca parte a unui sistem mai mare, nu pe cont propriu.

Metode avansate (în curs de dezvoltare):Răcirea prin imersie, de exemplu, scufundă literalmente bateria într-un fluid special. Această metodă îndepărta căldura incredibil de rapid-perfect dacă doriți o încărcare ultra-rapidă. Dar gestionarea lichidului devine dificilă. Unele vehicule electrice premium folosesc chiar și agentul frigorific de aer condiționat al mașinii pentru a răci bateria direct, ceea ce este foarte eficient, dar nu tocmai ușor de scos.

Impact asupra siguranței, performanței și duratei de viață a bateriei

Managementul termic nu este doar un detaliu tehnic-este o mare problemă pentru siguranța și performanța vehiculelor electrice. Când bateriile se încălzesc prea mult, șansa de incendiu sau chiar de explozie crește. Supraîncălzirea poate declanșa ceva numit evadare termică, în care celulele încep practic o reacție în lanț și se încălzesc și mai mult. Acest lucru este periculos pentru toată lumea, nu doar pentru cei din interiorul mașinii, ci și pentru cei care au intervenit.

Dar nu este vorba doar de a rămâne rece. Dacă sistemul nu gestionează bine căldura, bateriile îmbătrânesc mai repede. Există o regulă generală: de fiecare dată când temperatura urcă cu 10 grade deasupra punctului favorabil, durata de viață a bateriei se reduce la jumătate. Împingeți-le cu putere la aproximativ 50 de grade și veți vedea că își pierd aproximativ 60% din capacitatea lor după doar câteva sute de cicluri.

Nici frigul nu este grozav. La temperaturi scăzute, bateriile se luptă, deoarece ionii nu se pot mișca la fel de liber. Asta înseamnă mai puțină putere, încărcare mai lentă și doar un răspuns lent în general. Și iată ceva ce oamenii uită uneori: chiar temperatura în toate celulele este cheia. Dacă unele celule sunt mai fierbinți sau mai reci decât altele, întregul acumulator ajunge să funcționeze la nivelul celei mai slabe celule. Aceasta reduce capacitatea și scurtează durata de viață a bateriei.

Siguranţă:Menținerea la rece a celulelor le împiedică să se supraîncălzească și să ia foc. Răcirea bună nu este doar plăcută-este o parte esențială a planului de siguranță al oricărui vehicul.

Performanţă:Bateriile funcționează cel mai bine între 20 și 40 de grade Celsius. Prea rece și pur și simplu nu pot furniza puterea pe care o doriți. Prea cald și obțineți mai multă rezistență și pierdeți rapid tensiunea.

Durata de viață a bateriei: Când mențineți temperatura constantă și rece, celulele durează mai mult și nu se uzează la fel de repede. Chiar și temperatura în întregul pachet înseamnă că nicio celulă nu este împinsă prea tare. Sincer, un sistem de răcire solid poate face ca o baterie să dureze mai mult de două ori mai mult decât una care este fierbinte tot timpul.

Tehnologii și tendințe emergente

Bateriile EV devin mai puternice și se încarcă mai repede decât oricând, așa că există un impuls real pentru o tehnologie de răcire mai bună. Răcirea prin imersie atrage foarte multă atenție în acest moment. Este simplu: scufundați celulele bateriei într-un lichid special care nu conduce electricitatea, ceea ce permite căldurii să scape mult mai repede. Acest tip de configurare poate suporta căldura-suficientă pentru a face ca încărcarea nebunească-rapidă, cum ar fi peste 1000 kW, să funcționeze efectiv.

Unii oameni folosesc agentul frigorific A/C al mașinii pentru a răci bateriile, care funcționează mai ales când este cald afară. Există, de asemenea, o mulțime de zgomot în jurul ideilor precum sistemele în două-faze, în care lichidul de răcire fierbe pentru a transporta căldura, sau microcanale-pasaje foarte mici care elimină căldura și mai repede.

