Повышение эффективности с помощью секретов системы терморегулирования аккумулятора

Введение

Что такое система терморегулирования аккумулятора?

Почему контроль температуры является обязательным условием

• Производительность Оптимизация: При оптимальном диапазоне температур аккумулятор работает наилучшим образом. При слишком низких температурах увеличивается внутреннее сопротивление, что приводит к снижению генерируемой мощности, уменьшению количества зарядов и уменьшению количества энергии. С другой стороны, высокие температуры могут провоцировать ускорение химических реакций, что может привести к потере емкости и увеличить вероятность теплового разряда. Примером может служить литий-ионная батарея, которая при низкой температуре (0 °C) может обеспечивать половину своего номинала по сравнению с высокой температурой (25 °C), а срок службы при высокой температуре (50 °C) может составлять лишь несколько процентов от срока службы при более низкой температуре. Таким образом, производительность можно максимизировать, обеспечив равномерное регулирование температуры батареи.
• Увеличение продолжительности жизни: Вероятно, самым важным фактором, влияющим на деградацию батареи, является температура батареи. Повышение температуры катализирует паразитные побочные реакции в батарее, что приводит к постоянной деградации емкости. Стабильный диапазон рабочих температур является идеальным условием и может в значительной степени увеличить календарный и циклический срок службы батареи. В литературе указывается, что повышение температуры на 10 о С выше оптимального уровня (например, от 25 до 35 °C) может сократить срок службы батареи вдвое. Современные системы управления батареями внимательно следят за этими параметрами, ориентируясь на длительный срок службы.
• Безопасность Гарантия: К сожалению, самый пагубный эффект плохого терморегулирования называется тепловым выбегом. Это петля положительной обратной связи, в которой даже небольшое повышение температуры приводит к еще большему повышению температуры, что часто приводит к пожару или взрыву. Главной защитой от подобных инцидентов является надежная система BTMS, которая постоянно контролирует температуру и быстро принимает меры для предотвращения инцидентов. Поддержание одинаковой температуры всех ячеек в блоке также исключает возможность превращения одной ячейки в горячую точку, которая часто предшествует тепловому выходу из строя.
• Поддержка быстрой зарядки: При новой тенденции к ускоренной зарядке аккумуляторы подвергаются огромной тепловой нагрузке. При больших значениях зарядного тока выделяется большое количество тепла. Если нет работающей системы BTMS для удобного и быстрого отвода этого тепла, то потенциал быстрой зарядки, желающей долгосрочной работы батареи, будет крайне снижен из-за преждевременной деградации батареи или даже взрыва. Эти системы позволяют заряжать батареи с высокой скоростью и при этом вырабатывать меньшую мощность, а безопасность не страдает благодаря интеллектуальному контролю температуры батареи.

Ключевые компоненты и конструктивные особенности

Основное оборудование в BTMS

• Охлаждающие пластины/площадки: Обычно они располагаются в непосредственной связи с элементами или модулями батареи и являются основной средой теплообмена. Они могут непосредственно соприкасаться друг с другом, или же в них может использоваться материал для теплового интерфейса. Также могут использоваться материалы с высокой теплопроводностью, чтобы гарантировать эффективный отвод тепла к критическим поверхностям элементов.
• Насосы и вентиляторы: играют важную роль в проталкивании охлаждающих жидкостей (в случае жидкостных систем) или воздуха (в системах воздушного охлаждения) через контур терморегулирования. Благодаря своей эффективности и надежности они играют первостепенную роль в передаче тепла, образующегося в процессе работы.
• Теплообменники Радиаторы: Это устройства, которые вызывают выделение тепла в охлаждающей жидкости в окружающую среду, тем самым преобразуя тепловую энергию, теряемую в аккумуляторной батарее, и поддерживая соотношение используемой электрической энергии.
• Обогреватели: В холодном климате предварительный подогрев необходим как для обеспечения оптимальной рабочей температуры батареи, так и для обеспечения оптимальной эффективности зарядки, когда это необходимо, например, при холодном запуске или холодной зарядке.
• Датчики температуры: Сеть датчиков температуры, напряжения и тока предоставляет контроллеру BTMS данные в режиме реального времени, обеспечивая точный мониторинг и быстрое реагирование на тепловые события. Это также позволяет поддерживать равномерное распределение температуры, что является ключевым фактором для продления срока службы батареи.
• Клапаны - Трубы / воздуховоды: Позволяют регулировать циркуляцию охлаждающей жидкости или воздуха внутри системы, распределяют тепло там, где оно должно быть, и таким образом помогают контролировать локальные типы проблем теплопередачи.
• Термоинтерфейсные материалы (ТИМ): Материалы, наносимые на границу раздела между нагреваемыми компонентами (например, элементами батареи) и радиаторами или охлаждающими пластинами, могут включать термопасты, заполнители зазоров или прокладки и помогают повысить теплопроводность целевых интерфейсов, уменьшить величину теплового сопротивления. TIM имеют отношение к равномерной температуре в модуле.

