Razprava o tehnologiji toplotnega upravljanja akumulatorjev vozil na novo energijo
Baterije so glavni vir energije za nova energetska vozila. Akumulatorji med delovanjem vozila proizvajajo veliko toplote, s časom pa se toplota akumulira na razmeroma majhnem prostoru. Zaradi gostega zlaganja celic v baterijskem paketu je tudi težje do določene mere odvajati toploto v sredinskem območju, kar še povečuje temperaturno neskladnost med celicami. Posledično se bo učinkovitost polnjenja in praznjenja baterije zmanjšala, kar bo vplivalo na moč baterije. V hudih primerih bo povzročilo tudi toplotno uhajanje, kar bo vplivalo na varnost in življenjsko dobo sistema. Zlasti kar zadeva upravljanje temperature, lahko toplotni umik baterije povzroči požar in poslabšanje delovanja. Zato so raziskave o tehnologiji toplotnega upravljanja akumulatorjev vozil na novo energijo zelo pomembne za razvoj vozil na novo energijo.
1. Osnovne komponente sistema za termično upravljanje vozila
Sistem toplotnega upravljanja novih energetskih vozil vključuje štiri dele: baterijski sistem, motorni sistem, klimatski sistem in druge komponente. V primerjavi s toplotnim upravljanjem vozil na tradicionalna goriva je sistem toplotnega upravljanja novih energetskih vozil bolj zapleten. Akumulatorski sistem je bistvena komponenta novih energetskih vozil. Inženirji morajo začeti s toplotnim upravljanjem akumulatorskega sistema, da oblikujejo dober sistem toplotnega upravljanja za celotno vozilo.
Od rojstva novih energetskih vozil so strokovnjaki in učenjaki v sorodnih panogah opravili veliko raziskav o odvajanju toplote njihovih baterij in dosegli veliko rezultatov. Glavni način hlajenja pri toplotnem upravljanju akumulatorja se je spremenil iz zračnega hlajenja v tekočinsko hlajenje, hlajenje materiala s spremembo faze in hlajenje toplotnih cevi. V nadaljevanju so analizirane tehnologije hlajenja, kot so zračno hlajenje, hlajenje s tekočino, hlajenje materiala s fazno spremembo in hlajenje toplotnih cevi.
2.1 Zračno hlajenje
Zračno hlajenje je metoda odvajanja toplote, ki uporablja zrak kot medij in izkorišča toplotno konvekcijo v zraku, da omogoči bateriji neposredno izmenjavo toplote z zrakom, s čimer se zmanjša temperatura baterije. Zračno hlajenje lahko razdelimo na naravno hlajenje in prisilno hlajenje glede na to, ali se uporablja ventilator. Uporablja se naravno zračno hlajenje brez ventilatorja; uporablja se prisilno zračno hlajenje z ventilatorjem. Veliko število študij je pokazalo, da je učinek odvajanja toplote pri prisilnem hlajenju z zrakom veliko večji kot pri naravnem hlajenju z zrakom.
Zračno hlajenje lahko razdelimo tudi na serijsko in vzporedno hlajenje glede na različne strukture odvajanja toplote. Pri metodi serijskega hlajenja zračni tok teče z ene strani in izteka z druge strani. Ta metoda bo privedla do slabega hlajenja baterij daleč stran od kanala dovoda zraka, neenakomernega odvajanja toplote baterij in velikih temperaturnih razlik v baterijah; pri metodi vzporednega hlajenja zračni tok običajno vstopa od spodaj in izteka od zgoraj. Kot je razvidno iz slike, lahko tok hladilnega zraka v bistvu teče skozi površino vsake baterije, zato bo temperaturna razlika med vsako baterijo manjša kot pri serijskem hlajenju, vendar prinaša tudi problem neenakomerne porazdelitve toplote.
2.2 Tekočinsko hlajenje
Tehnologija tekočinskega hlajenja napajalne baterije je ena od tehnologij upravljanja toplote. Ta tehnologija običajno uporablja hladilno tekočino z visokim koeficientom prenosa toplote, ki omogoča izmenjavo toplote baterije s hladilno tekočino in s tem zniža temperaturo baterije.
