A folyadékhűtés főként azáltal növeli az elektromos járművek használható hatótávolságát, hogy a cellákat egy szűk hőmérsékleti sávban tartja, és a cellák közötti különbségeket alacsonyan tartja. Nem ad hozzá energiát az akkumulátorhoz; a nyereség stabilizációs hatás. Az előny egy meghatározott hőútvonal mentén terjed: a hő elhagyja az egyes cellákat, áthalad egy hőátadó felületen, belép egy hideg lemezbe, és a keringő hűtőfolyadék elszállítja. Minden lépés egy mérnöki változó, amelyet az akkumulátorcsomag-csapat méretezhet és ellenőrizhet. Ez a cikk azt tárgyalja, hogy a folyadékhűtés hol helyezkedik el ebben az útvonalban, mikor van rá valójában szükség a léghűtés helyett, és hogyan alakul át az általa biztosított hőmérséklet-szabályozás a hatótávolsággá és a ciklusidővé. Nem foglalkozik a cellakémiával, az utastér HVAC-jával, valamint a merülő és a közvetlen hűtőközeg-architektúrákkal a rövid összehasonlításon túl.
Hogyan illeszkedik a folyadékhűtés a cellától a hűtőközegig terjedő hőútvonalhoz?
A folyadékhűtés úgy működik, hogy lerövidíti a cella és a hűtőközeg közötti hőellenállást, így a hőút dönti el, hogy egy terv sikeres-e. Egy akkumulátorcsomagban ez az út három határfelületen halad át, és mindegyik ellenállást eredményez: a cella burkolata és a réstöltő vagy határfelületi anyag között, a határfelület és a hideg lemezfal között, valamint a lemezfal és a mozgó hűtőközeg között. Bármely határfelület gyenge láncszeme lezárja az egész rendszert. Ezért a nagy vezetőképességű hűtőközeg önmagában nem garantálja a jó hűtést.
A hideglemez a hűtőfolyadék-hurokhoz csatlakoztatja a csomagot, és feladata a hő egyenletes elosztása és elvezetése, nem csak elszállítása. A csatornaelrendezés, a falvastagság és a modulokkal érintkező felület határozza meg, hogy mennyi hőt képes elvenni a lemez egy adott hűtőfolyadék-hőmérsékleten. Az Trumonytechs a következőképpen építi fel az útvonal ezen szakaszát: hűtőlemezek, amelyek közvetlenül a modulok alatt vagy között helyezkednek el, hogy a hűtőfolyadékot a cellák közelébe juttassák.
A hűtőközeg megválasztása határozza meg a fizikát az utolsó határfelületen. A víz-glikol keverékek térfogategységre vetítve sokkal jobban szállítják a hőt, mint a levegő. A víz fajhője nagyságrendileg négyszerese a levegőének, sűrűsége pedig nagyjából ezerszer nagyobb. Ez a térfogati előny az oka annak, hogy egy kompakt folyadékhurok képes olyan hőt elvezetni, amit egy nagy légcsatorna nem tud. Ez magyarázza azt is, hogy a levegő és a folyadék miért felel meg különböző hőterheléseknek, és miért nem felcserélhetők.
Léghűtés vs. folyadékhűtés: hol a határ
A léghűtés továbbra is a megfelelő választás, ha a folyamatos hőterhelés mérsékelt, és az akkumulátor energiafogyasztása alacsony, a folyadékhűtés pedig a hőterhelés és a töltési sebesség növekedésével egyre bonyolultabbá válik. Nincs egyetlen iparági átállási pont. A határ a csomag geometriájától, a légáramlási kapacitástól, a környezeti hőmérséklettől, a megengedett nyomáseséstől és a cellák közötti hőmérséklet-különbségtől függ, amelyet a terv elvisel. A döntő változók a tartós hőterhelés, a csúcs C-sebesség gyors töltés vagy nagy teljesítményű kisütés során, valamint ez a hőmérséklet-különbség célértéke. Mindegyiket ellenőrizze teszttel vagy szimulációval az adott csomag esetében.
A hőmérséklet-egyenletesség általában az a változó, ami kikényszeríti a váltást. A levegő nehezen tud kis szórást tartani egy sűrűn elhelyezett modulon keresztül, mivel a légáram felmelegszik haladás közben, és a kimenet közelében lévő cellák melegebbek, mint a bemenet közelében lévő cellák. Egy folyadékhurok kisebb térfogatban szűkebb szórást tud tartani, ami felszabadítja a csomagolási helyet és növelheti az energiasűrűséget. Ezek a csomagolási és egyenletességi előnyök a gyakorlati okok arra, hogy a csapat hurokra váltson, ha a levegő már nem tudja tartani a célzott szórást.
