Elektrikli Araç Elektrikli Sistemleri Extreme Climates için Tasarım

Giriş: İklimle Mücadele Yüksek Hızları

Elektrikli araçlar (EV) hızla dünyadaki iç yanma motor araçlarının yerleştirilmesini sağlar, ancak aşırı iklimli bölgelerde kabul edilir - subzero tundra'dan çölleri -bir kritik faktöre karşı engeller: Elektrik sistemi kendi atık ısısını üreten geleneksel bir motordan farklı olarak, EV'nin yollu batarya, güç elektroniklerini ve elektrikli sürücü üniteleri, sıcaklık ortamlarını keşfetmeye son derece hassastır.

EV Elektrik Sistemlerindeki Aşırı İklimlerin Çok Boyutlu Etkisini Anlayın

“Yeraltı iklimi” kelimesi, sadece sıcaklık aşırılığıyla daha fazla ilgilidir. Tasarımcılar bileşik olarak strese maruz kalmalı: yüksek nem, tuz spreyi, kum ingestion, hızlı termal bisiklet, düşük barometrik basınç, yüksek nemin her biri elektrik sistemi farklı bir başarısızlık mekanizmasıyla saldırır ve sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık elektrikli devrelerdeki kimyasal reaksiyonları hızlandırırlar: elektrikli devreler için çeşitli elektriksel başarısızlıklar için aşırı ısılar.

• [FONT:0) Düşük sıcaklık (--0.10C'ye 0°C'ye kadar): [Dönetici komponsif → daha düşük kapasite ve güç çıktısını azaltır; dişlilerdeki yağlar ve yataklarda yağdırır; görüntüler ve dokunuşlar sertleşir.
• [FONT:0) Yüksek sıcaklık (45°C'ye 65°C'ye kadar): [DÜDÜS 1:0) batarya hücrelerinin yaşlanması; iç direniş; elektrik modüllerinde ısıtılması; PCB'lerde ortak yorgunluk; motor magnet demagnetizasyon.
• [FONT=0) Yüksek nem / kondensasyon (% 100 R)% 85 R'ye kadar% 85 RÜŞMELİDİR; [Dönder: 1) Galvanic bakır terminallerinin ve alüminyum otobüslerin korozyonu; yüksek gerilimli konektörlerde sürünme ve izin verme hataları; su ve boşaltma mekanizmaları ile pompalanır.
• [Düzücük basınç (yüksek yüksek irtifa, vegt;3.000 m): [Döntilmiş hava gücü yüksek gerilim kontaktlarında yaylanma riskini artırıyor; soğutma fanları verimliliğini kaybediyor; hava azaltımının ısı iletkenliği, pasif ısı dağılımını engelliyor.

Battery Termal Yönetim Sistemleri: İklim Kısıtlığı Kalp

Kanal bataryası, EV'deki en iklime duyarlı bir bileşendir, genellikle aracın toplam kütlesinin% 30-40'ı ve maliyetinin çok daha büyük bir payıdır. Tüm ticari olarak mevcut olan lityum-iyon kimyagerleri - LFP, NMC ve NCA dahil - hem performans hem de yaşam boyu güçlü sıcaklık bağımlılığı. 0°C, hızlı şarj sırasında bir şekilde şarj sırasında bir şekilde termodinamik kaplama kapasitesinin% 15'i ve daha yüksek ısıtımının altında ısıtılabilir.

Soğuk İklimler için Aktif Isıtma Stratejileri

Aşırı soğukta, BTMS, araç yönlendirilmeden önce bataryayı ısıtmalıdır veya bir şarj kabul etmelidir. Üç birincil yaklaşım kullanılır:

• [FONT:0)Positive- temperature-coperatif (PTC) ısıtıcı matları[Döneticiler arasında yer alan ve modüller arasında bulunan ve doğrudan elektrik enerjisini ısıya dönüştürür, ancak enerji tüketimi şiddetli havalarda% 5-10 oranında azaltılabilir.
• [FONT:0]Resistive film ısıtıcıları [Döneticileri altında soğuk plakalarda gömülüp genellikle sıvı soğutma döngüleri ile birlikte kullanılırlar. Hatta ısı dağılımı sağlar ve orantılı olarak (PID) kontrolörleri ile modlanabilirler.
• [FONT:0]Reverse ısı-pump entegrasyonu[Dönetici], elektrik sürücü ve güç elektroniklerinden gelen ısıyı yakalayan bir devredir, ancak en enerji verimli yaklaşımdır, ancak geri dönüşümlü valfler ve ek ısı değiştiricileri ile karmaşık bir soğutucu devre gerektirir.

