Soluzioni di gestione termica per sistemi di batterie

Non c'è dubbio che il fattore temperatura abbia un impatto cruciale sulle prestazioni, la durata e la sicurezza delle batterie. In generale, ci aspettiamo che il sistema di batterie funzioni nell'intervallo 15~35°C, in modo da ottenere la migliore potenza in uscita e in ingresso, la massima energia disponibile e la più lunga durata del ciclo (sebbene lo stoccaggio a bassa temperatura possa prolungare la durata della batteria, non ha molto senso praticare lo stoccaggio a bassa temperatura in determinate applicazioni, e le batterie sono molto simili alle persone sotto questo aspetto).

Attualmente, la gestione termica del sistema di batterie di potenza può essere suddivisa principalmente in quattro categorie: raffreddamento naturale, raffreddamento ad aria, raffreddamento a liquido e raffreddamento diretto. Tra questi, il raffreddamento naturale è un metodo di gestione termica passivo, mentre il raffreddamento ad aria, il raffreddamento a liquido e la corrente continua sono attivi. La principale differenza tra questi tre sta nel diverso mezzo di scambio termico.

· Raffreddamento naturale
Il raffreddamento libero non prevede dispositivi aggiuntivi per lo scambio termico. Ad esempio, BYD ha adottato il raffreddamento naturale nei modelli Qin, Tang, Song, E6, Tengshi e altri che utilizzano celle LFP. Si prevede che il successivo BYD passerà al raffreddamento a liquido per i modelli che utilizzano batterie ternarie.

· Raffreddamento ad aria (Riscaldatore d'aria PTC)
Il raffreddamento ad aria utilizza l'aria come mezzo di trasferimento del calore. Esistono due tipi comuni. Il primo è chiamato raffreddamento ad aria passivo, che utilizza direttamente l'aria esterna per lo scambio termico. Il secondo tipo è il raffreddamento ad aria attivo, che può preriscaldare o raffreddare l'aria esterna prima che entri nel sistema di batterie. Inizialmente, molti modelli elettrici giapponesi e coreani utilizzavano soluzioni raffreddate ad aria.

· Raffreddamento a liquido
Il raffreddamento a liquido utilizza un antigelo (come il glicole etilenico) come mezzo di trasferimento del calore. Generalmente, la soluzione prevede diversi circuiti di scambio termico. Ad esempio, VOLT ha un circuito del radiatore e un circuito di condizionamento dell'aria (Condizionamento dell'aria PTC), e un circuito PTC (Riscaldatore del refrigerante PTC). Il sistema di gestione della batteria risponde, si regola e commuta in base alla strategia di gestione termica. La Tesla Model S ha un circuito in serie con il sistema di raffreddamento del motore. Quando la batteria deve essere riscaldata a bassa temperatura, il circuito di raffreddamento del motore è collegato in serie con il circuito di raffreddamento della batteria, e il motore può riscaldare la batteria. Quando la batteria di alimentazione è ad alta temperatura, il circuito di raffreddamento del motore e il circuito di raffreddamento della batteria vengono regolati in parallelo, e i due sistemi di raffreddamento dissipano il calore in modo indipendente.

1. Condensatore a gas

2. Condensatore secondario

3. Ventola del condensatore secondario

4. Ventilatore del condensatore a gas

5. Sensore di pressione del condizionatore d'aria (lato alta pressione)

6. Sensore di temperatura del condizionatore d'aria (lato alta pressione)

7. Compressore elettronico del condizionatore d'aria

8. Sensore di pressione del condizionatore d'aria (lato bassa pressione)

9. Sensore di temperatura del condizionatore d'aria (lato bassa pressione)

10. Valvola di espansione (raffreddatore)

11. Valvola di espansione (evaporatore)

· Raffreddamento diretto
Il raffreddamento diretto utilizza il refrigerante (materiale a cambiamento di fase) come mezzo di scambio termico. Il refrigerante può assorbire una grande quantità di calore durante il processo di transizione di fase gas-liquido. Rispetto al refrigerante, l'efficienza di trasferimento del calore può essere aumentata di oltre tre volte e la batteria può essere sostituita più rapidamente. Il calore all'interno del sistema viene dissipato. Il sistema di raffreddamento diretto è stato utilizzato nella BMW i3.

 

Oltre all'efficienza di raffreddamento, lo schema di gestione termica del sistema di batterie deve considerare la costanza della temperatura di tutte le batterie. Un PACCO ha centinaia di celle e il sensore di temperatura non può rilevarle tutte. Ad esempio, ci sono 444 batterie in un modulo di Tesla Model S, ma sono presenti solo 2 punti di rilevamento della temperatura. Pertanto, è necessario rendere la batteria il più possibile coerente attraverso la progettazione della gestione termica. Una buona costanza della temperatura è il prerequisito per parametri prestazionali costanti come potenza, durata e SOC della batteria.