Zarządzanie termiczne akumulatora

Temperatura akumulatora wpływa na ładowanie, moc, hamowanie rekuperacyjne, efektywność i trwałość, ponieważ ogniwa nie przyjmują ani nie oddają energii równie dobrze w każdej temperaturze.

System zarządzania termicznego akumulatora (BTMS) ogrzewa, chłodzi i wyrównuje temperaturę pakietu zależnie od chemii, stanu naładowania, wymaganej mocy i strategii sterowania producenta.

Dlaczego temperatura akumulatora ma znaczenie?

Ogniwa są urządzeniami elektrochemicznymi. Ich rezystancja, szybkość reakcji, dostępna energia i starzenie zmieniają się wraz z temperaturą.

System termiczny musi równoważyć kilka priorytetów:

Zapewnienie mocy wystarczającej do jazdy
Umożliwienie dużej mocy ładowania i rekuperacji
Ograniczenie strat elektrycznych
Utrzymanie ogniw w bezpiecznych granicach
Ograniczenie długoterminowej degradacji
Utrzymanie podobnych temperatur w całym pakiecie
Zużywanie możliwie małej ilości energii na ogrzewanie i chłodzenie

Akumulator może znajdować się w bezpiecznym zakresie temperatury, nie będąc w temperaturze najlepszej dla każdego zadania.

Nie istnieje jedna idealna temperatura akumulatora. Temperatura odpowiednia do efektywnej jazdy może być zbyt niska dla maksymalnego szybkiego ładowania, a pakiet przygotowany do ładowania dużą mocą może być cieplejszy, niż potrzeba podczas parkowania lub długiego przechowywania. Audi podaje na przykład preferowany zakres 30–35°C dla akumulatora e-tron GT w wymagających warunkach pracy i ładowania, lecz nie jest to uniwersalny cel dla każdego EV. (Audi)

Co dzieje się, gdy akumulator jest zimny?

Niska temperatura spowalnia ruch jonów w elektrolicie i materiałach elektrod. Rośnie rezystancja wewnętrzna, co powoduje większy spadek napięcia i więcej ciepła przy danym prądzie.

Kierowca może zauważyć:

Słabsze przyspieszenie
Niższą moc szczytową i ciągłą
Ograniczone hamowanie rekuperacyjne
Wolniejsze ładowanie DC
Mniejszą natychmiast dostępną energię
Wyższe zużycie podczas krótkich zimowych podróży

Samo zimno zwykle nie uszkadza akumulatora. Większe ryzyko powstaje przy ładowaniu zimnego ogniwa dużym prądem.

W konwencjonalnych ogniwach litowo-jonowych z grafitową elektrodą ujemną jony litu mogą docierać do powierzchni szybciej, niż wnikają w grafit. Na powierzchni może wtedy powstawać lit metaliczny w procesie osadzania litu.

Osadzanie litu może:

Zużywać lit, który pozostałby dostępny do cykli
Zwiększać utratę pojemności
Podnosić rezystancję wewnętrzną
Tworzyć nierównomierne osady
W ciężkich przypadkach zwiększać zagrożenie

BMS ogranicza więc ładowanie i rekuperację, dopóki ogniwa nie będą dostatecznie ciepłe. Szybkie ładowanie bez osadzania litu pozostaje jednym z głównych wyzwań inżynieryjnych przy zimnym lub intensywnym ładowaniu. (US Department of Energy)

Co dzieje się, gdy akumulator jest gorący?

Cieplejszy akumulator początkowo ma niższą rezystancję i często może przyjąć lub oddać więcej mocy. Nie oznacza to, że im goręcej, tym lepiej.

Wysoka temperatura przyspiesza niepożądane reakcje między elektrodami i elektrolitem. Długotrwała ekspozycja może powodować:

Szybsze starzenie kalendarzowe
Utratę aktywnego litu
Wzrost warstw powierzchniowych, takich jak SEI
Rozkład elektrolitu
Powstawanie gazów
Wzrost rezystancji wewnętrznej
Krótszą żywotność cykliczną

Temperatura i stan naładowania współdziałają. Długie parkowanie przy jednocześnie wysokiej temperaturze i wysokim SOC jest zwykle bardziej obciążające niż krótkie ogrzanie przed ładowaniem.

Wysokie temperatury podczas ekstremalnie szybkiego ładowania również trudno opanować. Badania DOE wskazują wytwarzanie ciepła i temperatury powyżej około 45°C jako ważne bariery dla trwałego ekstremalnie szybkiego ładowania i żywotności. Dokładny limit zależy od chemii i konstrukcji. (US Department of Energy)

Skąd pochodzi ciepło akumulatora?

