سیستم مدیریت حرارتی باتری (BTMS) برای خودروهای الکتریکی تجاری: اصل کار، اجزای اصلی و استقرار در دنیای واقعی

هر بسته باتری لیتیوم یون در یک وسیله نقلیه الکتریکی تجاری در یک منطقه تنگ راحتی حرارتی کار می کند. زیر 0 درجه سانتیگراد، پذیرش شارژ 30 تا 40 درصد کاهش می یابد و مقاومت داخلی افزایش می یابد.بالاتر از 45 درجهطبق تحقیقات منتشر شده در ژورنال منابع برق،هر افزایش ۱۰ درجه سانتیگراد بالاتر از ۳۵ درجه سانتیگراد می تواند طول عمر چرخه را حدود ۵۰ درصد کاهش دهد (Jمنابع قدرت، جلد ۴۱۲، ۲۰۱۹، ص ۱۴۶-۱۵۴).

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.

این مقاله اصول کار، اجزای اصلی و تجربه عملی را با سری BTMS خنک کننده آب 5kW-16kW Newbase پوشش می دهد.که در بیش از ۲۰۰ کامیون سنگین الکتریکی مستقر شده است.، 80+ اتوبوس شهری و 40+ کابینت ذخیره سازی انرژی در چین، جنوب شرقی آسیا و اروپا از سال 2023.

سری BTMS Newbase همچنین برای انطباق با الزامات بازار آمریکای شمالی و استرالیا، از جمله اسپری نمک (ASTM B117، 720 ساعت) ، عملکرد رطوبت بالا (95٪ RH،500 ساعت)، و چرخه های پیش شرطی گرماهای سرد شمال تا -35 درجه سانتیگراد، همانطور که در بخش های مربوط به انطباق منطقه ای در زیر توضیح داده شده است.

یک سیستم مدیریت حرارتی باتری به طور فعال دمای بسته باتری را با استفاده از یک مدار خنک کننده مایع و چرخه خنک کننده فشرده سازی بخار تنظیم می کند.

بر خلاف خودروهای برقی مسافربری، خودروهای تجاری با سه چالش حرارتی منحصر به فرد روبرو هستند:

• میزان تخلیه پایدار بالاتر (۱C-2C مداوم در کامیون های سنگین)
• بسته های باتری بزرگتر (200-500 کیلو وات، تولید 20-50 کیلو وات گرما)
• نوردهی بیشتر در دمای محیط (-30 درجه سانتیگراد تا +60 درجه سانتیگراد)
• شارژ سریع در 150-350 کیلو وات که می تواند دمای سلول 8-12 درجه سانتیگراد را در عرض 15 دقیقه افزایش دهد

BTMS سه تا سه تابع را پوشش می دهد:

• خنک سازی: خنک سازی با کمپرسور باعث حذف گرما در هنگام رانندگی با بار بالا و شارژ سریع می شود.
• گرمایش: گرم کننده مایع PTC یکپارچه (6-14 کیلو وات اختیاری) دمای مایع خنک کننده را برای پذیرش بار در هوای سرد افزایش می دهد.
• تعادل دما: جریان مایع خنک کننده از طریق صفحات سرد، تفاوت دما سلول به سلول را در حدود 2-3 درجه سانتیگراد در مقایسه با 5-10 درجه سانتیگراد در بسته های خنک کننده هوا حفظ می کند.

تجربه ی کاری:در زمستان سال 2024، در یک ناو 30 کامیون سنگین الکتریکی در سینجیانگ چین، دمای محیط به -28 درجه سانتیگراد در ساعت 6 صبح کاهش یافت.سیستم گرمایش PTC (12 کیلو وات) دمای مایع خنک کننده را از -28 درجه سانتیگراد به +25 درجه سانتیگراد در 14 دقیقه افزایش داد، اجازه می دهد تا بسته باتری 423 کیلووات ساعت برای پذیرش یک شارژ 180 کیلو وات بدون لیتیوم پوشش. بدون BTMS گرم کردن، همان بسته نیاز به 90 دقیقه از خود گرم کردن مقاومت،مصرف 18 کیلووات ساعت انرژی ذخیره شده قبل از شروع شارژ.

