Studiul cu privire la proiectarea și simularea unui sistem de management termic modular, pentru bateriile autovehiculelor electrice și hibride. [306873]

[anonimizat] – [anonimizat]:
Conf.Univ.Dr.Ing. Mihăilă Ștefan

ABSOLVENT: [anonimizat]-CRISTIAN LEU

ORADEA
2020

[anonimizat] – [anonimizat], pentru bateriile autovehiculelor electrice și hibride.

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC:
Conf.Univ.Dr.Ing. Mihăilă Ștefan

ABSOLVENT: [anonimizat]-CRISTIAN LEU

ORADEA
2020

UNIVERSITATEA DIN ORADEA
FACULTATEA DE INGINERIE MANAGERIALĂ ȘI TEHNOLOGICĂ
DEPARTAMENTUL: INGINERIE ȘI MANAGEMENT

TEMA Nr.

Lucrare de finalizare a studiilor a student: [anonimizat]: DUMITRU-CRISTIAN LEU

1). Tema lucrării de finalizare a studiilor: ’’[anonimizat]. CALCULE ECONOMICE’’
2). Termenul pentru predarea lucrării: 07.09.2020
3). Elemente inițiale pentru elaborarea lucrării de finalizare a studiilor ____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

4). Conținutul lucrării de finalizare a studiilor:
5). Material grafic: Desen de execuție schimbător de căldură; Plan de operații.
6). Locul de documentare pentru elaborarea lucrării: pagini de internet
7). Data emiterii temei: Noiembrie 2019

[anonimizat],
Prof.Univ.Dr. Pop Mircea Teodor Conf.Univ.Dr.Ing. Mihăilă Ștefan

Absolvent: [anonimizat]-Cristian Leu

CAPITOLUL 1.
INTRODUCERE ȘI MOTIVAȚIE

În industria automotive există o multitudine de parametrii care determină tehnologia utilizată în rezolvarea oricărei game de probleme. [anonimizat]: costul, greutatea, zgomotul, cerințele de întreținere și restricțiile al spatiului redus de lucru. [anonimizat].

[anonimizat].

În lucrarea de fața v-[anonimizat].

[anonimizat]; cercetătorii și inginerii au fost încurajați să efectueze cercetări mai proactive asupra vehiculelor cu surse alternative de energie. Astăzi, vehiculele electrice (VE) și vehiculele electrice hibride (VEH) [anonimizat] o tehnologie accesibilă pentru reducerea emisiilor și consumul de combustibil fosili. Așadar piața pentru VE și VEH este într-o creștere rapidă [1].

VE și VEH de generație nouă folosesc baterii litiu-ion pentru stocarea energiei necesare. Bateriile unui VE reprezintă aproximativ 70% din costuri. Performanța și sănătate pachetelor de baterii afectează direct costurile pentru performață, ciclu de viață, raza unui VE și economia de combustibil unui VEH. Astfel orice parametru care afectează pachetul de baterii trebuie optimizat [2]. Bateriile litiu-ion generează multă căldură în timpul ciclurilor rapide de încărcare și descărcare sau în timpul accelerării rapide, cu diverse reacții chimice și electrochimice [3].

Energia care curge prin pachetul de baterii litiu-ion de la încărcare din rețea, de la frânarea regenerativă sau descărcarea pentru a alimenta vehiculul și accesoriile sale este măsurată prin curent electric și tensiune. Fluxul de curent determină încălzirea în celulele bateriei și sistemele lor de interconectare proporționale cu pătratul curentului care se înmulțește cu rezistența internă a celulelor și a sistemelor de interconectare. Cu cât fluxul de curent este mai mare, cu atât efectul de încălzire va fi mai mare.

Cerințele pentru componente automotive sunt de exemplu pentru temperaturi între -20 și +90°C. Dar temperatura ideală de funcționare al bateriilor litiu-ion este între 25 și 40°C, altfel suferă de efectul Goldilocks [4] unde extremele pot duce la deteriorarea extremă, permanentă sau o degradarea accelerată al bateriilor. Așadar e nevoie de un management termic foarte bun al bateriilor unde ele sunt nu doar răcite dar și încălzite la temperaturi ambiante mai scăzute pentru a preveni deteriorarea în timpul încărcării rapide, atunci când celulele sunt prea reci; asta deoarece rezistența internă a celulelor crește atunci când sunt reci. Majoritatea bateriilor litiu-ion nu pot fi încărcate rapid atunci când sunt temperaturi mai mici de 5°C și nu pot fi încărcate deloc atunci când sunt sub 0°C.

În trecut nu era nevoie neapărat de răcire specială, deoarece fluxul relativ al curentului nu era mare în comparație cu capacitatea totală al pachetului de baterii. Dar azi sunt solicitate rate de încărcare a bateriei din ce în ce mai rapide, cu o putere de reîncărcare de peste 200kW pentru a oferi un timp de reîncărcare 30 de minute sau mai puțin, o cerință pentru performanțe constante și fiabilitate, astfel au apărut sisteme de management termic pentru baterii.

CAPITOLUL 2.

PREZENTAREA GENERALĂ A CELULELEOR LITIU-ION

2.1 Elementele de bază

Acest rezumat oferă o introducere în terminologia folosită pentru a descrie, clasifica și compara bateriile pentru VE și VEH. Oferă un fundal de bază, definește variabilele utilizate pentru a caracteriza condițiile de funcționare ale bateriei și descrie specificațiile producătorului utilizate pentru a caracteriza caracteristicile nominale și maxime ale bateriei. [5]

Definiția bateriei

O baterie este un dispozitiv care transformă energia chimică în energie electrică și invers

Celule secundare (acumulatori) și primare (baterii)

Bateriile care pot fi reîncărcate se numesc acumulatori sau baterii secundare. Bateriile neîncărcabile se numesc baterii primare sau doar baterii. [6]

Bateriile pentru vehicule VE și VEH sunt toate baterii secundare.

