Importància de la gestió tèrmica en les bateries dels vehicles elèctrics
Mantenir els vehicles elèctrics en funcionament de manera segura i eficient es redueix realment a la gestió de la calor. Les bateries d'ions de liti-són exigents-els agraden les coses entre 20 i 40 graus centígrads. Empenyeu-los més calents i demaneu problemes. L'electròlit comença a trencar-se, la capa SEI s'espesseix i, abans de saber-ho, la bateria perd capacitat, es torna menys eficient i, en el pitjor dels casos, les coses s'encenden o fins i tot exploten.
El fred no és gaire més agradable. Quan la temperatura baixa, la química de la bateria disminueix. La resistència interna augmenta. De sobte, no obteniu la potència ni la velocitat de càrrega que necessiteu. Fins i tot una petita diferència-només un canvi de-de cinc graus entre cèl·lules-provoca un envelliment desigual. Algunes cèl·lules envelleixen abans del seu temps, mentre que altres es queden enrere.
Llavors, resultat final? Mantenir totes les cèl·lules a la mateixa temperatura no només fa que les coses siguin més segures. Manté el cotxe en el seu millor rendiment i ajuda a que la bateria duri molt més.
Refrigeració per aire per a bateries de vehicles elèctrics
La refrigeració per aire funciona movent l'aire per sobre o a través de la bateria per allunyar la calor. De vegades és només l'aire que es mou mentre el cotxe condueix (això és passiu), altres vegades els ventiladors o els ventiladors fan la feina (això és actiu). Tota la configuració és senzilla-sense fontaneria complicada, no té gaire pes addicional i és barata. És per això que ho veus als primers cotxes elèctrics o vehicles més petits. Només utilitzen conductes i uns quants ventiladors-no s'emboliquen amb líquids ni peces pesades.
Però hi ha una trampa. L'aire no és genial per portar calor. És molt menys dens que el líquid, de manera que no pot absorbir molta energia. Quan les bateries comencen a funcionar molt, especialment durant la càrrega ràpida o l'ús intens, la refrigeració per aire queda enrere. Simplement no pot mantenir totes les cèl·lules a una temperatura constant ni gestionar la calor dels moderns EVs. Actualment, la refrigeració per aire només funciona per a les configuracions de bateria més senzilles. Qualsevol cosa més exigent necessita alguna cosa millor.
Avantatges:És una configuració senzilla-només un grapat de peces, de manera que es manté lleugera i no necessita gaire manteniment. No us haureu de preocupar per les fuites de refrigerant i, quan el cotxe es mou, pot utilitzar l'aire que passa per ajudar a refredar les coses.
Limitacions:La potència de refrigeració és bastant feble. Els punts calents apareixen ràpidament, sobretot si empenyeu el cotxe amb força o carregueu ràpidament, perquè l'aire no és genial per moure la calor. Això pot desgastar els components més ràpidament o fins i tot fer que el sistema s'apaga. Sincerament, aquest mètode no pot mantenir-se al dia amb els vehicles elèctrics d'alt-rendiment o d'alta-energia.
Refrigeració líquida per a bateries EV
La refrigeració líquida és l'opció-elecció per a la majoria dels cotxes elèctrics de rendiment mitjà- i alt-actualment. Així és com funciona: una bomba empeny el refrigerant-normalment una mescla d'aigua-glicol-a través de canals o plaques fredes que s'assequen directament contra les cèl·lules de la bateria. A mesura que el refrigerant agafa calor de les bateries, passa a un intercanviador de calor, que aboca aquesta calor utilitzant aire o refrigerant. Com que els líquids transporten la calor millor que l'aire, aquests sistemes mantenen la temperatura de la bateria constant i uniforme. En realitat, és per això que gairebé tots els vehicles elèctrics de llarg{10}}abast utilitzen bateries refrigerades per líquid-. Amb una millor eliminació de la calor, aquests paquets poden suportar una potència més alta i una càrrega súper-ràpida sense sobreescalfar.
Avantatges:El refredament líquid treu la calor ràpidament i manté les temperatures fins i tot a totes les cèl·lules. Això vol dir que les bateries duren més i que la càrrega és més ràpida. El refrigerant és molt millor que l'aire a la calor en moviment, de manera que aquests paquets poden suportar altes taxes de càrrega sense suar.
