Az elektromos járművek (EV) és az energiatároló rendszerek (ESS) akkumulátorbiztonsága a legmelegebb cellát és a cellák közötti hőmérséklet-különbséget kapcsolja be. A lítium-ion cellák a tervezett hőmérséklet-tartomány felett gyorsan elveszítik élettartamukat, és amint a helyi hő meghaladja a disszipációt, beléphetnek a környezetbe. termikus elszabadulás. Egy hőkezelő rendszer valódi feladata tehát, hogy minden cellát egy keskeny sávban tartson. Az akkumulátorok hőkezelésével foglalkozó szakirodalom széles körben 15–45 °C körüli célértéket említ a cellahőmérséklet tekintetében, a cellák közötti hőmérsékletkülönbséget pedig körülbelül 5 °C alatt tartja. Folyékony hűtés a nagy teljesítményű csomagokban mindkét cél elérésének általános módjává vált. A nyomon követésre érdemes változások kevésbé magukban a hűtőfolyadékban, és inkább abban rejlenek, hogy a hő hogyan jut el a cellából a hűtőfolyadékba. Ez a cikk a közvetett és közvetlen hűtést, a hideglemezes és csatornatervezést, a fázisváltó anyagok pufferként való használatát, valamint azt tárgyalja, hogy a megközelítés hol kerül még mindig többe, mint amennyibe megtérül. Nem foglalkozik a hűtőfolyadék-kémiai minősítéssel vagy a nagyfeszültségű szigetelés tervezésével.
Miért határozzák meg az akkumulátor hőmérsékleti korlátai a csomag biztonságát?
A lítium-ion csomag biztonsági ráhagyását a legmelegebb cella és a cellák közötti hőmérsékletkülönbség határozza meg. Az alacsony csomagátlag-érték ezért elrejtheti a határához közeli cellát. Az ablak teteje közelében tartott cella gyorsabban öregszik, és közelebb kerül az exoterm lebomláshoz. Amikor a csomag egyenetlen, az egyik cella elérheti ezt a kezdetet, miközben az átlag még normálisnak tűnik. Ezért műszerezik a mérnökök több cellát egy modulon belül, és az alacsony átlagot hiányos jelként kezelik. A megelőzés túlmelegedés legalább annyira egyenletességi probléma, mint hőelvonási probléma, és hogy a keretezés a fő oka hatékony hőgazdálkodás fontos a csomagbiztonság szempontjából.
Álló tárolás esetén a biztonsági esettanulmánynak figyelembe kell vennie a meghibásodó cellákat is. Az UL 9540A szabvány, az akkumulátoros ESS-ek hőmegfutásos tűzterjedésének észak-amerikai vizsgálati módszere szerint egy rendszert abból a szempontból értékelnek, hogy egy egycellás esemény hogyan terjed át a szomszédos cellákra. A vizsgálat azt is méri, hogy mennyi hőt és gázt bocsát ki a modul. Mérnöki szempontból – nem UL-követelményként – a hűtési architektúra ezen a lencsén keresztül történő értelmezése egy terjedési kérdést vet fel: vajon a tervezés a cellák hőjét egy szabályozott útvonalra vezeti-e, ahelyett, hogy hagyná, hogy a cellák egymást melegítsék.
A folyadékhűtés szerepe az akkumulátor biztonságában
A folyadékhűtés gyorsabban és egyenletesebben szabályozza a cellahőmérsékletet, mint a levegő, mivel egy folyadék sokkal több hőt szállít azonos tömeg mellett. A víz fajhője közel 4,18 kJ/kg·K, míg a levegőé nagyjából 1,0 kJ/kg·K. Egy mérsékelt hűtőfolyadék-áramlás ezért elnyelhet egy töltési vagy kisülési csúcsot, amelyet a kényszerített levegő szétterítene a csomagon. Az, hogy ebből a csúcsból mennyi távozik valójában, az áramlási sebességtől, a hőcserélő területtől és a hurok kialakításától függ, nem csak a hűtőfolyadék hőkapacitásától. A költség a hozzáadott tömeg, a tömítés és a meghajtáshoz szükséges szivattyú, így a folyadékhűtés azoknak a csomagoknak felel meg, amelyek hőterhelése indokolja.