توجه: در یک آزمایش معتبر جداگانه در آب و هوای سرد که شرایط زمستانی نروژ را شبیه سازی می کند ( محیط -35 درجه سانتیگراد، 50٪ خنک کننده اتیلن گلیکول)گرمکن 12 kW PTC در عرض 18 دقیقه از -35 درجه سانتیگراد به +20 درجه سانتیگراد افزایش درجه حرارت را به دست آورد --در عرض 20 دقیقه پنجره پیش تنظیم هوا که توسط چندین سازنده اتوبوس اروپایی مورد نیاز استويسکوسيتي مايع خنک كننده در درجه -35 درجه سانتيگراد در محدوده كار پمپ باقی ماند كه با تست منحنی پمپ در آزمايشگاه دمای پایین نيوباس تأیید شد.

اصول کار بر اساس یک چرخه خنک کننده فشرده سازی بخار چهار مرحله ای است که برای کار در کلاس خودرو سازگار است:

مرحله 1 - فشرده سازی
کمپرسور (نوع اسکرول در واحدهای Newbase) بخار یخچال با فشار پایین (R134a، 350-500 g بسته به مدل) را جذب می کند و آن را به حالت فشار بالا و دمای بالا فشرده می کند.کمپرسور توسط اتوبوس DC ولتاژ بالا خودرو (400-750 VDC برای مدل های 8-16 kW) رانده می شود، 220-350 VDC برای مدل 5 kW).

مرحله 2 - فشرده سازی
بخار یخچال با فشار بالا وارد تهویه کننده می شود، جایی که هوا مجبور شده از فن یکپارچه گرما را از بین می برد. یخچال به مایع با فشار بالا تهویه می شود.در واحدهای 12 و 16 kW Newbase، تهویه دهنده با یک منطقه 25٪ بزرگتر از سطح صنعت طراحی شده است تا رد گرما را در 50 درجه سانتیگراد محیط حفظ کند.

مرحله 3 - گسترش
مایع خنک کننده مایع از یک شیر گسترش عبور می کند، که در آن کاهش ناگهانی فشار باعث خنک شدن سریع می شود. واحدهای 8 تا 16 کیلو وات از یک شیر گسترش الکترونیکی (EEV) برای کنترل دقیق جریان استفاده می کنند.در مقابل یک TXV سوراخ ثابت در سیستم های ساده تر یافت می شود.

مرحله 4 - تبخیر
مایع خنک کننده سرد وارد مبادله گرما صفحه می شود، جایی که گرمای مایع خنک کننده بازگشت را جذب می کند (حلول 50/50 اتیلن گلیکول / آب).یخچال تبخیر می شود و به کمپرسور باز می گردد تا چرخه را تکرار کند.

از طرف مایع خنک کننده، یک پمپ الکتریکی (20 متر سر / 2000 لیتر در ساعت در واحد 8 kW، 17.5 متر / 2880 لیتر در ساعت در 10 kW،و >=5 L/min در 180 kPa در واحدهای 12 kW/16 kW) جریان خنک کننده را از طریق صفحات سرد باتری پیک.

يادداشت:در طول راه اندازی یک واحد 10 کیلو وات در یک اتوبوس الکتریکی 40 فوت در بانکوک، ما مشاهده کردیم که 175 متر سر پمپ برای غلبه بر کاهش فشار 12 صفحه سرد متصل به سری کافی بود (طول کل حلقه)با این حال، هنگامی که همان واحد بعدا در یک اتوبوس مفصلی 60 فوت با 18 صفحه سرد نصب شد، ما مجبور شدیم به پمپ واحد 12 kW ارتقا دهیم (>= 5 L / min در 180 kPa) برای حفظ جریان کافی.همیشه منحنی پمپ را در برابر کاهش فشار سیستم بررسی کنید -- یک عدم تطابق رایج ترین خطای راه اندازی است که در این زمینه می بینیم.

