Blog

Порівняння різних типів тепловий Системи управління батареями електромобілів

Вибір правильної системи термоменеджменту для батарей електромобілів має вирішальне значення для вирішення проблеми електричної енергії, що використовується електричними допоміжними компонентами для охолодження або нагрівання систем транспортного засобу, включаючи силовий агрегат і салон.

Всі технологічні системи охолодження акумуляторів, доступні на сьогоднішній день

По-перше, в чому різниця між пасивною та активною BTMS?

Пасивні системи BTM працюватимуть за рахунок природних або зовнішніх сил і джерел енергії (наприклад, вітру).g. Примусове повітряне охолодження використовується за рахунок гравітації, прихованого тепла або руху транспортного засобу), і тому не вимагає безпосередньо електричної енергії від транспортного засобу.

Активні системи BTM використовують електроенергію із заданим коефіцієнтом корисної дії, що в кінцевому підсумку призводить до додаткових втрат, а отже, і до витрат на систему.

Примусове повітряне охолодження

У цій системі вентилятор використовується для створення повітряного потоку, який безпосередньо проходить через акумуляторну батарею для відведення її робочого тепла. Примусове повітряне охолодження вважається недорогим рішенням. Низька холодопродуктивність може призвести до зниження рівномірності температури та виникнення гарячих точок.

Приклад автомобіля з примусовим повітряним охолодженням:

Рідинне охолодження

Рідина охолодження передбачає використання рідини для відведення тепла, що генерується елементами в режимі охолодження, при прямому або непрямому контакті з елементами.

Можна використовувати різні типи рідин:

• Охолодження охолоджувальною рідиною (e.g. Суміш води та гліколю)
• Охолодження холодоагентом (е).g. 1234yf, CO2)
• Занурювальне охолодження діелектричною рідиною (e.g. нафта на вуглеводневій основі)

Приклад автомобіля з рідинним охолодженням:

• BMW i3 (охолодження холодоагентом)
• Tesla Model S (охолодження охолоджувальною рідиною)
• McLaren SpeedTail (занурювальне охолодження)

Охолодження охолоджувальною рідиною

Охолодження охолоджувальною рідиною є найпоширенішою технологією системи управління тепловим режимом акумулятора, що застосовується сьогодні на електричних легкових автомобілях.

Ця BTMS використовує суміш води та гліколю як охолоджуючу рідину, що протікає по каналах, які є частиною специфічної конструкції кріплення (наприклад.g. зазвичай одна або кілька алюмінієвих охолоджувальних пластин, або гнучкий змієподібний патрубок, як, наприклад, на Tesla model S).

Нагрівання акумуляторної батареї також забезпечується охолоджувальною рідиною, тоді як джерела тепла та стратегії нагрівання можуть сильно відрізнятися залежно від застосування (наприклад.g. рекуперація відпрацьованого тепла з інших систем силового агрегату або пряме нагрівання охолоджувальної рідини акумулятора, наприклад, за допомогою нагрівача PTC).

Охолоджуюча рідина охолодження є ефективною системою з кількох причин:

• Вона компактніша, ніж більшість архітектур повітряного охолодження, і пропонує підвищену ефективність і потужність охолодження;
• Потенціал для інтеграції вдосконаленої системи терморегулювання транспортного засобу з єдиною рідиною для всіх
• Можливість інтеграції складних систем клапанів для спрямування тепла туди, де воно необхідне в системі (приклад з Tesla Octovalve)

Однак охолодження холодоагентом також має деякі недоліки:

• Обмежена потужність охолодження порівняно з більш досконалими рішеннями, а отже, обмежені можливості швидкого заряджання
• Проблеми з розподілом температури акумуляторної батареї і, як наслідок, вплив на батарея життєві цикли
• Проблеми з безпекою та поширенням теплового витоку

Приклади транспортних засобів, що використовують охолоджуючу рідину охолодження:

Охолодження холодоагентом

Рішення для охолодження за допомогою холодоагенту полягає в інтеграції випарника в акумуляторну батарею в найбільш безпосередньому контакті з елементами або модулями батареї.

За рахунок використання прихованого тепла холодоагенту досягається набагато вища холодопродуктивність порівняно з холодною пластиною, хоча деякі проблеми включають реалізацію на великих батареях (контроль випаровування) або в режимі нагріву.

