Eine einzelne Zelle lädt in einer offenen Schale mit ringsum Luft; ein Pack lädt in einem beengten Volumen, in dem innere Zellen nicht so leicht Wärme abgeben können wie Oberflächenzellen und in dem eine heiße Zelle das Verhalten der gesamten Kette verändern kann. Das thermische Management auf Pack-Ebene ist daher eine Voraussetzung für das Schnellladen mehrzelliger NiMH, kein nachträglicher Punkt. Diese Arbeit behandelt die thermische Auslegung eines ladenden NiMH-Packs – wie Wärme entsteht und verteilt wird, wie Wärmeleit- und Luftstrompfade anzulegen sind, wo Temperatursensoren sitzen müssen und wie viele nötig sind, und warum der Ladestrom immer von der heißesten und nicht der durchschnittlichen Zelle bestimmt werden muss – um jede Zelle innerhalb des Betriebsbereichs zu halten, den die Einzelzell-Arbeiten definieren.
Innerhalb eines Packs variieren die Wärmequellen: Innere Zellen haben einen höheren Wärmewiderstand zur Umgebung und laufen heißer als Randzellen; Zellen mit geringfügig höherem Innenwiderstand erzeugen mehr I-Quadrat-R-Wärme; und die ersten Zellen, die Vollladung erreichen, treten in die exotherme Rekombination ein, während andere noch Ladung aufnehmen, was die Wärme an den bereits am weitesten fortgeschrittenen Stellen konzentriert. So entstehen thermische Gradienten und verschärfen sich durch das Endladeband selbst bei nominell gematchten Zellen.
Eine zusammengefasste „Pack-Temperatur“ verdeckt diese Gradienten; die Auslegung muss das räumliche Temperaturfeld betrachten, das ein mehrknotiges elektrothermisches Netzwerk (Paper 18) vor der Prototypenerstellung aus Geometrie und Verlusten vorhersagen kann.
Zellen sind so anzuordnen, dass jede einen definierten Wärmeabfuhrweg hat: wärmeleitende Halter oder Verguss, die Zellen mit einem Chassis oder der Außenwand verbinden, metallische Trägerrahmen, die Wärme verteilen, und die Vermeidung vollständig isolierter Innenstapel ohne Weg nach außen. Zylindrische Zellen in engem Kontakt leiten Wärme zwischen Nachbarn – hilfreich für die Verteilung, aber in der Lage, einen Hotspot auszubreiten –, sodass Abstand, Leitfähigkeit der Halter und Kontaktdruck Designgrößen mit echter Auswirkung auf die Spitzentemperatur während des Ladens sind.
Bei Hochleistungs-Packs macht thermisches Interface-Material zu einer wärmeverteilenden Platte oder Gehäusewand das gesamte Gehäuse zum Kühlkörper; der aufrechtzuerhaltende Ladestrom wird letztlich durch den Wärmewiderstand dieser Kette zur Umgebung bestimmt.
Wo Konvektion verfügbar ist, sollten Lüftungskanäle mit der natürlichen Auftriebsrichtung übereinstimmen und tote Ecken vermeiden; Zellen mit Abstand zu positionieren, damit Luft zirkulieren kann, schlägt für das Schnellladen einen dicht gepackten Block, selbst bei geringem Volumennachteil. Erzwungener Luftstrom während des Ladens flacht Gradienten erheblich ab und erlaubt höheren Strom, aber die Steuerung sollte den Lüfterzustand kennen – ein blockierter Lüfter verändert den Wärmewiderstand, und das Ladeprofil muss auf den Fall ohne Luftstrom heruntergesetzt werden, statt eine ausgefallene Kühlung anzunehmen.
Das Schalten des Lüfters erzeugt zudem dT/dt-Störungen (Paper 7), sodass der thermische Abschluss gefilterte Messwerte verwenden und nicht einen lüfterbedingten Kühlschritt für einen sicheren Zustand halten sollte.
NTCs müssen die Zellen messen, die am wahrscheinlichsten am heißesten werden – geometrisch innere Positionen, am nächsten zu einer externen Wärmequelle und (wo bekannt) die Zellen mit dem höchsten Widerstand – und nicht die leicht zugänglichen äußeren Zellen. Ein einziger Sensor ist nur für kleine, nahezu isotherme Packs akzeptabel; größere Packs brauchen mehrere, und Ladestrom sowie Abschluss werden vom höchsten Messwert bestimmt: Die heißeste Zelle setzt die Rekombinations- und Alterungsgrenze für die gesamte Kette, da der Strom allen seriellen Zellen gemeinsam ist.
Gute mechanische Kopplung (Paper 7) – der Sensor ist an eine Zelle geclipst oder geklebt, nicht an die PCB – und eine Sensorfehlerprüfung vervollständigen die Sensorauslegung; eine ungemessene heiße Zelle ist die klassische Ursache von Überladevorfällen auf Pack-Ebene.
Der Pack-Controller verbindet das räumliche thermische Bild mit dem elektrischen Bild pro Zelle: Strom ab der heißesten Zelle reduzieren, die Kette beenden, wenn die ersten Zellen die gültigen Stoppkriterien erreichen, und Balancing (die nächsten Arbeiten) nutzen, um die Streuung zu verringern, die heiße Zellen erzeugt. Die erste Abbildung stellt Temperaturverteilungen in einem ungemanagten und einem thermisch gemanagten Pack gegenüber; die zweite sequenziert den Regelkreis der Heißeste-Zelle-Steuerung.
Das Vorhersagen des Feldes mit einem thermischen Modell, die Bestätigung durch thermoelementinstrumentierte Prototyp-Ladungen bei ungünstigster Umgebung und blockiertem Luftstrom und die Validierung, dass keine Zelle ihren Einzelzell-Bereich überschreitet, ist das Pack-Äquivalent der Einzelzell-Qualifizierung.
Weijiang unterstützt Pack-Integratoren mit Anleitung zu Zellabstand und Thermik, Einzelzell-Wärmeentwicklungsdaten zur Befüllung von Pack-Thermmodellen und der Auswahl gematchter Zellen, die den inhärenten, Gradienten antreibenden Streu verringert. Ein thermisch solider Pack ist es, was die mehrzelligen Serien- und Balancing-Techniken der nächsten beiden Arbeiten überhaupt erst funktionieren lässt, denn Balancing kann eine Zelle nicht retten, die die Wärme aus ihrem sicheren Ladebereich gedrängt hat.
Weijiang Power entwirft und fertigt NiMH-Zellen, abgeglichene Packs und ladebereite Konfigurationen für Verbraucher-, Industrie-, Medizin- und Mobilitätskunden und unterstützt Partner mit Beratung zu Ladeprotokollen, IEC-61951-2-Leistungsdateien, IEC-62133-1-Sicherheitsnachweisen und der Co-Validierung von Ladegeräten. Nennen Sie Zellformat, Ladestrom, thermischen Rahmen und Zyklenziel, dann legen unsere Ingenieure eine Zell-Lade-Kombination aus, die sowohl Laufzeit als auch Lebensdauer schützt. Die Palette finden Sie auf der Produktseite.
