Review of heat management systems for high voltage accumulator in electric vehicles and its perspectives

• Autorzy: Dolecki Krzysztof , Kapuściński Jakub , Domański Roman

Warianty tytułu

PL

Przegląd systemów zarządzania ciepłem akumulatorów wysokiego napięcia w pojazdach elektrycznych i ich perspektyw

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Thermal management of high voltage accumulators used for electric mobility is a complex topic, due to many limiting factors like size, weight, cost of development and implementation, and safety. Advancements in technology created cheaper cells, that can store more energy and have higher power density, which enabled manufacturers to build many new electric vehicles. However, accumulator in EVs is still the most expensive part of electric powertrain and cells are very sensitive to operating conditions. Temperatures outside of their specific range can cause quicker loss of their capacity, lower power performance or even cause thermal runaway events that are almost inextinguishable - that’s why proper thermal management receives a lot of attention. This paper discloses important aspects of accumulators, that have to be considered during thermal design, reviews every current solution, their advantages and disadvantages, with examples of EVs that use them. Current trends and possible changes in near future are then disclosed, to create good knowledge base about current situation and trends on the market to make early phase of conceptual work easier.

PL

Zarządzanie termiczne akumulatorami wysokiego napięcia stosowanymi w pojazdach elektrycznych jest złożonym zagadnieniem ze względu na wiele czynników ograniczających, takich jak rozmiar, waga, koszty opracowania i wdrożenia oraz bezpieczeństwo. Postęp technologiczny pozwolił na stworzenie tańszych ogniw, które mogą przechowywać więcej energii i mają większą gęstość mocy, co umożliwiło producentom wyprodukowanie wielu nowych pojazdów elektrycznych. Mimo to akumulatory w pojazdach elektrycznych nadal stanowią najdroższą część elektrycznego układu napędowego, a ogniwa są bardzo wrażliwe na warunki eksploatacji. Temperatury wykraczające poza właściwy dla nich zakres mogą powodować szybszą utratę pojemności, obniżenie wydajności energetycznej, a nawet wywoływać zjawiska ucieczki cieplnej, które są prawie niemożliwe do ugaszenia - dlatego odpowiednie zarządzanie termiczne jest przedmiotem szczególnego zainteresowania. W tym artykule przedstawiono ważne aspekty akumulatorów, które należy wziąć pod uwagę podczas projektowania termicznego, dokonano przeglądu wszystkich obecnie stosowanych rozwiązań, ich zalet i wad, wraz z przykładami pojazdów elektrycznych, które je wykorzystują. Następnie przedstawiono aktualne trendy i możliwe zmiany w najbliższej przyszłości, aby stworzyć dobrą bazę wiedzy na temat obecnej sytuacji i trendów na rynku, co ułatwi wczesną fazę prac koncepcyjnych.

Słowa kluczowe

EN

electric vehicles; thermal management; electric car battery; electric car; battery cooling

PL

samochód elektryczny; chłodzenie akumulatorów; system zarządzania ciepłem; akumulatory

• Wydawca: KAPRINT
• Czasopismo: Rynek Energii
• Rocznik: 2022
• Tom: Nr 4
• Strony: 36--45
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz.,fig., tab.

Twórcy

autor

Dolecki Krzysztof

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Lotnictwa, al. Krakowska 110/114, 02-256 Warszawa

autor

Kapuściński Jakub

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Lotnictwa, al. Krakowska 110/114, 02-256 Warszawa

autor

Domański Roman

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Lotnictwa, al. Krakowska 110/114, 02-256 Warszawa

