Effizienzsteigerung mit Geheimnissen des Batterie-Wärmemanagementsystems

Einführung

Was ist ein Batterie-Wärmemanagementsystem?

Warum Temperaturkontrolle unverzichtbar ist

• Leistung Optimierung: In einem optimalen Temperaturbereich erbringt eine Batterie ihre beste Leistung. Bei zu niedrigen Temperaturen erhöht sich der Innenwiderstand, was zu einer geringeren Leistung, einer geringeren Aufladung und einer geringeren Energiemenge führt. Andererseits können hohe Temperaturen chemische Reaktionen beschleunigen, was zu einem Kapazitätsverlust führen kann und die Wahrscheinlichkeit eines thermischen Durchgehens erhöht. Ein Beispiel dafür ist eine Lithium-Ionen-Batterie, die bei niedriger Temperatur (0 °C) nur die Hälfte ihrer Leistung im Vergleich zu einer hohen Temperatur (25 °C) erbringt und bei einer hohen Temperatur (50 °C) eine Lebensdauer von nur wenigen Prozent derjenigen bei niedrigeren Temperaturen hat. Die Leistung kann also durch eine einheitliche Temperaturregelung der Batterie maximiert werden.
• Verlängerung der Lebenserwartung: Der wahrscheinlich wichtigste Faktor für die Verschlechterung der Batterie ist die Temperatur der Batterie. Ein Temperaturanstieg katalysiert parasitäre Nebenreaktionen in der Batterie, was zu einer dauerhaften Kapazitätsverschlechterung führt. Ein stabiler Betriebstemperaturbereich ist ein idealer Zustand und kann die kalendarische und zyklische Lebensdauer der Batterie erheblich verlängern. Aus der Literatur geht hervor, dass eine Erhöhung der Temperatur um 10 °C über die besten Werte (z. B. 25 °C bis 35 °C) die Lebensdauer der Batterie um die Hälfte verkürzen kann. Moderne Batteriemanagementsysteme überwachen diese Variablen mit Blick auf eine lange Lebensdauer genau.
• Sicherheit Zusicherung: Leider ist die schlimmste Auswirkung eines schlechten Wärmemanagements das sogenannte thermische Durchgehen. Dabei handelt es sich um eine positive Rückkopplungsschleife, bei der schon ein geringer Temperaturanstieg zu einem noch stärkeren Temperaturanstieg führt, der häufig einen Brand oder eine Explosion zur Folge hat. Der wichtigste Schutz gegen solche Vorfälle ist ein solides BTMS, das die Temperaturen ständig überwacht und schnell eingreift, um solche Vorfälle zu verhindern. Dadurch, dass alle Zellen eines Akkus auf gleicher Temperatur gehalten werden, wird auch die Möglichkeit ausgeschlossen, dass eine bestimmte Zelle zu einem Hot Spot wird, der häufig einem thermischen Durchgehen vorausgeht.
• Ermöglichung des Schnellladens: Mit dem neuen Trend zum schnelleren Laden werden die Batterien einer enormen thermischen Belastung ausgesetzt. Große Ladeströme erzeugen eine Menge Wärme. Wenn es kein funktionierendes BTMS gibt, um diese Wärme bequem und schnell abzuleiten, würde das Schnellladepotenzial, das eine langfristige Batterieleistung anstrebt, aufgrund einer vorzeitigen Verschlechterung der Batterie oder sogar einer Explosion extrem eingeschränkt. Diese Systeme ermöglichen es, die Batterien mit hoher Geschwindigkeit zu laden und trotzdem weniger Strom zu erzeugen, wobei die Sicherheit durch eine intelligente Steuerung der Batterietemperatur nicht beeinträchtigt wird.

