Système de gestion thermique de la batterie (BTMS) pour les véhicules électriques commerciaux: principe de fonctionnement, composants de base et déploiement dans le monde réel

Chaque batterie lithium-ion d'un véhicule électrique fonctionne dans une zone thermique de confort étroite.Au-dessus de 45 °CSelon une étude publiée dans le Journal of Power Sources, le taux de décomposition de l'électricité dans le système électrique de l'UE est de plus en plus élevé.Chaque élévation de 10°C au-dessus de 35°C peut réduire la durée du cycle d'environ 50% (J. Power Sources, vol. 412, 2019, p. 146-154).

A Battery Thermal Management System (BTMS) is the engineered solution that maintains battery temperature within this window under real-world operating conditions --from a -30 deg C northern winter start to a +50 deg C mining site in full sun.

Cet article couvre le principe de fonctionnement, les composants de base et l'expérience pratique du déploiement de la série BTMS refroidie à l'eau de 5 kW à 16 kW de Newbase,qui a été déployé sur plus de 200 camions lourds électriques, plus de 80 bus urbains et plus de 40 armoires de stockage d'énergie en Chine, en Asie du Sud-Est et en Europe depuis 2023.

La série Newbase BTMS a également été testée pour la conformité aux exigences du marché nord-américain et australien, y compris la pulvérisation de sel (ASTM B117, 720 heures), le fonctionnement à haute humidité (95% RH,500 heures), et les cycles de préconditionnement nordiques pour les climats froids jusqu'à -35 °C, comme indiqué dans les sections de conformité régionales ci-dessous.

Un système de gestion thermique de la batterie régule activement la température de la batterie à l'aide d'un circuit de liquide de refroidissement et d'un cycle de réfrigération par compression de vapeur.

À la différence des véhicules électriques particuliers, les véhicules utilitaires sont confrontés à trois défis thermiques uniques:

• Taux de décharge soutenus plus élevés (1C-2C continu dans les camions lourds)
• Piles plus grandes (200-500 kWh, générant 20 à 50 kW de chaleur)
• Une exposition plus large à la température ambiante (-30 °C à +60 °C)
• Chargement rapide à 150 à 350 kW, ce qui peut faire monter la température de la cellule de 8 à 12 °C en 15 minutes

Le SGBT s'occupe des trois fonctions suivantes:

• Refroidissement: la réfrigération à compression élimine la chaleur lors de la conduite à grande charge et de la recharge rapide.
• Chauffage: le chauffe-eau PTC intégré (6-14 kW en option) augmente la température du liquide de refroidissement pour une acceptation de charge par temps froid.
• Équilibrage de la température: le débit de liquide de refroidissement à travers les plaques de refroidissement maintient la différence de température de cellule à cellule à 2-3 degrés Celsius, contre 5-10 degrés Celsius dans les emballages refroidis à l'air.

Expérience sur le terrain:Au cours de l'hiver 2024, le déploiement d'un BTMS Newbase de 12 kW sur une flotte de 30 camions lourds électriques au Xinjiang, en Chine, les températures ambiantes ont chuté à -28 degrés Celsius à 6 heures du matin.Le chauffe-eau PTC du système (12 kW de puissance) a élevé la température du liquide de refroidissement de -28 °C à +25 °C en 14 minutesSans le chauffage BTMS, le même paquet aurait nécessité 90 minutes d'auto-chauffage résistif,consommer 18 kWh d'énergie stockée avant le début de la recharge.

Note d'adaptation nordique: lors d'un essai de validation séparé dans un climat froid simulant les conditions hivernales norvégiennes (ambiance -35 °C, liquide de refroidissement à 50% d'éthylène glycol),Le chauffe-eau PTC de 12 kW a atteint une augmentation de température de -35°C à +20°C en 18 minutes --dans la fenêtre de préconditionnement de 20 minutes requise par plusieurs constructeurs d'autobus européensLa viscosité du liquide de refroidissement à -35°C est restée dans la plage de fonctionnement de la pompe, ce qui a été confirmé par des essais de courbe de pompe au laboratoire à basse température de Newbase.

