Inginerie și Management [306872]

UNIVERSITATEA DIN ORADEA
FACULTATEA DE INGINERIE MANAGERIALĂ ȘI TEHNOLOGICĂ
Domeniul: Inginerie și Management

Programul de studiu: Inginerie Economică în Domeniul Mecanic
Forma de învățământ: Învățământ cu formă redusă

PROIECT DE DIPLOMĂ

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

Absolvent: [anonimizat]-Cristian Leu

ORADEA
2020

Proiectarea, simularea și testarea unei sistem de management termic modular pentru bateriile unui vehicul electric (VE) sau vehicul electric hibrid (VEH)

VE – [anonimizat] – [anonimizat] – [anonimizat] ([anonimizat])

DOD – adâncimea de descărcare ([anonimizat])

În industria automotive există o multitudine de parametrii care determină tehnologia utilizată în rezolvarea oricărei game de probleme. [anonimizat]: costul, greutatea, zgomotul(noise), cerințele de întreținere și restricțiile de packaging spatiul 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 vehiculele electrice (VE) și vehiculele electrice hibride (VEH) este într-o creștere rapidă [1].

Vehiculele electrice (VE) și vehiculele electrice hibride (VEH) [anonimizat]. Bateriile unui VE reprezintă aproximativ 70% din costuri. [anonimizat], raza unui VE și economia de combustibil unui VEH. Astfel orice parametru care afectează pachetul de baterii trebuie optimizat [2]. [anonimizat], cu diverse reacții chimice și electrochimice [3].

[anonimizat], 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. [anonimizat].

Cerințele pentru componente automotive sunt de exemplu pentru temperaturi între -20 și +90°C. [anonimizat] 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.

Elementele de bază

Acest rezumat oferă o introducere în terminologia folosită pentru a descrie, clasifica și compara bateriile pentru VE, VEH și VEPI. 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, VEH și VEPI 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 bateriei

Această secțiune descrie unele dintre variabilele utilizate pentru a descrie starea actuală a unei baterii.

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 (număr pentru un DOD specific)

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 (Wh / L)

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 (W / L)

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.

30 de secunde maxim pentru impuls de descărcare (Maximum 30-sec Discharge Pulse Current)

Curentul maxim la care se poate descărca bateria pentru impulsuri de până la 30 de secunde. 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 a motorului electric, aceasta definește performanța de accelerație (0-60 km / h) 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.

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.

Tipuri de acumulatori

cilindrică b) prismatică c) pouch

0,5 W/mK < λr respective λd < 2 W/mK 20W/mK < λh < 0 W/mK

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. Figura 1 prezintă o secțiune transversală a unei celule cilindrice.

Figura 1: Secțiune transversală a unei celule cilindrice cu litiu-ion.

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 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/

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.

[Sursă: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_battery_sizes#Lithium-ion_batteries_(rechargeable)]

Tesla 21700 3,7V 4800mAh

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.

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 își proiectează propriul său.

Ambalajele sunt de obicei Li-polimer. Celulele mici sunt populare pentru aplicațiile portabile care necesită curenți mari de încărcare, cum ar fi drone și gadgeturi hobby. Celulele mai mari din gama 40Ah servesc în sistemele de stocare a energiei (ESS), deoarece mai puține celule simplifică designul bateriei.

Deși ușor stivuibile, trebuie să se prevadă umflarea. 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 extremă este o preocupare. Utilizatorii de pachete cu pouch au raportat incidente de umflare de până la 3 la sută pe un parcurs slab. Presiunea creată poate crăpa capacul bateriei și, în unele cazuri, poate sparge afișajul și circuitele electronice. Nu întrerupeți utilizarea unei baterii umflate și nu perforați celula de balonare în apropierea căldurii sau a focului. Gazele care scapă se pot aprinde.

Celulă pouch umflată

Celulele pouch sunt fabricate adăugând o „geantă” temporară pe lateral. Gazele se scurg în geanta de gaze în timp ce formează interfața solidă a electrolitului (SEI) în timpul primei încărcări. Geanta de benzină este tăiată și ambalajul este sigilat ca parte a procesului de finisare. Formarea unei SEI solide este esențială pentru bune practici de formatare. Încărcările ulterioare ar trebui să producă gaze minime, cu toate acestea, generarea de gaz, cunoscută și sub denumirea de gaze, nu poate fi evitată pe deplin. Este cauzată de descompunerea electrolitelor ca parte a utilizării și îmbătrânirii. Stresurile, cum ar fi supraîncărcarea și supraîncălzirea favorizează gazeificarea. Balonarea cu utilizare normală indică adesea un lot defect.

Tehnologia s-a maturizat, iar celulele prismatice și pouch-urile au potențial de capacitate mai mare decât formatul cilindric. Pachetele plate mari servesc viraje electrice și Sistem de stocare a energiei (ESS) cu rezultate bune. 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, cunoscute și sub numele de laminate. Proiectele cu celule plane obțin prețuri competitive, iar experții acumulatori prevăd o schimbare către aceste formate de celule, mai ales dacă se pot îndeplini aceleași criterii de performanță ale celulei cilindrice.

