Aumentar a eficiência com os segredos do sistema de gestão térmica da bateria

Introdução

O que é um sistema de gestão térmica da bateria?

Porque é que o controlo da temperatura não é negociável

• Desempenho Otimização: Numa gama de temperaturas óptima, uma bateria tem o seu melhor desempenho. A temperaturas demasiado baixas, há um aumento da resistência interna, o que resulta numa menor potência gerada, menor quantidade de carga e menor quantidade de energia. Por outro lado, as temperaturas elevadas podem induzir a aceleração das reacções químicas, o que pode resultar na perda de capacidade e aumentar a probabilidade de fuga térmica. Um exemplo é uma bateria de iões de lítio que, a uma temperatura baixa (0 °C), pode fornecer metade da sua capacidade em relação a uma temperatura elevada (25 °C), e que, a uma temperatura elevada (50 °C), pode ter um ciclo de vida de apenas alguns por cento do que a uma temperatura mais baixa. Assim, a produção pode ser maximizada assegurando que o controlo da temperatura da bateria é feito de forma uniforme.
• Prolongamento do tempo de vida: Provavelmente, o fator mais crucial em termos de influência na degradação da bateria é a temperatura da bateria. Um aumento da temperatura catalisa reacções laterais parasitas na bateria, resultando numa degradação permanente da capacidade. Uma gama de temperaturas de funcionamento estável é uma condição ideal e pode aumentar significativamente o calendário e o ciclo de vida da bateria. A literatura indica que um aumento de 10 o C acima dos melhores níveis de temperatura (por exemplo, 25 °C a 35 °C) pode reduzir o tempo de vida da bateria para metade. Os modernos sistemas de gestão de baterias observam atentamente estas variáveis, tendo em vista a durabilidade a longo prazo.
• Segurança Garantia: Infelizmente, o efeito comum mais pernicioso de uma má gestão térmica é chamado de fuga térmica. Trata-se de um ciclo de feedback positivo em que mesmo um pequeno aumento da temperatura resulta num aumento ainda maior da temperatura, que frequentemente resulta num incêndio ou explosão. A principal defesa contra estes incidentes é um BTMS sólido, que verifica continuamente as temperaturas e actua rapidamente para evitar incidentes. Manter todas as células de um pacote a uma temperatura igual também elimina a possibilidade de uma determinada célula se tornar um ponto quente que frequentemente precede a fuga térmica.
• Ativação do carregamento rápido: Com a nova tendência de carregamento mais rápido, as baterias são submetidas a uma enorme carga térmica. Grandes valores de corrente de carga produzem muito calor. A não ser que exista um BTMS a funcionar para descarregar este calor de forma conveniente e rápida, o potencial de carregamento rápido que se pretende obter a longo prazo com as baterias seria extremamente reduzido devido à degradação prematura das mesmas ou mesmo à sua explosão. Estes sistemas permitem que as baterias sejam carregadas a uma velocidade elevada, embora sejam capazes de gerar menos energia, e a segurança não é afetada pelo controlo inteligente da temperatura da bateria.

Componentes principais e considerações de conceção

Hardware essencial em BTMS

• Placas/almofadas de arrefecimento: São normalmente colocados em ligação direta com as células ou módulos da bateria e constituem o principal meio de troca de calor. Podem ser feitos para se tocarem diretamente, ou podem também utilizar um material de interface térmica. Podem também ser utilizados materiais de elevada condutividade térmica para garantir a remoção eficaz de qualquer calor para as superfícies críticas das células.
• Bombas e ventiladores: desempenham um papel importante na condução dos fluidos de arrefecimento (no caso de sistemas líquidos) ou do ar (sistemas arrefecidos a ar) através do circuito de gestão térmica. São fundamentais na transferência da sua forma de calor gerado no processo de funcionamento devido à sua eficiência e fiabilidade.
• Permutadores de calor Radiadores: Trata-se de dispositivos que provocam a libertação de calor do fluido de arrefecimento para o ambiente circundante, transformando assim a energia térmica que se perde para a bateria e mantendo o rácio de energia eléctrica utilizada.
• Aquecedores: Em climas frios, o pré-aquecimento é necessário, tanto para garantir que a bateria está na sua temperatura de funcionamento ideal inicialmente como para garantir a eficácia de carregamento ideal quando é necessário, como no arranque a frio e no carregamento a frio.
• Sensores de temperatura: Uma rede de sensores de temperatura, tensão e corrente fornece dados em tempo real ao controlador BTMS, permitindo uma monitorização precisa e uma resposta rápida a eventos térmicos. Isto também permite manter uma distribuição uniforme da temperatura, o que é fundamental para prolongar a vida útil da bateria.
• Válvulas - Tubos / Condutas: Permitem regular a circulação do fluido de arrefecimento ou do ar dentro do sistema e distribuir o calor para onde deve ir, ajudando assim a controlar os tipos localizados de problemas de transferência de calor.
• Materiais de Interface Térmica (TIMs): Os materiais aplicados na interface entre os componentes aquecidos (por exemplo, células de bateria) e os dissipadores de calor ou placas de arrefecimento podem incluir pastas térmicas, enchimentos de espaços ou almofadas, e ajudam a melhorar a condutividade térmica das interfaces alvo, diminuindo a magnitude da resistência térmica. Os TIMs são relevantes para a temperatura uniforme no módulo.