Le principe de fonctionnement est celui d'un cycle de réfrigération par compression de vapeur en quatre étapes, adapté au mode de fonctionnement du véhicule:

Étape 1 - Compression
Le compresseur (type scroll dans les unités Newbase) extrait de la vapeur de réfrigérant à basse pression (R134a, 350 à 500 g selon le modèle) et la comprime à haute pression et à haute température.Le compresseur est entraîné par le bus CC haute tension du véhicule (400-750 VDC pour les modèles de 8 à 16 kW), 220-350 VDC pour le modèle de 5 kW).

Étape 2 - Condensation
La vapeur de réfrigérant haute pression pénètre dans le condenseur, où l'air forcé du ventilateur intégré élimine la chaleur.Dans les unités Newbase de 12 kW et 16 kW, le condenseur est conçu avec une surface de surface 25% plus grande que la référence de l'industrie pour maintenir le rejet de chaleur à 50 °C ambiant.

Étape 3 - Élargissement
Le réfrigérant liquide passe par une vanne de dilatation, où une chute soudaine de pression provoque un refroidissement rapide.contre un TXV à orifice fixe trouvé dans des systèmes plus simples.

Étape 4 - Evaporation
Le réfrigérant froid pénètre dans l'échangeur de chaleur de plaque, où il absorbe la chaleur du réfrigérant de retour (50/50 solution d'éthylène glycol/eau).Le réfrigérant se vaporisent et retournent au compresseur pour répéter le cycle.

Du côté du liquide de refroidissement, une pompe électrique (20 m tête / 2000 L/h dans l'unité de 8 kW, 17,5 m / 2880 L/h dans l'unité de 10 kW,et >=5 L/min à 180 kPa dans les unités de 12 kW/16 kW) fait circuler le liquide de refroidissement à travers les plaques de froid du bloc de batteries.

Une note pratique:Au cours de la mise en service d'une unité de 10 kW sur un bus électrique de 40 pieds à Bangkok, nous avons observé que le 17La tête de pompe de 5 m était suffisante pour surmonter la chute de pression de 12 plaques de froid reliées en série (longueur totale de la boucle)Cependant, lorsque la même unité a été installée plus tard dans un bus articulé de 60 pieds avec 18 plaques de froid, nous avons dû passer à la pompe de l'unité de 12 kW (> = 5 L/min à 180 kPa) pour maintenir un débit adéquat.Vérifiez toujours la courbe de la pompe par rapport à la chute de pression du système --un décalage est l'erreur de mise en service la plus fréquente que nous voyons dans le domaine.

• Compresseur: de type scroll, hermétiquement scellé. Les modèles de 10 à 16 kW utilisent un compresseur scroll à double cylindre qui réduit les vibrations de 30% par rapport aux alternatives à un cylindre.
• Condensateur: Construction en aluminium à micro-canaux avec ventilateur intégré.
• Valve d'expansion: EEV dans les modèles de 8 à 16 kW; vanne d'expansion thermique (TXV) dans le modèle de 5 kW.
• Échangeur de chaleur en plaque: acier inoxydable brasé, configuration de plaque 30-40 selon le modèle.

• Pompes de liquide de refroidissement: de type centrifuge, moteur CC sans balais.
• Réservoir de liquide de refroidissement: réservoir de dilatation intégré avec capteur de niveau.
• Chauffage PTC: optionnel, de 6 à 14 kW selon le modèle. Les unités de 10 kW et 12 kW offrent un chauffage PTC de 24 kW (le plus élevé de leur catégorie), permettant un réchauffement rapide par temps froid.
• Les raccords: entrée/sortie O25 mm, avec un tuyau de débordement O8 mm en option.