Celulă, module și pachete

Vehiculele hibride și electrice au un acumulator de înaltă tensiune care constă din module și celule individuale organizate în serie și în paralel. O celulă este cea mai mică formă ambalată pe care o poate lua o baterie și este în general de ordinul unu până la șase volți. Un modul este format din mai multe celule, în general conectate fie în serie, fie în paralel. Un pachet de baterii este apoi asamblat prin conectarea modulelor împreună, din nou fie în serie, fie în paralel.

Clasificări ale bateriei

Nu toate bateriile sunt create egale, chiar și baterii de aceeași chimie. Principalul compromis în dezvoltarea bateriei este între energie și energie: bateriile pot fi fie cu putere mare, fie cu energie mare, dar nu ambele. Adesea, producătorii vor clasifica bateriile folosind aceste categorii. Alte clasificări obișnuite sunt de înaltă durabilitate, ceea ce înseamnă că chimia a fost modificată pentru a oferi o durată mai mare de viață a bateriei în detrimentul energiei și energiei.

Rata C și E

În descrierea bateriilor, curentul de descărcare este adesea exprimat ca o rată C pentru a se normaliza împotriva capacității bateriei, care este adesea foarte diferită între baterii. O rată C este o măsură a vitezei la care o baterie este descărcată în raport cu capacitatea sa maximă. O rată de 1C înseamnă că curentul de descărcare va descărca întreaga baterie în 1 oră. Pentru o baterie cu o capacitate de 100 Amperi ore, aceasta este echivalentă cu un curent de descărcare de 100 Amperi. O rată de 5C pentru această baterie ar fi de 500 Amperi, iar o rată C / 2 ar fi de 50 Amperi. În mod similar, o rată E descrie puterea de descărcare. O rată de 1E este puterea de descărcare pentru a descărca întreaga baterie în 1 oră.

Starea de încărcare (State of Charge – SOC) (%)

O expresie a capacității actuale a bateriei ca procent din capacitatea maximă. SOC este, în general, calculat folosind integrarea curentă pentru a determina schimbarea capacității bateriei în timp.

Adâncimea de descărcare (Depth of Discharge – DOD) (%)

Procentul capacității bateriei descărcate este exprimat ca procent din capacitatea maximă. O descărcare până la cel puțin 80% DOD este denumită descărcare profundă.

Tensiunea terminalului (V)

Tensiunea dintre bornele bateriei cu sarcina aplicată. Tensiunea terminalului variază în funcție de SOC și curentul de descărcare / încărcare.

Tensiune în circuit deschis (V)

Tensiunea dintre bornele bateriei fără o sarcină aplicată. Tensiunea în circuit deschis depinde de starea bateriei, crescând odată cu starea de încărcare.

Rezistență internă

Rezistența în interiorul bateriei, în general diferită pentru încărcare și descărcare, depinde și de starea de încărcare a bateriei. Pe măsură ce rezistența internă crește, eficiența bateriei scade și stabilitatea termică este redusă, deoarece mai mult din energia de încărcare este transformată în căldură.

Specificații tehnice despre baterie

Această secțiune explică specificațiile pe care le puteți vedea pe fișele tehnice ale bateriei utilizate pentru a descrie celulele, modulele și pachetele de baterii.

Tensiune nominală (V)

Tensiunea raportată sau de referință a bateriei, de asemenea, uneori considerată tensiunea „normală” a bateriei.

Tensiune de tăiere (Cut-off Voltage)

Tensiunea minimă admisă. Această tensiune este cea care definește în general starea „goală” a bateriei.

Capacitate sau capacitate nominală (Ah pentru o rată C specifică)

Capacitatea coulometrică, totalul de ore Amp disponibile atunci când bateria este descărcată la un anumit curent de descărcare (specificată ca o rată C) de la starea de încărcare la 100% până la tensiunea de întrerupere. Capacitatea este calculată prin înmulțirea curentului de descărcare (în amperi) cu timpul de descărcare (în ore) și scade odată cu creșterea ratei C.

Energie sau energie nominală (Wh (pentru o rată C specifică))

„Capacitatea energetică” a bateriei, numărul total de ore Watt disponibile atunci când bateria este descărcată la un anumit curent de descărcare (specificat ca rată C) de la starea de încărcare de la 100 la sută până la tensiunea de întrerupere. Energia este calculată prin înmulțirea puterii de descărcare (în wați) cu timpul de descărcare (în ore). Ca și capacitatea, energia scade odată cu creșterea ratei C.

Ciclul de viață

Numărul de cicluri de încărcare a descărcării pe care le poate experimenta bateria înainte să nu îndeplinească criteriile specifice de performanță. Durata de viață a ciclului este estimată pentru condiții specifice de încărcare și descărcare. Durata de viață reală a bateriei este afectată de viteza și adâncimea ciclurilor și de alte condiții, cum ar fi temperatura și umiditatea. Cu cât DOD este mai mare, cu atât durata ciclului este mai mică.

Energie specifică (Wh / kg)

Energia nominală a bateriei pe unitate de masă, uneori denumită densitatea de energie gravimetrică. Energia specifică este o caracteristică a chimiei bateriei și a ambalajelor. Alături de consumul de energie al vehiculului, determină greutatea bateriei necesară pentru a atinge un interval electric dat.

Putere specifică (W / kg)

Puterea maximă disponibilă pe unitate de masă. Puterea specifică este o caracteristică a chimiei bateriei și a ambalajelor. Determină greutatea bateriei necesară pentru atingerea unei ținte de performanță date.

Densitatea energetică

Energia nominală a bateriei pe unitatea de volum, uneori denumită densitatea volumetrică a energiei. Energia specifică este o caracteristică a chimiei bateriei și a ambalajelor. Împreună cu consumul de energie al vehiculului, determină dimensiunea bateriei necesare pentru a atinge un interval electric dat.

