Comparació de gestió tèrmica de la bateria: cèl·lules cilíndriques vs bossa i prismàtiques

A mesura que les demandes d'autonomia i eficiència de càrrega dels vehicles d'energia nova segueixen augmentant, els sistemes de gestió tèrmica de les bateries s'han convertit en un factor crític que determina el rendiment i la seguretat dels paquets de bateries. A causa de les diferències estructurals inherents als seus formats d'envasament, les estratègies de gestió tèrmica varien per a cada tipus de cèl·lula.

La gestió tèrmica de la bateria implica essencialment la regulació precisa dels processos tèrmics dins de la bateria. Els seus objectius principals inclouen: mantenir la bateria dins d'un rang de temperatura de funcionament òptim, prevenir el sobreescalfament localitzat, mitigar el risc de fuga tèrmica, equilibrar les necessitats de refrigeració a alta-temperatura i escalfament a baixa-temperatura i minimitzar els diferencials de temperatura entre les cèl·lules per millorar la consistència.

ACEYEquips de prova BMSverifica el funcionament correcte de les funcions de detecció de temperatura de la bateria, protecció de sobre-temperatura i equilibri de cèl·lules.

Els processos tèrmics dins del paquet consten de quatre components principals: en primer lloc, la calor electroquímica generada per les reaccions químiques internes de la bateria, que està directament relacionada amb el disseny de la bateria; segon, la calor òhmica generada pel corrent que flueix pels conductors, determinada pel disseny del circuit elèctric; tercer, la conducció de calor entre les cèl·lules i els components del paquet, regida pel disseny estructural i l'estratègia de gestió tèrmica; i quart, la transferència de calor convectiva que implica fluids (refrigeració líquida o per aire), que serveix com a via principal de dissipació de calor per al sistema.

Les solucions de gestió tèrmica actuals es divideixen en quatre categories: sistemes de refrigeració directa (p. ex., BMW i3/X5), sistemes de refrigeració líquida (p. ex., Tesla, Audi), sistemes de refrigeració per aire (p. ex., Nissan Leaf, Prius) i sistemes de refrigeració de material de canvi de fase (PCM).

A causa de les diferències en les estructures d'embalatge, els tres tipus de cèl·lules es diferencien en els seus paràmetres fonamentals i en la lògica de gestió tèrmica:

1. Gestió tèrmica per a cèl·lules cilíndriques
Els mòduls que utilitzen cèl·lules cilíndriques solen emprar un disseny de flux de refrigeració líquida bidireccional. En aquesta configuració, els dos extrems dels canals de refrigeració serveixen com a entrades i sortides, evitant una refrigeració insuficient a l'extrem del canal-un problema que, d'altra manera, podria sorgir de l'augment de la temperatura del refrigerant mentre flueix pel sistema. S'utilitzen materials com Stycast 2850/CT-que són elèctricament aïllants però molt conductors de calor-per omplir el buit entre les cèl·lules de la bateria i les canonades de refrigeració. Això aconsegueix tres avantatges bàsics: primer, transforma el contacte entre les cèl·lules i les canonades del contacte de la línia al contacte de la superfície, augmentant significativament l'eficiència de la transferència de calor; en segon lloc, facilita l'intercanvi de calor entre cèl·lules, millorant de manera passiva la uniformitat de la temperatura entre unitats individuals; i en tercer lloc, augmenta la massa tèrmica global de la bateria, reduint així la magnitud de l'augment de temperatura mitjana.

2. Gestió tèrmica per a cèl·lules prismàtiques
Els mòduls de cel·les prismàtiques solen albergar cel·les estàndard de 32 VDA-; cada quatre cel·les comparteixen una única placa freda-agitada-soldada. Aquestes plaques fredes es connecten en paral·lel mitjançant canonades per garantir la uniformitat de temperatura-a tot el sistema. El camí de transferència de calor és: cel·la → material d'interfície tèrmica (TIM) → placa base/lateral → placa freda. Aquesta configuració ofereix estabilitat estructural i compleix els requisits d'aplicació de diversos escenaris, inclosos els vehicles comercials.

3. Gestió tèrmica per a cèl·lules de bossa
Les cèl·lules de la bossa solen unir-se a una carcassa composta de plàstic i làmina d'alumini de 0,35 mm; l'alumini transfereix calor a les vores del mòdul, mentre que el component plàstic proporciona aïllament elèctric i enclavament estructural. Els components clau del mòdul inclouen plaques finals, plaques de coberta, barres colectores, plaques de dissipació de calor, coixinets d'amortiment i sensors NTC. Pel que fa a la gestió tèrmica, es col·loquen plaques de refrigeració líquida d'1 mm-de gruix-amb canals de flux mecanitzats-entre cèl·lules individuals. Això garanteix el contacte directe entre cada cèl·lula i la placa de refrigeració; la calor es condueix a través del TIM a la placa de dissipació de calor i després a la placa de refrigeració per a la dissipació. Aquesta solució ofereix la proporció més alta d'àrea efectiva de dissipació de calor.

Similituds i diferències bàsiques entre les tres solucions
Similituds: tots tres milloren l'eficiència de la dissipació de calor afegint canals de refrigeració, acceleren les taxes de transferència de calor mitjançant mitjans altament conductors de calor i utilitzen mètodes de refrigeració actius per al control de la temperatura.
Diferències:

A més, hi ha diferències significatives pel que fa a l'elecció del medi de refrigeració, la disposició de les plaques de refrigeració i el rendiment final de dissipació de calor.