Superar os desafios de conceção do BTMS

• Consumo de energia (perdas parasitas): Os sistemas de arrefecimento e aquecimento utilizam energia eléctrica, o que pode afetar a eficiência de um VE em geral e a produção líquida de energia de um SSE. É muito importante tornar os componentes eficientes (por exemplo, bombas e ventiladores de alta eficiência).
• Complexidade e integração de sistemas: Os BTMS são potencialmente complexos (podem ter muitos circuitos de fluido, sensores e sistemas de controlo). A capacidade de os incorporar facilmente numa bateria ou numa espinha dorsal de um veículo bem compactada, juntamente com a capacidade de a manter, é algo que desafiaria essencialmente a engenharia de uma tal unidade.
• Peso e Volume: Um BTMS contribui para aumentar o peso e o volume da bateria, causando uma desvantagem na densidade energética e no desempenho do veículo. Os projectistas querem sempre utilizar soluções mais leves e mais pequenas que ofereçam rios de condutividade térmica elevados.
• Custo: Os materiais necessários para fabricar BTMS de alto desempenho são especializados, o processamento da produção é complicado e os sistemas de controlo são sofisticados, o que resulta num custo operacional elevado. isto, levantagens. O equilíbrio entre o desempenho e a relação custo-eficácia é uma variável essencial para a implantação em grande escala, especialmente no âmbito de várias classificações primárias de aplicações de baterias.
• Uniformidade de temperatura: É muito difícil ter a mesma temperatura para todas as células num grande conjunto de baterias. Este facto pode causar uma degradação desigual, uma vez que os pontos quentes ou frios podem reduzir a vida útil total do conjunto. O requisito associado a este desafio é a utilização de canais térmicos inovadores, TIMs de alto desempenho e gestão precisa do fluxo para garantir uma distribuição uniforme da temperatura.
• Manutenção e Fiabilidade: Os componentes do BTMS, especialmente os que estão associados ao fluxo de fluidos, têm de ser concebidos para serem fiáveis e de fácil manutenção, agora e no futuro. A falha de um componente pode ser prejudicial para a eficiência do sistema de baterias e pode dever-se a uma fuga ou a outros factores.

Diferentes tipos de BTMS

Sistemas de arrefecimento ativo

• Arrefecimento do ar: É o mais barato e o mais simples, para além de ser o mais eficaz. Dissipa o seu calor para o ar circundante, que é normalmente movimentado pelas ventoinhas ou ventiladores. Explorar a eficiência do fluxo de ar é o principal fator a ter em conta quando se tenta obter o máximo desempenho. O fluxo de ar já é adequado para as baterias mais pequenas com densidades de potência mais baixas (por exemplo, em alguns automóveis híbridos ou veículos eléctricos ligeiros), mas não pode ser totalmente eficaz em aplicações de carregamento rápido de alta potência devido à fraca condutividade térmica. Os seus aspectos positivos são a simplicidade, o baixo peso e a possibilidade de não haver fugas.
• Arrefecimento líquido: A forma de arrefecimento ativo de baterias de alta potência (por exemplo, a tendência atual dos EV, ESS de alta potência). São utilizados refrigerantes líquidos (por exemplo, misturas de glicol e água, fluidos de avioduto), que são muito mais condutores térmicos do que o ar e mais eficientes no manuseamento de baterias em estado líquido durante a operação. O arrefecimento líquido pode ser efectuado de duas formas:
  • Arrefecimento líquido indireto: Uma solução de arrefecimento líquido indireto implicaria um circuito de arrefecimento no interior do arrefecedor por difusão de placas ou tubos frios. As células nunca têm contacto direto com o líquido de arrefecimento. Este é o meio mais difundido e faz normalmente parte de um circuito de arrefecimento maior em torno de outras unidades, como radiadores ou refrigeradores.
  • Arrefecimento por imersão direta: O arrefecimento por imersão direta envolve a imersão direta das células da bateria num líquido de arrefecimento não condutor e dielétrico. Tem um desempenho de transferência de calor e uma homogeneidade de temperatura superiores, e o controlo preciso requer fluidos dieléctricos especiais e uma vedação adequada.
• Arrefecimento à base de refrigerante (arrefecimento por expansão direta): À semelhança de um sistema de ar condicionado, o sistema arrefece o conjunto de baterias, através do arrefecimento direto com um líquido refrigerante. É capaz de oferecer um forte arrefecimento e aquecimento, mas a complexidade e o custo adicionais estão envolvidos.