Densitate de putere

Puterea maximă disponibilă pe unitatea de volum. Puterea specifică este o caracteristică a chimiei bateriei și a ambalajelor. Determină dimensiunea bateriei necesare pentru a atinge o țintă de performanță dată.

Curent maxim de descărcare continuă

Curentul maxim la care bateria poate fi descărcată continuu. Această limită este de obicei definită de producătorul bateriei pentru a preveni debitele excesive de descărcare care ar deteriora bateria sau ar reduce capacitatea acesteia. Împreună cu puterea maximă continuă a motorului, aceasta definește viteza și accelerația durabilă a vehiculului.

Tensiune de sarcină

Tensiunea la care este încărcată bateria atunci când este încărcată la capacitate completă. Schemele de încărcare constau, în general, dintr-o încărcare constantă a curentului până când tensiunea bateriei atinge tensiunea de încărcare, apoi încărcarea constantă a tensiunii, permițând curentului de încărcare până când este foarte mică.

Tensiune de plutire (Float Voltage)

Tensiunea la care este menținută bateria după ce a fost încărcată până la 100 la sută SOC pentru a menține această capacitate compensând auto descărcarea bateriei.

Curent de încărcare (recomandat)

Curentul ideal la care bateria este încărcată inițial (până la aproximativ 70 la sută SOC) în condiții de încărcare constantă înainte de tranziția în încărcare constantă de tensiune.

Rezistență internă (maximă)

Rezistența din baterie, în general diferită pentru încărcare și descărcare.

2.2 Scurtă istorie a bateriei litiu-ion [7]

Încă din anii ’70, principiul funcțional de bază al intercalării ionilor de metale alcaline reversibile în electrozii de carbon și electrozii oxizi și utilizarea lor în baterii de litiu cercetate și publicate (Jürgen Otto Besenhard și altele), chiar dacă aplicabilitatea practică ca electrozi pentru baterii cu litiu nu a fost recunoscută la vremea respectivă. În anii ’70, Stanley Whittingham a găsit un material catodic promițător pentru bateriile cu litiu sub formă de disulfură de titan care putea accepta ioni de litiu în spațiile sale atomice. Anodul era încă din litiu metalic și era prea explozibil în scopuri practice, o celulă livrată puțin peste 2 volți.

Bateria cu dioxid de litiu-cobalt, cunoscută și sub numele de baterie LiCoO2, a fost primul sistem de electrochimie disponibil pentru o baterie cu litiu-ion. Utilizabilitatea ca material pentru electrozi a fost descoperită în 1980 de un grup de cercetare condus de John B. Goodenough la Universitatea din Oxford. Catodul constă din substanța eponimă de cobalt (III) oxid de litiu. Goodenough a

găsit materialul după o căutare sistematică, bazată pe faptul că a considerat că un oxid de metal cu ioni de litiu încorporați este mai promițător decât sulfa de metal de la Whittingham. A atins tensiuni celulare de 4 volți. Implementarea industrială de succes a fost realizată pentru prima dată în Japonia în 1985 de Akira Yoshino și colegii de la A&T Battery, o filială a Toshiba și Asahi Kasei. El a construit pe conceptul de anod Goodenough și a folosit cocs de petrol pentru catod în locul litiului metalic reactiv, care, ca și anodul, ar putea accepta ioni de litiu. Un avantaj în plus față de greutatea relativ mică a fost durabilitatea, deoarece acestea nu se bazau pe reacții chimice care rup materialul electrodului, ci pe fluxul de ioni de litiu între anod și catod.

Prima baterie de ioni de litiu disponibilă în comerț a fost lansată ca baterie de dioxid de litiu-cobalt de către Sony în 1991 și folosită în camera video Hi8 CCD TR 1. Bateria, formată din două celule conectate în serie, are o tensiune de 7,2 V și o capacitate de aproximativ 1200 mAh. Până în prezent (2016), acumulatoare de acest tip sunt disponibile cu capacități de până la 6900 mAh și utilizate într-o varietate de dispozitive.

Whittingham, Goodenough și Yoshino au primit premiul Nobel pentru chimie în 2019 pentru dezvoltarea bateriei litiu-ion.

2.3 Celula litiu-ion

În Fig. 2.3 de mai jos este prezentat principiul și funcția de bază a unei baterii litiu-ion. Un electrolit conducător de ioni este situat între cei doi electrozi. Între ele este separatorul, o membrană poroasă pentru a izola electric cei doi electrozi unul de celălalt. Ionii de litiu singuri migrează înainte și înapoi între electrozii bateriilor cu ioni de litiu în timpul încărcării și descărcării și sunt intercalați în materialele active. În timpul descărcării, când litiu este deintercalat din electrodul negativ sunt eliberați electroni. Materialele active ale electrodului pozitiv sunt oxizii mixți. Cele ale electrodului negativ sunt în principal compuși de grafit și carbon amorf. Electrodul pozitiv conține materiale active, cum ar fi oxizii mixți. Acestea sunt materialele în care litiu este intercalat. După cum se arată în de mai jos, ionii de litiu migrează de la electrodul negativ prin electrolit și separator la electrodul pozitiv în timpul descărcării. În același timp, electronii ca purtători de energie electrică migrează de la electrodul negativ printr-o conexiune electrică exterioară la electrodul pozitiv. În timpul încărcării, acest proces este inversat: ionii de litiu migrează din electrodul pozitiv prin electrolit și separator către electrodul negativ.

Figura 2.3: Reactia chimica al unei baterii litiu-ion (se arată procesul de descărcare).

Baza pentru un management termic eficient este un concept eficient de răcire a celulelor la nivel celular. Acest concept depinde de tipul celulei, dimensiunile, chimia celulei și de cantitatea de căldură care trebuie disipată. Fig. 2.4 prezintă tipurile de celule disponibile în prezent.