Akumulator wytwarza ciepło przy każdym przepływie prądu.

Źródła obejmują:

Rezystancję elektryczną ogniw
Transport jonów przez elektrolit i elektrody
Reakcje elektrochemiczne
Wyprowadzenia ogniw i kolektory prądowe
Szyny zbiorcze i połączenia elektryczne
Styczniki i połączenia pakietu
Nieefektywność ładowania i rozładowania
Ciepło z pobliskiej elektroniki mocy

Ciepło rezystancyjne rośnie w przybliżeniu z kwadratem prądu:

Ciepło rezystancyjne ∝ Prąd² × Rezystancja

Podwojenie prądu może więc wytworzyć około cztery razy więcej ciepła, jeśli rezystancja się nie zmieni.

Wyjaśnia to duże obciążenia termiczne podczas:

Ładowania DC dużą mocą
Powtarzanych mocnych przyspieszeń
Długotrwałej jazdy z dużą prędkością
Długich podjazdów
Holowania
Jazdy torowej
Intensywnego hamowania rekuperacyjnego

Ciepło nie zawsze powstaje równomiernie. Środek dużego ogniwa może być cieplejszy od powierzchni, a ogniwa przy wylotach płynu lub krawędziach pakietu mogą pracować w innej temperaturze. Badania NREL łączą niejednorodność temperatury z lokalnymi różnicami SOC, osadzaniem litu, wzrostem SEI i degradacją. (US Department of Energy)

Nie istnieje jedna idealna temperatura

Preferowana temperatura zależy od zadania pojazdu.

Normalna jazda

Przy umiarkowanej jeździe system może stawiać niskie zużycie pomocnicze ponad ogrzewanie lub chłodzenie do celu szybkiego ładowania.

Jazda dużą mocą

Powtarzane przyspieszanie, holowanie, podjazdy lub szybka jazda mogą wymagać dodatkowego chłodzenia.

Szybkie ładowanie DC

Akumulator często musi być cieplejszy niż podczas zwykłej zimowej jazdy. Rezystancja ogniw musi być dostatecznie niska, by przyjąć duży prąd bez nadmiernego wzrostu napięcia lub osadzania litu.

Parkowanie

Samochód zwykle nie utrzymuje temperatury szybkiego ładowania na postoju, bo marnowałoby to energię. Pakiet może poruszać się w szerszym ochronnym zakresie.

Długie przechowywanie

Wysoka temperatura i wysoki SOC są niekorzystne podczas długiego przechowywania, choć chwilowo ciepły akumulator może skuteczniej ładować się lub oddawać moc.

Zarządzanie termiczne jest więc ciągłym kompromisem między osiągami, zużyciem energii i starzeniem.

Architektury systemów zarządzania termicznego

Producenci stosują kilka metod przenoszenia ciepła do akumulatora i z niego:

Pasywne zarządzanie termiczne
Chłodzenie powietrzem
Pośrednie chłodzenie cieczą
Bezpośrednie chłodzenie czynnikiem chłodniczym
Zintegrowane układy cieczy i pompy ciepła

Większość współczesnych EV przeznaczonych do ładowania dużą mocą używa aktywnego chłodzenia cieczą, często połączonego z obiegiem czynnika chłodniczego przez wymiennik lub chiller.

Pasywne zarządzanie termiczne

Pasywnie zarządzany akumulator polega głównie na przepływie ciepła przez:

Obudowy ogniw
Struktury modułów
Obudowę akumulatora
Podwozie pojazdu
Otaczające powietrze

Ma niewiele komponentów i zużywa mało energii.

Zalety

Niski koszt
Mała masa
Brak pomp i płynu
Mało punktów serwisowych
Niskie zużycie w spoczynku

Ograniczenia

Ograniczone odprowadzanie ciepła
Silna zależność od temperatury otoczenia
Powolne ogrzewanie i chłodzenie
Trudność utrzymania jednolitej temperatury
Mała przydatność do powtarzanego ładowania dużą mocą

Może wystarczać w miejskim EV o małej mocy, lecz staje się ograniczeniem wraz ze wzrostem szybkości ładowania, rozmiaru akumulatora i mocy ciągłej.

Chłodzenie powietrzem

Układy powietrzne prowadzą powietrze zewnętrzne lub kabinowe przez akumulator albo wokół niego. Przepływ mogą wymuszać wentylatory lub ruch pojazdu.