Arrefecimento passivo

• Convecção natural e radiação: A simples manipulação da transferência de calor através de correntes de ar, bem como um tipo de calor chamado luz infravermelha, é irradiada pela superfície da bateria. Baixo desempenho em cargas térmicas pesadas, mas os materiais termicamente condutores podem aumentar o nível de transferência de superfície.
• Dissipadores de calor: Estruturas metálicas com áreas de superfície elevadas que fazem circular o calor para o ar ambiente por meios passivos. Os dissipadores de calor são frequentemente utilizados em combinação com outras técnicas de arrefecimento e podem ser combinados com tubos de calor, recipientes selados que tiram partido da transição de fase e da força capilar para transportar o calor para fora dos pontos quentes.
• Mudança de fase Materiais (PCMs): Materiais que podem absorver uma enorme quantidade de calor latente quando passam por uma transição de fase (por exemplo, de sólido para líquido) a uma determinada temperatura e devolver uma quantidade equivalente de calor quando a transição de fase se move na direção oposta. São capazes de absorver picos de temperatura elevados e manter a bateria dentro de limites razoáveis durante um período de tempo mais curto. Juntamente com o facto de serem frágeis, os PCM constituem uma solução fácil mas robusta, com fraco potencial de armazenamento de calor, e podem ser pesados. Para se regenerarem, necessitam que a temperatura ambiente seja inferior ao seu ponto de fusão.

  Tipo BTMS	Meio primário	Vantagens	Desvantagens	Aplicação típica
  Arrefecimento do ar	Ar	Simples, de baixo custo, leve	Baixo coeficiente de transferência de calor, fraca uniformidade	VEs de baixo consumo, HEVs
  Arrefecimento líquido	Líquido	Elevada transferência de calor, boa uniformidade, controlo preciso	Complexo, potencial para fugas, mais pesado	EVs de alta potência, ESS
  Arrefecimento por imersão	Fluido dielétrico	Excelente transferência de calor, uniformidade superior	Fluido especializado, custo, desafios de vedação	HPC, futuros veículos eléctricos, ESS
  Passivo (PCM)	Material de mudança de fase	Simples, sem energia ativa, eficaz para transientes	Armazenamento limitado de calor, necessidade de regeneração, mais pesado	BTMS híbrido, tampões

