راه حل مدیریت حرارتی EV - بلاگ

اهمیت مدیریت حرارتی در بسته های باتری EV

کارکرد ایمن و کارآمد وسایل نقلیه الکتریکی واقعاً به مدیریت گرما بستگی دارد. باتری‌های لیتیوم{1} یونی حساس هستند-آنها چیزهایی بین 20 تا 40 درجه سانتیگراد را دوست دارند. آنها را داغ تر فشار دهید، و شما برای دردسر می خواهید. الکترولیت شروع به شکستن می کند، لایه SEI ضخیم می شود و قبل از اینکه متوجه شوید، باتری ظرفیت خود را از دست می دهد، کارایی کمتری پیدا می کند و در بدترین حالت، چیزها آتش می گیرند یا حتی منفجر می شوند.

هوای سرد خیلی مهربان تر نیست. هنگامی که دما کاهش می یابد، شیمی باتری کند می شود. مقاومت داخلی بالا می رود. ناگهان، شما قدرت یا سرعت شارژ مورد نیاز خود را دریافت نمی کنید. حتی یک تفاوت کوچک-فقط یک نوسان پنج درجه‌ای بین سلول‌ها-به پیری ناهموار منجر می‌شود. برخی از سلول ها قبل از زمان خود پیر می شوند در حالی که برخی دیگر عقب می مانند.

بنابراین، نتیجه نهایی؟ نگه داشتن هر سلول در دمای تقریباً یکسان فقط باعث ایمن‌تر شدن همه چیز نمی‌شود. این ماشین را در بهترین عملکرد خود نگه می دارد و به باتری کمک می کند تا مدت زیادی دوام بیاورد.

خنک کننده هوا برای بسته های باتری EV

خنک کننده هوا با جابجایی هوا روی بسته باتری یا از طریق آن کار می کند تا گرما را از بین ببرد. گاهی اوقات فقط هوا در حال رانندگی است (این غیرفعال است)، گاهی اوقات فن ها یا دمنده ها کار را انجام می دهند (این فعال است). کل راه اندازی ساده است-بدون لوله کشی پیچیده، وزن اضافی زیادی ندارد، و ارزان است. به همین دلیل است که آن را در خودروهای الکتریکی اولیه یا وسایل نقلیه کوچکتر مشاهده می کنید. آنها فقط از مجاری و چند فن استفاده می‌کنند-بدون درهم ریختگی مایعات یا قطعات سنگین.

اما یک گرفتاری وجود دارد. هوا در انتقال گرما عالی نیست. چگالی آن بسیار کمتر از مایع است، بنابراین نمی تواند انرژی زیادی جذب کند. هنگامی که باتری ها به شدت شروع به کار می کنند، به خصوص در هنگام شارژ سریع یا استفاده زیاد، خنک کننده هوا عقب می افتد. این فقط نمی‌تواند تمام سلول‌ها را در دمای ثابت نگه دارد یا با گرمایی که خودروهای برقی مدرن پمپ می‌کنند، مقابله کند. این روزها، خنک کننده هوا فقط برای ساده ترین تنظیمات باتری کار می کند. هر چیزی که خواستارتر باشد نیاز به چیز بهتری دارد.

مزایا:این یک راه اندازی ساده است-فقط تعداد انگشت شماری از قطعات، بنابراین سبک می ماند و نیازی به نگهداری زیادی ندارد. لازم نیست نگران نشت مایع خنک‌کننده باشید، و زمانی که خودرو در حال حرکت است، می‌تواند از هوای عبوری برای خنک کردن مواد استفاده کند.

محدودیت ها:قدرت خنک کننده بسیار ضعیف است. نقاط داغ به سرعت ظاهر می شوند، به خصوص اگر ماشین را به شدت فشار می دهید یا به سرعت شارژ می کنید، زیرا هوا در انتقال گرما عالی نیست. این می تواند قطعات را سریعتر فرسوده کند یا حتی باعث خاموش شدن سیستم شود. راستش را بخواهید، این روش نمی‌تواند با ماشین‌های الکتریکی-با کارایی بالا یا انرژی{4}} همگام باشد.

