Aumentare l'efficienza con i segreti dei sistemi di gestione termica delle batterie

Introduzione

Che cos'è un sistema di gestione termica della batteria?

Perché il controllo della temperatura non è negoziabile

• Prestazioni Ottimizzazione: A una temperatura ottimale, una batteria dà il meglio di sé. A temperature troppo basse, la resistenza interna aumenta e ciò comporta una minore potenza generata, una minore quantità di carica e una minore quantità di energia. D'altro canto, le temperature elevate possono accelerare le reazioni chimiche, con conseguente perdita di capacità e aumento della probabilità di fuga termica. Un esempio è dato da una batteria agli ioni di litio, che a bassa temperatura (0 °C) può fornire la metà della sua capacità rispetto a una temperatura elevata (25 °C) e che, lavorando a una temperatura elevata (50 °C), può avere una durata del ciclo pari solo a qualche punto percentuale di quella a una temperatura inferiore. La resa può quindi essere massimizzata garantendo un controllo uniforme della temperatura della batteria.
• Estensione della durata della vita: Probabilmente il fattore più cruciale in termini di influenza sul degrado della batteria è la temperatura della stessa. L'aumento della temperatura catalizza reazioni collaterali parassite nella batteria, con conseguente degrado permanente della capacità. Una temperatura di esercizio stabile è una condizione ideale e può aumentare in modo significativo il calendario e la durata della batteria. La letteratura indica che un aumento di 10 o C rispetto ai livelli di temperatura migliori (ad esempio, da 25 °C a 35 °C) può dimezzare la durata della batteria. I moderni sistemi di gestione delle batterie tengono sotto stretto controllo queste variabili, con un occhio di riguardo alla durata a lungo termine.
• Sicurezza Garanzia: Purtroppo, l'effetto più pernicioso di una cattiva gestione termica è il cosiddetto "thermal runaway". Si tratta di un ciclo di feedback positivo in cui anche un piccolo aumento di temperatura provoca un aumento di temperatura ancora maggiore, che spesso si traduce in un incendio o in un'esplosione. La principale difesa contro questi incidenti è un solido BTMS, che controlla continuamente le temperature e interviene rapidamente per evitare gli incidenti. Mantenere tutte le celle di un pacco alla stessa temperatura elimina anche la possibilità che una cella diventi un punto caldo, che spesso precede la fuga termica.
• Abilitazione alla ricarica rapida: Con la nuova tendenza alla ricarica più rapida, le batterie sono sottoposte a un enorme carico termico. Grandi valori di corrente di carica producono molto calore. A meno che non ci sia un BTMS funzionante per scaricare questo calore in modo comodo e rapido, il potenziale di carica rapida che si desidera ottenere con le batterie a lungo termine sarebbe estremamente ridotto a causa del degrado prematuro delle batterie o addirittura dell'esplosione. Questi sistemi consentono alle batterie di caricarsi ad alta velocità, pur essendo in grado di generare una potenza inferiore, e la sicurezza non viene compromessa dal controllo intelligente della temperatura della batteria.

Componenti chiave e considerazioni sulla progettazione

Hardware essenziale in BTMS

• Piastre/padelle di raffreddamento: Di solito sono posti in collegamento diretto con le celle o i moduli della batteria e costituiscono il principale mezzo di scambio termico. Possono essere realizzati a contatto diretto, oppure possono utilizzare un materiale di interfaccia termica. Si possono utilizzare anche materiali ad alta conducibilità termica per garantire un'efficace rimozione del calore verso le superfici critiche delle celle.
• Pompe e ventilatori: svolgono un ruolo importante nello spingere i fluidi di raffreddamento (nel caso di sistemi a liquido) o l'aria (sistemi raffreddati ad aria) attraverso il circuito di gestione termica. Grazie alla loro efficienza e affidabilità, sono fondamentali per trasferire la forma di calore generata nel processo di funzionamento.
• Scambiatori di calore Radiatori: Si tratta di dispositivi che provocano il rilascio del calore del fluido di raffreddamento nell'ambiente circostante, trasformando così l'energia termica in energia dispersa nel pacco batterie e mantenendo il rapporto di energia elettrica utilizzata.
• Riscaldatori: Nei climi freddi, il preriscaldamento è necessario sia per garantire che la batteria raggiunga inizialmente la temperatura di funzionamento ottimale, sia per assicurare l'efficacia di carica ottimale quando è necessario, come nel caso dell'avviamento e della ricarica a freddo.
• Sensori di temperatura: Una rete di sensori di temperatura, tensione e corrente fornisce dati in tempo reale al controllore BTMS, consentendo un monitoraggio preciso e una risposta rapida agli eventi termici. Ciò consente anche di mantenere una distribuzione uniforme della temperatura, fondamentale per prolungare la durata della batteria.
• Valvole - Tubi / Condotti: Consentono di regolare la circolazione del fluido di raffreddamento o dell'aria all'interno del sistema e di distribuire il calore dove deve andare, contribuendo così a controllare i problemi di trasferimento di calore localizzati.
• Materiali di interfaccia termica (TIM): I materiali applicati all'interfaccia tra i componenti riscaldati (ad esempio, le celle della batteria) e i dissipatori di calore o le piastre di raffreddamento possono includere paste termiche, riempitivi di spazi o pad e contribuiscono a migliorare la conduttività termica delle interfacce di destinazione, riducendo l'entità della resistenza termica. I TIM sono rilevanti per la temperatura uniforme del modulo.