Bibliografia

• [1] Myall, D.; Ivanov, D.; Larason, W.; Nixon, M.; Moller, H. “Accelerated Reported Battery Capacity Loss in 30 kWh Variants of the Nissan Leaf.” Preprints 2018, 2018030122 (doi: 10.20944/preprints201803.0122.v1).
• [2] Tracy, D., 2019, "An Extremely Detailed Look At The Porsche Taycan's Engineering Designed To Take On Tesla", Jalopnik [Online]. Available: https://jalopnik.com/an-extremely-detailed-look-at-the-porschetaycans-engin-1837802533. [Accessed: 28- Sep- 2021].
• [3] Song, M., Hu, Y., and Choe, S., 2019, "Analysis and Measurement of Heat Sources of Lithium-Ion Polymer Battery Using Electrochemical Thermal Model and Calorimeter."
• [4] Buck, C., Valtr, J., and Schaper, J., 2020, "Continuous health check", Porsche Newsroom [Online]. Available:https://newsroom.porsche.com/en/2020/technology/porsche-engineering-method-internalresistance-vehicle-batteries-22017.html. [Accessed: 28- Sep- 2021].
• [5] Ciorba, S., Marracci, M., Antonetti, C., Martinelli, M., Caposciutti, G., Tellini, B. and Raspolli Galletti, A., 2020. Experimental analysis of overcharged Li-polymer batteries. Case Studies in Chemical and Environmental Engineering, 2, p.100012.
• [6] Bryce, R., 2021, "GM’s $1.8 Billion Chevy Bolt Recall Shows Why Automakers’ EV Rollouts Could Be ‘On Fire’", Forbes [Online]. Available: https://www.forbes.com/sites/robertbryce/2021/08/22/gms-18-billion-chevy-bolt-recall-shows-why-automakers-ev-rollouts-could-be-on-fire/?sh=4a7bf0715f14. [Accessed: 27- Sep- 2021].
• [7] Godlewski, W., Sierakowski, M., Domański, R., Kapuściński, J., Wiśniewski, T., and Kubiś, M., 2019, "Investigation of the Effect of Diamond Powder on the Thermal Properties of Octadecane Using Differential Scanning Calorimetry", Journal of KONES, 26(3), pp. 39-45.
• [8] Sierakowski, M., Godlewski, W., Domański, R., Kapuściński, J., Wiśniewski, T., and Kubiś, M., 2019, "Investigation of Thermal Properties of Novel Phase Change Material Mixtures (Octadecane-Diamond) with Laser Flash Analysis", Journal of KONES, 26(4), pp. 211-218.
• [9] Han, T., Khalighi, B., Yen, E., and Kaushik, S., 2018, "Li-Ion Battery Pack Thermal Management: Liquid Versus Air Cooling", Journal of Thermal Science and Engineering Applications, 11(2), pp. 021009 (9 pages).
• [10] Kane, M., 2021, "Mercedes-Benz EQS Charging Analysis Reveals It's Faster Than Plaid", InsideEVs [Online]. Available: https://insideevs.com/news/522577/mercedes-eqs-fast-charging-analysis/. [Accessed: 28- Sep- 2021].
• [11] Perrin, E., 2019, "MY19 Cell Cycling - MIT Motorsports", MIT Motorsports [Online]. Available:https://fsae.mit.edu/blog/2019/10/30/my19-cell-cycling. [Accessed: 27- Sep- 2021].
• [12] 2021, "MODEL S 2021 + OWNER'S MANUAL", Tesla.com [Online]. Available: https://www.tesla.com/sites/default/files/model_s_owners_manual_north_america_en_us.pdf. [Accessed: 28- Sep- 2021].
• [13] 2021, "NIO ES8 Obtains European Whole Vehicle Type Approval", Nio.com [Online]. Available: https://www.nio.com/news/nio-es8-obtains-european-whole-vehicle-type-approval. [Accessed: 28- Sep-2021].
• [14] Love, C. and Gaskins, A., 2012. Performance Loss of Lithium Ion Polymer Batteries Subjected to Overcharge and Overdischarge Abuse. [online] Naval Research Laboratory. Available at: <https://apps.dtic.mil/sti/pdfs/ADA572554.pdf> [Accessed 10 October 2021].
• [15] Zhang, Y., Huang, J., Cao, M., Du, G., Liu, Z., and Li, W., 2021, "Preparation of Boron Nitride and Silicone Rubber Composite Material for Application in Lithium Batteries", Energies, 14(4), p. 999. Nr 4(161) - 2022 Rynek Energii Str. 45.
• [16] Wright, D., 2016, "Request for issuance of a new certificate of Conformity - 2017 MY Model S AWD", Iaspub.epa.gov [Online]. Available: https://dis.epa.gov/otaqpub/display_file.jsp?docid=38161&flag=1[Accessed: 28- Sep- 2021].
• [17] Dean, W., and Karu, Z., 1993, "Space Station thermal storage/refrigeration system research and development", NASA/ADS [Online]. Available: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1993lock.rept.....D/abstract. [Accessed: 28- Sep- 2021].
• [18] Ingineerix, 2021. Tesla Plaid - Battery Torn Open!. [video] Available at: <https://youtu.be/JRT32j-RZZc>[Accessed 18 November 2021].
• [19] 2020, "The eCitario Technical information.", Mercedes-benz-bus.com [Online]. Available: https://www.mercedes-benz-bus.com/content/dam/mbo/markets/common/buy/services-online/downloadtechnical-brochures/images/content/regular-service-buses/ecitaro/ecitaro-10-20/TI_eCitaro_2020_EN.pdf. [Accessed: 28- Sep- 2021].
• [20] Volkswagen Group of America, Inc., 2021. The Heat Pump from Volkswagen Design and Function. [online] Volkswagen Group of America, Inc. Available at: <https://static.nhtsa.gov/odi/tsbs/2016/MC-10121131-9999.pdf> [Accessed 10 October 2021].
• [21] Perry, T., 2020, "What Voltage Do Tesla Cars Run On? (Why Is It So High?)", Green Car future [Online]. Available: https://www.greencarfuture.com/electric/tesla-voltage. [Accessed: 28- Sep- 2021].

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).