Znaczenie zarządzania temperaturą w zestawach akumulatorów EV
Zapewnienie bezpiecznej i wydajnej pracy pojazdów elektrycznych w rzeczywistości sprowadza się do zarządzania ciepłem. Baterie litowe-jonowe są wybredne,- lubią temperaturę od 20 do 40 stopni Celsjusza. Wciśnij je mocniej, a będziesz prosił się o kłopoty. Elektrolit zaczyna się rozkładać, warstwa SEI gęstnieje i zanim się zorientujesz, akumulator traci pojemność, staje się mniej wydajny, a w najgorszym przypadku przedmioty zapalają się, a nawet eksplodują.
Zimna pogoda nie jest dużo milsza. Kiedy temperatura spada, skład chemiczny akumulatora ulega spowolnieniu. Opór wewnętrzny rośnie. Nagle nie otrzymujesz potrzebnej mocy lub prędkości ładowania. Nawet niewielka różnica-tylko pięć-stopni wahań między komórkami-prowadzi do nierównomiernego starzenia. Niektóre komórki starzeją się przedwcześnie, inne pozostają w tyle.
Podsumowując? Utrzymywanie każdej komórki w mniej więcej tej samej temperaturze nie tylko zwiększa bezpieczeństwo. Utrzymuje najlepszą wydajność samochodu i sprawia, że akumulator działa znacznie dłużej.
Chłodzenie powietrzem dla akumulatorów EV
Chłodzenie powietrzem polega na przemieszczaniu powietrza nad akumulatorem lub przez niego w celu odprowadzenia ciepła. Czasami jest to po prostu ruch powietrza podczas jazdy samochodu (jest to tryb pasywny), innym razem pracę wykonują wentylatory lub dmuchawy (to jest aktywne). Cała konfiguracja jest prosta-bez skomplikowanej instalacji hydraulicznej, niewielkiego dodatkowego ciężaru i jest tania. Dlatego widać to we wczesnych samochodach elektrycznych lub mniejszych pojazdach. Używają po prostu kanałów i kilku wentylatorów,-bez bałaganu z płynami i ciężkimi częściami.
Ale jest pewien haczyk. Powietrze po prostu nie jest dobre w przenoszeniu ciepła. Jest znacznie mniej gęsty niż ciecz, więc nie może pochłonąć dużo energii. Kiedy akumulatory zaczynają ciężko pracować, zwłaszcza podczas szybkiego ładowania lub intensywnego użytkowania, chłodzenie powietrzem nie działa. Po prostu nie jest w stanie utrzymać stałej temperatury wszystkich ogniw ani poradzić sobie z ciepłem wytwarzanym przez nowoczesne pojazdy elektryczne. Obecnie chłodzenie powietrzem działa tylko w najprostszych konfiguracjach akumulatorów. Wszystko, co jest bardziej wymagające, wymaga czegoś lepszego.
Zalety:To prosta konfiguracja-wystarczy kilka części, dzięki czemu pozostaje lekka i nie wymaga wiele konserwacji. Nie musisz się martwić wyciekami płynu chłodzącego, a kiedy samochód jest w ruchu, może wykorzystać przepływające powietrze do ochłodzenia.
Ograniczenia:Moc chłodzenia jest dość słaba. Gorące punkty pojawiają się szybko, zwłaszcza jeśli mocno naciskasz samochód lub szybko ładujesz, ponieważ powietrze nie radzi sobie dobrze z przenoszeniem ciepła. Może to spowodować szybsze zużycie podzespołów, a nawet spowodować wyłączenie systemu. Szczerze mówiąc, ta metoda po prostu nie nadąża za pojazdami elektrycznymi o-wydajnych i{4}}energooszczędnych pojazdach.