Celulele prismatice constau dintr-o carcasă metalică solidă. Materialele active și separatoarele sunt stivuite unul pe celălalt în straturi. Poli bateriei sunt de obicei dispuse pe partea plată superioară la marginile exterioare. Suprafața mare specifică design-ului permite o bună conductibilitate termică pentru transferul de căldură, iar celulele pot fi stivuite pentru a economisi spațiu. Formatul prismatic oferă o procedură simplă de asamblare, dar un proces complicat de proiectare și producție.

Materialele active și separatoarele la celulele rotunde și cele de tip „pouch„ sunt pliate în straturi închise de o folie exterioară conductoare termică, de obicei din aluminiu. Celulele cilindrice se află într-o carcasă exterioară metalică solidă, de tip „pouch„ au carcasă exterioară flexibilă. În ceea ce privește răcirea, celulele rotunde prezintă un dezavantaj geometric în comparație cu celulele prismatice sau cu „pouch„. Au un raport suprafață relativ scăzut și volumul de căldură este împiedicat de la interior la suprafață, crescând astfel gradienții de temperatură radială în interiorul celulei. Suprafața exterioară rotunjită previne, de asemenea, o conexiune termică perfectă la structurile care disipează căldura reziduală. Gama de conductivitate termică specificată este cauzată de diferitele materiale active utilizate de diferiți producători de celule.

Cilindrică Prismatică „Pouch„

Figura 2.4: Tipuri de acumulatori

2.4 Celula cilindrică

Celula cilindrică continuă să fie unul dintre cele mai utilizate stiluri de ambalare pentru bateriile primare și secundare. Avantajele sunt ușurința de fabricație și stabilitate mecanică bună. Cilindrul tubular poate rezista la presiuni interne mari, fără să se deformeze.

Multe celule cilindrice pe bază de litiu și nichel includ un comutator de coeficient termic pozitiv (PTC). Când este expus la curent excesiv, polimerul normal conductiv se încălzește și devine rezistiv, oprind fluxul de curent și acționând ca protecție la scurtcircuit. Odată ce scurtmetrul este eliminat, PTC-ul se răcește și revine la starea conductoare.

Majoritatea celulelor cilindrice prezintă, de asemenea, un mecanism de reducere a presiunii, iar cel mai simplu design utilizează un sigiliu de membrană care se rupe la presiune ridicată. Scurgerea și uscarea pot apărea după ruperea membranei. Sistemul preferat de aerisiri re-etanșabile cu o supapă încărcată cu arc. Unele celule Li-ion consumatoare includ Dispozitivul de întrerupere a încărcării (CID) care deconectează fizic și ireversibil celula atunci când este activată la o presiune nesigură. .

Proiectarea cilindrică a celulelor are o bună capacitate de ciclism, oferă o durată lungă de viață calendaristică și este economică, dar grea și are o densitate scăzută a ambalajului datorită cavităților spațiale. Sursa: Sanyo

Curent cele mai utilizate celule cilindrice în industria automoive sunt 18650 și 21700.

Celula cilindrică are o energie specifică ridicată, o stabilitate mecanică bună și se pretează la fabricarea automată. Proiectarea celulei permite adăugarea unor caracteristici de siguranță care nu sunt posibile cu alte formate; circulă bine, oferă o durată lungă de viață din calendar și costuri reduse, dar are o densitate mai mică decât cea ideală. Celula cilindrică este frecvent utilizată pentru aplicații portabile.

Producătorul principal e Panasonic.
Cotă de piață (volum) 25%; cotă de piață (vânzări) 13%.
Principalul OEM este Tesla.

2.4.1 Celula tip 18650 (D18mm L65mm)
Este cel mai popular design dintre celulele cilindrice. Este utilizat în multe baterii de laptop, utilaje electrice fără fir, în special VE Tesla generația 1&2, scutere electrice, majoritatea bicicletelor susținute de motoare electrice, țigări electronice și lanterne LED. Tensiunea nominală este de 3,7 V.

Secțiune celulă 18650. Sursa: https://www.electricbike.com/inside-18650-cell/

2.4.2 Celula tip 21700 (D21mm L70mm)

Anunțat de Samsung și LG Chem în 2015 pentru utilizare în biciclete electrice. Până în ianuarie 2017, a fost produs la Tesla Gigafactory 1 pentru Tesla Model 3, atingând o rată anuală de producție de 1,8 miliarde de celule anual (20 GWh pe an) până la jumătatea anului 2018, cu o prognoză facută de Tesla cum că vor livra 2 GWh de baterii în 2019.

Tesla 21700 3,7V 4800mAh[Sursă: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_battery_sizes#Lithium-ion_batteries_(rechargeable)]

2.5 Celula prismatică

Introdusă la începutul anilor 1990, celula prismatică modernă satisface cererea pentru dimensiuni mai subțiri. Învelite în pachete elegante, asemănătoare cu o cutie de gumă de mestecat sau o mică bară de ciocolată, celulele prismatice folosesc în mod optim spațiul prin utilizarea abordării stratificate. Alte modele sunt înfășurate și aplatizate într-o rolă de jele pseudo-prismatică. Aceste celule se găsesc cu preponderență în telefoanele mobile, tabletele și laptopurile cu profil redus, cuprinse între 800mAh și 4.000mAh. Nu există un format universal și fiecare producător își proiectează propriul său.

Celulele prismatice sunt de asemenea disponibile în formate mari. Ambalate în carcase sudate din aluminiu, celulele furnizează capacități de 20-50Ah și sunt utilizate în principal pentru vagoane electrice în vehicule hibride și electrice.

Celula prismatică necesită o incintă fermă pentru a realiza compresia. Umflarea datorată acumulării de gaz este normală, iar alocația de creștere trebuie făcută; o celulă de 5 mm poate crește până la 8 mm după 500 de cicluri.

