Il raffreddamento delle batterie dei veicoli elettrici mantiene il pacco agli ioni di litio all'interno di un intervallo di temperatura di funzionamento, limitando al contempo le differenze di temperatura tra le singole celle. Il metodo che permette di raggiungere entrambi gli obiettivi dipende dalla generazione di calore misurata nelle celle, dall'uniformità di temperatura desiderata e dalla tecnologia di confezionamento disponibile. Aria, piastre di raffreddamento a liquido indirette, refrigerante diretto, immersione, heat pipe e buffer a cambiamento di fase raggiungono ciascuno un limite fisico differente. La generazione di calore deve essere ricavata dai dati a livello di singola cella, considerando l'intervallo di corrente, stato di carica e temperatura previsti. La capacità del pacco moltiplicata per il C-rate descrive la potenza elettrica erogata, quindi non ne è un sostituto.
Come funziona il raffreddamento delle batterie dei veicoli elettrici e cosa controlla effettivamente
Il sistema di raffreddamento delle batterie di un veicolo elettrico dissipa il calore dal pacco batterie mantenendo al contempo due obiettivi distinti: un intervallo di temperatura assoluto per le celle e un limite massimo alla differenza di temperatura consentita tra le celle. L'obiettivo che viene raggiunto per primo dipende dal percorso del flusso, dall'incapsulamento e dall'interfaccia tra le celle e il liquido di raffreddamento.
La generazione di calore all'interno del pacco batterie è dovuta a diversi fattori. Il calore irreversibile deriva dalle perdite ohmiche e di polarizzazione nelle celle, mentre il calore entropico reversibile proviene dall'elettrochimica stessa. Le barre collettrici, le linguette e le resistenze di contatto contribuiscono ulteriormente, pertanto le giunzioni spesso diventano punti caldi prima dei corpi delle celle. Tutti questi fattori variano in funzione della corrente, della resistenza interna, dello stato di carica, della temperatura, dell'invecchiamento e della direzione di carica. Un carico termico adeguato per la progettazione del sistema di raffreddamento può quindi essere determinato tramite calorimetria, una mappa di generazione di calore fornita dal produttore o un modello elettrotermico validato, eseguito durante il ciclo di utilizzo effettivo.
Linee guida pubblicate sulle divisioni di banda assolute. Un Articolo di E-Mobility Engineering sul raffreddamento delle batterie dei veicoli elettrici., Secondo una rivista specializzata in ingegneria, le migliori prestazioni e la maggiore durata si ottengono a temperature comprese tra i 20 e i 25 °C. Confronto tra raffreddamento a liquido e ad aria a cura di Saur Energy Descrive un intervallo operativo accettabile più vicino a 20-40 °C. I due valori rispondono a domande diverse: quello più ristretto rappresenta l'ottimo di durata, quello più ampio la tolleranza operativa. Un progetto che adotta la tolleranza come obiettivo supererà il proprio test di accettazione e invecchierà comunque più velocemente di quanto presupposto dalla scheda tecnica della cella. Entrambe sono generalizzazioni del settore e le specifiche approvate della cella hanno la precedenza su entrambe.
È opportuno definire un limite fin da subito. La normale gestione termica controlla la temperatura di esercizio, la sua dispersione, l'invecchiamento e il consumo di energia ausiliaria. Fuga termica e la sicurezza della propagazione è una disciplina separata: rilevamento, ventilazione, isolamento, avviso agli occupanti e resistenza alla propagazione da cella a cella. Per i veicoli stradali è affrontata da ISO 6469-1:2019/Amd 1:2022, che riguarda la gestione della sicurezza della propagazione termica per i sistemi di accumulo di energia ricaricabili. Un circuito di raffreddamento dimensionato per il normale funzionamento non costituisce una strategia di propagazione e nessuna versione di tale standard prescrive un metodo di raffreddamento, una dimensione delle piastre o una temperatura ottimale delle celle.
