Egy elektromos jármű vagy energiatakarékos akkumulátorcsomag intelligens hűtőrendszere három dolgot ötvöz: egy folyadékhűtési útvonalat, a cellák és az útvonal közötti hővezető interfészt, valamint egy érzékelő és vezérlő réteget, amely minden cellát egy szűk hőmérsékleti sávban tart. Az optimalizálás néhány mérhető változó közötti kompromisszumot jelent: a célhőmérsékleti ablakot, a cella-cella hőmérséklet-különbséget, a hűtőfolyadék nyomásesését és a cella-lemez interfészt. Egyetlen hűtési technológia sem automatikusan “legjobb”; a csomag dönti el, hogy melyik illik hozzá. Ez az útmutató a csomag hő- és termékmérnökeinek szól, akik eldöntik, hogyan kombinálják a cellákat, a csatlakozóanyagokat és a hűtőlemezeket. Nem terjed ki a csomag elektromos tervezésére, a cellakémiára vagy az épületfelügyeleti rendszer biztonsági firmware-fejlesztésére.
Milyen intelligens hűtés integrálható egy elektromos/elektromos energiatakarékos akkumulátorcsomagba?
Az intelligens hűtés egyszerre két dolgot szabályoz: azt, hogy hol távozik a hő a cellákból, és milyen egyenletesen távozik belőlük, nem csak a hűtőfolyadék hőmérsékletét. Az egyes cellákban keletkező hőnek át kell haladnia a cellafalon, át kell haladnia egy hővezető anyagon, be kell jutnia a hűtőlemezbe, és a hűtőfolyadékba kell jutnia. Ez a lánc a celláktól a hűtőfolyadékig tartó út, és minden optimalizálási döntés valahol ezen a vonalon fejti ki hatását.
A hőmérsékleti ablak az első tervezési korlát. A lítium-ion cellák általában egy meglehetősen szűk sávban működnek a legjobban, amelyet általában 15–35 °C körül emlegetnek, a legjobb teljesítményt pedig 20–25 °C körüli tartományban érik el. Az e sáv feletti tartós működés általában felgyorsítja a degradációt, az alacsony hőmérséklet pedig csökkenti a használható kapacitást. Az alacsony hőmérsékleten történő töltés korlátozható, leértékelhető vagy az előmelegítés után kapuzható, a cella kémiájától és az adatlap korlátaitól függően. Ezeket az adatokat tipikus mérnöki célértékeknek kell tekinteni, és a vezérlési alapérték meghatározása előtt ellenőrizni kell a pontos határértékeket az adott cella adatlapjával szemben.
A hőmérséklet-egyenletesség ugyanolyan fontos, mint az abszolút érték. A különböző hőmérsékleten tartott cellák eltérő ütemben öregednek, és egy tartósan melegebb cella korlátozhatja az akkumulátor élettartamát, ezért a tervek általában egy számjegyű célértékre, gyakran 5 °C alatt tartják a cellák közötti hőmérséklet-különbséget. Az elektromos és az elektromos járművek akkumulátorai eltérően érik el ezt a célt, mivel a kitöltési tényezőik és a csomagolásuk eltérő, ezért... akkumulátor hőkezelési stratégiák ritkán felcserélhetők. A működési ciklus egyszerű: a hőmérsékleti ablak a változó, a sávon kívüli eltolódás a meghajtók degradációját és biztonsági kockázatát jelenti, az elosztott érzékelés szabályozott hűtőfolyadék-áramlással pedig azt, ahogyan ezt megtartjuk és ellenőrizzük.
A hűtési út kiválasztása: Hol illeszkednek a folyékony hűtésű lemezek?
A hűtési útvonalat a csomag igénybevétele alapján válassza ki, ne az alapértelmezett érték alapján. A hőterhelés, a cella- és csomaggeometria, a megengedett nyomásesés, a tömítés, a súly, a szervizelhetőség és az esetleges terjedési követelmények döntik el, hogy folyékony hűtőlemez, levegő, bemerítés vagy fázisváltó kiegészítő illik-e a megoldáshoz. A folyékony konvekció sokkal nagyobb sebességgel vonja el a hőt, mint a levegő ugyanazon érintkezési felület mellett, ezért az indirekt hideglemezek sűrű, nagy hőterhelésű csomagokhoz alkalmasak. Az alternatívák akkor vívják ki helyüket, amikor egy adott korlát megköveteli őket.
