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, theoretically uniform temperature distribution, and good cooling performance;
Svantaggi: Attualmente, the technology is not yet mature, and commercialisation is unlikely in the short term.

3. Integration: Shared Water-Cooled Cooling System

A plate heat exchanger is added and coupled to the air conditioning system. The batteries exchange heat with the coolant through the cooling plates. The cooled or heated coolant is pumped into the plate heat exchanger, where refrigerant flows into one side and coolant flows into the other. Heat is removed by the refrigerant, and the coolant flows out of the plate heat exchanger and back into the batteries, completando il ciclo.

Vantaggi: Compact structure, integrated battery heating components, high low-temperature start-up efficiency, excellent high-temperature cooling, and uniform temperature distribution.
Svantaggi: Multiple system components and complex control strategy.

4 Independent Battery Liquid Cooling System

When the battery needs cooling, it exchanges heat with the coolant through the cooling plate. The heated coolant is pumped into the plate heat exchanger by an electronic water pump. Inside the plate heat exchanger, refrigerant flows into one side and coolant flows into the other, where heat is exchanged. The heat is removed by the refrigerant, and the coolant flows out of the plate heat exchanger and back into the battery, completando il ciclo.
When the battery needs heating, the cooling circuit is closed and the PTC liquid heater is activated. The heated coolant is then fed into the battery, where it heats the battery through the cooling plate. The internal battery temperature is controlled by controlling the cooling circuit and the PTC liquid heater.

Vantaggi: Compact structure, integrated battery heating components, high low-temperature starting efficiency, excellent high-temperature cooling, and uniform temperature distribution.
Svantaggi: Multiple system components and complex control strategy.

The independent battery liquid cooling system consists of a compressor, condensatore, valvola di espansione, Scambiatore di calore, pompa elettronica dell'acqua, Riscaldatore di liquido PTC, serbatoio di espansione, e controllo elettrico.

Passive cooling systems include the following:

1. Phase Change Material Battery Thermal Management (PCM-BTM)

This system utilizes the latent heat properties of phase change materials (PCMs), absorbing or releasing heat through solid-liquid phase transitions. It transfers heat through the physical properties of the material, eliminating the energy consumption of active cooling systems.

Vantaggi: No energy consumption, consistent temperature.
Svantaggi: Heavy weight, short lifespan.

2. Heat Pipe Technology

Heat pipe technology is a highly efficient thermal conductivity element that utilizes phase change in liquids for heat transfer. It consists of a tube shell, a wick, and end caps. A negative pressure is created inside the tube and filled with a low-boiling-point liquid. When one end is heated, the liquid evaporates and vaporizes. The vapor flows to the cold end, condensing and releasing heat. The condensed liquid then flows back to the evaporating end through capillary action, forming a cycle.

Vantaggi: No energy consumption, uniform temperature.
Svantaggi: High cost and complex design. It is primarily used in spacecraft equipment.

BTMS: Focuses on temperature control and is an execution subsystem of BMS.
BMS: Covers four major functions: status monitoring, electrical control (i.e., charging and discharging logic), thermal control (i.e., BTMS), and safety protection (insulation detection).In sintesi, the two systems collaborate to manage thermal control in electric vehicles by exchanging data and commands via the CAN bus. BTMS is the core subsystem of BMS, responsible for thermal safety boundary control. Without BMS and BTMS, the risk of battery malfunction significantly increases.

Ethylene glycol water solution, fluorinated liquid, deionised water, mineral oil, nanofluids, eccetera.

The generation of heat during charging and discharging is an unavoidable physical and chemical phenomenon. This is due to energy losses during the conversion process and the characteristics of the internal materials.
1 Joule heat — When current flows through the resistive components inside the battery, electrical energy is converted into thermal energy, in accordance with Joule’s law: Qj = I²Rt.
2 Reaction heat — The entropy change heat generated when lithium ions are inserted into or removed from the electrode.
3 Polarisation heat — Heat generated due to additional energy consumption caused by the obstruction of charge transfer on the electrode surface.

Localised overheating inside the battery triggers a chain reaction of exothermic reactions. The temperature rises rapidly by several hundred degrees per second to over 800 gradi, accompanied by pressure relief valve discharge and fire.

An increase in temperature affects both the usable capacity and cycle life of batteries.

Cycle life:
As can be seen from the two graphs, temperature has a significant impact on battery life. For the same battery cell, at an ambient temperature of 23°C, the remaining capacity after 6,238 days is 80%. If the battery is exposed to an ambient temperature of 55°C, the remaining capacity reaches 80% after only 272 giorni. A temperature increase of 32°C results in a 95% reduction in cell lifespan. As shown in the graph, the higher the temperature, the more severe the degradation of battery lifespan.

Available Capacity:
As shown in the two graphs, temperature also significantly affects a battery’s available capacity. For the same cell type, when the remaining capacity is 90%, the output capacity at 25°C is 300 KWh, while at 35°C, the output capacity is only 163 KWh. A 10°C increase in temperature results in a 45% decrease in the cell’s usable capacity.
Riepilogo:
A basse temperature (<0°C), battery capacity drops by 30%–50%. This is due to increased electrolyte viscosity and reduced lithium-ion mobility. Ad alte temperature (>45°C), the cycle life accelerates and the risk of thermal runaway increases. This is due to the continuous thickening of the SEI film and the loss of active lithium. Further decomposition can lead to thermal runaway.
At temperature differences (>5°C), the effective capacity of the battery pack decreases by 10% A 30%. This is because the internal resistance of the battery is inconsistent, disrupting electrochemical consistency.

Attualmente, liquid cooling technology is the mainstream battery cooling method used in electric vehicles. It effectively balances heat dissipation efficiency, uniformità della temperatura, and cost. With breakthroughs in material innovation (such as nanofluids) and system integration (such as heat pump direct cooling), battery thermal management systems are evolving towards low energy consumption, lightweight design, and intelligent functionality. Forecasts suggest that the commercialisation of all-solid-state batteries by 2027 will drive contact-based phase-change cooling to become the mainstream. Tuttavia, these are merely predictions, and given the rapid pace of technological development worldwide, only by strengthening one’s own R&D capabilities can one keep pace with the times.
TKT è stata fondata nel 1998, and research and manufacturing of BTMS began in 2014. We have already collaborated with world-renowned automakers such as BYD and TATA Motors on customised development projects. If you are interested in battery thermal management, please feel free to leave a message for consultation.