Perché il raffreddamento a liquido non è automaticamente superiore al raffreddamento ad aria
La scelta tra raffreddamento ad aria e a liquido per un pacco batterie di un veicolo elettrico dipende dal flusso di calore superficiale, dal flusso effettivamente disponibile e dall'obiettivo di uniformità, fattori che, presi singolarmente, lasciano la capacità del pacco e la classe del veicolo come indicatori poco affidabili. La capacità di raffreddamento ad aria varia in base alla portata massica dell'aria, all'aumento di temperatura dell'aria consentito, alla temperatura di ingresso, alla superficie di contatto tra celle e aria, al bypass dei condotti e alla distribuzione del flusso, alla pressione statica della ventola, alle condizioni ambientali e al fatto che l'aria venga preventivamente condizionata. La capacità di raffreddamento a liquido varia in base alla superficie delle piastre, alla resistenza di contatto, alla portata, alla temperatura di ingresso, alla geometria dei canali, alla caduta di pressione e alla capacità del refrigeratore. Nessuno di questi parametri si riduce a una singola soglia di potenza. Le soglie pubblicate si rivelano solitamente essere l'inviluppo di prodotto di un singolo fornitore.
Ciò che si può affermare è la differenza di scala tra i due. A circa 25 °C, l'aria trasporta circa 1,005 kJ/kg·K a una densità di circa 1,225 kg/m³, ovvero circa 1,2 kJ per metro cubo per kelvin. L'acqua trasporta circa 4,18 kJ/kg·K a circa 1.000 kg/m³, ovvero circa 4.180 kJ per metro cubo per kelvin. Per la stessa quantità di calore dissipata con lo stesso aumento di temperatura del fluido, l'aria necessita quindi di una portata volumetrica circa 3.000 volte superiore. Questa differenza definisce il confronto. I dati si basano sul solo calore sensibile, pressione atmosferica e acqua pura; una miscela di glicole trasporta meno calore. In pratica, un sistema di raffreddamento ad aria raggiunge i limiti del volume del condotto e della potenza della ventola consentiti dall'ingombro, e perde uniformità prima di perdere la temperatura media.
I due percorsi si combinano anche. Il materiale a cambiamento di fase può smorzare i picchi all'interno di un contenitore raffreddato ad aria, e un sistema prevalentemente raffreddato ad aria può ospitare un piccolo circuito a liquido che serve solo i moduli a flusso più elevato. L'accumulo stazionario è soggetto a vincoli di ingombro e manutenzione diversi, e rappresenta un confronto a parte.
Sei metodi di raffreddamento e il limite che ciascuno raggiunge per primo
Nell'attuale progettazione dei pacchi batteria per veicoli elettrici sono presenti sei approcci di raffreddamento, e quale di essi raggiunga per primo il suo limite dipende dal flusso di calore superficiale, dal volume di imballaggio e dalla compatibilità del fluido con le celle attive.
| Metodo | percorso termico | Più adatto quando | Limite raggiunto per primo |
|---|---|---|---|
| Aria forzata o condizionata | Superficie della cella all'aria nel condotto o nell'involucro | Il flusso di calore è basso, il flusso d'aria è disponibile, una maggiore diffusione è tollerabile. | Bassa capacità termica volumetrica e distribuzione non uniforme del flusso d'aria |
| Liquido indiretto, piastra fredda | Cella per interfacciare materiale alla piastra al refrigerante | Un flusso di calore più elevato o una maggiore diffusione devono essere stretti | Resistenza dell'interfaccia, caduta di pressione, gestione delle perdite |
| Prototipo diretto | Cella o piastra per l'evaporazione del refrigerante | L'imballaggio favorisce il collegamento della confezione al circuito del refrigerante. | Distribuzione del refrigerante e controllo del surriscaldamento nei rami paralleli |
| Immersione, dielettrico diretto | superficie esterna della cella al fluido dielettrico | Il flusso di calore superficiale è elevato oppure l'imballaggio è molto compatto | Viscosità del fluido, potenza di pompaggio, compatibilità, manutenibilità |
| tubo di calore | Una cella subisce un cambiamento di fase all'interno di un tubo sigillato, quindi verso un lavandino. | Il calore deve spostarsi da un luogo confinato verso una regione più fredda. | Il limite capillare, l'orientamento e il pozzo devono ancora esistere |
| buffering PCM | Cella per l'accumulo di calore latente | I picchi transitori necessitano di essere smussati | Il calore immagazzinato necessita comunque di un percorso di rigenerazione o dissipazione. |
Il livello di maturità di queste tecnologie varia notevolmente. Il raffreddamento ad aria e il raffreddamento indiretto a liquido sono ormai consolidati nella produzione, mentre le soluzioni basate sui refrigeranti sono già presenti nei veicoli di serie. Raffreddamento a immersione I sistemi PCM su larga scala rimangono più comuni nei programmi pilota e nello sviluppo avanzato, mentre il raffreddamento a liquido indiretto è oggi l'approccio più consolidato per i pacchi batteria ad alta energia destinati ai passeggeri. Lo stesso articolo rileva che gli oli siliconici studiati come fluidi dielettrici sono sufficientemente viscosi da aumentare sensibilmente la potenza della pompa e che un fluido testato si è comportato in modo non newtoniano sotto carico di pompaggio.
