Fornitore e produttore principale di soluzioni di gestione termica della batteria

Gestione termica della batteria (BTM) comporta la regolazione attiva o passiva della temperatura di un pacco batteria per mantenerlo entro l'intervallo operativo ideale compreso tra 10°C e 45°C. I requisiti tecnici più avanzati includono anche il controllo della differenza di temperatura tra ciascuna batteria nel pacco batteria al di sotto di 5°C. Le sue funzioni principali includono il raffreddamento, riscaldamento, e bilanciamento della temperatura, garantendo un funzionamento sicuro ed efficiente del pacco batteria in varie condizioni ambientali.

I suoi obiettivi principali sono:
1. Prevenire la fuga termica: Evitare temperature elevate che inneschino reazioni esotermiche a catena (come incendi o esplosioni);
2. Ottimizza le prestazioni della batteria: Riscaldare il pacco batteria a basse temperature per migliorare la capacità di scarica e raffreddarlo a temperature elevate per mantenere la potenza erogata;
3. Estendere la durata della batteria: Ridurre le fluttuazioni di temperatura che causano il degrado della batteria (come la placcatura al litio o l'ispessimento della pellicola SEI).

Le batterie di potenza sono la fonte di energia per i veicoli elettrici. Durante la carica e la scarica, le batterie stesse generano una notevole quantità di calore, portando ad un aumento della temperatura. Le temperature elevate possono influenzare varie caratteristiche della batteria, come la resistenza interna, voltaggio, stato di carica (Soc), capacità disponibile, efficienza di carica/scarica, e la durata della batteria.

Gli effetti termici della batteria influiscono anche sulla sicurezza del veicolo, prestazione, e la durata del ciclo della batteria. Approfondirò questi punti nelle sezioni seguenti, quindi continua a leggere. Perciò, la gestione termica della batteria è della massima importanza.

1 Precisione del controllo della temperatura: Ridurre al minimo le differenze di temperatura tra le singole celle all'interno del pacco batteria, con una differenza di temperatura massima di ≤5°C.
2 Controllo dell'intervallo di temperatura: Mantenere la temperatura del pacco batteria entro l'intervallo ottimale compreso tra 10 e 45°C.
3 Rapporto di efficienza energetica: Ridurre al minimo il consumo energetico del BTMS per ridurne l'impatto sull'autonomia del veicolo.
4 Soppressione della fuga termica: Il BTMS previene l’instabilità termica attraverso il monitoraggio della temperatura e il raffreddamento rapido, che è il fulcro della sicurezza.

Attualmente, la soluzione più affidabile e pratica per la gestione termica della batteria dei veicoli elettrici è la tecnologia di raffreddamento a liquido. Utilizzerò il raffreddamento a liquido come esempio per spiegare.

1. Assorbimento del calore (batteria → liquido di raffreddamento)
Il calore generato durante la carica e la scarica della batteria viene trasferito alla piastra di raffreddamento a liquido a contatto con la batteria tramite conduzione termica. Il liquido refrigerante scorre attraverso i microcanali all'interno della piastra di raffreddamento a liquido, assorbimento del calore attraverso lo scambio termico convettivo, provocando un aumento della temperatura del liquido di raffreddamento.
2. Trasferimento di calore (liquido di raffreddamento → radiatore)
Il liquido di raffreddamento riscaldato viene azionato da una pompa dell'acqua elettrica e trasportato attraverso i tubi al radiatore. Il radiatore dissipa il calore nell'ambiente attraverso il raffreddamento ad aria forzata, provocando una diminuzione della temperatura del liquido di raffreddamento.
3. Circolazione
Il liquido refrigerante raffreddato ritorna alla piastra di raffreddamento a liquido, formando una circolazione a circuito chiuso.

In sintesi, il suo principio di funzionamento si basa sui meccanismi fisici di conduzione del calore e scambio termico convettivo, raggiungimento dell'assorbimento, trasferire, e dissipazione del calore della batteria attraverso un sistema di raffreddamento a circuito chiuso.

Esistono vari tipi di BTMS, e diverse aziende hanno design diversi. Perciò, quelli che seguono sono solo i componenti chiave:
1 Mezzo di trasferimento del calore: aria, refrigerante, materiale a cambiamento di fase, eccetera.
2 Componenti dello scambio termico: radiatori, piastre di raffreddamento a liquido, tubi di calore, eccetera.
3 Unità di azionamento: pompe idrauliche elettriche, tifosi, vibratori elettromagnetici, eccetera.
4 Rilevamento e controllo: sensori di temperatura (monitoraggio delle temperature delle celle/moduli), Centraline BMS (regolazione della portata/velocità del ventilatore in base al feedback della temperatura)
5 Componenti accessori: Riscaldatori PTC, materiali isolanti, materiali di interfaccia termica, eccetera.

Generalmente, ci sono due tipi principali: raffreddamento attivo e raffreddamento passivo. La differenza principale è se si verifica il consumo di energia. Se si verifica un consumo di energia, è un raffreddamento attivo; se il consumo energetico è pari a zero, è un raffreddamento passivo.

