Значение на термичното управление в EV батерии
Поддържането на безопасната и ефективна работа на електрическите превозни средства наистина се свежда до управление на топлината. Литиево-йонните батерии са придирчиви-те харесват температури между 20 и 40 градуса по Целзий. Натисни ги по-горещо и ще си поискаш неприятности. Електролитът започва да се разпада, SEI слоят се удебелява и преди да се усетите, батерията губи капацитет, става по-малко ефективна и в най-лошия случай нещата се запалват или дори експлодират.
Студеното време не е много по-добро. Когато температурата спадне, химията на батерията се забавя. Вътрешното съпротивление нараства. Изведнъж не получавате необходимата мощност или скорост на зареждане. Дори малка разлика-само пет-градусови колебания между клетките-води до неравномерно стареене. Някои клетки остаряват преди времето, докато други изостават.
И така, в крайна сметка? Поддържането на приблизително еднаква температура във всяка клетка не само прави нещата по-безопасни. Поддържа колата да работи по най-добрия начин и помага на батерията да издържи много по-дълго.
Въздушно охлаждане за EV батерии
Въздушното охлаждане работи чрез движение на въздух над или през батерията, за да отведе топлината. Понякога просто въздухът се движи, докато колата се движи (това е пасивно), друг път вентилаторите или вентилаторите вършат работата (това е активно). Цялата настройка е проста-без сложни водопроводни инсталации, без много допълнително тегло и е евтино. Ето защо го виждате в ранните електрически автомобили или по-малки превозни средства. Използват само канали и няколко вентилатора-без бъркотия с течности или тежки части.
Но има една уловка. Въздухът просто не е добър за пренасяне на топлина. Той е много по-малко плътен от течността, така че не може да поеме много енергия. Когато батериите започнат да работят усилено, особено по време на бързо зареждане или интензивна употреба, въздушното охлаждане изостава. Той просто не може да поддържа постоянна температура на всички клетки или да се справи с топлината, изпомпвана от съвременните електромобили. В наши дни въздушното охлаждане работи само за най-простите настройки на батерията. Всичко, което е по-взискателно, се нуждае от нещо по-добро.
Предимства:Това е проста настройка-само няколко части, така че остава лек и не се нуждае от много поддръжка. Не е нужно да се притеснявате за изтичане на охлаждаща течност, а когато колата се движи, тя може да използва въздуха, който преминава, за да помогне за охлаждането на нещата.
Ограничения:Силата на охлаждане е доста слаба. Горещите точки се появяват бързо, особено ако бутате колата силно или зареждате бързо, защото въздухът просто не е добър при пренасяне на топлина. Това може да износи компонентите по-бързо или дори да доведе до изключване на системата. Честно казано, този метод просто не може да се справи с високо-производителните или високо-енергийните електромобили.
Течно охлаждане за EV батерии
Течното охлаждане е-предпочитаният избор за повечето електрически автомобили със средна- и висока-производителност в наши дни. Ето как работи: помпа изтласква охлаждаща течност-обикновено вода-гликолова смес-през канали или студени плочи, които стоят точно срещу клетките на батерията. Тъй като охлаждащата течност поема топлина от батериите, тя преминава към топлообменник, който изхвърля тази топлина, използвайки или въздух, или хладилен агент. Тъй като течностите пренасят топлина много по-добре от въздуха, тези системи поддържат стабилни и равномерни температури на батерията. Ето защо всъщност почти всяко-електрическо превозно средство с голям пробег използва батерии-с течно охлаждане. С по-добро отвеждане на топлината тези пакети могат да се справят с по-висока мощност и супер{13}}бързо зареждане без прегряване.
Предимства:Течното охлаждане бързо отвежда топлината и поддържа равномерни температури във всички клетки. Това означава, че батериите издържат по-дълго и получавате по-бързо зареждане. Охлаждащата течност е много по-добра от въздуха при движеща се топлина, така че тези пакети могат да се справят с високи скорости на зареждане без изпотяване.
