از آنجایی که تقاضا برای برد رانندگی و راندمان شارژ در خودروهای انرژی جدید همچنان در حال افزایش است، سیستم‌های مدیریت حرارتی باتری به عاملی حیاتی در تعیین عملکرد و ایمنی بسته‌های باتری تبدیل شده‌اند. به دلیل تفاوت‌های ساختاری ذاتی در قالب‌های بسته‌بندی آنها، استراتژی‌های مدیریت حرارتی برای هر نوع سلول متفاوت است.
I. اهداف اصلی و منطق عمومی مدیریت حرارتی
مدیریت حرارتی باتری اساساً شامل تنظیم دقیق فرآیندهای حرارتی در بسته باتری است. اهداف اصلی آن عبارتند از: حفظ باتری در محدوده دمای عملیاتی بهینه، جلوگیری از گرمای بیش از حد موضعی، کاهش خطر فرار حرارتی، متعادل کردن نیازها برای گرمایش با دمای بالا و دمای پایین{2}، و به حداقل رساندن اختلاف دما بین سلول ها برای افزایش ثبات.
ACEYتجهیزات تست BMSعملکرد مناسب سنجش دمای باتری، حفاظت از دمای بیش از-و ویژگی‌های تعادل سلولی را تأیید می‌کند.
فرآیندهای حرارتی درون بسته شامل چهار جزء اصلی است: اول، گرمای الکتروشیمیایی تولید شده توسط واکنش‌های شیمیایی داخلی باتری، که مستقیماً با طراحی باتری مرتبط است. دوم، گرمای اهمی تولید شده توسط جریان عبوری از هادی ها که توسط طراحی مدار الکتریکی تعیین می شود. سوم، هدایت گرما بین سلول ها و اجزای بسته، که توسط طراحی ساختاری و استراتژی مدیریت حرارتی کنترل می شود. و چهارم، انتقال حرارت همرفتی شامل سیالات (خنک کننده مایع یا هوا)، که به عنوان مسیر اتلاف حرارت اولیه برای سیستم عمل می کند.
راه‌حل‌های جریان اصلی مدیریت حرارتی به چهار دسته تقسیم می‌شوند: سیستم‌های خنک‌کننده مستقیم (مانند BMW i3/X5)، سیستم‌های خنک‌کننده مایع (مثلاً تسلا، آئودی)، سیستم‌های خنک‌کننده هوا (مانند نیسان لیف، پریوس)، و سیستم‌های خنک‌کننده-تغییر مواد (PCM).
II. مقایسه ویژگی ها و استراتژی های مدیریت حرارتی برای سه نوع سلول
به دلیل تفاوت در ساختار بسته بندی، سه نوع سلول در پارامترهای اساسی و منطق مدیریت حرارتی متفاوت هستند:
| مورد مقایسه | سلول استوانه ای | سلول منشوری | سلول کیسه ای |
| مدل های نمایندگی | 18650, 21700, 26650 | L135, L148, L173 | 118, 161 |
| مزایا و معایب اصلی | فرآیند بالغ، عملکرد بالا، قوام خوب، اما وزن سنگین، انرژی ویژه کم | ساختار ساده، چگالی انرژی نسبتاً بالا، مقاومت در برابر ضربه قوی، اما تنوع مدل پیچیده، یکسان سازی فرآیندها دشوار است | سبک وزن، چگالی انرژی بالا، مقاومت داخلی کم، عملکرد چرخه خوب، اما سازگاری ضعیف، هزینه بالا، مستعد نشتی |
| منفرد-منطقه اتلاف حرارت سلولی | 3674 میلی‌متر مربع (مشخصات 18650) | 38296 میلی‌متر مربع (مشخصات 148) | 73094 میلی‌متر مربع (مشخصات 161) |
1. مدیریت حرارتی برای سلول های استوانه ای
ماژول هایی که از سلول های استوانه ای استفاده می کنند، معمولاً از یک طرح جریان خنک کننده مایع دو طرفه استفاده می کنند. در این پیکربندی، هر دو انتهای کانال‌های خنک‌کننده به‌عنوان ورودی و خروجی عمل می‌کنند و از خنک‌سازی ناکافی در انتهای کانال جلوگیری می‌کنند-مشکلی که در غیر این صورت می‌تواند ناشی از افزایش دمای مایع خنک‌کننده در جریان عبور از سیستم باشد. موادی مانند Stycast 2850/CT{4}}که عایق الکتریکی و در عین حال بسیار رسانای حرارتی هستند-برای پر کردن شکاف بین سلول‌های باتری و لوله‌های خنک‌کننده استفاده می‌شوند. این به سه مزیت اصلی دست می یابد: اول، تماس بین سلول ها و لوله ها را از تماس خطی به سطح تماس تبدیل می کند و راندمان انتقال حرارت را به طور قابل توجهی افزایش می دهد. دوم، تبادل حرارت بین سلول ها را تسهیل می کند و به طور غیر فعال یکنواختی دما را در واحدهای جداگانه بهبود می بخشد. و سوم، جرم حرارتی کلی بسته باتری را افزایش می دهد و در نتیجه میزان افزایش متوسط دما را کاهش می دهد.