Il sistema di raffreddamento attivo include quanto segue:

1. Sistema di raffreddamento raffreddato ad aria

Questo sistema utilizza principalmente il principio della convezione dell'aria per far circolare l'aria all'interno del vano batteria. L'aria circolante porta via il calore dalle batterie, abbassandone così la temperatura. Contemporaneamente, l'aria subisce un ulteriore scambio termico all'interno dell'evaporatore, dove il refrigerante evapora per ridurre la temperatura dell'aria circolante.Vantaggi: Struttura del sistema semplice, basso costo, e facile manutenzione.
Svantaggi: Scarse prestazioni di dissipazione del calore ad alta temperatura, bassa efficienza di avvio a bassa temperatura, e stabilità irregolare tra le batterie.

2. Sistema di raffreddamento diretto del refrigerante

Questo sistema sfrutta principalmente il principio del calore latente di evaporazione dei refrigeranti. All'interno del sistema di batterie è installato un sistema di climatizzazione, con piastre di raffreddamento installate all'interno del sistema di batterie. Il refrigerante evapora all'interno delle piastre di raffreddamento, rimozione rapida ed efficiente del calore dal sistema batteria per ottenere il raffreddamento.

Vantaggi: Struttura semplice, distribuzione della temperatura teoricamente uniforme, e buone prestazioni di raffreddamento;
Svantaggi: Attualmente, la tecnologia non è ancora matura, e la commercializzazione è improbabile a breve termine.

3. Integrazione: Sistema di raffreddamento condiviso raffreddato ad acqua

Uno scambiatore di calore a piastre viene aggiunto e accoppiato al sistema di climatizzazione. Le batterie scambiano calore con il liquido di raffreddamento attraverso le piastre di raffreddamento. Il liquido di raffreddamento raffreddato o riscaldato viene pompato nello scambiatore di calore a piastre, dove il refrigerante scorre da un lato e il refrigerante scorre dall'altro. Il calore viene rimosso dal refrigerante, e il liquido refrigerante esce dallo scambiatore di calore a piastre e ritorna nelle batterie, completando il ciclo.

Vantaggi: Struttura compatta, componenti di riscaldamento della batteria integrati, elevata efficienza di avviamento a bassa temperatura, eccellente raffreddamento ad alta temperatura, e distribuzione uniforme della temperatura.
Svantaggi: Componenti di sistema multipli e strategia di controllo complessa.

4 Sistema di raffreddamento a liquido della batteria indipendente

Quando la batteria necessita di raffreddamento, scambia calore con il liquido refrigerante attraverso la piastra di raffreddamento. Il liquido di raffreddamento riscaldato viene pompato nello scambiatore di calore a piastre da una pompa dell'acqua elettronica. All'interno dello scambiatore di calore a piastre, il refrigerante scorre in un lato e il refrigerante scorre nell'altro, dove avviene lo scambio termico. Il calore viene rimosso dal refrigerante, e il liquido di raffreddamento esce dallo scambiatore di calore a piastre e ritorna nella batteria, completando il ciclo.
Quando la batteria necessita di riscaldamento, il circuito frigorifero è chiuso e il riscaldatore di liquido PTC è attivato. Il liquido di raffreddamento riscaldato viene quindi immesso nella batteria, dove riscalda la batteria attraverso la piastra di raffreddamento. La temperatura interna della batteria è controllata controllando il circuito di raffreddamento e il riscaldatore di liquido PTC.

Vantaggi: Struttura compatta, componenti di riscaldamento della batteria integrati, elevata efficienza di avviamento a bassa temperatura, eccellente raffreddamento ad alta temperatura, e distribuzione uniforme della temperatura.
Svantaggi: Componenti di sistema multipli e strategia di controllo complessa.

Il sistema di raffreddamento a liquido della batteria indipendente è costituito da un compressore, condensatore, valvola di espansione, Scambiatore di calore, pompa elettronica dell'acqua, Riscaldatore di liquido PTC, serbatoio di espansione, e controllo elettrico.

I sistemi di raffreddamento passivo includono quanto segue:

1. Gestione termica della batteria con materiale a cambiamento di fase (PCM-BTM)

Questo sistema utilizza le proprietà del calore latente dei materiali a cambiamento di fase (PCM), assorbendo o rilasciando calore attraverso transizioni di fase solido-liquido. Trasferisce il calore attraverso le proprietà fisiche del materiale, eliminando il consumo energetico dei sistemi di raffreddamento attivi.

Vantaggi: Nessun consumo energetico, temperatura costante.
Svantaggi: Peso pesante, breve durata.

2. Tecnologia dei tubi di calore

La tecnologia dei tubi di calore è un elemento di conducibilità termica altamente efficiente che utilizza il cambiamento di fase nei liquidi per il trasferimento di calore. È costituito da un guscio tubolare, uno stoppino, e tappi terminali. All'interno del tubo viene creata una pressione negativa e riempito con un liquido a basso punto di ebollizione. Quando un'estremità è riscaldata, il liquido evapora e vaporizza. Il vapore scorre verso l'estremità fredda, condensando e rilasciando calore. Il liquido condensato rifluisce quindi all'estremità evaporante attraverso un'azione capillare, formando un ciclo.