Il formato delle celle influenza la definizione di questi limiti, poiché modifica l'area di contatto disponibile, il percorso di conduzione interno e la direzione da cui il raffreddamento risulta più efficace. Per un confronto preciso, è necessario conoscere le dimensioni effettive delle celle e le superfici disponibili per il contatto termico. Anche la configurazione del flusso è importante per lo stesso motivo. In un canale a serpentina a singolo passaggio, le celle vicine all'uscita possono raggiungere temperature più elevate perché il refrigerante ha già assorbito calore a monte, mentre configurazioni con ingressi paralleli o multipli possono ridurre o ridistribuire tale gradiente termico.
Quali variabili del pacchetto determinano il metodo e quali stabilire per prime
Sette variabili influenzano la decisione relativa al raffreddamento delle batterie dei veicoli elettrici, e ognuna ha una sua origine legittima: la scheda tecnica di una cella, un requisito di validazione o il ciclo di lavoro effettivo del pacco batterie.
| Variabile | Da dove proviene il valore | Ciò che limita |
|---|---|---|
| generazione di calore cellulare | Calorimetria, mappa di generazione di calore del fornitore o modello elettrotermico validato | Ogni fase di dimensionamento a valle |
| Limite di diffusione cellula-cellula | Requisiti di convalida della cella e del pacco, indicati con la condizione di misurazione | Se l'aria rimanga un'opzione valida |
| Aumento della temperatura del liquido di raffreddamento | Portata, area della piastra, configurazione dei canali | Un termine del budget di spread |
| resistenza dell'interfaccia | Spessore della linea di incollaggio, conduttività del riempitivo, planarità della superficie | Temperatura della cella raggiungibile a una data temperatura della piastra |
| Contenitore e percorso del flusso d'aria | Grado di protezione dall'ingresso, accesso al servizio, volume di imballaggio | Fattibilità dell'aria condizionata |
| fluido di lavoro | Conduttività elettrica, viscosità a bassa temperatura, compatibilità dei materiali | Porta di perdita e regime di servizio |
| Riduzione della tariffa e soglie di spegnimento | Specifiche delle celle approvate e concetto di sicurezza del BMS | Comportamento di ricarica rapida sostenuto |
I sette fattori convergono, sebbene due di essi meritino di essere definiti fin da subito. La generazione di calore della cella è il primo elemento da considerare: l'area della piastra, il numero di canali, la portata e la scelta della pompa la prendono tutti in considerazione, quindi una modifica in questo ambito si ripercuote su ogni decisione successiva. Il limite di diffusione viene dopo, ed è il fattore meno negoziabile dei due. Ha origine nella cella stessa, il che lo rende in gran parte al di fuori del controllo del progettista. Il tipo di involucro e il fluido di lavoro possono solitamente essere rivisti in una fase successiva della progettazione senza dover rifare il dimensionamento.
A dirla senza mezzi termini: laddove la dissipazione misurata di un pacco è modesta e l'imballaggio consente l'utilizzo di aria condizionata, un circuito a liquido aggiunge pompe, raccordi, manutenzione del refrigerante e rilevamento delle perdite, per un margine che il ciclo di lavoro potrebbe non richiedere mai. Un budget dettagliato sulla carta lo dimostrerà più rapidamente di un confronto tra fornitori.