A folyadékhűtés költsége a tömeg, a vízvezeték-szerelés, a szivattyú és a szivárgáskezelési teher, ezért a hőmérsékleti célértéknek indokolnia kell azt, mielőtt bevezetnék. Hasznos gyakorlat, ha először a legrosszabb eseti kitöltési tényezőt ellenőrizzük. Egy olyan csomagnak, amely csak enyhe kisülést tapasztal, lehet, hogy soha nem lesz szüksége hurokra, míg egy ismételt DC gyorstöltésre specifikált csomagnak általában van. Az alábbi táblázat a döntési változókat keretezi, nem pedig a fix számokat, mivel a küszöbértékek a cellaformátumtól és a kitöltési tényezőtől függenek.
| Döntési változó | Léghűtés | Folyékony hűtés |
|---|---|---|
| Megfelelő hőterhelés | Alacsonyabb tartós terhelések | Nagyobb tartós terhelések |
| Sejtről sejtre hőmérséklet-eloszlás | Nehezebb szorosan tartani | Kisebb hangerővel is szorosabban tartható |
| Csomagolás / energiasűrűség | Légáramlási csatornákra van szükség | Kompaktabb hurok |
| A rendszer komplexitása és tömege | Alsó | Magasabb szintű (szivattyú, vízvezeték, szivárgásvezérlés) |
| Tipikus illeszkedés | Mérsékelt kitöltési ciklusok, alacsonyabb C-arány | Gyors töltés, nagy teljesítményű kisütés, nagy kapacitású akkumulátorok |
A hőmérséklet egyenletessége és miért befolyásolja az akkumulátor élettartamát
Az, hogy minden cella hőmérséklete közel azonos, legalább annyira fontos, mint az átlag, mivel a hőmérsékleti gradiens miatt a cellák eltérő ütemben öregednek, és ez az egész csomagot lehúzza. A lítium-ionos öregedés Arrhenius-típusú összefüggést követ, tehát a melegebb cella gyorsabban bomlik le. Az irodalomban gyakran idézett ökölszabály szerint az öregedési sebesség nagyjából megduplázódik minden 10°C-os emelkedés esetén a kényelmes sáv fölé. Amikor egyes cellák melegebbek, mint a szomszédaik, hamarabb veszítenek kapacitásukból, és a csomagot a leggyengébb cellák korlátozzák.
Az optimális üzemi ablakot általában 15°C és 35°C között adják meg, bár a publikált források eltérőek, és a pontos sáv a kémiától és attól függ, hogy a cél a csúcsteljesítmény vagy a minimális degradáció. A tervezési munka szempontjából a megvalósíthatóbb cél a szórás. Sok csomagoló csapat a cellák közötti különbséget körülbelül 5°C-on belül tartja, a szigorúbb tervek pedig 3°C-ot vagy kevesebbet céloznak meg. A hideglemez csatornatervezését ehhez az egyenletességi célhoz, nem pedig egyetlen alapértékhez viszonyítják.
Az egyenletesség ellenőrzése egy konkrét mérnöki lépés. A gyakorlati ellenőrzés lényege, hogy a hűtőfolyadék bemeneti és kimeneti végein a cellákat a legrosszabb eseti munkaciklus mellett mérik, majd megerősítik, hogy a mért szórás a célértéken belül marad-e, a szükséges tartalékkal. Ha nem, akkor a szokásos tényezők a hűtőfolyadék áramlási sebessége, a csatorna geometriája és a határfelület útvonala. Ezeket az alábbiakban mindegyiket megvizsgáljuk.
Hogyan növeli valójában a hűtés a használható hatótávolságot?
A hűtés közvetve növeli a hatótávolságot a kapacitás és a hatékonyság védelmével, és az őszinte kialakítás elválasztja ezt a valódi nyereséget a hűtőrendszer által felvett energiától. A cellák kényelmes tartományban tartása korlátozza a kapacitáscsökkenést és a hővel járó belső ellenállás növekedését. Az akkumulátor így élettartama alatt a névleges energiájának nagyobb részét megtartja, és hatékonyan leadja azt bármely adott meghajtón. Ez a mechanizmus áll a hatótávolság megtartása mögött, és ez teszi a hűtést az élettartam és a következetesség történetévé, nem pedig egy töltésenkénti hatótávolságról szóló címlapsztorivá.
