Важливість термоконтролю в акумуляторах електромобілів
Безпечна та ефективна робота електромобілів насправді зводиться до управління теплом. Літій-іонні батареї вибагливі-їм подобається температура від 20 до 40 градусів Цельсія. Тисніть їх гарячіше, і ви накличете на неприємності. Електроліт починає руйнуватися, шар SEI потовщується, і, перш ніж ви це усвідомите, акумулятор втрачає ємність, стає менш ефективним, а в гіршому випадку речі загоряються або навіть вибухають.
Холодна погода не набагато добріша. Коли температура падає, хімія батареї сповільнюється. Зростає внутрішній опір. Раптом ви не отримуєте потрібну потужність або швидкість заряджання. Навіть невелика різниця-лише п’ять-перепадів між клітинами-призводить до нерівномірного старіння. Деякі клітини старіють раніше свого часу, а інші відстають.
Отже, підсумок? Підтримання приблизно однакової температури в кожній клітині не тільки робить речі безпечнішими. Це забезпечує найкращу продуктивність автомобіля та допомагає акумулятору працювати набагато довше.
Повітряне охолодження для акумуляторів EV
Повітряне охолодження працює шляхом переміщення повітря над акумулятором або через нього, щоб відвести тепло. Іноді це просто повітря, що рухається під час руху автомобіля (це пасивно), іноді вентилятори або повітродувки виконують роботу (це активно). Вся установка проста-без складної сантехніки, без зайвої ваги та дешева. Ось чому ви бачите його в перших електромобілях або менших автомобілях. Вони лише використовують повітроводи та кілька вентиляторів-без зайвих рідин або важких частин.
Але тут є заковика. Повітря просто погано переносить тепло. Він менш густий, ніж рідина, тому не може поглинати багато енергії. Коли батареї починають інтенсивно працювати, особливо під час швидкої зарядки або інтенсивного використання, повітряне охолодження відстає. Він просто не може підтримувати постійну температуру всіх клітин або справлятися з теплом, яке викачують сучасні електромобілі. Сьогодні повітряне охолодження працює лише для найпростіших батарей. Усе більш вимогливе потребує чогось кращого.
Переваги:Це просте налаштування-лише декілька деталей, тож він залишається легким і не потребує особливого обслуговування. Вам не потрібно турбуватися про витік охолоджуючої рідини, а коли автомобіль рухається, він може використовувати повітря, що проходить повз, щоб допомогти охолодити речі.
Обмеження:Потужність охолодження досить слабка. Гарячі точки з’являються швидко, особливо якщо ви сильно штовхаєте автомобіль або швидко заряджаєтесь, тому що повітря просто погано переносить тепло. Це може швидше зношувати компоненти або навіть призвести до вимкнення системи. Чесно кажучи, цей метод просто не встигає за високо-потужними чи-енергоємними електромобілями.
Рідинне охолодження для акумуляторних батарей електромобілів
Рідинне охолодження є-вибором для більшості електромобілів із середньою- та високою-потужністю. Ось як це працює: насос проштовхує охолоджуючу рідину-зазвичай воду-гліколеву суміш-через канали або холодні пластини, які прилягають до елементів батареї. Коли теплоносій забирає тепло від батарей, він переходить до теплообмінника, який віддає це тепло за допомогою повітря або холодоагенту. Оскільки рідина переносить тепло набагато краще, ніж повітря, ці системи підтримують постійну та рівномірну температуру акумулятора. Ось чому майже в кожному-електричному транспортному засобі далекого ходу використовуються акумуляторні батареї-з рідинним охолодженням. Завдяки кращому відведенню тепла ці пакети можуть працювати з більшою вихідною потужністю та над-швидким заряджанням без перегріву.
переваги:Рідинне охолодження швидко відводить тепло та підтримує однакову температуру в усіх елементах. Це означає, що батареї працюють довше, а ви заряджаєтеся швидше. Охолоджуюча рідина набагато краще, ніж повітря, справляється з переміщенням тепла, тому ці пакети можуть витримувати високу швидкість заряду без поту.