În plus, cercetătorii lucrează cu module termoelectrice și suprafețe speciale care radiază căldură, fie pentru răcirea la fața locului, fie doar pentru a renunța pasiv la căldură suplimentară. Și știința materialelor este în joc. Oamenii amestecă elemente cu-conductivitate ridicată în materiale cu schimbare-de fază sau construiesc spume din grafit nano-structurat, totul pentru a ajuta bateriile să rămână rece fără prea mult efort suplimentar.

Și apoi mai este partea software. Sistemele de gestionare a bateriilor devin din ce în ce mai inteligente, folosind algoritmi avansați și chiar AI pentru a prezice și controla răcirea în timp real. Toate împreună, este o perioadă destul de interesantă pentru gestionarea termică a bateriei.

Provocări de proiectare și considerații OEM

Construirea unui sistem de management termic al bateriei (TMS) într-o mașină nu este ușoară. Producătorii trebuie să jongleze mult - pentru ca sistemul să funcționeze bine fără a crește costurile, greutatea sau consuma spațiu prețios. Răcirea cu lichid și schimbătoarele mari de căldură, de exemplu, ocupă spațiu sub podea sau sub capotă și înglobează mai multe kilograme, ceea ce poate distruge orice câștig de eficiență. Configurațiile de-tensiune înaltă (gândiți-vă că 400 până la 800 de volți) își aduc propriile bătăi de cap, cerând izolație de-cel mai bun nivel și siguranță pentru toate piesele lichidului de răcire. Fiecare circuit și conector trebuie să atingă marcaje stricte de curgere și degajare și să reziste la vibrațiile aspre și la schimbările sălbatice de temperatură.

Apoi mai este vremea la care să te gândești. În locurile reci, bateriile au nevoie de încălzitoare - fie PTC sau pompă de căldură - pentru a le aduce rapid la temperatură. Doar că acumulează mai multă complexitate. Și nu uitați de întreținere și fiabilitate. Pompe, supape, senzori - fiecare adaugă un alt lucru care ar putea eșua. Deci, în cele din urmă, inginerii trebuie să găsească echilibrul potrivit. Ei trebuie să facă TMS-ul cât mai simplu posibil, fără a sacrifica raza de acțiune, costul sau, cel mai important, siguranța și durata de viață a bateriei. Este un puzzle complicat cu multă soluție.

Integrare cu arhitectura vehiculului

Sistemul termic al bateriei funcționează chiar alături de HVAC și grupul de propulsie al mașinii. În multe vehicule electrice, veți găsi bucle de refrigerare partajate-aceeași pompă de căldură sau aceeași pompă de căldură sau un compresor de curent alternativ și un condensator gestionează atât cabina, cât și bateria, doar în moduri diferite. Deci, să spunem că este vară: AC răcește bateria folosind un evaporator comun. Când este frig afară, căldura pe care o degajă condensatorul bateriei poate ajuta de fapt la încălzirea cabinei. De obicei, inginerii stabilesc bucle separate de lichid de răcire-una pentru baterie (care trece prin plăcile sale reci), alta pentru cabină sau motor-și apoi le leagă împreună cu schimbătoare de căldură cu plăci atunci când trebuie să mute căldura. Sistemele de control trag sforile din culise: sistemul de gestionare a bateriei și controlerul termic decid cât de repede funcționează pompele și ventilatoarele și unde ar trebui să fie supapele, totul în funcție de ceea ce fac celulele bateriei și restul mașinii. Iar cu noile configurații de înaltă-tensiune, designul termic și electric se încurcă și mai mult-acele sisteme compacte de 800 V înseamnă că fiecare parte termică trebuie să se potrivească cu regulile de spațiu și izolație reduse. În cele din urmă, proiectarea întregului sistem de management termic se transformă într-un mare puzzle și trebuie să optimizați totul împreună.

PowerWinxoferă componente avansate de management termic pentru vehicule electrice și soluții personalizate de răcire a bateriei. Cu o experiență profundă în proiectarea schimbătorului de căldură și a sistemelor de răcire, PowerWinx îi ajută pe OEM să integreze module de răcire de precizie în bateriile lor. Soluțiile noastre personalizate asigură îndepărtarea eficientă a căldurii și controlul uniform al temperaturii, îmbunătățind siguranța bateriei, performanța și longevitatea în vehiculele electrice moderne.

China 1