Abordagens híbridas

Aplicações do BTMS

Escolher o sistema correto de gestão térmica da bateria

• Química e conceção de baterias: Os produtos químicos específicos das pilhas (por exemplo, LFP, NMC) apresentam sensibilidades térmicas diferentes, bem como regimes de temperatura ideais. O fator de forma da forma física das células (cilíndrica, bolsa, prismática) também determinará a eficácia com que o calor pode ser transferido. O fluxo de ar direto pode ser útil numa matriz de células cilíndricas, tal como o contacto de placas frias ou sistemas baseados numa mudança de fase e numa maior capacidade de armazenamento térmico em células prismáticas de grandes dimensões.
• Requisitos de candidatura:
  • Densidade de potência e potência de pico: Os produtos de alta potência (por exemplo, EV desportivos, ESS de resposta rápida à escala da rede) podem absorver uma enorme quantidade de calor, pelo que deve ser aplicado um mecanismo de arrefecimento ativo eficaz, como o arrefecimento líquido/arrefecimento por imersão. Outras aplicações que requerem menor potência podem utilizar o arrefecimento a ar.
  • Taxa de carregamento: Enquanto a rápida dissipação de calor é necessária para evitar a degradação e a fuga térmica devido ao carregamento rápido e ultrarrápido, o oposto é verdadeiro para o carregamento lento.
  • Funcionamento Ambiente: Existem condições de temperatura ambiente severas (quente e frio), que requerem um Btms com sistemas de aquecimento e arrefecimento de alta potência. Os sistemas baseados no ar a uma altitude elevada também têm os seus próprios desafios, uma vez que a densidade do ar é menor, o que tem um impacto direto nos métodos de arrefecimento do ar baseados em ventoinhas.
• Custo vs. Desempenho: Os BTMS mais avançados têm um melhor desempenho, mas são mais caros. É necessário efetuar uma análise custo-benefício intensiva para garantir que existe um compromisso entre o investimento inicial e a vida útil da bateria e as melhorias de eficiência a longo prazo.
• Restrições de espaço e peso: Num caso de utilização como o dos veículos eléctricos, qualquer quilo ou centímetro cúbico conta. Os sistemas BTMS leves e compactos também são especialmente procurados e são uma força comum da inovação da ciência dos materiais, especialmente quando se trata de escolher materiais capazes de fornecer uma capacidade de calor aceitável ao custo correto e, claro, também precisam de tornar a estrutura minimamente pesada.
• Manutenção e Fiabilidade: O sistema a selecionar deve ser fiável durante o tempo de vida previsto e deve poder ser mantido. Respetivamente, factores como a compatibilidade dos fluidos, a integridade dos vedantes e a vida útil dos componentes são cruciais.
• Segurança Normas e regulamentos: Existem normas de segurança internacionais (por exemplo, UN ECE R100, ISO 26262) e locais rigorosas que devem ser seguidas na conceção e validação do BTMS, especialmente no que diz respeito à propagação da fuga térmica.
• Um estudo mais demonstrativo destes aspectos (normalmente apoiado por simulação e modelação) ajudará o engenheiro e o integrador de sistemas a decidir sobre o melhor e mais adequado BTMS numa dada circunstância.

Potencializando o desempenho ideal: Como o ACDC FANS melhora o BTMS

• Grande durabilidade/longevidade em condições extremas: Esta é uma preocupação fundamental no BTMS e é um dos principais problemas enfrentados no desenvolvimento do BTMS. Os nossos ventiladores são concebidos para um regime de temperatura tão baixo como -40 °C e tão alto como 120 °C, o que é significativamente mais severo do que o habitual. A nossa dedicação à longa duração é exemplar: os nossos ventiladores têm uma duração de 70.000 horas a 40 °C. Em locais de elevada altitude, com uma densidade de ar mais baixa, os nossos ventiladores provam ser muito fortes, com um tempo médio de falha de mais de 3 anos, em comparação com uma média da indústria de 1 ano. Trata-se de um design duradouro que reduz os requisitos de manutenção e garante um arrefecimento uniforme que aumenta diretamente a vida útil da bateria e reduz o custo de operação dos clientes.
• Desempenho estável do ar para arrefecimento crítico: O BTMS eficaz ou o arrefecimento auxiliar de sistemas líquidos requerem um fluxo de ar estável. As aplicações de arrefecimento críticas que requerem um BTMS eficaz ou o arrefecimento auxiliar de sistemas líquidos dependem de um desempenho estável do ar. As estruturas das nossas ventoinhas de arrefecimento de armários são construídas utilizando alumínio da mais alta qualidade com cobre 3-5 %, o que faz com que tenham um desempenho mais estável em 30 %. Isto irá proporcionar uma perda de calor consistente, eliminar a ocorrência de flutuação de temperatura, e garantir o fluxo simétrico de calor em toda a bateria, o que é particularmente importante para eliminar pontos quentes. Somos certificados pela CE, UL, RoHS e EMC para garantir a excelência dos nossos produtos numa base regular.
• Superior IP68 proteção contra a fiabilidade: As baterias são normalmente utilizadas num ambiente afetado pela humidade e pelo pó. É igualmente importante proteger os componentes BTMS sensíveis. A ACDC FANS fabrica ventiladores CC de grande qualidade. Dispomos de um motor sem escovas altamente sofisticado que suporta um nível de proteção IP até IP68, proporcionando uma proteção excecional contra a água, o pó e a humidade. Isto proporciona uma forma de trabalhar continuamente em condições adversas sem falha do sistema de arrefecimento, daí a reserva da bateria para segurança e funcionalidade.

Conclusão: Avançando com a Gestão Térmica Inteligente