Sursă: Avicenne Energy

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 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%.
Principalii OEM-uri: Tesla

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.

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.

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, conducere, 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:

Cererea proiectată pe piață pentru baterii litiu-ion utilizate în vehiculele electrice între 2020 și 2030

Sursă: https://www.statista.com/statistics/309570/lithium-ion-battery-market-in-electric-vehicles/

Sursă: Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen Aachen; Roland Berger

China este proiectată să producă aproximativ 6,8 milioane de vehicule electrice cu baterii (VE) și vehicule electrice hibride plug-in (VEH) în 2021, mai mult decât oricare altă națiune din întreaga lume. Se estimează că nivelul estimat al producției din China va depăși producția combinată a altor piețe mari, precum Statele Unite, Germania și Japonia. [8]

China este prognozată să fie liderul mondial în ceea ce privește producția de vehicule electrice în următorii câțiva ani, dar este deja în fruntea revoluției vehiculelor electrice. Volumul total al stocurilor de VE și VEH-uri în China a fost de aproximativ 2,3 milioane în 2018, aproape dublul volumului anului precedent. Această cifră estimată înseamnă că China a utilizat cele mai multe vehicule electrice în întreaga lume în 2018. [8]

Actual cele mai utilizate baterii în aplicații

Dispozitivele electrice și electronice sunt sensibile la temperatură și pot fi deteriorate sau degradate sever, funcționând la temperaturi peste limitele lor de proiectare, iar viața lor operațională va fi cu siguranță scurtată. Dispozitivele electrice la cald sunt, de asemenea, de obicei mai puțin eficiente decât cele reci, datorită creșterii rezistivității conductoarelor și reducerii rezistenței câmpului magneticii pe măsură ce temperatura crește.

Modulele electronice cu densitate mai mare de putere și cerințele pentru o bună fiabilitate și eficiență a componentelor înseamnă că există o cerință pentru debitele minime de răcire prin sistemul pentru a preveni fierberea localizată a lichidului de răcire în chiuveta din cauza fluxurilor de căldură foarte mari implicate, aceste debit variază în funcție de încărcătura la care lucrează dispozitivul. Există, de asemenea, problema fluxurilor de căldură mari care provoacă stres termic uriaș, deoarece dispozitivul și împrejurimile sale se încălzesc rapid și se răcesc pe măsură ce dispozitivul funcționează.

Volumul mic din care este îndepărtată căldura duce la proiectări complexe pentru plăcile reci, care tind să aibă o cădere de presiune ridicată și, de asemenea, canale de fluide foarte mici. Acest lucru poate duce la un sistem de răcire greu de completat și înseamnă că este necesară o pompă relativ mult mai puternică în comparație cu respingerea căldurii în contextul unui motor ICE, desigur, o mai mare putere a pompei duce la posibilitatea unei creșteri mai mari pierderea parazitului asupra sistemului ceea ce face important să se asigure că designul este extrem de optimizat.

Există, de asemenea, o cerință de gestionare termică a bateriei vehiculului electric. Căldura este generată de baterie prin fluxurile și ieșirile de curent electric în funcție de curent și de rezistența internă a celulelor bateriei și de interconexiuni, în timpul accelerării, decelerării și, de asemenea, încărcării vehiculului. Ca și motoarele și electronica de putere, bateriile EV și HEV sunt sensibile la temperatura de funcționare. Tehnologiile actuale ale bateriilor necesită de obicei un element de încălzire la temperaturi ambiante scăzute.

Prin urmare, trebuie avut grijă să nu inducem șocuri termice în sistem cu un control inadecvat al debitului de răcire. Șocul termic poate fi cauzat de fluxuri excesive, precum și insuficiente. Temperatura sistemului oscilant sălbatic va duce la o eroare prematură a componentelor sistemului de stocare electronică și energie.

Tipuri de vehicule

Sursa: https://www.continental-automotive.com/en-gl/Passenger-Cars/Powertrain/Electrification

Tesla

Bibliografie:

1. Pillot, C. The battery market for HEV P-HEV and EV 2010-2020. In Proceedings of the 28th International Battery Seminar and Exhibit, Fort Lauderdake, FL, USA, 14–17 March 2011.

2. Pesaran AA, Vlahinos A, Burch SD (1997) Thermal performance of EV and HEV battery

modules and packs, 14th international electric vehicle symposium Orlando
3. Rao Z, Wang S, (2011) A review of power battery thermal energy management
4. https://ro.wikipedia.org/wiki/Principiul_Goldilocks

5. A Guide to Understanding Battery Specifications – MIT Electric Vehicle Team, 2008

6. https://www.zvei.org/verband/fachverbaende/fachverband-batterien/wo-liegt-eigentlich-der-unterschied-zwischen-einer-batterie-und-einem-akku/

7. Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Ionen-Akkumulator

8. Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen Aachen; Roland Berger

9. K. Onda, H. Kameyama, T. Hanamoto and Kohei, "Experimental study in heat generation behavour of small Lithium-ion secondary batteries," Journal of The Electrochemical Society, pp. A285-A291, 2003.