Приклади автомобілів, що використовують охолодження холодоагентом: BMW i3

Занурювальне охолодження

Завдяки прямому охолодженню елементів і шин, занурювальне охолодження забезпечує мінімізацію теплового опору від елемента до охолоджувальної рідини, значною мірою долаючи знижену питому ємність діелектричної рідини в порівнянні з водно-гліколевою сумішшю, і, отже, забезпечує надшвидку зарядку для BEV.

Порівняння продуктивності BTMS для електромобілів

Ми оцінили кожну систему від 0 до 5 балів за 4 критеріями:

Джерело Exoes

Занурювальне охолодження значно покращує терморегуляцію батареї порівняно зі звичайними рішеннями, дозволяючи:

• Надшвидка зарядка менш ніж за 10 хвилин;
• Підвищена безпека без поширення теплового витоку та без пожежі;
• Збільшення терміну служби батареї завдяки більшій рівномірності та контролю над розподілом температури акумуляторних батарей.

Для отримання додаткової інформації про технологію занурювального охолодження для електромобілів батареї управління тепловим режимом, перегляньте наш останній вебінар (450 учасників):

Детальний аналіз батареї охолодження класифікація систем

З розвитком електромобілів і постійним підвищенням потужності енергосистеми щільність акумуляторних батарей також зросла більше, ніж раніше. Попит на швидку зарядку акумуляторів призвів до більшої кількості тепла, що виділяється батареями під час зарядки та розрядки сильним струмом. В рамках цієї тенденції розробка розумної системи охолодження акумулятора стала основним завданням, яке вимагає швидкого розсіювання тепла при високих температурах і нагрівання або збереження тепла при низьких температурах для поліпшення загальних характеристик електромобілів.

Вступ до системи охолодження акумулятора

В даний час електромобілі поступово стали однією з основних тенденцій у транспорті. Для того, щоб задовольнити потреби високої напруги автомобільного акумулятора та великої ємності електромобілів, елементи живлення акумулятора використовуються в найпоширенішій комбінації послідовного та паралельного з’єднання. Під час роботи або процесу зарядки електромобілів температура акумулятора буде сильно змінюватися. Якщо тепло не відводити вчасно, тепло буде продовжувати накопичуватися в модулі акумулятора, що призведе до безперервного підвищення і нерівномірної дифузії тепла модуля акумулятора.

Внутрішній хімічний склад літій-іонних акумуляторів має погану термостійкість, тому реакція буде прискорюватися при високих температурах, що призведе до якісних змін у внутрішній структурі літій-іонних акумуляторів, що в кінцевому підсумку спричинить серйозні наслідки для безпеки. Тому для підтримання належного температурного режиму батареї необхідна ефективна система терморегулювання (Battery thermal management system, BTMS) акумулятор діапазон робочих температур для запобігання несприятливих наслідків, спричинених перепадами температури.

Систему терморегулювання акумулятора можна розділити на систему охолодження акумулятора система та система опалення від батареї. Серед них нинішні зрілі акумулятор систему охолодження можна розділити на чотири частини відповідно до теплоносія, а саме повітряне охолодження, рідинне охолодження, охолодження фазообмінного матеріалу (PCM) та охолодження теплових труб.

Поширені типи систем охолодження літієвих акумуляторів

① Повітряне охолодження система

Повітряне охолодження в даний час є найбільш широко використовуваним методом системи охолодження акумулятора, який можна поєднувати з конструкцією ходових характеристик транспортного засобу. Тепло може забирати природний вітер, що утворюється під дією швидкості транспортного засобу, або примусовий потік повітря, що генерується роботою вентилятора. Природна конвекція цієї системи охолодження батареї має переваги простоти, низької вартості та природної конвекції як основного процесу відведення тепла. Недоліком є те, що сила вітру неконтрольована.

Порівняно з природною конвекцією, примусова конвекція надійніша і простіша в обслуговуванні, тому вона стала поширеною системою охолодження акумуляторів. Однак недоліком примусової конвекції є те, що розподіл температури в батареї нерівномірний. Через характеристики самого повітря охолоджуючий ефект має певні обмеження. Переваги повітряного охолодження теплова До переваг примусової конвекції відносяться: безпека та надійність під час експлуатації, прості матеріали, необхідні та легкі в реалізації, а також своєчасна та ефективна вентиляція при утворенні шкідливих газів.