2. مدیریت حرارتی برای سلول های منشوری
ماژول های سلول منشوری معمولاً 32 سلول استاندارد VDA{1}} را در خود جای می دهند. هر چهار سلول یک صفحه سرد اصطکاکی-همزن-جوش داده شده مشترک دارند. این صفحات سرد به صورت موازی از طریق لوله‌کشی به هم متصل می‌شوند تا از یکنواختی دمای گسترده سیستم- اطمینان حاصل شود. مسیر انتقال حرارت عبارت است از: سلول → مواد رابط حرارتی (TIM) → صفحه پایه / جانبی → صفحه سرد. این پیکربندی پایداری ساختاری را ارائه می دهد و الزامات کاربردی سناریوهای مختلف از جمله وسایل نقلیه تجاری را برآورده می کند.
3. مدیریت حرارتی برای سلول های کیسه ای
سلول های کیسه ای معمولاً به یک محفظه کامپوزیت ساخته شده از پلاستیک و ورق آلومینیوم 0.35 میلی متری متصل می شوند. آلومینیوم گرما را به لبه های ماژول منتقل می کند، در حالی که جزء پلاستیکی عایق الکتریکی و قفل شدن ساختاری را فراهم می کند. اجزای کلیدی ماژول شامل صفحات انتهایی، صفحات پوششی، شینه ها، صفحات اتلاف حرارت، پدهای بافر و حسگرهای NTC می باشد. در مورد مدیریت حرارتی،-صفحه های خنک کننده مایع با ضخامت 1 میلی متر-شامل کانال های جریان ماشینکاری شده- بین سلول های جداگانه قرار می گیرند. این امر تماس مستقیم بین هر سلول و صفحه خنک کننده را تضمین می کند. گرما از طریق TIM به صفحه اتلاف گرما و سپس برای دفع به صفحه خنک کننده هدایت می شود. این محلول بالاترین نسبت مساحت موثر اتلاف گرما را ارائه می دهد.
شباهت ها و تفاوت های اصلی در بین سه راه حل
شباهت‌ها: هر سه با افزودن کانال‌های خنک‌کننده، سرعت انتقال حرارت را با استفاده از رسانه‌های بسیار رسانای حرارتی تسریع می‌کنند و از روش‌های خنک‌کننده فعال برای کنترل دما استفاده می‌کنند.
تفاوت ها:
| مورد مقایسه | استوانه ای | منشوری | کیسه |
| محیط هدایت حرارتی | خود سلول + پرکننده رسانای حرارتی | خود سلول + چسب رسانای حرارتی + صفحه پایه / صفحه جانبی | خود سلول + چسب رسانای حرارت + پخش کننده حرارت |
| مسیر هدایت حرارتی | سلول → چسب رسانای حرارتی → براکت/صفحه سرد مایع | سلول → چسب رسانای حرارتی → صفحه پایه / صفحه جانبی → صفحه سرد | سلول → چسب رسانای حرارتی → پخش کننده حرارت → صفحه سرد |
| منطقه اتلاف گرما موثر | 918 میلی‌متر مربع (18650) | 3996 میلی‌متر مربع (148) | 36547 میلی‌متر مربع (161) |
| نسبت مساحت اتلاف گرما موثر | 25% | 10.40% | 50% |
علاوه بر این، تفاوت های قابل توجهی در مورد انتخاب محیط خنک کننده، چیدمان صفحات خنک کننده و عملکرد اتلاف حرارت نهایی وجود دارد.