Inconvenients:Acabes amb un sistema més complicat i pesat. Necessites bombes, mànegues, intercanviadors de calor i tota l'electrònica per controlar-los, i tot s'ha de tancar hermèticament. També cal mantenir més-les bombes o les vàlvules es poden trencar, i les fuites són un problema real. A més, totes aquestes peces addicionals ocupen espai i afegeixen pes, cosa que redueix una mica la vostra eficiència general.
Refrigeració de fase-Canvi de material (PCM).
Els materials de canvi de fase-, o PCM, actuen com a amortidors tèrmics de les bateries. Normalment els trobareu com a ceres o sals al voltant de les cèl·lules. Quan la bateria s'escalfa més enllà d'un punt determinat, el PCM es fon, absorbint molta energia mentre passa de sòlid a líquid. Si les coses es refreden de nou, es solidifica i allibera la calor emmagatzemada. Aquest procés ajuda a mantenir controlats els pics de temperatura, especialment durant les ràfegues ràpides-com quan premeu l'accelerador amb força o endolleu-vos per a una càrrega ràpida.
Avantatges:És completament passiu, de manera que no necessiteu cap energia per executar-lo. Sense ventiladors, sense bombes-només un sistema que iguala els pics de temperatura en silenci. Els PCM intervenen per protegir les cèl·lules de breus ràfegues de calor i ajuden a mantenir el paquet a una temperatura segura quan hi ha una càrrega sobtada.
Limitacions:L'inconvenient? Els PCM no mouen gaire bé la calor per si mateixos. Un cop acaben de canviar de fase, ja no poden absorbir més calor. Si esteu tractant amb temperatures altes contínues, la refrigeració passiva no és suficient. Per allunyar realment la calor del PCM, normalment necessiteu components addicionals-com ara aletes de grafit o tubs de calor-per fer la feina.
Refrigeració de tubs de calor (conducció tèrmica)
Els tubs de calor són bàsicament tubs metàl·lics segellats amb una mica de fluid a l'interior. Mouen la calor ràpidament deixant que aquest fluid s'evapori i es condense constantment, de manera que amb prou feines perds temperatura al llarg del camí. En els paquets de bateries, penseu en els tubs de calor com a "superconductors" tèrmics. Podeu ficar-los dins dels mòduls o connectar-los directament a les cel·les per allunyar la calor dels punts calents amb pressa. De vegades, un tub de calor només trasllada la calor cap a una zona més fresca o directament cap a la xarxa-de placa freda. Al llarg de la seva longitud, en realitat condueixen la calor milers de vegades millor que el coure sòlid, cosa que els fa perfectes per gestionar els punts calents locals. Sovint els veureu integrats en-sistemes de refrigeració líquida-com plaques fredes-per ajudar a distribuir les temperatures per tot un mòdul.
Avantatges:Aquests tenen una conductivitat tèrmica increïble, de manera que distribueixen molt bé la calor lateralment. Quan connecteu cel·les-allunyades, ajuden a equilibrar la temperatura, la qual cosa redueix el problema de la "cel·la més feble". A més, funcionen sols-no necessiten energia.
Limitacions:Normalment, la gent els utilitza només per a la refrigeració puntual, no com a sistema de refrigeració principal. Heu de segellar-los bé i prestar molta atenció a com configureu l'estructura de la metxa. També augmenten el cost i fan que el disseny del paquet sigui més complicat. I al final, encara necessiteu una altra cosa, com un plat fred, per treure la calor del paquet.
Comparació de mètodes de refrigeració
Aquí teniu la conclusió: cada mètode de refrigeració té els seus propis punts forts i mals de cap.
Refrigeració per aire:És molt barat i molt senzill. Amb prou feines necessiteu cap equip addicional, però sincerament, simplement no el talla per una calor greu. Les temperatures salten al voltant i no pot mantenir-se si estàs pressionant la bateria amb força. Només funciona realment per a vehicles elèctrics antics-escolars o de baixa-potència.
Refrigeració líquida:És on aterren la majoria dels vehicles elèctrics moderns. Manté les coses uniformes i fresques, fins i tot durant la càrrega ràpida. Per descomptat, funciona molt bé, però ara estàs tractant amb bombes, canonades i segells-a més de pes i cost addicionals. Tot i així, és l'estàndard per a qualsevol-gama mitjana o millor.
