Progettazione di un sistema di raffreddamento a liquido per la gestione termica di batterie e sistemi di accumulo di energia per veicoli elettrici.

La progettazione dei sistemi di raffreddamento a liquido per batterie di veicoli elettrici e applicazioni di accumulo di energia dipende dalla chimica delle celle, dall'architettura di tensione del modulo, dal tasso di dissipazione del calore massimo e dai requisiti di uniformità della temperatura. Piastre di raffreddamento della batteria Distribuisce un flusso di calore moderato su ampie superfici piane. Allo stesso tempo, deve mantenere la parità di temperatura tra le celle entro tolleranze ristrette. Questi due requisiti guidano ogni decisione a monte, dalla geometria dei canali della piastra di raffreddamento alla selezione del fluido refrigerante.

In Trumonytechs, il nostro team di ingegneri si avvale della collaborazione in ambito di ricerca e sviluppo con l'Università di Shanghai Jiao Tong. Sfruttiamo inoltre l'esperienza maturata nella produzione di veicoli elettrici, sistemi di accumulo di energia, elettronica di consumo e programmi termici per stazioni base 5G. I parametri di progettazione e i metodi di verifica descritti in questa guida rispecchiano i modelli utilizzati nelle realizzazioni di produzione multi-modulo.

Questo articolo tratta la progettazione di sistemi di raffreddamento a liquido indiretto per pacchi batteria di veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia stazionari (ESS) nella gamma da 48 V a 1000 V. Le applicazioni per veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia condividono i principi fondamentali della progettazione delle piastre di raffreddamento. Tuttavia, differiscono per quanto riguarda gli standard applicabili, gli ambienti di installazione e i requisiti di validazione della sicurezza. Questo articolo non tratta i circuiti termici delle celle a combustibile a idrogeno, il raffreddamento delle batterie a flusso o i sistemi soggetti a forti sollecitazioni da vibrazione industriale.

Come funziona un circuito di raffreddamento a liquido in un pacco batterie

Componenti principali e i loro ruoli

Un circuito di raffreddamento a liquido funzionale è composto da quattro parti principali. Innanzitutto, le piastre di raffreddamento entrano in contatto termico con le superfici delle celle. In secondo luogo, una pompa fornisce la pressione di flusso. In terzo luogo, uno scambiatore di calore dissipa il calore. In quarto luogo, i collettori di mandata e ritorno distribuiscono il flusso attraverso i circuiti a piastre parallele. Ogni componente contribuisce alla caduta di pressione. Nelle applicazioni per veicoli elettrici per il trasporto passeggeri, gli ingegneri mirano generalmente a una caduta di pressione totale della rete di piastre di raffreddamento inferiore a 50 kPa. Il limite corretto dipende dalla scelta della pompa, dall'architettura del sistema e dal budget di potenza parassita.

Il BMS attiva la pompa in base alle letture del sensore di temperatura delle celle. Le soglie di controllo variano in base alla chimica delle celle, al C-rate, alla massa termica del pacco e al profilo ambientale. Non si tratta di costanti di progettazione universali. Il posizionamento del termistore all'interno del modulo, e non solo all'ingresso e all'uscita del pacco, fornisce la risoluzione spaziale necessaria per rilevare tempestivamente i punti caldi. Verifichiamo le mappe di posizionamento dei sensori confrontandole con le posizioni dei punti caldi previste dalla CFD prima di finalizzare il cablaggio. Saltare questo passaggio è comune nei progetti di terze parti. Il risultato è una distribuzione asimmetrica della temperatura tra le file di moduli.

Architettura a circuito singolo vs. architettura a doppio circuito

I sistemi a circuito singolo convogliano il liquido di raffreddamento della batteria attraverso uno scambiatore di calore condiviso con altri carichi termici del veicolo. Ciò riduce il numero di componenti e i costi. Tuttavia, elimina l'indipendenza termica. I sistemi a doppio circuito isolano il circuito della batteria con un refrigeratore e una valvola di espansione dedicati. Ciò consente un controllo preciso della temperatura della batteria, indipendente dalle condizioni ambientali o dalla richiesta termica nell'abitacolo.