Zalety

Prostsze od chłodzenia cieczą
Mniejsza masa
Brak obiegu płynu w akumulatorze
Mniejsze ryzyko wycieku

Ograniczenia

Powietrze przenosi znacznie mniej ciepła niż ciecz
Chłodzenie silnie zależy od temperatury powietrza
Kanały zajmują miejsce
Trudno utrzymać jednolitą temperaturę
Hałas i zużycie wentylatorów rosną pod dużym obciążeniem

Akumulator chłodzony powietrzem może dobrze wykonać jedną sesję szybkiego ładowania, a następnie nie odprowadzać dość ciepła. Nissan udokumentował spadek mocy od drugiej szybkiej sesji w testach powietrznie zarządzanego akumulatora LEAF e+. (Nissan)

Pośrednie chłodzenie cieczą

To najczęstsza architektura współczesnych EV o dużej mocy.

Mieszanina wody i glikolu przepływa przez:

Płyty pod ogniwami
Kanały obok rzędów ogniw
Profile w podłodze pakietu
Płyty stykające się z szerokimi powierzchniami ogniw
Struktury chłodzące modułów

Płyn zwykle nie przepływa wewnątrz ogniw. Ciepło przechodzi przez:

Wnętrze ogniwa
Obudowę ogniwa
Materiał termoprzewodzący
Płytę chłodzącą
Płyn chłodzący

Materiałem termoprzewodzącym może być podkładka, pasta, klej, żel lub inna warstwa wypełniająca szczeliny.

Audi Q4 e-tron używa oddzielnego niskotemperaturowego obiegu wodno-glikolowego płynącego płaskimi kanałami pod komorami ogniw. Pasta łączy ogniwa ze strukturą chłodzącą, a grzałka wysokonapięciowa ogrzewa płyn na zimno. (Audi)

Zalety

Duża zdolność przenoszenia ciepła
Lepsza jednorodność niż przy chłodzeniu pasywnym lub powietrznym
Ogrzewanie i chłodzenie przez te same płyty
Przydatność do jazdy i ładowania dużą mocą
Możliwość połączenia z chłodnicą, chillerem lub pompą ciepła

Kompromisy

Płyn, pompy, zawory, węże i wymienniki
Większa masa i koszt
Możliwe wycieki i punkty serwisowe
Wymagające uszczelnienie i ochrona antykorozyjna
Zależność od kontaktu ogniw z płytami

Chłodzenie chłodnicą

Gdy powietrze jest dostatecznie chłodne, płyn może oddać ciepło przez chłodnicę. To często najbardziej efektywny energetycznie tryb, wymagający jedynie pompy, przepływu powietrza i ewentualnie wentylatora.

Układ może potrzebować tylko:

Pompy płynu chłodzącego
Przepływu powietrza przez chłodnicę
Wentylatora chłodzącego, gdy prędkość pojazdu jest niewystarczająca

Chłodnica nie obniży temperatury poniżej temperatury otoczenia i może nie wystarczyć w upał lub przy dużej mocy.

Chłodzenie chillerem

Gdy chłodnica nie wystarcza, płyn przechodzi przez chiller połączony z obiegiem klimatyzacji.

Ogniwa
    ↓
Płyta chłodząca
    ↓
Płyn wodno-glikolowy
    ↓
Chiller czynnika chłodniczego
    ↓
Czynnik klimatyzacji
    ↓
Skraplacz i powietrze zewnętrzne

Pozwala to chłodzić akumulator poniżej temperatury otoczenia lub utrzymywać go pod trwałym obciążeniem. Audi e-tron GT używa czterech połączonych obiegów; przy dużym obciążeniu zawory łączą obieg akumulatora z czynnikiem klimatyzacji. (Audi)

Bezpośrednie chłodzenie czynnikiem chłodniczym

Niektóre konstrukcje umieszczają kanały czynnika lub powierzchnie parownika bezpośrednio przy strukturze akumulatora, bez oddzielnego obiegu wodno-glikolowego.

Może to ograniczyć liczbę etapów przenoszenia ciepła i zapewnić dużą wydajność. Kompromisy to trudniejsza dystrybucja czynnika, wymagania ciśnienia i szczelności, bardziej złożony serwis, ryzyko nierównomiernego chłodzenia oraz ścisła integracja z HVAC.

Kompromisy obejmują:

Trudniejszą dystrybucję czynnika chłodniczego
Większą wrażliwość na ciśnienie i szczelność
Bardziej złożone procedury serwisowe
Ryzyko nierównego chłodzenia przy źle kontrolowanym przepływie
Ściślejszą integrację akumulatora z układem HVAC

Zintegrowane zarządzanie termiczne

Współczesne układy coraz częściej łączą akumulator, silniki, elektronikę mocy, sprzęt ładowania i kabinę.