Tesla ve Hyundai gibi modern OEMler, bundan sonra serin bir döngüye transfer edilen betonlar kullanmaya başladı.Bu yöntem, dirençli ısıtıcılar için gerekli olan ihtiyacı ortadan kaldırır ve güç antrenmanlarında mevcut olan bileşenleri ortadan kaldırır.

Sıcak İklimler için Aktif Soğutma Stratejileri

Yüksek Orta Orta Orta Sıcaklıklarda, sıvı soğutma hem hücrelerden hem de güç elektroniklerinden ısı çıkarmak için baskın yöntemdir. Sistemler genellikle bir yumuşak plaka ısı değiştiricisi (chiller) ile bağlantılı bir araç kliması için. aşırı ısı (above 50°C) için ilave önlemler gereklidir:

• [FONT:0) Soğutmalı doğrudan soğutma[DÜT 1: 1) Güç modülleri ve piller R-1234yf veya R-744 (CO2) serin olarak, ikincil su-glycol döngüyü ısıtmak için atlayın.
• [FONT:0)Phase-change Malzemeler (PCMs)), batarya modülünde gömülü paraffin balmumu veya tuz hidratlar gibi. Bu, hızlı şarj sırasındaki yüksek ısı yüklerini absorbe eder, kısa vadeli sıcaklık artışları ile.
• [FONT=0]Immersion soğutma) hücrelerin bir dielektrik sıvısında alt üstlenmiş olduğu (örneğin, sentetik esterler veya fluoroketones) doğrudan tüm yüzeylere ulaşın.Bu, yüksek ısı transfer katlarını sunar ve ısı transferlerini ortadan kaldırır, ancak ağırlık, maliyet ve akışkan yönetim karmaşıklığı sağlar.

Çöl ortamları için, Ford ve Rivian gelişmiştir:0) Kendi kendine temiz radyatörler), yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek performanslı betonlar ve aktif toz filtreleri ile hava akışına rağmen yüksek kapasiteli soğutma fanları da dahil edilmiştir.

Power Electronics ve Motor Drives: Termal ve Elektrik Stresi

inverter, DC-DC dönüştürücü ve on-board şarj cihazı tüm silikon (SiC) veya galium nitride (GaN) MOSFETs ve IGBTs'i önemli bir öz ısıtma üreten. Sıcak iklimlerde, bu yarı iletkenlerin ısıtılması, 175°C veya 200 °C'nin en yüksek dereceye kadar yaklaşabilir.

• [0] Çift taraflı soğutma), hem de ölümün üst ve altlarından ısı çıkarmak için güç modüllerinin ısısını çıkarmak için ısıtabilir. Bu, tek taraflı soğutma ile kıyasla% 30-50 azaltılabilir.
• [FONT:0]Vapor odası ısı yayıcılar [Döntgenler 1) Yer ısılarını en aza indirmek ve soğuk plakaya bile ısı dağıtmak için temel plakaya entegre edilmiştir.
• [FONT=0] Yüksek sıcaklık kapasiteliler (Dönetici:0) [Düzg:0), 125°C'nin ötesinde sabit kapasitans ve eşdeğer seri direniş (ESR) bulunan X6S dielektrikli metalik beton veya seramik kapasitörler.

Soğuk iklimler için, ana meydan okuma başlangıç performansıdır. Güç malzemeleri ve kontrol elektronikleri soğukta sabit olan hidroksitlerin sabit ısıtılması için gerçekleştirilir.

Heat Extremes için motor tasarımı

Kalıcı mıknatıs senkronizasyonu motorlar (PMSM) en yaygın EV çekiş motor türüdir, ancak yüksek sıcaklıklarda geri dönüşümlü demagnetizasyon, özellikle de ferrite veya sintered NdFeB magnets için acı çekerler.