Недостатъци:В крайна сметка получавате по-сложна и по-тежка система. Имате нужда от помпи, маркучи, топлообменници и цялата електроника, за да ги управлявате, и всичко трябва да бъде плътно затворено. Има и още за поддръжка-помпи или клапани могат да се счупят, а течовете са истински проблем. Освен това всички тези допълнителни части заемат място и добавят тегло, което малко намалява общата ви ефективност.
Охлаждане с фазова-промяна на материала (PCM).
Фазово{0}}променящите се материали или PCM действат като термични амортисьори за батерии. Обикновено ще ги намерите като восъци или соли, пъхнати около клетките. Когато батерията се нагрее след определена точка, PCM се топи, поглъщайки много енергия, докато преминава от твърдо в течно състояние. Ако нещата се охладят отново, те се втвърдяват и освобождават тази съхранена топлина обратно. Този процес помага да се контролират скоковете на температурата, особено по време на бързи изблици-като например, когато натиснете силно педала на газта или се включите за бързо зареждане.
Предимства:Той е напълно пасивен, така че нямате нужда от енергия, за да го управлявате. Без вентилатори, без помпи-само система, която тихо изравнява температурните пикове. PCM се намесват, за да предпазят клетките от кратки изблици на топлина и да помогнат за поддържане на безопасна температура на опаковката, когато има внезапно натоварване.
Ограничения:Недостатъкът? PCM не пренасят топлината много добре сами по себе си. След като завършат смяната на фазата, те не могат да поемат повече топлина. Ако се справяте с продължаващи високи температури, пасивното охлаждане просто не е достатъчно. За да отделите наистина топлината от PCM, обикновено се нуждаете от допълнителни компоненти-помислете за графитни перки или топлинни тръби-за да свършите работата.
Охлаждане с топлинна тръба (топлопроводимост)
Топлинните тръби са основно запечатани метални тръби с малко течност вътре. Те пренасят топлината бързо, като позволяват на тази течност постоянно да се изпарява и кондензира, така че почти не губите температура по пътя. В батериите мислете за топлинните тръби като за топлинни „свръхпроводници“. Можете да ги пъхнете вътре в модули или да ги прикрепите директно към клетките, за да отвеждате топлината далеч от горещите точки набързо. Понякога топлинна тръба просто отвежда топлината към по-хладна зона или направо в мрежата на студените-плочи. По дължината си те всъщност провеждат топлина хиляди пъти по-добре от твърдата мед, което ги прави идеални за управление на локални горещи точки. Често ще ги видите вградени в-системи с течно охлаждане-като студени плочи-, за да помогнат за разпределяне на температурите в целия модул.
Предимства:Те имат невероятна топлопроводимост, така че разпространяват топлината настрани много добре. Когато свържете-отдалечени клетки, те помагат за балансиране на температурата, което намалява целия проблем с „най-слабата клетка“. Освен това те работят самостоятелно-без нужда от захранване.
Ограничения:Обикновено хората ги използват само за точково охлаждане, а не като основна охладителна система. Трябва да ги запечатате правилно и да обърнете голямо внимание на това как сте настроили структурата на фитила. Те също така повишават цената и правят дизайна на опаковката по-сложен. И в крайна сметка все още се нуждаете от нещо друго, като студена чиния, за да изведете топлината от опаковката.
Сравнение на методите за охлаждане
Ето извода: всеки метод на охлаждане идва със своите силни страни и главоболия.
Въздушно охлаждане:Това е много евтино и просто. Едва ли имате нужда от допълнителна екипировка, но честно казано, тя просто не е подходяща за сериозна жега. Температурите скачат наоколо и не може да се справи, ако натискате силно батерията. Наистина работи само за стари-училищни или ниско{4}}мощни електромобили.
