Thermische beheersoplossingen voor batterijsystemen

Het lijdt geen twijfel dat de temperatuur een cruciale invloed heeft op de prestaties, levensduur en veiligheid van accu's. Over het algemeen verwachten we dat het accusysteem werkt binnen een temperatuurbereik van 15 tot 35 °C om de beste vermogensafgifte en -input, de maximaal beschikbare energie en de langste levensduur te bereiken (hoewel opslag bij lage temperaturen de levensduur van de accu kan verlengen, is het in de praktijk niet erg zinvol, aangezien accu's in dit opzicht vergelijkbaar zijn met mensen).

Momenteel kan het thermisch beheer van een accusysteem grofweg in vier categorieën worden ingedeeld: natuurlijke koeling, luchtkoeling, vloeistofkoeling en gelijkstroomkoeling. Natuurlijke koeling is een passieve methode voor thermisch beheer, terwijl luchtkoeling, vloeistofkoeling en gelijkstroomkoeling actieve methoden zijn. Het belangrijkste verschil tussen deze drie zit hem in het gebruikte warmteoverdrachtsmedium.

• Natuurlijke koeling
Natuurlijke koeling vereist geen extra apparaten voor warmteoverdracht. BYD heeft bijvoorbeeld natuurlijke koeling toegepast in de Qin, Tang, Song, E6, Tengshi en andere modellen die LFP-cellen gebruiken. Naar verluidt zal BYD in de volgende modellen overschakelen op vloeistofkoeling voor modellen met ternaire batterijen.

• Luchtkoeling (PTC-luchtverwarmer)
Luchtkoeling maakt gebruik van lucht als medium voor warmteoverdracht. Er zijn twee gangbare typen. Het eerste type heet passieve luchtkoeling, waarbij de buitenlucht direct wordt gebruikt voor warmte-uitwisseling. Het tweede type is actieve luchtkoeling, waarbij de buitenlucht wordt voorverwarmd of -gekoeld voordat deze het accusysteem binnenkomt. In de beginjaren maakten veel Japanse en Koreaanse elektrische modellen gebruik van luchtkoeling.

• Vloeistofkoeling
Vloeistofkoeling maakt gebruik van antivries (zoals ethyleenglycol) als warmteoverdrachtsmedium. De oplossing bevat doorgaans meerdere verschillende warmtewisselaarcircuits. Zo heeft VOLT bijvoorbeeld een radiatorcircuit en een airconditioningcircuit (PTC Airconditioning), en een PTC-circuit (PTC-koelvloeistofverwarmerHet batterijbeheersysteem reageert, past zich aan en schakelt volgens de thermische beheerstrategie. De TESLA Model S heeft een circuit in serie met de motorkoeling. Wanneer de batterij op lage temperatuur moet worden verwarmd, wordt het motorkoelingscircuit in serie geschakeld met het batterijkoelingscircuit, waardoor de motor de batterij kan verwarmen. Wanneer de batterij op hoge temperatuur is, worden het motorkoelingscircuit en het batterijkoelingscircuit parallel geschakeld, waardoor de twee koelsystemen onafhankelijk van elkaar warmte afvoeren.

1. Gascondensor

2. Secundaire condensor

3. Secundaire condensorventilator

4. Gascondensorventilator

5. Druksensor van de airconditioner (hogedrukzijde)

6. Temperatuursensor van de airconditioner (hogedrukzijde)

7. Elektronische airconditionercompressor

8. Druksensor van de airconditioner (lage drukzijde)

9. Temperatuursensor van de airconditioner (lage drukzijde)

10. Expansieventiel (koeler)

11. Expansieventiel (verdamper)

• Directe koeling
Directe koeling maakt gebruik van een koelmiddel (een faseveranderend materiaal) als warmteoverdrachtsmedium. Het koelmiddel kan een grote hoeveelheid warmte absorberen tijdens de gas-vloeistof-faseovergang. In vergelijking met een gewoon koelmiddel kan de warmteoverdrachtsefficiëntie meer dan verdrievoudigd worden, waardoor de accu sneller vervangen kan worden. De warmte in het systeem wordt afgevoerd. Het directe koelsysteem is toegepast in de BMW i3.

 

Naast de koelefficiëntie moet bij het thermisch beheer van het batterijsysteem ook rekening worden gehouden met de consistentie van de temperatuur van alle batterijen. Een accupakket bevat honderden cellen en een temperatuursensor kan niet elke cel afzonderlijk meten. Zo bevat een module van een Tesla Model S bijvoorbeeld 444 batterijen, maar zijn er slechts twee temperatuurmeetpunten. Daarom is het essentieel om de temperatuur van de batterijen zo constant mogelijk te houden door middel van thermisch beheer. Een goede temperatuurconsistentie is immers een voorwaarde voor consistente prestatieparameters zoals batterijvermogen, levensduur en laadstatus (SOC).