Chłodzenie cieczą dla akumulatorów EV
Chłodzenie cieczą to obecnie najczęściej wybierany-w większości samochodów elektrycznych o średnich- i-wysokich osiągach. Oto jak to działa: pompa tłoczy płyn chłodzący-zazwyczaj mieszankę wody-glikolu-przez kanały lub zimne płyty przylegające bezpośrednio do ogniw akumulatora. Gdy płyn chłodzący odbiera ciepło z akumulatorów, trafia do wymiennika ciepła, który odprowadza to ciepło za pomocą powietrza lub czynnika chłodniczego. Ponieważ ciecze przenoszą ciepło znacznie lepiej niż powietrze, systemy te utrzymują stałą i równą temperaturę akumulatora. Właśnie dlatego prawie każdy-pojazd elektryczny dalekiego zasięgu wykorzystuje-zestawy akumulatorów chłodzonych cieczą. Dzięki lepszemu odprowadzaniu ciepła pakiety te mogą obsługiwać większą moc wyjściową i-superszybkie ładowanie bez przegrzania.
Zalety :Chłodzenie cieczą szybko odprowadza ciepło i utrzymuje temperaturę równomiernie we wszystkich ogniwach. Oznacza to, że baterie działają dłużej i można je szybciej ładować. Chłodziwo znacznie lepiej radzi sobie z przemieszczającym się ciepłem niż powietrze, więc te pakiety mogą wytrzymać wysokie prędkości ładowania bez potu.
Wady:Otrzymujesz bardziej skomplikowany i cięższy system. Do sterowania nimi potrzebne są pompy, węże, wymienniki ciepła i cała elektronika, a wszystko musi być szczelnie zamknięte. Jest jeszcze więcej do utrzymania,-pompy lub zawory mogą się zepsuć, a nieszczelności stanowią prawdziwy problem. Ponadto wszystkie te dodatkowe części zajmują miejsce i zwiększają wagę, co tylko nieznacznie zmniejsza ogólną wydajność.
Faza-Zmiana materiału (PCM) Chłodzenie
Materiały-zmiennofazowe, czyli PCM, działają jak amortyzatory szoku termicznego w akumulatorach. Zwykle znajdziesz je w postaci wosków lub soli ukrytych wokół komórek. Kiedy akumulator nagrzewa się powyżej pewnego punktu, PCM topi się, pochłaniając dużo energii podczas przejścia ze stanu stałego w płynny. Jeśli temperatura ponownie się ochłodzi, materiał krzepnie i uwalnia zmagazynowane ciepło. Ten proces pomaga kontrolować skoki temperatury, zwłaszcza podczas szybkich impulsów,-np. gdy mocno naciśniesz pedał przyspieszenia lub podłączysz w celu szybkiego ładowania.
Zalety:Jest całkowicie pasywny, więc do jego uruchomienia nie potrzeba żadnej energii. Żadnych wentylatorów ani pomp-tylko system, który cicho wyrównuje skoki temperatury. PCM wkraczają, aby chronić ogniwa przed krótkimi impulsami ciepła i pomagają utrzymać pakiet w bezpiecznej temperaturze w przypadku nagłego obciążenia.
Ograniczenia:Wadą? PCM same w sobie słabo przenoszą ciepło. Gdy zakończą zmianę fazy, nie będą w stanie wchłonąć więcej ciepła. Jeśli masz do czynienia z utrzymującymi się wysokimi temperaturami, chłodzenie pasywne po prostu nie wystarczy. Aby naprawdę odciągnąć ciepło od PCM, zwykle potrzebne są dodatkowe komponenty,-np. grafitowe żebra lub rurki cieplne-do wykonania tego zadania.
Chłodzenie rurą cieplną (przewodnictwo cieplne)
Rurki cieplne to w zasadzie uszczelnione metalowe rurki z odrobiną płynu w środku. Szybko przenoszą ciepło, pozwalając płynowi na ciągłe parowanie i kondensację, dzięki czemu prawie nie tracisz temperatury po drodze. W przypadku akumulatorów pomyśl o rurkach cieplnych jako o „nadprzewodnikach” termicznych. Można je schować wewnątrz modułów lub przymocować bezpośrednio do ogniw, aby szybko odprowadzać ciepło z gorących punktów. Czasami rurka cieplna po prostu odprowadza ciepło do chłodniejszego obszaru lub bezpośrednio do sieci zimnych-płyt. Na całej swojej długości przewodzą ciepło tysiące razy lepiej niż lita miedź, co czyni je idealnymi do zarządzania lokalnymi hotspotami. Często można je zobaczyć wbudowane w systemy-chłodzone cieczą-takie jak płyty chłodzące-, aby pomóc w rozłożeniu temperatury w całym module.
