Pregled tehnologije toplotnega upravljanja 1
1.1 Toplotno upravljanje baterije
Toplotno upravljanje baterije je ključna komponenta sistema za toplotno upravljanje električnih vozil. Njegov glavni cilj je zagotoviti, da baterijski paket ohranja primerno delovno temperaturo v različnih delovnih pogojih, da se zagotovi zmogljivost, varnost in življenjska doba baterije. Toplotno upravljanje baterije vključuje predvsem dva vidika: odvajanje toplote in ogrevanje. V nadaljevanju bodo podrobneje opisane različne tehnične poti za dosego teh dveh funkcij.
1.1.1 Odvajanje toplote baterije
1) Zračno hlajenje. Zračno hlajenje je razmeroma preprosta in poceni metoda odvajanja toplote. Odstranjuje toploto, ki jo proizvaja baterija, z naravno konvekcijo ali z namestitvijo ventilatorja za prisilni pretok zraka. Sistem zračnega hlajenja se za izmenjavo toplote v glavnem opira na hladilno telo na površini paketa baterij, kar je primerno za scenarije z nizkimi zahtevami glede gostote moči ali zmerno temperaturo okolja. Vendar pa je zaradi majhne specifične toplotne kapacitete zraka učinkovitost izmenjave toplote razmeroma omejena, sposobnost hitrega hlajenja za baterije z visoko močjo in gostoto energije pa je šibka.
2) Tekočinsko hlajenje. Tekočina za hlajenje uporablja hladilno tekočino (kot je voda, raztopina etilenglikola itd.) kot medij za prenos toplote, ki je v neposrednem stiku z baterijo skozi obtočno cev, da se doseže učinkovito prevajanje toplote. Tekočinski hladilni sistem lahko natančno nadzoruje temperaturo baterije, zlasti pri visoko zmogljivih električnih vozilih. Medtem ko učinkovito preprečuje pregrevanje baterije, zagotavlja, da je temperatura baterije enakomerno porazdeljena, s čimer se izboljša življenjska doba baterije in splošno delovanje. Vendar ima tekoče hlajenje določene omejitve. Sistem za hlajenje s tekočino je bolj zapleten, obstaja nevarnost puščanja tekočine, obstajajo določene zahteve glede odpornosti materiala proti koroziji, stroški vzdrževanja pa so povečani.
3) Odvajanje toplote materiala s spremembo faze (PCM). Materiali s fazno spremembo lahko absorbirajo veliko količino latentne toplote med procesom faznega prehoda med trdno in tekočo snovjo, s čimer dosežejo dober učinek odvajanja toplote. Ko se uporablja za upravljanje toplote baterije, se lahko PCM ovije okoli baterije ali vgradi v baterijski modul, da absorbira toploto, ko temperatura baterije naraste, in igra vlogo pri počasnem sproščanju toplote. Prednost odvajanja toplote PCM je njegova konstantna temperaturna značilnost, ki preprečuje nenaden dvig temperature baterije, vendar so tudi slabosti relativno očitne. Njegova toplotna prevodnost je razmeroma slaba, hitrost odziva je počasna, stroški materiala pa visoki.
4) Odvajanje toplote toplotne cevi. Toplotne cevi lahko prenašajo toploto z uporabo procesa fazne spremembe delovne tekočine brez zunanjega vnosa energije za doseganje učinkovite toplotne prevodnosti. V aplikacijah za toplotno upravljanje baterije lahko toplotne cevi hitro prenesejo toploto iz lokalnih vročih točk in izboljšajo temperaturno doslednost celotnega paketa baterij. Prednosti toplotnih cevi so visoka učinkovitost prenosa toplote, majhnost in majhna teža, vendar je njihova struktura zapletena, stroški izdelave so razmeroma visoki, zato je treba pozornost nameniti oblikovanju ustreznega kondenzacijskega konca, da se zagotovi učinkovitost odvajanja toplote.
5) Neposredno hlajenje odvajanje toplote. Neposredno hlajenje se v glavnem nanaša na hladilni medij (običajno tekočino), ki teče neposredno skozi baterijski modul ali baterijsko celico za učinkovit nadzor delovne temperature baterije. Ta zasnova omogoča, da površina baterije hitro odvaja toploto, kar je še posebej primerno za razmere visoke temperature in visoke porabe energije. Vendar ima neposredno hlajenje izjemno visoke zahteve za tesnjenje in ko hladilna tekočina pušča, lahko povzroči resne varnostne nevarnosti.
1.1.2 Ogrevanje baterije
1) PTC ogrevanje. Grelnik s pozitivnim temperaturnim koeficientom (PTC) temelji na učinku pozitivnega temperaturnega koeficienta, kar pomeni, da upor narašča s temperaturo. Zato lahko zagotovi stabilno toplotno moč v okolju z nizko temperaturo, medtem ko samodejno omeji lastno temperaturo, da ni previsoka. Ogrevanje PTC se pogosto uporablja v električnih vozilih za udobje, kot je ogrevanje sedežev in pomožno ogrevanje klimatske naprave v avtomobilu. Zaradi svojih samoregulacijskih lastnosti lahko zagotovi stabilne in učinkovite učinke ogrevanja, hkrati pa se izogne težavam, ki jih povzroča pregrevanje. Je učinkovita tehnologija ogrevanja. Je pa PTC ogrevanje električno ogrevanje, kar bo povečalo skupno porabo energije električnih vozil in zmanjšalo doseg.
2) