Решение для управления температурным режимом электромобилей - Блог

Важность управления температурой в аккумуляторных блоках электромобилей

Обеспечение безопасной и эффективной работы электромобилей на самом деле сводится к управлению теплом. Литий--ионные аккумуляторы непривередливы-им нравятся температуры от 20 до 40 градусов Цельсия. Если надавите на них погорячее, вы напрашиваетесь на неприятности. Электролит начинает разрушаться, слой SEI утолщается, и, прежде чем вы это заметите, аккумулятор теряет емкость, становится менее эффективным, а в худшем случае все загорается или даже взрывается.

Холодная погода не намного добрее. Когда температура падает, химический состав батареи замедляется. Внутреннее сопротивление возрастает. Внезапно вы не получаете необходимую мощность или скорость зарядки. Даже небольшая разница,-всего пять-колебаний между клетками-приводит к неравномерному старению. Некоторые клетки стареют раньше времени, а другие отстают.

Итак, итог? Поддержание примерно одинаковой температуры в каждой ячейке не только повышает безопасность. Это обеспечивает максимальную производительность автомобиля и помогает аккумулятору прослужить намного дольше.

Воздушное охлаждение аккумуляторов электромобилей

Воздушное охлаждение работает за счет перемещения воздуха над аккумуляторным блоком или через него для отвода тепла. Иногда во время движения автомобиля просто движется воздух (это пассивный метод), иногда работу выполняют вентиляторы или воздуходувки (это активный вариант). Вся установка проста-без сложной сантехники, небольшого дополнительного веса и дешевая. Вот почему вы видите это в первых электромобилях или транспортных средствах меньшего размера. Они просто используют воздуховоды и несколько вентиляторов-, не допуская попадания жидкостей или тяжелых деталей.

Но есть одна загвоздка. Воздух просто плохо переносит тепло. Он гораздо менее плотный, чем жидкость, поэтому не может впитать много энергии. Когда батареи начинают интенсивно работать, особенно во время быстрой зарядки или интенсивного использования, воздушное охлаждение отстает. Он просто не может поддерживать постоянную температуру всех ячеек или выдерживать тепло, выделяемое современными электромобилями. В наши дни воздушное охлаждение работает только для самых простых аккумуляторных установок. Все, что более требовательно, требует чего-то лучшего.

Преимущества:Это простая установка,-всего несколько деталей, поэтому он остается легким и не требует особого ухода. Вам не нужно беспокоиться об утечках охлаждающей жидкости, а когда автомобиль движется, он может использовать проносящийся воздух для охлаждения.

Ограничения:Мощность охлаждения довольно слабая. Горячие точки появляются быстро, особенно если вы сильно толкаете машину или быстро заряжаете ее, потому что воздух плохо переносит тепло. Это может привести к более быстрому износу компонентов или даже к отключению системы. Честно говоря, этот метод просто не может сравниться с высоко-производительными или-энергоемкими электромобилями.

Жидкостное охлаждение аккумуляторов электромобилей

В наши дни жидкостное охлаждение –-лучшее решение для большинства электромобилей средней- и высокой-мощности. Вот как это работает: насос проталкивает охлаждающую жидкость-обычно водно--гликолевую смесь-через каналы или охлаждающие пластины, которые расположены вплотную к элементам аккумулятора. Когда охлаждающая жидкость забирает тепло от аккумуляторов, оно поступает в теплообменник, который отдает это тепло с помощью воздуха или хладагента. Поскольку жидкости переносят тепло лучше, чем воздух, эти системы поддерживают стабильную и равномерную температуру батареи. Именно поэтому почти в каждом-электромобиле дальнего действия используются аккумуляторы-с жидкостным охлаждением. Благодаря лучшему отводу тепла эти аккумуляторы обеспечивают более высокую выходную мощность и сверх-быструю зарядку без перегрева.

Преимущества :Жидкостное охлаждение быстро отводит тепло и поддерживает равномерную температуру во всех ячейках. Это означает, что батареи служат дольше, и вы получаете более быструю зарядку. Охлаждающая жидкость намного лучше, чем воздух, переносит тепло, поэтому эти аккумуляторы могут без проблем выдерживать высокие скорости зарядки.