Közvetett vs. közvetlen folyadékhűtés
Az első architektúraválasztás az, hogy a hűtőfolyadék érintkezik-e a cellákkal, és ez a hűtőfolyadék elektromos tulajdonságaitól függ. A közvetett hűtés a hűtőfolyadékot a hideg lemezeken, csöveken vagy köpenyeken belül tartja, így a víz-glikol keverék azért működik, mert soha nem találkozik élő csatlakozókkal. A hűtőfolyadék-választásnak továbbra is mérlegelnie kell a fagyáspontot, a korróziót és az anyag hurokkal való kompatibilitását. A közvetlen, vagy bemerítéses hűtés a cellákat egy validált dielektromos folyadékba meríti, hogy megszüntesse a cella-lemez közötti hőellenállást. Ez javítja az egyenletességet, miközben növeli a folyadékköltségeket, a tömítést és a karbantartást. A sima víz sem bemerítéses kialakításhoz, sem cellák melletti szivárgási útvonalhoz nem illik, mivel vezetőképessége rövidre zárná a cellákat.
Közvetett kialakítás esetén a cella-lemez határfelület gyakran korlátozza a hőellenállást, így a réskitöltő anyag megválasztása, a felület síkossága és az összeszerelési feszültség ugyanúgy befolyásolhatja a csomag hőmérsékletét, mint az áramlási sebesség. Amikor az egyenletesség nem éri el a célt, a határfelület az elsődleges ellenőrzési pont. A közvetlen hűtés megszünteti ezt a határfelületet, de helyette folyadékkompatibilitási és karbantartási feladatokat hoz létre. Az, hogy melyik útvonal illik hozzá, a munkaciklustól, a csomagolástól és a program által elfogadható szervizelhetőségtől függ. Sok elektromos járműcsomag közvetett... hideglapos hűtés a megbízhatóság és az illeszkedés szempontjából, míg az immerzió inkább a nagy kisülésű és speciális ESS esetekben jelenik meg.
Hőt mozgató hideglemez- és csatornatervezési döntések
A csatorna- és hűtőlemez-geometria adja a folyadékhűtés mérnöki mozgásterének nagy részét. A csatornaelrendezés, a keresztmetszet és az áramlás lemezen való megoszlása határozza meg mind a hőmérséklet-egyenletességet, mind a szivattyú által leküzdendő nyomásesést. A kettő egymás ellen hat: a cellahőmérsékletet csökkentő geometria általában növeli a szivattyúterhelést. Egy működőképes hidegtányéros kialakítás ezért az egyenletességet a parazita teljesítmény ellenében cseréli fel az adott munkapontra vonatkozóan. Az ellenőrzési lépés konkrét: fel kell térképezni a hőmérséklet-eloszlást a lemezen a legrosszabb terhelés mellett, majd meg kell erősíteni, hogy a nyomásesés továbbra is illeszkedik a szivattyúgörbéhez.
A lemez-cella határfelület ugyanilyen figyelmet érdemel, mivel minden egyes wattot, amit a lemez lead, elvezet. A hővezető anyag kitölti a cella és a lemez közötti mikroszkopikus réseket. Vezetőképessége, vastagsága és az összeszerelési eltérésekkel szembeni toleranciája határozza meg, hogy a lemez kapacitásának mekkora része éri el a cellát. Az anyagnak a rés, a kikeményedési viselkedés és a kötési igény alapján történő kiválasztása a hűtési döntésen belül, nem pedig utána következik.
PCM, mint hővédő puffer folyadékhűtéses csomagokban
A fázisváltó anyagok (PCM) olvadás közben közel állandó hőmérsékleten nyelik el a hőt, amivel meghosszabbítják a hőmérséklet-emelkedést. A cellák közé helyezett PCM látens hőt vesz fel a terheléslökések során, majd később visszaadja azt, kisimítva a rövid csúcsokat, amelyek egyébként a folyadékhurkot a határáig feszegetnék. Mivel a PCM önmagában rosszul vezeti a hőt, és végül telítődik, egy aktív hurokkal párosul, ahelyett, hogy egyet helyettesítene. Egyes hibrid PCM- és folyadékkonstrukciók alacsonyabb szivattyúterhelést mutatnak, mivel a PCM a tranzienseket kezeli, míg a hurok az állandó terhelést. Ennek az előnynek a mértéke a kialakítástól és a kitöltési tényezőtől függ, és az alkalmazáshoz igazodva ellenőrizni kell.