Primerjali in analizirali smo zmogljivost odvajanja toplote zračno hlajenih in tekočinsko hlajenih baterij. Rezultati kažejo, da je najvišja temperatura paketa baterij nižja in da je konsistentnost temperature boljša v tekočem hladilnem sistemu. Tekočinsko hlajenje je izjemno učinkovit način odvajanja toplote, njegov koeficient prenosa toplote pa je višji kot pri zračnem hlajenju. Tekočinski hladilni sistem električnih vozil lahko razdelimo na neposredni in posredni stik glede na obliko stika med izolacijsko tekočino in baterijo. Oblika potopitve baterijske celice ali modula v tekočino za izmenjavo toplote je oblika neposrednega kontakta; poleg tega je mogoče nastaviti hladilni kanal med baterijskimi moduli ali pa uporabiti hladilno ploščo na dnu baterije. Toplota akumulatorja se preko hladilne plošče prenese na hladilno tekočino. Ta oblika tekočega hlajenja je posreden stik. Ti dve obliki imata visoke zahteve glede zrakotesnosti tekočinskega hladilnega sistema. Poleg tega so zahteve glede mehanske trdnosti visoke, zajamčene pa je treba odpornost proti vibracijam in življenjska doba hladilnega sistema.
Tekočinski hladilni sistem električnega vozila je v glavnem sestavljen iz hladilne tekočine, hladilne plošče, elektronske vodne črpalke, temperaturnega senzorja, radiatorja itd. Kompresor kot vir energije za hlajenje določa zmogljivost izmenjave toplote celotnega sistema. Hladilnik (hladilna naprava) igra vlogo izmenjave hladilnega in hladilnega sredstva, količina toplotne izmenjave pa neposredno določa temperaturo hladilnega sredstva. Vodna črpalka določa pretok hladilne tekočine v cevovodu. Hitrejši kot je pretok, boljša je učinkovitost izmenjave toplote in obratno.
2.3 Hlajenje materiala s spremembo faze
Tehnologija odvajanja toplote s fazno spremenljivimi materiali (PCM) uporablja načelo, da fazno spremenljivi materiali absorbirajo toploto, ko so podvrženi fazni spremembi. Material za fazno spremembo je nameščen okoli paketa baterij in pod določenimi pogoji doseže temperaturo za fazno spremembo. Material za spremembo faze je podvržen spremembi faze in absorbira toploto, ki nastane med delovanjem baterije, s čimer se učinkovito izogne procesu pregrevanja baterijskega modula. Ker je proces fazne spremembe proces s konstantno temperaturo, je mogoče temperaturo akumulatorja dobro vzdrževati blizu temperature fazne spremembe materiala za fazno spremembo, s čimer preprečimo, da bi temperatura akumulatorja še naprej naraščala. Vendar pa uporaba hlajenja materiala s fazno spremembo zahteva pozornost na težave s tesnjenjem in bo povečala prostornino paketa baterij in zmanjšala energijsko gostoto. Poleg tega se lahko funkcija ohranjanja toplote ohrani le v omejenem času parkiranja. Dolgoročno predgretje baterije je še vedno odvisno od vgrajenega vira toplote, ohranjanje toplote pa običajno zahteva nižjo toplotno prevodnost, kar lahko povzroči težave z neenakomerno porazdelitvijo temperature.
2.4 Hlajenje toplotne cevi
Hlajenje s toplotno cevjo razdeli toplotno cev na odsek za izhlapevanje, odsek za prenos toplote in odsek za kondenzacijo. Njegovo glavno načelo odvajanja toplote je odvajanje toplote v paketu baterij skozi odsek izhlapevanja toplotne cevi, ki absorbira toploto. Toplota v izparilnem delu se zaradi nastale tlačne razlike prenese v kondenzacijski del skozi srednji del toplotne cevi, s čimer se doseže učinkovito toplotno upravljanje baterijskega paketa. V zvezi z raziskavo o hlajenju toplovodnih cevi so primerjali hladilne učinke treh načinov hlajenja napajalnih baterij, in sicer zračnega, tekočinskega in toplovodnega hlajenja. Rezultati kažejo, da ima hlajenje s toplotnimi cevmi najboljši hladilni učinek na baterijskih paketih.