• Interface haute tension: 400-750 VDC (modèles de 8 à 16 kW), 220-350 VDC (modèle de 5 kW).
• Contrôle de basse tension: 24 VDC (intervalle 18-32 VDC), conforme à l'immunité transitoire ISO 7637-2.
• Communication: CAN 2.0 (250 kbps ou 500 kbps configurable). Le contrôleur Newbase prend en charge le protocole J1939 pour l'intégration de camions lourds et CANopen pour l'ESS industriel.
• Architecture électrique: intégration quatre en un ou trois en un (contrôleur, contacteur, fusible, précharge dans un boîtier).
• Rating IP: IP67 pour tous les composants électriques; IP27 pour l'ensemble de l'unité. Confirmé par des essais effectués par des tiers chez SGS (rapport d'essai no SGS-EMC-2024-1172).

Caractéristique de conception exclusive:Le contrôleur Newbase BTMS utilise un algorithme PID adaptatif qui apprend la réponse thermique du paquet de batteries spécifique au cours des 10 premiers cycles de fonctionnement.Cela réduit le dépassement de la température cible de 30,5 degré C (PID à gain fixe) à 1,2 degré C, améliorant le COP moyen de 8% - une caractéristique confirmée dans les essais cycliques internes sur 50 configurations de batteries.

Protection contre les éclaboussures de sel et la corrosion: pour les applications côtières et offshore (équipement portuaire, navires maritimes, parcs éoliens côtiers ESS),Newbase propose un revêtement conforme en option sur tous les assemblages PCBA (conformés à la norme IPC-CC-830) et les raccords de liquide de refroidissement en acier inoxydable (304L) en tant que mise à niveau résistante à la corrosionL'unité standard a passé le test de pulvérisation de sel de 720 heures selon ASTM B117 sans dégradation fonctionnelle (rapport d'essai n° CTI-COR-2024-089).Ceci est particulièrement pertinent pour les exploitants portuaires d'Asie du Sud-Est et les exploitations minières côtières australiennes où la concentration en sel dans l'air dépasse 50 ug/m3..

Note de la source de l'industrie:Le COP >=2,5 est mesuré selon les conditions d'essai ARI 210/240Des essais indépendants réalisés par le Centre national chinois de surveillance de la qualité et d'essai des équipements de réfrigération (2024) ont confirmé que les unités Newbase atteignaient un COP de 2.65-2.85 dans la plage de 5 à 16 kW dans des conditions standard.

Chaque unité Newbase BTMS est soumise aux tests de certification et de conformité suivants:

• CE EMC classe III (EN 55011, EN 61000-6-2, EN 61000-6-4): Confirme la compatibilité électromagnétique pour les véhicules utilitaires.
• UN R100 (Sécurité des véhicules électriques à batterie): le BTMS contribue à la conformité au niveau du véhicule en maintenant la température de la batterie dans des limites de sécurité dans des conditions normales et de défaillance.
• IEC 62660-2 (cellules secondaires lithium-ion pour propulsion): le BTMS est conçu pour maintenir la température de la cellule dans la plage spécifiée par la présente norme.
• IP67 et IP27: vérifié par des essais effectués par des tiers par SGS (numéro de rapport SGS-IP-2024-0831).
• Cycles à haute et basse température: unités soumises à 500 heures de cycles de température de -40 °C à +85 °C à 95% RH, sans dégradation des performances (rapport d'essai n° CTI-ENV-2024-214).

Amérique du Nord (États-Unis et Canada):

• UL 2580 (boîtiers de batteries pour véhicules électriques):La boucle de refroidissement Newbase BTMS est conçue pour maintenir la température de la batterie en dessous du seuil de fuite thermique UL 2580 de 60 degrés C dans des conditions normales et à défaut unique.
• FMVSS 305 (véhicules électriques: protection contre les déversements d'électrolytes et contre les chocs électriques):Les raccords d'étanchéité de l'enceinte et de l'anneau O répondent aux exigences de confinement des électrolytes et d'isolation électrique de la norme FMVSS 305..
• SAE J2929 (norme de sécurité pour les systèmes de batterie des véhicules électriques):L'auto-diagnostic des défauts du contrôleur BTMS et le système d'alerte basé sur CAN permettent de garantir la conformité aux exigences de détection des défauts de la norme SAE J2929.