Schlüsselkomponenten und Designüberlegungen

Wesentliche Hardware in BTMS

• Kühlplatten/Pads: Sie stehen normalerweise in direkter Verbindung mit den Batteriezellen oder -modulen und sind das Hauptmedium für den Wärmeaustausch. Sie können so beschaffen sein, dass sie sich direkt berühren, oder sie können auch ein thermisches Schnittstellenmaterial verwenden. Es können auch Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, um eine wirksame Ableitung der Wärme an kritische Zelloberflächen zu gewährleisten.
• Pumpen und Ventilatoren: spielen eine wichtige Rolle bei der Beförderung von Kühlflüssigkeiten (bei flüssigen Systemen) oder Luft (bei luftgekühlten Systemen) durch den Wärmemanagementkreislauf. Aufgrund ihrer Effizienz und Zuverlässigkeit sind sie für die Übertragung der im Betrieb erzeugten Wärme in ihrer Form von größter Bedeutung.
• Wärmetauscher Heizkörper: Diese Vorrichtungen bewirken, dass die Wärme der Kühlflüssigkeit an die Umgebung abgegeben wird, so dass die Wärmeenergie an den Akku verloren geht und das Verhältnis der genutzten elektrischen Energie erhalten bleibt.
• Heizungen: In kalten Klimazonen ist ein Vorheizen erforderlich, um sicherzustellen, dass die Batterie zu Beginn ihre optimale Betriebstemperatur hat und um bei Bedarf, z. B. beim Kaltstart oder beim Kaltladen, eine optimale Ladeleistung zu gewährleisten.
• Temperatursensoren: Ein Netzwerk von Temperatur-, Spannungs- und Stromsensoren liefert Echtzeitdaten an den BTMS-Controller und ermöglicht so eine präzise Überwachung und schnelle Reaktion auf thermische Ereignisse. Dies unterstützt auch die Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung, was der Schlüssel zur Verlängerung der Batterielebensdauer ist.
• Ventile - Rohre/Kanäle: Ermöglicht die Regulierung der Zirkulation von Kühlflüssigkeit oder Luft innerhalb des Systems und verteilt die Wärme dorthin, wo sie hingehen soll, und hilft so bei der Kontrolle von lokalisierten Wärmeübertragungsproblemen.
• Thermische Grenzflächenmaterialien (TIMs): Zu den Materialien, die an der Schnittstelle zwischen beheizten Komponenten (z. B. Batteriezellen) und Kühlkörpern oder Kühlplatten verwendet werden, gehören Wärmeleitpasten, Lückenfüller oder Pads, die die Wärmeleitfähigkeit der Zielschnittstellen verbessern und den Wärmewiderstand verringern. TIMs sind relevant für die gleichmäßige Temperatur im Modul.

Bewältigung von BTMS-Design-Herausforderungen

• Energieverbrauch (Parasitäre Verluste): Kühl- und Heizsysteme verbrauchen elektrische Energie, was sich auf die Effizienz eines E-Fahrzeugs im Allgemeinen und auf die Nettoleistung eines ESS auswirken kann. Die Effizienz der Komponenten (z. B. hocheffiziente Pumpen und Ventilatoren) ist sehr wichtig.
• Komplexität und Systemintegration: BTMS sind potenziell komplex (sie können viele Flüssigkeitskreisläufe, Sensoren und Kontrollsysteme haben). Die Fähigkeit, diese einfach in ein dicht gepacktes Batterie- oder Fahrzeug-Backbone einzubauen, gekoppelt mit der Fähigkeit, es zu warten, ist etwas, das die Technik einer solchen Einheit wesentlich herausfordern würde.
• Gewicht und Band: Ein BTMS trägt zur Gewichts- und Volumenvergrößerung des Batteriepakets bei, was sich nachteilig auf die Energiedichte und die Fahrzeugleistung auswirkt. Konstrukteure wollen immer leichtere und kleinere Lösungen verwenden, die hohe Wärmeleitfähigkeitsflüsse bieten.
• Kosten: Die für die Herstellung von Hochleistungs-BTMS erforderlichen Materialien sind spezialisiert, die Produktionsverfahren sind kompliziert und die Kontrollsysteme sind anspruchsvoll, was zu hohen Betriebskosten führt. isto, levantagens. Der Kompromiss zwischen Leistung und Kosteneffizienz ist eine Variable, die für einen groß angelegten Einsatz von entscheidender Bedeutung ist, insbesondere innerhalb der verschiedenen Hauptkategorien von Batterieanwendungen.
• Gleichmäßigkeit der Temperatur: Es ist sehr schwierig, für alle Zellen in einem großen Akkupack die gleiche Temperatur zu haben. Dies kann zu einer ungleichmäßigen Verschlechterung führen, da heiße oder kalte Stellen die Gesamtlebensdauer des Akkus verkürzen können. Diese Herausforderung erfordert den Einsatz innovativer Wärmekanäle, leistungsstarker TIMs und eines präzisen Strömungsmanagements, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu gewährleisten.
• Wartung und Verlässlichkeit: Die Komponenten von BTMS, insbesondere diejenigen, die mit dem Flüssigkeitsstrom in Verbindung stehen, müssen so konzipiert sein, dass sie jetzt und in Zukunft zuverlässig und einfach zu warten sind. Der Ausfall einer Komponente kann sich nachteilig auf die Effizienz des Batteriesystems auswirken und kann auf ein Leck oder andere Faktoren zurückzuführen sein.