Il sistema a doppio circuito è spesso necessario quando la ricarica rapida richiede il precondizionamento dell'ingresso della batteria prima dell'inizio della ricarica. In genere, i progettisti valutano il sistema a doppio circuito quando le correnti di picco di ricarica superano i 100 kW circa. La soglia effettiva dipende dalla costante di tempo termica della batteria, dai requisiti di precondizionamento e dai criteri di accettazione delle celle.

Perché le piastre di raffreddamento delle batterie richiedono una logica diversa rispetto alle piastre degli inverter

I requisiti di superficie della piastra fredda della batteria dipendono dal numero di celle, dalla densità del flusso di calore e dagli obiettivi di uniformità della temperatura. Questa distinzione modifica la selezione del materiale, la densità dei canali e la progettazione del collettore, che seguono tutti una logica diversa da Progettazione di piastre di raffreddamento per la gestione termica dell'elettronica di potenza.

La differenza di flusso termico

Un modulo inverter che dissipa 5 kW concentra il carico su una superficie di circa 100-200 cm². Il flusso di calore in genere supera i 25 W/cm². Un pacco batterie che dissipa gli stessi 5 kW distribuisce il carico su una superficie di celle compresa tra 2.000 e 10.000 cm². Il flusso risultante rimane ben al di sotto di 1 W/cm². In questo regime, le leghe di alluminio 3003 o 6063 offrono una conduttività adeguata. Il rame non è necessario. Calcoliamo le mappe del flusso di calore per ogni zona del modulo prima di specificare il materiale delle piastre. Questo evita di sovradimensionare la conduttività delle piastre laddove la distribuzione del flusso è il vero vincolo.

Come gli obiettivi ΔT influenzano la geometria

Una differenza di temperatura (ΔT) inferiore a 5 °C sull'intero pacco celle è un obiettivo ampiamente utilizzato nei programmi di sviluppo di piastre fredde per veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia. A questo livello, le differenze di velocità di invecchiamento tra le celle rimangono entro limiti accettabili per la maggior parte delle chimiche agli ioni di litio. Per raggiungere questo risultato è necessaria una spaziatura dei canali sufficientemente ridotta da prevenire picchi di temperatura tra i canali stessi. I parametri di partenza tipici per le celle prismatiche variano da 8 a 15 mm tra i canali paralleli. Il passo ottimale dipende dal flusso di calore, dalla portata e dalla geometria dei canali. Modelliamo la sensibilità di ΔT al passo dei canali prima di definire la geometria per la produzione.

Selezione del metodo di raffreddamento: liquido, aria o immersione.

Il raffreddamento ad aria funziona nei sistemi di accumulo di energia stazionari a bassa potenza. Le velocità di scarica devono rimanere inferiori a 1C e le temperature delle celle inferiori a 40 °C. Il sistema non funziona quando entrano in gioco la ricarica rapida o una rigorosa uniformità del ΔT. Non raccomandiamo il raffreddamento ad aria per le applicazioni su veicoli elettrici compatibili con la ricarica rapida in corrente continua.

L'immersione diretta elimina la resistenza termica dell'interfaccia tra la piastra fredda e la cella. Tuttavia, richiede un fluido dielettrico, aumenta il peso del sistema e introduce rischi per il rivestimento delle celle. Utilizziamo il raffreddamento indiretto come riferimento per i progetti superiori a 400 V. Valutiamo solo raffreddamento a liquido a immersione Quando la selezione ottimizzata del TIM non consente di raggiungere gli obiettivi di resistenza di giunzione, è necessario verificare la penalizzazione delle prestazioni termiche del fluido dielettrico rispetto alla riduzione della resistenza di giunzione prima di adottare tale architettura.

Principi fondamentali di progettazione delle piastre di raffreddamento

Architettura del percorso di flusso

I percorsi di flusso a serpentina convogliano tutto il liquido di raffreddamento attraverso un unico canale continuo. Ciò massimizza l'estrazione di calore per unità di portata. Tuttavia, crea un gradiente di temperatura dall'ingresso all'uscita. Per pacchi di dimensioni maggiori, questo gradiente compromette il raggiungimento degli obiettivi di ΔT.