Superare le sfide della progettazione BTMS

• Consumo di energia (perdite parassite): I sistemi di raffreddamento e riscaldamento utilizzano energia elettrica, il che può influire sull'efficienza di un veicolo elettrico in generale e sulla produzione netta di energia di un SSE. L'efficienza dei componenti (ad esempio, pompe e ventilatori ad alta efficienza) è molto importante.
• Complessità e integrazione dei sistemi: I BTMS sono potenzialmente complessi (possono avere molti loop di fluidi, sensori e sistemi di controllo). La capacità di incorporare facilmente questi sistemi in una batteria o in una struttura portante del veicolo, insieme alla possibilità di effettuare la manutenzione, è un'operazione che mette a dura prova l'ingegneria di un'unità di questo tipo.
• Peso e Volume: Un BTMS contribuisce ad aumentare il peso e il volume del pacco batterie, causando uno svantaggio nella densità energetica e nelle prestazioni del veicolo. I progettisti desiderano sempre utilizzare soluzioni più leggere e più piccole che offrano fiumi di conducibilità termica elevata.
• Costo: I materiali necessari per produrre BTMS ad alte prestazioni sono specializzati, il processo di produzione è complicato e i sistemi di controllo sono sofisticati, il che comporta un costo operativo elevato. isto, levantagens. Bilanciare il compromesso tra prestazioni ed economicità è una variabile essenziale per la diffusione su larga scala, soprattutto nell'ambito delle varie classificazioni primarie delle applicazioni delle batterie.
• Uniformità della temperatura: È molto difficile avere la stessa temperatura per tutte le celle di un pacco batterie di grandi dimensioni. Questo può causare un degrado non uniforme, perché i punti caldi o freddi possono ridurre la durata totale del pacco. Il requisito associato a questa sfida è l'utilizzo di canali termici innovativi, TIM ad alte prestazioni e una gestione precisa del flusso per garantire una distribuzione uniforme della temperatura.
• Manutenzione e affidabilità: I componenti del sistema BTMS, in particolare quelli associati al flusso di fluidi, devono essere progettati per essere affidabili e di facile manutenzione, ora e in futuro. Il guasto di un componente può pregiudicare l'efficienza del sistema di batterie e può essere dovuto a una perdita o ad altri fattori.

Diversi tipi di BTMS

Sistemi di raffreddamento attivi

• Raffreddamento ad aria: È il più economico e semplice, oltre che il più efficace. Dissipa il suo calore nell'aria circostante, che di solito viene spostata da ventole o soffianti. Sfruttare l'efficienza del flusso d'aria è il fattore principale da tenere in considerazione quando si cerca di ottenere le massime prestazioni. È già appropriato nei pacchi batteria più piccoli a bassa densità di potenza (ad esempio, in alcune auto ibride o veicoli elettrici leggeri), ma non può essere pienamente efficace nelle applicazioni di ricarica rapida ad alta potenza a causa della scarsa conduttività termica. Gli aspetti positivi sono la semplicità, il peso ridotto e la possibilità di non avere perdite.
• Raffreddamento a liquido: È la forma più diffusa di raffreddamento attivo delle batterie ad alta potenza (ad esempio, tendenza attuale degli EV, ESS ad alta potenza). Vengono utilizzati refrigeranti liquidi (ad es. miscele di acqua e glicole, fluidi aviotrasportati), molto più conduttivi termicamente dell'aria e più efficienti nel gestire le batterie allo stato liquido durante il funzionamento. Il raffreddamento a liquido può essere effettuato in due modi:
  • Raffreddamento indiretto a liquido: Una soluzione di raffreddamento indiretto a liquido prevede un circuito di raffreddamento all'interno del raffreddatore a diffusione di piastre o tubi freddi. Le celle non sono mai a contatto diretto con il refrigerante. Questo è il sistema più diffuso e di solito fa parte di un circuito di raffreddamento più ampio che comprende altre unità come radiatori o refrigeratori.
  • Raffreddamento per immersione diretta: Il raffreddamento a immersione diretta prevede l'immersione diretta delle celle della batteria in un refrigerante dielettrico non conduttivo. Le prestazioni di trasferimento del calore e l'omogeneità della temperatura sono superiori e il controllo preciso richiede fluidi dielettrici speciali e un'adeguata sigillatura.
• Raffreddamento a base di refrigeranti (raffreddamento a espansione diretta): Come un impianto di condizionamento dell'aria, il sistema raffredda il pacco batterie, ma lo fa direttamente utilizzando un refrigerante. È in grado di offrire un forte raffreddamento e riscaldamento, ma comporta una complessità e un costo aggiuntivi.

