Il Battery Thermal Management System (BTMS) è una componente cruciale in molti sistemi che prevedono l’utilizzo di pacchi batteria, in quanto pemette di gestire in modo efficiente la temperatura delle celle batterie. Una corretta gestione termica è fondamentale per garantire l’efficienza, la durata e la sicurezza delle batterie. In questo articolo, scopriremo come funziona il BTMS e analizzeremo i diversi tipi di sistemi di gestione termica utilizzati nei veicoli elettrici.
Come funziona il BTMS
Quando si parla di BTMS, si fa riferimento ad un sistema che si basa sui principi della termodinamica e della conduzione termica per controllare la temperatura delle batterie. Prendendo come esempio le batterie dei veicoli elettrici, queste possono generare una notevole quantità di calore durante la carica rapida o durante l’utilizzo prolungato. Un BTMS efficace deve essere in grado di raffreddare le batterie quando la temperatura diventa troppo elevata e riscaldarle invece quando è troppo bassa.
Uno dei principali metodi di gestione termica è il sistema di raffreddamento a liquido. In questo sistema viene utilizzato un fluido termoconduttivo, che viene fatto circolare attraverso un circuito chiuso, passando tra le celle della batteria e uno scambiatore di calore esterno. Circolando attraverso il circuito, il fluido assorbe il calore generato dalle batterie e lo dissipa nell’ambiente attraverso lo scambiatore di calore, mantenendo così la temperatura delle batterie entro un range ottimale.
Un altro approccio abbastanza comune è quello che prevede l’impiego di un sistema di raffreddamento ad aria per raffreddare le batterie. Quindi l’aria dell’ambiente viene convogliata attraverso le celle batterie per dissipare il calore generato. Sebbene il raffreddamento ad aria sia più semplice ed economico da implementare rispetto al raffreddamento a liquido, può risultare meno efficiente in termini di dissipazione del calore (soprattutto in condizioni di carico elevato).
Oltre al raffreddamento, alcuni BTMS includono anche un sistema di riscaldamento. Questo è particolarmente utile in climi freddi, dato che le basse temperature possono influire negativamente sulle prestazioni delle batterie. In questo modo, un sistema di riscaldamento può contribuire a ridurre la perdita di capacità ed ottimizzare l’efficienza delle batterie.
Tipi di Battery Thermal Management System nei veicoli elettrici
Per capirne il funzionamento fino in fondo è importante specificare che esistono diverse tipologie di sistemi di gestione termica, che variano in base al design e alle tecnologie impiegate.
- Raffreddamento a liquido:
- Sistemi a circolazione diretta: il fluido termoconduttivo viene pompato direttamente all’interno dei pacchi batterie per dissipare il calore.
- Sistemi a circolazione indiretta: il fluido termoconduttivo circola attraverso uno scambiatore di calore separato dalle batterie, assorbendo il calore e dissipandolo nell’ambiente.
- Raffreddamento ad aria:
- Sistemi a ventilazione forzata: per dissipare il calore generato l’aria viene convogliata utilizzando delle ventole.
- Sistemi a convezione naturale: l’aria calda generata dalle batterie si “alza”, creando un flusso d’aria naturale che aiuta a raffreddare le batterie.
- Combinazione di raffreddamento a liquido e ad aria
Vantaggi e svantaggi
Naturalmente ogni soluzione presenta sia dei vantaggi che svantaggi, ed è utile notare che in diversi veicoli elettrici vengono utilizzati dei BTMS che combinano sistemi di raffreddamento a liquido e ad aria per massimizzare l’efficienza termica.
| Tipo di Sistema | Vantaggi | Svantaggi |
| Raffreddamento a liquido | Elevata efficienza di raffreddamento | Costi di implementazione più elevati |
| Controllo preciso della temperatura delle batterie | Richiede un sistema di distribuzione del liquido termoconduttivo | |
| Minore impatto sulle prestazioni delle batterie in condizioni climatiche estreme | Possibili rischi di perdite o guasti del sistema | |
| Possibilità di riscaldamento controllato per migliorare le prestazioni in climi freddi | ||
| Raffreddamento ad aria | Implementazione più semplice e meno costosa | Minore efficienza di raffreddamento rispetto al raffreddamento a liquido |
| Nessun sistema di distribuzione del liquido termoconduttivo richiesto | Possibili limitazioni nelle prestazioni delle batterie in condizioni di carico elevato | |
| Buona dissipazione del calore in condizioni di utilizzo normale | Potenziale accumulo di calore in condizioni di carico prolungato | |
| Combinazione di liquido e aria | Massimizzazione dell’efficienza termica attraverso l’uso combinato dei due sistemi | Complessità aggiuntiva nella progettazione e nell’implementazione |
| Possibilità di sfruttare i vantaggi di entrambi i sistemi in diverse situazioni | Possibili costi aggiuntivi per la combinazione di sistemi | |
| Maggiore flessibilità nella gestione termica delle batterie in diverse condizioni |
Un BTMS è generalmente progettato per essere un sistema completo plug-and-play, che comprende tutti gli elementi necessari per funzionare e semplificando il compito all’ingegnere elettrico. Ad esempio, nei veicoli elettrici potrebbe essere presente un controllore master integrato, che comunica con l’unità di controllo del veicolo (VCU) per ottenere i dati riguardanti la temperatura media del pacco batterie e la modalità di funzionamento selezionata per il BTMS.
Considerando un BTMS tipico, questo includerà anche più sensori di pressione e temperatura per consentire al controller di monitorare in modo ottimale il funzionamento. Allo stesso tempo, il controller del BTMS invia le informazioni critiche e codici di guasto alla VCU per facilitare il monitoraggio del veicolo, la diagnostica e la risoluzione dei problemi.
Conclusione
Il Battery Thermal Management System (BTMS) è un componente essenziale dei veicoli elettrici per garantire il corretto funzionamento e la durata delle batterie. Di conseguenza, la gestione termica efficace attraverso sistemi di raffreddamento a liquido, ad aria o una combinazione dei due è fondamentale per mantenere la temperatura delle batterie all’interno di una gamma ottimale. Gli sviluppi nel campo dell’ingegneria elettrica, dell’industria meccanica e delle scienze fisiche stanno continuamente contribuendo a migliorare i sistemi di gestione termica delle batterie, rendendo i veicoli elettrici sempre più efficienti ed affidabili.