• کمپرسور: نوع اسکرول، بسته شده به طور هرمیتیکی. مدل های 10-16 kW از یک کمپرسور دو سیلندر استفاده می کنند که در مقایسه با جایگزین های تک سیلندر، ارتعاش را 30٪ کاهش می دهد.
• کاندنسر: ساخت آلومینیوم میکروکانال با فن یکپارچه. کاندنسر 12 کیلو وات از یک پیکربندی 3 ردیف 22 لوله ای با باله های شیب دار برای انتقال گرمای افزایش یافته استفاده می کند.
• دریچه گسترش: EEV در مدل های 8-16 kW؛ دریچه گسترش حرارتی (TXV) در مدل 5 kW. EEV تنظیم 0-100٪ بدون گام را فراهم می کند و COP بار جزئی را 12-15٪ بهبود می بخشد.
• مبادله گرما صفحه: فولاد ضد زنگ بریز شده ، بسته به مدل ، پیکربندی صفحه 30 تا 40. واحدهای 12 kW و 16 kW از طراحی صفحه 60 با عرض کانال 0.4 میلی متر برای انتقال گرما بهینه استفاده می کنند.

• پمپ مایع خنک کننده: نوع سانتریفیوژال، موتور DC بدون برس. پمپ واحد 8 kW (20 m / 2000 L / h) از یک طراحی spiral volute استفاده می کند که خطر حفاری را در NPSH پایین کاهش می دهد.
• مخزن مایع خنک کننده: مخزن انکشافی یکپارچه با سنسور سطح. واحدهای 12 kW/16 kW شامل یک شیشه دید برای بررسی سطح در یک نگاه است.
• گرم کننده PTC: اختیاری، 6-14 kW بسته به مدل. واحدهای 10 kW و 12 kW دارای گرم کننده PTC 24 kW (بالاترین در کلاس خود) هستند که گرم کردن سریع در هوای سرد را امکان پذیر می کند.
• لوازم: ورودی / خروجی O25 میلی متر، با یک لوله بیش از حد O8 میلی متر اختیاری.

• رابط ولتاژ بالا: 400-750 VDC (مدل های 8-16 kW) ، 220-350 VDC (مدل 5 kW). همه واحدها شامل یک مدار پیش شارژ برای جلوگیری از جریان ورودی هستند.
• کنترل ولتاژ پایین: 24 VDC (مجموعه 18-32 VDC) ، مطابق با ایمنی گذرا ISO 7637-2.
• ارتباطات: CAN 2.0 (250 kbps یا 500 kbps قابل تنظیم). کنترل کننده Newbase از پروتکل J1939 برای ادغام کامیون های سنگین و CANopen برای ESS صنعتی پشتیبانی می کند.
• معماری الکتریکی: ادغام چهار در یک یا سه در یک (کنترلر، کانتاکتور، فیوز، شارژ قبلی در یک محفظه). این باعث کاهش سیم کشی 40٪ در مقایسه با اجزای جداگانه می شود.
• رتبه بندی IP: IP67 برای تمام اجزای الکتریکی؛ IP27 برای مجموعه واحد. توسط آزمایش شخص ثالث در SGS تأیید شده است (گزارش آزمایش شماره SGS-EMC-2024-1172).

ویژگی طراحی اختصاصی:کنترل کننده BTMS Newbase از یک الگوریتم PID سازگار استفاده می کند که پاسخ حرارتی باتری خاص را در طول 10 چرخه کار اول یاد می گیرد.این باعث کاهش بیش از حد درجه حرارت هدف از 3.5 درجه سانتیگراد (PID ثابت) به 1.2 درجه سانتیگراد، بهبود متوسط COP با 8٪ - یک ویژگی تایید شده در آزمایش های چرخه داخلی در 50 پیکربندی باتری.