Limiti di conduttività del liquido di raffreddamento che sono cambiati nel 2025
Due documenti spostati selezione del liquido di raffreddamento Le specifiche più recenti e quelle più vecchie relative al liquido di raffreddamento potrebbero non rispecchiare nessuna delle due cose.
- GB 29743.2-2025, Liquido di raffreddamento per autoveicoli, Parte 2: Liquido di raffreddamento per veicoli elettrici. In vigore in Cina dal 1° ottobre 2025, la normativa fissa a 100 µS/cm il limite massimo di conducibilità elettrica del liquido di raffreddamento fornito, con un aumento consentito durante il servizio. Azione: Prima di specificare un fluido per qualsiasi piattaforma venduta in quel mercato, verificate la conformità con il vostro fornitore di liquido refrigerante.
- ASTM D8566-24, Specifiche standard per il liquido di raffreddamento a base di glicole per veicoli elettrici a bassa conduttività elettrica. Approvato il 15 maggio 2024 dal sottocomitato ASTM D15.26, il documento riporta una conduttività elettrica massima di 100 µS/cm per il liquido di raffreddamento fresco. Azione: Verifica se il tuo circuito è conforme a questo documento o a una specifica precedente per il liquido di raffreddamento del motore, poiché i liquidi di raffreddamento convenzionali hanno specifiche di gran lunga superiori.
Nessuno dei due documenti stabilisce una temperatura ottimale della cella, un obiettivo di uniformità o una portata di raffreddamento. Si limitano a definire il fluido, mentre la progettazione termica rimane a vostra discrezione.
Resistenza di interfaccia tra la cella e la piastra fredda
resistenza dell'interfaccia tra una cellula e la sua piastra fredda Spesso, la temperatura raggiungibile della cella è influenzata più della piastra, poiché la linea di giunzione è un elemento in serie la cui resistenza aumenta con lo spessore e diminuisce con la conduttività e l'area. Questa stessa caratteristica rende esplicito il compromesso. Uno spazio di 10 mm riempito con un materiale da 10 W/m·K ha circa la stessa resistenza termica di uno spazio di 1 mm riempito con un materiale da 1 W/m·K. Tale confronto è valido a parità di altre condizioni.
La relazione tra spessore e conduttività ha una conseguenza di approvvigionamento che raramente viene esplicitata. Dimezzare la linea di incollaggio equivale a ottenere all'incirca quanto raddoppiare la conduttività del riempitivo. Lo spessore è una decisione di tolleranza e planarità, mentre la conduttività è una decisione di prezzo. Lo spessore è spesso la leva più economica. Specificare un premio materiale di interfaccia termica Recuperare un pacco batterie che si surriscalda è spesso la soluzione più costosa per ottenere un abbassamento di temperatura che una disposizione più compatta avrebbe garantito. Il confronto presuppone una conduzione unidimensionale e ignora la resistenza di contatto tra le due superfici, che aumenta quando una delle due non è piana.
La portata del refrigerante dipende dal carico termico e dall'aumento di temperatura consentito. Dalla formula q = ṁ × Cp × ΔT, un carico di 5 kW mantenuto a un aumento di temperatura del refrigerante di 3 K richiede circa 5.000 ÷ (3.300 × 3) ≈ 0,5 kg/s. Il valore di 3,3 kJ/kg·K deriva dai valori dei componenti puri per una miscela acqua-glicole 50/50, ipotizzando una miscelazione ideale. Sostituite il carico misurato e la scheda tecnica del fluido. Ciò che questo calcolo quantifica è l'aumento di temperatura del refrigerante, un termine nel budget di distribuzione tra celle. Il resto deriva dalla distribuzione del flusso nel collettore, dalla conduzione nel piano attraverso la piastra, dalla resistenza dell'interfaccia, dalle differenze nella generazione di calore per cella, dagli effetti di bordo al confine del modulo e dal posizionamento e dalla tolleranza dei sensori. Verifichiamo quale aumento di temperatura del refrigerante un dato budget di distribuzione può assorbire prima di confrontare le opzioni delle piastre.
