El rendimiento de los autobuses eléctricos depende mucho del rendimiento de las baterías eléctricas; Por lo tanto, la temperatura de funcionamiento de las baterías eléctricas está altamente correlacionada con su rendimiento e influye también en su vida y seguridad. El sistema de gestión de temperatura de las baterías eléctricas también es bastante crucial.
La gestión térmica de las baterías alimentadas requiere calentarlos a bajas temperaturas y enfriarlas en las altas.
Tipos de sistema de gestión térmica de batería
1.1 Métodos de enfriamiento de la batería
Los métodos de enfriamiento de las baterías eléctricas incluyen principalmente enfriamiento de aire natural, enfriamiento de aire forzado, enfriamiento de líquidos y enfriamiento directo de refrigerante.
-Enfriado de aire forzado: Al introducir el viento de aire acondicionado, el viento natural o el viento de convección fuera del vehículo en el compartimento de la batería, la temperatura de la batería se reduce.
-Liquid enfriamiento: Confíe en la salida de aire del sistema de aire acondicionado o el refrigerante del equipo de refrigeración independiente para enfriar el refrigerante, y luego transporte el refrigerante al intercambiador de calor en la batería para enfriar la celda de la batería.
-Refrigerante de enfriamiento directo: Introduzca directamente el refrigerante del equipo de refrigeración en el intercambiador de calor en la batería para enfriar la celda de la batería mediante conducción de calor.
La comparación de diferentes métodos de enfriamiento es la siguiente:
◆ Enfriamiento de aire natural: El rendimiento de enfriamiento se ve afectado por el entorno externo, el sistema no requiere control adicional, sin consumo de energía, ocupación de espacio pequeño, bajo costo, proceso confiable y bajo riesgo de agua.
◆ Enfriamiento del aire forzado: El rendimiento de enfriamiento es promedio, el volumen del sistema es grande, pero el peso es ligero, el consumo de energía es bajo, es fácil de controlar, el costo del sistema es bajo, el proceso es confiable y el riesgo de que el agua sea alto.
◆Enfriamiento de líquido: El efecto de enfriamiento es bueno, el volumen del sistema es moderado, el principio de control es maduro y la dificultad de implementación es moderada. Sin embargo, este método tiene un sistema pesado, un alto consumo de energía, el mayor costo, la confiabilidad promedio del proceso y un alto riesgo de vadeo de agua. Actualmente, el enfriamiento líquido es la solución de enfriamiento más utilizada en la industria.
◆Refrigeramiento directo de refrigerante: El efecto de enfriamiento es el mejor, el volumen del sistema es pequeño, el peso es ligero, el consumo de energía es bajo, el costo del sistema es moderado, pero el control es complejo, la dificultad técnica es alta, la confiabilidad del proceso es alta y el riesgo de vadear de agua es alto. En la actualidad, el enfriamiento directo de refrigerante todavía está en la etapa de investigación y aún no se ha utilizado ampliamente.
Aunque la eficiencia de intercambio de calor del enfriamiento directo de refrigerante es alta, cuando el refrigerante se evapora en el paquete de baterías, la diferencia de temperatura en varios lugares es grande, lo que afecta la uniformidad de temperatura de la batería y, por lo tanto, reduce el rendimiento de carga y descarga. Además, la demanda de energía de los autobuses es grande, el número de paquetes de baterías es grande y el diseño de la tubería del sistema de enfriamiento directo de refrigerante es relativamente complejo, y existe un riesgo de fuga.
1.2 Método de calefacción de batería
En la actualidad, los métodos de calefacción de batería de potencia comunes incluyen principalmente:
◆Calefacción de película de calefacción eléctrica: Integre la película de calefacción eléctrica dentro de la batería para calentar directamente la celda de la batería.
- Cuando la temperatura ambiente es superior a 0 ℃, este método tiene un buen efecto de calentamiento, no se requiere control adicional, bajo consumo de energía, bajo costo, ocupación espacial pequeña y fácil de implementar.
- Cuando la temperatura ambiente es inferior a 0 ℃, el efecto de calentamiento se reduce considerablemente y generalmente no se usa.
◆Calefacción de líquido eléctrico: Conecte un calentador de líquido eléctrico en serie en el circuito de circulación de agua del manejo térmico del paquete de baterías para calentar el anticongelante para aumentar la temperatura de la batería.
- Este método tiene un buen efecto de calentamiento, un tamaño moderado del sistema, menos ocupación espacial, principio de control maduro, alta confiabilidad del proceso y baja dificultad en la implementación.
- Aunque el costo es relativamente alto, actualmente se usa ampliamente en los sistemas de calefacción de baterías debido a su estabilidad y eficiencia.