Преодоление трудностей при проектировании BTMS

• Потребление энергии (паразитные потери): Системы охлаждения и отопления потребляют электрическую энергию, что может повлиять на эффективность EV в целом и на чистую выходную мощность ESS. Очень важно сделать компоненты эффективными (например, высокоэффективные насосы и вентиляторы).
• Сложность и системная интеграция: BTMS потенциально сложны (в них может быть множество контуров жидкости, датчиков и систем управления). Возможность легко встроить их в плотно упакованную батарею или транспортное средство, а также возможность их обслуживания - это то, что, по сути, является вызовом для инженеров такого устройства.
• Вес и Объем: BTMS увеличивает вес и объем блока батарей, что приводит к снижению плотности энергии и производительности автомобиля. Конструкторы всегда стремятся использовать более легкие и компактные решения, которые обладают высокой теплопроводностью.
• Стоимость: Материалы, необходимые для изготовления высокоэффективных ВТМС, являются специализированными, производственный процесс - сложным, а системы управления - сложными, что приводит к высоким эксплуатационным расходам. isto, levantagens. Баланс между производительностью и экономической эффективностью - это переменная, которая необходима для широкомасштабного внедрения, особенно в рамках различных основных классификаций применения батарей.
• Равномерность температуры: Очень трудно обеспечить одинаковую температуру для всех элементов в большом блоке батарей. Это может привести к неравномерной деградации, поскольку горячие или холодные точки могут сократить общий срок службы блока. Для решения этой проблемы необходимо использовать инновационные тепловые каналы, высокопроизводительные TIM и точное управление потоками для обеспечения равномерного распределения температуры.
• Техническое обслуживание и надежность: Компоненты BTMS, особенно те, которые связаны с потоком жидкости, должны быть спроектированы так, чтобы быть надежными и простыми в обслуживании сейчас и в будущем. Выход из строя какого-либо компонента может негативно сказаться на эффективности работы аккумуляторной системы и может быть вызван утечкой или другими факторами.

Различные типы BTMS

Системы активного охлаждения

• Охлаждение воздуха: Он самый дешевый и простой, а также самый эффективный. Тепло отводится в окружающий воздух, который обычно перемещается вентиляторами или воздуходувками. Использование эффективности воздушного потока - главный фактор, который следует учитывать при попытке достичь максимальной производительности. Этот метод уже применяется в небольших аккумуляторных блоках с низкой плотностью энергии (например, в некоторых гибридных автомобилях или малотоннажных EV), но не может быть полностью эффективным в мощных системах быстрой зарядки из-за плохой теплопроводности. Его положительными сторонами являются простота, малый вес и возможность отсутствия утечек.
• Жидкостное охлаждение: Непревзойденная и наиболее распространенная форма активного охлаждения мощных батарей (например, в современных EV, мощных ESS). Используются жидкие охлаждающие жидкости (например, смеси гликоля с водой, жидкости для воздушных каналов), которые обладают гораздо большей теплопроводностью, чем воздух, и более эффективны при работе с батареями в жидком состоянии во время эксплуатации. Жидкостное охлаждение может осуществляться двумя способами:
  • Непрямое жидкостное охлаждение: Непрямое жидкостное охлаждение подразумевает наличие контура охлаждающей жидкости внутри диффузионного охладителя из холодных пластин или трубок. Элементы никогда не имеют прямого контакта с охлаждающей жидкостью. Это наиболее распространенный способ, который обычно является частью большого контура охлаждения с другими устройствами, такими как радиаторы или чиллеры.
  • Охлаждение прямым погружением: Охлаждение методом прямого погружения предполагает непосредственное погружение элементов батареи в непроводящую диэлектрическую охлаждающую жидкость. Этот метод отличается более высокими показателями теплопередачи и однородности температуры, а для точного контроля требуются специальные диэлектрические жидкости и соответствующее уплотнение.
• Охлаждение на основе хладагента (охлаждение с прямым расширением): Подобно системе кондиционирования воздуха, система охлаждает аккумуляторный блок, причем непосредственно с помощью хладагента. Она способна обеспечить сильное охлаждение и нагрев, но это связано с дополнительными сложностями и затратами.