Ciepło może być:

Odbierane z akumulatora
Używane do ogrzewania kabiny
Przenoszone z napędu do akumulatora
Oddawane przez chłodnicę
Przenoszone obiegiem czynnika
Pobierane z powietrza przez pompę ciepła

Audi Q6 e-tron używa wymienników płynu i czynnika, a sterowanie predykcyjne koordynuje ogrzewanie i chłodzenie. Nissan również opisuje zintegrowany układ odzyskujący ciepło z jazdy i ładowania dla akumulatora i kabiny. (Audi)

Metody ogrzewania akumulatora

Ogrzanie zimnego akumulatora wymaga energii.

Wysokonapięciowa grzałka płynu

Oddzielna grzałka elektryczna ogrzewa płyn w płytach akumulatora. Często stosuje się grzałki PTC, których rezystancja rośnie wraz z temperaturą.

Zalety

Działanie niemal w każdych warunkach
Przewidywalna moc grzewcza
Ogrzewanie bez jazdy
Proste sterowanie

Kompromisy

Bezpośrednia zamiana energii elektrycznej w ciepło
Duża moc może zmniejszać zasięg
Dodatkowy sprzęt, masa i koszt

Audi stosuje grzałki wysokonapięciowe między innymi w obiegu Q4 e-tron. (Audi)

Ogrzewanie pompą ciepła

Pompa ciepła przenosi ciepło, zamiast wytwarzać je wyłącznie oporowo. Źródłem może być powietrze, płyn silnika i falownika, sprzęt ładowania, powietrze wywiewane z kabiny lub obieg czynnika.

Możliwe źródła ciepła to:

Powietrze zewnętrzne
Płyn chłodzący silnik i falownik
Sprzęt ładowania
Powietrze wywiewane z kabiny
Obieg czynnika chłodniczego

W odpowiednich warunkach może przenieść więcej energii cieplnej, niż zużywa sprężarka. Wydajność maleje wraz ze wzrostem różnicy temperatur, dlatego wiele pojazdów łączy pompę z grzałkami oporowymi.

Odzysk ciepła odpadowego

Silniki, falowniki, ładowarki pokładowe i przetwornice DC-DC generują ciepło. Układ może skierować je do akumulatora, kabiny lub innego obiegu.

Może ono zostać skierowane do:

Akumulatora
Kabiny
Innego obiegu płynu

Odzysk jest użyteczny podczas jazdy i ładowania, ale po zimnym starcie może nie wystarczyć. Nissan opisuje odzysk ciepła napędu i ładowania w swoim zintegrowanym systemie. (Nissan)

Ciepło wytwarzane podczas jazdy

Sama jazda ogrzewa akumulator wskutek przepływu prądu. Zimny pakiet może stopniowo odzyskiwać moc ładowania i rekuperację po jeździe autostradą, podjeździe, mocnym przyspieszaniu lub trwałym obciążeniu.

Może to nastąpić po:

Jeździe autostradą
Podjeździe
Mocnym przyspieszaniu
Długotrwałym użyciu mocy

Ogrzewanie nie jest darmowe: ciepło pochodzi ze strat rezystancyjnych. Niektóre pojazdy przed ładowaniem mogą celowo zwiększać obciążenie lub zmieniać pracę napędu.

Położenie płyt chłodzących

Położenie powierzchni chłodzącej wpływa na drogę ciepła. Układy obejmują:

Chłodzenie od spodu
Chłodzenie boczne
Chłodzenie między rzędami
Chłodzenie szerokiej powierzchni
Chłodzenie wyprowadzeń lub zacisków
Chłodzenie dwustronne

Płyta pod modułami jest łatwa do integracji, ale ciepło z górnej części wysokiego ogniwa ma długą drogę. Chłodzenie szerokich powierzchni skraca ją, lecz wymaga stałego kontaktu i docisku. Kanały między ogniwami cylindrycznymi zapewniają duży kontakt, ale zajmują miejsce. Chłodzenie z obu stron zmniejsza odległość i poprawia jednorodność.

Chłodzenie od spodu

Płytę pod modułami lub ogniwami stosunkowo łatwo zintegrować z płaskim pakietem. Ciepło z górnych części wysokiego ogniwa musi jednak dotrzeć w dół do płyty.

Chłodzenie boczne lub szerokiej powierzchni

Chłodzenie dużych powierzchni ogniw pryzmatycznych lub woreczkowych może skrócić drogę ciepła, lecz wymaga stałego kontaktu mechanicznego i docisku.

Chłodzenie między rzędami ogniw

Kanały między ogniwami cylindrycznymi zapewniają dużą powierzchnię kontaktu, ale zajmują miejsce w pakiecie i tworzą wiele powtarzających się dróg płynu.

