פתרונות ניהול תרמי למערכות סוללות

אין ספק שלגורם הטמפרטורה יש השפעה מכרעת על הביצועים, אורך החיים והבטיחות של סוללות חשמל. באופן כללי, אנו מצפים שמערכת הסוללות תפעל בטווח של 15~35 מעלות צלזיוס, על מנת להשיג את תפוקת ההספק והקלט הטובים ביותר, את האנרגיה הזמינה המרבית ואת מחזור החיים הארוך ביותר (למרות שאחסון בטמפרטורה נמוכה יכול להאריך את חיי הסוללה, אין זה הגיוני במיוחד לנהוג באחסון בטמפרטורה נמוכה ביישומים, וסוללות דומות מאוד לאנשים בהקשר זה).

כיום, ניתן לחלק את ניהול התרמי של מערכת סוללות החשמל לארבע קטגוריות: קירור טבעי, קירור אוויר, קירור נוזלי וקירור ישיר. ביניהן, קירור טבעי הוא שיטת ניהול תרמי פסיבית, בעוד שקירור אוויר, קירור נוזלי וזרם ישר הם שיטות ניהול תרמי אקטיביות. ההבדל העיקרי בין שלושת אלה הוא ההבדל במדיום חילופי החום.

· קירור טבעי
לקירור חופשי אין התקנים נוספים לחילוף חום. לדוגמה, BYD אימצה קירור טבעי בדגמים Qin, Tang, Song, E6, Tengshi ודגמים אחרים המשתמשים בתאי LFP. מובן ש-BYD ההמשך תעבור לקירור נוזלי עבור דגמים המשתמשים בסוללות טרנריות.

· קירור אוויר (מחמם אוויר PTC)
קירור אוויר משתמש באוויר כמדיום להעברת חום. ישנם שני סוגים נפוצים. הראשון נקרא קירור אוויר פסיבי, המשתמש ישירות באוויר חיצוני לצורך חילופי חום. הסוג השני הוא קירור אוויר אקטיבי, שיכול לחמם מראש או לקרר את האוויר החיצוני לפני הכניסה למערכת הסוללות. בימים הראשונים, דגמים חשמליים יפניים וקוריאניים רבים השתמשו בפתרונות קירור אוויר.

· קירור נוזלי
קירור נוזלי משתמש בחומר נגד קיפאון (כגון אתילן גליקול) כמדיום להעברת חום. בדרך כלל ישנם מספר מעגלי חילופי חום שונים בתמיסה. לדוגמה, ל-VOLT יש מעגל רדיאטור, מעגל מיזוג אוויר (מיזוג אוויר PTC), ומעגל PTC (מחמם נוזל קירור PTC). מערכת ניהול הסוללה מגיבה, מתאימה את עצמה ומתחלפת בהתאם לאסטרטגיית ניהול התרמי. לטסלה מודל S יש מעגל בטור עם מערכת קירור המנוע. כאשר יש צורך לחמם את הסוללה בטמפרטורה נמוכה, מעגל קירור המנוע מחובר בטור עם מעגל קירור הסוללה, והמנוע יכול לחמם את הסוללה. כאשר סוללת החשמל נמצאת בטמפרטורה גבוהה, מעגל קירור המנוע ומעגל קירור הסוללה יותאמו במקביל, ושתי מערכות הקירור יפזרו חום באופן עצמאי.

1. מעבה גז

2. מעבה משני

3. מאוורר מעבה משני

4. מאוורר מעבה גז

5. חיישן לחץ מזגן (צד לחץ גבוה)

6. חיישן טמפרטורת מזגן (צד לחץ גבוה)

7. מדחס מזגן אלקטרוני

8. חיישן לחץ מזגן (צד לחץ נמוך)

9. חיישן טמפרטורת מזגן (צד לחץ נמוך)

10. שסתום התפשטות (מקרר)

11. שסתום התפשטות (מאייד)

· קירור ישיר
קירור ישיר משתמש במקרר (חומר משנה פאזה) כמדיום להחלפת חום. מקרר החימום יכול לספוג כמות גדולה של חום במהלך תהליך מעבר הפאזה מגז לנוזל. בהשוואה למקרר, יעילות העברת החום יכולה להשתפר פי שלושה ויותר, וניתן להחליף את הסוללה מהר יותר. החום בתוך המערכת נסחף. שיטת הקירור הישיר שימשה ב-BMW i3.

 

בנוסף ליעילות הקירור, תוכנית ניהול הטמפרטורה של מערכת הסוללות צריכה לקחת בחשבון את עקביות הטמפרטורה של כל הסוללות. ל-PACK יש מאות תאים, וחיישן הטמפרטורה אינו יכול לזהות כל תא. לדוגמה, יש 444 סוללות במודול של טסלה מודל S, אך רק 2 נקודות גילוי טמפרטורה מסודרות. לכן, יש צורך להפוך את הסוללה לעקבית ככל האפשר באמצעות תכנון ניהול טמפרטורה. ועקביות טמפרטורה טובה היא תנאי הכרחי לפרמטרים עקביים של ביצועים כגון עוצמת סוללה, חיי סוללה ו-SOC.