Le architetture a flusso parallelo suddividono il flusso su più canali. Ciò riduce la caduta di pressione e il gradiente termico. Tuttavia, la resistenza non uniforme dei canali provoca il bypass del flusso nei rami a minore resistenza. Per layout di pacchi più lunghi utilizziamo configurazioni a flusso diviso con posizionamento opposto di ingresso/uscita. Ciò crea profili di temperatura complementari attraverso i rami paralleli e contrasta la stratificazione termica. L'orientamento dei canali è una variabile correlata. Geometria del canale rettilineo vs. canale inclinato influisce sia sulla caduta di pressione che sull'uniformità nelle configurazioni specifiche per i veicoli elettrici.

 

Dimensionamento del collettore e distribuzione del flusso

In molti programmi pratici di raffreddamento a piastre, la distribuzione del flusso diventa il principale collo di bottiglia dopo aver definito la scelta dei materiali e delle interfacce. Ciò è particolarmente vero per pacchi di raffreddamento più lunghi con molte diramazioni parallele. La sezione trasversale del collettore deve alimentare adeguatamente ciascuna diramazione senza sovraccaricare le diramazioni in prossimità dell'ingresso.

Il processo di progettazione inizia dal numero di diramazioni parallele, dalla varianza di flusso target per diramazione e dalla caduta di pressione totale accettabile. Eseguiamo un'analisi CFD della rete di flusso prima di rilasciare la geometria del collettore per la produzione. Una distribuzione fuori tolleranza nelle prime fasi dell'analisi CFD indica una sezione trasversale del collettore insufficiente, non errori nella geometria dei canali.

Parametri geometrici del canale

I parametri iniziali tipici per le piastre di raffreddamento a celle prismatiche sono una larghezza del canale di 3-6 mm e un'altezza di 4-8 mm. I valori target del numero di Reynolds dipendono dal budget di caduta di pressione, dal diametro idraulico del canale, dal flusso di calore e dai vincoli di potenza della pompa. Il flusso turbolento migliora il trasferimento di calore convettivo. Tuttavia, alcuni programmi accettano il flusso laminare in progetti con canali più grandi, dove la caduta di pressione è il vincolo principale. Eseguiamo analisi di sensibilità sul diametro idraulico del canale e sullo spessore della parete prima di finalizzare la geometria dello stampo.

Pressione di contatto TIM: la variabile più sottovalutata

Nelle assemblaggi di produzione, la pressione di contatto tra la piastra fredda e l'involucro della cella varia da lotto a lotto. Tale variazione è determinata dalla planarità della piastra e dalla tolleranza di spessore del TIM (materiale di interfaccia termica). Il risultato sono differenze di temperatura locali tra le celle a stretto contatto e quelle a contatto lasco. La scelta della conduttività del TIM e la gestione della pressione di contatto devono essere parte integrante della progettazione dell'assemblaggio.

Le tolleranze di planarità e i valori minimi di conduttività del TIM devono essere ricavati dall'analisi dello stack termico per la specifica interfaccia della cella. Una conduttività termica del TIM superiore a 3,0 W/m·K è un valore minimo comune per le celle prismatiche progettate per ridurre la resistenza tra giunzione e refrigerante. Questa soglia dipende dalla geometria e dal design. Verifichiamo l'uniformità della pressione di contatto del TIM tra i lotti di produzione come controllo di qualità standard.

Selezione del materiale

La lega di alluminio 3003 offre una resistenza alla corrosione e una formabilità superiori per la brasatura. È la scelta standard per le piastre di raffreddamento stampate e brasate sottovuoto nelle applicazioni per veicoli elettrici per il trasporto passeggeri. La lega 6063 offre una conduttività termica più elevata: 200-210 W/m·K rispetto a 155-175 W/m·K per la 3003. È preferibile quando la lunghezza del percorso di conduzione all'interno della piastra limita le prestazioni. La sua ridotta resistenza alla corrosione richiede un controllo più rigoroso della composizione chimica del liquido di raffreddamento. Raccomandiamo il rame solo quando l'analisi della densità del flusso termico e della resistenza alla conduzione conferma che l'alluminio non è in grado di raggiungere l'obiettivo termico.