Verschiedene Arten von BTMS

Aktive Kühlungssysteme

• Luftkühlung: Sie ist die billigste und einfachste, aber auch die effektivste. Er gibt seine Wärme an die Umgebungsluft ab, die in der Regel durch Ventilatoren oder Gebläse bewegt wird. Die Ausnutzung der Effizienz des Luftstroms ist der wichtigste Faktor, der berücksichtigt werden sollte, wenn man eine maximale Leistung erreichen will. Sie eignet sich bereits für kleinere Batteriepakete mit geringerer Leistungsdichte (z. B. in einigen Hybridfahrzeugen oder leichten Elektrofahrzeugen), ist aber bei Schnellladeanwendungen mit hoher Leistung aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit nicht voll wirksam. Ihre positiven Seiten sind ihre Einfachheit, ihr geringes Gewicht und die Möglichkeit, dass sie nicht auslaufen.
• Flüssigkeitskühlung: Die ungekrönte und am weitesten verbreitete Form der aktiven Kühlung von Hochleistungsbatterien (z. B. EV-Stromtrend, Hochleistungs-ESS). Es werden flüssige Kühlmittel (z. B. Glykol-Wasser-Gemische, Avoiduct-Flüssigkeiten) verwendet, die wesentlich wärmeleitfähiger sind als Luft und die Batterien im flüssigen Zustand während des Betriebs effizienter handhaben. Die Flüssigkeitskühlung kann auf zwei Arten durchgeführt werden:
  • Indirekte Flüssigkeitskühlung: Eine indirekte Flüssigkeitskühlung würde einen Kühlmittelkreislauf innerhalb des Diffusionskühlers aus Kühlplatten oder -rohren beinhalten. Die Zellen kommen dabei nie direkt mit dem Kühlmittel in Berührung. Dies ist die am weitesten verbreitete Methode und ist normalerweise Teil eines größeren Kühlkreislaufs um andere Einheiten wie Radiatoren oder Kühler.
  • Direkte Eintauchkühlung: Bei der direkten Eintauchkühlung werden die Batteriezellen direkt in ein nichtleitendes, dielektrisches Kühlmittel eingetaucht. Sie hat eine höhere Wärmeübertragungsleistung und Temperaturhomogenität, und eine präzise Steuerung erfordert spezielle dielektrische Flüssigkeiten und eine geeignete Abdichtung.
• Kühlung auf Kältemittelbasis (Direktverdampfungskühlung): Wie eine Klimaanlage kühlt das System den Akkupack, und zwar durch direkte Kühlung mit einem Kältemittel. Es ist in der Lage, starke Kühlung und Heizung zu bieten, aber die zusätzliche Komplexität und Kosten sind damit verbunden.

Passive Kühlung

• Natürliche Konvektion und Strahlung: Die einfache Manipulation der Wärmeübertragung über Luftströme sowie eine Art von Wärme, die als Infrarotlicht bezeichnet wird, wird von der Batterieoberfläche abgestrahlt. Geringe Leistung bei starker thermischer Belastung, aber wärmeleitende Materialien können das Niveau der Oberflächenübertragung erhöhen.
• Kühlkörper: Metallrahmen mit großer Oberfläche, die die Wärme auf passive Weise an die Umgebungsluft abgeben. Kühlkörper werden häufig in Kombination mit anderen Kühltechniken eingesetzt und können mit Wärmerohren kombiniert werden, d. h. mit versiegelten Behältern, die sowohl den Phasenübergang als auch die Kapillarkraft nutzen, um die Wärme aus den heißen Stellen abzuführen.
• Phasenwechsel Materialien (PCMs): Materialien, die bei einem Phasenübergang (z. B. von fest zu flüssig) bei einer bestimmten Temperatur eine große Menge latenter Wärme aufnehmen und eine entsprechende Wärmemenge abgeben können, wenn der Phasenübergang in die entgegengesetzte Richtung verläuft. Sie sind in der Lage, hohe Temperaturspitzen abzufangen und die Batterie für eine kürzere Zeitspanne in vernünftigen Grenzen zu halten. In Verbindung mit der Tatsache, dass sie spröde sind, bieten PCMs eine einfache, aber robuste Lösung mit geringem Wärmespeicherpotenzial und können schwer sein. Sie erfordern, dass die Umgebungstemperatur unter ihrem Schmelzpunkt liegt, um sich zu regenerieren.

