Systemy zarządzania ciepłem zestawów bateryjnych.

Battery Thermal Management System (BTMS) to urządzenie odpowiedzialne za zarządzanie i/lub rozpraszanie ciepła wytwarzanego podczas procesów elektrochemicznych, zachodzących w ogniwach, pozwalające na bezpieczną i wydajną pracę baterii. Celem BTMS jest zapobieganie przyśpieszonemu pogarszaniu się jakości baterii poprzez zarządzanie ciepłem wytwarzanym przez jej komponenty tak, aby stale działała w optymalnych dla siebie warunkach temperaturowych.

Chociaż istniejące komercyjnie dostępne ogniwa, mogące bezpiecznie pracować w temperaturach od -40 do +60°C, zakres roboczy, rekomendowany przez producentów w celu maksymalizacji ich wydajności, rzeczywiście wynosi od 15 do 35°C. Ponadto zaleca się, aby w zestawie akumulatorów nie było różnicy między ogniwami większej niż 5°C. 

Należy zauważyć, że wystawienie akumulatora na ekstremalne warunki może mieć fatalne konsekwencje. Na przykład, jego działanie w bardzo wysokich temperaturach (> 80 ºC) może powodować dobrze już znaną niestabilność temperatury, skutkującą pożarem, a w najgorszym scenariuszu, nawet wybuchem akumulatora.

Technologie zarządzania ciepłem

Wybierając BTMS do zestawu akumulatorów ma się do wyboru wiele alternatyw. Poniższy rysunek przedstawia zarys wiodących technologii zarządzania ciepłem, które są dostępne na rynku lub są badane przez naukowców:

Źródło: © cicenergigune.com

Klasyfikacja BTMS oparta jest na rozróżnieniu układów, w których płyn jest w ruchu i tym, w których go nie ma. Pierwsze znane są jako aktywne BTMS, drugie jako pasywne BTMS.

Aktywny BTMS

Obecnie w pojazdach elektrycznych najczęściej stosuje się aktywne BTMS oparte na wymuszonym obiegu powietrza lub płynie chłodzącym. Na przykład zarówno Toyota, jak i Lexus używają wentylatorów, które przepuszczają zimne powietrze przez ogniwa akumulatora. Z drugiej strony Tesla czy Audi wykorzystują kanały pozostające w bezpośrednim kontakcie z ogniwami, przez które krąży płyn chłodzący (zwykle mieszanina wody i glikolu etylenowego).

Gdy stosowane są chłodziwa płynne, mogą one mieć bezpośredni kontakt z ogniwami (zanurzonymi w płynie) lub krążyć wewnątrz kanałów i działać pośrednio (wszystkie wymienione wcześniej przykłady chłodzenia cieczą to systemy pośrednie).

Jedną z głównych wad systemów pośrednich w porównaniu z systemami bezpośrednimi jest utrata wydajności wymiany ciepła, głównie ze względu na opór wymiany ciepła na styku rury/kanału zawierającej czynnik chłodniczy i samego ogniwa.

Ponieważ jednak nie ma bezpośredniego kontaktu między płynem a elementami elektrycznymi akumulatora, systemy pośrednie umożliwiają stosowanie konwencjonalnych chłodziw, stosowanych już w pojazdach spalinowych. Z tego powodu i ze względu na niski koszt jest to obecnie rozwiązanie preferowane przez producentów samochodów. 

W ostatnich latach zanurzanie ogniw w płynach chłodzących cieszy się dużym zainteresowaniem zarówno na poziomie nauki, jak i przemysłu. Główną zaletą tej konfiguracji jest bezpośredni kontakt płynu chłodzącego z ogniwami, co pozwala na bardziej efektywny transfer ciepła. Badania wskazują, że transfer można zwiększyć nawet czterokrotnie w porównaniu z systemami pośrednimi.

Istnieją jednak poważne wyzwania, które utrudniają dziś wdrożenie tego rozwiązania w pojazdach elektrycznych. Głównym z nich jest potrzeba dalszych badań nad płynami dielektrycznymi, które gwarantują prawidłowe działanie ogniw, nie reagują z żadnym z elementów pakietu akumulatorów (ogniwa, elektronika), mają rozsądny koszt i gwarantują bezpieczeństwo pojazdu w przypadku zderzenia.

Bardziej ekstremalnym przypadkiem układów bezpośrednich jest użycie płynów o temperaturze wrzenia w zakresie temperaturowym pracy ogniwa, w celu wykorzystania zmiany fazy ciecz-para. Istnieją badania naukowe nad tego typu płynami, dzięki którym szacuje się, że transfer ciepła można zwiększyć nawet 10-krotnie w porównaniu do stosowania płynów bez zmiany fazy. Jednak płyny te mają bardzo niski poziom TRL (Technology Readiness Level) i nie przewiduje się ich stosowania w pojazdach w perspektywie najbliższych lat.

Ogólnie zalety i wady aktywnego BTMS można podsumować w następujący sposób:

Zalety:

• Stosunkowo prosta konstrukcja systemów opartych o wymuszony obieg powietrza.
• Wysoka skuteczność w utrzymywaniu pakietu akumulatorów w pożądanym zakresie temperatur w przypadku akumulatorów systemów opartych na bazie płynnów.

Wady: 

• Wysokie koszty operacyjne instalacji z wymuszonym obiegiem powietrza ze względu na konieczność wytworzenia intensywnego przepływu powietrza.
• Niska skuteczność w osiąganiu jednorodnej temperatury pomiędzy ogniwami.
• W systemach opartych na cieczach mogą pojawić się problemy z wyciekami.
• Zajmowana objętość i złożoność systemów płynnych.

Źródło: © cicenergigune.com