У порівнянні з системою охолодження акумулятора рідких та фазових матеріалів, охолоджуюча здатність повітря як охолоджуючого середовища явно недостатня, і вона підходить лише для акумуляторів з низькою щільністю. Тепло, що виділяється громіздким акумуляторним блоком, змушує активну систему повітряного охолодження збільшуватися в розмірах, що впливає на продуктивність електромобіля і комфорт пасажирів. Для того, щоб вирішити проблеми, з якими стикається система охолодження акумулятора з повітряним охолодженням та покращити її ефективність, багато вчених почали вивчати додавання інших охолоджуючих середовищ до системи охолодження акумулятора з повітряним охолодженням.

② Рідинна система охолодження

У порівнянні з системою охолодження акумулятора з повітряним охолодженням, рідинне охолодження акумулятора система має вищий коефіцієнт теплопередачі та питому теплоємність, що має більш значний вплив на поліпшення щільності енергії та можливостей терморегулювання акумуляторної батареї.

За способом контакту акумулятора з охолоджуючою рідиною систему охолодження акумулятора з рідинним охолодженням можна розділити на два типи: тип прямого контакту та тип непрямого контакту. За структурою охолодження рідини та відведення тепла батареї можна розділити на активні та пасивні методи. У пасивній системі охолоджуюча рідина обмінюється теплом із зовнішнім повітрям, щоб віддати тепло акумулятора; в активній системі тепло акумулятора віддається за рахунок обміну рідина-рідина.

Пряме контактне охолодження: Охолоджуюча рідина безпосередньо контактує з поверхнею акумулятор або модуля акумулятора, що є прямим контактним рідинним охолодженням, яке може краще відводити тепло від акумулятора порівняно з системою охолодження акумулятора з повітряним охолодженням. Охолоджуюча рідина характеризується високою теплопровідністю та ізоляцією, але оскільки використовувана охолоджуюча рідина не є рідиною, це також певною мірою вплине на ефект розсіювання тепла.

Непряме контактне охолодження: Система непрямого контактного охолодження акумулятора досягає мети охолодження акумулятора шляхом контакту з акумулятором ребрами або радіаторами, наповненими охолоджувальною рідиною для відведення тепла. Для циліндричного акумулятора його можна встановити як кільцеву конструкцію сорочки, а швидкість потоку рідини не обмежується, тому рідкий матеріал з високою тепловий можна використовувати провідність.

Система охолодження акумулятора з рідинним охолодженням має хороший ефект і може ефективно знизити робочу температуру та місцеву різницю температур акумулятора. У той же час існують також несприятливі наслідки, такі як складна структура системи, відносно велика маса, витік рідини та часте технічне обслуговування. Однак у системі терморегулювання електромобіля, яка вимагає відносно жорстких умов роботи акумулятора і ставить на перше місце терморегулювання, охолодження акумулятора з рідинним охолодженням система має більш очевидні переваги, ніж повітряне охолодження.

В останні роки найбільш поширеним дослідженням системи охолодження рідких акумуляторів є використання нових типів охолоджуючих рідин, таких як рідкі метали, нанорідини тощо., для оптимізації рідинного охолодження та тепловіддачі. Однак поточна конструкція каналу системи охолодження рідкого акумулятора все ще залишається дослідницьким статусом системи рідинного охолодження.

③ Система охолодження нагрівальної труби

Нагрівальна труба (НР) – це високоефективний теплообмінний елемент, який використовує фазову зміну середовища в трубі для поглинання та виділення тепла. Він широко використовується в багатьох галузях, таких як промисловість. Коли нагрівальний кінець теплової труби нагрівається, робоче середовище нагрівається і випаровується і тече до конденсаційного кінця під дією сили рідини в трубі. Потім пара розсіює тепло на конденсаційному кінці і знову стає рідиною, а рідина на конденсаційному кінці стікає назад до кінця випаровування під дією сили тяжіння або капілярної сили пористого матеріалу для досягнення мети розсіювання тепла.

Управління теплом акумулятора

Продуктивність, термін служби і вартість акумуляторних батарей і електромобілів мають пряму залежність. Наявність потужності розряду для запуску і прискорення, прийняття заряду під час рекуперативного гальмування, а також стан батареї є найкращими при оптимальних температурах. Зі збільшенням температури погіршується термін служби акумулятора, керованість електромобіля та паливна економічність. Враховуючи загальний тепловий вплив батареї на електромобілі, батарея тепловий управління має вирішальне значення.