Selezione del liquido di raffreddamento per sistemi EV e ESS

Miscele di acqua e glicole

La soluzione di etilenglicole-acqua con una concentrazione di 40–60% è standard per la maggior parte delle applicazioni di raffreddamento indiretto di veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia. Questo intervallo offre protezione dal gelo fino a circa -25 °C a -45 °C, a seconda della concentrazione. La scelta del pacchetto di inibitori determina la durata della protezione dalla corrosione dell'alluminio e l'intervallo di manutenzione. I pacchetti OAT e HOAT offrono intervalli di manutenzione più lunghi rispetto alle formulazioni convenzionali a base di silicati. Gli obiettivi specifici dipendono dalla composizione chimica dell'inibitore, dalla temperatura di esercizio e dai requisiti del produttore.

Specifichiamo glicole etilenico inibito con pacchetto di inibitori HOAT come punto di partenza tipico per i sistemi a piastra fredda in alluminio. Verifichiamo la conduttività del refrigerante al riempimento iniziale e agli intervalli di manutenzione programmati. corrosione nei sistemi di raffreddamento a liquido In genere, il problema inizia con l'esaurimento dell'inibitore, che il monitoraggio della conduttività rileva prima che si manifestino danni visibili. Il limite accettabile dipende dalla composizione chimica dell'inibitore e dalle specifiche del fornitore del fluido.

Dimensionamento della pompa e rischio di avviamento a freddo

La scelta della pompa richiede l'adattamento della curva prevalenza-portata alla resistenza del sistema nell'intero intervallo operativo. A basse temperature ambiente, la viscosità del refrigerante può aumentare significativamente la resistenza del sistema. Nei programmi di validazione della produzione, abbiamo osservato il blocco della pompa centrifuga a basse temperature ambiente quando il dimensionamento era basato solo sui valori target di portata a temperatura ambiente. Il risultato è una portata nulla o fortemente ridotta attraverso uno o più rami della piastra fredda durante l'attivazione iniziale. L'asimmetria della temperatura della cella persiste quindi nel primo ciclo di carica.

Per evitare questo problema, verificare il dimensionamento della pompa sia a regime stazionario a caldo che a freddo. Valutare inoltre le strategie di precondizionamento, come un bypass a riscaldamento, l'attivazione graduale della pompa o il bypass termostatico. Le pompe a ingranaggi resistono meglio al blocco in condizioni di elevata viscosità. Sono preferibili per circuiti con valvole di bypass termostatiche che modificano dinamicamente la resistenza del circuito.

Norme applicabili e quadro di convalida

Standard per i pacchi batteria dei veicoli elettrici

• ISO 6469-1Requisiti di sicurezza per i REESS di bordo, che comprendono la sicurezza elettrica e l'interazione con il sistema termico.
• ISO 12405-4Procedure di test prestazionali per pacchi batteria e sistemi, che forniscono la struttura del programma di test per la convalida delle prestazioni termiche e della durata.
• Regolamento UNECE n. 100Requisiti di sicurezza per i veicoli elettrici a batteria, che regolano la sicurezza dei sistemi REESS, compresa l'interazione con la gestione termica.
• UL 2580: Quadro di valutazione della sicurezza per i sistemi di batterie dei veicoli elettrici, che comprende le condizioni di prova in condizioni di abuso che interagiscono con la progettazione del sistema termico

Standard ESS

• IEC 62619Requisiti di sicurezza per applicazioni industriali e stazionarie di batterie agli ioni di litio; per i programmi relativi ai veicoli elettrici, gli standard specifici per i veicoli stradali hanno la precedenza.
• UL 9540AMetodo di prova per la valutazione della propagazione incontrollata degli incendi dovuti a effetto domino termico; i risultati influiscono direttamente sulla massa termica della piastra fredda e sulle disposizioni relative al flusso di bypass.
• NFPA 855Norma di installazione per sistemi stazionari di accumulo di energia, che disciplina l'ubicazione, la separazione e i requisiti antincendio.

