Soluzioni di gestione termica delle batterie per la sicurezza e la longevità

Introduzione

I veicoli elettrici e i sistemi di accumulo di energia stanno guadagnando attenzione negli ultimi tempi. Tuttavia, un aspetto poco importante di queste tecnologie è la gestione termica delle batterie, che è stata oggetto di attenzione in questa prospettiva di crescita. Con i progressi nello sviluppo di nuove tecnologie per le batterie, volte ad aumentare le capacità energetiche e i tassi di carica, la considerazione dell'energia termica prodotta all'interno dei pacchi batterie diventa fondamentale.

Per mantenere le temperature ottimali per la maggior parte di questi sistemi, è necessario un sistema completo di gestione delle batterie. Una gestione termica della batteria non correttamente implementata può causare prestazioni scadenti, una riduzione della durata di vita della batteria e forse un guasto all'arco a causa dei differenziali di temperatura all'interno delle celle. I sistemi di gestione termica delle batterie sono particolarmente importanti per i dispositivi elettronici, come nel campo dei veicoli elettrici, in quanto consentono alle loro batterie di funzionare efficacemente.

Questo articolo si concentra sull'area dei kit di ingresso per la gestione termica delle batterie, in cui vengono presentate la scienza della generazione del calore e le tecniche di raffreddamento, compresa l'importanza delle ventole di raffreddamento, al fine di proteggere e prolungare la durata dei sistemi di batterie.

Che cos'è la gestione termica delle batterie?

In breve, il termine Gestione termica delle batterie può essere descritto come l'insieme di metodi e misure utilizzati per mantenere la temperatura delle batterie o dei pacchi batterie entro limiti accettabili. È parte integrante del sistema di batterie ed è costituita da diversi componenti, hardware e software, il cui obiettivo principale è quello di difendersi dagli effetti dell'alta temperatura, gestire l'intervallo di temperatura o controllare il trasferimento di calore.

Queste soluzioni sono essenziali per controllare l'erogazione di energia elettrica all'interno della batteria e necessitano di continui miglioramenti per adattarsi alle applicazioni moderne.

Perché la gestione termica della batteria è fondamentale?

L'importanza di un'efficace gestione termica delle batterie è dovuta a diversi motivi. Il primo è quello di evitare la fuga termica, una situazione pericolosa in cui la temperatura della cella aumenta e attiva una serie di eventi esotermici che possono provocare combustione o esplosione.

Il secondo fattore è che livelli di temperatura appropriati all'interno delle celle della batteria possono migliorare l'efficacia, poiché temperature estreme possono interferire con l'elettrochimica all'interno delle celle.

Un altro motivo è che un ottimo sistema di gestione termica protegge le batterie dall'invecchiamento e ne mantiene la capacità quando sono esposte a temperature elevate.

Mentre uno studio pubblicato sul Journal of Power Sources indica che un aumento di 10 gradi Celsius della temperatura di esercizio della batteria può portare a una perdita di durata del ciclo fino a 50% La dichiarazione illustra le minacce poste quando non viene applicata un'efficace gestione termica della batteria e sottolinea l'importanza di tali tecniche di gestione per i sistemi a batteria.

Fattori che influenzano la temperatura della batteria

Tra i vari fattori che regolano la temperatura delle celle e dei pacchi batteria vi sono:

Temperatura ambiente: La temperatura degli agenti atmosferici esterni può influenzare in modo significativo la temperatura della batteria.

Velocità di carica e scarica: La carica o la scarica rapida può provocare un aumento della temperatura a causa del flusso di corrente.

Altri fattori che determinano la temperatura sono: La chimica delle celle, il design del pacco batterie, tra gli altri, sono altri fattori determinanti.

Pacco batteria Design: Come i canali di raffreddamento del tessuto, anche il design del pacco batteria e le sostanze disponibili svolgono un ruolo importante nella gestione termica.

Consumo di energia elettrica: Anche le pratiche di utilizzo dell'energia elettrica possono portare a variazioni di temperatura.

La considerazione di questi punti è importante, perché a sua volta aiuterà in futuro a sviluppare tecniche di gestione termica del BTM e quindi le prestazioni dei sistemi di batterie.