| Hűtési útvonal | Hőelvonás | Egyenletesség-szabályozás | Integrációs megjegyzések | Akkor illik, amikor |
|---|---|---|---|---|
| Levegő | Alacsony | Kemény, nagy sűrűségben | Legegyszerűbb, legkönnyebb | Alacsony a hőterhelés és a sűrűség |
| Folyékony hidegtányér | Magas | Jó a csatorna kialakításával | Csatlakozóanyagot és tömítést igényel | A hőterhelés és a sűrűség magas |
| Elmélyülés | Nagyon magas | Magasan a falkában | Tömítettséget, súlyt és szervizelési korlátozásokat ad hozzá | Magas C-ráta, különben a terjedést le kell lassítani |
| PCM / hőcső | Passzív puffer | Helyi | Általában egy összetett kiegészítő | Csúcsborotválkozás vagy helyi gócpontok |
A választás a csomagot követi. A cellaformátum és a csomag geometriája határozza meg, hogy egy lemez hol érintkezhet fizikailag a cellákkal vagy modulokkal; a hőterhelés és az egyenletességi cél ezután meghatározza a csatorna elrendezését és az áramlást. A bemerítés ellenállást biztosít a megfutásos terjedéssel szemben, de megváltoztatja a tömítést, a súlyt és a terepi igénybevételt, így általában ott jelenik meg, ahol nagy a kisülési sebesség, vagy a terjedést korlátozni kell. Ahol a lemez a helyes válasz, ott a párosított... folyadékhűtő lemezek elvezetik a hőt, és a határfelületi anyag szabályozza, hogy a hő milyen hatékonyan jut beléjük.
Az érzékelő és vezérlő réteg, amely intelligenssé teszi a hűtést
A rendszert a zárt hurok teszi intelligenssé: leolvassa az elosztott csomag állapotát, és a hőmérséklet-ingadozás előtt beállítja a hűtőfolyadék-adagolást, ahelyett, hogy fix sebességgel járatná a szivattyút. Ez a hurok az, ami megkülönbözteti az intelligens rendszert egy lemeztől, amelyhez egy szivattyú van csavarozva.
Az érzékelés biztosítja a bemeneteket: cella- vagy modulhőmérséklet, csomagáram és -feszültség, töltöttségi állapot, környezeti feltételek, valamint gyakran a hűtőfolyadék bemeneti és kimeneti hőmérséklete. Ahol a fizikai érzékelők nem praktikusak, a virtuális érzékelés egy modellből becsüli meg a cellahőmérsékletet. Az érzékelő elhelyezése önmagában is tervezési változó. Túl kevés pont van, és láthatatlanul egy hotspot alakulhat ki közöttük, ezért az elhelyezést a csomag hőmodelljéhez és a legrosszabb esetre vonatkozó cellához kell hasonlítani, nem pedig egyenletesen elosztani a kényelem kedvéért.
A szabályozási stratégiák az egyszerű hőmérsékleti küszöbértékektől a modellprediktív szabályozásig terjednek, amely a közelgő terhelés alapján előrejelzi a hőmérsékleti állapotot, és a hő megérkezése előtt módosítja az áramlást vagy a szelep helyzetét. Ugyanez a réteg előkészítheti az akkumulátorcsomagot a gyorstöltés vagy a hidegindítás előtt. A hűtési teljesítmény valós terheléshez igazítása csökkentheti a parazita szivattyú és kompresszor energiáját a folyamatos hűtéshez képest, bár a megtakarítás a kitöltési tényezőtől és az akkumulátor kialakításától függ, és nem egy rögzített érték. A mérnöki teszt ugyanaz marad: az érzékelési sűrűség a változó, ez dönti el, hogy a vezérlő egyáltalán lát-e kialakuló hotspotot, és a megfelelőségét a legrosszabb esetre, nem pedig az átlagra vonatkozóan validálják.
Optimalizálási változók cellák, határfelületi anyagok és hideglemezek integrálásakor
Négy összekapcsolt változó határozza meg az eredményt: a hőterhelés, a hőmérsékletkülönbség, a nyomásesés és a cella-lemez határfelület. Az egyik elmozdul, a többi reagál. Az integráció, nem pedig az alkatrészek elszigetelt kiválasztása az, ami a csomagok megnyerését vagy elvesztését eredményezi.