Ya sea invierno o verano, la temperatura de funcionamiento normal de la batería es de 25 ℃ ± 5 ℃. En invierno, debe calentarse con el equipo de gestión térmica de la batería, y la temperatura objetivo del agua para el calentamiento es de 25 ± ± 5 ℃; En verano, el sistema BTMS debe enfriarlo, y la temperatura objetivo del agua para el enfriamiento también es de 25 ℃ ± 5 ℃. Los siguientes introducen tres tipos de sistemas de gestión térmica de batería (calentados) refrigerados por líquidos comúnmente utilizados en los autobuses. Estos tres tipos de gestión térmica de batería son todos sistemas integrados de calefacción y enfriamiento. De acuerdo con los requisitos de uso y temperatura ambiente de los autobuses eléctricos puros, cuando el sistema necesita enfriarse, el anticongelante se enfría directamente a través del intercambiador de calor de los BTM; Cuando el sistema debe calentarse, el calentador de líquido eléctrico PTC conectado en serie en el sistema de circulación de agua BTMS calienta el anticongelante.
Forma de unidad simple
Composición del sistema
La unidad simple se compone principalmente de un intercambiador de calor de placa, una bomba de agua, un ventilador y un calentador de líquido eléctrico PTC. Su principio se muestra en la Figura 1, y su composición se muestra en la Figura 2.
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1 - intercambiador de calor de placa
2、5 - Válvula solenoide
3、4 - Sensor de temperatura del agua;
6 - Calentador PTC
7 - Fan
8 - Controlador
9 - Bomba de agua |
Principio de trabajo
Cuando el sistema recibe una señal de enfriamiento, la válvula solenoide 2 abre y se cierra la válvula solenoide 5.
El ventilador y la bomba de agua comienzan a funcionar, extraen aire frío del conducto de aire acondicionado y enfrían el anticongelante a través del intercambiador de calor de la placa dentro de la unidad.
El anticongelante enfriado se transporta al intercambiador de calor dentro de la batería por la batería de agua, y el fuego se intercambia con la celda de la batería para reducir la temperatura de la batería.
Cuando el sistema recibe una señal de calentamiento, la válvula solenoide 2 se cierra y se abre la válvula solenoide 5.
El calentador de líquido eléctrico PTC y la bomba de agua dentro de la unidad comienzan a correr para calentar el anticongelante en el sistema.
El anticongelante calentado circula hacia el intercambiador de calor dentro de la batería y aumenta la temperatura de la batería a través de la conducción de calor.
Además de las funciones de calentamiento y enfriamiento, la unidad refrigerada por agua también tiene una función de autocirculación para reducir la diferencia de temperatura dentro de la batería.
Cuando el BTMS envía un comando de autocirculación, el calentador PTC y el ventilador dejan de funcionar, pero la bomba de agua continúa funcionando, y el anticongelante circula en el circuito de agua para garantizar la temperatura uniforme de la batería.
Características y alcance de la aplicación
✅ Ventajas
Estructura simple y bajo costo.
Poseer funciones básicas de enfriamiento, calefacción y autocirculación.
❌ Limitaciones
Confíe en el aire acondicionado de la cabina para proporcionar aire frío, que se ve muy afectado por el estado operativo del sistema de aire acondicionado.
La capacidad de enfriamiento es limitada. Debido a la falta de un sistema de refrigeración independiente, la potencia de enfriamiento suele ser inferior a 2kW, lo que es difícil para satisfacer las necesidades de las baterías de alta potencia.
Es adecuado para baterías de carga lenta con carga y descarga de baja tasa, y a menudo se usa en autobuses híbridos, pero no para autobuses eléctricos puros con requisitos de control de temperatura más estrictos.
Formulario de unidad no independiente
Composición del sistema y principio de trabajo
La unidad no independiente utiliza el refrigerante del sistema de aire acondicionado para controlar la temperatura de la batería, sin la necesidad de un sistema de refrigeración separado. Su composición se muestra en la figura.
- Evaporador 1: El evaporador de aire acondicionado de la cabina proporciona aire frío para el área del pasajero.
-Evaporador 2: El evaporador de la unidad refrigerada por agua es responsable de enfriar el anticongelante y entregar el anticongelante de baja temperatura al intercambiador de calor de la batería para reducir la temperatura de la batería.
- Circuito de refrigeración: dos evaporadores están conectados en paralelo, compartiendo componentes clave como el compresor, el condensador y la botella de secado. El flujo de refrigerante está controlado por las válvulas solenoides 1 y 2, y las válvulas de expansión 1 y 2 son responsables de regular el flujo de los dos refrigerantes.
Modo de refrigeración
- Se abre la válvula solenoide 2, y el refrigerante ingresa al evaporador 2 para intercambiar calor con el anticongelante para enfriar el anticongelante.
- El anticongelante a baja temperatura circula en el intercambiador de calor de la paquete de batería para reducir la temperatura de la batería.
Modo de calefacción
- La válvula solenoide 2 está cerrada, se inicia la bomba de agua y el calentador de líquido eléctrico PTC, y el anticongelante ingresa al intercambiador de calor de la batería después de calentarse para calentar la batería.