خنک کننده مایع برای بسته های باتری EV

خنک کننده مایع این روزها برای اکثر خودروهای برقی با عملکرد متوسط- و{2}}بهترین گزینه-است. این کار به این صورت است: یک پمپ مایع خنک‌کننده-معمولاً یک آب{5}}مخلوط گلیکول- را از طریق کانال‌ها یا صفحات سردی که دقیقاً در مقابل سلول‌های باتری قرار می‌گیرند، فشار می‌دهد. همانطور که مایع خنک کننده گرما را از باتری ها می گیرد، به سمت یک مبدل حرارتی حرکت می کند که با استفاده از هوا یا مبرد آن گرما را تخلیه می کند. از آنجایی که مایعات گرما را بهتر از هوا حمل می کنند، این سیستم ها دمای باتری را ثابت و یکنواخت نگه می دارند. در واقع به همین دلیل است که تقریباً در هر وسیله نقلیه الکتریکی دوربرد{10}از بسته‌های باتری خنک‌شده با مایع{11}}استفاده می‌شود. با حذف گرمای بهتر، این بسته‌ها می‌توانند توان خروجی بالاتر و شارژ سریع{13} را بدون گرم شدن بیش از حد انجام دهند.

مزایا:خنک کننده مایع گرما را به سرعت خارج می کند و دما را حتی در تمام سلول ها حفظ می کند. این بدان معناست که باتری‌ها بیشتر دوام می‌آورند و شما سریع‌تر شارژ می‌شوید. خنک‌کننده در گرمای متحرک بسیار بهتر از هوا است، بنابراین این بسته‌ها می‌توانند نرخ شارژ بالا را بدون تعریق تحمل کنند.

معایب:در نهایت با یک سیستم پیچیده تر و سنگین تر مواجه می شوید. برای کنترل آنها به پمپ ها، شیلنگ ها، مبدل های حرارتی و تمام وسایل الکترونیکی نیاز دارید و همه چیز باید محکم بسته شود. چیزهای بیشتری برای نگهداری وجود دارد، همچنین-پمپ ها یا سوپاپ ها ممکن است شکسته شوند و نشت یک مشکل واقعی است. به‌علاوه، تمام آن قطعات اضافی فضا را اشغال می‌کنند و وزن اضافه می‌کنند، که کارایی کلی شما را کمی کاهش می‌دهد.

فاز-تغییر مواد (PCM) خنک‌سازی

مواد تغییر فاز یا PCMها مانند ضربه‌گیرهای حرارتی برای باتری‌ها عمل می‌کنند. شما معمولاً آنها را به صورت موم یا نمک در اطراف سلول ها خواهید یافت. هنگامی که باتری از نقطه خاصی گرم می شود، PCM ذوب می شود و انرژی زیادی را جذب می کند که از حالت جامد به مایع تبدیل می شود. اگر همه چیز دوباره سرد شود، جامد می شود و گرمای ذخیره شده را آزاد می کند. این فرآیند به کنترل نوسانات دما کمک می‌کند، به‌خصوص در هنگام انفجارهای سریع-مانند زمانی که به شدت به پدال گاز ضربه می‌زنید یا برای شارژ سریع وصل می‌شوید.

مزایا:کاملاً غیرفعال است، بنابراین برای اجرای آن نیازی به انرژی ندارید. بدون فن، بدون پمپ-فقط سیستمی که بی سر و صدا افزایش دما را یکنواخت می کند. PCM ها وارد عمل می شوند تا سلول ها را در برابر انفجارهای کوتاه گرما محافظت کنند و به نگه داشتن بسته در دمای ایمن در هنگام بارگیری ناگهانی کمک می کنند.

محدودیت ها:جنبه منفی؟ PCM ها به تنهایی گرما را به خوبی منتقل نمی کنند. پس از اتمام فاز تغییر، دیگر نمی توانند گرما را جذب کنند. اگر با دمای بالای مداوم سر و کار دارید، خنک کننده غیرفعال کافی نیست. برای اینکه واقعاً گرما را از PCM خارج کنید، معمولاً به اجزای اضافی-فکر می‌کنید باله‌های گرافیت یا لوله‌های حرارتی{4}}برای انجام کار نیاز دارید.

خنک کننده لوله حرارتی (رسانایی حرارتی)

لوله های حرارتی اساساً لوله های فلزی مهر و موم شده ای هستند که داخل آن کمی مایع وجود دارد. آنها با اجازه دادن به مایع به طور مداوم تبخیر و متراکم می شوند، گرما را به سرعت حرکت می دهند، بنابراین شما به سختی دمایی را در طول مسیر از دست می دهید. در بسته های باتری، لوله های حرارتی را به عنوان «ابررساناهای» حرارتی در نظر بگیرید. می توانید آنها را داخل ماژول ها قرار دهید یا آنها را مستقیماً به سلول ها وصل کنید تا گرما را با عجله از نقاط داغ دور کنید. گاهی اوقات، یک لوله حرارتی فقط گرما را به یک منطقه خنک‌تر یا مستقیماً به شبکه صفحه سرد- منتقل می‌کند. در طول خود، آنها در واقع گرما را هزاران بار بهتر از مس جامد هدایت می کنند، که آنها را برای مدیریت نقاط داغ محلی عالی می کند. اغلب آنها را در سیستم‌های خنک‌شده با مایع-مانند صفحات سرد- برای کمک به پخش دما در کل یک ماژول خواهید دید.