Силові електронні системи відповідають за керування електродвигунами. Силові електронні системи працюють разом із системою керування електромобілем і керують електродвигуном відповідно до інструкцій керування. DC-DC перетворювачі, інвертори та схеми керування в силовій електронній системі вразливі до теплового впливу. Під час роботи силові електронні схеми генерують тепловтрати, і належне терморегулювання має важливе значення для відведення тепла від схеми та пов’язаних з нею систем. Неправильне терморегулювання може призвести до збоїв в управлінні, виходу з ладу компонентів та неправильної роботи транспортного засобу. Зазвичай силова електронна система підключена до електромобіля охолодження система для підтримки оптимальної температури.

Терморегулювання електродвигунів

Оскільки рух коліс електромобілів приводиться в рух електродвигуном, робоча температура електродвигуна має вирішальне значення для продуктивності транспортного засобу. Зі збільшенням навантаження двигун споживає більше енергії від акумулятора і нагрівається. Охолодження двигуна необхідне для його повноцінної роботи в електромобілях.

Для високого рівня ефективності в електромобілях важливе значення має підтримка оптимальної температури. Оптимальну температуру регулює система охолодження електромобіля. Зазвичай система охолодження регулює температуру транспортного засобу, яка включає в себе температуру акумуляторної батареї, температуру силового електронного приводу та температуру електродвигуна. У контурі охолодження за допомогою електричного насоса циркулює охолоджуюча рідина, яка охолоджує батареї, електроніку, електродвигун і пов’язані з ними системи. В електричних транспортних засобах радіатори використовуються в контурі охолодження для відведення тепла в навколишнє повітря. Система кондиціонування повітря використовується в електромобілях для охолодження систем в контурі охолодження, а випарники вбудовані для відведення тепла з контуру охолодження.

Вплив термічного опору на теплопередачу та терморегулювання в електронних корпусах

Намагаючись підвищити продуктивність, надійність і вартість електроніки, доцільно об’єднати більшу кількість компонентів або схем в одному корпусі або корпусі. Оскільки схеми обмежені меншим простором з більшою щільністю потужності, генерація та розсіювання тепла є основною проблемою для дизайнерів. Інтеграція декількох схем в одному корпусі, такому як друкована плата, кидає виклик методам терморегулювання і теплопередачі в електронних пристроях.

Для теплового аналізу або аналізу теплопередачі інтегрованих електронних пакетів термічний опір є важливим параметром, оскільки він відіграє значну роль у реалізації механізму охолодження. Один з ключових критеріїв, який повинен бути дотриманий під час охолодження Основна вимога до електронних пристроїв полягає в тому, щоб температура не перевищувала максимально допустимі межі в найгірших умовах експлуатації, такі як тепловий опір, швидкість потоку охолоджувальної рідини та потужність модуля.

Різні рівні теплового опору

В електронних пакетах тепло передається від місця з’єднання компонентів до кінцевого тепловідводу. Загальний термічний опір визначає температуру з’єднання на шляху теплопередачі. Загальний тепловий опір електронного блоку можна розділити на три рівні відповідно до шляху теплопередачі.

Рівні класифікації:

• Компонентний рівень. На рівні компонентів існує внутрішній тепловий опір, який позначається Rint. Це опір потоку тепла від спаю або будь-якого іншого елемента схеми до зовнішньої поверхні корпусу компонента.
• Рівень упаковки. Зовнішній термічний опір, виражений Rext, знаходиться на рівні корпусу і забезпечує опір теплопередачі від поверхні корпусу до певної контрольної точки. Цією точкою відліку може бути температура навколишнього середовища, край друкованої плати або холодна пластина з рідинним охолодженням.
• Системний рівень. Система Рівень теплового опору є завершальною стадією теплового опору. На цьому етапі основна увага приділяється передачі тепла від теплоносія до радіатора.

Охолодження електромобіля: Оптимізуйте своє батарея охолодження системи охолодження з мінімальними зусиллями

Адекватний електромобіль термічний управління має важливе значення для тривалого терміну служби акумулятора, швидкої зарядки та швидкого прискорення автомобіля, серед багатьох інших.

Наша технологія генеративного дизайну досягла значних успіхів в експертній області, яка стає все більш складною.Наше програмне забезпечення ColdStream допоможе вам на кожному етапі проектування системи охолодження. від перших проектів до віртуального тестування і детального аналізу.