Vantaggi: Nessun consumo energetico, temperatura uniforme.
Svantaggi: Costo elevato e design complesso. Viene utilizzato principalmente nelle apparecchiature dei veicoli spaziali.

BTMS: Si concentra sul controllo della temperatura ed è un sottosistema di esecuzione del BMS.
BMS: Copre quattro funzioni principali: monitoraggio dello stato, controllo elettrico (i.e., logica di carica e scarica), controllo termico (i.e., BTMS), e protezione della sicurezza (rilevamento dell'isolamento).In sintesi, i due sistemi collaborano per gestire il controllo termico nei veicoli elettrici scambiando dati e comandi tramite il bus CAN. Il BTMS è il sottosistema principale del BMS, responsabile del controllo del confine di sicurezza termica. Senza BMS e BTMS, il rischio di malfunzionamento della batteria aumenta notevolmente.

Soluzione acquosa di glicole etilenico, liquido fluorurato, acqua deionizzata, olio minerale, nanofluidi, eccetera.

La generazione di calore durante la carica e la scarica è un fenomeno fisico e chimico inevitabile. Ciò è dovuto alle perdite di energia durante il processo di conversione e alle caratteristiche dei materiali interni.
1 Calore Joule: quando la corrente scorre attraverso i componenti resistivi all'interno della batteria, l'energia elettrica viene convertita in energia termica, secondo la legge di Joule: Qj = I²Rt.
2 Calore di reazione: il calore di variazione entropica generato quando gli ioni di litio vengono inseriti o rimossi dall'elettrodo.
3 Calore di polarizzazione: calore generato a causa del consumo energetico aggiuntivo causato dall'ostruzione del trasferimento di carica sulla superficie dell'elettrodo.

Il surriscaldamento localizzato all'interno della batteria innesca una reazione a catena di reazioni esotermiche. La temperatura aumenta rapidamente di diverse centinaia di gradi al secondo fino a oltre 800 gradi, accompagnato da scarico della valvola limitatrice di pressione e incendio.

Un aumento della temperatura influisce sia sulla capacità utilizzabile che sulla durata delle batterie.

Ciclo di vita:
Come si può vedere dai due grafici, la temperatura ha un impatto significativo sulla durata della batteria. Per la stessa cella della batteria, ad una temperatura ambiente di 23°C, la capacità rimanente dopo 6,238 giorni è 80%. Se la batteria è esposta ad una temperatura ambiente di 55°C, la capacità rimanente raggiunge 80% solo dopo 272 giorni. Un aumento della temperatura di 32°C comporta a 95% riduzione della durata della vita cellulare. Come mostrato nel grafico, maggiore è la temperatura, tanto più grave è il degrado della durata della batteria.

Capacità disponibile:
Come mostrato nei due grafici, anche la temperatura influisce in modo significativo sulla capacità disponibile della batteria. Per lo stesso tipo di cellula, quando la capacità rimanente è 90%, la capacità di uscita a 25°C è 300 KWh, mentre a 35°C, la capacità di uscita è solo 163 KWh. Un aumento di 10°C della temperatura comporta a 45% diminuzione della capacità utilizzabile della cella.
Riepilogo:
A basse temperature (<0°C), la capacità della batteria diminuisce del 30%–50%. Ciò è dovuto all’aumento della viscosità dell’elettrolita e alla ridotta mobilità degli ioni di litio. Ad alte temperature (>45°C), la vita del ciclo accelera e aumenta il rischio di fuga termica. Ciò è dovuto al continuo ispessimento del film SEI e alla perdita di litio attivo. Un'ulteriore decomposizione può portare alla fuga termica.
A differenze di temperatura (>5°C), la capacità effettiva della batteria diminuisce di 10% A 30%. Questo perché la resistenza interna della batteria non è costante, alterando la consistenza elettrochimica.

Attualmente, La tecnologia di raffreddamento a liquido è il metodo di raffreddamento della batteria tradizionale utilizzato nei veicoli elettrici. Bilancia efficacemente l'efficienza di dissipazione del calore, uniformità della temperatura, e costo. Con scoperte rivoluzionarie nell’innovazione dei materiali (come i nanofluidi) e integrazione del sistema (come il raffreddamento diretto con pompa di calore), i sistemi di gestione termica delle batterie si stanno evolvendo verso un basso consumo energetico, design leggero, e funzionalità intelligente. Le previsioni suggeriscono che la commercializzazione delle batterie allo stato solido entro 2027 porterà il raffreddamento a cambiamento di fase basato sul contatto a diventare la corrente principale. Tuttavia, queste sono semplicemente previsioni, e dato il rapido ritmo dello sviluppo tecnologico in tutto il mondo, solo rafforzando la propria R&Le capacità D consentono di stare al passo con i tempi.
TKT è stata fondata nel 1998, e la ricerca e la produzione di BTMS sono iniziate nel 2014. Abbiamo già collaborato con case automobilistiche di fama mondiale come BYD e TATA Motors su progetti di sviluppo personalizzati. Se sei interessato alla gestione termica della batteria, non esitate a lasciare un messaggio per la consultazione.