Ticari Elektrikli Araçlar İçin Batarya Termal Yönetim Sistemi (BTMS): Çalışma Prensibi, Temel Bileşenleri ve Gerçek Dünya Uygulamaları

Bir ticari elektrikli araçtaki her lityum iyonlu batarya paketi dar bir termal konfor bölgesi içinde çalışır. 0 derece C'nin altında, şarj kabulü 30-40% düşer ve iç direnç tırmanır.45°C'den fazla, katı elektrolit interfaz (SEI) katmanı bozulur, kapasitesinin kaybolmasını hızlandırır.Her 10°C'lik artış 35°C'nin üzerindeyken, döngü ömrünü yaklaşık %50'ye kadar azaltabilir (J. Power Sources, c. 412, 2019, s. 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.

Bu makale, Newbase'in 5kW-16kW su soğutmalı BTMS serisi ile çalışma prensibini, temel bileşenleri ve uygulamalı dağıtım deneyimini kapsar.200'den fazla elektrikli ağır kamyonda kullanılıyor., 80+ şehir otobüsü ve 2023'ten itibaren Çin, Güneydoğu Asya ve Avrupa'da 40+ enerji depolama dolabı.

Newbase BTMS serisi, tuz püskürtmesi (ASTM B117, 720 saat), yüksek nem (95% RH),500 saat), ve -35°C'ye kadar Kuzey soğuk iklim önceden koşullandırma döngüleri, aşağıdaki bölgesel uyumluk bölümlerinde ayrıntılı olarak belirtilmiştir.

Bir Pil Termal Yönetim Sistemi, bir sıvı soğutma sıvısı devresini ve bir buhar-kompresyon soğutma döngüsünü kullanarak pil paketinin sıcaklığını aktif olarak düzenler.

Yolcu elektrikli araçların aksine, ticari araçlar üç benzersiz termal zorlukla karşı karşıyadır:

• Daha yüksek sürekli boşaltma oranları (ağır kamyonlarda sürekli 1C-2C)
• Daha büyük pil paketleri (200-500 kWh, 20-50 kW ısı üreten)
• Çevre sıcaklığına daha geniş maruz kalma (-30 °C'den +60 °C'ye)
• Hızlı şarj 150-350 kW ile 15 dakika içinde hücre sıcaklıklarını 8-12 ° C artırabilir

BTMS, üç fonksiyonun hepsini ele alır:

• Soğutma: Kompresörle çalışan soğutma, yüksek yüklü sürüş ve hızlı şarj sırasında ısıyı uzaklaştırır.
• Isıtma: Entegre PTC sıvı ısıtıcısı (6-14 kW isteğe bağlı olarak) soğuk havalarda şarj kabulü için soğutma sıvısı sıcaklığını yükseltir.
• Sıcaklık dengeleme: Soğuk plakalardaki soğutucu akış, hücre hücre sıcaklık farkını hava soğutmalı paketlerde 5-10 derece C'ye karşı 2-3 derece C'de tutar.

Sahada deneyim:2024 kışında, Çin'in Sincan bölgesinde 30 elektrikli ağır kamyon filolarında 12 kW Newbase BTMS'nin kullanımı sırasında, çevre sıcaklıkları sabah 6'da -28 dereceye düştü.Sistemin PTC ısıtıcısı (12 kW çıkış) soğutma sıvısının sıcaklığını -28 ° C'den +25 ° C'ye 14 dakika içinde yükseltti, 423 kWh'lık batarya paketi, lityum kaplama olmadan 180 kW'lık bir şarjı kabul etmeyi sağlıyor. BTMS ısıtması olmadan, aynı paketin 90 dakika dirençli kendi kendini ısıtması gerekecekti.Şarj başlamadan önce depolanan 18 kWh enerji tüketmek.

Nordic Adaptasyon Notu: Norveç kış koşullarını simüle eden ayrı bir soğuk iklim doğrulama testinde (havalı ortam -35°C, %50 etilenglikol soğutucu),12 kW PTC ısıtıcısı, 18 dakikada -35 derece C'den +20 derece C'ye bir sıcaklık artışına ulaştı.-35°C'de soğutma sıvısının viskozluğu, Newbase düşük sıcaklıklı laboratuvarında yapılan pompa eğrisi testleriyle doğrulanarak pompanın çalışma aralığında kaldı.