Folyadékhűtés a sorozatgyártású elektromos járművekben és az ESS-ben
A csomagszintű folyadékhűtés már a szabványosítás előtt elérte a mainstream elektromos járműprogramokat, és a gyártási alkalmazások bizonyították ezt nagymértékű alkalmazásban. A korai nagy volumenű elektromos járművek hűtőfolyadékot keringettek az akkumulátorban, hogy a cellák hőmérsékletét tartsák töltés és tartós terhelés alatt. Hasonló közvetett hurkok később elterjedtek a nagy energiájú elektromos járművekben és a hálózati szintű energiatakarékos rendszerekben (ESS). Ez a minta fontosabb, mint bármelyik egyedi modell. Miután az akkumulátorok átléptek egy bizonyos teljesítmény- és energiasűrűséget, a léghűtésnek nehézséget okozott a cellák közötti szórás fenntartása, és a folyadékhűtés vált a teljesítmény és a biztonság gyakorlati alapjává ebben az osztályban.
Hogyan közelíti meg az Trumonytechs a csomagok hűtését
Az Trumonytechs a cella-hűtőfolyadék hőútvonalon működik, folyékony hideg lemezeket és hővezető anyagokat szállítva, amelyek a cellák és a hurok között helyezkednek el. Ez a két termékcsalád, amelyet a vállalat kínál ehhez az útvonalhoz. Általános mérnöki szempontként, nem pedig a teljesítményre vonatkozó ígéretként, a lemez és a csatlakozófelület együttesen működik. A lemezgeometria illesztése a cellaformátumhoz, valamint a csatlakozófelület anyagának kiválasztása a tényleges rés és összeszerelési módszer szerint működik azon a csatlakozófelületen, amely általában korlátozza a közvetett tervezést. A gyakorlatban a munka az illesztés: hengeres, prizmás vagy tasak formátumokhoz kiválasztott hideg lemezarchitektúra, valamint a rés, a kikeményedés és a kötési igény által meghatározott csatlakozófelület anyagok. A csomagépítők, ezeket a változókat egy kitöltési tényezővel szemben mérlegelve, a lemez és a csatlakozófelület kombinációját a mi... tervezőcsapat.
A folyadékhűtés költsége, összetettsége és integrációs korlátai
A folyadékhűtés ott vívja ki a helyét, ahol a hőterhelés igazolja a költségét, tömegét és integrációs terheit. Egy hurok szivattyúkat, tömítéseket, hűtőfolyadékot és olyan meghibásodási módokat tartalmaz, amelyeket a léghűtés elkerül. Egy másik módszer köré tervezett csomagba illesztés gyakran a nehéz rész. A működőképes sorrend a rendszer kitöltési tényezőhöz való méretezését jelenti: a legrosszabb eset hőterhelésének és a szükséges cellák közötti szórásnak a megerősítése, majd a legkevésbé összetett architektúra kiválasztása, amely megfelel ezeknek. Az ESS esetében ez a méretezés a terjedési ellenállással együtt jár, mivel hőmegfutás megelőzése egy BESS-ben egy rendszerszintű feladat, amelyet a hűtési útvonal támogat, de önmagában nem old meg.
Következtetés
A lényeg az, hogy a folyadékhűtés valódi előnyei a hőútban rejlenek, és a csomagok biztonságát inkább a cellák közötti szórás, mint a csomagátlag határozza meg. Az architektúra kiválasztásánál kérdezd meg, hogy a hűtőfolyadéknak érintkeznie kell-e a cellákkal, majd a lemez-cella interfészt kezeld úgy, mint azt a változót, amely leggyakrabban korlátozza az egyenletességet egy közvetett kialakításban. A PCM puffereli a tranzienseket, de nem helyettesíti az aktív hurkot, és az immerzió egyenletességet vásárol a folyadék és a karbantartási munka árán. A valós csomagoknál a leggyakoribb félreértés az átlag finomhangolása a szórás figyelmen kívül hagyása mellett, amely az öregedést és a biztonsági ráhagyást szabályozó szám.
GYIK
Mi teszi a folyadékhűtést hatékonyabbá a léghűtésnél az akkumulátorok esetében?
