Управление температурным режимом аккумуляторных систем электромобилей
Зачем вам нужна BTMS для электромобилей?BTMS состоит не только из аккумуляторов, но и из других компонентов. В большинстве электромобилей есть инвертор для домашней зарядки, который преобразует переменный ток в постоянный. Существует также инвертор для выхода на приводной двигатель. Есть регуляторы температуры, нагреватель, охлаждающие устройства и вентиляторы. Все эти компоненты являются частью BTMS.
Системы терморегулирования аккумуляторов для электромобилей — это новая концепция для автомобильных инженеров и потребителей. Мало что известно о требованиях к поддержанию оптимальных температур для эффективной зарядки и работы больших аккумуляторных батарей, необходимых для электромобилей.
Потребляемая мощность и скорость разряда, необходимые для систем отопления и охлаждения, могут повлиять на производительность автомобиля, если они не спроектированы и не обслуживаются должным образом.
Перегрев ионно-литиевых аккумуляторов
Ионно-литиевые аккумуляторы вызывали пожары в мобильных устройствах, пылесосах и автомобилях во время зарядки. General Motors отозвала 141 000 болтов из-за пожаров, вызванных тем, что владельцы заряжали свои автомобили в течение ночи.
Характеристики ионно-литиевых батарей в холодную погоду
Проблемы с производительностью Tesla из-за холодных погодных условий. Прочтите статью Форбс. Потребители начинают узнавать, что в зимние месяцы производительность батареи может быть снижена до 40%, что означает гораздо более короткие расстояния вождения.
Решения для управления температурой аккумуляторных систем электромобилей. Как можно эффективно нагревать или охлаждать аккумуляторные системы в транспортных средствах?
Нагрев и охлаждение батарейных блоков или систем, как правило, осуществляется за счет конвекции воздуха, окружающего батарейный отсек, или за счет передачи тепла через раму и конструкцию, содержащую элементы батареи.
Есть и более сложные системы, использующие тепловые трубки, жидкостное охлаждение и даже электролит внутри аккумуляторов. Эти системы могут быть дорогими и увеличивать вес и без того тяжелой аккумуляторной батареи автомобиля.
Нагревательные элементы PTC обычно используются как для конвекционного воздушного охлаждения, так и для теплопроводности или прямого контакта аккумуляторных батарей. Нагреватели с положительным температурным коэффициентом PTC идеально подходят благодаря своим небольшим размерам, высокой удельной мощности и саморегулирующемуся контролю температуры для обеспечения безопасности. Эти устройства использовались в течение многих лет для обогрева промышленности в холодном климате.
Нагревательные элементы PTC могут использоваться в качестве поверхностного или канального отопления в зависимости от их конфигурации. Также имеются встроенные вентиляторы с нагревательными элементами для отвода тепла нагнетаемым воздухом.
Канальные нагревательные элементы или нагревательные элементы PTC с принудительной подачей воздуха также могут использоваться для обогрева салона транспортных средств.
Гибкие травленые проволочные нагреватели являются еще одним вариантом благодаря их универсальности в нестандартных размерах, равномерному нагреву и очень тонкой толщине. Эти нагревательные элементы могут быть зажаты между батарейными модулями для более равномерного нагрева. Гибкие нагреватели в силиконовом корпусе могут быть размещены под аккумуляторными модулями для прямой теплопроводной передачи.
Тепловые насосы — еще один способ обогрева аккумуляторной батареи и салона. Тепловые насосы не эффективны для отопления, когда наружная температура ниже 32 градусов по Фаренгейту. Производители электромобилей учатся использовать тепловой насос для улавливания избыточного тепла аккумуляторов зимой для обогрева салона
Tesla использует в своих автомобилях как резистивное отопление, так и тепловые насосы.
Охлаждение BTMS для транспортных средств
Охлаждение аккумуляторов электромобилей является главной задачей производителей из-за череды пожаров и отзывов продукции General Motors. В большинстве случаев достаточно циркуляции воздуха и вентиляции батарейного отсека.
Некоторые производители принимают дополнительные меры предосторожности, используя тепловые насосы для охлаждения и обогрева. Другие используют термоэлектрические охлаждающие устройства, такие как охладители Пельтье.
Охладители на эффекте Пельтье представляют собой полупроводниковые устройства, для работы которых не требуется хладагент или другие жидкости. Эти охладители используют коэффициенты Пельтье различных материалов для передачи тепла и охлаждения воздуха. Использование потока воздуха усиливает эффект, поддерживая более эффективное охлаждение. Эти кулеры бывают стандартных размеров от 60 до 200 Вт.
Идеальные рабочие температуры для аккумуляторов электромобилей
Потребители и инженеры знакомы с радиаторами и системами циркуляции масла в двигателях внутреннего сгорания, которые существуют уже 100 лет.