A hőterhelés és a C-sebesség határozza meg a szükséges hűtőfolyadék-áramlást és a lemez csatornakialakítását. A hőmérséklet-különbség célértéke ezután meghatározza a csatorna elrendezését: az ellenáramlásos és az osztott áramlású útvonalak elsősorban azért léteznek, hogy ellaposítsák a bemeneti-kimeneti gradienst, amelyet egyetlen egyenes csatorna hagy maga után. A nyomásesés az egyenletesség elleni állandó feszültség, mivel a nagyobb áramlás kiegyenlíti a hőmérsékleteket, de szivattyúteljesítményt igényel; hideglemezes csatorna geometria úgy van kiválasztva, hogy az egyenletességi célt elfogadható pumpálási büntetésen tartsa, nem pedig bármilyen áramlási sebességnél.
A cella-lemez határfelületét három dolog határozza meg: a cella vagy modul és a lemez közötti rés, mindkét felület sík felülete, valamint az összeszerelési feszültség, amelyet a csatlakozás elbír. Ez a három tényező dönti el, hogy melyik hővezető anyag illik a megfelelőhöz (réskitöltő, betét vagy szerkezeti ragasztó), és hogy kell-e ragasztania vagy elektromosan szigetelnie is. Ez a pont a cella-hűtőfolyadék útvonalon, ahol Trumonytechs‘A hideglemezek és a hővezető anyagok elvégzik a dolgukat: a lemez elvonja a hőt, a közvetítő anyag pedig szabályozza, hogy a hő milyen hatékonyan jut be bele. Válassza ki az anyagot a megadott hővezető képessége, szigetelési állapota, kikeményedési viselkedése és szerkezeti szilárdsága alapján. Használja az adott modell adatlapján található értéket; soha ne következtessen ki specifikációt a modellszámból, és soha ne általánosítsa egyetlen modell adatát egy egész sorozatra.
Integrációs kihívások a valós munkaciklusok során
A tranziens üzem az, ahol az akkumulátorok valójában kudarcot vallanak: a gyorstöltés, a hidegindítás és az egycellás hibák túlterhelhetik az állandó állapotra beállított rendszert. Az állandósult állapotbeli tartalék keveset mond az akkumulátort leginkább terhelő percekről.
A gyors töltés megnöveli a hőterhelést, így a vezérlőrétegnek növelnie kell az áramlást, vagy elő kell hűtenie a töltési folyamat előtt. Amikor az egyenletesség megszűnik, miközben a cellák hidegek, majdnem teljesen feltöltöttek, vagy erősen töltődnek, ez a kombináció növelheti a forró pontok és a lítium bevonatképződés kockázatát; a bevonatképződés kockázata az alacsony hőmérsékletű és nagy töltési sebességű körülményekhez kapcsolódik, nem önmagában a hőmérséklet-eloszláshoz. A hideg éghajlat megfordítja a problémát. A használható kapacitás csökken, és az alacsony hőmérsékletű töltés korlátozott lehet, leértékelődhet, vagy az előmelegítéshez képest kapocslé válhat, így ugyanazon huroknak kell felmelegítenie az akkumulátort, mielőtt az áramot fogadna.
A hőmegfutásos elszigetelés egy harmadik tengely. A jobb hűtés csökkentheti az iniciáció esélyét, és bemerülés vagy sejtek közötti gátak esetén lelassíthatja a terjedést, de a hűtés csak egy réteg a sok közül; nem helyettesíti a sejtek szelekcióját, a gátak használatát és az elnyomást, amikor... hőmegfutás megelőzése csomag szinten. A komplexitásnak megvannak a maga kockázatai. A moduláris hideglemezek megkönnyítik az integrációt a különböző modulelrendezésekbe, de minden hozzáadott érzékelő, szelep és szivattyú egy újabb meghibásodási pont, ezért egy intelligens rendszert a karbantarthatóság szempontjából is validálni kell, nem csak a csúcshőteljesítmény szempontjából. Ez az útmutató nem méretezi a tűzoltást, és nem határozza meg az épületfelügyeleti rendszer biztonsági logikáját; ezek a saját rendszerfelülvizsgálataik részét képezik.
Következtetés
Egy intelligens hűtőrendszer optimalizálása a passzív útvonaltól kifelé történik, nem pedig a vezérlőtől befelé. Először rögzítse a hőmérsékleti ablakot és az egyenletességi célértéket az adott cellákhoz, majd hagyja, hogy a cellaformátum, a csomag geometriája és a hőterhelés vezesse a hűtőlemez architektúráját és az interfész anyagot. Az érzékelő és vezérlő réteg ezeken a határokon belül optimalizál; nem tud megmenteni egy olyan lemezt vagy hővezető anyagot, amely nem illeszkedett a csomaghoz. Az a különbség, amelyet érdemes megjegyezni, hogy az “intelligens” nem maguk az érzékelők, hanem a zárt hurok, amely a hőmérséklet-eltolódás előtt működik, és csak akkor térül meg, ha a cella-hűtőközeg útvonal alatta már megfelelő. Azoknak a mérnököknek, akik ezt az utat mérlegelik, az Trumonytechs illesztett hűtőlemezeket és hővezető anyagokat kínál a döntés hőátadási oldalához.