Течно охлаждане:Това е мястото, където кацат повечето съвременни електромобили. Той поддържа нещата равномерни и хладни, дори по време на бързо зареждане. Разбира се, работи чудесно, но сега си имате работа с помпи, тръби и уплътнения-плюс допълнително тегло и цена. Все пак това е стандартът за всичко от среден-обхват или по-добро.
PCM буфериране:Някак си е хитро. Той поглъща топлинните пикове, без да използва никаква мощност, но след като се напълни, спира да помага. Хората обикновено го свързват с течно охлаждане за допълнителен буфер.
Топлинни тръби:Те са като лазер{0}}фокусирани решаващи проблеми. Те бързо отвеждат топлината от горещите точки и помагат да се изравнят нещата, но все пак имате нужда от нещо друго-като радиатор-, за да изхвърлите топлината. Те блестят като част от по-голяма система, а не сами по себе си.
Разширени методи (нови):Потопяемото охлаждане, например, буквално потапя батерията в специална течност. Този метод отвежда топлината невероятно бързо-перфектно, ако искате ултра-бързо зареждане. Но управлението на течността става трудно. Някои първокласни електромобили дори използват хладилния агент на климатика на автомобила за директно охлаждане на батерията, което е супер ефективно, но не е съвсем лесно за извеждане.
Въздействие върху безопасността, производителността и живота на батерията
Топлинното управление не е само технически детайл-то е голяма работа за безопасността и ефективността на EV. Когато батериите станат твърде горещи, шансът за пожар или дори експлозия скача значително. Прегряването може да предизвика нещо, наречено термично изчезване, при което клетките основно започват верижна реакция и се нагряват още повече. Това е опасно за всички, не само за хората в колата, но и за хората, които реагират бързо.
Но не става въпрос само за това да останеш хладнокръвен. Ако системата не управлява добре топлината, батериите остаряват по-бързо. Има основно правило: всеки път, когато температурата се покачи с 10 градуса над най-добрата точка, животът на батерията намалява наполовина. Натиснете ги силно на около 50 градуса и ще видите, че губят около 60% от капацитета си само след няколкостотин цикъла.
Студът също не е страхотен. При ниски температури батериите се борят, тъй като йоните не могат да се движат толкова свободно. Това означава по-малко мощност, по-бавно зареждане и просто муден отговор като цяло. И ето нещо, което хората понякога забравят: равномерната температура във всички клетки е ключова. Ако някои клетки работят по-горещи или по-студени от други, цялата батерия в крайна сметка работи на нивото на най-слабата клетка. Това убива капацитета и съкращава живота на батерията.
Безопасност:Поддържането на клетките хладни ги предпазва от прегряване и запалване. Доброто охлаждане не е просто хубаво да има-то е основна част от плана за безопасност на всяко превозно средство.
Производителност:Батериите работят най-добре между 20 и 40 градуса по Целзий. Твърде студено и те просто не могат да осигурят мощността, която искате. Твърде горещо и получавате повече съпротивление и бързо губите напрежение.
Живот на батерията: Когато поддържате температурите постоянни и хладни, клетките издържат по-дълго и не се износват толкова бързо. Равномерната температура в целия пакет означава, че нито една клетка не се натиска твърде силно. Честно казано, една стабилна охладителна система може да направи батерията да издържи повече от два пъти по-дълго от тази, която работи гореща през цялото време.
Нововъзникващи технологии и тенденции
EV батериите стават все по-мощни и се зареждат по-бързо от всякога, така че има истински тласък за по-добри технологии за охлаждане. Потопяемото охлаждане привлича много внимание в момента. Просто е: потопете клетките на батерията направо в специална течност, която не провежда електричество, което позволява на топлината да излиза по-бързо. Този вид настройка може да издържи на сериозна топлина-достатъчно, за да накара лудото-бързо зареждане, като над 1000 kW, действително да работи.
Някои хора използват собствения хладилен агент на автомобила за охлаждане на батериите, което работи особено добре, когато навън е горещо. Има и много шум около идеи като дву-фазни системи, при които охлаждащата течност кипи, за да отнесе топлината, или микроканали-супер малки канали, които извеждат топлината още по-бързо.
