Termisk hantering av batterier
Varför flytande kalla plattor är viktiga för EV-batterikylning
Litium-jonbatterier har förändrat hur vi lagrar och använder energi. Från elfordon och energilagringssystem till industriell utrustning och snabb-laddningstillämpningar förväntas batterier nu leverera högre effekt, längre drifttid och snabbare laddningshastigheter.
Men högre energitäthet medför en betydande teknisk utmaning: värme.
Varje batteripaket genererar värme under drift. Laddning skapar värme. Urladdning skapar värme. Hög-tillämpningar, särskilt snabb laddning och hög strömurladdning, kan öka värmegenereringen ytterligare.
Utmaningen är inte bara att ta bort värme från batteripaketet. Den verkliga utmaningen är att hålla varje battericell inom ett stabilt temperaturområde samtidigt som temperaturskillnaderna mellan cellerna minimeras.
Det är härtermisk batterihanteringblir väsentligt.
Ett effektivt värmehanteringssystem hjälper till att förbättra batteriets prestanda, förlänga livslängden, bibehålla laddningseffektiviteten och minska säkerhetsrisker. För modernaEV batterieroch energilagringssystem,vätskekylning med vätskekylplattor av aluminiumhar blivit en av de mest pålitliga lösningarna.
Varför batterivärmehantering är viktig
Litium-jonbatterier är mycket känsliga för temperatur.
De flesta litium-jonceller fungerar mest effektivt inom ett relativt snävt temperaturintervall, vanligtvis runt 15 grader till 35 grader. När batteritemperaturen rör sig utanför detta intervall börjar den elektrokemiska prestandan sjunka.
Ett batterivärmehanteringssystem (BTMS) är utformat för att styra värmealstring, värmeavlägsnande och temperaturfördelning i hela batteripaketet.
Ett väl-designat värmeledningssystem måste uppnå tre huvudmål:
***Håll cellerna inom det optimala driftstemperaturintervallet
***Minska temperaturskillnaderna mellan enskilda celler
***Förhindra överhettning under hög-drift
Detta är särskilt viktigt eftersom batterisystemen blir kraftfullare.
Till exempel kan ett batteripaket för elbilar innehålla hundratals eller till och med tusentals individuella celler. Om vissa celler fungerar betydligt varmare än andra kan hela batteripaketet drabbas av ojämn åldring.
De hetaste cellerna bestämmer vanligtvis förpackningens totala begränsning.
Med andra ord är ett batteripaket bara så starkt som dess svagaste termiska punkt.
Vad händer när batterierna blir för varma?
Värme är en av de största faktorerna som påverkar litium-jonbatteriets prestanda och livslängd.
När batteritemperaturen ökar för mycket kan flera problem uppstå.
1. Snabbare batterinedbrytning
Höga temperaturer påskyndar oönskade kemiska reaktioner inuti litium-jonceller.
Med tiden kan detta leda till:
>>>Minskad batterikapacitet
>>>Ökat inre motstånd
>>>Kortare livslängd
>>>Lägre laddningseffektivitet
Ett batteri som arbetar kontinuerligt vid förhöjda temperaturer kan förlora prestanda mycket snabbare jämfört med ett batteri som hålls under kontrollerade termiska förhållanden.
2. Ökade säkerhetsrisker
Extrem överhettning kan skapa farliga förhållanden inuti litium-jonceller.
När interna temperaturer stiger över säkra gränser kan batterimaterialen bli instabila. I svåra situationer kan detta utlösa termisk flykt, där värmegenereringen blir själv-bärande och sprids från en cell till en annan.
Det är därför att förhindra överdriven värmeackumulering är ett grundläggande krav i konstruktionen av elbilar och energilagringsbatterier.
3. Minskad laddningsprestanda
Snabb laddning lägger betydande termisk belastning på batterier.
Under hög-strömladdning rör sig litiumjoner snabbt mellan elektroderna. Om värme inte kan avlägsnas effektivt kan laddningshastigheten behöva minskas för att skydda batteriets hälsa.
Detta skapar en direkt konflikt:
Kunderna vill ha snabbare laddning.
Batteriingenjörer behöver bättre värmekontroll.
Effektiv värmehantering hjälper till att lösa denna utmaning genom att ta bort värme snabbt och samtidigt bibehålla stabila celltemperaturer.
Varför temperaturjämnhet är lika viktigt
Många tror att batterikylning bara handlar om att sänka temperaturen.
Temperaturens enhetlighet är dock lika viktig.
Ett batteripaket kan innehålla hundratals celler sammankopplade. Om ett område av förpackningen fungerar varmare än ett annat område kommer dessa celler att åldras annorlunda.
Till exempel:
Hetare celler bryts ned snabbare
Kylare celler bibehåller bättre prestanda
Det övergripande batterihanteringssystemet måste begränsa driften baserat på de svagaste cellerna
Därför är målet med batterivärmehantering inte bara:
"Gör batteriet svalare."
Det verkliga målet är:
"Håll varje cell arbeta vid en liknande och optimal temperatur."
Detta är en anledningflytande kylsystemhar blivit allt vanligare i moderna batteripaket.
Luftkylning vs flytande kylning för batteripaket
Tidiga elfordon och batterisystem med-låg effekt använde ofta luftkylning eftersom det var enkelt, lätt och billigt.
Men när batteriets energitäthet och laddningshastighet ökade började traditionell luftkylning visa begränsningar.
Begränsningar för luftkylning
Luft har relativt låg värmeledningsförmåga jämfört med flytande kylvätska.
Även med fläktar och luftflödeskanaler blir det svårt att ta bort stora mängder värme från tätt packade batterimoduler.
Vanliga utmaningar inkluderar:
Ojämn kylning mellan cellerna
Begränsad kylkapacitet
Större utrymmesbehov
Högre ljud från fläktar
Svårigheter att stödja snabbladdning
För applikationer med låg-effekt kan luftkylning fortfarande vara lämplig.
Men förEV-batterier med hög-prestandaoch energilagringssystem krävs starkare kylningsförmåga.
Varför flytande kylning har blivit den föredragna lösningen
Vätskekylninganvänder ett kylmedel, vanligtvis en vatten-glykolblandning, för att överföra värme från battericellerna.
Jämfört med luft har flytande kylvätska:
***Högre värmekapacitet
***Bättre värmeledningsförmåga
*** Effektivare värmeöverföringsförmåga
A vätskekylplatta för batteripaketinstallerad under eller bredvid batterimoduler ger en direkt värmeöverföringsväg.
Battericell
↓
Termiskt gränssnittsmaterial (TIM)
↓
↓
Kylvätskekanal
↓
Externt kylsystem
Denna design gör att värme kan avlägsnas mer effektivt samtidigt som bättre temperaturjämnhet över batteripaketet bibehålls.
För moderna elbilsbatterier, energilagringssystem och-högeffektapplikationer,vätskekylninghar blivit den föredragna metoden för termisk hantering.