GYIK
Milyen hőmérsékleti tartományban kell maradnia egy elektromos jármű vagy egy energiatakarékos töltő akkumulátorának?
A legtöbb lítium-ion akkumulátor egy keskeny hőmérsékleti sávban tárolódik, amelyet általában 15–35 °C körüli hőmérsékleten említenek, a legjobb teljesítményt pedig 20–25 °C körüli hőmérsékleten érik el. A tartós túlmelegedés általában felgyorsítja a lebomlást, és az alacsony hőmérsékletű töltés korlátozott lehet, vagy előmelegítést igényelhet a cella kémiájától függően, ezért ezeket az adatokat tipikus célértékeknek kell tekinteni, és a pontos határértékeket a cella adatlapján kell ellenőrizni.
Hideglapos vagy merülőhűtéses akkumulátorcsomag?
A folyékony hűtőlemez olyan csomagokhoz illeszkedik, ahol nagy a hőterhelés és a sűrűség, és elegendő a közvetett hűtés. A bemerítés főként magas C-arányoknál, vagy ahol a hőmegfutás lassítása szigorú követelmény, okozza a tömítés, a súly és a szervizelhetőség költségeit.
Hogyan lehet alacsonyan tartani a sejtek közötti hőmérséklet-különbséget?
Még a cellahőmérséklet is a csatorna kialakításából és a hűtőfolyadék áramlásából adódik, amelyek korlátozzák a bemeneti-kimeneti gradienst, általában egy egyszámjegyű célérték felé. Az ellenőrzéshez elosztott érzékelésre van szükség a csomagban, nem egyetlen szondára, mivel egyetlen érzékelő nem tudja látni a cellák közötti különbséget.
Az intelligens vezérlés energiát takarít meg gyorstöltés közben?
A hűtési teljesítmény valós terheléshez igazítása csökkentheti a parazita szivattyú és a kompresszor energiáját a folyamatos hűtéshez képest. A megtakarítás a kitöltési tényezőtől és a csomag kialakításától függ, ezért kitöltési tényezőtől függőnek, nem pedig fix százalékos értéknek kell tekinteni.
Mi romlik el először, ha a hideglemez és a csatlakozófelület anyaga nem egyezik?
A rossz cella-lemez határfelület általában forró pontokként és szélesedő hőmérséklet-eloszlásként jelentkezik. A hő nem tud hatékonyan bejutni a lemezbe, ha a rés, a síkfelület vagy a határfelület anyaga rossz, így a hűtőfolyadék hurok nem tud kompenzálni, függetlenül attól, hogy mennyire erősen feszítik meg.
További olvasmányok
- Neurális koncepció – Az elektromos járművek akkumulátorának hatékony hőkezelésének hatása — Műszaki műszaki forrás; támogatja a cikkben szereplő működési ablakra és hőmérséklet-egyenletességre vonatkozó pontokat.
- greyb — Folyadékhűtéses rendszerek hőkezeléshez — Szabadalmi és mérnöki kutatási összesítés; támogatja a hideglemezes és az immerziós architektúra összehasonlítását.
Kapcsolódó cikkek
- Az innovatív folyadékhűtési technológia szerepe az EV hatótávolság növelésében — Bemutatja, hogyan eredményez a folyadékhűtés és a szigorúbb akkumulátor-hőmérséklet-szabályozás hasznos elektromos hatótávolságot.
- A folyadékhűtő lemez alapelve — Elmagyarázza, hogyan mozgatja a hőt egy folyadékhűtő lemez egy zárt körben, ami a cikk nagy része alatti réteg.
- Különbség a hűtőborda és a hideglemez között — Segít a levegőoldali hűtőbordák és a folyadékhűtéses lemezek közötti választásban, amikor szűkös a hőköltségvetés és a hely.
- Mi az akkumulátor hideglemeze? — Bemutatja az akkumulátor hűtőlemezét, mint központi elemet, amely érintkezés útján vonja el a hőt a celláktól.
- A folyadékhűtő lemezek és a hagyományos hűtési technológia átfogó összehasonlítása — Összehasonlítja a folyékony hűtésű lemezeket a levegős hűtéssel nagy sűrűségű elektromos járművek és akkumulátorcsomagok esetében.