Az ellensúly a parazita terhelés. A szivattyúk, ventilátorok és a hűtő ugyanabból az akkumulátorból nyerik az energiát, amelyet védenek, így egy túlméretezett vagy rosszul szabályozott hurok visszaadhatja a megszerzett tartomány egy részét. A hűtőfolyadék áramlásának növelése közvetlenül mutatja a feszültséget. A nagyobb áramlás javítja a hőátadást és az egyenletességet, de növeli a nyomásesést és a szivattyú teljesítményét is. Az áramlást ezért a célhőmérséklet-különbség és a megengedett nyomásesés alapján méretezik, majd a teljes üzemi ciklus alatt megerősítik. A jó kialakítások a mérő hűtését igény szerint végzik, ahelyett, hogy teljes teljesítményen működnének, és az elnyelt hőt egy radiátoron vagy egy... folyadék-levegő hőcserélő így a szivattyú lassabban működhet. A figyelendő változó a nettó energia: a hűtési előny mínusz a parazita fogyasztás, egy valós hajtási és töltési ciklus alatt mérve, nem egyetlen üzemi ponton.
A gyorstöltésnél mutatkozik meg leginkább a hatótávolság és a hűtés közötti kapcsolat. A nagy töltési áram gyorsan leadja a hőt, és megfelelő hőelvonás nélkül az akkumulátornak a biztonságos töltés érdekében szabályoznia kell a töltési sebességet. Ez meghosszabbítja a megállókat, és idővel a plusz hő felgyorsítja a kopást, ami csökkenti a hatótávolságot. A töltési ciklushoz méretezett hurok lehetővé teszi, hogy az akkumulátor a hőmérsékleti határain belül nagyobb áramot fogadjon, így a folyadékhűtés előnyei gyakran a töltőn ugyanúgy megmutatkoznak, mint útközben.
Hideglemezek és interfészanyagok integrálása a csomagba
A hőút csak annyira teljesít jól, mint a leggyengébb határfelülete, így a hideglemez és a megfelelő hővezető anyag integrálása az a pont, ahol a csomag szintű hűtés nyer vagy veszít. A cellák soha nem illeszkednek tökéletesen laposan a lemezhez, és a mechanikai tűréshatárok által hagyott légrések erős szigetelők. A hővezető anyag kitölti ezeket a réseket az érintkezési ellenállás csökkentése érdekében. Kiválasztása a rés méretétől, a csatlakozás síkfelületétől és összeszerelési feszültségétől, valamint attól függ, hogy az anyagnak kötésre is szüksége van-e, vagy újrafeldolgozhatónak kell maradnia.
A határfelületi anyagnak a cellaformátumhoz való illesztése biztosítja az útvonal egységességét a modulon keresztül. Egy nagy prizmás cellákból álló csomag eltérő síkfelületi és résviszonyokat mutat, mint a hengeres cellák, így a réskitöltő vastagságát és vezetőképességét ezekhez a feltételekhez igazítják, és nem másolják a tervek között. Az alkatrészmenüből hiányzik ez az integrációs nézet: a lemez, a határfelületi anyag és a cella geometriája egyetlen rendszerként működik, és... vezetésen alapuló hűtés csak akkor jut el hatékonyan a hűtőfolyadékhoz, ha mindhárom illeszkedik.
Az Trumonytechs ezt a szakaszt egy illesztett készletként közelíti meg, és mind a hideglemezeket, mind a cellák és a lemez között elhelyezkedő határfelületi anyagokat biztosítja. Egy mérnökcsapat számára az együttes tervezésük értéke egy olyan hőút, amelyet egyetlen rendszerként kezelnek, így az érintkezési ellenállást és a hőmérséklet-eloszlást a tervezési szándék határozza meg, majd a tényleges konstrukción végzett teszttel igazolják. Ahol egy adott rés, feszültség vagy kötési követelmény érvényesül, a határfelületi anyagot ezek alapján kell kiválasztani; egy termékcsalád-alapértelmezés ezeket nem veheti figyelembe.
Következtetés
A lényeg az, hogy a folyadékhűtés az akkumulátor stabilizálásával, nem pedig a táplálásával javítja az elektromos járművek hatótávolságát. Értéke a teljes cella-hűtőfolyadék hőútból adódik, nem pedig egyetlen alkatrészből. A léghűtés elegendő a mérsékelt, alacsony C-sebességű igénybevételhez. A folyadékhűtés akkor indokolt, ha a hőterhelés, a gyors töltési áram vagy a szűk cella-cella hőmérsékleti célérték meghaladja azt, amit egy adott légáramlási terv elbír. A leggyakoribb félreértés az, hogy a folyadékhűtést közvetlen hatótávolság-növelésnek tulajdonítják, amikor a valódi mozgatórugók a kapacitás megtartása az élettartam alatt, az állandó hatékonyság és a fojtás nélküli gyorstöltéshez szükséges mozgástér. A tervezőcsapat ezt úgy éri el, hogy először az egyenletességi célt rögzíti, majd validálja az áramlási sebességet, a lemezgeometriát és a hővezető felületet a legrosszabb esethez képest.