Пассивное охлаждение

• Естественная конвекция и излучение: Простая манипуляция теплопередачей через воздушные потоки, а также тип тепла, называемый инфракрасным излучением, излучаемый поверхностью батареи. Низкая производительность при сильных тепловых нагрузках, но теплопроводящие материалы могут повысить уровень теплопередачи поверхности.
• Радиаторы: Металлические каркасы с большой площадью поверхности, обеспечивающие пассивную циркуляцию тепла в окружающий воздух. Радиаторы часто используются в сочетании с другими методами охлаждения и могут быть объединены с тепловыми трубками, герметичными контейнерами, использующими преимущества фазового перехода и капиллярной силы для отвода тепла из горячих точек.
• Изменение фазы Материалы (ПКМ): Материалы, способные поглощать огромное количество скрытого тепла при фазовом переходе (например, из твердого состояния в жидкое) при определенной температуре и отдавать эквивалентное количество тепла при фазовом переходе в обратном направлении. Они способны поглощать высокие скачки температуры и удерживать батарею в разумных пределах в течение более короткого времени. В сочетании с тем фактом, что они хрупкие, ПКМ представляют собой простое, но надежное решение, обладающее слабым потенциалом аккумулирования тепла, и могут быть тяжелыми. Для их регенерации требуется, чтобы температура окружающей среды была ниже температуры их плавления.

  Тип BTMS	Основная среда	Преимущества	Недостатки	Типовое применение
  Охлаждение воздуха	Воздух	Простой, недорогой, легкий	Низкий коэффициент теплопередачи, плохая равномерность	Электромобили с низким энергопотреблением, HEV
  Жидкостное охлаждение	Жидкость	Высокая теплоотдача, хорошая равномерность, точный контроль	Сложный, возможны утечки, более тяжелый	Мощные электромобили, ESS
  Погружное охлаждение	Диэлектрическая жидкость	Отличная теплопередача, превосходная однородность	Особые проблемы с жидкостями, стоимостью и уплотнениями	Высокопроизводительные вычисления, электромобили будущего, ЭСС
  Пассивный (PCM)	Материал с фазовым переходом	Простой, не требует активного питания, эффективен при переходных процессах	Ограниченные возможности сохранения тепла, необходимость регенерации, более тяжелые	Гибридный BTMS, буферы