Çalışma prensibi, araç sınıfı görev için uyarlanmış dört aşamalı buhar sıkıştırma soğutma döngüsünü izler:

Aşama 1 - Sıkıştırma
Kompresör (Newbase ünitelerinde kaydırma türü) düşük basınçlı soğutucu buharı (R134a, modele bağlı olarak 350-500 g) çekerek yüksek basınçlı, yüksek sıcaklıklı bir duruma sıkıştırır.Kompresör, aracın yüksek voltajlı DC otobüsü (400-750 VDC 8-16 kW modeller için) tarafından çalıştırılır., 5 kW modeli için 220-350 VDC).

Aşama 2 -Kondensasyon
Yüksek basınçlı soğutucu buharı kondansöre girer, burada entegre fandan zorla gelen hava ısıyı uzaklaştırır.12 kW ve 16 kW Newbase ünitelerinde, kondansör, ısı atılmasını 50 ° C çevresel sıcaklıkta korumak için endüstriye göre % 25 daha büyük bir yüz alanı ile tasarlanmıştır.

Aşama 3 - Genişleme
Sıvı soğutucu, ani bir basınç düşüşünün hızlı soğutmaya neden olduğu bir genişleme valvesinden geçer. 8-16 kW üniteler, doğru akış kontrolü için elektronik bir genişleme valvesi (EEV) kullanır.Daha basit sistemlerde bulunan sabit açıklıklı bir TXV'ye karşı.

Aşama 4 - Buharlama
Soğuk soğutucu, geri dönen soğutucudan (50/50 etilenglikol/su çözeltisi) ısı emiyor.Soğutucu buharlaşır ve döngüyü tekrarlamak için kompresöre geri döner.

Soğutucu maddenin tarafından, bir elektrik pompası (20 m baş / 2000 L / h 8 kW ünitesinde, 17.5 m / 2880 L / h 10 kW ünitesinde,12 kW/16 kW ünitelerinde 180 kPa'da >=5 L/dakikada) soğutma sıvısı akü paketinin soğuk plakalarından dolaşır..

El üzerinde not:Bangkok'ta 40 fitlik bir elektrikli otobüsün 10 kW'luk bir ünitesini devreye sokarken, 17.5 m'lik pompa başı, seri bağlantılı 12 soğuk plakanın basınç düşüşünün üstesinden gelmek için yeterliydi (toplam döngü uzunluğuBununla birlikte, aynı ünite daha sonra 18 soğutma plağı olan 60 fitlik bir eklemli otobüse monte edildiğinde, yeterli akışı sürdürmek için 12 kW ünitesinin pompasına (>= 5 L/dakikada 180 kPa) yükseltmemiz gerekti.Her zaman sistem basınç düşüşüne karşı pompa eğrisini doğrulayın -- bir uyumsuzluk sahada gördüğümüz en yaygın komisyonlama hatasıdır.

• Kompresör: Scroll tipi, hermetik olarak mühürlüdür. 10-16 kW modeller, tek silindirli alternatiflere kıyasla titreşimi% 30 oranında azaltan çift silindirli bir scroll kompresör kullanır.
• Kondansör: Entegre fanla mikro kanal alüminyum yapısı. 12 kW'luk kondansör, daha iyi ısı aktarımı için üç sıra, 22 tüplü, pervaneli yüzgeçli bir konfigürasyon kullanır.
• Genişleme Valvu: 8-16 kW modellerde EEV; 5 kW modelinde termal genişleme valvu (TXV). EEV, kısmi yükleme COP'sini %12-15 arttırarak %100 aşama az düzenleme sağlar.
• Plaka Isı Değiştiricisi: Lehimlenmiş paslanmaz çelik, modele bağlı olarak 30-40 plaka konfigürasyonu. 12 kW ve 16 kW üniteleri, en iyi ısı aktarımı için 0.4 mm kanal genişliği ile 60 plaka tasarımı kullanır.

• Soğutucu sıvı pompası: Merkezi kaçak tipi, fırçasız DC motoru. 8 kW ünitesinin pompası (20 m / 2000 L / h) düşük NPSH'de kavitasyon riskini azaltan spiral volut tasarımı kullanır.
• Soğutucu rezervuarı: Düzlük sensörü ile entegre genişleme tankı. 12 kW/16 kW ünitelerinde, bir bakışta seviyeleri doğrulamak için bir görüş camı bulunur.
• PTC ısıtıcısı: Modele bağlı olarak isteğe bağlı olarak 6-14 kW. 10 kW ve 12 kW ünitelerinde 24 kW PTC ısıtıcısı (sınıflarında en yüksek seviyede) bulunur ve soğuk havalarda hızlı bir ısınma sağlar.
• Bağlantılar: Giriş / çıkış O25 mm, isteğe bağlı olarak O8 mm taşma borusu ile. Tüm bağlantılar 150 psi için O halka yüz mühürlemeleri kullanır.