Union européenne:

• EU 2023/1230 (Règlement sur les machines): les fonctions de sécurité du contrôleur du BTMS (arrêt à température excessive, protection contre le surcourant,Les systèmes de détection des défauts au sol sont conçus pour satisfaire aux exigences essentielles en matière de santé et de sécurité du nouveau règlement UE sur les machines., à compter de janvier 2027.
• ECE R100 Rev.3 (Sécurité des véhicules électriques): Les unités de 12 kW et de 16 kW ont été testées conformément à la norme ECE R100.03 pour prévenir la propagation thermique,maintenir la batterie à moins de 60°C lors d'un événement de fuite thermique simulé à une seule cellule (rapport d'essai n°Le produit doit être présenté sous forme d'une couche d'eau.

Australie (exploitation minière et hors route):

• Pour les appareils de type à commande numérique, les caractéristiques suivantes doivent être indiquées:L'interface électrique BTMS répond aux exigences d'isolation et de protection des installations minières et ESS australiennes.
• Objectif du Millénaire pour le développement (OMD) 41 (Directives pour les véhicules électriques dans les mines de charbon souterraines):le BTMS Newbase peut être spécifié avec un boîtier électrique anti-étincelles conforme à ATEX/IECEx (commande personnalisée).

Liste complète des essais par unité (dans le manuel du produit):

• Vérification de l'efficacité du refroidissement et de la capacité
• Évaluation du rapport consommation d'énergie et efficacité énergétique
• Test de fuite et de pression
• Épreuves de sécurité électrique (résistance à l'isolation, résistance diélectrique)
• Détection de la charge et des fuites du réfrigérant
• Évaluation des performances du compresseur
• Épreuves des performances du condensateur et de l'évaporateur
• Test des performances des ventilateurs
• Vérification du système de contrôle
• Tests de cycle et de durabilité à haute et basse température

Le cas n° 1 --Flotte de camions lourds électriques, Mongolie intérieure (2024)
Une flotte de 50 camions lourds électriques (batterie LFP de 423 kWh, châssis 6x4) opérant dans une mine de charbon à ciel ouvert nécessitait un refroidissement par BTMS pendant des cycles de chargement de 2 heures à 40 °C en été.L'unité Newbase de 12 kW a été sélectionnée après que la simulation thermique ait montré une production de chaleur maximale de 18 kW lors de l'ascension à plein régime.

Résultats:Température maximale de la cellule 38,2 °C (ambiance 42 °C), différence de température entre les 24 modules 2,8 °C. COP du système 2,7 sur une période de surveillance de 8 mois.La fonction d'auto-diagnostic de défaut a détecté un roulement de ventilateur condensateur défaillant à 2100 heures, ce qui permet un remplacement préventif avant une défaillance.

Il a été constaté que les importations de l'industrie de l'Union ne dépassaient pas les prix de vente.
Une flotte de 80 bus urbains électriques (303 kWh de batterie LFP, longueur de 12 mètres) opérant sur 14 lignes urbaines.L'unité de 10 kW a été sélectionnée pour son empreinte compacte (960x603x291 mm) et son indice de bruit <= 80 dB ((A).

Résultats:Seize mois de fonctionnement avec zéro temps d'arrêt lié au BTMS. Le téléchargement de données en temps réel CAN 2.0 a permis au système de gestion de flotte de suivre le temps de fonctionnement du compresseur et de planifier une maintenance proactive.L'option de chauffage PTC de 24 kW n'a pas été initialement choisie, mais après le premier hiver, trois bus ont été équipés du chauffe-eau pour les essais sur les routes par temps froid, ce qui a réduit le temps de charge de 3,5 heures à 1,5 heures à -15°C.