Недостатки:В итоге вы получите более сложную и тяжелую систему. Вам нужны насосы, шланги, теплообменники и вся электроника для управления ими, и все должно быть герметично загерметизировано. Кроме того, необходимо обслуживать больше-насосы или клапаны могут сломаться, а утечки представляют собой настоящую проблему. Кроме того, все эти дополнительные детали занимают место и добавляют вес, что лишь немного снижает общую эффективность.

Фаза-Изменения материала (PCM) Охлаждение

Материалы-с фазовым переходом, или PCM, действуют как амортизаторы тепловых ударов для аккумуляторов. Обычно их можно обнаружить в виде воска или солей, окружающих клетки. Когда батарея нагревается до определенной точки, PCM плавится, поглощая много энергии при переходе из твердого состояния в жидкое. Если что-то снова остывает, оно затвердевает и высвобождает накопленное тепло обратно. Этот процесс помогает контролировать скачки температуры, особенно во время быстрых всплесков,-например, когда вы резко нажимаете на педаль газа или подключаете аккумулятор для быстрой зарядки.

Преимущества:Он полностью пассивен, поэтому для его запуска не требуется никакой энергии. Никаких вентиляторов и насосов-только система, которая незаметно выравнивает скачки температуры. PCM защищают элементы от коротких всплесков тепла и помогают поддерживать безопасную температуру аккумулятора при внезапной нагрузке.

Ограничения:Недостаток? PCM сами по себе не очень хорошо отводят тепло. Как только они закончат фазу смены, они больше не смогут впитывать тепло. Если вы имеете дело с постоянными высокими температурами, пассивного охлаждения недостаточно. Чтобы действительно отвести тепло от PCM, вам обычно нужны дополнительные компоненты, -например, графитовые ребра или тепловые трубки-, чтобы выполнить эту работу.

Охлаждение тепловой трубкой (теплопроводность)

Тепловые трубки представляют собой герметичные металлические трубки с небольшим количеством жидкости внутри. Они быстро отводят тепло, позволяя жидкости постоянно испаряться и конденсироваться, поэтому вы почти не теряете температуру по пути. В аккумуляторных блоках тепловые трубки можно рассматривать как тепловые «сверхпроводники». Вы можете спрятать их внутри модулей или прикрепить прямо к элементам, чтобы быстро отводить тепло от горячих точек. Иногда тепловая трубка просто отводит тепло в более прохладную зону или прямо в сеть холодных-пластин. По всей длине они проводят тепло в тысячи раз лучше, чем цельная медь, что делает их идеальными для управления локальными горячими точками. Их часто можно увидеть встроенными в-системы с жидкостным охлаждением-например, охлаждающие пластины-, которые помогают распределять температуру по всему модулю.

Преимущества:Они обладают невероятной теплопроводностью, поэтому очень хорошо распределяют тепло в стороны. Когда вы соединяете-находящиеся друг от друга ячейки, они помогают сбалансировать температуру, что в целом решает проблему «самой слабой ячейки». Кроме того, они работают самостоятельно,-нет необходимости в электропитании.

Ограничения:Обычно люди используют их просто для точечного охлаждения, а не в качестве основной системы охлаждения. Вы должны правильно их запечатать и внимательно следить за тем, как вы устанавливаете фитиль. Они также увеличивают стоимость и усложняют конструкцию упаковки. И, в конце концов, вам все равно понадобится что-то еще, например, холодная тарелка, чтобы действительно отвести тепло от упаковки.

Сравнение методов охлаждения

Итог: каждый метод охлаждения имеет свои сильные и слабые стороны.

Воздушное охлаждение:Это очень дешево и очень просто. Вам почти не понадобится какое-либо дополнительное снаряжение, но, честно говоря, оно просто не подойдет для серьезной жары. Температура скачет, и он не выдержит, если вы сильно нажмете на батарею. На самом деле это работает только для электромобилей старой-школы или электромобилей малой-мощности.

Жидкостное охлаждение:Именно здесь приземляется большинство современных электромобилей. Он сохраняет температуру и температуру даже во время быстрой зарядки. Конечно, это прекрасно работает, но теперь вы имеете дело с насосами, трубами и уплотнениями,-плюс дополнительным весом и стоимостью. Тем не менее, это стандарт для устройств среднего-класса и выше.