Modo de autocirculación
- La válvula solenoide 2 está cerrada, PTC deja de funcionar, solo la bomba de agua funciona y el anticongelante circula en el circuito de agua para equilibrar la temperatura de la batería y evitar la diferencia de temperatura excesiva.
Características y alcance de la aplicación
✅ Ventajas
- No se requiere un sistema de refrigeración adicional, reduciendo los costos del equipo.
-Capacidad de refrigeración fuerte (≥6kW), adecuada para autobuses eléctricos puros con baterías de alta tasa de carga rápida.
❌ Limitaciones
- Afecta el enfriamiento del área del pasajero, y el desvío del refrigerante debilitará el efecto de aire acondicionado y aumentará la carga del sistema.
- La coincidencia del sistema es compleja, y los fabricantes de aire acondicionado y los modelos de diferentes modelos no son fijos, lo que dificulta el juego de la unidad de enfriamiento de agua con el aire acondicionado.
- La instalación es limitada, las tuberías de alta y baja presión son largas, especialmente cuando la batería se coloca en la parte inferior, la conexión entre el aire acondicionado y la unidad de enfriamiento de agua es más difícil.
- La lógica de control es compleja, y la demanda de enfriamiento de la batería y el sistema de aire acondicionado del vehículo deben coordinarse, y los requisitos de la estrategia de control son altos.
Escenarios aplicables:
- Aplicable a las baterías de carga rápida con altas tasas de carga y descarga.
- Adecuado para autobuses eléctricos puros con altos requisitos para la capacidad de enfriamiento (≥6kW).
Formulario de unidad independiente
Principio y estructura del sistema
La unidad independiente es equivalente a un pequeño sistema de aire acondicionado eléctrico puro con un sistema de refrigeración independiente y completo. La principal diferencia radica en la estructura del evaporador:
- El evaporador del aire acondicionado ordinario se utiliza para el intercambio de calor entre el refrigerante de aire acondicionado y el aire;
- El evaporador de la unidad independiente se utiliza para el intercambio de calor entre el refrigerante de aire acondicionado y el anticongelante.
- Este intercambiador de calor único generalmente adopta una estructura de carcasa y tubo, en la cual:
- La tubería interna transmite el refrigerante;
- La tubería exterior transmite el agua de enfriamiento;
- Las aletas se distribuyen entre las dos capas de tuberías para aumentar el área de intercambio de calor y mejorar la eficiencia del intercambio de calor.
- Hay dos formularios de diseño para unidades independientes:
- Diseño integrado
- Diseño dividido
Principio de trabajo
Modo de refrigeración
- Después de que el sistema recibe la señal de refrigeración, inicia el ventilador y la bomba de agua.
- El refrigerante intercambia calor con el anticongelante a través del intercambiador de calor de la placa para reducir la temperatura del anticongelante.
- El anticongelante ingresa al intercambiador de calor de la batería a través de la circulación de la bomba de agua para lograr el enfriamiento de la batería.
Modo de calefacción
- Después de que el sistema recibe la señal de calentamiento, inicia el calentador de líquido eléctrico PTC y la bomba de agua.
- Después de calentar el anticongelante, fluye hacia el intercambiador de calor dentro de la batería para aumentar la temperatura de la batería a través del intercambio de calor.
Características y alcance de la aplicación
✅ Ventajas
- El sistema independiente, no afectado por el rendimiento de la refrigeración del aire acondicionado, puede responder rápidamente a los cambios en la temperatura de la batería.
- Diseño flexible, la potencia se puede ajustar según sea necesario para satisfacer las diferentes necesidades de enfriamiento.
- La lógica de control es simple, porque hay un sistema de refrigeración independiente, no es necesario considerar las necesidades de enfriamiento del aire acondicionado del área del pasajero.
- La capacidad de enfriamiento es ajustable, generalmente por encima de 2 kW, adecuada para autobuses eléctricos híbridos o puros con baterías de carga rápida de alta tasa.
❌ Limitaciones
- En comparación con el sistema de unidad no independiente, la unidad independiente tiene un conjunto adicional de compresores y condensadores para la refrigeración independiente, y el costo es ligeramente mayor. Pero debido a que es un sistema independiente, la lógica de control es más simple que la de la unidad no independiente.
Escenarios aplicables:
- Aplicable a las baterías de carga rápida con altas tarifas de carga de la batería y velocidades de descarga, como autobuses híbridos y autobuses eléctricos puros.
Conclusión
Como componente clave de los autobuses eléctricos, el BTMS afecta directamente el rendimiento, la seguridad y la vida útil de la batería de energía. Por lo tanto, en el diseño y desarrollo de autobuses eléctricos, es muy importante tener una comprensión profunda y dominio de la estructura y el principio de funcionamiento de los equipos de gestión térmica de la batería. Esto no solo ayuda a mejorar la eficiencia general del vehículo, sino que también garantiza la confiabilidad a largo plazo de la batería, proporcionando así un apoyo más fuerte para la operación del vehículo.Obtenga más información sobre el sistema de gestión térmica de la batería Guchen
