Thermisch beheersysteem voor batterijen (BTMS)
Het Battery Thermal Management System (BTMS) is een van de kernsystemen van een elektrisch voertuig en heeft rechtstreeks invloed op de veiligheid, prestaties en levensduur van het hele voertuig.
I. Waarom batterijen thermisch beheer nodig hebben
Vermogensbatterijen, vooral lithium-ionbatterijen, zijn voor hun prestaties, levensduur en veiligheid sterk afhankelijk van de bedrijfstemperatuur.
Optimaal bedrijfsbereik
Het ideale temperatuurbereik voor batterijen ligt doorgaans tussen de 15 graden en 40 graden, waarbij het optimale bereik ongeveer 20 graden tot 35 graden is.
Gevaren bij hoge temperaturen
Extreem hoge temperaturen (bijvoorbeeld hoger dan 60 graden) versnellen het verval van de batterijcapaciteit, verhogen de interne weerstand en kunnen in extreme gevallen leiden tot thermische overstroming, wat kan leiden tot brand en explosies.
Gevaren bij lage temperaturen
Te lage temperaturen verminderen de snelheid van interne chemische reacties in de batterij, wat resulteert in een scherpe daling van de capaciteit en het uitgangsvermogen, oplaadproblemen en mogelijk lithiumafzetting, waardoor de batterij beschadigd raakt.
Gevaren van temperatuurverschillen
Een ongelijkmatige temperatuurverdeling (buitensporig temperatuurverschil) tussen cellen of modules in het accupakket leidt tot inconsistente prestaties, versnelt de veroudering van het gehele accupakket en beperkt de bruikbare capaciteit ervan.
Daarom heeft een efficiënt thermisch beheersysteem tot doel de batterijtemperatuur binnen het optimale venster te houden en het maximale temperatuurverschil binnen het batterijpakket te minimaliseren (idealiter minder dan of gelijk aan 3 graden).
II. Hoe het thermische systeem werkt
Het vloeibare thermische beheersysteem gebruikt circulerende koelvloeistof als medium om warmte af te voeren of de batterij te verwarmen.
Koelfunctie
Warmteabsorptie: Aangedreven door een elektrische pomp stroomt de koelvloeistof door vloeibare koelplaten in het accupakket (meestal in contact met de accumodules), waarbij de door de accu gegenereerde warmte wordt geabsorbeerd.
Warmteafvoer: de hoge- koelvloeistof, die warmte heeft geabsorbeerd, wordt naar de voorradiator gepompt (lucht-gekoeld) of wisselt warmte uit met het airconditioningsysteem van het voertuig (via een koude warmtewisselaar), waardoor de warmte wordt afgevoerd naar de buitenlucht.
Circulatie: De gekoelde koelvloeistof stroomt terug in het accupakket en begint de volgende cyclus.
Verwarmingsfunctie
Wanneer de accutemperatuur te laag is, kan het systeem de koelvloeistof verwarmen met behulp van een PTC-verwarming (thermistor met positieve temperatuurcoëfficiënt).
De verwarmde koelvloeistof stroomt door de vloeibare koelplaten en fungeert als een "warmwaterkruik" om de batterij te verwarmen.
Sommige geavanceerde systemen kunnen ook afvalwarmte gebruiken die door het elektrische aandrijfsysteem wordt gegenereerd en deze terugwinnen via platenwarmtewisselaars voor batterijverwarming, waardoor de energie-efficiëntie wordt verbeterd.
III. Belangrijkste componenten van het systeem
Een typisch vloeistofthermisch beheersysteem bestaat hoofdzakelijk uit de volgende componenten:
Vloeistofkoelplaat: het kernonderdeel van de warmtewisseling dat in direct contact staat met de batterijmodule, meestal gemaakt van aluminium met een intern stroomkanaalontwerp. Het ontwerp moet een balans bieden tussen warmteafvoervermogen, betrouwbaarheid en lichtgewicht.
Koelvloeistof: vereist een hoge thermische geleidbaarheid, isolatie (om kortsluiting te voorkomen), lage viscositeit, een breed bedrijfstemperatuurbereik en goede materiaalcompatibiliteit. Ethyleenglycol-watermengsels worden vaak gebruikt (de verhouding wordt aangepast aan de antivriesvereisten), hoewel soms ook pure organische alcoholen en andere diëlektrische vloeistoffen worden gebruikt.
Elektrische pomp: Levert de stroom voor de circulatie van de koelvloeistof. De snelheid is vaak aanpasbaar om on-aanbod te realiseren en het energieverbruik te verminderen.
Warmtewisselaar(Chiller): Een warmtewisselaar die het koelcircuit en het koelcircuit van de airconditioning verbindt en wordt gebruikt om de koeling te verbeteren.
Radiator: Deze bevindt zich aan de voorkant van het voertuig en voert de warmte van de koelvloeistof af via de luchtstroom.
Platenwarmtewisselaar: Wordt gebruikt voor warmte-uitwisseling tussen verschillende circuits, bijvoorbeeld voor het terugwinnen van restwarmte.
PTC-verwarming: Een apparaat dat de koelvloeistof verwarmt wanneer verwarming nodig is.
Kleplichaam (bijv. drie-wegklep, magneetklep): Regelt de stroomrichting van de koelvloeistof, waardoor schakelen tussen verschillende modi mogelijk wordt gemaakt (bijv. schakelen tussen koel- en verwarmingsmodi, of tussen verschillende warmtebronnen).
Reservoir: Compenseert het uitzetten en inkrimpen van de koelvloeistof als gevolg van temperatuurveranderingen en vergemakkelijkt het vullen en ontluchten.
Sensoren en regeleenheid: Temperatuursensoren bewaken de accu- en koelvloeistoftemperatuur in realtime. De thermische beheercontroller van het Battery Management System (BMS) is het brein en regelt op intelligente wijze de werking van actuatoren zoals pompen, PTC-verwarmers, kleppen en airconditioningcompressoren op basis van temperatuursignalen en voertuigstatus met behulp van algoritmen.