Chłodzenie dwustronne

Chłodzenie dużego ogniwa z obu stron skraca drogę ciepła i może poprawić jednorodność temperatury.

Porsche Cayenne Electric ma płyty nad i pod każdym z sześciu modułów. Mogą one ogrzewać i chłodzić duże ogniwa woreczkowe. (Porsche Newsroom)

Jednorodność temperatury

Nie wystarczy zmniejszyć średnią temperaturę. Trzeba ograniczać różnice między ogniwami i wewnątrz nich.

Nierównomierność może powodować:

Różną rezystancję ogniw
Nierówny podział prądu
Różne stany naładowania
Lokalne starzenie
Lokalne osadzanie litu
Wcześniejsze osiąganie limitu przez jedną grupę
Mniejszą pojemność użytkową

Potencjalnie problematyczne obszary obejmują:

Środek dużych ogniw
Moduły daleko od wlotu płynu chłodzącego
Ogniwa blisko styczników i szyn zbiorczych
Gęsto upakowane moduły centralne
Ogniwa o słabym kontakcie z płytą chłodzącą
Obszary narażone na ciepło z drogi lub układu wydechowego

Problematyczne bywają środki dużych ogniw, moduły daleko od wlotu płynu, ogniwa przy stycznikach i szynach, gęsto upakowane moduły centralne, miejsca o słabym kontakcie z płytą oraz obszary narażone na ciepło z drogi. System termiczny, BMS, płyty, format ogniwa i docisk wspólnie wpływają na jednorodność. Badania DOE wskazują gradienty wewnętrzne jako źródło nierównej degradacji i ograniczenie dużych ogniw chłodzonych jednostronnie. (US Department of Energy)

Wstępne przygotowanie akumulatora

Wstępne przygotowanie przybliża pakiet do temperatury potrzebnej do planowanego zadania. Najczęściej oznacza przygotowanie do szybkiego DC, ale może obejmować ogrzewanie przed wyjazdem, chłodzenie przed ładowaniem, przygotowanie do dużej mocy i utrzymywanie temperatury podczas ładowania AC.

Może także obejmować:

Ogrzewanie przed wyjazdem
Chłodzenie przed ładowaniem
Przygotowanie do dużej mocy napędowej
Utrzymanie odpowiedniej temperatury podczas ładowania AC

Nie zawsze jest ogrzewaniem: gorący akumulator może wymagać aktywnego chłodzenia.

Przygotowanie do szybkiego ładowania

Po wybraniu ładowarki DC w nawigacji pojazd może oszacować potrzebne ogrzewanie lub chłodzenie na podstawie temperatury akumulatora i otoczenia, odległości i czasu jazdy, oczekiwanego SOC, niedawnego obciążenia, możliwości ładowarki, wysokości trasy i prędkości.

Wartości wejściowe mogą obejmować:

Bieżącą temperaturę akumulatora
Temperaturę otoczenia
Odległość i czas jazdy
Oczekiwany SOC przy przyjeździe
Niedawne obciążenie jazdą
Oczekiwane możliwości ładowarki
Wysokość i prędkość na trasie

Następnie reguluje temperaturę podczas jazdy. Audi e-tron GT może zintensyfikować chłodzenie około pół godziny przed planowaną ładowarką albo ogrzać pakiet na zimno.

Wstępne przygotowanie nie gwarantuje mocy szczytowej. Nadal liczą się SOC przy przyjeździe, napięcie i prąd ładowarki, napięcie i równowaga ogniw, temperatura, kondycja, krzywa pojazdu i dzielenie mocy.

Ładowanie nadal zależy od:

SOC przy przyjeździe
Napięcia i prądu ładowarki
Napięcia ogniw
Niezrównoważenia ogniw
Temperatury pakietu
Kondycji akumulatora
Krzywej ładowania pojazdu
Dzielenia mocy na stacji

Ręczne wstępne przygotowanie

Niektóre EV pozwalają uruchomić przygotowanie ręcznie, co pomaga przy używaniu telefonu lub zewnętrznego planera, braku ładowarki w bazie, zmianie postoju, braku nawigacji albo błędnym rozpoznaniu ładowarki.

Jest to przydatne, gdy:

Używany jest telefon lub zewnętrzny planer trasy
Ładowarki brakuje w pokładowej bazie
Planowany postój został zmieniony
Kierowca nie używa prowadzenia po trasie
Pojazd wybrał niewłaściwy typ ładowarki
Ładowanie nastąpi wcześniej, niż przewiduje nawigacja

Mogą obowiązywać: minimalny SOC, dostępność zależna od temperatury, limit czasu, automatyczne wyłączenie, ograniczenie mocy przy niskim SOC lub przerwanie po zmianie trybu. Samo uruchomienie nie dowodzi osiągnięcia celu; liczą się czas i wydajność ogrzewania.