Циркулирующая охлаждающая жидкость и масло поддерживают оптимальную рабочую температуру для двигателя и пассажиров. Электромобили или электромобили требуют совершенно другого подхода. Для проектирования и изготовления аккумуляторной трансмиссии и BTMS требуется инженер-электрик или электронщик.
Аккумуляторы, используемые в электромобилях, имеют более длительный срок службы и требуют меньше обслуживания, чем двигатели внутреннего сгорания, но, тем не менее, требуют особого внимания к рабочим температурам для обеспечения их долговечности и безопасности.
Литий-ионные аккумуляторы являются наиболее распространенными аккумуляторными блоками, используемыми в современных автомобилях, из-за их веса, емкости и выходной мощности. Эти обычно используемые батареи теряют 40% или более своей мощности при низких температурах и подвержены риску быстрого износа и потенциального теплового разгона при высоких температурах.
Оптимальные рабочие условия при температуре от 59 до 95 градусов по Фаренгейту.
Почти все понимают, что автомобили, грузовики и другие транспортные средства работают в гораздо более широком диапазоне температур окружающей среды, чем оптимальные условия. Экстремальные температуры на открытом воздухе варьируются от минусовой до плюс 100 градусов по Фаренгейту.
Типичное транспортное средство может легко подвергаться воздействию обоих концов температурного диапазона в Соединенных Штатах. Внутренняя температура автомобиля летом может достигать 150 градусов по Фаренгейту и выше, если он припаркован на солнце. Отсюда необходимость управления температурой аккумуляторной системы.
Аккумуляторы электромобилей и холодная погода
Управление температурным режимом аккумуляторных систем электромобилей — это недооцененная проблема производителей транспортных средств. То, что происходит с производительностью аккумуляторов электромобилей при низких температурах, — это слон в комнате. Вы не увидите его в маркетинговых брошюрах производителей автомобилей, однако производительность может упасть до 40% от заявленного в холодную погоду.
Неправильное управление температурным режимом аккумуляторных систем может сократить срок службы аккумуляторов и снизить эффективность аккумуляторных блоков. Аккумуляторы, используемые для запуска двигателей внутреннего сгорания, имеют такие же проблемы, как низкая мощность запуска в зимние месяцы и трудности с поддержанием заряда.
Для электромобилей с более крупными аккумуляторными системами требуется управление обогревом в зимнем климате для эффективной зарядки и сохранения запаса хода.
Почему холодная погода является проблемой для аккумуляторных систем электромобилей? Предварительный подогрев
Производители электромобилей понимают эту проблему, и некоторые из них имеют BTMS, которая включает систему предварительного нагрева аккумуляторной батареи, когда автомобиль обнаруживает, что владелец ищет зарядную станцию. Когда аккумулятор холодный, элементы не заряжаются полностью, что приводит к менее чем 100% емкости и результирующему запасу хода для автомобиля.
Особенно это актуально при быстрой зарядке.
Это относится к домашним зарядным устройствам гаражного типа на 1 или 2 аккумулятора. Для полной зарядки аккумуляторов в течение ночи аккумулятор необходимо предварительно нагреть перед зарядкой. При непрерывном заряде в течение восьми часов возможно, что внутреннее сопротивление в элементах батареи нагреет батарею в достаточной степени для полного заряда.
Поддержание идеальных условий работы аккумуляторной системы.Температура аккумулятора меняется при зарядке, эксплуатации и хранении — припаркованный автомобиль. Литий-ионные аккумуляторы лучше всего работают в диапазоне температур от 59 до 95 градусов по Фаренгейту. Когда температура аккумуляторного блока достигает 32 градусов, эффективность зарядки и вывода снижается. Температуры ниже -4 градусов могут привести к рабочему диапазону 40 процентов от нормального.
Если пробег вашего автомобиля на полностью заряженном аккумуляторе составляет 320 миль, это означает, что вы можете проехать только 128 миль без подзарядки.
Если вы заряжаете аккумулятор при такой температуре, это может занять всего 40% от нормального заряда. Это уменьшает ваш диапазон до 51 мили! Это всего лишь гипотетическая ситуация, но вы можете видеть, что ваше путешествие может занять намного больше времени, чем вы планировали.
В то время как мы воспринимаем работу нашего ноутбука, телефона и других мобильных устройств, использующих аккумуляторы, как должное. Большинство наших устройств не остаются на морозе, поэтому мы не осознаем такой же разницы в производительности, как автомобильный аккумулятор. Однако, если вы используете свой ноутбук на коленях, вы можете почувствовать, насколько сильно нагревается батарея. Автомобильный аккумулятор имеет в 1000 раз большую мощность, чем ваш ноутбук, и выделяет гораздо больше тепла во время работы.
Есть причина, по которой авиакомпании не хотят, чтобы эти батареи находились в багажном отделении самолета. По этой же причине вы видите любые батареи, отправленные по почте, с предупреждением на упаковке.
Почему охлаждение так важно для аккумулятора электромобиля?