Celulele prismatice sunt încorporate în aluminiu sau oțel pentru stabilitate. Jeleu laminat sau stivuit, celula este eficientă în spațiu, dar poate fi mai costisitoare de fabricat decât celula cilindrică. Celulele prismatice moderne sunt utilizate în sistemele electrice de propulsie electrică și de stocare a energiei.
Producătorii principali sunt Samsung SDI, Panasonic, BYD, Enerdel, ATL, PEVE, LEJ.
Cotă de piață (volum) 26%; cotă de piață (vânzări) 33%.
Principalii OEM-uri: Toyota, Mitsubishi, BMW, VW, Audi, BYD, Ford și Chrysler.

2.6 Celula ‘‘pungă‘‘ (pouch)

Celula pouch oferă o soluție simplă, flexibilă și ușoară pentru proiectarea bateriei. Se recomandă o anumită presiune în stivă, dar trebuie să se asigure umflarea. Celulele pouch pot furniza curenți de sarcină mare, dar funcționează cel mai bine în condiții de încărcare ușoară și cu încărcare moderată.

Celula pouch utilizează cel mai eficient spațiul și obține 90-95 la sută eficiență de ambalare, cea mai mare dintre bateriile. Eliminarea carcasei metalice reduce greutatea, dar celula are nevoie de sprijin și de a se extinde în compartimentul bateriei. Ambalajele se folosesc în aplicații de consum, militar și auto. Nu există celule standardizate; fiecare producător folo sește propriul său design.

Deși ușor stivuibile, trebuie să se prevadă spațiu pentru umflare. În timp ce pachetele mai mici pouch pot crește 8-10% la 500 de cicluri, celulele mari se pot extinde până la această dimensiune în 5.000 de cicluri.

Umflarea este cauzată de descompunerea electrolitelor ca parte a utilizării și îmbătrânirii. Stresurile, cum ar fi supraîncărcarea și supraîncălzirea favorizează gazeificarea. Umflarea la utilizare normală indică adesea un lot defect.

Celulă pouch umflată

Cu celula pouch, producătorul încearcă să simplifice fabricația de celule prin reproducerea ambalajului alimentelor. Fiecare format are pro și contra, așa cum este rezumat mai jos.

Celula pouch folosește arhitectura laminată într-o pungă. Este ușor și rentabil, dar expunerea la umiditate și temperatură ridicată poate scurta durata de viață. Adăugarea unei presiuni ușoare la stivă prelungește longevitatea prin prevenirea delaminării. Umflarea de 8-10 la sută peste 500 de cicluri trebuie luată în considerare cu unele modele de celule. Celulele mari funcționează cel mai bine cu timp de încărcare ușoară și timp de încărcare moderat. Celula pouch crește în popularitate și servește aplicații similare celulei prismatice.

Producătorii principali sunt LG Chem, SK Innovation și AESE.

Cotă de piață (volum) 49%; cotă de piață (vânzări) 54%.

Principalii OEM-uri: Nissan, Daimler, Renault, Ford, Volvo și Hyundai.

Tehnologia s-a maturizat, iar celulele prismatice și pouch-urile au potențial de capacitate mai mare decât formatul cilindric. Costul per kWh în celula prismatică / pouch este încă mai mare decât în ​​celula 18650, dar aceasta se schimbă.

Figura de mai jos compară prețul celulelor cilindrice, prismatice și pouch.

Sursă: Avicenne Energy

CAPITOLUL 3.

DESCRIEREA FENOMENELOR TERMICE CARE INFLUENȚEAZĂ FIABILITATEA CELULELRO LITIU-ION

3.1 Căldura generată în interiorul bateriilor

Acumulatorii stochează și furnizează energie printr-o serie de procese de încărcare / descărcare care apar prin reacțiile electrochimice simultane între electrozi și fluxul de electroni printr-un circuit finalizat.

Ca în orice obiect, se aplică cele trei moduri de transfer de căldură: convecție, conductivitate și radiație.

În 1985, Bernardi et al. a dezvoltat o ecuație de bază pentru a reprezenta căldura locală generată în celulele unei baterii ca urmare a proceselor electrochimice (captează căldura din cauza pierderilor Ohmice, transferul de sarcină la interfață și limitările de transfer de masă):

I – este curentul total
– este potențialul circuitului deschis

E – este tensiunea de lucru

T – este temperatura locală

Răcirea bateriei este direct proporțională cu căldura generată în interiorul acestora, de aceea este important să știm de unde provine căldura. Bernardi e al. a folosit un echilibru termodinamic de energie pentru a conduce o formulă pentru căldura generată în interiorul unei baterii. El consideră patru procese care afectează acest echilibru. Prima este energia electrică produsă în interiorul bateriei, iar a doua este reacțiile reversibile și încălzirea entropică din acestea. Mai jos este o reacție într-o baterie tipică de ioni de litiu. Pătratul reprezintă locul gol pentru litiu-ion [9].

Al treilea proces este căldura produsă din amestecare datorită variației concentrației bateriei pe măsură ce reacția se dezvoltă. Ultimul proces în echilibrul energetic este căldura disipată de modificările de fază ale materialelor.

În majoritatea literaturii, ecuația Bernali este simplificată și prezentată ca:

3.1.1 Încărcarea rapidă

Încărcarea rapidă este un element esențial pentru adoptarea mainstream a vehiculelor electrice (EV). Niciunul dintre EV-urile de astăzi nu poate folosi încărcarea rapidă la temperaturi calde sau reci fără sacrificarea durabilității celulelor.

Vitezele de încărcare depind de compatibilitatea între EV-uri și punctele de încărcare. Unele puncte de încărcare oferă mai multă putere decât poate accepta un vehicul. Alte puncte de încărcare asigură o putere prea mică în raport cu cât de repede poate acționa vehiculul. Încărcarea mai rapidă, în general, se bazează pe kilowati mai mari (kW), care generează mai multă căldură și necesită un management termic eficient pentru a obține performanțe optime.

