Le batterie, in quanto principale fonte di energia dei veicoli a energia alternativa, rivestono un'importanza fondamentale. Durante l'utilizzo effettivo del veicolo, le batterie sono soggette a condizioni operative complesse e variabili. Per massimizzare l'autonomia, è necessario integrare il maggior numero possibile di batterie in uno spazio limitato, il che rende lo spazio disponibile per il pacco batterie molto ristretto. Durante il funzionamento del veicolo, la batteria genera una notevole quantità di calore, che si accumula nel tempo in uno spazio relativamente ristretto. A causa dell'elevata densità di celle all'interno del pacco, la dissipazione del calore nella zona centrale risulta difficoltosa, accentuando le differenze di temperatura tra le celle. Ciò riduce l'efficienza di carica e scarica della batteria, compromettendone la potenza e causando un'instabilità termica che può incorrere in problemi di sicurezza e durata del sistema.
La temperatura della batteria ha una grande influenza sulle sue prestazioni, sulla durata e sulla sicurezza. A basse temperature, la resistenza interna delle batterie agli ioni di litio aumenta e la capacità diminuisce. In casi estremi, l'elettrolita congela e la batteria non può essere scaricata. Le prestazioni del sistema batteria a basse temperature ne risentono notevolmente, con conseguente calo delle prestazioni di potenza dei veicoli elettrici, riduzione dell'autonomia e decadimento della capacità. Quando si caricano veicoli elettrici a basse temperature, il sistema di gestione della batteria (BMS) riscalda generalmente la batteria a una temperatura adeguata prima della ricarica. Se non viene gestito correttamente, si può verificare un sovraccarico di tensione istantaneo, con conseguente cortocircuito interno e possibili conseguenze come fumo, incendio o persino esplosione. Il problema della sicurezza della ricarica a basse temperature del sistema batteria dei veicoli elettrici limita notevolmente la diffusione dei veicoli elettrici nelle regioni fredde.
La gestione termica della batteria è una delle funzioni più importanti del BMS (Battery Management System), principalmente per mantenere il pacco batteria sempre entro un intervallo di temperatura appropriato, in modo da preservarne le migliori condizioni operative. La gestione termica della batteria comprende principalmente le funzioni di raffreddamento, riscaldamento e equalizzazione della temperatura. Le funzioni di raffreddamento e riscaldamento vengono regolate principalmente in base al possibile impatto della temperatura ambiente esterna sulla batteria. L'equalizzazione della temperatura viene utilizzata per ridurre la differenza di temperatura all'interno del pacco batteria e prevenire il rapido deterioramento causato dal surriscaldamento di una determinata parte della batteria.
In generale, i sistemi di raffreddamento delle batterie si dividono principalmente in tre categorie: raffreddamento ad aria, raffreddamento a liquido e raffreddamento diretto. Il raffreddamento ad aria sfrutta il vento naturale o l'aria fresca presente nell'abitacolo per far circolare il fluido refrigerante sulla superficie della batteria, consentendo lo scambio termico e il raffreddamento. Il raffreddamento a liquido, invece, utilizza generalmente una tubazione dedicata per riscaldare o raffreddare la batteria. Attualmente, questo metodo è il più diffuso. Ad esempio, Tesla e Volt utilizzano questo sistema. Il raffreddamento diretto, infine, elimina la necessità di una tubazione per il refrigerante e utilizza direttamente il refrigerante per raffreddare la batteria.
1. Sistema di raffreddamento ad aria:
Nelle prime batterie di potenza, a causa della loro piccola capacità e densità energetica, molte batterie di potenza venivano raffreddate mediante raffreddamento ad aria. Raffreddamento ad aria (Riscaldatore ad aria PTC) è suddiviso in due categorie: raffreddamento ad aria naturale e raffreddamento ad aria forzata (tramite ventola), e utilizza il vento naturale o l'aria fredda nell'abitacolo per raffreddare la batteria.
Esempi tipici di sistemi di raffreddamento ad aria sono la Nissan Leaf, la Kia Soul EV, ecc.; attualmente, le batterie da 48 V dei veicoli micro-ibridi da 48 V sono generalmente collocate nell'abitacolo e raffreddate ad aria. La struttura del sistema di raffreddamento ad aria è relativamente semplice, la tecnologia è relativamente matura e il costo è contenuto. Tuttavia, a causa della limitata quantità di calore dissipata dall'aria, la sua efficienza di scambio termico è bassa, l'uniformità della temperatura interna della batteria non è ottimale ed è difficile ottenere un controllo più preciso della temperatura della batteria. Pertanto, il sistema di raffreddamento ad aria è generalmente adatto a situazioni con autonomia limitata e peso del veicolo ridotto.
È opportuno precisare che, per un sistema di raffreddamento ad aria, la progettazione dei condotti dell'aria gioca un ruolo fondamentale nell'efficacia del raffreddamento. I condotti dell'aria si dividono principalmente in condotti in serie e condotti in parallelo. La struttura in serie è semplice, ma presenta una maggiore resistenza; la struttura in parallelo è più complessa e occupa più spazio, ma garantisce una migliore uniformità nella dissipazione del calore.
2. Sistema di raffreddamento a liquido
La modalità di raffreddamento a liquido significa che la batteria utilizza un liquido di raffreddamento per scambiare calore (Riscaldatore del liquido di raffreddamento PTCIl liquido di raffreddamento può essere suddiviso in due tipi: quelli che possono entrare in contatto diretto con la cella della batteria (olio di silicone, olio di ricino, ecc.) e quelli che entrano in contatto con la cella della batteria (acqua e glicole etilenico, ecc.) attraverso canali d'acqua; attualmente, la soluzione mista di acqua e glicole etilenico è la più utilizzata. Il sistema di raffreddamento a liquido generalmente aggiunge un refrigeratore da accoppiare al ciclo di refrigerazione e il calore della batteria viene rimosso attraverso il refrigerante; i suoi componenti principali sono il compressore, il refrigeratore e ilpompa dell'acqua elettricaIl compressore, in quanto fonte di energia per la refrigerazione, determina la capacità di scambio termico dell'intero sistema. Il refrigeratore funge da scambiatore tra il refrigerante e il liquido di raffreddamento, e la quantità di calore scambiato determina direttamente la temperatura del liquido di raffreddamento. La pompa dell'acqua determina la portata del refrigerante nelle tubazioni. Maggiore è la portata, migliori sono le prestazioni di scambio termico, e viceversa.
Data di pubblicazione: 9 agosto 2024