На всичкото отгоре изследователите се занимават с термоелектрически модули и специални повърхности, които излъчват топлина, или за точково охлаждане, или просто за пасивно отделяне на допълнителна топлина. Науката за материалите също е в играта. Хората смесват неща с висока-проводимост във фазови-материали или изграждат пяна от нано-структуриран графит, всичко това, за да помогнат на батериите да останат хладни без много допълнителни усилия.
И тогава има софтуерната страна. Системите за управление на батерията стават все по-интелигентни, като използват усъвършенствани алгоритми и дори AI за прогнозиране и контрол на охлаждането в реално време. Като цяло това е доста вълнуващо време за управление на топлината на батерията.
Предизвикателства при проектирането и OEM съображения
Изграждането на система за термично управление на батерията (TMS) в автомобил не е лесно. Производителите трябва да жонглират много -, за да направят системата да работи добре, без да повишава цената, теглото или да изяжда ценно място. Течното охлаждане и големите топлообменници, например, заемат място под пода или капака и натрупват повече килограми, което може да намали евентуалното повишаване на ефективността. Настройките за високо-напрежение (помислете от 400 до 800 волта) носят собствени главоболия, изисквайки първокласна-изолация и безопасност за всички части на охлаждащата течност. Всяка верига и съединител трябва да отговарят на строги маркировки за пълзене и хлабини и да издържат на груби вибрации и диви колебания в температурата.
След това трябва да помислите за времето. На студени места батериите се нуждаят от нагреватели - независимо дали са PTC или термопомпа -, за да достигнат температурата им бързо. Това просто натрупва повече сложност. И не забравяйте поддръжката и надеждността. Помпи, клапани, сензори - всеки добавя друго нещо, което може да се повреди. Така че в крайна сметка инженерите трябва да намерят правилния баланс. Те трябва да направят TMS възможно най-прост, без да жертват обхват, цена или, най-важното, безопасност и живот на батерията. Това е сложен пъзел с много зависими от решението.
Интеграция с архитектурата на автомобила
Термичната система на акумулатора работи заедно с HVAC и задвижването на автомобила. В много електрически превозни средства ще намерите споделени хладилни контури-една и съща термопомпа или компресор за променлив ток и кондензатор се справят както с купето, така и с батерията, само че в различни режими. И така, кажете, че е лято: климатикът охлажда батерията с помощта на общ изпарител. Когато навън е студено, топлината, която кондензаторът на батерията отделя, всъщност може да помогне за затопляне на купето. Обикновено инженерите създават отделни контури на охлаждащата течност-един за батерията (преминаващ през студените плочи), друг за кабината или двигателя-и след това ги свързват заедно с пластинчати топлообменници, когато трябва да пренасят топлина. Контролните системи дърпат конците зад кулисите: системата за управление на батерията и термичният контролер решават колко бързо работят помпите и вентилаторите и къде трябва да бъдат клапаните, всичко това въз основа на това, което правят клетките на батерията и останалата част от автомобила. А с новите настройки за високо-напрежение термичният и електрическият дизайн стават още по-заплетени-тези компактни 800 V системи означават, че всяка термична част трябва да отговаря на тясно пространство и правила за изолация. В крайна сметка проектирането на цялата система за управление на топлината се превръща в голям пъзел и трябва да оптимизирате всичко заедно.
PowerWinxосигурява усъвършенствани компоненти за термично управление на EV и персонализирани решения за охлаждане на батерията. Със задълбочен опит в проектирането на топлообменник и охладителна система, PowerWinx помага на OEM производителите да интегрират прецизни охлаждащи модули в своите батерийни пакети. Нашите персонализирани решения осигуряват ефективно отстраняване на топлината и равномерен контрол на температурата, подобрявайки безопасността на батериите, производителността и дълготрайността в съвременните електрически превозни средства.
EV Решение за управление на топлината
EV Решение за управление на топлината