• [FONT:0]Dyprosium-doped mıknatıslar[[DDyprosium-doped mıknatıslar[DDDDyprosium-doped mıknatıslar[DDDDDDDDDyprosium-doped mıknatıslar[DDDDDDDDDDyprosium-doped mıknatıslar[DDDDyprosium-doped mıknatıslar[D) Bu, Curie ısısını yükseltip koerciviteyi artırmak, grip olmadan 180°C'ye kadar operasyona izin vermek.
• [FONT:0]Segmented Magnet kutup tasarımı[Dönetici:0)) rotordaki eddy-şimdiye kadar ısıtmayı azaltmak için.
• [FONT:0]Through-rotor soğutma kanalları Bu, ısıyı mıknatıslardan ve taşlarından çıkarmak için mil merkezine veya hava yoluyla dolaşıma sokmaktadır.

Çok soğuk iklimlerde, motor yağları, başlangıçtaki yağ tost sistemleri gibi katılaşarak, yüksek ısıya doğrultıcı noktalarla düşük sıcaklık dökme noktalarına göre -50°C'ye kadar değiştirilebilir ve yağ perdeleri veya petrol mist sistemleri gibi ön-seçmiş stratejiler kullanılır.

Yüksek-Voltage Interconnection and Peel: Nem ve korozyonla Mücadele:

Hücrelerin veya elektroniklerin ne kadar sağlam olursa olsun, tek bir uzlaşmalı bir kablo veya kablo bezi, toptan bir sistem başarısızlığına neden olabilir. Humid ve saline ortamları yüksek gerilim için en büyük meydan okuma (HV) 400V veya 800V üzerinde çalışan bağlantıların: Aşırı-humidity iklimleri için temel tasarım kuralları:

• [FONT:0)IP6K9K tarafından yapılan konutlar [DÜT:1] tüm HV bileşenleri için, yüksek basınçlı su jetlerine ve buhara karşı koruma sağlamak. Bu derecelendirme, iki denizli O-rings ve laboratuarlı sistemlere, nem ingresyon olmadan eşitleştirmeye izin vermek için gereklidir.
• [FONT:0]Hermetic feedthroughs[[Dönetici: 1) batarya paketine ve motor konutuna giren kablolar için, genellikle sıkıştırma cam-to-metal mühürlerini veya multi-pin dairesel konektörleri silikon veya alkali gazketlerle kullanıyor.
• [FONT:0)Corrosion- dayanıklı iletken kaplama: Yüksek gerilimli otobüsler ve terminal lugs, anti-küre kaplamaları ile (örneğin, transjeksiyon, kontraksiyon, kontraksiyon) montajdan sonra uygulanır. Dissimilar metal temas (örneğin alüminyuma karşı) Bilik geçiş eklemleri kullanımı ile kaçınılmalıdır.
• [FONT=0]Partial deşarj mitigation: [Dönetici: [Dönetici: 1] Yüksek basınç ortamlarda, hava kirliliği veya hava kirliliği gibi katı deşarjlara (korona) izin verebilir.

Test ve Geçerlilik: Proving Robustness before Production

Hiçbir tasarım, standart otomotiv IEC veya ISO testlerinin ötesine geçen titiz bir doğrulama programı olmadan aşırı hazırlanabilir. EV üreticileri genellikle dünyanın en cezalı ortamlarını özel odalarda simüle eder:

• [FONT=0]Temperyature ve nem bisiklet: -40C'den +85°C'ye hızlı geçişler (10°C/min) ve nem adımları% 10 ila% 95 R'e kadar, yorgunluk ve korozyonu hızlandırmaya tekrarladı.
• [FONT:0]Salt sprey ve fog: [DÜDÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜ:0)Salt sprey ve fog: [DÜye Olmayanlar İçin ISO 9227 nötr tuz spreyi (NSS) testleri kalıcı 480 ila 1000 saat boyunca kalıcı olarak 480 testleri.For coast and kış yol tuz maruziyeti, döngüsel korozyon testleri (CCT) bu alternatif tuz spreyi, nem ve kurutma daha fazla temsil edilmektedir.
• [FONT:0] ⁇ şoku:[Dönetici:[Dönetici:0) Soğuk su veya soğuk mil ile sıcak bileşenleri soğuk bir şekilde bir çölün ardından bir araç sürüşü bir puddle üzerinden simüle etmek için. Bu, kapsüllerin içine kapillary kondensasyonunu tetikleyebilir, hemen başarısızlıkla yol açabilir.
• [FONT:0) Yüksek çözünürlük / düşük basınçlı: Kontrollü sıcaklıkla 5 bin m'ye kadar (genellikle 0.10C ila 65°C) soğutma sistemi performansı ve HV yalıtım marjlarını değerlendirmek için test edin.

