Systemy zarządzania ciepłem zestawów bateryjnych.

Pasywny BTMS

Alternatywą dla aktywnych BTMS są systemy pasywne. Chociaż tego typu systemy nie są obecnie stosowane w pojazdach elektrycznych, w ostatnim czasie stały się bardzo ważne ze względu na ich zalety eksploatacyjne. Wśród różnych rozwiązań pasywnych wyróżniają się dwie duże rodziny: materiały zmiennofazowe (phase change materials, PCM) i rurki cieplne (heat pipes, HP).

PCM - zwłaszcza te z przemianą fazową ciało stałe-ciecz - zostały szeroko przebadane pod kątem ich zastosowania w BTMS. Zainteresowanie tymi materiałami wiąże się z możliwością wykorzystania wysokiej energii związanej ze zmianami fazowymi (zwykle >150 J/g), które zachodzą w niemal stałej temperaturze. Ta cecha czyni je atrakcyjną opcją pod względem wymogów utrzymywaniu jednorodnej temperatury w całym pakiecie akumulatorów, zbliżonej do temperatury przemiany fazowej zastosowanego PCM.

Najintensywniejsze prace w tej dziedzinie poddają analizie możliwości wykorzystania parafin, kwasów tłuszczowych lub uwodnionych soli. Ogólnie rzecz biorąc, mieszaniny te mają temperatury topnienia w zakresie 30-50°C, co czyni je idealnymi do systemów zarządzania temperaturą akumulatorów.

Jednakże, ogólnie rzecz biorąc, wyżej wymienione rodziny PCM mają stosunkowo niską przewodność cieplną, a więc cechę, która ogranicza przenoszenie ciepła z ogniw do samego PCM oraz z PCM do zewnętrznej części zestawu akumulatorów.

Aby rozwiązać to ograniczenie, liczne prace w literaturze proponują osadzanie PCM w strukturach porowatych (na ogół metalicznych), domieszkowanie PCM między innymi nanocząstkami, włóknami lub ekspandowanym grafitem.

Pomimo dobrej wydajności w osiąganiu pożądanej jednorodności termicznej w akumulatorze, PCM mają pewne ograniczenia, które sprawiają, że nie są obecnie szeroko stosowaną opcją. Należą do nich:

• Niska przewodność cieplna.
• Kiedy PCM jest domieszkowany, traci gęstość energii.
• Ograniczona zdolność magazynowania ciepła.
• Zwiększenie wagi akumulatora.

Drugą alternatywą dla systemów aktywnych są rurki cieplne. Są to rurki próżniowe, wypełnione płynem (zwykle z wodą), które działają na zasadzie przemiany fazy para-ciecz.

Zasadniczo rurka cieplna składa się z trzech sekcji: parownika (obszar stykający się z gorącym ogniwem), sekcja adiabatyczna, przez którą krąży para, oraz skraplacz (obszar stykający się ze źródłem zimna lub wyprowadzony na zewnątrz zestawu baterii). I chociaż nie są one obecnie stosowane w zestawach akumulatorowych, ich zastosowanie w chłodzeniu komponentów elektronicznych jest bardzo rozpowszechnione.

Głównymi cechami, które sprawiają, że są one bardzo interesujące do wdrożenia w BTMS, są ich elastyczna geometria, wysoka przewodność cieplna (prawie dwa razy większa niż w przypadku przewodników litych) i praktycznie zerowa konserwacja. Z drugiej strony, głównymi ograniczeniami tej technologii są jej złożoność i wysokie koszty kompletnego rozwiązania.

Hybrydowy BTMS

Wreszcie, aby wykorzystać zalety systemów aktywnych i pasywnych, pojawiły się systemy hybrydowe, łączące dwie lub więcej alternatyw opisanych powyżej.

Najczęściej badane kombinacje obejmują zastosowanie PCM z wymuszonym obiegiem powietrza, PCM z chłodzeniem cieczą lub PCM z rurkami cieplnymi. W pierwszym przypadku, celem jest uzyskanie dobrego rozkładu temperatury w akumulatorze i zastosowanie wymuszonego chłodzenia powietrzem lub cieczą do odprowadzania wytworzonego ciepła na zewnątrz. W przypadku PCM z rurkami cieplnymi celem jest poprawa przenoszenia ciepła z PCM na zewnątrz ogniw, tak aby ogniwa mogły być chłodzone przez naturalną konwekcję.

Chociaż hybrydowe systemy BTMS wykazują znacznie bardziej efektywną wydajność niż czysto pasywne lub czysto aktywne systemy w zakresie termicznego zarządzania pakietem akumulatorów, ich złożoność i koszt są czynnikiem ograniczającym wdrożenie w pojazdach elektrycznych.

Źródło: © cicenergigune.com 'Battery Thermal Management System (BTMS) for Mobility Applications'

Autor: Inigo Ortega