Thermisch beheer van de batterij
Waarom vloeibare koude platen essentieel zijn voor het koelen van EV-batterijen
Lithium--ionbatterijen hebben de manier veranderd waarop we energie opslaan en gebruiken. Van elektrische voertuigen en energieopslagsystemen tot industriële apparatuur en snel{2}}oplaadtoepassingen: van batterijen wordt nu verwacht dat ze een hoger vermogen, een langere gebruiksduur en snellere oplaadsnelheden leveren.
Een hogere energiedichtheid brengt echter een aanzienlijke technische uitdaging met zich mee: warmte.
Elk accupakket genereert tijdens het gebruik warmte. Opladen creëert warmte. Bij het ontladen ontstaat warmte. Toepassingen met hoog-vermogen, vooral snelladen en ontladen met hoge stroomsterkte, kunnen de warmteontwikkeling nog verder vergroten.
De uitdaging is niet simpelweg het verwijderen van warmte uit het accupakket. De echte uitdaging is om elke batterijcel binnen een stabiel temperatuurbereik te houden en tegelijkertijd de temperatuurverschillen tussen de cellen te minimaliseren.
Dit is waarthermisch beheer van de batterijessentieel wordt.
Een effectief thermisch beheersysteem helpt de prestaties van de batterij te verbeteren, de levensduur te verlengen, de laadefficiëntie te behouden en veiligheidsrisico's te verminderen. Voor modernEV-batterijenen energieopslagsystemen,vloeistofkoeling met aluminium vloeistofkoude platenis een van de meest betrouwbare oplossingen geworden.
Waarom thermisch beheer van batterijen belangrijk is
Lithium--ionbatterijen zijn zeer gevoelig voor temperatuur.
De meeste lithium{0}}ioncellen werken het meest efficiënt binnen een relatief smal temperatuurbereik, doorgaans rond de 15 graden tot 35 graden. Wanneer de batterijtemperatuur buiten dit bereik komt, beginnen de elektrochemische prestaties af te nemen.
Een batterijthermisch beheersysteem (BTMS) is ontworpen om de warmteopwekking, warmteafvoer en temperatuurverdeling door het batterijpakket te regelen.
Een goed-ontworpen thermisch beheersysteem moet drie hoofddoelen bereiken:
***Houd de cellen binnen het optimale bedrijfstemperatuurbereik
***Verminder temperatuurverschillen tussen individuele cellen
***Voorkom oververhitting tijdens gebruik met hoog-vermogen
Dit is vooral belangrijk omdat batterijsystemen krachtiger worden.
Een accupakket voor een elektrisch voertuig kan bijvoorbeeld honderden of zelfs duizenden individuele cellen bevatten. Als sommige cellen aanzienlijk heter werken dan andere, kan het hele batterijpakket ongelijkmatig verouderen.
De heetste cellen bepalen meestal de algehele beperking van het pakket.
Met andere woorden: een batterijpakket is slechts zo sterk als het zwakste thermische punt.
Wat gebeurt er als batterijen te heet worden?
Warmte is een van de grootste factoren die de prestaties en levensduur van lithium{0}}ion-batterijen beïnvloeden.
Wanneer de temperatuur van de batterij buitensporig stijgt, kunnen er verschillende problemen optreden.
1. Snellere degradatie van de batterij
Hoge temperaturen versnellen ongewenste chemische reacties in lithium-ioncellen.
Dit kan na verloop van tijd leiden tot:
>>>Verminderde batterijcapaciteit
>>>Verhoogde interne weerstand
>>>Kortere levensduur van de cyclus
>>>Lagere laadefficiëntie
Een batterij die continu bij hogere temperaturen werkt, kan veel sneller aan prestaties inboeten vergeleken met een batterij die onder gecontroleerde thermische omstandigheden wordt onderhouden.
2. Verhoogde veiligheidsrisico's
Extreme oververhitting kan gevaarlijke omstandigheden creëren in lithium-ioncellen.
Wanneer de interne temperatuur boven de veilige grenzen stijgt, kunnen de materialen van de batterij instabiel worden. In ernstige situaties kan dit een thermische runaway veroorzaken, waarbij de warmteopwekking zelfvoorzienend wordt en zich van de ene cel naar de andere verspreidt.