Zalety:Mają niesamowitą przewodność cieplną, więc bardzo dobrze rozprowadzają ciepło na boki. Kiedy łączysz-odległe komórki, pomagają one zrównoważyć temperaturę, co ogranicza cały problem „najsłabszych komórek”. Poza tym działają samodzielnie,-nie wymagają zasilania.
Ograniczenia:Zwykle ludzie używają ich tylko do chłodzenia punktowego, a nie jako głównego systemu chłodzenia. Musisz je dobrze uszczelnić i zwrócić szczególną uwagę na sposób ułożenia struktury knota. Podnoszą także koszty i komplikują projekt opakowania. I w końcu nadal potrzebujesz czegoś innego, na przykład zimnej płyty, aby faktycznie usunąć ciepło z opakowania.
Porównanie metod chłodzenia
Oto podsumowanie: każda metoda chłodzenia ma swoje mocne strony i problemy.
Chłodzenie powietrzem:To jest tanie jak barszcz i bardzo proste. Prawie nie potrzebujesz dodatkowego sprzętu, ale szczerze mówiąc, po prostu nie wystarczy na poważne upały. Temperatury skaczą i nie nadążają, jeśli mocno obciążasz baterię. To naprawdę działa tylko w przypadku-starych pojazdów elektrycznych lub pojazdów elektrycznych o małej-mocy.
Chłodzenie cieczą:To właśnie tam ląduje większość nowoczesnych pojazdów elektrycznych. Utrzymuje równowagę i chłód, nawet podczas szybkiego ładowania. Jasne, działa świetnie, ale teraz masz do czynienia z pompami, rurami i uszczelnieniami-oraz dodatkowym ciężarem i kosztami. Mimo to jest to standard dla wszystkiego-średniego lub lepszego.
Buforowanie PCM:To trochę sprytne. Pochłania skoki ciepła bez użycia prądu, ale gdy jest pełny, przestaje pomagać. Ludzie zwykle łączą to z chłodzeniem cieczą, aby uzyskać dodatkowy bufor.
Rury cieplne:Są jak laserowe-rozwiązywanie problemów. Szybko odprowadzają ciepło z gorących punktów i pomagają wyrównać sytuację, ale nadal potrzebujesz czegoś innego,-na przykład radiatora-, aby faktycznie odprowadzać ciepło. Świecą jako część większego systemu, a nie samodzielnie.
Metody zaawansowane (pojawiające się):Na przykład chłodzenie zanurzeniowe dosłownie zanurza akumulator w specjalnym płynie. Ta metoda niezwykle szybko odprowadza ciepło.-Idealnie sprawdza się, jeśli zależy Ci na ultraszybkim ładowaniu. Ale zarządzanie płynem staje się trudne. Niektóre pojazdy elektryczne klasy premium wykorzystują nawet czynnik chłodniczy znajdujący się w klimatyzacji samochodowej do bezpośredniego chłodzenia akumulatora, co jest niezwykle wydajne, ale nie jest łatwe w demontażu.
Wpływ na bezpieczeństwo, wydajność i żywotność baterii
Zarządzanie temperaturą to nie tylko szczegół techniczny-to ważna sprawa dla bezpieczeństwa i wydajności pojazdów elektrycznych. Kiedy baterie nadmiernie się nagrzewają, ryzyko pożaru, a nawet eksplozji znacznie wzrasta. Przegrzanie może wywołać zjawisko zwane niekontrolowaną utratą ciepła, podczas którego komórki w zasadzie rozpoczynają reakcję łańcuchową i nagrzewają się jeszcze bardziej. Jest to niebezpieczne dla wszystkich, nie tylko osób znajdujących się w samochodzie, ale także osób udzielających pierwszej pomocy.
