Una delle tecnologie chiave dei veicoli a energia alternativa è rappresentata dalle batterie. La qualità delle batterie determina, da un lato, il costo dei veicoli elettrici e, dall'altro, la loro autonomia. Si tratta di un fattore cruciale per l'accettazione e la rapida diffusione di questi veicoli.
In base alle caratteristiche di utilizzo, ai requisiti e ai campi di applicazione delle batterie, le tipologie di batterie oggetto di ricerca e sviluppo a livello nazionale e internazionale sono, in linea generale, le seguenti: batterie al piombo-acido, batterie al nichel-cadmio, batterie al nichel-metallo idruro, batterie agli ioni di litio, celle a combustibile, ecc., tra le quali lo sviluppo delle batterie agli ioni di litio riceve la maggiore attenzione.
comportamento di generazione di calore della batteria di alimentazione
La fonte di calore, la velocità di generazione del calore, la capacità termica della batteria e altri parametri correlati del modulo batteria sono strettamente legati alla natura della batteria stessa. Il calore rilasciato dalla batteria dipende dalla natura e dalle caratteristiche chimiche, meccaniche ed elettriche della batteria, in particolare dalla natura della reazione elettrochimica. L'energia termica generata nella reazione della batteria può essere espressa dal calore di reazione Qr; la polarizzazione elettrochimica fa sì che la tensione effettiva della batteria si discosti dalla sua forza elettromotrice di equilibrio, e la perdita di energia causata dalla polarizzazione della batteria è espressa da Qp. Oltre alla reazione della batteria che procede secondo l'equazione di reazione, ci sono anche alcune reazioni secondarie. Le reazioni secondarie tipiche includono la decomposizione dell'elettrolita e l'autoscarica della batteria. Il calore di reazione secondaria generato in questo processo è Qs. Inoltre, poiché ogni batteria avrà inevitabilmente una resistenza, verrà generato calore Joule Qj quando passa la corrente. Pertanto, il calore totale di una batteria è la somma del calore dei seguenti aspetti: Qt = Qr + Qp + Qs + Qj.
A seconda dello specifico processo di carica (scarica), i principali fattori che causano la generazione di calore nella batteria sono diversi. Ad esempio, durante una normale carica, il fattore dominante è Qr; nella fase successiva della carica, a causa della decomposizione dell'elettrolita, iniziano a verificarsi reazioni secondarie (il calore generato da queste reazioni secondarie è Qs). Quando la batteria è quasi completamente carica o sovraccarica, ciò che accade principalmente è la decomposizione dell'elettrolita, dove Qs diventa dominante. Il calore Joule Qj dipende dalla corrente e dalla resistenza. Il metodo di carica comunemente utilizzato viene effettuato a corrente costante e in questo caso Qj assume un valore specifico. Tuttavia, durante l'avviamento e l'accelerazione, la corrente è relativamente elevata. Per i veicoli ibridi (HEV), ciò equivale a una corrente da decine a centinaia di ampere. In queste condizioni, il calore Joule Qj è molto elevato e diventa la principale fonte di dissipazione del calore della batteria.
Dal punto di vista della controllabilità della gestione termica, i sistemi di gestione termica possono essere suddivisi in due tipi: attivi e passivi. Dal punto di vista del fluido termovettore, i sistemi di gestione termica possono essere suddivisi in: sistemi di raffreddamento ad aria, sistemi di raffreddamento a liquido e sistemi di accumulo termico a cambiamento di fase.
Gestione termica con l'aria come mezzo di trasferimento del calore
Il mezzo di trasferimento del calore ha un impatto significativo sulle prestazioni e sui costi del sistema di gestione termica. L'utilizzo dell'aria come mezzo di trasferimento del calore consiste nell'introdurla direttamente e farla fluire attraverso il modulo batteria per dissipare il calore. Generalmente, sono necessari ventilatori, sistemi di ventilazione in ingresso e in uscita e altri componenti.
In base alle diverse fonti di immissione dell'aria, si possono generalmente distinguere le seguenti forme:
1 Raffreddamento passivo con ventilazione ad aria esterna
2. Raffreddamento/riscaldamento passivo per la ventilazione dell'abitacolo
3. Raffreddamento/riscaldamento attivo dell'aria esterna o dell'aria dell'abitacolo
La struttura del sistema passivo è relativamente semplice e sfrutta direttamente l'ambiente circostante. Ad esempio, se in inverno è necessario riscaldare la batteria, si può utilizzare l'aria calda presente nell'abitacolo per aspirare aria fredda. Se durante la guida la temperatura della batteria è troppo elevata e l'aria nell'abitacolo non è sufficientemente fredda, si può aspirare aria fredda dall'esterno per raffreddarla.
Per il sistema attivo, è necessario predisporre un sistema separato per fornire funzioni di riscaldamento o raffreddamento, controllabile in modo indipendente in base allo stato della batteria, il che comporta un aumento del consumo energetico e dei costi del veicolo. La scelta del sistema più adatto dipende principalmente dalle esigenze di utilizzo della batteria.
Gestione termica con liquidi come mezzo di trasferimento del calore
Per il trasferimento di calore con un liquido come mezzo, è necessario stabilire una comunicazione termica tra il modulo e il mezzo liquido, come ad esempio una camicia d'acqua, per condurre il riscaldamento e il raffreddamento indiretti per convezione e conduzione termica. Il mezzo di trasferimento del calore può essere acqua, glicole etilenico o persino un refrigerante. Esiste anche il trasferimento di calore diretto immergendo il polo nel liquido dielettrico, ma è necessario adottare misure di isolamento per evitare cortocircuiti.
Il raffreddamento passivo a liquido utilizza generalmente uno scambio termico tra liquido e aria ambiente e introduce poi dei condensatori nella batteria per uno scambio termico secondario, mentre il raffreddamento attivo utilizza scambiatori di calore tra il liquido di raffreddamento del motore e il fluido refrigerante, oppure riscaldamento elettrico/olio termico per ottenere il raffreddamento primario. Riscaldamento, raffreddamento primario con fluido refrigerante liquido per l'aria dell'abitacolo/condizionatore d'aria.
Il sistema di gestione termica con aria e liquido come mezzo richiede ventilatori, pompe dell'acqua, scambiatori di calore, riscaldatori (Riscaldatore ad aria PTC), condotte e altri accessori per rendere la struttura troppo grande e complessa, e inoltre consuma energia della batteria, la densità di potenza dell'array e la densità di energia della batteria sono ridotte.
(Liquido di raffreddamento PTCstufaIl sistema di raffreddamento a batteria ad acqua utilizza un refrigerante (50% acqua/50% glicole etilenico) per trasferire il calore dalla batteria al sistema di refrigerazione dell'aria condizionata attraverso il raffreddatore della batteria, e quindi all'ambiente attraverso il condensatore. La temperatura dell'acqua importata può facilmente raggiungere una temperatura inferiore dopo lo scambio termico con il raffreddatore della batteria, e la batteria può essere regolata per funzionare nell'intervallo di temperatura di lavoro ottimale; il principio del sistema è mostrato in figura. I componenti principali del sistema di refrigerazione includono: condensatore, compressore elettrico, evaporatore, valvola di espansione con valvola di intercettazione, raffreddatore della batteria (valvola di espansione con valvola di intercettazione) e tubazioni dell'aria condizionata, ecc.; il circuito dell'acqua di raffreddamento include:pompa dell'acqua elettrica, batteria (incluse le piastre di raffreddamento), dissipatori per batterie, tubi dell'acqua, vasi di espansione e altri accessori.
Data di pubblicazione: 13 luglio 2023