Dit is de reden waarom het voorkomen van overmatige warmteaccumulatie een fundamentele vereiste is bij het ontwerpen van elektrische voertuigen en energieopslagbatterijen.
3. Verminderde oplaadprestaties
Snel opladen veroorzaakt aanzienlijke thermische belasting van batterijen.
Tijdens het opladen met hoge- stroom bewegen lithiumionen snel tussen de elektroden. Als de warmte niet effectief kan worden afgevoerd, moet de laadsnelheid mogelijk worden verlaagd om de gezondheid van de batterij te beschermen.
Dit creëert een direct conflict:
Klanten willen sneller opladen.
Batterij-ingenieurs hebben een betere hittebeheersing nodig.
Efficiënt thermisch beheer helpt deze uitdaging op te lossen door warmte snel af te voeren en tegelijkertijd stabiele celtemperaturen te behouden.
Waarom temperatuuruniformiteit net zo belangrijk is
Veel mensen denken dat batterijkoeling alleen maar over het verlagen van de temperatuur gaat.
Temperatuuruniformiteit is echter net zo belangrijk.
Een batterijpakket kan honderden met elkaar verbonden cellen bevatten. Als een deel van de roedel heter is dan een ander deel, zullen die cellen anders verouderen.
Bijvoorbeeld:
Hetere cellen worden sneller afgebroken
Koelere cellen zorgen voor betere prestaties
Het algehele batterijbeheersysteem moet de werking beperken op basis van de zwakste cellen
Daarom is het doel van thermisch beheer van batterijen niet simpelweg:
"Maak de batterij koeler."
Het echte doel is:
"Houd elke cel op een vergelijkbare en optimale temperatuur."
Dit is één reden waaromvloeistofkoelsystemenkomen steeds vaker voor in moderne batterijpakketten.
Luchtkoeling versus vloeistofkoeling voor batterijpakketten
Vroege elektrische voertuigen en accusystemen met laag{0}}vermogen maakten vaak gebruik van luchtkoeling omdat dit eenvoudig, licht en goedkoop was.
Naarmate de energiedichtheid en de laadsnelheid van de batterij toenamen, begon de traditionele luchtkoeling echter beperkingen te vertonen.
Beperkingen van luchtkoeling
Lucht heeft een relatief lage thermische geleidbaarheid vergeleken met vloeibaar koelmiddel.
Zelfs met ventilatoren en luchtstroomkanalen wordt het moeilijk om grote hoeveelheden warmte uit dicht opeengepakte batterijmodules te verwijderen.
Veel voorkomende uitdagingen zijn onder meer:
Ongelijkmatige koeling tussen cellen
Beperkte koelcapaciteit
Grotere ruimtebehoefte
Hoger geluid van ventilatoren
Problemen met het ondersteunen van snel opladen
Voor toepassingen met laag-vermogen kan luchtkoeling nog steeds geschikt zijn.
Maar voorEV-batterijen met hoge-prestatiesen energieopslagsystemen is een sterker koelvermogen vereist.
Waarom vloeistofkoeling de voorkeursoplossing is geworden
Vloeistofkoelinggebruikt een koelvloeistof, meestal een mengsel van water-glycol, om warmte weg te leiden van de batterijcellen.
Vergeleken met lucht heeft vloeibaar koelmiddel:
***Hogere warmtecapaciteit
***Betere thermische geleidbaarheid
***Efficiënter warmteoverdrachtsvermogen
A vloeistofkoelplaat voor accupakkettengeïnstalleerd onder of naast batterijmodules zorgt voor een direct warmteoverdrachtspad.
Batterij cel
↓
Thermisch interfacemateriaal (TIM)
↓
↓
Koelvloeistof kanaal
↓
Extern koelsysteem
Dankzij dit ontwerp kan de warmte efficiënter worden afgevoerd, terwijl een betere temperatuuruniformiteit over het hele accupakket behouden blijft.
Voor moderne EV-batterijen, energieopslagsystemen en toepassingen met hoog-vermogen,vloeistofkoelingis de voorkeursaanpak voor thermisch beheer geworden.