A folyadékhűtés szorosabb cellák közötti hőeloszlást eredményez, mivel a folyadék sokkal több hőt szállít azonos tömeg mellett, mint a levegő. A vízhez közeli fajhő esetén a hűtőfolyadék áramlása elnyeli a töltési és kisülési csúcsokat, amelyeket a kényszerített levegő szétterítene a csomagban. A kiürülés mértéke az áramlási sebességtől, a hőcserélő területtől és a hurok kialakításától függ. A költség a hozzáadott tömeg, a tömítés és egy szivattyú, így a módszer nagy teljesítményű csomagokhoz illik.
Mi a különbség a közvetlen és a közvetett folyadékhűtés között?
A különbség abban rejlik, hogy a hűtőfolyadék érintkezik-e a cellákkal, amit a hűtőfolyadék vezetőképessége határoz meg. A közvetett hűtés a víz-glikol hűtőfolyadékot a hideg lemezek vagy csövek belsejében tartja, így az soha nem találkozik a csatlakozókkal, míg a közvetlen bemerítés során a cellák egy validált dielektromos folyadékba merítik a cella-lemez közötti ellenállást. A közvetett kialakítások gyakoriak a megbízhatóság és a csomagolás illeszkedése miatt; a bemerítés magasabb folyadék- és tömítési költségekkel jár a jobb egyenletesség érdekében.
Milyen szerepet játszanak a fázisváltó anyagok egy folyadékhűtéses csomagban?
A fázisváltó anyagok hőpufferként működnek, közel állandó hőmérsékleten felveszik a látens hőt egy csúcs alatt. Ez kisimítja a rövid tranzienseket, így az aktív hurok nem terheléselődik a végletekig, és a tárolt hő később, a terhelés csökkenésekor felszabadul. Mivel a PCM rosszul vezeti a hőt, és végül telítődik, a folyadékhűtés kiegészítése helyett azt helyettesíti.
Testreszabható-e egy folyadékhűtéses rendszer egy adott elektromos jármű vagy energiatakarékos csomaghoz?
Igen. A hűtőfolyadékot, a csatornaelrendezést, a hűtőlemez geometriáját és a csatlakozóanyagot mind a csomag cellaformátuma és hőterhelése alapján választják ki. A legfontosabb változók a cella-lemez interfész, valamint a hőmérséklet-egyenletesség és a szivattyú nyomásesése közötti egyensúly. Ezeknek a munkaciklushoz való illesztése teszi a rendszert alkalmassá egy adott csomaghoz.
További olvasmányok
- UL 9540A tesztmódszer akkumulátoros energiatároló rendszerekhez — UL Solutions (szabvány). Meghatározza, hogyan értékelik a termikus megfutású tűz terjedését az akkumulátoros ESS-ben cella-, modul- és telepítési szinten; támogatja a terjedési ellenállási pontot az álló tároláshoz.
- Előrelépések és kihívások az elektromos járművek akkumulátor-hőkezelő rendszereiben — szakmailag lektorált értékelés (PMC). Háttérinformációk a passzív, aktív és hibrid BTMS stratégiákról, valamint a fent említett hőmérséklet-egyenletesség célokról.
Kapcsolódó cikkek
- Melyek a legjobb anyagok az EV akkumulátorok lezárására? — Lefedi a nedvességet és a szennyeződéseket távol tartó tömítőanyagokat a csomagolásból, ami a cellák hűvösen tartásának egyik mellékhatása.
- Elektromosjármű akkumulátormodul-típusok: hengeres, prizmás és tasakcellás formátumok összehasonlítása – Elmagyarázza, hogyan befolyásolja a cellaformátum a hideglemez-tervezést és a határfelületi anyag kiválasztását, azokat a változókat, amelyeket ez a cikk központi elemként kezel.
- Vezetéses hűtési technológia akkumulátorcsomagok számára — Mélyebbre hatol a vezetési útvonalon a cellától a lemezig a vízhűtő lemezeken és a hővezető anyagokon keresztül.
- Hogyan hosszabbítja meg a folyadékhűtés az ESS élettartamát? — Bemutatja, hogyan eredményez hosszabb helyhez kötött tárolási időt a víz-glikol hurok segítségével fenntartott hőmérséklet-tartás.
- Az akkumulátorcsomag hőkezelésének optimalizálása — Szélesebb körű áttekintés arról, hogy a hőmérséklet hogyan befolyásolja a lítium-ion akkumulátorok teljesítményét, és mely hűtési megoldások alkalmazhatók.
