Termisk styring av batterier
Hvorfor flytende kaldplater er avgjørende for EV-batterikjøling
Litium-ion-batterier har endret måten vi lagrer og bruker energi på. Fra elektriske kjøretøy og energilagringssystemer til industrielt utstyr og hurtig-ladeapplikasjoner, forventes batterier nå å levere høyere kraft, lengre driftstid og raskere ladehastighet.
Høyere energitetthet gir imidlertid en betydelig ingeniørutfordring: varme.
Hver batteripakke genererer varme under drift. Lading skaper varme. Utladning skaper varme. Applikasjoner med høy-effekt, spesielt rask lading og høy strømutladning, kan øke varmeutviklingen ytterligere.
Utfordringen er ikke bare å fjerne varme fra batteripakken. Den virkelige utfordringen er å holde hver battericelle innenfor et stabilt temperaturområde og samtidig minimere temperaturforskjeller mellom cellene.
Det er hertermisk batteristyringblir vesentlig.
Et effektivt termisk styringssystem bidrar til å forbedre batteriytelsen, forlenge levetiden, opprettholde ladeeffektiviteten og redusere sikkerhetsrisikoen. For moderneEV batterierog energilagringssystemer,væskekjøling med flytende kaldplater av aluminiumhar blitt en av de mest pålitelige løsningene.
Hvorfor batteritermisk styring er viktig
Litium-ion-batterier er svært følsomme for temperatur.
De fleste litium-ionceller fungerer mest effektivt innenfor et relativt smalt temperaturområde, vanligvis rundt 15 grader til 35 grader. Når batteritemperaturen beveger seg utenfor dette området, begynner den elektrokjemiske ytelsen å synke.
Et batteri termisk styringssystem (BTMS) er utformet for å kontrollere varmeutvikling, varmefjerning og temperaturfordeling gjennom hele batteripakken.
Et godt-utformet termisk styringssystem må nå tre hovedmål:
***Oppretthold cellene innenfor det optimale driftstemperaturområdet
*** Reduser temperaturforskjeller mellom individuelle celler
***Forhindr overoppheting under høy-drift
Dette er spesielt viktig ettersom batterisystemene blir kraftigere.
For eksempel kan en batteripakke for elektriske kjøretøy inneholde hundrevis eller til og med tusenvis av individuelle celler. Hvis noen celler fungerer betydelig varmere enn andre, kan hele batteripakken lide av ujevn aldring.
De varmeste cellene bestemmer vanligvis den generelle begrensningen til pakken.
Med andre ord er en batteripakke bare så sterk som dens svakeste termiske punkt.
Hva skjer når batteriene blir for varme?
Varme er en av de største faktorene som påvirker litium-ion-batteriets ytelse og levetid.
Når batteritemperaturen øker for mye, kan det oppstå flere problemer.
1. Raskere batterinedbrytning
Høye temperaturer akselererer uønskede kjemiske reaksjoner inne i litium-ionceller.
Over tid kan dette føre til:
>>>Redusert batterikapasitet
>>>Økt indre motstand
>>>Kortere sykluslevetid
>>>Lavere ladeeffektivitet
Et batteri som fungerer kontinuerlig ved høye temperaturer kan miste ytelsen mye raskere sammenlignet med et batteri som holdes under kontrollerte termiske forhold.
2. Økt sikkerhetsrisiko
Ekstrem overoppheting kan skape farlige forhold inne i litium-ionceller.
Når interne temperaturer stiger over sikre grenser, kan batterimaterialene bli ustabile. I alvorlige situasjoner kan dette utløse termisk løping, der varmegenerering blir selvopprettholdende- og sprer seg fra en celle til en annen.
Dette er grunnen til at det å forhindre overdreven varmeakkumulering er et grunnleggende krav i EV- og energilagringsbatteridesign.
3. Redusert ladeytelse
Hurtiglading legger betydelig termisk belastning på batteriene.
Under høy-strømlading beveger litiumioner seg raskt mellom elektrodene. Hvis varmen ikke kan fjernes effektivt, kan det hende at ladehastigheten må reduseres for å beskytte batteriets helse.
Dette skaper en direkte konflikt:
Kunder vil ha raskere lading.
Batteriingeniører trenger bedre varmekontroll.
Effektiv termisk styring hjelper til med å løse denne utfordringen ved å fjerne varme raskt og samtidig opprettholde stabile celletemperaturer.
Hvorfor temperaturuniformitet er like viktig
Mange tror batterikjøling kun handler om å senke temperaturen.
Temperaturensartethet er imidlertid like viktig.
En batteripakke kan inneholde hundrevis av celler koblet sammen. Hvis ett område av pakken fungerer varmere enn et annet område, vil disse cellene eldes annerledes.
For eksempel:
Varmere celler brytes ned raskere
Kjølere celler opprettholder bedre ytelse
Det overordnede batteristyringssystemet må begrense driften basert på de svakeste cellene
Derfor er målet for termisk batteristyring ikke bare:
"Gjør batteriet kjøligere."
Det virkelige målet er:
"Hold hver celle i drift ved en lignende og optimal temperatur."
Dette er en grunnflytende kjølesystemerhar blitt stadig mer vanlig i moderne batteripakker.
Luftkjøling vs flytende kjøling for batteripakker
Tidlige elektriske kjøretøy og batterisystemer med lav-effekt brukte ofte luftkjøling fordi det var enkelt, lett og billig.
Etter hvert som batteriets energitetthet og ladehastighet økte, begynte imidlertid tradisjonell luftkjøling å vise begrensninger.
Begrensninger for luftkjøling
Luft har relativt lav varmeledningsevne sammenlignet med flytende kjølevæske.
Selv med vifter og luftstrømkanaler, blir det vanskelig å fjerne store mengder varme fra tettpakkede batterimoduler.
Vanlige utfordringer inkluderer:
Ujevn kjøling mellom cellene
Begrenset kjølekapasitet
Større plassbehov
Høyere støy fra vifter
Vanskeligheter med å støtte hurtiglading
For applikasjoner med lav-effekt kan luftkjøling fortsatt være egnet.
Men forEV-batterier med høy-ytelseog energilagringssystemer, kreves det sterkere kjøleevne.
Hvorfor flytende kjøling har blitt den foretrukne løsningen
Væskekjølingbruker en kjølevæske, vanligvis en vann-glykolblanding, for å overføre varme fra battericellene.
Sammenlignet med luft har flytende kjølevæske:
*** Høyere varmekapasitet
***Bedre varmeledningsevne
*** Mer effektiv varmeoverføringsevne
A flytende kjøleplate for batteripakkerinstallert under eller ved siden av batterimoduler gir en direkte varmeoverføringsvei.
Battericelle
↓
Termisk grensesnittmateriale (TIM)
↓
↓
Kjølevæskekanal
↓
Eksternt kjølesystem
Denne utformingen gjør at varme kan fjernes mer effektivt samtidig som den opprettholder bedre temperaturuniform over hele batteripakken.
For moderne EV-batterier, energilagringssystemer og applikasjoner med høy-effekt,væskekjølinghar blitt den foretrukne tilnærmingen til termisk håndtering.