Буферизация PCM:Это довольно умно. Он поглощает пики тепла, не используя при этом никакой энергии, но как только он заполняется, он перестает помогать. Люди обычно сочетают его с жидкостным охлаждением для дополнительного буфера.

Тепловые трубки:Они похожи на лазерных-специалистов по решению проблем. Они быстро отводят тепло от горячих точек и помогают выровнять ситуацию, но вам все равно нужно что-то еще, -например, радиатор-, чтобы действительно отводить тепло. Они сияют как часть более крупной системы, а не сами по себе.

Передовые методы (новые):Например, иммерсионное охлаждение буквально окунает аккумулятор в специальную жидкость. Этот метод невероятно быстро отводит тепло-идеально подходит, если вам нужна сверх-быстрая зарядка. Но управлять жидкостью становится сложнее. Некоторые электромобили премиум-класса даже используют хладагент кондиционера автомобиля для непосредственного охлаждения аккумулятора, что очень эффективно, но не совсем просто.

Влияние на безопасность, производительность и срок службы батареи

Управление температурным режимом — это не просто техническая деталь-, это большое значение для безопасности и производительности электромобиля. Когда батареи перегреваются, вероятность возгорания или даже взрыва резко возрастает. Перегрев может вызвать так называемый тепловой неуправляемый процесс, когда клетки запускают цепную реакцию и нагреваются еще сильнее. Это опасно для всех, не только для людей в машине, но и для служб экстренного реагирования.

Но дело не только в том, чтобы сохранять хладнокровие. Если система плохо отводит тепло, батареи стареют быстрее. Существует эмпирическое правило: каждый раз, когда температура поднимается на 10 градусов выше оптимальной точки, срок службы батареи сокращается вдвое. Нажмите на них сильно под углом около 50 градусов, и вы увидите, что они потеряют около 60% своей емкости всего за несколько сотен циклов.

Холод тоже нехорошо. При низких температурах батареи испытывают трудности, поскольку ионы не могут двигаться так же свободно. Это означает меньшую мощность, более медленную зарядку и просто вялую реакцию в целом. И вот о чем люди иногда забывают: ключевым моментом является равномерная температура во всех клетках. Если некоторые элементы нагреваются сильнее или холоднее других, весь аккумуляторный блок в конечном итоге работает на уровне самого слабого элемента. Это снижает емкость и сокращает срок службы батареи.

Безопасность:Поддержание охлаждения клеток предотвращает их перегрев и возгорание. Хорошее охлаждение – это не просто приятно,-это основная часть плана обеспечения безопасности любого автомобиля.

Производительность:Батареи лучше всего работают при температуре от 20 до 40 градусов по Цельсию. Слишком холодно, и они просто не могут обеспечить нужную вам мощность. Слишком жарко, и вы получите большее сопротивление и быстро потеряете напряжение.

Срок службы батареи: Когда вы поддерживаете постоянную и прохладную температуру, элементы служат дольше и не изнашиваются так быстро. Равномерная температура по всей упаковке означает, что ни одна ячейка не подвергается слишком сильному давлению. Честно говоря, надежная система охлаждения может продлить срок службы аккумулятора более чем в два раза, чем тот, который постоянно нагревается.

Новые технологии и тенденции

Аккумуляторы электромобилей становятся все более мощными и заряжаются быстрее, чем когда-либо, поэтому существует реальная потребность в улучшенных технологиях охлаждения. Иммерсионное охлаждение сейчас привлекает много внимания. Все просто: окуните элементы аккумуляторной батареи в специальную жидкость, которая не проводит электричество, что позволяет теплу быстрее уходить. Такая установка может выдерживать достаточно сильный нагрев,-достаточно для того, чтобы сумасшедшая-быстрая зарядка, например, мощностью более 1000 кВт, действительно работала.

Некоторые люди используют собственный хладагент кондиционера автомобиля для охлаждения аккумуляторов, что особенно хорошо работает, когда на улице жарко. Также много шума вокруг таких идей, как двух-фазные системы, в которых охлаждающая жидкость кипит, отводя тепло, или микроканалы-сверхмаленькие проходы, которые отводят тепло еще быстрее.