GYIK
Elegendő a léghűtés, vagy a gyorsan töltő akksikhoz mindig folyékony hűtőtányérokra van szükség?
A léghűtés elegendő lehet a mérsékelt hőterhelésű és alacsonyabb töltési sebességű akkumulátorok számára. Az ismételt egyenáramú gyorstöltés azonban gyakran a hőterhelést és a hőmérséklet-eloszlást túllépi azon, amit egy adott légáramlási terv kezelni tud. A döntő tényezők a legrosszabb esetben bekövetkező C-arány és a cellák közötti hőmérséklet-különbség, amelyet a tervnek el kell viselnie, ezért az ellenőrzés a legnehezebb kitöltési tényező, nem pedig az átlagos kitöltési tényező értékelése.
Mennyire kell egyenletesnek lennie a sejtek közötti hőmérsékletnek?
Sok akkumulátorcsomag-fejlesztő csapat körülbelül 5°C-on belüli cellák közötti hőmérséklet-különbséget céloz meg, míg a szigorúbb tervek 3°C-ot vagy kevesebbet céloznak meg, mivel az egyenetlen hőmérsékletek egyes cellákat gyorsabban öregítenek, és korlátozzák az egész csomag teljesítményét. A pontos célérték a cellaformátumtól és a kitöltési tényezőtől függ. Ezt a cellák hűtőfolyadék bemeneténél és kimeneténél a legrosszabb terhelés alatti műszeres vizsgálattal kell megerősíteni.
A hűtőrendszer saját energiafelhasználása semlegesíti a megtakarított hatótávolságot?
Nem automatikusan, és ezt nem lehet pusztán a folyadékhűtés választása alapján megítélni. A válasz a nettó energia egy teljes meghajtási és töltési ciklus alatt: a hűtés által védett kapacitás és hatékonyság, levonva a szivattyú, a ventilátor és a hűtő energiafogyasztását. Egy túlméretezett vagy mindig bekapcsolt hurok visszaadhatja ennek a nyereségnek a nagy részét. Mielőtt feltételeznénk, hogy pozitív az egyensúly, erősítse meg méréssel vagy egy rendszermodellel a valós ciklus alatt.
Mely interfészváltozók határozzák meg a hő útját a cellák, a TIM és a hideg lemez integrálásakor?
Az érintkezési ellenállást főként a cella és a lemez közötti rés mérete, a csatlakozás síkfelülete és összeszerelési feszültsége, valamint a hővezető anyag vezetőképessége és vastagsága határozza meg. Ezek a feltételek cellaformátumonként eltérőek, ezért a csatlakozó anyagot az adott rés és feszültség alapján választják ki, nem pedig egy másik csomagból újra felhasználják.
További olvasmányok
- Elektromos járművek akkumulátorai (US DOE Alternatív Üzemanyagok Adatközpontja) — Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma. Hivatkozás a lítium-ion akkumulátorokra és arra, hogy a hőmérséklet miért befolyásolja teljesítményüket és élettartamukat.
- Hogyan működnek a teljesen elektromos autók (US DOE Alternatív Üzemanyagok Adatközpontja) — Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma. Leírja az elektromos jármű hőrendszerét, amely az akkumulátort és a teljesítményelektronikát a megfelelő üzemi hőmérsékleti tartományon belül tartja.
Kapcsolódó cikkek
- Az intelligens hűtőrendszerek integrálása és optimalizálása — Bemutatja, hogyan működnek együtt a folyadékhűtő lemezek az érzékelőkkel és a vezérlőkkel a csomag hőmérsékletének fenntartásához, ami a hőpálya feletti rendszerréteget jelenti itt leírtak szerint.
- A folyadékhűtő lemez alapelve — Elmagyarázza, hogyan mozgatja a hőt egy zárt folyadékhurok a szivattyúkon és a csöveken keresztül, a hideglemezes szakasz alapjait.
- Különbség a hűtőborda és a hideglemez között — Pontosítja, hogy mikor illik a levegős hűtőborda vagy a folyadékhűtő lemez a hőköltségvetés, a hely és a légáramlás alapján.
- Mi az akkumulátor hideglemeze? — Meghatározza az akkumulátor hideglemezét, és azt, hogy az hogyan vonja el a hőt a celláktól közvetlen érintkezés útján, hogy az akkumulátorok hatótávolságon belül maradjanak.
- A folyadékhűtő lemezek és a hagyományos hűtési technológia átfogó összehasonlítása — Összehasonlítja a közvetlen érintkezésű folyadékhűtést a léghűtéssel a hőátadási hatékonyság és a sűrű elektromos járműcsomagok csomagolása szempontjából.