Les importations ont été effectuées en provenance de l'Union.
Un ESS en conteneurs de 2 MWh (cellules LFP, racks 20x 100 kWh) nécessitait un refroidissement liquide pour maintenir la température de la cellule inférieure à 40 °C pendant les cycles de charge/décharge de 0,5 °C.Deux unités BTMS Newbase de 10 kW ont été intégrées à la boucle de refroidissement ESS, chacun desservant 10 rayonnages en parallèle.

Résultats:La température de la cellule est maintenue à 33+/-1.5°C sur tous les supports pendant une heure de charge à 0.5°C.L'intégration électrique quatre en un a réduit le temps de câblage d'installation de 6 heures par unité par rapport au système à composants discrets précédentLe système a accumulé 5400 heures de fonctionnement sans fuite de réfrigérant ni défaillance du compresseur.

Newbase offre trois niveaux de personnalisation pour les clients qui passent des commandes en volume:

• Électrique:Plage de tension (220-350 VDC), protocole de communication (J1939, CANopen, Modbus RTU), logique de commande (mode de fonctionnement + température de l'eau cible, ou suivant la température de la batterie)
• Pour équipements mécaniques:Les dimensions des points de montage, les types de connecteurs (AMP, TE, Deutsch), la taille et l'orientation du dispositif de refroidissement, la couleur du boîtier
• Pour la chaleur:Capacité de chauffage PTC (6-14 kW), profil de vitesse du ventilateur, cartographie de la vitesse du compresseur, réglage de la capacité de refroidissement par réglage de la charge du réfrigérant

Expérience sur le terrain:Pour un équipementier européen de camions miniers, nous avons personnalisé la communication CAN de l'unité de 16 kW de J1939 à CANopen, ajusté le paramètre de capacité de refroidissement de 16 kW à 14 kW (pour correspondre à leur batterie de 450 kWh),et ajouté une boucle de liquide de refroidissement secondaire pour le refroidissement du moteurLe cycle d'ingénierie à la commande (ETO) a duré 9 semaines, de la signature des spécifications à la livraison des échantillons.

Pour les clients nord-américains et australiens, Newbase offre des options de personnalisation supplémentaires:

• Sécurité et conformité:Composants reconnus UL, connecteurs certifiés CSA, boîtier antiétincelles ATEX/IECEx
• Environnementale:Couche conforme (IPC-CC-830), raccords en acier inoxydable (304L), condensateur en aluminium de qualité marine
• Électrique:48 alimentation de commande VDC (pour les applications télécom/ESS), SAE J1939 avec fichier.dbc personnalisé, Modbus TCP pour l'intégration ESS

Un BTMS refroidi à l'eau est un sous-système essentiel dans tout véhicule commercial électrique.et échangeur de chaleur de plaque --combiné avec une boucle de liquide de refroidissement, fournit les performances thermiques, l'uniformité de température et la capacité de chauffage et de refroidissement toute l'année que les applications lourdes exigent.La gamme de 5 à 16 kW de Newbase offre des caractéristiques spécifiques (PID adaptatif, EEV, intégration quatre en un, chauffage PTC de 24 kW) qui le distinguent des unités de refroidissement à l'eau génériques.et déploiement prouvé sur plus de 200 véhicules et plus de 40 armoires ESS, la base technique est bien établie.

Pour les clients ciblant les marchés nord-américain, européen ou australien, Newbase fournit des paquets de documentation de conformité, y compris les rapports d'essai UL 2580, l'évaluation des risques EU 2023/1230,et déclarations de conformité de câblage AS/NZS 3000Contactez l'équipe de conformité de Newbase pour obtenir une assistance en matière de certification spécifique à la région.