TÜV SÜD ve Intertek gibi lider test evleri, Münih'te gerçek dünya yol yüklerini aşırı koşullarda simüle etmek için bir araya getirilen EV aşırı derecedenmate sertifikasyon programları sunmaktadır. Örneğin, [[GÜD batarya testi) Münih'te gerçek dünya yol yüklerini aşırı koşullarda simüle etmek için termal ve vibrasyon testleri gerçekleştirebilir.

Yazılım ve Kontrol: İklim Resilience için Adaptasyon Stratejileri

Donanım tek başına tüm iklim zorluklarını çözemez; akıllı kontrol algoritmaları giderek önemli bir rol oynar. Modern EVs, sıcaklık kanallarını GPS rota verilere dayanarak tahmin eden model bazlı termal yönetim, ortam tahminleri ve batarya durumu-sağlığı. Anahtar yazılım stratejileri şunları içerir:

• [FONT:0) Ön Koşullu batarya ön şartlandırma: Araç, sürücüye bir DC hızlı şarj cihazı ve presets veya precools a bataryaya geldiğinde, şarj süresine kadar şarj etmek ve soğumasını sağlamak için navigasyon rotasını kullanır.
• [FONT=0)Rejeneratif frenleme:[Dönüşük soğukta, bataryanın şarjını kabul etme yeteneği sınırlıdır.Rejeneratif fren toparlama toparlama hızının aşırı yüklenmesini önlemek için yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş azaltılır.
• [FONT:0] Motorların ve dönüştürücülerin silinmesi: Sıcak koşullarda sürekli yüksek güç çıkışı altında, yazılımlar, bağlantı sıcaklıklarını güvenli sınırlar içinde tutmak için mevcut olan yüksek güç sınırıdır, araç limp-home kapasitesinin felaket başarısızlıktan ziyade sağlanması.
• [FONT:0)Battery dengeleme ve teşhis: Gelişmiş batarya yönetim sistemleri (BMS) sıcak iklimlerde dengeleme sırasında yerel aşırı ısıyı önlemeye dayanan pasif ve aktif modlar arasındaki hücre dengelemesini değiştirebilir.

Vaka Çalışmaları: Real-World Extreme Climate Solutions

Soğuk İklim: Toyota'nın Katı Devlet Pil Challenge

Toyota, EV'lerin üretimi için sağlam devlet bataryaları geliştiriyor, 2027-2028 tarafından başlatılan. Katı devlet bataryaları daha yüksek enerji yoğunluk ve daha iyi güvenlik sunarken, sağlam elektrolitler (sulfide- veya oksit tabanlı) daha düşük iyonik iletkenliği sağlar.Bu nedenle, Toyota'nın R&D ekibi, yüksek bir elektrikli süpürge tasarımının doğrudan nano-parçacıklı bir yapı ile çalışır.

Sıcak İklim: Rivian'ın Çölü için Termal Mimarisi

Rivian'ın R1T ve R1S, bataryaya girmeden önce tekrar soğutma sistemi kullanıyor [5C reerant ısıtılmış Joule-Thomson (J-T) valfi), sabit süper ısıya girmeden önce, tekrar soğutulabilir.Bu yüzden soğutma sistemi modülüne girer[Dışkanlıklı bir sıcaklık sensörüne sahip olan 30 °C’ye kadar ısıtılır.

Yüksek Nem: Nissan'ın Broşürü HVitch İyileştirme

HV konektörünün yüksek prehumidity piyasalarında (örneğin, Güneydoğu Asya ve Florida), Nissan, terminale ulaşmadan önce bataryaya monte edilen ve aracın altına alınan su kullanan hidrofobik bir drenaj kanalıyla yeniden tasarlandı.