La scienza della generazione di calore della batteria

Per comprendere l'importanza della gestione termica delle batterie, è importante conoscere i fattori responsabili della generazione di calore nelle batterie e l'influenza significativa della densità di energia e delle condizioni di temperatura.

Reazioni chimiche e generazione di calore

Mentre le batterie ricevono e cedono energia, alcuni, se non tutti, i processi chimici interni alle batterie procedono e, nel farlo, rilasciano energia - calore. La generazione di calore è una conseguenza naturale delle reazioni elettrochimiche che avvengono all'interno delle celle. Numerosi elementi influenzano la quantità di calore generato, tra cui la chimica della cella, il flusso di corrente e la resistenza interna. Le batterie ad alta densità di energia, d'altra parte, possono generare più calore, che deve essere controllato per evitare scenari di surriscaldamento.

Fattori esterni che influenzano la generazione di calore

Oltre alla generazione interna di calore, anche i fattori esterni influenzano notevolmente la temperatura della batteria. La temperatura ambiente, ad esempio, ha un effetto considerevole sulla tendenza termica delle celle e delle batterie. In caso di temperature ambientali elevate, qualsiasi reazione in corso verrebbe accelerata, aumentando ulteriormente il tasso di generazione di calore che potrebbe portare a una fuga termica. Inoltre, la luce diretta del sole o altre fonti di calore possono aumentare la temperatura della batteria in questione. Per controllare questi aspetti, si possono applicare diversi metodi di raffreddamento per migliorare la sicurezza e controllare la temperatura di equilibrio all'interno dei sistemi di batterie.

Metodi di raffreddamento della batteria

Sono stati ideati diversi approcci al raffreddamento delle batterie con l'obiettivo di ridurre gli effetti del riscaldamento e mantenere una buona temperatura per la batteria. Ogni approccio ha le sue strutture specifiche per garantire la gestione del calore.

Raffreddamento ad aria e raffreddamento a liquido

Per contrastare il surriscaldamento delle batterie, si possono utilizzare le due tecnologie del raffreddamento ad aria e del raffreddamento a liquido. Nel raffreddamento ad aria, di solito si utilizzano ventole o soffianti per raffreddare il pacco batteria attraverso un flusso d'aria attivo. Si tratta di un approccio meno complesso e più economico al raffreddamento, ma nella maggior parte dei casi questo metodo non è probabilmente abbastanza efficace per soddisfare le esigenze dei sistemi ad alte prestazioni, poiché si basa sulla bassa conduttività termica dell'aria.

Il raffreddamento a liquido impiega semplicemente un fluido refrigerante, come acqua o glicole, che viene spostato attraverso un tubo termico per assorbire il calore dalla cella della batteria e trasferirlo. Questo metodo è più efficiente nel trasferire il calore, ma aggiunge maggiori costi e complessità all'apparecchiatura, poiché utilizza materiali termicamente conduttivi per migliorare l'efficienza del metodo.

Raffreddamento passivo vs. raffreddamento attivo

Il raffreddamento di tipo passivo si basa su principi naturali di trasferimento del calore, come la conduzione e la convezione, utilizzati per rimuovere il calore dal pacco batteria. In genere, prevede il posizionamento di dissipatori di calore e sostanze termicamente conduttive, solitamente leghe o materiali compositi, per migliorare la gestione termica senza parti in movimento. Anche la progettazione degli involucri delle batterie è importante per migliorare l'efficacia di questo metodo.

Il raffreddamento attivo, invece, si riferisce all'uso di potenziatori esterni come ventole, pompe o tubi di calore per favorire la rimozione del calore dal sistema della batteria. Questo metodo consente un funzionamento a temperatura più controllata, ma al costo di un maggiore consumo energetico. Questi sistemi sono progettati per adattarsi alle diverse esigenze di conducibilità termica, riducendo al minimo il compromesso tra complessità ed efficienza.