حفاظت از اسپری نمک و خوردگی: برای کاربردهای ساحلی و دریایی (تجهیزات بندری، کشتی های دریایی، ESS پارک بادی ساحلی)Newbase یک پوشش سازگار اختیاری را در تمام مجموعه های PCBA (با مطابقت IPC-CC-830) و لوازم خنک کننده فولاد ضد زنگ (304L) به عنوان ارتقاء مقاوم در برابر خوردگی ارائه می دهدواحد استاندارد 720 ساعت آزمایش اسپری نمک بر اساس ASTM B117 را بدون تخریب عملکردی (گزارش آزمایش شماره CTI-COR-2024-089) گذرانده است.این امر به ویژه برای اپراتورهای بندر آسیای جنوب شرقی و عملیات معدن ساحلی استرالیا که غلظت نمک در هوا بیش از 50 ug / m3 است، اهمیت دارد..

منبع صنعت:COP >=2.5 متریک در شرایط آزمایش ARI 210/240 اندازه گیری می شود.آزمایش مستقل توسط مرکز ملی نظارت بر کیفیت و آزمایش تجهیزات خنک کننده چین (2024) تایید کرد که واحدهای Newbase COP 2 را به دست می آورند..65-2.85 در محدوده 5 تا 16 کيلو وات در شرايط استاندارد

هر واحد BTMS Newbase تحت گواهینامه و آزمایشات انطباق زیر قرار می گیرد:

• کلاس III CE EMC (EN 55011، EN 61000-6-2، EN 61000-6-4): سازگاری الکترومغناطیسی را برای کاربردهای خودروهای تجاری تأیید می کند.
• سازمان ملل متحد R100 (سلامت خودروهای الکتریکی با باتری): BTMS با حفظ دمای باتری در محدوده های امن در شرایط عادی و نقص، به انطباق در سطح خودرو کمک می کند.
• IEC 62660-2 (سلول های لیتیوم یون ثانویه برای حرکت): BTMS برای حفظ دمای سلول در محدوده مشخص شده توسط این استاندارد طراحی شده است.
• IP67 و IP27: توسط آزمایشات شخص ثالث توسط SGS تأیید شده است (نمره گزارش SGS-IP-2024-0831).
• چرخه درجه حرارت بالا و پایین: واحد هایی که 500 ساعت در درجه حرارت از -40 درجه سانتیگراد تا +85 درجه سانتیگراد با 95٪ RH بدون کاهش عملکرد قرار گرفته اند (برنامه آزمایش شماره CTI-ENV-2024-214).

آمریکای شمالی (ایالات متحده و کانادا):

• UL 2580 (حفظه باتری خودروهای الکتریکی):حلقه خنک کننده BTMS Newbase طراحی شده است تا دمای باتری را در زیر آستانه فرار حرارتی UL 2580 از 60 درجه سانتیگراد در شرایط عادی و یک خطا حفظ کند.
• FMVSS 305 (مرحلات الکتریکی: حفاظت از ریزش الکترولیت و شوک الکتریکی):محفظه IP67 و فیت های مهر و موم چهره حلقه O، الزامات احتواء الکترولیت و عایق الکتریکی FMVSS 305 را برآورده می کنند..
• SAE J2929 (استانداردهای ایمنی برای سیستم های باتری خودروهای الکتریکی):خود تشخیص خطای کنترل کننده BTMS و سیستم هشدار مبتنی بر CAN از انطباق با الزامات تشخیص خطای SAE J2929 پشتیبانی می کند.

اتحادیه اروپا:

• EU 2023/1230 (قانون ماشین آلات): توابع ایمنی کنترل کننده BTMS (پوشاندن بیش از حد درجه حرارت، حفاظت از بیش از حد جریان،تشخیص خطای زمین) طراحی شده اند تا با الزامات اساسی بهداشت و ایمنی مقررات جدید ماشین آلات اتحادیه اروپا مطابقت داشته باشند.، با اعتبار ژانویه 2027
• ECE R100 Rev.3 (امنیت وسایل نقلیه الکتریکی): واحدهای 12 kW و 16 kW برای جلوگیری از گسترش حرارتی بر اساس ECE R100.03 آزمایش شده اند.نگه داشتن باتری زیر 60 درجه سانتیگراد در طول یک رویداد تخلیه حرارتی شبیه سازی شده تک سلولی (برنامه آزمایش شمارهCTI-THERM-2024-312).