• Yüksek Voltaj Arayüzü: 400-750 VDC (8-16 kW model), 220-350 VDC (5 kW model).
• Düşük gerilim kontrolü: 24 VDC (18-32 VDC aralığı), ISO 7637-2 geçici bağışıklığa uygun.
• İletişim: CAN 2.0 (250 kbps veya 500 kbps yapılandırılabilir). Newbase denetleyici, ağır kamyonların entegrasyonu için J1939 protokolünü ve endüstriyel ESS için CANopen'i destekler.
• Elektriksel mimari: Dört-bir veya üç-bir entegrasyon (kontrolör, kontaktor, sigorta, bir konumda önceden şarj).
• IP derecesi: Tüm elektrikli bileşenler için IP67; birim montajı için IP27. SGS'de üçüncü taraf testi ile doğrulandı (sınav raporu SGS-EMC-2024-1172).

Özel tasarım özelliği:Newbase BTMS denetleyicisi, ilk 10 çalışma döngüsü boyunca belirli pil paketinin termal tepkisini öğrenen uyarlanabilir bir PID algoritması kullanır.Bu, hedef sıcaklık aşımını 3'ten azaltır..5 derece C ( sabit kazançlı PID) 1.2 derece C'ye, ortalama COP'yi %8 oranında iyileştirerek - 50 pil paketi konfigürasyonunda iç döngü testlerinde doğrulanmış bir özellik.

Tuz püskürtmesi ve korozyon koruması: Kıyı ve açık deniz uygulamaları için (Liman ekipmanları, deniz gemileri, kıyı rüzgar çiftliği ESS),Newbase, tüm PCBA montajlarında (IPC-CC-830 uyumlu) ve paslanmaz çelik (304L) soğutma sıvısı armatürlerinde korozyona dayanıklı bir yükseltme olarak isteğe bağlı bir uyumlu kaplama sunarStandart birim, ASTM B117'ye göre işlevsel bozulma olmadan 720 saatlik tuz püskürtüme testinden geçti (CTI-COR-2024-089 numaralı test raporu).Bu, özellikle hava tuz konsantrasyonunun 50 ug/m3'yi aştığı Güneydoğu Asya liman işletmecileri ve Avustralya kıyı madenciliği operasyonları için önemlidir..

Endüstri Kaynağı Notu:COP >=2,5 metrik, ARI 210/240 test koşullarına göre ölçülür.Çin Ulusal Kalite Denetimi ve Soğutma Ekipmanlarının Test Merkezi (2024) tarafından yapılan bağımsız testler, Newbase ünitelerinin COP 2'ye ulaştığını doğruladı.65-2.85 standart koşullarda 5-16 kW aralığında.

Her Newbase BTMS birimi aşağıdaki sertifikasyon ve uygunluk testlerine tabi tutulur:

• CE EMC Sınıf III (EN 55011, EN 61000-6-2, EN 61000-6-4): Ticari araç uygulamaları için elektromanyetik uyumluluğu doğruluyor.
• UN R100 (Batarya Elektrikli Araç Güvenliği): BTMS, normal ve arıza koşullarında batarya sıcaklığını güvenli sınırlar içinde tutarak araç düzeyinde uyumluluğa katkıda bulunur.
• IEC 62660-2 (Türüm için İkincil Lityum İyon Hücreleri): BTMS, hücre sıcaklığını bu standartta belirtilen aralık içinde tutmak için tasarlanmıştır.
• IP67 ve IP27: SGS tarafından üçüncü taraf tarafından yapılan testlerle doğrulanmıştır (bilgi numarası SGS-IP-2024-0831).
• Yüksek ve Düşük Sıcaklıkta Dönüşüm: Performansı bozulmadan, %95 RH ile -40 °C'den +85 °C'ye kadar 500 saatlik bir sıcaklık döngüsüne maruz kalan birimler (CTI-ENV-2024-214 numaralı test raporu).