Metodo di raffreddamento	Descrizione	Componenti chiave	Vantaggi	Svantaggi
Raffreddamento ad aria	Utilizza ventole o soffianti per far circolare l'aria e dissipare il calore.	Ventole di raffreddamento, soffianti	Basso costo, design semplice	Conducibilità termica inferiore, meno efficace per sistemi ad alte prestazioni
Raffreddamento a liquido	Utilizza un liquido refrigerante per assorbire e trasferire il calore dalle celle.	Tubi di calore, materiali termicamente conduttivi	Alta efficienza nel trasferimento di calore	Più complesso e costoso
Raffreddamento passivo	Si basa sul trasferimento naturale del calore attraverso la conduzione e la convezione.	Dissipatori di calore, involucri termicamente conduttivi	Nessuna parte in movimento, basso consumo energetico	Limitato dalle condizioni ambientali
Raffreddamento attivo	Utilizza dispositivi meccanici per migliorare la rimozione del calore	Ventilatori, pompe, scambiatori di calore	Temperatura controllata, adattabile	Consumo energetico più elevato

Tecnologie di raffreddamento emergenti

A causa dell'enorme richiesta di batterie energetiche, ricercatori e ingegneri sono alla ricerca di nuovi metodi innovativi per migliorare la gestione termica delle batterie. Uno di questi approcci innovativi è l'uso di materiali a cambiamento di fase (PDM), che incorporano un'elevata conduttività termica e pareti sottili, riducendo al minimo l'accumulo termico. Questi materiali possono mantenere temperature costanti sfruttando la temperatura di cambiamento di fase, che consente un'efficace regolazione della temperatura grazie alla loro elevata conducibilità termica. Un altro metodo innovativo è l'uso del raffreddamento termoelettrico, che sfrutta l'effetto Peltier per pompare attivamente il calore lontano dalle celle della batteria, creando le condizioni per una gestione precisa delle fluttuazioni di temperatura.

Un sistema di raffreddamento ibrido integra diversi metodi di raffreddamento per migliorare le prestazioni. Ad esempio, un sistema ibrido può combinare il raffreddamento ad aria e a liquido per aumentare l'efficienza, incorporando elementi di raffreddamento attivi e passivi. Questa metodologia garantisce un'efficace dissipazione del calore in diversi scenari operativi, migliorando così l'affidabilità del sistema. Nel campo della gestione termica delle batterie, i sistemi ibridi combinano diverse tecniche per ottenere una gestione termica ottimale, sfruttando la conduttività termica di diversi materiali per estendere l'autonomia operativa della batteria. L'integrazione di queste tecniche avanzate apre nuove possibilità per i sistemi di gestione termica e quindi per le tecnologie di accumulo dell'energia.

mercato della gestione termica delle batterie per autoveicoli

Ventole di raffreddamento: un componente critico nella gestione termica delle batterie

In quasi tutti i progetti di sistemi di gestione termica delle batterie con raffreddamento ad aria, le ventole di raffreddamento sono uno dei componenti più indispensabili. È importante implementarle correttamente per ottenere condizioni ragionevoli della batteria a costi minimi.

Il ruolo delle ventole di raffreddamento nella gestione termica delle batterie

La base del concetto di raffreddamento forzato "ad aria" risiede nell'applicazione di ventole di raffreddamento che creano un flusso d'aria attraverso le celle della batteria che, a sua volta, porta via l'aria riscaldata dal pacco batteria. In questo modo si ottiene una migrazione controllata dell'aria calda che favorisce un trasferimento efficiente del calore ed evita la formazione di punti caldi dovuti alla conduzione. È possibile installare anche scambiatori di calore per contribuire alla funzione di rimozione del calore.

Oltre ai limiti di spazio e ai vincoli di costo, la scelta del tipo di ventole di raffreddamento da utilizzare è legata alla termodinamica del sistema di batterie e al design del veicolo. Grazie alla loro semplicità costruttiva e al basso costo, i ventilatori assiali sono in grado di generare un flusso d'aria a bassa pressione, rendendoli pratici per la maggior parte delle applicazioni che richiedono un flusso d'aria di volume elevato e in cui lo spazio non è limitato.