Недоліки:Ви отримуєте більш складну та важчу систему. Вам потрібні насоси, шланги, теплообмінники та вся електроніка, щоб ними керувати, і все має бути герметично закрите. Також потрібно обслуговувати більше-насоси чи клапани можуть зламатися, а витоки є справжньою проблемою. Крім того, усі ці додаткові деталі займають місце та додають ваги, що трохи знижує вашу загальну ефективність.
Фазова-охолодження зі зміною матеріалу (PCM).
Фазово{0}}матеріали, або PCM, діють як термоамортизатори для батарей. Зазвичай ви знайдете їх у вигляді воску або солі, заправлені навколо клітин. Коли батарея нагрівається до певної точки, PCM плавиться, поглинаючи багато енергії, коли перетворюється з твердого стану в рідкий. Якщо речі знову охолонуть, вони твердіють і віддають накопичене тепло. Цей процес допомагає контролювати стрибки температури, особливо під час швидких спалахів-наприклад, коли ви сильно натискаєте на педаль газу або підключаєтесь до мережі для швидкого заряджання.
Переваги:Він повністю пасивний, тому вам не потрібна енергія для його запуску. Ні вентиляторів, ні насосів-лише система, яка тихо вирівнює стрибки температури. PCM втручаються, щоб захищати клітини від короткочасних спалахів тепла та допомагати підтримувати безпечну температуру упаковки під час раптового навантаження.
Обмеження:Мінус? PCM самі по собі погано передають тепло. Після завершення зміни фази вони більше не можуть поглинати тепло. Якщо ви маєте справу з постійними високими температурами, пасивного охолодження просто недостатньо. Щоб дійсно відводити тепло від PCM, зазвичай потрібні додаткові компоненти-наприклад, графітові ребра або теплові трубки-для виконання роботи.
Охолодження теплової трубки (теплопровідність)
Теплові трубки — це в основному герметичні металеві трубки з невеликою кількістю рідини всередині. Вони швидко передають тепло, дозволяючи цій рідині постійно випаровуватися та конденсуватися, тому ви майже не втрачаєте температуру по дорозі. У акумуляторних батареях теплові трубки є тепловими «надпровідниками». Ви можете засунути їх всередину модулів або прикріпити безпосередньо до комірок, щоб швидко відвести тепло від гарячих точок. Іноді теплова труба просто відводить тепло в більш прохолодну зону або прямо в холодну -мережу пластин. По своїй довжині вони фактично проводять тепло в тисячі разів краще, ніж суцільна мідь, що робить їх ідеальними для керування локальними гарячими точками. Ви часто побачите їх вбудованими в системи-з рідинним охолодженням-наприклад, холодні пластини-, щоб допомогти розподілити температуру по всьому модулю.
Переваги:Вони мають неймовірну теплопровідність, тому дуже добре розподіляють тепло в сторони. Коли ви з’єднуєте -віддалені клітини, вони допомагають збалансувати температуру, що усуває всю проблему «найслабшої клітини». Крім того, вони працюють самі по собі-не потребують живлення.
Обмеження:Зазвичай люди використовують їх лише для точкового охолодження, а не як основну систему охолодження. Ви повинні правильно запечатати їх і звернути пильну увагу на те, як ви встановлюєте структуру ґнота. Вони також збільшують вартість і ускладнюють дизайн упаковки. І врешті-решт, вам все одно потрібне щось інше, як-от холодна тарілка, щоб фактично вивести тепло з пачки.
Порівняння методів охолодження
Ось підсумок: кожен метод охолодження має свої сильні сторони та свої головні болі.
Повітряне охолодження:Це дуже дешево і просто. Вам майже не знадобиться додаткове спорядження, але, чесно кажучи, воно просто не підходить для серйозної спеки. Температура різко скаче, і він не встигає, якщо ви сильно натискаєте на акумулятор. Це дійсно працює лише для електромобілів старої-школи чи-малої потужності.
Рідинне охолодження:Саме там приземляється більшість сучасних електромобілів. Він зберігає речі навіть під час швидкої зарядки. Звичайно, це чудово працює, але тепер ви маєте справу з насосами, трубами та ущільненнями-плюс додаткову вагу та вартість. Тим не менш, це стандарт для всього середнього-цільового діапазону або кращого.