Kuzey Amerika (ABD ve Kanada):

• UL 2580 (Elektrik Araçları Pil Kutusu):Newbase BTMS soğutma sıvısı döngüsü, normal ve tek hata koşullarında UL 2580 termal kaçış eşiğinin altındaki pil sıcaklığını korumak için tasarlanmıştır..
• FMVSS 305 (Elektrikle çalışan araçlar: Elektrolit dökülmesi ve elektrik çarpması koruması):IP67 derecelendirilmiş kabın ve O-ring yüz mühürleme ekipmanları, FMVSS 305'in elektrolit sınırlama ve elektrik yalıtım gereksinimlerini karşılar..
• SAE J2929 (Elektrik Araçları Pil Sistemleri Güvenlik Standartı):BTMS denetleyicisinin hata kendi kendine teşhisi ve CAN tabanlı uyarı sistemi, SAE J2929'un hata tespit gereksinimlerine uygunluğu destekler..

Avrupa Birliği:

• EU 2023/1230 (Makine Yönetmeliği): BTMS kontrolörünün güvenlik fonksiyonları (aşırı sıcaklık kapatma, aşırı akım koruması,Yeni AB Makine Yönetmeliği'nin temel sağlık ve güvenlik gereksinimlerini karşılamak için tasarlanmıştır., Ocak 2027'den itibaren geçerli olacak.
• ECE R100 Rev.3 (Elektrik Araçları Güvenliği): 12 kW ve 16 kW üniteleri, ısı yayılmasının önlenmesi için ECE R100.03 uyarınca test edilmiştir.Simülasyonlu tek hücreli termal kaçış olayı sırasında pil paketini 60°C'nin altında tutmak (deste rapor no. CTI-THERM-2024-312).

Avustralya (Mine & Off-Highway):

• AS/NZS 3000 (Kablolama Kuralları) ve AS 62040 (kesintisiz güç sistemleri --ESS uygulamaları):BTMS elektrik arayüzü Avustralya madencilik ve ESS tesisleri için yalıtım ve koruma gereksinimlerini karşılar.
• MDG 41 (Yeraltı kömür madenlerinde elektrikli araçlar için kılavuz): Yeraltı madenciliği uygulamaları için,Newbase BTMS, ATEX/IECEx uyumlu bir kıvılcım geçirmez elektrikli kabınla belirlenebilir (gümrük siparişi).

Birim başına tam test paketi (ürün kılavuzundan):

• Soğutma verimliliği ve kapasite doğrulama
• Güç tüketimi ve enerji verimliliği oranının değerlendirilmesi
• Sızıntı ve basınç testi
• Elektriksel güvenlik testi (izoleasyon direnci, dielektrik kuvveti)
• Soğutucu yükü ve sızıntı tespiti
• Kompresör performans değerlendirmesi
• Kondansör ve buharlaştırıcı performans testleri
• Fan performans testleri
• Kontrol sistemi doğrulama
• Yüksek ve düşük sıcaklık döngüsü ve dayanıklılık testi

Dava 1 - Elektrikli Ağır Kamyon Filosu, İç Moğolistan (2024)
Açık madende çalışan 50 elektrikli ağır kamyon filosu (423 kWh LFP bataryası, 6x4 şasi), yaz ortamında 40 ° C'de 2 saatlik yüklü çekim döngüleri sırasında BTMS soğutması gerektiriyordu.12 kW Newbase ünitesi, termal simülasyonun tam gaz yükselişi sırasında 18 kW'luk bir en yüksek ısı üretimini göstermesinden sonra seçildi..

Sonuçlar:Maksimum hücre sıcaklığı 38.2 °C (çevre 42 °C), 24 modül arasında sıcaklık farkı 2.8 °C. Sistem COP'si 8 aylık izleme süresi boyunca 2.7'dir.Hata kendi kendine teşhis özelliği başarısız bir kondansör fan yatak tespit 2100 saat, arıza öncesi önleyici değiştirmeyi sağlar.

Dolayısıyla, Çin'in bu tür araçları kullanması, Çin'in bu tür araçları kullanması için uygun bir yöntem değildir.
80 elektrikli şehir otobüsü filosu (303 kWh LFP bataryası, uzunluğu 12 metre) 14 kentsel güzergahta çalışıyor.10 kW ünitesi, kompakt ayak izi (960x603x291 mm) ve <=80 dB ((A) gürültü derecesi nedeniyle seçildi..

