Gestione termica della batteria
Perché le piastre fredde a liquido sono essenziali per il raffreddamento delle batterie dei veicoli elettrici
Le batterie agli ioni di litio-hanno cambiato il modo in cui immagazziniamo e utilizziamo l'energia. Dai veicoli elettrici e sistemi di stoccaggio dell'energia alle apparecchiature industriali e alle applicazioni di ricarica-rapida, ora ci si aspetta che le batterie forniscano maggiore potenza, tempi di funzionamento più lunghi e velocità di ricarica più elevate.
Tuttavia, una maggiore densità energetica comporta una sfida ingegneristica significativa: il calore.
Ogni pacco batteria genera calore durante il funzionamento. La ricarica crea calore. Lo scarico crea calore. Le applicazioni ad alta-potenza, in particolare la ricarica rapida e la scarica a corrente elevata, possono aumentare ulteriormente la generazione di calore.
La sfida non è semplicemente rimuovere il calore dalla batteria. La vera sfida è mantenere ogni cella della batteria entro un intervallo di temperatura stabile riducendo al minimo le differenze di temperatura tra le celle.
Questo è dovegestione termica della batteriadiventa essenziale.
Un efficace sistema di gestione termica aiuta a migliorare le prestazioni della batteria, prolungarne la durata, mantenere l'efficienza di ricarica e ridurre i rischi per la sicurezza. Per modernobatterie per veicoli elettricie sistemi di accumulo dell’energia,raffreddamento a liquido con piastre fredde a liquido in alluminioè diventata una delle soluzioni più affidabili.
Perché la gestione termica della batteria è importante
Le batterie agli ioni di litio- sono molto sensibili alla temperatura.
La maggior parte delle celle agli ioni di litio- funziona in modo più efficiente entro un intervallo di temperature relativamente ristretto, in genere compreso tra 15 e 35 gradi. Quando la temperatura della batteria esce da questo intervallo, le prestazioni elettrochimiche iniziano a diminuire.
Un sistema di gestione termica della batteria (BTMS) è progettato per controllare la generazione di calore, la rimozione del calore e la distribuzione della temperatura in tutto il pacco batteria.
Un sistema di gestione termica ben-progettato deve raggiungere tre obiettivi principali:
***Mantenere le celle entro l'intervallo di temperatura operativa ottimale
***Ridurre le differenze di temperatura tra le singole celle
***Previene il surriscaldamento durante il funzionamento ad alta-potenza
Ciò è particolarmente importante poiché i sistemi di batterie diventano più potenti.
Ad esempio, la batteria di un veicolo elettrico può contenere centinaia o addirittura migliaia di singole celle. Se alcune celle funzionano a temperature significativamente più elevate di altre, l'intero pacco batteria può subire un invecchiamento irregolare.
Le celle più calde determinano solitamente la limitazione complessiva del pacco.
In altre parole, la resistenza di un pacco batteria è pari al suo punto termico più debole.
Cosa succede quando le batterie si surriscaldano?
Il calore è uno dei fattori che incidono maggiormente sulle prestazioni e sulla durata della batteria agli ioni di litio-.
Quando la temperatura della batteria aumenta eccessivamente possono verificarsi diversi problemi.
1. Degrado più rapido della batteria
Le alte temperature accelerano le reazioni chimiche indesiderate all'interno delle celle agli ioni di litio.
Nel tempo, ciò può portare a:
>>>Capacità della batteria ridotta
>>>Maggiore resistenza interna
>>>Ciclo di vita più breve
>>>Minore efficienza di carica
Una batteria che funziona continuamente a temperature elevate può perdere prestazioni molto più velocemente rispetto a una batteria mantenuta in condizioni termiche controllate.
2. Maggiori rischi per la sicurezza
Il surriscaldamento estremo può creare condizioni pericolose all'interno delle celle agli ioni di litio-.
Quando la temperatura interna supera i limiti di sicurezza, i materiali della batteria potrebbero diventare instabili. In situazioni gravi, ciò può innescare un'instabilità termica, in cui la generazione di calore diventa autosufficiente-e si diffonde da una cella all'altra.