Rata de încărcare este legată de puterea disponibilă, de curent și tensiune. Având în vedere ineficiențele inerente în conversia puterii, pierderile apar sub formă de căldură. Folosind ecuația eficienței energetice de mai jos, un sistem de încărcare rapidă de 350kW cu o eficiență de încărcare de 90% ar avea ca rezultat aproape 40kW de căldură pierdută.

Pwaste = Pout ( – 1 )

Următoarea generație de încărcătoare va avea o putere de încărcare de 400kW sau mai mult, ceea ce va duce la mai multe risipe / căldură pierdută.

Producătorul elvețian de cabluri Brugg Cables a anunțat un nou cablu de încărcare de înaltă performanță, Alligator-HPC, care poate furniza curent electric DC la 1.000 volți și până la 850 amperi. Compania intenționează să lanseze cablul la începutul anului 2020.

Cablurile convenționale de astăzi se extind de regulă la 550 de amperi, dar datorită unui sistem de răcire în fir, Alligator-HPC a fost capabil să gestioneze curenți de până la 1.000 de amperi în condiții de laborator la o temperatură ambiantă de 40 ° C.

(sursa: https://chargedevs.com/newswire/brugg-cables-to-launch-850-amp-liquid-cooled-charging-cable/ )

Căldura generată de încărcarea rapidă / curenți ridicați stresează materialele diferitelor componente, în special celulele bateriei la temperaturi joase.

Figura 3.1: Durata de viață la diferitele temperaturi. Sursa [9]

Îmbătrânirea bateriei și capacitatea de utilizare sunt puternic influențate de temperatura celulei.

Prin incărcare si descărcare normală sau rapidă; la temperaturi joase sau mari; accelerarea rapidă sau frânare regenerativă; toate duc la stresarea celulelor si doar un management termic bun poate oferi o „relaxare„.

3.2 Gradienții termici
O altă problemă sunt gradienții termici din celulele.

Figura 3.2: Gradienții termici in celule prismatice si „pouch„. Sursa [10, 11]

Figura 3.3: Gradienții termici in celule rotunde [12]

Gradientii termici exista si in modulul bateriei.

Figura 3.4: Gradienții termici in modulul unei baterii cu celule rotunde [12]

Figura 3.4 arată distribuția temperaturii în interiorul modulului bateriei cu celule rotunde unde fiecare celula genereaza căldură de 2W. Celulele apropiate de intrare sunt mai reci decât cele de la ieșire, iar cea mai fierbinte celulă este situată la capătul canalului de răcire. Celulele care sunt la coturile canalului de răcire sunt răcite mai bine datorită suprafeței de contact mai mare cu canalul de răcire.

Exista numeroase studii care au analizat efectele gradientilor termici asupra celulelor.

Figura 3.5: Gradienții termici in modulul unei baterii prismatice [13]

Gradienți termici la nivel celulelor bateriei:
Gradient termic simulat al celulei la descărcare (Tata Motors, UK). S. Chacko, Y.M. Chung / Journal of Power Sources 213 (2012) 296-303

Gradienți termici la nivel de pachet: Also: o diferență de 5 K în pachet ar duce la o accelerare

Un studiu interesant a fost: Răcirea suprafeței cauzează degradarea accelerată în comparație cu răcirea cu tab-urilor pentru celulele litiu-ion „pouch„ (Surface Cooling Causes Accelerated Degradation Compared to Tab Cooling for Lithium-Ion Pouch Cells) de Ian A. Hunt, Yan Zhao, Yatish Patel, and J. Offer. Department of Mechanical Engineering, Imperial College London, London, United Kingdom

Figura 3.6: Gradienții al unei celule prin răcirea a tab-urilor si suprafetei

Acest studiu arată că răcireă tab-urilor este mai eficient decât racireă suprafeței, chiar dacă suprafața răcită este mai mică. În special pentru celulele cilindrice o astfel de răcire sau încălzire este foarte benefic din cauza suprafeței de contact redus cu mediul de răcire sau încălzire.

CAPITOLUL 4.

SOLUȚII CONSTRUCTIVE PRIVIND MANAGEMENTUL TERMIC AL CELULELOR LITIU-ION

4.1 Principiile de răcire

Fig. 4.1 prezintă simplificat principiile răcirii celulelor. În Fig. 4.1a avem răcirea cu aer, unde aerul de răcit se deplasează în jurul celulei și răcește suprafețele liber accesibile. Acest concept de răcire necesită o cantitate mare de spațiu între celule pentru a instala canalele de răcire. Eficiența de răcire și omogenitatea acestuia sunt insuficiente. Adesea este nevoie de un ventilator mare și puternic pentru a furniza volumul mare de aer necesar. Alte concepte de răcire, care integrează o conexiune termică cu celula și se bazează pe conductanța termică, sunt avantajoase deoarece necesită mai puțin spațiu și sunt mai eficiente. Proiectarea conexiunilor termice prezintă noi provocări. Interfața cu sistemul de răcire este mai complexă, deoarece există o conexiune directă între dispozitivul de răcire și componentele electrice ale bateriei. Pentru celulele de înălțime mică, cu pereți suficient de groși, un schimbător de căldură în contact direct cu fundul celulei este ales în general, așa cum este prezentat în Fig. 4.1b. Dacă aveam de a face cu o sarcină termică mai mare, pot fi instalate elemente suplimentare cu conductoare termice ca în Fig. 4.1c, care susțin disiparea căldurii prin schimbătorul de căldură. Dar asta face sistemul de răcire este mai greu și mai scump.

Figura 4.1: Principii de răcire a celulelor: (a) răcire cu aer, (b) răcire la fund, (c) răcire laterală (pasivă), (d) răcire laterală (activă), (e) răcire conductor.