استرالیا (معادن و خارج از بزرگراه):

• AS/NZS 3000 (قوانین سیم کشی) و AS 62040 (سیستم های برق بدون وقفه -- کاربردهای ESS):رابط الکتریکی BTMS نیازهای عایق و حفاظت برای معادن استرالیا و تاسیسات ESS را برآورده می کند.
• MDG 41 (ریدراین برای وسایل نقلیه الکتریکی در معادن زغال سنگ زیرزمینی): برای برنامه های معدن زیرزمینی،Newbase BTMS می تواند با یک محفظه ضد جرقه برقی مطابق با ATEX/IECEx مشخص شود (فرمانی سفارشی).

مجموعه آزمایش کامل در هر واحد (از کتابچه راهنمای محصول):

• بررسی بهره وری خنک کننده و ظرفیت
• ارزیابی نسبت مصرف برق و بهره وری انرژی
• آزمایش نشت و فشار
• آزمایش ایمنی الکتریکی (مقاومت عایق بندی، قدرت دی الکتریک)
• تشخیص باربرد و نشت مواد خنک کننده
• ارزیابی عملکرد کمپرسور
• آزمایش عملکرد کاندنسر و تبخیرگر
• آزمایش عملکرد فن
• تأیید سیستم کنترل
• آزمایش چرخه در دمای بالا و پایین و دوام

پرونده 1 - ناوگان کامیون های سنگین الکتریکی، مغولستان داخلی (2024)
یک ناوگان 50 کامیون سنگین الکتریکی (423 کیلو وات باتری LFP، شاسی 6x4) که در یک معدن زغال سنگ باز کار می کنند، نیاز به خنک سازی BTMS در طول دو ساعت چرخه حمل بار در محیط تابستانی 40 درجه سانتیگراد دارند.واحد 12 kW Newbase پس از شبیه سازی حرارتی نشان داد تولید حداکثر گرما 18 kW در طول صعود کامل انتخاب شد.

نتایج:حداکثر دمای سلول 38.2 درجه سانتیگراد (42 درجه سانتیگراد محیط) ، تفاوت دمای در 24 ماژول 2.8 درجه سانتیگراد. COP سیستم 2.7 در طول دوره نظارت 8 ماهه.ویژگی خود تشخيص خطای تشخیص یک شکست لوله فن تهویه در 2،100 ساعت، اجازه تعویض پیشگیرانه قبل از شکست.

پرونده 2 - ناوگان اتوبوس شهری، ژنگ ژو، چین (2023-2024)
یک ناوگان 80 اتوبوس شهری الکتریکی (303 کیلووات ساعت باتری LFP، طول 12 متر) که در 14 مسیر شهری فعالیت می کنند.واحد 10 کیلو وات به دلیل اثر فشرده آن (960x603x291 میلی متر) و رتبه نویز <=80 dB ((A)) انتخاب شد.

نتایج:شانزده ماه کار با صفر زمان توقف مربوط به BTMS. بارگذاری داده های زمان واقعی CAN 2.0 به سیستم مدیریت ناوگان امکان می دهد تا زمان کار کمپرسور را ردیابی کند و تعمیرات پیشگیرانه را برنامه ریزی کند.گزینه 24 kW PTC در ابتدا انتخاب نشده است، اما پس از زمستان اول، سه اتوبوس برای آزمایش مسیر در آب و هوای سرد با گرم کننده مجهز شدند، که زمان شارژ را از 3.5 ساعت به 1.5 ساعت در -15 درجه سانتیگراد کاهش داد.

پرونده 3 - کابینت ذخیره سازی انرژی، مزرعه خورشیدی، نینگشیا (2024)
یک ESS 2 MWh (سلول های LFP، قفسه های 20x 100 kWh) نیاز به خنک سازی مایع برای حفظ دمای سلول زیر 40 درجه سانتیگراد در طول چرخه های شارژ / تخلیه 0.5C دارد.دو واحد BTMS 10 kW Newbase در حلقه خنک کننده ESS ادغام شده اند، هرکدوم 10تا قفسه به صورت موازی سرو می کنن.