مزایا:اینها رسانایی حرارتی باورنکردنی دارند، بنابراین به خوبی گرما را به طرفین پخش می کنند. وقتی سلول‌های دور{1}} را به هم متصل می‌کنید، به تعادل دما کمک می‌کنند، که مشکل «ضعیف‌ترین سلول» را کاهش می‌دهد. بعلاوه، آنها به تنهایی کار می کنند-بدون نیاز به برق.

محدودیت ها:معمولاً مردم از آنها فقط برای خنک کننده نقطه ای استفاده می کنند نه به عنوان سیستم خنک کننده اصلی. شما باید آنها را به درستی مهر و موم کنید و به نحوه تنظیم ساختار فیتیله توجه زیادی داشته باشید. آنها همچنین هزینه را بالا می برند و طراحی بسته را پیچیده تر می کنند. و در پایان، شما هنوز به چیز دیگری نیاز دارید، مانند یک بشقاب سرد، تا در واقع گرما را از بسته خارج کند.

مقایسه روشهای سرمایش

نکته اصلی اینجاست: هر روش خنک کننده با نقاط قوت و سردردهای خاص خود همراه است.

خنک کننده هوا:این خاک ارزان و ساده است. شما به سختی به تجهیزات اضافی نیاز دارید، اما صادقانه بگویم، آن را برای گرمای جدی قطع نمی کند. دما بالا می‌رود و اگر باتری را به شدت فشار دهید نمی‌تواند بالا بیاید. این فقط برای EVهای قدیمی-مدرسه یا کم مصرف- کار می‌کند.

خنک کننده مایع:اینجا جایی است که بیشتر خودروهای الکتریکی مدرن فرود می آیند. حتی در هنگام شارژ سریع، همه چیز را یکنواخت و خنک نگه می دارد. مطمئناً عالی کار می‌کند، اما اکنون با پمپ‌ها، لوله‌ها و آب‌بندی‌ها-به‌علاوه وزن و هزینه اضافی سروکار دارید. با این حال، این استاندارد برای هر چیزی متوسط-یا بهتر است.

بافر PCM:یه جورایی باهوشه بدون استفاده از برق، نوک های گرما را جذب می کند، اما پس از پر شدن، دیگر کمک نمی کند. مردم معمولا آن را با خنک کننده مایع جفت می کنند تا یک بافر اضافی داشته باشند.

لوله های حرارتی:آن‌ها مانند حل‌کننده‌های{0} متمرکز لیزری هستند. آنها گرما را به سرعت از نقاط داغ دور می کنند و حتی به همه چیز کمک می کنند، اما شما همچنان به چیز دیگری-مثل هیت سینک- نیاز دارید تا در واقع گرما را تخلیه کنید. آنها به عنوان بخشی از یک سیستم بزرگتر می درخشند، نه به تنهایی.

روش های پیشرفته (در حال ظهور):به عنوان مثال، خنک کننده غوطه ور، باتری را به معنای واقعی کلمه در یک مایع خاص غوطه ور می کند. اگر می‌خواهید شارژ سریع-خیلی سریع داشته باشید، این روش گرما را بسیار سریع-از بین می‌برد. اما مدیریت مایع کار دشواری است. برخی از خودروهای برقی ممتاز حتی از مبرد تهویه مطبوع خودرو برای خنک کردن مستقیم باتری استفاده می‌کنند که بسیار کارآمد است اما کشیدن آن دقیقاً ساده نیست.

تاثیر بر ایمنی، عملکرد و عمر باتری

مدیریت حرارتی فقط یک جزئیات فنی نیست-بلکه برای ایمنی و عملکرد خودروهای برقی بسیار مهم است. وقتی باتری ها خیلی داغ می شوند، احتمال آتش سوزی یا حتی انفجار بسیار زیاد می شود. گرمای بیش از حد می تواند چیزی به نام فرار حرارتی را ایجاد کند، جایی که سلول ها اساساً یک واکنش زنجیره ای را شروع می کنند و خود را حتی بیشتر گرم می کنند. این برای همه خطرناک است، نه فقط برای افراد داخل ماشین، بلکه برای اولین پاسخ دهندگان.