Quando una piastra viene dimensionata basandosi solo sul carico termico totale e nessuno annota il budget di distribuzione, il pacco spesso raggiunge la temperatura media target ma non supera comunque il controllo di uniformità in prossimità dell'uscita. La correzione, quindi, tende ad arrivare aumentando il flusso anziché modificando la configurazione del collettore. Nei pacchi che effettuano cicli giornalieri ad alte temperature ambientali, le celle più vicine all'uscita del refrigerante e la linea di giunzione tra piastra e cella sono solitamente i primi punti da ricontrollare quando la distribuzione misurata inizia ad ampliarsi.
Dai dati sulla generazione di calore alla scelta del metodo di raffreddamento.
La scelta del sistema di raffreddamento per le batterie dei veicoli elettrici si basa principalmente su due fattori: un profilo di generazione di calore misurato o modellato e un limite di dispersione termica tra le celle, specificato insieme alle condizioni di misurazione. Una volta definiti entrambi, la scelta del metodo, il dimensionamento delle piastre e la portata del fluido di raffreddamento diventano molto più semplici. La maggior parte delle divergenze tra raffreddamento ad aria e a liquido deriva proprio da queste due variabili. Entrambe sono specifiche di ogni progetto e dipendono dal ciclo di lavoro, quindi è fondamentale determinarle con un test a regime costante prima di scegliere l'hardware.
Se hai già un profilo di generazione di calore e un obiettivo di uniformità dichiarato, il passo successivo è un layout del canale e uno stack di interfaccia controllati rispetto a entrambi, ed è qui che il nostro Gestione termica del pacco batterie Si comincia. Se non si dispone di nessuno dei due, si può iniziare con la calorimetria o con una mappa di generazione di calore fornita dal produttore, perché ogni decisione di dimensionamento successiva ne erediterà l'accuratezza.
FAQ
Un veicolo elettrico parcheggiato necessita comunque di raffreddamento della batteria?
A volte. Le informazioni destinate agli acquirenti indicano che alcuni veicoli elettrici di serie mantengono attivo il sistema di gestione termica anche quando sono parcheggiati in ambienti con temperature elevate, con un piccolo consumo energetico, per limitare l'invecchiamento. È importante verificare se il vostro modello si comporta allo stesso modo, consultando la documentazione del proprietario.
È possibile convertire in seguito un pacco batterie dal raffreddamento ad aria al raffreddamento a liquido?
Raramente senza una riprogettazione del pacco. Il montaggio delle piastre, la spaziatura delle celle, la sigillatura e il percorso del refrigerante sono decisioni fisiche fisse già in fase di progettazione del pacco, a differenza dei parametri di controllo come la temperatura target del refrigerante, che rimangono regolabili in seguito. Considerate il metodo di raffreddamento come definitivo una volta che la geometria dell'involucro è stata congelata.
Con quale frequenza è necessario sostituire il liquido di raffreddamento in un circuito a batteria?
L'intervallo indicato si riferisce alle specifiche di manutenzione del veicolo o del sistema batteria. I dati del fornitore del fluido sulla durata dell'inibitore e sulla compatibilità dei materiali dovrebbero supportare tale intervallo, e i metalli, le guarnizioni e la deriva di conduttività del circuito influiscono tutti su di esso.
Cosa deve cambiare prima che il raffreddamento a immersione sia adatto a un pacco batterie di produzione?
Tre elementi: una potenza di pompaggio adeguata alla viscosità del fluido, guarnizioni e accessi per la manutenzione progettati per un pacco fluidificato e una fornitura adeguata di un fluido qualificato. Il trasferimento di calore raramente rappresenta il problema principale.
Che effetto ha il precondizionamento della batteria sulla velocità di ricarica?
Il precondizionamento porta il pacco batteria verso la finestra in cui il BMS consente una corrente di carica più elevata, motivo per cui un caricabatterie può fornire curve di carica molto diverse con un pacco batteria freddo e uno precondizionato. Le soglie di declassamento e di spegnimento derivano dalle specifiche approvate delle celle. Il precondizionamento consuma anche energia del pacco batteria, quindi la maggiore capacità termica comporta costi variabili.
