Kako zahtjevi za dometom vožnje i učinkovitošću punjenja u novim energetskim vozilima nastavljaju rasti, sustavi upravljanja toplinom baterije postali su kritični čimbenik koji određuje performanse i sigurnost baterijskih paketa. Zbog strukturnih razlika svojstvenih njihovim formatima pakiranja, strategije upravljanja toplinom razlikuju se za svaki tip ćelije.
I. Temeljni ciljevi i opća logika upravljanja toplinom
Upravljanje toplinom baterije u biti uključuje preciznu regulaciju toplinskih procesa unutar baterije. Njegovi temeljni ciljevi uključuju: održavanje baterije unutar optimalnog raspona radne temperature, sprječavanje lokalnog pregrijavanja, ublažavanje rizika od termičkog bijega, uravnoteženje potreba za visoko-temperaturnim hlađenjem i niskim-temperaturnim grijanjem te smanjenje temperaturnih razlika između ćelija kako bi se poboljšala konzistentnost.
ACEYBMS oprema za testiranjeprovjerava pravilan rad senzora temperature baterije, zaštite-od previsoke temperature i značajki balansiranja ćelija.
Toplinski procesi unutar paketa sastoje se od četiri glavne komponente: prva, elektrokemijska toplina koju stvaraju unutarnje kemijske reakcije baterije, što je izravno povezano s dizajnom baterije; drugo, ohmička toplina koju stvara struja koja teče kroz vodiče, određena dizajnom električnog kruga; treće, provođenje topline između ćelija i komponenti paketa, upravljano konstrukcijskim dizajnom i strategijom upravljanja toplinom; i četvrto, konvektivni prijenos topline koji uključuje tekućine (hlađenje tekućinom ili zrakom), koji služi kao primarni put rasipanja topline za sustav.
Trenutna glavna rješenja za upravljanje toplinom spadaju u četiri kategorije: izravni sustavi hlađenja (npr. BMW i3/X5), sustavi tekućeg hlađenja (npr. Tesla, Audi), sustavi zračnog hlađenja (npr. Nissan Leaf, Prius) i rashladni sustavi-promjene materijala (PCM).
II. Usporedba karakteristika i strategija upravljanja toplinom za tri vrste stanica
Zbog razlika u strukturama pakiranja, tri vrste ćelija razlikuju se u svojim temeljnim parametrima i logici upravljanja toplinom:
| Stavka za usporedbu | Cilindrična ćelija | Prizmatična ćelija | Pouch Cell |
| Reprezentativni modeli | 18650, 21700, 26650 | L135, L148, L173 | 118, 161 |
| Osnovne prednosti i nedostaci | Zreo proces, visok prinos, dobra konzistencija, ali velika težina, niska specifična energija | Jednostavna struktura, relativno visoka gustoća energije, jaka otpornost na udarce, ali složena raznolikost modela, procese je teško unificirati | Lagana, visoke gustoće energije, niskog unutarnjeg otpora, dobre performanse ciklusa, ali slaba konzistencija, visoka cijena, sklona curenju |
| Područje rasipanja topline-ćelije | 3674 mm² (18650 spec.) | 38296 mm² (148 spec.) | 73094 mm² (161 spec.) |
1. Upravljanje toplinom za cilindrične ćelije
Moduli koji koriste cilindrične ćelije obično koriste dvosmjerni dizajn protoka tekućine za hlađenje. U ovoj konfiguraciji, oba kraja kanala za hlađenje služe kao ulazi i izlazi, sprječavajući nedovoljno hlađenje na kraju kanala-što je problem koji bi inače mogao nastati zbog porasta temperature rashladne tekućine dok teče kroz sustav. Materijali kao što je Stycast 2850/CT-koji su električno izolacijski, ali visoko toplinski vodljivi-koriste se za popunjavanje praznine između baterijskih ćelija i rashladnih cijevi. Time se postižu tri ključne prednosti: prvo, transformira kontakt između ćelija i cijevi iz linijskog u površinski kontakt, značajno povećavajući učinkovitost prijenosa topline; drugo, olakšava izmjenu topline između ćelija, pasivno poboljšavajući ujednačenost temperature u pojedinačnim jedinicama; i treće, povećava ukupnu toplinsku masu baterije, čime se smanjuje veličina porasta prosječne temperature.
2. Upravljanje toplinom za prizmatične ćelije
Moduli prizmatičnih ćelija obično sadrže 32 VDA-standardne ćelije; svake četiri ćelije dijele jednu frikcionu-mješalicu-zavarenu hladnu ploču. Ove su hladne ploče paralelno spojene cjevovodom kako bi se osigurala-ujednačenost temperature u cijelom sustavu. Put prijenosa topline je: ćelija → materijal toplinskog sučelja (TIM) → baza/bočna ploča → hladna ploča. Ova konfiguracija nudi strukturnu stabilnost i ispunjava zahtjeve primjene u različitim scenarijima, uključujući gospodarska vozila.
3. Termalno upravljanje za vrećice ćelija
Ćelije s vrećicom obično su spojene na kompozitno kućište izrađeno od plastike i aluminijskog lima debljine 0,35 mm; aluminij prenosi toplinu na rubove modula, dok plastična komponenta osigurava električnu izolaciju i strukturno međusobno spajanje. Ključne komponente modula uključuju završne ploče, pokrovne ploče, sabirnice, ploče za raspršivanje topline, međuspremnike i NTC senzore. Što se tiče upravljanja toplinom, ploče za hlađenje tekućinom debljine 1 mm--sa strojno obrađenim kanalima protoka-postavljene su između pojedinačnih ćelija. Ovo osigurava izravan kontakt između svake ćelije i rashladne ploče; toplina se provodi kroz TIM do ploče za odvođenje topline, a zatim u rashladnu ploču za odvođenje. Ovo rješenje nudi najveći omjer efektivne površine rasipanja topline.
Temeljne sličnosti i razlike između tri rješenja
Sličnosti: sva tri povećavaju učinkovitost rasipanja topline dodavanjem kanala za hlađenje, ubrzavaju stope prijenosa topline korištenjem medija visoke toplinske vodljivosti i koriste aktivne metode hlađenja za kontrolu temperature.
razlike:
| Stavka za usporedbu | Cilindričan | Prizmatičan | torbica |
| Medij toplinske vodljivosti | Sama ćelija + punilo koje vodi toplinu | Sama ćelija + toplinski vodljivo ljepilo + osnovna ploča/bočna ploča | Sama ćelija + toplinski vodljivo ljepilo + raspršivač topline |
| Put toplinske vodljivosti | Ćelija → toplinski vodljivo ljepilo → nosač/tekuća hladna ploča | Ćelija → toplinski vodljivo ljepilo → osnovna ploča/bočna ploča → hladna ploča | Ćelija → toplinski vodljivo ljepilo → raspršivač topline → hladna ploča |
| Efektivno područje rasipanja topline | 918 mm² (18650) | 3996 mm² (148) | 36547 mm² (161) |
| Omjer efektivne površine rasipanja topline | 25% | 10.40% | 50% |
Osim toga, postoje značajne razlike u pogledu izbora rashladnog medija, rasporeda rashladnih ploča i krajnjih performansi odvođenja topline.