Actual termodinamic, cea mai bună soluție sunt plăcile de răcire care transportă lichid de răcire care se află între celule ca în Fig. 4.2d, deoarece calea de conductanță termică de la interiorul celulei la lichidul de răcire este foarte scurtă și se poate realiza omogenitate temperaturi celulei. Această soluție este însă cea mai grea și cea mai scumpă. Răcirea conductorului electric este o tehnologie de răcire excepțional de eficientă (Fig. 4.2e). Electrozii sunt folosiți pentru a răci direct interiorul celulei. Celulele „pouch„ sunt deosebit de potrivite pentru astfel de sisteme, deoarece au conductoare plate care permit o conexiune bună.

Figura 4.2: Avantaje si dezavantaje ale diferitelor principii de răcire a celulelor

În general există trei moduri de disipare a căldurii uzate a bateriei: cu aerul condiționat, cu agentul frigorific din circuitul frigorific al sistemului de climatizare sau cu un circuit de răcire separat. Fiecare metodă are propriile avantaje și dezavantaje specifice; toate metodele sunt utilizate în prezent în producția de serie.

4.2 Răcire cu aerul condiționat

Aerul din cabină este aspirat și este ghidat către baterie prin canale mari. Pe măsură ce aerul se mișcă prin baterie și de-a lungul celulelor, acesta preia sarcină termică care apoi este evacuat în mediu. Acesta este un sistem foarte simplu, cu mai multe dezavantaje încorporate, cum ar fi conductele mari de aer către și dinspre baterie, pierderi termice de-a lungul conductelor, greutatea ventilatorului, posibil zgomot nedorit în interiorul vehiculului și probleme de siguranță din cauza conexiuni directe între baterie și zona cabină. Aerul trebuie filtrat pentru a preveni contaminarea interiorului bateriei. Dacă aerul din zona pasagerului este utilizat pentru răcire, bateria nu poate fi răcită decât în ​​același timp cu răcirea zonei pasagerului.

Acest lucru poate duce la un conflict de interese între răcirea bateriei și menținerea comfortului în zona pasagerilor. Pentru a rezolva această problemă s-a instalat unui mic sistem de aer condiționat separat pentru baterie și conectându-l în paralel cu sistemul de aer condiționat al pasagerilor. Un astfel de sistem este afișat în Fig. 4.4. Evaporatorul bateriei răcește bateria cu flux de aer de la un ventilator. Dezavantajul său este că necesită greutate și spațiu suplimentar, reducând în continuare densitatea energetică a sistemului.

Avantajul său este că răcirea bateriei este separat de cabină, funcționează într-un mod de aer recirculat și nu este necesar un sistem de filtrare. Această tehnologie este utilizată mai ales în vehiculele mari care au suficient spațiu pentru ea.

Volkswagen pentru modelul 2013 Jetta Hibrid foloseste sistemul de racire cu aer din cabina vehiculului.

Figura 4.5: Volkswagen Jetta Hibrid 2013

Bateria compactă de 1,1 kWh este integrată în spatele banchetei din spate și cântărește 36kg. Bateria este formată din 60 de celule individuale cu o capacitate de energie combinată de 5 Ah. Ventilator este montat direct pe ansamblul bateriei.

Figura 4.6: Ford C-Max Energi

Ford C-Max Energi foloseste un sistem de racire cu aer din cabina vehiculului.

Primele modele de la Tesla foloseau sistemul de racire cu aer.

Figura 4.7: Tesla Roadster (2008)

Figura 4.8: Schita simplificata al sistemului de racire cu aer al unui Tesla Roadster

4.3 Răcirea cu lichid de răcire (circuit secundar)

Răcirea cu lichid de răcire (circuit secundar) este o metodă flexibilă de răcire a bateriei. Este foarte eficient dacă se folosește un radiator suplimentar pentru temperatură joasă a bateriei (Fig. 4.9). Bateria are și un schimbător de căldură, dar mediul de răcire care trece prin ea este un amestec de apă și Glysantin® într-un circuit secundar. O dispunere a conductelor de răcire bine echilibrată și bine proiectată asigură omogenitate optimă a temperaturii pe schimbătorul de căldură și compensează creșterea temperaturii lichidului de răcire. Temperatura circuitului secundar depinde de strategia operațională a vehiculului și de caracteristicile celulelor bateriei. Reciclarea se realizează cu un răcitor care conectează circuitul refrigerantului cu circuitul secundar. Acest răcitor evaporă agentul frigorific și atrage căldura necesară acestui proces din mediul de răcire al circuitului secundar. Chillerele disponibile în prezent au o densitate mare de putere, ceea ce reprezintă un avantaj. Un dezavantaj este că acestea necesită mai mult spațiu în afara bateriei, deoarece nu numai instalația de răcire trebuie instalată, ci și o pompă, țevi și, dacă se dorește o funcționare bivalentă, un radiator suplimentar de temperatură joasă și o supapă.

Tesla are o serie de brevete unde managementul termic se face prin schimbători de căldură de tip tuburi plate legate in serie sau in paralel.

Fig. 4.10 Schite din brevetele Tesla

Trecerea de la aer la lichid ca mediu de răcire în afara de un management termic mai eficient mai are și avantajul spațiului redus de care are nevoie sistemul de management termic cu lichid. Astfel același pachet de baterie ocupa mai puțin spatiu, sau în acelasi spațiu se pot pune mai multe celule. (Comparați figura 4.8 cu figura 4.11)

Fig. 4.11 Management termic cu mediu de racire lichid Tesla

Primele modele Tesla cu management termic lichid au mai multe tuburi legate in serie.

Fig. 4.12 Tuburi de racire legate in serie Tesla

Deoarece diferența de temperatură (ΔT) dintre bateriile de la intrarea lichidului de răcire și ce la de la ieșire erau prea mari s-a trecut la schimbători de căldură legate in paralel.

