Úvod
Elektromobily (EV) nabízejí oproti tradičním benzinovým vozům řadu výhod, včetně sníženého znečištění životního prostředí, vyšší energetické účinnosti a nižší hladiny hluku. S ubývajícími zásobami ropy a pokrokem v technologii baterií dosáhly elektromobily, nebo dokonce překonaly jízdní výkon a hospodárnost konvenčních vozidel. EV představují nevyhnutelný trend automobilového průmyslu směrem k vozidlům nové generace, která šetří energii a jsou šetrná k životnímu prostředí.
Celosvětové zavádění elektromobilů se zrychluje, s renomovaným automobilovým průmyslemspolečnostijako General Motors, Volkswagen, BMW, Mercedes-Benz, Toyota, Honda a Nissan představující elektrické modely. vČína, několikvýrobcitaké uvedla na trh produkty EV, přičemž na trhu je nyní k dispozici řada čistě elektrických vozidel a hybridních modelů. Ekonomické a ekologické přínosy nových energetických vozidel stále více přitahují zájem spotřebitelů.
Vnitrostátní politiky také podporují nákup EV prostřednictvím různých pobídek a dotací, čímž snižují bariéry pro spotřebitele a urychlují přijetí EV. S tím, jak se elektromobily stále více rozšiřují, je stále více uznáván význam technologie tepelného managementu baterií, která ovlivňuje bezpečnost i životnost baterií elektromobilů.
Význam tepelného managementu baterií
Environmentální a tržní poptávka po EV
Na rozdíl od tradičních vozidel, EVvyrobitžádné výfukové emise, což výrazně snižuje znečištění ovzduší. vČínaEmise benzinu jsou zodpovědné za 79 % znečištění ovzduší během mlhavého počasí a výfukové plyny automobilů významně přispívají k hladinám PM2,5, které jsou zdraví škodlivé. Přechodem na elektromobily se projeví přínosy pro životní prostředí i zdraví, protože elektromobily lze nabíjet pomocí levné elektřiny mimo špičku. Provozní náklady elektromobilů jsou navíc výrazně nižší než u vozů na benzínový pohon. Například náklady na energii u EV jsou jen asi čtvrtinové ve srovnání s benzínovým automobilem, což je činí pro spotřebitele stále atraktivnějšími.
Vládní politika podporující přijetí EV
Thečínštinavláda prokázala silnou podporu vývoji EV. Od roku 2001 zavedla významné iniciativy a strategické plány na podporu výzkumu a vývoje elektromobilů. Byly zavedeny politiky, jako jsou daňové výjimky, pobídky k nákupu a financování výzkumu, aby podpořily přijetí EV. Tyto snahy zdůrazňují závazek vlády urychlit růst trhu s EV.
Potřeba efektivního řízení teploty baterie
Baterie jsou jádrem elektromobilů a jsou klíčové pro jejich bezpečnost. Špatné řízení teploty může vést k tepelnému úniku, což může způsobit vznícení nebo explozi baterií. Kromě toho teplota výrazně ovlivňuje výkon a životnost baterie. Výzkum ukazuje, že provoz lithiových baterií při 45 stupních zkracuje jejich životnost přibližně o 60 %. Efektivní řízení teploty může zlepšit výkon baterie o 30-40 % a zajistit rovnoměrné rozložení teploty v bateriových sadách, prodloužit životnost a zvýšit bezpečnost.
Co je to Battery Thermal Management?
Řízení teploty baterií zahrnuje řízení teploty baterií, aby byl zachován jejich optimální výkon a životnost. To zahrnuje přesné měření a monitorování teploty, účinné chladicí a ohřívací mechanismy a zajištění rovnoměrného rozložení teploty v celé baterii. Dobře navržený systém tepelného managementu může výrazně zvýšit výkon a bezpečnost baterií EV.