نتایج:دمای سلول در 33+/-1.5 درجه سانتیگراد در تمام قفسه ها در طول یک ساعت 0.5 درجه سانتیگراد شارژ نگه داشته می شود.ادغام الکتریکی چهار در یک زمان سیم کشی نصب را در مقایسه با سیستم قطعات جداگانه قبلی 6 ساعت در هر واحد کاهش دادسیستم 5400 ساعت کار بدون هیچ گونه نشت یخچال یا مشکل کمپرسور را جمع کرده است.

Newbase سه سطح سفارشی سازی را برای مشتریانی که سفارشات حجم را می دهند ارائه می دهد:

• برق:محدوده ولتاژ (220-350 VDC) ، پروتکل ارتباطی (J1939، CANopen، Modbus RTU) ، منطق کنترل (وضعیت کار + دمای آب هدف یا دمای باتری)
• مکانیکی:ابعاد نقاط نصب، انواع کانکتورها (AMP، TE، Deutsch) ، اندازه و جهت گیری دستگاه خنک کننده، رنگ محفظه
• گرما:درجه حرارت PTC (6-14 kW) ، مشخصات سرعت فن، نقشه برداری سرعت کمپرسور، تنظیم ظرفیت خنک کننده از طریق تنظیم بار خنک کننده

تجربه ی کاری:برای یک OEM کامیون معدن اروپایی، ما ارتباطات CAN واحد 16 kW را از J1939 به CANopen سفارشی کردیم، تنظیم ظرفیت خنک کننده را از 16 kW به 14 kW (برای مطابقت با باتری 450 kWh آنها) تنظیم کردیم،و اضافه کردن یک حلقه خنک کننده ثانویه برای خنک کننده موتورچرخه مهندسی تا سفارش (ETO) 9 هفته از امضای مشخصات تا تحویل نمونه بود.

برای مشتریان آمریکای شمالی و استرالیا، Newbase گزینه های سفارشی سازی اضافی را ارائه می دهد:

• ایمنی و انطباق:اجزای شناخته شده UL، اتصال دهنده های گواهینامه CSA، محفظه ضد جرقه ATEX/IECEx
• محیط زیست:پوشش تطبیقی (IPC-CC-830) ، لوازم فولاد ضد زنگ (304L) ، تهویه آلومینیوم درجه دریایی
• برق:48 منبع کنترل VDC (برای برنامه های مخابراتی / ESS) ، SAE J1939 با فایل.dbc سفارشی، Modbus TCP برای ادغام ESS

یک BTMS خنک شده با آب یک زیرسیستم حیاتی در هر وسیله نقلیه تجاری الکتریکی است. چرخه فشرده سازی بخار - کمپرسور، تهویه کننده، شیر انبساطو مبادله گرما صفحه --در ترکیب با یک حلقه خنک کننده مایع، عملکرد حرارتی، یکسانی دمایی و قابلیت گرمایش و خنک سازی در طول سال را که برنامه های کاربردی سنگین تقاضا می کنند، فراهم می کند.محدوده 5 تا 16 کیلو وات Newbase ویژگی های خاص (PID سازگار) را ارائه می دهد.، EEV، چهار در یک یکپارچه سازی، 24 kW PTC گرمایش) که آن را از واحد های آب خنک عمومی متمایز می کند.و استفاده اثبات شده در بیش از 200 وسیله نقلیه و بیش از 40 کابینت ESS، پایه های فنی به خوبی تاسیس شده است.

برای مشتریانی که به بازارهای آمریکای شمالی، اروپا یا استرالیا هدف قرار می دهند، Newbase بسته های مستندات انطباق را شامل گزارش های آزمایش UL 2580، ارزیابی خطر EU 2023/1230،و اعلامیه های انطباق سیم کشی AS/NZS 3000برای پشتیبانی از صدور گواهینامه خاص منطقه با تیم انطباق Newbase تماس بگیرید.