Буферизація PCM:Це начебто розумно. Він поглинає стрибки тепла, не використовуючи жодної енергії, але коли він заповнюється, він перестає допомагати. Люди зазвичай поєднують його з рідинним охолодженням для додаткового буфера.
Теплові труби:Вони схожі на-розв’язувачі проблем, орієнтовані на лазер. Вони швидко відводять тепло від гарячих точок і допомагають вирівняти ситуацію, але все одно вам потрібне щось інше-наприклад, радіатор-, щоб фактично відвести тепло. Вони сяють як частина більшої системи, а не самі по собі.
Просунуті методи (нові):Наприклад, занурювальне охолодження буквально занурює батарею в спеціальну рідину. Цей метод неймовірно швидко відводить тепло-ідеально, якщо вам потрібна над-надшвидка зарядка. Але управління рідиною стає складним. Деякі електромобілі преміум-класу навіть використовують холодоагент автомобільного кондиціонера для безпосереднього охолодження акумулятора, що є надзвичайно ефективним, але не зовсім простим у використанні.
Вплив на безпеку, продуктивність і термін служби батареї
Управління температурою – це не лише технічна деталь-, це важлива справа для безпеки та продуктивності електромобіля. Коли батареї стають занадто гарячими, ймовірність пожежі чи навіть вибуху значно зростає. Перегрів може спровокувати так звану термічну втечу, коли клітини фактично починають ланцюгову реакцію та нагріваються ще більше. Це небезпечно для всіх, не лише для людей у салоні автомобіля, а й для тих, хто швидко реагує.
Але справа не тільки в тому, щоб залишатися холоднокровними. Якщо система погано керує теплом, батареї старіють швидше. Є емпіричне правило: кожного разу, коли температура піднімається на 10 градусів вище найкращої точки, час автономної роботи скорочується вдвічі. Натисніть на них сильно під кутом близько 50 градусів, і ви побачите, що вони втратять близько 60% своєї потужності лише після кількох сотень циклів.
Холод теж не чудовий. За низьких температур батареї відчувають труднощі, оскільки іони не можуть рухатися так вільно. Це означає меншу потужність, повільніше заряджання та загальний повільний відгук. І ось про що люди іноді забувають: рівномірна температура в усіх клітинах є ключовою. Якщо деякі елементи нагріваються або охолоджуються, ніж інші, уся батарея в кінцевому підсумку працює на рівні найслабшого елемента. Це вбиває ємність і скорочує термін служби батареї.
Безпека:Зберігання клітин в холоді запобігає їх перегріванню та займанню. Гарне охолодження – це не просто приємно мати-це ключова частина плану безпеки будь-якого автомобіля.
Продуктивність:Акумулятори найкраще працюють при температурі від 20 до 40 градусів Цельсія. Надто холодно, і вони просто не можуть забезпечити потрібну потужність. Занадто гаряче, ви отримуєте більший опір і швидко втрачаєте напругу.
Термін служби батареї: якщо ви підтримуєте стабільну температуру та прохолоду, елементи служать довше і не так швидко зношуються. Рівномірна температура в усьому пакеті означає, що жодна окрема клітинка не натискається надто сильно. Чесно кажучи, надійна система охолодження може забезпечити роботу батареї вдвічі довшої, ніж батарея, яка постійно гаряча.
Нові технології та тенденції
Акумулятори електромобілів стають потужнішими та заряджаються швидше, ніж будь-коли, тому є справжній поштовх до кращої технології охолодження. Занурювальне охолодження зараз привертає багато уваги. Все просто: занурте елементи батареї прямо в спеціальну рідину, яка не проводить електрику, завдяки чому тепло відходить набагато швидше. Таке налаштування витримує серйозну температуру,-достатню, щоб шалена-швидка зарядка, як-от понад 1000 кВт, справді працювала.
Деякі люди використовують власний холодоагент кондиціонера автомобіля для охолодження акумуляторів, який особливо добре працює, коли надворі жарко. Також багато шуму навколо таких ідей, як дво-фазні системи, де теплоносій кипить, щоб відводити тепло, або мікроканали-надмаленькі канали, які виводять тепло ще швидше.