Questo è il motivo per cui prevenire l’eccessivo accumulo di calore è un requisito fondamentale nella progettazione dei veicoli elettrici e delle batterie di accumulo dell’energia.
3. Prestazioni di ricarica ridotte
La ricarica rapida sottopone le batterie a uno stress termico significativo.
Durante la carica ad alta-corrente, gli ioni di litio si muovono rapidamente tra gli elettrodi. Se il calore non può essere rimosso in modo efficace, potrebbe essere necessario ridurre la velocità di ricarica per proteggere la salute della batteria.
Ciò crea un conflitto diretto:
I clienti desiderano una ricarica più rapida.
Gli ingegneri delle batterie hanno bisogno di un migliore controllo del calore.
Una gestione termica efficiente aiuta a risolvere questa sfida rimuovendo rapidamente il calore mantenendo stabili le temperature delle celle.
Perché l'uniformità della temperatura è altrettanto importante
Molte persone pensano che il raffreddamento della batteria riguardi solo l’abbassamento della temperatura.
Tuttavia, l’uniformità della temperatura è altrettanto importante.
Un pacco batteria può contenere centinaia di celle collegate insieme. Se un’area del pacco funziona a temperature più elevate di un’altra area, quelle cellule invecchieranno in modo diverso.
Per esempio:
Le cellule più calde si degradano più velocemente
Le celle più fredde mantengono prestazioni migliori
Il sistema complessivo di gestione della batteria deve limitare il funzionamento in base alle celle più deboli
Pertanto, l’obiettivo della gestione termica della batteria non è semplicemente:
"Rendi la batteria più fredda."
Il vero obiettivo è:
"Mantieni ogni cella in funzione a una temperatura simile e ottimale."
Questo è uno dei motivisistemi di raffreddamento a liquidosono diventati sempre più comuni nei moderni pacchi batteria.
Raffreddamento ad aria vs raffreddamento a liquido per pacchi batteria
I primi veicoli elettrici e i sistemi di batterie a basso- consumo spesso utilizzavano il raffreddamento ad aria perché era semplice, leggero ed economico.
Tuttavia, con l’aumento della densità energetica della batteria e della velocità di ricarica, il tradizionale raffreddamento ad aria ha iniziato a mostrare dei limiti.
Limitazioni del raffreddamento ad aria
L'aria ha una conduttività termica relativamente bassa rispetto al liquido di raffreddamento.
Anche con ventole e canali per il flusso d'aria, diventa difficile rimuovere grandi quantità di calore da moduli batteria densamente imballati.
Le sfide comuni includono:
Raffreddamento non uniforme tra le celle
Capacità di raffreddamento limitata
Requisiti di spazio maggiori
Maggiore rumore da parte dei ventilatori
Difficoltà a supportare la ricarica rapida
Per le applicazioni a basso- consumo energetico, il raffreddamento ad aria potrebbe comunque essere adatto.
Ma perbatterie per veicoli elettrici-ad alte prestazionie sistemi di accumulo dell’energia, è necessaria una maggiore capacità di raffreddamento.
Perché il raffreddamento a liquido è diventato la soluzione preferita
Raffreddamento a liquidoutilizza un liquido refrigerante, generalmente una miscela di acqua-glicole, per trasferire il calore lontano dalle celle della batteria.
Rispetto all'aria, il liquido refrigerante ha:
***Maggiore capacità termica
***Migliore conduttività termica
***Capacità di trasferimento del calore più efficiente
A piastra di raffreddamento a liquido per pacchi batteriainstallato sotto o accanto ai moduli batteria fornisce un percorso diretto di trasferimento del calore.
Cella della batteria
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Materiale interfaccia termica (TIM)
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Canale del liquido di raffreddamento
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Sistema di raffreddamento esterno
Questo design consente di rimuovere il calore in modo più efficiente mantenendo al contempo una migliore uniformità della temperatura nel pacco batteria.
Per le moderne batterie dei veicoli elettrici, i sistemi di accumulo dell'energia e le applicazioni ad alta-potenza,raffreddamento a liquidoè diventato l’approccio di gestione termica preferito.