Raffreddamento passivo

• Convezione e radiazione naturale: La semplice manipolazione del trasferimento di calore attraverso le correnti d'aria, nonché un tipo di calore chiamato luce infrarossa, viene irradiato dalla superficie della batteria. Le prestazioni sono basse in caso di carichi termici elevati, ma i materiali termicamente conduttivi possono aumentare il livello di trasferimento superficiale.
• Dissipatori di calore: Telai metallici ad alta superficie che fanno circolare il calore nell'aria ambiente in modo passivo. I dissipatori di calore sono spesso utilizzati in combinazione con altre tecniche di raffreddamento e possono essere abbinati a tubi di calore, contenitori sigillati che sfruttano la transizione di fase e la forza capillare per trasportare il calore fuori dai punti caldi.
• Cambiamento di fase Materiali (PCM): Materiali in grado di assorbire un'enorme quantità di calore latente quando subiscono una transizione di fase (ad esempio, da solido a liquido) a una certa temperatura e di restituire una quantità equivalente di calore quando la transizione di fase si sposta nella direzione opposta. Sono in grado di assorbire picchi di temperatura elevati e di mantenere la batteria entro limiti ragionevoli per un periodo di tempo più breve. Se a ciò si aggiunge il fatto che sono fragili, i PCM rappresentano una soluzione semplice ma robusta, con uno scarso potenziale di accumulo di calore e possono essere pesanti. Per rigenerarsi, è necessario che la temperatura ambiente sia inferiore al loro punto di fusione.

  Tipo BTMS	Medio primario	Vantaggi	Svantaggi	Applicazione tipica
  Raffreddamento ad aria	Aria	Semplice, a basso costo, leggero	Basso coefficiente di trasferimento del calore, scarsa uniformità	Veicoli elettrici a bassa potenza, HEV
  Raffreddamento a liquido	Liquido	Elevato trasferimento di calore, buona uniformità, controllo preciso	Complesso, potenziale di perdite, più pesante	Veicoli elettrici ad alta potenza, ESS
  Raffreddamento a immersione	Fluido dielettrico	Eccellente trasferimento di calore, uniformità superiore	Fluidi speciali, costi, problemi di tenuta	HPC, veicoli elettrici del futuro, ESS
  Passivo (PCM)	Materiale a cambiamento di fase	Semplice, senza potenza attiva, efficace per i transitori	Accumulo di calore limitato, rigenerazione necessaria, più pesante	BTMS ibrido, tamponi