Możliwe ograniczenia obejmują:

Minimalny SOC
Dostępność zależną od temperatury
Stały maksymalny czas działania
Automatyczne wyłączenie
Mniejszą moc ogrzewania przy niskim SOC
Anulowanie po zmianie trybu pracy

Przygotowanie przed wyjazdem

Gdy EV jest podłączony w domu, harmonogram może użyć energii sieciowej do ogrzania kabiny i — w niektórych pojazdach — akumulatora. Zmniejsza to energię zużytą zaraz po wyjeździe.

Nie należy mylić:

Wstępnego przygotowania kabiny
Wstępnego przygotowania akumulatora
Ładowania zaplanowanego tak, by skończyło się przed wyjazdem

Niektóre EV wykonują wszystkie trzy, inne tylko ogrzewają kabinę. Zakończenie ładowania tuż przed wyjazdem może pomóc, ponieważ samo ładowanie ogrzewa ogniwa. Analiza DOE wskazuje, że przygotowanie podczas podłączenia pobiera energię z sieci i może ograniczyć straty zimnego startu na krótkich zimowych trasach. (US Department of Energy)

Chłodzenie przed szybkim ładowaniem

W ciepłej pogodzie lub po wymagającej jeździe akumulator może być zbyt gorący po szybkiej jeździe, holowaniu, górach, torze, poprzednim ładowaniu, postoju w słońcu lub powtarzanym przyspieszaniu.

Może to nastąpić po:

Długotrwałej jeździe z dużą prędkością
Holowaniu
Jeździe górskiej
Jeździe torowej
Poprzedniej sesji szybkiego ładowania
Parkowaniu w silnym słońcu
Powtarzanym przyspieszaniu

Pojazd może rozpocząć chłodzenie długo przed postojem. Duży pakiet ma znaczną bezwładność termiczną; potrzeba czasu, by usunąć ciepło z wnętrza ogniw, a nie tylko schłodzić powierzchnie.

Dlaczego przygotowanie może zatrzymać się przy niskim SOC?

Ogrzewanie i chłodzenie zużywają energię. Przy niskim SOC producent równoważy dotarcie do ładowarki, przygotowanie pakietu, zachowanie rezerwy, unikanie nadmiernego rozładowania i ogrzewanie kabiny. System może zmniejszyć lub zatrzymać przygotowanie poniżej określonego progu.

Producent musi równoważyć:

Dotarcie do ładowarki
Przygotowanie akumulatora
Zachowanie rezerwy
Unikanie nadmiernego rozładowania ogniw
Utrzymanie ogrzewania kabiny

Próg różni się między pojazdami i oprogramowaniem. Przykład Kia EV9 nie jest ogólną regułą 12%.

Zużycie energii i zasięg

Wstępne przygotowanie zużywa energię. Bez podłączenia pochodzi ona z akumulatora trakcyjnego.

Główne korzyści:

Krótsze postoje ładowania
Większa dostępna moc napędowa
Więcej rekuperacji
Mniejsze ryzyko uszkodzeń podczas zimnego ładowania
Bardziej przewidywalne osiągi

Cieplejszy akumulator ma niższą rezystancję, lecz przygotowanie nie zawsze zwiększa całkowity zasięg: oszczędność strat może być mniejsza niż energia ogrzewania. W długiej podróży może jednak znacząco skrócić czas. Najwyraźniejszą korzyść dla zasięgu daje zasilanie z sieci.

Powtarzane szybkie ładowanie i nasycenie cieplne

Po sesji ciepło pozostaje we wnętrzu ogniw, strukturach modułów, płytach, płynie, szynach, zaciskach i obudowie. To nasycenie cieplne.

Ciepło pozostaje w:

Wnętrzu ogniw
Strukturach modułów
Płytach chłodzących
Płynie chłodzącym
Szynach zbiorczych i zaciskach
Obudowie akumulatora

Kolejny postój może zacząć się z cieplejszym pakietem. Dobry układ dalekodystansowy musi przygotować akumulator przed pierwszym postojem, usuwać ciepło podczas ładowania, chłodzić po odjeździe, ograniczać wzrost przed kolejnym postojem, zachować powtarzalność i nie zużywać niepotrzebnie sprężarki oraz wentylatorów.