Memòria PCM:És una mica intel·ligent. Absorbeix pics de calor sense utilitzar cap energia, però un cop està ple, deixa d'ajudar. Les persones solen combinar-lo amb refrigeració líquida per obtenir un tampó addicional.
Tubs de calor:Són com solucionadors de problemes-centrats amb làser. Allunyen la calor dels punts d'interès ràpidament i ajuden a equilibrar les coses, però encara necessiteu alguna cosa més-com un dissipador de calor-per abocar la calor. Brillen com a part d'un sistema més gran, no sols.
Mètodes avançats (emergents):La refrigeració per immersió, per exemple, literalment enfonsa la bateria en un fluid especial. Aquest mètode allunya la calor increïblement ràpid-perfecte si voleu una càrrega ultra-ràpida. Però gestionar el líquid es fa complicat. Alguns vehicles elèctrics premium fins i tot utilitzen el refrigerant de l'aire condicionat del cotxe per refredar la bateria directament, cosa que és molt eficient però no és precisament fàcil de treure.
Impacte en la seguretat, el rendiment i la durada de la bateria
La gestió tèrmica no és només un detall tècnic-és molt important per a la seguretat i el rendiment dels vehicles elèctrics. Quan les bateries s'escalfen massa, augmenta la possibilitat d'incendi o fins i tot d'explosions. El sobreescalfament pot provocar una cosa anomenada fuga tèrmica, on les cèl·lules bàsicament inicien una reacció en cadena i s'escalfen encara més. Això és perillós per a tothom, no només per a les persones dins del cotxe, sinó també per als primers interventors.
Però no es tracta només de mantenir-se fresc. Si el sistema no gestiona bé la calor, les bateries envelleixen més ràpidament. Hi ha una regla general: cada vegada que la temperatura puja 10 graus per sobre del punt dolç, la durada de la bateria es redueix a la meitat. Premeu-los amb força al voltant de 50 graus i veureu que perden al voltant del 60% de la seva capacitat després d'uns quants centenars de cicles.
El fred tampoc és genial. A baixes temperatures, les bateries lluiten, ja que els ions no es poden moure tan lliurement. Això significa menys potència, càrrega més lenta i només una resposta lenta en general. I aquí hi ha una cosa que la gent de vegades oblida: fins i tot la temperatura a totes les cèl·lules és clau. Si algunes cel·les funcionen més calentes o més fredes que altres, tot el paquet de bateries acaba funcionant al nivell de la cel·la més feble. Això mata la capacitat i escurça la vida útil de la bateria.
Seguretat:Mantenir les cèl·lules fresques evita que s'escalfin i s'incendi. Una bona refrigeració no només és agradable-és una part fonamental del pla de seguretat de qualsevol vehicle.
Rendiment:Les bateries funcionen millor entre 20 i 40 graus centígrads. Massa fred i simplement no poden oferir l'energia que voleu. Massa calent, obté més resistència i perds voltatge ràpidament.
Durada de la bateria: Quan manteniu les temperatures estables i fresques, les cèl·lules duren més i no es desgasten tan ràpidament. Fins i tot la temperatura a tot el paquet significa que cap cel·la no s'empeny massa fort. Sincerament, un sistema de refrigeració sòlid pot fer que una bateria duri més del doble que una que s'escalfa tot el temps.
Tecnologies i tendències emergents
Les bateries dels vehicles elèctrics són cada vegada més potents i es carreguen més ràpid que mai, de manera que hi ha una empenta real per a una millor tecnologia de refrigeració. El refredament per immersió està cridant molt l'atenció ara mateix. És senzill: introduïu les cèl·lules de la bateria directament en un líquid especial que no condueixi l'electricitat, cosa que permet que la calor s'escapi més ràpidament. Aquest tipus de configuració pot suportar prou calor-per fer que la càrrega ràpida-boig, com ara més de 1.000 kW, funcioni realment.
Algunes persones estan utilitzant el refrigerant de l'aire condicionat del cotxe per refredar les bateries, que funciona especialment bé quan fa calor a l'exterior. També hi ha un munt d'idees com ara sistemes en dues fases, on el refrigerant bull per endur-se la calor, o els microcanals-passatges molt petits que expulsen la calor encara més ràpidament.