Аккумуляторные системы электромобилей состоят из сотен отдельных аккумуляторов, соединенных вместе для выработки напряжения 100–400 вольт, необходимого для работы электродвигателя автомобиля. Выход постоянного тока преобразуется в переменный ток для запуска основного двигателя переменного тока трансмиссии.
Каждая из маленьких 3-5-вольтовых батарей и их соединения создают сопротивление току при зарядке. Ток, протекающий через резистор, создает тепло. Высокая температура окружающей среды батареи или слишком высокий зарядный ток создают достаточно тепла для испарения жидкостей внутри батарей с образованием газа. Именно расширяющийся газ вызывает взрыв аккумуляторов, а образующиеся аккумуляторные жидкости и газы загораются.
Чтобы предотвратить это, в аккумуляторных батареях есть системы вентиляции для выпуска газа, если он накапливается, и средства контроля, которые ограничивают ток во время зарядки.
Даже в этом случае высокая температура и сила тока могут вызвать образование гальванического покрытия на электродах внутри батарей, что со временем ухудшит срок службы и мощность батареи.
Решением является система BTMS, которая охлаждает батареи или аккумуляторный отсек для поддержания безопасной и эффективной рабочей температуры.
Аккумуляторные системы электромобилей были отозваны из-за перегрева во время зарядки.
Уличные зарядные станции для электромобилей также нуждаются в управлении температурным режимом.
Владельцы автомобилей ожидают, что уличные бензоколонки, банкоматы, а теперь и электрические зарядные устройства будут работать независимо от погодных условий. Все эти наружные светильники нуждаются в климат-контроле, чтобы их внутренняя электроника продолжала работать должным образом.
Зарядные устройства для электромобилей работают от переменного тока, переменного тока, который преобразуется в постоянный, постоянного тока для зарядки аккумуляторов.
Требуется электронный преобразователь для изменения тока с переменного на постоянный для быстрой зарядки аккумуляторов. Эти устройства и компоненты, которые их контролируют, плохо работают в условиях холода, жары или влажности.
В наружных шкафах используются устройства обогрева, охлаждения и контроля влажности для поддержания надлежащего диапазона рабочих температур внутри шкафа. Электронные устройства нагрева и охлаждения того же типа, что и для управления температурой батареи, используются в электрических шкафах для установки вне помещений. Кроме того, для снижения влажности можно использовать электрические испарители конденсата. Узнайте больше об управлении микроклиматом внутри наружных электрических шкафов управления.
Мы являемся экспертами по терморегулированию в DBK USAПомощь в решении проблем с системами управления температурным режимом батареи можно получить, позвонив нашим специалистам по управлению температурным режимом по телефону 864-599-1600
представляет дизайн индивидуального электронного устройства с открытым исходным кодом, которое будет использоваться для мониторинга и контроля температуры до четырех батарейных отсеков.
Справочная информация
Запас хода электромобиля значительно сокращается из-за холодных аккумуляторов, а согласно последним спецификациям литиевых аккумуляторов для зарядки требуется температура выше 32F. Таким образом, батареи электромобилей должны иметь температурный режим в холодном зимнем климате (например, в Чикаго), чтобы иметь приемлемый зимний диапазон и оставаться в пределах спецификаций для литиевых батарей.
Нагревательные батареи с нихромовой проволокой
Нихромовая проволока нагревается при прохождении через нее тока. Подобная «термооболочка аккумулятора» содержит нихромовую проволоку и подключается к сети переменного тока 120 В для подогрева (стартерной) батареи:
Изолированный батарейный отсек с нагревателем
«Термооболочку аккумуляторной батареи» можно разобрать для повторного использования внутри нихромовая проволока. Вот пример изолированного аккумуляторного ящика электромобиля с нагревателем из нихромовой проволоки на дне:
С таким изолированным аккумуляторным ящиком и обогревателем температура аккумуляторной батареи зимой может повышаться.
Мониторинг и контроль температуры батарейного отсека
Температура батарей отслеживается, чтобы убедиться, что она выше 32F, а в оптимальном варианте ближе к 72F. Датчик температуры, наподобие электронного термометра, будет располагаться сверху посередине батарей в боксе. Микрокомпьютер Arduino считывает датчик температуры и отображает текущую температуру на маленьком ЖК-дисплее. Нагреватель также будет включаться и выключаться Arduino, выступающим в роли термостата. Arduino включит нагреватель, если температура батареи ниже «заданной минимальной температуры», например, 32F, и выключит нагреватель, если температура превысит «заданную максимальную температуру», например. 72Ф. Будет реализована программируемая пользователем функция, позволяющая устанавливать точки минимальной и максимальной температуры.
Микрокомпьютер Arduino и расширение «Shield»
Вот готовая плата Ardunio Uno (доступна в Radio Shack и во многих других местах в Интернете примерно за 25 долларов):
Одна из замечательных особенностей Arduino заключается в том, что их можно расширить, установив сверху один или несколько «щитов» (например, «дочерние платы»).