Soluzioni di gestione termica per sistemi a batteria

Non c'è dubbio che la temperatura abbia un impatto cruciale sulle prestazioni, la durata e la sicurezza delle batterie. In generale, ci si aspetta che il sistema di batterie funzioni in un intervallo di temperatura compreso tra 15 e 35 °C, al fine di ottenere la migliore potenza in uscita e in ingresso, la massima energia disponibile e la più lunga durata del ciclo di vita (sebbene la conservazione a bassa temperatura possa prolungare la durata della batteria, non ha molto senso praticarla nelle applicazioni, e le batterie sono molto simili alle persone sotto questo aspetto).

Attualmente, la gestione termica dei sistemi di batterie di potenza può essere suddivisa principalmente in quattro categorie: raffreddamento naturale, raffreddamento ad aria, raffreddamento a liquido e raffreddamento a corrente continua. Tra queste, il raffreddamento naturale è un metodo di gestione termica passivo, mentre il raffreddamento ad aria, il raffreddamento a liquido e il raffreddamento a corrente continua sono metodi attivi. La principale differenza tra questi tre risiede nel 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 in futuro BYD passerà al raffreddamento a liquido per i modelli che utilizzano batterie ternarie.

· Raffreddamento ad aria (Riscaldatore ad 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 e 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. In passato, molti modelli elettrici giapponesi e coreani utilizzavano soluzioni di raffreddamento ad aria.

· Raffreddamento a liquido
Il raffreddamento a liquido utilizza l'antigelo (come il glicole etilenico) come mezzo di trasferimento del calore. In genere, nella soluzione sono presenti diversi circuiti di scambio termico. Ad esempio, VOLT ha un circuito radiatore, un circuito di condizionamento dell'aria (PTC Air Conditioning), e un circuito PTC (Riscaldatore del liquido di raffreddamento PTCIl sistema di gestione della batteria reagisce, si regola e commuta in base alla strategia di gestione termica. La Tesla Model S ha un circuito in serie con il 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 potenza 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 di gas

2. Condensatore secondario

3. Ventilatore del condensatore secondario

4. Ventilatore del condensatore a gas

5. Sensore di pressione del condizionatore (lato alta pressione)

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

7. Compressore del condizionatore d'aria elettronico

8. Sensore di pressione del condizionatore (lato bassa pressione)

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

10. Valvola di espansione (scambiatore di calore)

11. Valvola di espansione (evaporatore)

· Raffreddamento diretto
Il raffreddamento diretto utilizza un refrigerante (un materiale a cambiamento di fase) come mezzo di scambio termico. Il refrigerante è in grado di assorbire una grande quantità di calore durante il processo di transizione di fase gas-liquido. Rispetto ai refrigeranti tradizionali, l'efficienza del trasferimento di calore può essere triplicata, consentendo una sostituzione più rapida della batteria. 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 batterie è composto da centinaia di celle e un sensore di temperatura non può rilevarle tutte. Ad esempio, un modulo di una Tesla Model S contiene 444 batterie, ma sono previsti solo 2 punti di rilevamento della temperatura. Pertanto, è necessario garantire la massima uniformità possibile della temperatura della batteria attraverso un'adeguata progettazione della gestione termica. Una buona uniformità di temperatura è un prerequisito fondamentale per parametri prestazionali costanti come potenza, durata e stato di carica (SOC) della batteria.