Sonuçlar:BTMS ile ilgili sıfır duraklama süresi ile on altı aylık çalışma. CAN 2.0 gerçek zamanlı veri yüklemesi, filo yönetim sisteminin kompresör çalışma süresini takip etmesini ve proaktif bakım programını yapmasını sağladı.24 kW PTC ısıtıcı seçeneği başlangıçta seçilmedi, ancak ilk kıştan sonra, üç otobüs soğuk hava yolu testi için ısıtıcıyla donatıldı ve şarj süresini -15 ° C'de 3,5 saatten 1,5 saate düşürdü.

Dava 3 - Enerji Depolama Kabinesi, Güneş Çiftliği, Ningxia (2024)
2 MWh konteynerli ESS (LFP hücreleri, 20x 100 kWh raflar) 0,5C şarj/şarj döngüleri sırasında hücre sıcaklığını 40°C'nin altında tutmak için sıvı soğutma gerektiriyordu.ESS soğutma sıvısı döngüsüne iki 10 kW Newbase BTMS ünitesi entegre edildi., her biri paralel olarak 10 raf servis ediyor.

Sonuçlar:Hücre sıcaklığı, 1 saatlik 0.5C şarj sırasında tüm raflarda 33+/-1.5°C'de tutulur.Dörtte bir elektrikli entegrasyon, önceki ayrı bileşenli sisteme kıyasla, birim başına kurulum kablolama süresini 6 saat azalttı.Sistem, herhangi bir soğutucu sızıntısı veya kompresör hatası olmadan 5.400 çalışma saati biriktirmiştir.

Newbase, hacim siparişleri veren müşteriler için üç düzeyde özelleştirme sunar:

• Elektrikli:Voltaj aralığı (220-350 VDC), iletişim protokolü (J1939, CANopen, Modbus RTU), kontrol mantığı (iş modu + hedef su sıcaklığı veya batarya sıcaklığı takip)
• Mekanik:Montaj noktasının boyutları, konektör türleri (AMP, TE, Deutsch), soğutma sıvısı montaj boyutu ve yönelimi, kabinin rengi
• Termal:PTC ısıtıcısının derecelendirilmesi (6-14 kW), fan hızı profili, kompresör hızı haritası, soğutucu yükü ayarlaması yoluyla soğutma kapasitesinin ayarlanması

Sahada deneyim:Avrupalı bir madencilik kamyonu OEM için, 16 kW ünitesinin CAN iletişimini J1939'dan CANopen'e özelleştirdik, soğutma kapasitesini 16 kW'dan 14 kW'a ayarladık (onların 450 kWh'lık bataryasına uymak için),ve motor soğutma için ikincil soğutma sıvısı döngüsü eklendiMühendislikten siparişe (ETO) döngüsü, özellik imzalanmasından örnek teslimatına kadar 9 haftaydı.

Kuzey Amerika ve Avustralya müşterileri için, Newbase ek özelleştirme seçenekleri sunar:

• Güvenlik ve Uygunluk:UL tarafından tanınan bileşenler, CSA sertifikalı konektörler, ATEX/IECEx kıvılcım geçirmez kabı
• Çevre:Uyumlu kaplama (IPC-CC-830), paslanmaz çelik bileşenleri (304L), deniz sınıfı alüminyum kondansör
• Elektrikli:48 VDC kontrol kaynağı (telekom/ESS uygulamaları için), özel.dbc dosyası ile SAE J1939, ESS entegrasyonu için Modbus TCP

Suyla soğutulan BTMS, elektrikli araçların kritik bir alt sistemidir.ve plaka ısı değiştiricisi -- sıvı soğutucu döngüsü ile birleştirilmiş, ağır görevli uygulamaların talep ettiği termal performansı, sıcaklık tekdüzeliğini ve yıl boyunca ısıtma ve soğutma kapasitesini sağlar.Newbase'in 5-16 kW aralığı özel özellikler sunar (adaptif PID, EEV, dörtte bir entegrasyon, 24 kW PTC ısıtıcısı) genel su soğutmalı ünitelerden ayırt eder.ve 200'den fazla araçta ve 40'tan fazla ESS dolabında kanıtlanmış bir dağıtım, teknik temel iyi kurulmuştur.

Kuzey Amerika, Avrupa veya Avustralya pazarlarını hedefleyen müşteriler için, Newbase, UL 2580 test raporları, EU 2023/1230 risk değerlendirmesi,ve AS/NZS 3000 kablolama uyum deklarasyonlarıBölgeye özel sertifika desteği için Newbase uyumluluk ekibine başvurun.