Dobry układ musi:

Przygotować akumulator przed pierwszym postojem
Usuwać ciepło podczas ładowania
Kontynuować chłodzenie po odjeździe
Unikać nadmiernego wzrostu temperatury przy następnym postoju
Utrzymywać powtarzalną moc ładowania
Ograniczać zbędne zużycie sprężarki i wentylatorów

Audi e-tron GT wykorzystuje połączone obiegi cieczy i czynnika do powtarzalnej dużej mocy. Dwa EV o tej samej mocy szczytowej mogą więc zachowywać się inaczej podczas kilku sesji. (Audi)

Osiągi ciągłe

Zarządzanie termiczne określa też czas utrzymania dużej mocy napędowej. Akumulator może dać bardzo wysoką moc przez sekundy, lecz wymagać niższej mocy ciągłej ze względu na ciepło ogniw, temperaturę silnika, falownika i płynu, możliwości chłodnicy i czynnika oraz warunki otoczenia.

Przyczyny ograniczenia mocy ciągłej obejmują:

Wytwarzanie ciepła w ogniwach
Temperaturę falownika lub silnika
Temperaturę płynu chłodzącego
Wydajność chłodnicy
Wydajność układu czynnika chłodniczego
Warunki otoczenia

Ma to znaczenie na Autobahnie, podczas holowania, długich podjazdów, jazdy torowej i powtarzanych przyspieszeń. Mocny silnik nie gwarantuje powtarzalnych osiągów bez odpowiedniego akumulatora i systemu termicznego.

Ma to znaczenie podczas:

Jazdy po Autobahnie
Holowania
Długich podjazdów górskich
Jazdy torowej
Powtarzanego przyspieszania

Zarządzanie termiczne podczas postoju

Akumulator może nadal ogrzewać się lub chłodzić po szybkim ładowaniu, wymagającej jeździe, postoju w upale, podłączeniu AC lub zakończeniu zaplanowanej trasy.

Może to następować po:

Szybkim ładowaniu
Wymagającej jeździe
Parkowaniu w ekstremalnym upale
Podłączeniu do ładowania AC
Zakończeniu zaplanowanej trasy

Kierowca może słyszeć pompy, wentylatory, zawory, sprężarkę klimatyzacji lub grzałki. To może być normalne nawet po zamknięciu samochodu.

Kierowca może słyszeć:

Pompy płynu chłodzącego
Wentylatory
Zawory
Sprężarkę klimatyzacji
Grzałki elektryczne

Pojazd nie utrzymuje temperatury szybkiego ładowania bez końca. Pozwala na szersze okno postoju i interweniuje dla ochrony, ładowania lub planowanego wyjazdu. Strategie różnią się; niektóre auta kondycjonują aktywnie tylko po podłączeniu, inne używają energii trakcyjnej przy zbliżaniu się do granic ochronnych.

Zachowanie termiczne zależne od chemii

Chemia wpływa na wymagania, ale decyduje cały pojazd.

Litowo-jonowe chemie bogate w nikiel

NMC, NCA i NCMA zapewniają wysoką gęstość i moc. Wymagają kontroli wysokiej temperatury, napięcia ogniw, prądu ładowania, jednorodności chłodzenia i czasu przy wysokim SOC.

Ich działanie zależy od kontroli:

Wysokiej temperatury
Wysokiego napięcia ogniw
Prądu ładowania
Jednorodności chłodzenia
Czasu przy wysokim SOC

Litowo-żelazowo-fosforanowe

LFP oferuje dużą stabilność i długą żywotność. Głównym ograniczeniem termicznym jest zimno: większe ograniczenie ładowania i rekuperacji, niższa moc, trudniejsza estymacja SOC i większa zależność od ogrzewania.

Zimne ogniwa LFP mogą wykazywać:

Większe ograniczenie ładowania
Mniejszą rekuperację
Niższą moc
Trudniejszą estymację SOC
Większą zależność od aktywnego ogrzewania

Dobrze ogrzewany LFP może nadal świetnie ładować się zimą. Sama chemia nie określa wyniku.

Sodowo-jonowe

Niektóre konstrukcje są rozwijane do szerokiego zakresu temperatur. CATL deklaruje, że osobowe ogniwo Naxtra zachowuje 90% mocy użytkowej przy −40°C. To specyfikacja konkretnego produktu, nie cecha wszystkich ogniw sodowo-jonowych. (CATL)

Pakiety nadal wymagają zarządzania, bo ładowanie wytwarza ciepło, starzenie zależy od temperatury, jednorodność ma znaczenie, limity mocy się zmieniają, a kabina i napęd współdzielą zasoby.