Approcci ibridi

Applicazioni del BTMS

Scelta del giusto sistema di gestione termica della batteria

• Chimica e progettazione delle batterie: Batterie chimiche specifiche (ad esempio, LFP, NMC) presentano sensibilità termiche diverse e regimi di temperatura ideali. Anche il fattore della forma fisica delle celle (cilindriche, a sacchetto, prismatiche) determinerà l'efficacia del trasferimento del calore. Il flusso d'aria diretto può essere utile in un array di celle cilindriche, così come il contatto con le piastre fredde o i sistemi basati su un cambiamento di fase e una maggiore capacità di accumulo termico nelle celle prismatiche di grandi dimensioni.
• Requisiti per l'applicazione:
  • Densità di potenza e potenza di picco: I prodotti ad alta potenza (ad esempio, EV sportivi, ESS a risposta rapida su scala di rete) possono assorbire un'enorme quantità di calore, per cui è necessario applicare un efficace meccanismo di raffreddamento attivo, come il raffreddamento a liquido o a immersione. Altre applicazioni che richiedono una potenza inferiore possono utilizzare il raffreddamento ad aria.
  • Velocità di carica: Mentre la rapida dissipazione del calore è necessaria per evitare il degrado e la fuga termica dovuti alla ricarica veloce e ultraveloce, il contrario è vero per la ricarica lenta.
  • Operativo Ambiente: Le condizioni di temperatura ambientale (caldo e freddo) richiedono un Btms con sistemi di riscaldamento e raffreddamento ad alta potenza. Anche i sistemi basati sull'aria ad alta quota hanno le loro sfide, poiché la densità dell'aria è minore, con un impatto diretto sui metodi di raffreddamento ad aria basati su ventole.
• Costi e prestazioni: I BTMS più avanzati hanno prestazioni migliori, ma sono più costosi. Un'intensa analisi costi-benefici deve garantire un compromesso tra l'investimento iniziale e i miglioramenti della durata della batteria e dell'efficienza nel lungo periodo.
• Vincoli di spazio e di peso: In un caso d'uso come quello dei veicoli elettrici, ogni chilo o centimetro cubo conta. Anche i sistemi BTMS leggeri e compatti sono particolarmente ricercati e rappresentano una forza comune dell'innovazione della scienza dei materiali, soprattutto quando si tratta di scegliere materiali in grado di fornire una capacità termica accettabile al giusto costo e, naturalmente, di rendere la struttura minimamente pesante.
• Manutenzione e affidabilità: Il sistema da scegliere deve essere affidabile nell'arco di vita previsto e deve essere manutenibile. In questo senso, fattori quali la compatibilità dei fluidi, l'integrità delle guarnizioni e la durata dei componenti sono fondamentali.
• Sicurezza Norme e regolamenti: Esistono rigorosi standard di sicurezza internazionali (ad esempio, UN ECE R100, ISO 26262) e locali che devono essere rispettati nella progettazione e nella convalida del BTMS, soprattutto per quanto riguarda la propagazione della fuga termica.
• Uno studio più dimostrativo di questi aspetti (di solito supportato da simulazioni e modelli) aiuterà l'ingegnere e l'integratore di sistema a decidere il BTMS migliore e adatto in una determinata circostanza.

Alimentare le prestazioni ottimali: Come ACDC FANS migliora il BTMS

• Grande durata e longevità in condizioni estreme: Si tratta di una preoccupazione fondamentale per i BTMS e di un problema primario affrontato nello sviluppo dei BTMS. I nostri ventilatori sono progettati per un regime di temperatura che va da -40 °C a 120 °C, un regime significativamente più severo del solito. La nostra dedizione alla lunga durata è esemplare: le nostre ventole hanno una durata di 70.000 ore a 40 °C. In luoghi ad alta quota, con una densità dell'aria più bassa, i nostri ventilatori si dimostrano molto resistenti, con un tempo medio di guasto di oltre 3 anni, rispetto a una media del settore di 1 anno. Si tratta di un design durevole che riduce i requisiti di manutenzione e garantisce un raffreddamento uniforme che aumenta direttamente la durata della batteria e riduce i costi di gestione dei clienti.
• Prestazioni d'aria stabili per il raffreddamento critico: Un BTMS efficace o il raffreddamento ausiliario di sistemi a liquido richiedono un flusso d'aria stabile. Le applicazioni di raffreddamento critiche che richiedono un efficace BTMS o il raffreddamento ausiliario di sistemi a liquido dipendono da prestazioni stabili dell'aria. I telai delle nostre ventole di raffreddamento per armadietti sono costruiti con alluminio di altissima qualità e rame 3-5 %, che ne aumenta le prestazioni di 30 %. In questo modo si ottiene una perdita di calore costante, si eliminano le fluttuazioni di temperatura e si garantisce un flusso simmetrico di calore in tutto il pacco batterie, particolarmente importante per eliminare i punti caldi. Siamo certificati CE, UL, RoHS e EMC per garantire regolarmente l'eccellenza dei nostri prodotti.
• Superiore IP68 protezione dall'affidabilità: Le batterie vengono solitamente utilizzate in un ambiente soggetto a umidità e polvere. È inoltre importante schermare i componenti BTMS sensibili. ACDC FANS si occupa di ventilatori CC di grande qualità. Disponiamo di un motore brushless altamente sofisticato che supporta un livello di protezione IP fino a IP68, garantendo una protezione eccezionale contro acqua, polvere e umidità. Ciò consente di lavorare ininterrottamente in condizioni avverse senza che il sistema di raffreddamento si guasti, e quindi il backup della batteria per la sicurezza e la funzionalità.

Conclusione: Progredire con la gestione termica intelligente