A més d'això, els investigadors estan jugant amb mòduls termoelèctrics i superfícies especials que irradien calor, ja sigui per refredar-se puntualment o simplement per treure calor addicional de manera passiva. La ciència dels materials també està en joc. La gent està barrejant coses d'alta-conductivitat en materials de canvi-de fase o construint escumes amb grafit nano-estructurat, tot per ajudar a que les bateries es mantinguin fresques sense gaire esforç addicional.
I després hi ha la part del programari. Els sistemes de gestió de bateries són cada cop més intel·ligents, utilitzant algorismes avançats i fins i tot IA per predir i controlar el refredament en temps real. Tot plegat, és un moment força emocionant per a la gestió tèrmica de la bateria.
Reptes de disseny i consideracions d'OEM
Construir un sistema de gestió tèrmica de la bateria (TMS) en un cotxe no és fàcil. Els fabricants han de fer malabarismes molt - perquè el sistema funcioni bé sense augmentar el cost, el pes ni consumir un espai preciós. La refrigeració líquida i els grans intercanviadors de calor, per exemple, ocupen espai sota el terra o el capó i engloben més lliures, cosa que pot desfer qualsevol guany d'eficiència. Les configuracions d'alt-voltatge (penseu que entre 400 i 800 volts) aporten els seus propis maldecaps, i exigeixen un aïllament-de primer nivell i seguretat per a totes les peces del refrigerant. Tots els circuits i connectors han d'aconseguir estrictes marques de fuga i espai lliure i resistir les vibracions rugoses i els canvis salvatges de temperatura.
Després hi ha el temps per pensar. En llocs freds, les bateries necessiten escalfadors - ja siguin PTC o bomba de calor - per aconseguir que arribin ràpidament a la temperatura. Això només acumula més complexitat. I no oblideu el manteniment i la fiabilitat. Bombes, vàlvules, sensors - cadascun afegeix una altra cosa que podria fallar. Així, al final, els enginyers han de trobar l'equilibri adequat. Han de fer que el TMS sigui el més senzill possible sense sacrificar l'abast, el cost o, el més important, la seguretat i la durada de la bateria. És un trencaclosques complicat amb molta solució.
Integració amb l'arquitectura del vehicle
El sistema tèrmic de la bateria funciona al costat de l'HVAC i el tren de propulsió del cotxe. En molts vehicles elèctrics, hi trobareu bucles de refrigeració compartides-la mateixa bomba de calor o el mateix compressor i condensador de CA manegen tant la cabina com la bateria, només en diferents modes. Per tant, diguem que és estiu: l'AC refreda la bateria mitjançant un evaporador compartit. Quan fa fred, la calor que desprèn el condensador de la bateria pot ajudar a escalfar la cabina. Normalment, els enginyers configuren llaços de refrigerant separats-un per a la bateria (que passa per les seves plaques fredes), un altre per a la cabina o el motor-i després els uneixen amb intercanviadors de calor de plaques quan necessiten moure la calor. Els sistemes de control estiren les cordes darrere de les escenes: el sistema de gestió de la bateria i el controlador tèrmic decideixen a quina velocitat funcionen les bombes i els ventiladors i on han de ser les vàlvules, tot en funció del que fan les cèl·lules de la bateria i la resta del cotxe. I amb les noves configuracions-d'alta tensió, el disseny tèrmic i elèctric s'emboliquen encara més-aquests sistemes compactes de 800 V fan que cada part tèrmica s'hagi d'ajustar a les normes d'espai i aïllament reduïts. Al final, dissenyar tot el sistema de gestió tèrmica es converteix en un gran trencaclosques, i cal optimitzar-ho tot junts.
PowerWinxproporciona components avançats de gestió tèrmica de vehicles elèctrics i solucions personalitzades de refrigeració de la bateria. Amb una gran experiència en el disseny d'intercanviadors de calor i sistemes de refrigeració, PowerWinx ajuda els OEM a integrar mòduls de refrigeració de precisió als seus paquets de bateries. Les nostres solucions a mida garanteixen una eliminació eficient de la calor i un control uniforme de la temperatura, millorant la seguretat, el rendiment i la longevitat de la bateria en els vehicles elèctrics moderns.
Solució de gestió tèrmica EV
Solució de gestió tèrmica EV
