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Cos'è il raffreddamento ad immersione della batteria? – TKT

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19,

2025

Il raffreddamento per immersione della batteria è un approccio di gestione termica della batteria che immerge completamente l'intero pacco batteria in un ambiente non conduttivo, refrigerante dielettrico non infiammabile. Elimina gli scambiatori di calore a piastre raffreddati a liquido, realizzando invece lo scambio termico tramite diretto, contatto con la massima superficie tra la batteria e il liquido di raffreddamento. Ciò sfrutta l'elevata conduttività termica e la fluidità del liquido per assorbire rapidamente il calore, consentendo così un controllo più efficiente della temperatura della batteria.

Diagramma schematico del raffreddamento ad immersione della batteria

In base al fatto che il liquido di raffreddamento subisca un cambiamento di fase, può essere classificato in due tipi:

1. Raffreddamento con batteria ad immersione monofase: Il calore generato dalla batteria viene assorbito dal liquido di raffreddamento circostante, che non subisce un cambiamento di fase (i.e., rimane liquido ovunque). Il liquido di raffreddamento riscaldato viene fatto circolare tramite una pompa elettrica verso uno scambiatore di calore esterno, dove il calore viene dissipato nell'aria ambiente o in un altro sistema di raffreddamento a liquido. Dopo il raffreddamento, ricircola nuovamente nel contenitore della batteria.

2. Raffreddamento con batteria ad immersione bifase: Utilizza un liquido refrigerante speciale con un basso punto di ebollizione. Quando la batteria genera calore, il liquido refrigerante a contatto assorbe il calore e subisce una transizione di fase (i.e., vaporizza allo stato gassoso). Questo processo di transizione di fase assorbe una quantità significativa di calore con alta efficienza. Il vapore del liquido refrigerante risultante sale verso un condensatore nella parte superiore del serbatoio, dove si riconverte allo stato liquido e gocciola nuovamente, completare un ciclo naturale. Caratteristiche: Gestione termica estremamente efficiente senza richiedere il funzionamento della pompa. Al contrario, il sistema richiede standard più elevati per l'integrità della tenuta e il controllo della pressione, rendendolo tecnicamente più complesso e costoso.

Vantaggi principali del raffreddamento a immersione della batteria

1. Dissipazione efficiente del calore: La conduttività termica del liquido è 5-10 volte quello dell'aria, rimuovendo rapidamente il calore della batteria e sopprimendo l'aumento della temperatura.

2. Eccellente uniformità della temperatura: Il liquido copre completamente la superficie della batteria, riducendo al minimo gli hotspot locali. I test dimostrano che il raffreddamento per immersione mantiene le differenze di temperatura massime entro 1°C, rispetto ai 3-5°C del raffreddamento a liquido Cold Plate. Questo è fondamentale per prolungare la durata della batteria e migliorare la sicurezza, potenzialmente aumentando la durata della vita di 10%-30%.

3. Maggiore sicurezza: Il liquido refrigerante possiede proprietà ignifughe, isola l'ossigeno, assorbe rapidamente il calore durante la fuga termica, e sopprime la propagazione della fiamma, riducendo la probabilità di incendio di oltre 80%.

4. Elevato utilizzo dello spazio: Elimina i piatti freddi, tubazioni, e altre strutture, rendendolo adatto per layout di batterie ad alta densità. Aumenta la capacità della batteria del 20%-30% all'interno dello stesso volume.

Scenari applicativi

1. Veicoli elettrici ad alte prestazioni (Veicoli elettrici): La soluzione attuale rimane nella fase di prova di concetto, soprattutto a causa del suo costo elevato. L'applicazione principale esplorata sono le corse ad alte prestazioni, dove la gestione termica e i requisiti di sicurezza superano le considerazioni sui costi.

2. Sistemi di accumulo dell'energia (ESS): Questa rappresenta l'applicazione più promettente per il raffreddamento ad immersione della batteria. Gli impianti di stoccaggio dell’energia su larga scala danno priorità alla sicurezza come principale ancora di salvezza. Il raffreddamento per immersione risolve efficacemente le sfide critiche nella dissipazione del calore e nella propagazione dell'instabilità termica. Leader del settore come CATL e Tesla stanno sviluppando e implementando attivamente le tecnologie correlate.

3. Centri dati: In scenari che richiedono estrema affidabilità, il raffreddamento ad immersione offre un ambiente operativo più stabile e sicuro.

Scenario di raffreddamento per immersione della batteria

Il sistema di raffreddamento ad immersione della batteria è pratico?

Ho già accennato in precedenza ai suoi vantaggi principali. Ha raggiunto prestazioni di alto livello nella velocità di dissipazione del calore, uniformità della temperatura, sicurezza, e utilizzo dello spazio. Tuttavia, rimane nelle fasi di applicazione dimostrativa e di commercializzazione iniziale, privo di larga scala, validazione del mercato a lungo termine. Le tre questioni principali sono:

1. Costo estremamente elevato, poiché il liquido refrigerante stesso è costoso.

2. Requisiti di tenuta del sistema impegnativi: Richiede pacchi batteria completamente sigillati, imponendo requisiti rigorosi sui materiali e sui processi di produzione.