Гибридные подходы

Применение BTMS

Выбор правильной системы терморегулирования аккумулятора

• Химия и дизайн аккумуляторов: Конкретные химические составы батарей (например, LFP, NMC) обладают различной тепловой чувствительностью, а также идеальными температурными режимами. Фактор физической формы ячеек (цилиндрические, мешочные, призматические) также определяет, насколько эффективно может передаваться тепло. Прямой воздушный поток может быть полезен в цилиндрических ячейках, как и холодный контакт пластин или системы, основанные на фазовом переходе и более высокой теплоаккумулирующей способности больших призматических ячеек.
• Требования к заявке:
  • Плотность мощности и пиковая мощность: Мощные устройства (например, спортивные EV, сетевые ESS с быстрым откликом) могут потреблять огромное количество тепла, поэтому необходимо использовать эффективные механизмы активного охлаждения, такие как жидкостное/погружное охлаждение. В других приложениях, требующих меньшей мощности, может использоваться воздушное охлаждение.
  • Скорость зарядки: В то время как быстрый отвод тепла необходим для предотвращения деградации и теплового удара при быстрой и сверхбыстрой зарядке, при медленной зарядке все наоборот.
  • Работа Окружающая среда: Суровые температурные условия окружающей среды (жара и холод) требуют от Btms мощных систем отопления и охлаждения. Воздушные системы на большой высоте также имеют свои сложности, поскольку плотность воздуха здесь меньше, что напрямую влияет на методы воздушного охлаждения с помощью вентиляторов.
• Компромисс между стоимостью и производительностью: Более совершенные BTMS имеют лучшие характеристики, но при этом они дороже. Интенсивный анализ затрат и выгод должен обеспечить компромисс между первоначальными инвестициями и увеличением срока службы батареи и эффективности в долгосрочной перспективе.
• Ограничения по пространству и весу: В таких случаях, как EV, важен каждый килограмм или кубический сантиметр. Легкие и компактные системы BTMS также являются особенно востребованными, и в них часто используются инновации в области материаловедения, особенно когда речь идет о выборе материалов, способных обеспечить приемлемую теплоемкость по оптимальной цене, и, конечно же, они должны сделать конструкцию минимально тяжелой.
• Техническое обслуживание и надежность: Выбираемая система должна быть надежной в течение ожидаемого срока службы и удобной в обслуживании. Соответственно, такие факторы, как совместимость жидкостей, целостность уплотнений и срок службы компонентов, имеют решающее значение.
• Безопасность Стандарты и правила: Существуют строгие международные (например, UN ECE R100, ISO 26262) и местные стандарты безопасности, которые должны соблюдаться при разработке и валидации BTMS, особенно когда речь идет о распространении теплового удара.
• Более наглядное изучение этих аспектов (обычно подкрепленное имитацией и моделированием) поможет инженеру и системному интегратору принять решение о выборе лучшей и подходящей BTMS в конкретных обстоятельствах.

Обеспечение оптимальной производительности: Как ACDC FANS улучшает BTMS

• Высокая прочность и долговечность в экстремальных условиях: Это ключевой момент в BTMS и основная проблема, с которой приходится сталкиваться при разработке BTMS. Наши вентиляторы рассчитаны на температурный режим до -40 °C и до 120 °C, что значительно жестче, чем обычно. Наше стремление к долговечности является образцовым: срок службы наших вентиляторов составляет 70 000 часов при температуре 40 °C. В высокогорных районах с более низкой плотностью воздуха наши вентиляторы оказываются очень надежными: их среднее время наработки на отказ составляет более 3 лет, в то время как в среднем по отрасли - 1 год. Это долговечная конструкция, которая снижает требования к техническому обслуживанию и гарантирует равномерное охлаждение, что напрямую увеличивает срок службы батареи и снижает затраты клиентов на ее эксплуатацию.
• Стабильные характеристики воздуха для критически важного охлаждения: Эффективное BTMS или вспомогательное охлаждение жидкостных систем требует стабильного воздушного потока. Критические приложения охлаждения, требующие эффективного BTMS или вспомогательного охлаждения жидкостных систем, зависят от стабильной производительности воздуха. Рамы наших корпусных вентиляторов охлаждения изготовлены с использованием алюминия высшего сорта с медью 3-5 %, что делает их работу более стабильной на 30 %. Это обеспечивает равномерную потерю тепла, исключает возникновение температурных колебаний и обеспечивает симметричный поток тепла по всем блокам батарей, что особенно важно для устранения горячих точек. Мы имеем сертификаты CE, UL, RoHS и EMC, что позволяет нам постоянно гарантировать качество нашей продукции.
• Превосходный IP68 защита от ненадежности: Батареи обычно используются в среде, подверженной воздействию влаги и пыли. Также важно экранировать чувствительные компоненты BTMS. ACDC FANS предлагает вентиляторы постоянного тока отличного качества. У нас есть высокотехнологичный бесщеточный двигатель, который поддерживает уровень защиты IP68, обеспечивая исключительную защиту от воды, пыли и влаги. Это обеспечивает возможность непрерывной работы в неблагоприятных условиях без отказа системы охлаждения, поэтому для безопасности и функциональности требуется резервное питание от аккумулятора.

Заключение: Движение вперед с помощью интеллектуального терморегулирования