اما موضوع فقط حفظ خونسردی نیست. اگر سیستم گرما را به خوبی مدیریت نکند، باتری ها زودتر پیر می شوند. یک قانون کلی وجود دارد: هر بار که دما 10 درجه بالاتر از نقطه شیرین می رود، عمر باتری به نصف کاهش می یابد. آنها را به سختی در حدود 50 درجه فشار دهید و خواهید دید که آنها تنها پس از چند صد چرخه حدود 60٪ از ظرفیت خود را از دست می دهند.

سرما هم عالی نیست در دماهای پایین، باتری ها دچار مشکل می شوند زیرا یون ها نمی توانند آزادانه حرکت کنند. این بدان معناست که قدرت کمتر، شارژ کندتر، و به طور کلی واکنش کندتر است. و این چیزی است که مردم گاهی اوقات فراموش می کنند: حتی درجه حرارت در تمام سلول ها کلیدی است. اگر برخی از سلول‌ها گرمتر یا سردتر از سایرین کار کنند، کل بسته باتری در سطح ضعیف‌ترین سلول کار می‌کند. که ظرفیت باتری را از بین می برد و عمر باتری را کوتاه می کند.

ایمنی:خنک نگه داشتن سلول ها از گرم شدن بیش از حد و آتش گرفتن آنها جلوگیری می کند. خنک کننده خوب فقط خوب نیست- بلکه بخش اصلی برنامه ایمنی هر وسیله نقلیه است.

عملکرد:بهترین عملکرد باتری ها بین 20 تا 40 درجه سانتیگراد است. خیلی سرد است و نمی توانند قدرت مورد نظر شما را ارائه دهند. خیلی داغ است و مقاومت بیشتری دریافت می کنید و ولتاژ را سریع از دست می دهید.

عمر باتری: وقتی دما را ثابت و خنک نگه می‌دارید، سلول‌ها بیشتر دوام می‌آورند و به سرعت فرسوده نمی‌شوند. حتی دما در کل بسته به این معنی است که هیچ سلولی به شدت تحت فشار قرار نمی گیرد. صادقانه بگویم، یک سیستم خنک کننده جامد می تواند عمر باتری را بیش از دو برابر باتری که همیشه داغ است، دوام بیاورد.

فن آوری ها و روندهای نوظهور

باتری‌های EV قوی‌تر می‌شوند و سریع‌تر از همیشه شارژ می‌شوند، بنابراین فشار واقعی برای فناوری خنک‌کننده بهتر وجود دارد. خنک کننده غوطه ور در حال حاضر توجه زیادی را به خود جلب کرده است. ساده است: سلول‌های باتری را مستقیماً در مایع خاصی که رسانای الکتریسیته نیست غوطه‌ور کنید، که اجازه می‌دهد گرما سریع‌تر فرار کند. این نوع راه‌اندازی می‌تواند گرمای شدید-قدری را تحمل کند که شارژ سریع{4} دیوانه‌وار، مانند بیش از 1000 کیلو وات، عملاً کار کند.

برخی از افراد از مبرد تهویه مطبوع خود خودرو برای خنک کردن باتری ها استفاده می کنند، که به ویژه وقتی هوا گرم است خوب کار می کند. همچنین در مورد ایده‌هایی مانند سیستم‌های دو فازی، که در آن مایع خنک‌کننده می‌جوشد تا گرما را ببرد، یا ریزکانال‌های-بسیار کوچکی که گرما را سریع‌تر خارج می‌کنند، سر و صدای زیادی وجود دارد.

علاوه بر این، محققان در حال دستکاری با ماژول های ترموالکتریک و سطوح ویژه ای هستند که گرما را از خود دور می کنند، یا برای خنک کردن نقطه ای یا فقط برای دفع گرمای اضافی. علم مواد نیز در بازی است. مردم در حال مخلوط کردن-رسانایی بالا در مواد تغییر فاز-یا فوم‌هایی از گرافیت نانو-ساختار هستند تا به باتری‌ها کمک کنند تا بدون تلاش اضافی خنک بمانند.

و سپس بخش نرم افزار وجود دارد. سیستم‌های مدیریت باتری با استفاده از الگوریتم‌های پیشرفته و حتی هوش مصنوعی برای پیش‌بینی و کنترل سرمایش در زمان واقعی، هوشمندتر می‌شوند. در مجموع، زمان بسیار هیجان انگیزی برای مدیریت حرارتی باتری است.