Кроме того, исследователи экспериментируют с термоэлектрическими модулями и специальными поверхностями, которые излучают тепло либо для точечного охлаждения, либо просто для пассивного отвода дополнительного тепла. Материаловедение тоже присутствует. Люди смешивают материалы с высокой-проводимостью с фазовыми-материалами или создают пены из нано-структурированного графита, чтобы помочь батареям сохранять прохладу без особых дополнительных усилий.

И еще есть программная часть. Системы управления батареями становятся умнее, используя передовые алгоритмы и даже искусственный интеллект для прогнозирования и контроля охлаждения в режиме реального времени. В целом, это довольно интересное время для управления температурным режимом аккумуляторов.

Проблемы проектирования и соображения OEM

Встроить в автомобиль систему управления температурой аккумулятора (TMS) непросто. Производителям приходится много работать -, чтобы система работала хорошо, не увеличивая при этом стоимость, вес и занимая драгоценное пространство. Например, жидкостное охлаждение и большие теплообменники занимают место под полом или капотом и набирают больше веса, что может свести на нет любой прирост эффективности. Установки с высоким-напряжением (например, от 400 до 800 В) приносят свои головные боли, поскольку требуют первоклассной-изоляции и безопасности всех частей охлаждающей жидкости. Каждая цепь и разъем должны соответствовать строгим меткам утечки и зазорам, а также выдерживать резкие вибрации и резкие перепады температуры.

Тогда стоит подумать о погоде. В холодных местах батареям необходимы нагреватели -, будь то PTC или тепловой насос -, чтобы быстро нагреть их до нужной температуры. Это только усложняет задачу. И не забывайте об обслуживании и надежности. Насосы, клапаны, датчики - — каждый из них добавляет что-то еще, что может выйти из строя. Итак, в конце концов, инженерам предстоит найти правильный баланс. Им необходимо сделать TMS максимально простой, не жертвуя дальностью действия, стоимостью или, что наиболее важно, безопасностью и сроком службы батареи. Это сложная головоломка, от решения которой многое зависит.

Интеграция с архитектурой автомобиля

Тепловая система аккумулятора работает вместе с системой отопления, вентиляции и кондиционирования автомобиля и трансмиссией. Во многих электромобилях вы обнаружите общие контуры охлаждения-одного и того же теплового насоса или компрессора и конденсатора переменного тока, обслуживающего как кабину, так и батарею, только в разных режимах. Итак, скажем, сейчас лето: кондиционер охлаждает батарею с помощью общего испарителя. Когда на улице холодно, тепло, выделяемое конденсатором аккумулятора, действительно может помочь согреть салон. Обычно инженеры создают отдельные контуры охлаждающей жидкости-один для аккумулятора (проходящий через его холодные пластины), другой для кабины или двигателя-, а затем связывают их вместе пластинчатыми теплообменниками, когда им необходимо перемещать тепло. Системы управления за кулисами тянут за ниточки: система управления аккумулятором и терморегулятор решают, с какой скоростью работают насосы и вентиляторы и где должны быть клапаны, и все это в зависимости от того, что делают элементы аккумулятора и остальная часть автомобиля. А с появлением новых-установок высокого напряжения тепловые и электрические конструкции становятся еще более запутанными-эти компактные системы на 800 В означают, что каждая тепловая часть должна соответствовать ограниченному пространству и правилам изоляции. В конечном итоге проектирование всей системы терморегулирования превращается в большую головоломку, и оптимизировать все приходится вместе.

PowerWinxпредоставляет передовые компоненты управления температурным режимом электромобилей и индивидуальные решения для охлаждения аккумуляторов. Обладая глубоким опытом в проектировании теплообменников и систем охлаждения, PowerWinx помогает OEM-производителям интегрировать модули прецизионного охлаждения в свои аккумуляторные блоки. Наши индивидуальные решения обеспечивают эффективное отвод тепла и равномерный контроль температуры, повышая безопасность аккумуляторов, производительность и долговечность современных электромобилей.

China 1