Standartların ve Endüstri İşbirliğinin Rolü

Yukarıda açıklanan tasarım uygulamalarının çoğu, üreticilerin aşırı iklimlerdeki EV elektrik sistemleri için gerekli olan uluslararası standartlarda eşleştirilir:

• [FONT=0) ISO 12405-4[[Dönemli yol araçları – lityum-iyon kanal batarya paketleri ve sistemler için analiz - Bölüm 4: Soğuk iklimlerde performans testleri.
• [FONT:0)SAE J2380[Dönetici: 1 ) – Elektrikli Araç Pilleri (Ködrasyonlu birleşik profiller dahil)
• [FONT=0]UN ECE R100[[Dönem: 1 ) - Elektrikli güç treni için belirli gereksinimlerin onaylanması ile ilgili üniforma hükümleri (köpücü koruma, nem bisiklet dahil).
• [FONT=0)IEC 60068-2-38 – Çevresel test – Bölüm 2-38: Testler – Test Z/AD: Kompozit sıcaklık / presiklik Çevrim testi.

OEM'ler, Tier-1 tedarikçiler ve standartlar vücutları hızlanıyor. Örneğin, [[ŞUYGÜN:0) Geleceğin inisiyatifi[Dönetici: 1 ) bir araya getiriyor BMW, Ford ve Siemens, batarya davranışını tam iklim aralığında tahmin edebilecek, yüzlerce fiziksel prototip test ihtiyacını azaltabilecek açık kaynak termal yönetim simülasyon araçları geliştirmek için.

Future Trends: Bugünün Limitlerinin Ötesinde Hareket

EV penetrasyonu en uzak ve şiddetli bölgelere ulaşırken –Alaska'nın iç mekanı, Sahara, Himalayalar – tasarımcılar yeni çözümleri keşfediyor:

• [FONT:0)Waste-air-güçlü termoelektrik jeneratörleri (TEGs)) Bu, aracın kabin ısıtıcı veya güç elektroniklerinden küçük yardımcı bataryayı şarj etmek için, subzero için kullanışlı bir şekilde çalışır.
• [FONT:0)Kendi-healing yalıtım malzemeleri[DÜT:1), yüksek sıcaklık ısıtımı iklimlerinde bulunan ve mühür çatlakları olan, yüksek sıcaklık-değişimli iklimlerde uzatan mikrokapıları ile.
• [FONT:0)Biyolojik ısı pompa sistemleri[Dönemli akış, tek bir soğutuculu devre ile verimli kabin ve batarya kontrolü sağlar.Böyle sistemler zaten üretimdedir (örneğin, Tesla Octovalve), ancak aşırı performans katsayısı (COP) ile 2.0 altında 2.00 altında -15°C.
• [FONT:0) Düşük basınçlı ortamlarda mevcut olan, kabloların ve kabloların boyutunu azaltın. Ancak, bu gerilimler daha büyük ürperticilere ve kısmi deşarjlara bile ihtiyaç duyar.

Sonuç: Hayır Single Silver Bullet

EV elektrik sistemlerini aşırı iklimler için tasarlamak, bir roman teknolojisini uygulamakla kalmaz, ancak bir portföy stratejiyi bütünleme: hücre kimya seçimi ve BTMS tasarımından bağlayıcı, kontrol yazılımı ve üretim kalitesi için.Mühendislik topluluğu – en son EV'ler 50°C'de güvenilir bir şekilde başlangıç yaptı ve başarısızlık olmadan tuz-laden kıyı hava ile çalışır.

Bu alana giren mühendisler için, en önemli ders, gerçekleştirilmiş ortamlarda erken ve sık sık doğrulamaktır. Sıcak bir test ve soğuk teste giren bir batarya hala aralarındaki döngüleri başarısız olabilir.Her bir başarısızlık modu ve kovalama simülasyonu ve hızlandırılmış testlerin fiziği ile tasarımcılar, gerçekten herhangi bir iklim için hazır olan EV elektrik sistemlerini - yakmaya kuzeyden gelen bir batarya.

[FONT:0) BTMS tasarımı hakkında daha fazla okuma için, Argonne Ulusal Laboratuar tarafından yayınlanan kapsamlı bir incelemeyi gör: 03.Bölüm:0)Argonne Termal Yönetimi (Dönetici için)) mevcut standartlar için, SAE J1772 ve IEC 62196 standartlarına bakınız.