Al contrario, i ventilatori centrifughi o radiali hanno una pressione di esercizio più elevata e sono quindi comunemente utilizzati in installazioni che emettono flussi d'aria attraverso bocchette strette, condotti e altri sistemi complicati.

Le esigenze particolari dei vincoli termici e spaziali di un sistema di batterie richiedono solitamente la progettazione di ventole personalizzate. Gli ingegneri possono regolare la geometria o le dimensioni delle pale e la velocità di rotazione per ottenere le migliori prestazioni di raffreddamento possibili, riducendo al minimo il consumo di energia rispetto all'efficienza del flusso d'aria. Oggi, con il progredire del concetto di veicolo, la fornitura di soluzioni di ventilatori su misura è importante per ottenere prestazioni e affidabilità ancora migliori della batteria.

Gestione termica della batteria per applicazioni specifiche

I metodi di gestione termica delle batterie sono specifici per l'applicazione. Tuttavia, le ventole di raffreddamento hanno un'ampia applicazione e possono essere molto efficaci in molti settori. Esaminiamo le loro applicazioni in due settori specifici, come i veicoli elettrici e l'accumulo stazionario di energia.

Veicoli elettrici

Per i veicoli elettrici, il pacco batterie è la parte più importante in termini di autonomia, prestazioni e sicurezza. Inoltre, la ricarica rapida o gli scenari di guida ad alte prestazioni possono causare stress alle batterie e una gestione termica efficace è un requisito indispensabile. La maggior parte dei veicoli elettrici utilizza refrigeranti sia ad aria che a liquido e in queste configurazioni le ventole di raffreddamento sono una necessità nei sistemi di raffreddamento ad aria forzata del carburante. Queste ventole hanno il compito di dirigere il flusso d'aria sulle superfici delle celle della batteria per ridurre le temperature e facilitare la rimozione del calore. Infine, l'utilizzo delle ventole di condizionamento dell'abitacolo del veicolo consente di raffreddare e integrare entrambi i sistemi, semplificando la procedura di progettazione.

Accumulo di energia stazionario

Anche l'accumulo di energia incorporato, come i sistemi di accumulo di energia nelle applicazioni di energia rinnovabile o di rete, richiede sistemi efficaci di gestione termica delle batterie. Nella maggior parte dei casi, in questi sistemi sono integrati grandi pacchi di batterie che producono calore in eccesso. Tali situazioni richiedono l'assistenza di ventole di raffreddamento, che offrono un flusso d'aria efficace per mantenere la temperatura dell'ambiente circostante ed evitare la fuga termica. In termini di requisiti di raffreddamento e restrizioni di configurazione, i ventilatori assiali e centrifughi sono comunemente utilizzati per l'accumulo di energia stazionario. Il profilo operativo indica che queste batterie sono progettate per un uso a lungo termine e i ventilatori contribuiscono a garantire una temperatura uniforme e quindi l'affidabilità e la durata del sistema.

Conclusione

È evidente che, come molti altri sistemi, anche quelli a batterie al litio richiedono misure efficaci di controllo termico per soddisfare gli standard di sicurezza e gli obiettivi operativi e per durare a lungo. La necessità di un'adeguata gestione termica continua a crescere man mano che i dispositivi mobili diventano sempre più potenti e richiedono sistemi potenziati per la capacità termica. È possibile creare sistemi integrati di gestione del calore per le batterie in modo che i diversi dispositivi siano compatibili e che le strutture siano in grado di gestire anche le vibrazioni e gli urti. Anche il controllo delle diverse temperature in diversi settori, tra cui i veicoli elettrici e i sistemi di energia statica, può essere gestito in modo efficace grazie a un sistema di gestione termica delle batterie per veicoli progettato professionalmente.

Data la crescente spinta globale verso i veicoli elettrici e la loro capacità di combinarsi con unità di accumulo rinnovabili, l'impatto della gestione termica delle batterie sarà significativo, consentendo alle tecnologie di ricevere un'accettazione globale. La progettazione del sistema non solo sarà in grado di abbracciare nuovi dispositivi a livello di pacco batteria o di cella, ma includerà anche casi di progettazione strutturale a più livelli.