Charakteristika tepelného managementu baterií na bázi parní komory
Fyzikálně-chemický ústav přičínštinaAkademie věd vyvinula unikátní tepelný managementřešenípro baterie EV založené na parních komorách (VC). Tentořešeníkombinuje vysokou účinnost kapalinového chlazení, jednoduchost a spolehlivost vzduchového chlazení a izotermické vlastnosti chlazení s fázovou změnou. Mezi klíčové vlastnosti této technologie patří:
- Vysoká tepelná vodivost:VC mají neuvěřitelně vysokou tepelnou vodivost, poskytují vynikající rovnoměrnost teploty a kontrolují vnější teplotní rozdíly baterie do 3 stupňů. S ekvivalentní tepelnou vodivostí až 200,000 W/m·K nabízejí VC více než 100krát vyšší tepelnou vodivost než čistá měď.
- Kompaktní a lehký:VC jsou tenké (1-6 mm), kompaktní a lehké, takže je lze snadno integrovat s různými konfiguracemi baterií.
- Nízká údržba:VC nemají žádné pohyblivé části, což zajišťuje vysokou spolehlivost a nízké nároky na údržbu.
- Výhody pro životní prostředí:Vyrobeny převážně z hliníku, VC jsou šetrné k životnímu prostředí a recyklovatelné.
- Vysoká spolehlivost:VC mohou být navrženy s více redundantními komorami, což zajišťuje nepřetržitý provoz, i když část komory selže.
Vztah mezi výkonem baterie a teplotou
Výkon a životnost baterie jsou úzce spojeny s teplotou. Například kapacita lithium-železofosfátových baterií výrazně klesá při nízkých teplotách, zatímco při mírných teplotách se zvyšuje postupně. Udržování baterií v jejich optimálním teplotním rozsahu je zásadní pro maximalizaci jejich výkonu a životnosti.
Rozložení teploty v bateriových sadách
Nerovnoměrné rozložení teploty v bateriových sadách může vést k nekonzistencím ve vnitřním odporu a kapacitě, což může způsobit přebíjení nebo nadměrné vybíjení jednotlivých článků. Správné řízení teploty zajišťuje rovnoměrné rozložení teploty, zvyšuje výkon baterie a bezpečnost.
Vzhledem k různým bateriovým modulům v sadě baterií může teplotní nerovnováha mezi moduly zhoršit vnitřní odpor a nekonzistenci kapacity. Pokud to není efektivně řízeno, může to vést k přebíjení nebo nadměrnému vybíjení některých článků v průběhu času, což ovlivňuje výkon a životnost a představuje bezpečnostní rizika. Teplotní rozdíl mezi moduly úzce souvisí s uspořádáním bateriového bloku. Centrální články akumulují teplo díky špatné ventilaci, zatímco periferní články mají lepší podmínky chlazení a jsou méně náchylné k přehřívání.
Tepelný management baterie funguje na dvou úrovních: za prvé, řídí okolní teplotu, aby se udržela v rozsahu, který udržuje výkon baterie, a za druhé zajišťuje dobrou rovnoměrnost teploty mezi jednotlivými články, aby byl zajištěn konzistentní výkon. Následující graf přechodné tepelné simulace ukazuje, že nedokonalý systém tepelného managementu zvyšuje teplotní rozdíly mezi buňkami, které se časem zvětšují.
Současné technologie tepelného managementu baterií
Tradiční systémy tepelného managementu baterií zahrnují chlazení vzduchem, chlazení kapalinou a chlazení materiálu se změnou fáze (PCM). Každý má své výhody a omezení:
- Chlazení vzduchem:I když je vzduchové chlazení levné a snadno se udržuje, může být nutné revidovat, aby adekvátně splňovalo požadavky na chlazení vysokokapacitních lithium-iontových baterií, zejména při vysokých rychlostech vybíjení a extrémních podmínkách prostředí. Studie například ukázaly, že chlazení vzduchem nestačí k udržení baterie v bezpečných teplotních limitech při vysokých rychlostech vybíjení.