Framework per la tipologia di convalida

La verifica si articola in quattro fasi. La convalida della progettazione (DV) conferma che il progetto soddisfa i requisiti in condizioni definite. Comprende la distribuzione del flusso CFD, la simulazione delle prestazioni termiche e l'imaging termico del prototipo. La convalida delle prestazioni (PV) conferma che le versioni di produzione soddisfano gli obiettivi di prestazione nell'intero intervallo operativo. La convalida della sicurezza comprende i test di contenimento dell'instabilità termica e gli standard applicabili per i test di abuso. La convalida dell'installazione e della messa in servizio comprende l'esecuzione del protocollo di spurgo, l'imaging termico post-riempimento e la calibrazione dei sensori.

I risultati delle simulazioni CFD da soli non sono sufficienti come prova di accettazione finale. È necessaria una correlazione con i test fisici prima di autorizzare la produzione degli stampi.

Verifica durante l'intero ciclo di vita della progettazione della piastra fredda

Criteri di accettazione delle simulazioni CFD

La verifica CFD si basa su tre criteri. La varianza del flusso nei rami deve rientrare nei limiti accettabili in tutti i canali paralleli. La distribuzione della temperatura nell'intero pacco deve soddisfare l'obiettivo di uniformità ΔT al picco del carico termico. La caduta di pressione totale del sistema deve rimanere entro il budget di pressione del sistema. Studi di indipendenza dalla mesh e validazione del modello di turbolenza rispetto ai dati dei test fisici sono necessari prima che i risultati CFD supportino il rilascio del progetto.

Protocollo di termografia

Richiediamo l'imaging termico dopo i transitori di avvio a freddo, non solo a regime. I punti caldi dovuti al blocco di vapore non vengono rilevati se l'imaging viene eseguito solo dopo un funzionamento prolungato. Le bolle d'aria vengono eliminate durante il funzionamento prolungato, ma causano picchi di temperatura localizzati nei primi cicli di riscaldamento. Questi picchi sono correlati al degrado precoce delle celle nei successivi test di mantenimento della capacità. I criteri di accettazione richiedono che tutte le temperature superficiali delle celle rientrino nella banda di uniformità ΔT entro il terzo ciclo di riscaldamento.

Protocollo di sanguinamento e condizioni limite

La maggior parte dei guasti precoci dei sistemi termici che abbiamo analizzato è causata da uno spurgo inadeguato. Il riempimento iniziale in fabbrica richiede tre fasi: riempimento sottovuoto, mantenimento statico alla pressione di sistema e circolazione attiva della pompa per almeno un ciclo termico completo. L'imaging termico post-spurgo conferma la completa eliminazione dell'aria.

Gli scenari di assistenza sul campo richiedono una procedura alternativa definita con criteri di accettazione adeguati. Nei sistemi paralleli a più rami, lo spurgo deve riguardare ciascun ramo in modo indipendente. Uno spurgo in un singolo punto non purifica completamente tutti i percorsi paralleli. Richiediamo la documentazione di conformità dello spurgo come controllo di qualità obbligatorio dell'installazione.

Conclusione

Nella maggior parte dei programmi di piastre di raffreddamento per batterie di veicoli elettrici, l'uniformità della distribuzione del flusso diventa il principale collo di bottiglia dopo aver definito la scelta dei materiali e delle interfacce. Tre variabili solitamente distinguono le prestazioni sul campo di successo dai fallimenti precoci: uniformità della distribuzione del flusso attraverso i rami paralleli, uniformità della pressione di contatto del materiale termoconduttivo (TIM) tra i lotti di produzione e qualità dell'esecuzione del protocollo di spurgo durante l'installazione.

In Trumonytechs, consideriamo la distribuzione del flusso come criterio di revisione primario prima di ottimizzare la geometria del canale o la selezione del materiale. Applichiamo il framework di validazione completo, che comprende progettazione, prestazioni, sicurezza e messa in servizio, prima di rilasciare i nostri risultati. piastre di raffreddamento ad acqua alla produzione. Condividi con il nostro team la configurazione del tuo pacco batterie, il formato delle celle, l'architettura di tensione e il ciclo di lavoro. Analizzeremo le tue condizioni termiche e ti forniremo una direzione di progettazione preliminare.

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