Ale nie chodzi tylko o to, żeby zachować spokój. Jeśli system nie radzi sobie dobrze z ciepłem, akumulatory starzeją się szybciej. Istnieje ogólna zasada: za każdym razem, gdy temperatura wzrośnie o 10 stopni powyżej optymalnego punktu, żywotność baterii skraca się o połowę. Naciśnij je mocno pod kątem około 50 stopni, a zobaczysz, że po zaledwie kilkuset cyklach stracą około 60% swojej pojemności.
Zimno też nie jest wspaniałe. W niskich temperaturach akumulatory mają problemy, ponieważ jony nie mogą poruszać się tak swobodnie. Oznacza to mniejszą moc, wolniejsze ładowanie i ogólnie powolną reakcję. I jest coś, o czym ludzie czasami zapominają: kluczowa jest równomierna temperatura we wszystkich komórkach. Jeśli niektóre ogniwa będą się nagrzewać lub zimniej niż inne, cały zestaw akumulatorów będzie działał na poziomie najsłabszego ogniwa. To zabija pojemność i skraca żywotność baterii.
Bezpieczeństwo:Utrzymywanie ogniw w chłodzie zapobiega ich przegrzaniu i zapaleniu. Dobre chłodzenie to nie tylko przyjemność,-jest to kluczowy element planu bezpieczeństwa każdego pojazdu.
Wydajność:Baterie działają najlepiej w temperaturze od 20 do 40 stopni Celsjusza. Za zimno i po prostu nie są w stanie zapewnić wymaganej mocy. Za gorąco, co powoduje większy opór i szybką utratę napięcia.
Żywotność baterii: Gdy utrzymujesz stałą i niską temperaturę, ogniwa działają dłużej i nie zużywają się tak szybko. Równa temperatura w całym opakowaniu oznacza, że żadna pojedyncza komórka nie zostanie zbyt mocno dociśnięta. Szczerze mówiąc, solidny układ chłodzenia może sprawić, że bateria wytrzyma ponad dwukrotnie dłużej niż ta, która cały czas się nagrzewa.
Nowe technologie i trendy
Akumulatory pojazdów elektrycznych są coraz potężniejsze i ładują się szybciej niż kiedykolwiek, dlatego istnieje prawdziwy nacisk na lepszą technologię chłodzenia. Chłodzenie zanurzeniowe cieszy się obecnie dużym zainteresowaniem. To proste: zanurz ogniwa akumulatora bezpośrednio w specjalnym płynie, który nie przewodzi prądu, dzięki czemu ciepło ucieka znacznie szybciej. Taka konfiguracja jest w stanie wytrzymać-wystarczające ciepło, aby umożliwić szalenie-szybkie ładowanie, na przykład ponad 1000 kW, w rzeczywistości zadziałało.
Niektórzy używają czynnika chłodniczego stosowanego w samochodzie do chłodzenia akumulatorów, co sprawdza się szczególnie dobrze, gdy na zewnątrz jest gorąco. Dużo szumu wokół pomysłów, takich jak systemy dwu-fazowe, w których płyn chłodzący wrze, aby odprowadzać ciepło, lub mikrokanały-super małe kanały, które jeszcze szybciej odprowadzają ciepło.
Co więcej, badacze majstrują przy modułach termoelektrycznych i specjalnych powierzchniach, które emitują ciepło w celu punktowego chłodzenia lub po prostu pasywnego odprowadzania dodatkowego ciepła. Inżynieria materiałowa też jest w grze. Ludzie mieszają materiały o wysokiej-przewodności z materiałami-zmiennofazowymi lub budują pianki z grafitu-nanostrukturalnego, a wszystko po to, aby zapewnić chłodzenie akumulatorów bez większego wysiłku.
A potem jest strona oprogramowania. Systemy zarządzania akumulatorami są coraz inteligentniejsze, wykorzystując zaawansowane algorytmy, a nawet sztuczną inteligencję do przewidywania i kontrolowania chłodzenia w czasie rzeczywistym. Podsumowując, jest to całkiem ekscytujący czas na zarządzanie temperaturą akumulatora.