- Chlazení kapalinou:Poskytuje lepší chladicí výkon než vzduchové chlazení, ale vyžaduje složité systémy a vyšší náklady. Zajištění izolace a zabránění netěsnostem jsou zásadní problémy. Kapalinové chladicí systémy jsou účinné, ale mohou být náchylné k problémům, jako je únik a vyžadují složitější údržbu.
- PCM chlazení:Využívá latentní teplo fázové změny k řízení teploty, ale nemusí účinně odvádět teplo během nepřetržitého provozu s vysokým výkonem. Materiály PCM je třeba pečlivě vybírat, aby bylo zajištěno, že zvládnou tepelné zatížení, aniž by rychle dosáhly nasycení.
Kapalinou chlazený akumulátor elektrického vozidla General Motors VOLT
Vzduchem chlazená baterie hybridního vozidla Toyota Prius
Kapalinou chlazený akumulátor hybridního vozidla Mercedes-Benz S400h
Výhody tepelného managementu baterií založeného na VCŘešení
- Vynikající tepelná vodivost:Zajišťuje minimální teplotní rozdíly a zabraňuje akumulaci tepla, což je klíčové pro zamezení horkých míst a tepelného úniku.
- Kompaktní a lehký design:Snadná integrace s různými konfiguracemi baterií a chladicími systémy. Díky tenkému profilu VC jsou vhodné pro moderní design kompaktních baterií.
- Nízká údržba:Vysoká spolehlivost a minimální nároky na údržbu. Nedostatek pohyblivých částí znamená méně bodů potenciálního selhání.
- Výhody pro životní prostředí:Hliníková konstrukce je recyklovatelná a šetrná k životnímu prostředí. To je v souladu s cíli udržitelnosti odvětví EV.
- Vysoká spolehlivost:Vícenásobné redundantní komory zajišťují nepřetržitý provoz, i když část komory selže. Tato redundance je kritická pro zachování bezpečnosti a výkonu za různých provozních podmínek.
Případová studie implementace
Podmínky návrhu
A společnostvyžadoval systém tepelného managementu pro čistě elektrický autobus s bateriovým blokem skládajícím se z 12 řetězců 6 paralelních válcových článků o celkové kapacitě 150Ah – bateriový blok potřeboval zvládnout nabíjecí proud 500A a vybíjecí proud 250A.
Měřená tvorba tepla baterie
Generování tepla jednotlivých článků v různých fázích životnosti bylo měřeno za podmínek nabíjení a vybíjení 4C. Výsledky ukázaly různé rychlosti výroby tepla, které byly základem návrhu systému tepelného managementu.
Návrh struktury produktu
Na základě měření vytvořil Kaixin Aluminium design bateriové sady obsahující systém řízení teploty na bázi VC. Návrh zahrnoval podrobné úvahy pro zajištění rovnoměrného rozložení teploty a efektivního odvodu tepla napříč všemi články.
Výsledky testů
Výrobek prošel třemi cykly nabití a vybití s monitorováním teploty. Výsledky ukázaly, že systém založený na VC účinně řídil teplotu baterie, udržoval ji v požadovaném rozsahu a zajišťoval rovnoměrné rozložení teploty. Proces testování zahrnoval kontrolované laboratorní podmínky a reálné simulace ověřující výkon v různých scénářích.
Závěr
Tepelný management založený na VCřešenívyvinutý společností Kaixin Aluminium nabízí vysoce účinnou, kompaktní a spolehlivou metodu pro řízení tepelných charakteristik baterií EV. Tentořešenízvyšuje výkon, bezpečnost a životnost baterií EV tím, že zajišťuje rovnoměrné rozložení teploty a zabraňuje úniku tepla. S více než 15 lety zkušeností s exportem vysoce kvalitních produktů chladičů do Evropy a poskytovánímZvyk řešenípro velké podniky má Kaixin Aluminium dobrou pozici, aby vyhovovala vyvíjejícím se potřebám trhu EV.