  BTMS-Typ	Primäres Medium	Vorteile	Benachteiligungen	Typische Anwendung
  Luftkühlung	Luft	Einfach, kostengünstig, leicht	Niedriger Wärmeübergangskoeffizient, schlechte Gleichmäßigkeit	EVs mit niedrigem Stromverbrauch, HEVs
  Flüssigkeitskühlung	Flüssig	Hohe Wärmeübertragung, gute Gleichmäßigkeit, präzise Steuerung	Komplex, Potenzial für Lecks, schwerer	Leistungsstarke EVs, ESS
  Eintauchkühlung	Dielektrische Flüssigkeit	Ausgezeichnete Wärmeübertragung, hervorragende Gleichmäßigkeit	Spezialisierte Flüssigkeiten, Kosten, Dichtungsprobleme	HPC, zukünftige EVs, ESS
  Passiv (PCM)	Phasenwechselmaterial	Einfach, keine Wirkleistung, wirksam bei Transienten	Begrenzte Wärmespeicherung, Regeneration erforderlich, schwerer	Hybrid-BTMS, Puffer

Hybride Ansätze

Anwendungen von BTMS

Die Wahl des richtigen Batterie-Wärmemanagementsystems

• Chemie und Design von Batterien: Bestimmte Batteriechemien (z. B. LFP, NMC) weisen unterschiedliche thermische Empfindlichkeiten sowie ideale Temperaturregime auf. Der Formfaktor der physikalischen Form der Zellen (zylindrisch, Beutel, prismatisch) bestimmt ebenfalls, wie effektiv die Wärme übertragen werden kann. Ein direkter Luftstrom kann in einem zylindrischen Zellenfeld nützlich sein, ebenso wie ein Kühlplattenkontakt oder Systeme, die auf einem Phasenwechsel und einer höheren Wärmespeicherkapazität in großen prismatischen Zellen basieren.
• Bewerbungsvoraussetzungen:
  • Leistungsdichte und Spitzenleistung: Produkte mit hoher Leistung (z. B. Sport-EVs, schnell reagierende ESS im Netzmaßstab) können eine enorme Wärmemenge aufnehmen, so dass ein effektiver aktiver Kühlmechanismus, wie z. B. Flüssigkeitskühlung/Tauchkühlung, eingesetzt werden sollte. Andere Anwendungen, die eine geringere Leistung benötigen, können mit Luftkühlung arbeiten.
  • Aufladegeschwindigkeit: Während beim schnellen und ultraschnellen Laden eine rasche Wärmeableitung erforderlich ist, um Degradation und thermisches Durchgehen zu vermeiden, ist beim langsamen Laden das Gegenteil der Fall.
  • Betrieb Umwelt: Es herrschen strenge Umgebungstemperaturen (heiß und kalt), die ein Btms mit leistungsstarken Heiz- und Kühlsystemen erfordern. Luftgestützte Systeme in großer Höhe haben ebenfalls ihre eigenen Herausforderungen, da die Luftdichte geringer ist, was sich direkt auf lüfterbasierte Luftkühlungsmethoden auswirkt.
• Abwägung zwischen Kosten und Leistung: Fortschrittlichere BTMS haben eine bessere Leistung, sind aber teurer. Eine intensive Kosten-Nutzen-Analyse muss sicherstellen, dass es einen Kompromiss zwischen den anfänglichen Investitionen und den langfristigen Verbesserungen bei der Batterielebensdauer und der Effizienz gibt.
• Platz- und Gewichtsbeschränkungen: In einem Anwendungsfall wie den Elektrofahrzeugen zählt jedes Kilo oder jeder Kubikzentimeter. Leichte, kompakte BTMS-Systeme sind ebenfalls besonders gefragt und sind eine gemeinsame Kraft der materialwissenschaftlichen Innovation, insbesondere wenn es um die Auswahl von Materialien geht, die eine akzeptable Wärmekapazität zu den richtigen Kosten bieten, und natürlich müssen sie die Struktur auch minimal schwer machen.
• Wartung und Verlässlichkeit: Das auszuwählende System sollte während der erwarteten Lebensdauer zuverlässig und wartungsfreundlich sein. Dementsprechend sind Faktoren wie die Kompatibilität der Flüssigkeiten, die Unversehrtheit der Dichtungen und die Lebensdauer der Komponenten entscheidend.
• Sicherheit Normen und Vorschriften: Es gibt strenge internationale (z. B. UN ECE R100, ISO 26262) und lokale Sicherheitsnormen, die bei der Entwicklung und Validierung des BTMS befolgt werden müssen, insbesondere wenn es um die Ausbreitung von thermischen Fehlfunktionen geht.
• Eine genauere Untersuchung dieser Aspekte (in der Regel mit Hilfe von Simulation und Modellierung) hilft dem Ingenieur und dem Systemintegrator bei der Entscheidung für das beste und geeignete BTMS unter den gegebenen Umständen.