Крім того, дослідники працюють над термоелектричними модулями та спеціальними поверхнями, які випромінюють тепло, або для точкового охолодження, або просто для пасивного виділення додаткового тепла. Матеріалознавство також у грі. Люди змішують речовини з високою-провідністю в-матеріали з фазовою зміною або створюють піну з нано-структурованого графіту, щоб допомогти батареям залишатися холодними без особливих зусиль.
І тоді є сторона програмного забезпечення. Системи керування батареями стають розумнішими, використовуючи вдосконалені алгоритми та навіть штучний інтелект для прогнозування та контролю охолодження в реальному часі. Загалом, це досить хвилюючий час для керування температурою акумулятора.
Проблеми проектування та міркування OEM
Вбудувати в автомобіль систему керування температурою батареї (TMS) нелегко. Виробникам доводиться багато маніпулювати -, щоб система працювала добре, не збільшуючи вартість, вагу та не з’їдаючи дорогоцінний простір. Рідинне охолодження та великі теплообмінники, наприклад, займають місце під підлогою чи капотом і важать більше кілограмів, що може звести нанівець будь-яке підвищення ефективності. Установки високої-напруги (скажімо, від 400 до 800 вольт) викликають головний біль, вимагаючи високоякісної-ізоляції та безпеки для всіх частин охолоджуючої рідини. Кожен ланцюг і з’єднувач повинні мати суворі позначки протікання та зазору, а також витримувати різкі вібрації та різкі коливання температури.
Тоді є погода, про яку варто подумати. У холодних місцях батареї потребують обігрівачів -, будь то PTC або тепловий насос -, щоб швидко досягти потрібної температури. Це лише ускладнює процес. І не забувайте про обслуговування та надійність. Насоси, клапани, датчики - кожен додає ще одну річ, яка може вийти з ладу. Отже, зрештою, інженери повинні знайти правильний баланс. Їм потрібно зробити TMS максимально простим без шкоди для радіусу дії, вартості або, що найважливіше, безпеки та часу роботи акумулятора. Це складна головоломка, розв’язання якої залежить від великої кількості.
Інтеграція з архітектурою автомобіля
Теплова система батареї працює разом із системою опалення, вентиляції, кондиціонування та кондиціонування повітря автомобіля. У багатьох електричних транспортних засобах ви знайдете спільні контури охолодження-той самий тепловий насос або компресор змінного струму та конденсатор обслуговують кабіну та акумулятор, лише в різних режимах. Отже, скажімо, зараз літо: кондиціонер охолоджує батарею за допомогою спільного випарника. Коли на вулиці холодно, тепло, яке виділяє конденсатор батареї, справді може допомогти зігріти салон. Зазвичай інженери встановлюють окремі контури охолоджуючої рідини-один для батареї (проходить через його холодні пластини), інший для кабіни чи двигуна-а потім з’єднують їх разом із пластинчастими теплообмінниками, коли їм потрібно передавати тепло. Системи керування тягнуть за мотузки за лаштунками: система керування батареєю та терморегулятор вирішують, наскільки швидко працюють насоси та вентилятори та де мають бути клапани, усе на основі того, що роблять елементи батареї та решта автомобіля. А завдяки новим-налаштуванням високої напруги тепловий і електричний дизайн стає ще більш заплутаним-ці компактні системи на 800 В означають, що кожна теплова частина має відповідати обмеженому простору та правилам ізоляції. Зрештою, розробка всієї системи термоконтролю перетворюється на велику головоломку, і ви повинні оптимізувати все разом.
PowerWinxпропонує розширені компоненти управління температурою електромобілів і індивідуальні рішення для охолодження акумулятора. Завдяки глибокому досвіду проектування теплообмінників і систем охолодження PowerWinx допомагає виробникам комплектного обладнання інтегрувати прецизійні модулі охолодження у свої акумуляторні блоки. Наші індивідуальні рішення забезпечують ефективне відведення тепла та рівномірний контроль температури, покращуючи безпеку акумулятора, продуктивність і довговічність сучасних електромобілів.
EV Thermal Management Solution
EV Thermal Management Solution