Fig. 4.13 Tuburi de răcire legate in paralel Tesla

Fig. 4.14 Modul de baterie in detaliu

Chiar și cu circuitul în paralel există o diferență de temperatură (ΔT) între celule. Contactul cu suprafața unei celule cilindrice este mică rezultând într-o răcire inhomogenă. Foaia de izolare electrică între celule și schimbatorul de căldură adaugă la rezistenta termică.
Deasemenea costul ansamblului este mare.

Fig. 4.15 Schita din brevetul Tesla

Recent Tesla a publicat un brevet unde foloseste un lichid inert pentru managementul termic al celulelor cilindrice din modulul bateriei. Un asemenea sistem ajută la o răcire mai homogenă al celulelor individuale, dar o diferenta de temperatura (ΔT) intre celule tot ar exista si un lichid dielectric care să îndeplinească cerințele automotive și cele de siguranță pentru baterii litiu e foarte costisitor.

Răcirea bateriei din Model 3 se face cu ajutorul sistemul A/C al automobilului. Pentru încălzirea bateriei în Model 3 nu existî nici un sitem activ, el foloseste doar caldură in exces al motorului electric, ceea ce nu este suficienta. În schimb Model S si X au un sistem separat dedicat încalzirii bateriilor cu un incalzitor PTC de curent înalt.

Fig. 4.16 Schema circuitului managementului termic Tesla Model 3 2018

4.4 Răcire directă cu agent frigorific

Răcirea directă cu agent frigorific este actual una dintre cele mai compacte metode de răcire a bateriei. Această metodă utilizează un evaporator compact pentru schimbătorul de căldură a bateriei, care este montată în interiorul bateriei. Acest evaporator are o legătură termoconductoare cu celulele litiu-ion, afișat în Fig. 4.17. Căldura necesară pentru evaporarea agentului frigorific este extrasă din celulele bateriei, răcindu-le foarte eficient în acest proces. Conductele de răcire trebuie să fie configurate și aranjate astfel încât agentul frigorific evaporat să fie disponibil în orice loc și în orice moment. Doar două conducte suplimentare de refrigerare sunt necesare pentru conectarea circuitului de refrigerare cu schimbătorul de căldură a bateriei: linia de presiune la baterie și linia de aspirație de la baterie înapoi la compresor. Evaporatorul bateriei este conectat în paralel cu evaporatorul principal. Răcirea bateriei scade ușor densitatea energetică a bateriei litiu-ion, deoarece există foarte puține dispozitive în afara bateriei. Cabină și bateria au cerințe de răcire diferite. Acesta este motivul pentru care circuitul de ansamblu trebuie să fie echilibrat cu atenție, ceea ce este facilitat prin implementarea unui compresor electric de aer condiționat cu o viteză de rotație variabilă, în locul unei versiuni convenționale. Energia consumată de compresorul pentru răcirea bateriei este mică in comparatie cu compresorul pentru aerul condiționat din cabină. Sistemele de răcire cu baterii cu agenți frigorifici sunt utilizate în principal la vehiculele în care există un spațiu mic pentru răcirea bateriei, iar puterea suplimentară a compresorului nu influențează negativ eficiența generală.

Producătorul auto german BMW a lansat pe piață primul său vehicul complet electric în 2014, BMW i3.

Fig. 4.18 BMW i3

În comparație cu Tesla, producătorul auto German BMW folosește pentru vehiculele electrice celule prismatice de la furnizorul CATL.

Fig. 4.19 Celulele prismatice BMW i3

Spre deosebire de o rețea de bord convențională, sistemul electric al BMW i3 are un design bipolar. Si anume, polul minus nu este atașat la pământare, adică caroseria mașinii, ci în schimb este cablat ca o linie separată, complet izolată.

De la lansare în 2014, capacitatea și raza de acțiune a bateriei i3 a crescut de la 60Ah / 130 km la 94Ah / 185 km în 2017 și acum 120Ah / 246 km pentru modelul din 2019.

Fig. 4.20 Pachet baterie BMW i3

Spre deosebire de Tesla, BMW nu foloseste un amestec de apa-glycol ca mediu de racire ci un sistem de expansiune directă. Un sistem de expansiune directă elimină utilizarea unui circuit secundar de răcire și folosește agentul frigorific pentru a răci direct sarcina utilă dorită printr-un schimbător de căldură. Schimbătorul de căldură poate fi personalizat pentru a genera un flux de căldură foarte mare, funcționând la temperaturi mult sub mediul ambiant. În schimbătorul de căldură al unui sistem de expansiune directă, agentul frigorific suferă o schimbare de fază izotermă, care oferă un control extrem de strâns al temperaturii pe placa rece.

Fig. 4.21 Circuit de răcire a pachetului de baterii

Evaporatorul bateriei este conectat în paralel cu circuitul frigorific principal și poziționat direct sub baterie. Doar două conducte de refrigerare suplimentare sunt necesare, o conductă de aspirație și o conductă de presiune. Coordonarea întregului circuit este complicată, deoarece doi consumatori reci, cu proprietăți operaționale contrastante puternic, trebuie să fie deserviți de un singur circuit frigorific. O anumită proporție din puterea de compresie a sistemelor de climatizare trebuie rezervată pentru funcționarea la răcire, deși aceasta este mică în comparație cu puterea necesară pentru sistemul de climatizare al cabinei vehiculului.

Această metodă de răcire înseamnă că bateria nu poate fi încălzită iarna. O baterie rece este mai puțin puternică decât o baterie reglată de temperatură, iar la temperaturi mult sub înghețare, abia dacă se încarcă deloc.

Pentru restul componentelor din sistemul electric precum motorul electirc, invertorul DC-DC si electronica de putere exista un circuit de racire separat.

Fig. 4.22 Circuit de racire al motoului electric, invertorul DC-DC si electronici de putere