Optimale Leistung fördern: Wie ACDC FANS das BTMS verbessert

• Hohe Haltbarkeit/Lebensdauer unter extremen Bedingungen: Dies ist ein Hauptproblem bei der Entwicklung von BTMS und ein Hauptproblem bei der Entwicklung von BTMS. Unsere Ventilatoren sind für einen Temperaturbereich von -40 °C bis 120 °C ausgelegt, also deutlich härter als üblich. Unser Engagement für eine lange Lebensdauer ist beispielhaft: Unsere Lüfter haben eine Lebensdauer von 70.000 Stunden bei 40 °C. An hochgelegenen Standorten mit geringerer Luftdichte erweisen sich unsere Ventilatoren als sehr widerstandsfähig, mit einer durchschnittlichen Fehlerdauer von über 3 Jahren, verglichen mit einem Branchendurchschnitt von 1 Jahr. Diese langlebige Konstruktion reduziert den Wartungsaufwand und gewährleistet eine gleichmäßige Kühlung, die die Lebensdauer der Batterie direkt erhöht und die Betriebskosten der Kunden senkt.
• Stabile Luftleistung für kritische Kühlung: Effektive BTMS oder Hilfskühlung von Flüssigkeitssystemen erfordert einen stabilen Luftstrom. Kritische Kühlanwendungen, die ein effektives BTMS oder eine Hilfskühlung von Flüssigkeitssystemen erfordern, sind auf eine stabile Luftleistung angewiesen. Die Rahmen unserer Gehäuselüfter sind aus hochwertigem Aluminium mit 3-5 % Kupfer gefertigt, wodurch sie eine gleichmäßigere Leistung von 30 % aufweisen. Dies sorgt für einen gleichmäßigen Wärmeverlust, eliminiert Temperaturschwankungen und gewährleistet einen symmetrischen Wärmefluss in den Batteriepacks, was besonders wichtig ist, um heiße Stellen zu vermeiden. Wir sind CE-, UL-, RoHS- und EMV-zertifiziert, um die Qualität unserer Produkte regelmäßig zu überprüfen.
• Überlegene IP68 Schutz vor Zuverlässigkeit: Batterien werden in der Regel in einer Umgebung eingesetzt, die durch Feuchtigkeit und Staub beeinträchtigt wird. Außerdem ist es wichtig, empfindliche BTMS-Komponenten abzuschirmen. ACDC FANS handelt mit DC-Lüftern von hoher Qualität. Wir verfügen über einen hochentwickelten bürstenlosen Motor, der einen IP-Schutzgrad von bis zu IP68 unterstützt und somit einen außergewöhnlichen Schutz gegen Wasser, Staub und Feuchtigkeit bietet. Dies ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb unter ungünstigen Bedingungen, ohne dass das Kühlsystem ausfällt.

Schlussfolgerung: Vorwärtskommen mit intelligentem Wärmemanagement