چالش های طراحی و ملاحظات OEM

ساختن یک سیستم مدیریت حرارتی باتری (TMS) در خودرو کار آسانی نیست. تولیدکنندگان باید خیلی تلاش کنند - سیستم را بدون افزایش هزینه، وزن یا صرف فضای گرانبها به خوبی کار کند. برای مثال، خنک‌کننده‌های مایع و مبدل‌های حرارتی بزرگ، فضای زیر کف یا هود را اشغال می‌کنند و وزن بیشتری را جمع‌آوری می‌کنند، که می‌تواند هر گونه افزایش کارایی را از بین ببرد. تنظیمات ولتاژ بالا (فکر کنید 400 تا 800 ولت) سردردهای خاص خود را به همراه دارند و عایق-و ایمنی بالایی را برای تمام قطعات خنک کننده می طلبند. هر مدار و کانکتور باید به علائم خزش و فاصله شدید برخورد کند و در برابر ارتعاشات خشن و نوسانات شدید دما مقاومت کند.

سپس آب و هوا برای فکر کردن وجود دارد. در مکان‌های سرد، باتری‌ها به بخاری‌های - خواه PTC یا پمپ حرارتی - نیاز دارند تا سریع به دما برسند. این فقط پیچیدگی بیشتری دارد. و نگهداری و قابلیت اطمینان را فراموش نکنید. پمپ ها، سوپاپ ها، حسگرها - هر کدام چیز دیگری اضافه می کنند که ممکن است خراب شود. بنابراین، در نهایت، مهندسان باید تعادل مناسب را پیدا کنند. آنها باید TMS را تا حد امکان ساده کنند بدون اینکه برد، هزینه یا مهمتر از همه ایمنی و عمر باتری را به خطر بیندازند. این یک پازل روی حیله و تزویر با راه حل های زیادی است.

ادغام با معماری خودرو

سیستم حرارتی باتری درست در کنار سیستم تهویه مطبوع و پیشرانه خودرو کار می کند. در بسیاری از خودروهای الکتریکی، حلقه‌های تبرید مشترک{1}}پمپ حرارتی یا کمپرسور AC و کندانسور مشابه کابین و باتری را می‌بینید، فقط در حالت‌های مختلف. بنابراین، بگویید تابستان است: AC باتری را با استفاده از یک اواپراتور مشترک خنک می کند. وقتی هوا سرد است، گرمایی که کندانسور باتری از خود خارج می‌کند در واقع می‌تواند به گرم کردن کابین کمک کند. معمولاً مهندسان حلقه‌های مایع خنک‌کننده جداگانه-یکی برای باتری (که از صفحات سرد آن عبور می‌کند)، دیگری برای کابین یا موتور- تنظیم می‌کنند و سپس هنگامی که نیاز به انتقال گرما دارند، آنها را با مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای به هم می‌بندند. سیستم‌های کنترل رشته‌ها را پشت صحنه می‌کشند: سیستم مدیریت باتری و کنترل‌کننده حرارتی تصمیم می‌گیرند که پمپ‌ها و فن‌ها با چه سرعتی کار کنند و سوپاپ‌ها کجا باشند، همه بر اساس آنچه سلول‌های باتری و بقیه خودرو انجام می‌دهند. و با راه‌اندازی‌های جدید{9}ولتاژ بالا، طراحی حرارتی و الکتریکی پیچیده‌تر می‌شود{10}}این سیستم‌های فشرده 800 ولت به این معنی است که هر بخش حرارتی باید با فضای تنگ و قوانین عایق مطابقت داشته باشد. در نهایت طراحی کل سیستم مدیریت حرارتی به یک پازل بزرگ تبدیل می شود و باید همه چیز را با هم بهینه کنید.

پاور وینکساجزای پیشرفته مدیریت حرارتی EV و راه حل های خنک کننده باتری سفارشی را ارائه می دهد. با تخصص عمیق در طراحی مبدل های حرارتی و سیستم خنک کننده، PowerWinx به OEM ها کمک می کند تا ماژول های خنک کننده دقیق را در بسته های باتری خود ادغام کنند. راه حل های سفارشی ما حذف موثر گرما و کنترل دمای یکنواخت، بهبود ایمنی، عملکرد و طول عمر باتری در خودروهای الکتریکی مدرن را تضمین می کند.

China 1