Zarządzanie pozostaje potrzebne, ponieważ:

Ładowanie wytwarza ciepło
Starzenie ogniw zależy od temperatury
Jednorodność temperatury ma znaczenie
Limity mocy i ładowania zmieniają się z temperaturą
Kabina i układ napędowy współdzielą zasoby termiczne

Zarządzanie termiczne a starzenie

Dobry system ogranicza długie okresy nadmiernej temperatury, szybkie ładowanie zbyt zimnych ogniw, duże różnice temperatur, powtarzaną moc bez chłodzenia, lokalne gorące miejsca oraz długą ekspozycję na ciepło i wysoki SOC.

Dobry system ogranicza:

Długie okresy nadmiernej temperatury
Szybkie ładowanie zbyt zimnych ogniw
Duże różnice temperatur między ogniwami
Powtarzaną dużą moc bez wystarczającego chłodzenia
Lokalne gorące miejsca
Długą ekspozycję na wysoką temperaturę i wysoki SOC

Celem nie jest stała temperatura, lecz różne cele dla jazdy, szybkiego i AC ładowania, parkowania, dużej mocy i ochrony. Kontrolowane krótkie ogrzanie różni się od długiej ekspozycji.

System stosuje różne cele dla:

Jazdy
Szybkiego ładowania
Parkowania
Ładowania AC
Dużej mocy
Ochrony akumulatora

Zwykłe chłodzenie nie jest ochroną przed ucieczką termiczną

Normalny system usuwa ciepło zwykłej jazdy i ładowania. Ucieczka termiczna to samoprzyspieszające reakcje uwalniające ciepło szybciej, niż system może je odebrać.

Otwarcie styczników i pompy mogą nie zatrzymać reakcji, bo energia jest chemicznie wewnątrz ogniwa. Ochrona zależy też od chemii, jakości produkcji, odstępów, barier, kierunku odpowietrzania, dróg gazów, rozprężania ciśnienia, wykrywania usterek, ochrony zderzeniowej i zapobiegania propagacji. NREL traktuje zwykłą kontrolę i ograniczanie skutków nadużycia jako powiązane, lecz odrębne problemy. (NREL)

Ochrona zależy również od:

Chemii ogniw
Jakości produkcji
Odstępów między ogniwami
Barier termicznych
Kierunku odpowietrzania
Dróg zarządzania gazami
Rozprężania ciśnienia pakietu
Wykrywania usterek
Ochrony zderzeniowej
Zapobiegania propagacji do sąsiednich ogniw

Kompromisy systemu termicznego

Wydajniejszy system zwiększa masę, koszt, ilość płynu, pomp, zaworów, wymienników, komponentów czynnika, czujników, złożoność oprogramowania, zużycie energii i liczbę punktów serwisowych.

Dodaje:

Masę
Koszt
Płyn chłodzący
Pompy
Zawory
Wymienniki ciepła
Komponenty czynnika chłodniczego
Czujniki
Złożoność oprogramowania
Zużycie energii elektrycznej
Punkty serwisowe i możliwe wycieki

Duży chiller i sprężarka wspierają powtarzane ładowanie, lecz zajmują miejsce. Prostszy układ może być właściwy dla taniego miejskiego EV, a niewystarczający dla samochodu dalekiego zasięgu. Mapy DOE również wskazują masę, koszt i złożoność jako główne ograniczenia. (US Department of Energy)

Co powinni porównywać nabywcy EV?

Producenci rzadko publikują dość szczegółów sprzętu. Lepszym dowodem jest zachowanie w praktyce.

Zapytaj:

Czy auto automatycznie przygotowuje akumulator po wybraniu ładowarki?
Czy można uruchomić to ręcznie?
Czy zaplanowany wyjazd ogrzewa akumulator, czy tylko kabinę?
Ile przygotowanie trwa zimą?
Przy jakim SOC się zatrzymuje?
Czy samochód utrzymuje szybkość podczas kolejnych postojów?
Jak ładuje się w upale?
Czy rekuperacja jest silnie ograniczona na zimno lub przy pełnym akumulatorze?
Czy utrzymuje moc podczas holowania lub szybkiej jazdy?
Czy pokazuje temperaturę akumulatora?
Czy chłodzi po ładowaniu?
Czy pompa ciepła jest standardowa, opcjonalna czy niedostępna?

Sama moc szczytowa niewiele mówi. Ważniejsze jest, czy EV dociera z przygotowanym akumulatorem, utrzymuje mocną krzywą i powtarza wynik w podróży.

Powiązane zagadnienia opisują Ładowanie akumulatora i wydajność ładowania, Degradacja akumulatora i Bezpieczeństwo akumulatorów EV i zarządzanie awariami.