3. Manutenzione complessa e impegnativa: Il monitoraggio regolare delle condizioni del liquido refrigerante richiede personale specializzato. Inoltre, le procedure di riparazione e le operazioni di sostituzione del liquido refrigerante sono estremamente complesse quando si verificano problemi.

In sintesi, Il raffreddamento a immersione della batteria è una tecnologia con prestazioni eccezionali ma condizioni incomplete per un’adozione diffusa. Mentre offre vantaggi importanti in termini di prestazioni e sicurezza assolute, i suoi costi elevati e le sfide irrisolte della produzione di massa limitano l’applicazione su larga scala. Di conseguenza, non è ancora ampiamente utilizzato nel settore commerciale. Il sistema di gestione termica della batteria attualmente ampiamente utilizzato nel settore commerciale è il raffreddamento a liquido della batteria.

Cos'è un sistema di raffreddamento a liquido della batteria?

UN sistema di raffreddamento a liquido della batteria fa circolare il liquido refrigerante attraverso le piastre di raffreddamento a liquido all'interno del pacco batteria per assorbire il calore generato dalle celle. Questo calore viene poi trasferito ad un radiatore situato nella parte anteriore o laterale del veicolo. Successivamente il radiatore scambia calore con l'aria esterna tramite ventilatori. Ciò costituisce un sistema di scambio termico secondario.

I sistemi di raffreddamento a liquido rappresentano l’opzione commerciale più matura oggi disponibile. Raggiungono l'equilibrio ottimale tra i costi, affidabilità, e sicurezza. Per il prossimo 5-10 anni, rimarranno la scelta preferita per la maggior parte dei veicoli elettrici commerciali.

TKT Sistema di raffreddamento a liquido della batteria

Per un confronto più intuitivo, Ho compilato per te una tabella comparativa dettagliata:

Tipo di sistema	Sistema di raffreddamento a liquido della batteria	Sistema di raffreddamento ad immersione della batteria
Principio di funzionamento	Raffreddamento indiretto: Il liquido refrigerante scorre attraverso i canali nella piastra di raffreddamento a liquido, scambiando calore con la batteria tramite la piastra metallica.	Raffreddamento diretto: La batteria è direttamente immersa nel refrigerante dielettrico, consentendo il massimo scambio termico della superficie.
Efficienza di raffreddamento	Alto, soddisfare le esigenze della maggior parte dei veicoli elettrici attuali.	Eccezionalmente alto, di gran lunga superiore al raffreddamento a liquido.
Uniformità della temperatura	Bene, ma esistono ancora leggere variazioni di temperatura tra le diverse aree della cella.	Eccellente, con raffreddamento uniforme in tutta la cella e differenze di temperatura minime.
Sicurezza	Alto: Si basa sul BMS e sul design di rilevamento della fuga termica.	Estremamente alto: Il refrigerante stesso non è infiammabile e sopprime efficacemente la diffusione della fuga termica.
Complessità del sistema	Da moderato ad alto: Richiede un sistema complesso che include una piastra di raffreddamento a liquido, pompa dell'acqua, tubo, radiatore, eccetera.	Parzialmente semplice, Parzialmente complesso: Elimina alcuni componenti, ma presenta un design complesso di guarnizioni e scambiatore di calore esterno.
Costo	Moderare: Tecnologia matura, filiera consolidata, costi controllabili.	Molto alto: Liquido refrigerante costoso, costosi processi di sigillatura, costi complessivi potenzialmente molte volte superiori rispetto al raffreddamento a liquido.
Riparabilità	Bene: Sono in atto procedure di riparazione e catena di fornitura consolidate.	Povero: Le riparazioni richiedono la manipolazione del liquido refrigerante, implicano procedure complesse, e richiedono la restituzione al produttore originale per l'assistenza.
Applicazioni primarie	Ampiamente applicato in quasi tutti i settori, compresi i veicoli passeggeri, veicoli commerciali, e accumulo di energia.	Veicoli ad alte prestazioni e sistemi di accumulo di energia premium attualmente in fase dimostrativa.
Maturità tecnologica	Altamente maturo: Convalidato attraverso oltre un decennio di implementazione sul mercato su larga scala.	Fase iniziale: Transizione dai test di laboratorio alle applicazioni dimostrative, privi di validazione a lungo termine.

Riepilogo

Il raffreddamento delle batterie a immersione è una tecnologia lungimirante pronta per il futuro, avendo raggiunto il tetto in termini di prestazioni e sicurezza assolute. Tuttavia, Rimangono numerose sfide prima della sua adozione diffusa.

1. Riduzione significativa dei costi per liquidi refrigeranti e altri materiali.

2. Risoluzione di sfide ingegneristiche come la tecnologia di tenuta e soluzioni di manutenzione.

3. Convalida del mercato testando il feedback in diverse condizioni climatiche e ambienti stradali.

Una volta superati questi ostacoli, questa tecnologia spingerà la nuova industria energetica verso una maggiore efficienza e sicurezza. Guardiamo insieme al futuro.