Wyzwania projektowe i względy OEM
Zamontowanie w samochodzie systemu zarządzania temperaturą akumulatora (TMS) nie jest łatwe. Producenci muszą wiele żonglować, - aby system działał dobrze, nie zwiększając kosztów, wagi ani nie zajmując cennej przestrzeni. Na przykład chłodzenie cieczą i duże wymienniki ciepła zajmują miejsce pod podłogą lub maską i powodują dodatkowe kilogramy, co może zniweczyć wzrost wydajności. Konfiguracje-wysokonapięciowe (około 400–800 woltów) przynoszą problemy, ponieważ wymagają{{7}najwyższej jakości izolacji i bezpieczeństwa wszystkich części układu chłodzenia. Każdy obwód i złącze musi spełniać rygorystyczne wymagania dotyczące upływu i prześwitu oraz wytrzymywać ostre wibracje i gwałtowne wahania temperatury.
Następnie należy pomyśleć o pogodzie. W zimnych miejscach akumulatory wymagają grzejników - PTC lub pompy ciepła -, aby szybko nagrzać je do odpowiedniej temperatury. To po prostu zwiększa złożoność. Nie zapomnij o konserwacji i niezawodności. Pompy, zawory, czujniki - każdy z nich dodaje inną rzecz, która może zawieść. Ostatecznie inżynierowie muszą znaleźć właściwą równowagę. Muszą maksymalnie uprościć TMS, nie poświęcając przy tym zasięgu, kosztów ani, co najważniejsze, bezpieczeństwa i żywotności baterii. To trudna łamigłówka, od której rozwiązania zależy wiele.
Integracja z architekturą pojazdów
Układ termiczny akumulatora współpracuje z układem HVAC i układem napędowym samochodu. W wielu pojazdach elektrycznych występują wspólne obiegi chłodnicze-ta sama pompa ciepła lub sprężarka klimatyzacji i skraplacz obsługujące zarówno kabinę, jak i akumulator, tylko w różnych trybach. Powiedzmy, że jest lato: klimatyzator chłodzi akumulator za pomocą wspólnego parownika. Gdy na zewnątrz jest zimno, ciepło wydzielane przez skraplacz akumulatora może w rzeczywistości pomóc w ogrzaniu kabiny. Zwykle inżynierowie konfigurują oddzielne obiegi chłodziwa-jedną dla akumulatora (przebiegającą przez jego zimne płyty), drugą dla kabiny lub silnika-a następnie łączą je razem za pomocą płytowych wymienników ciepła, gdy muszą przemieszczać ciepło. Systemy sterowania pociągają za sznurki za kulisami: system zarządzania akumulatorem i sterownik termiczny decydują o tym, jak szybko działają pompy i wentylatory oraz gdzie powinny znajdować się zawory, a wszystko to w oparciu o działanie ogniw akumulatora i reszty samochodu. A dzięki nowym konfiguracjom-wysokiego napięcia konstrukcja termiczna i elektryczna staje się jeszcze bardziej splątana-te kompaktowe systemy 800 V oznaczają, że każda część termiczna musi pasować do ograniczonej przestrzeni i zasad izolacji. Ostatecznie zaprojektowanie całego systemu zarządzania ciepłem staje się wielką zagadką i trzeba wszystko wspólnie zoptymalizować.
PowerWinxdostarcza zaawansowane komponenty do zarządzania temperaturą w pojazdach elektrycznych i niestandardowe rozwiązania w zakresie chłodzenia akumulatorów. Dzięki głębokiej wiedzy specjalistycznej w zakresie projektowania wymienników ciepła i systemów chłodzenia, PowerWinx pomaga producentom OEM zintegrować precyzyjne moduły chłodzące z ich pakietami akumulatorów. Nasze dostosowane do indywidualnych potrzeb rozwiązania zapewniają efektywne odprowadzanie ciepła i jednolitą kontrolę temperatury, poprawiając bezpieczeństwo, wydajność i trwałość akumulatorów w nowoczesnych pojazdach elektrycznych.
Rozwiązanie do zarządzania temperaturą w pojazdach elektrycznych
Rozwiązanie do zarządzania temperaturą w pojazdach elektrycznych
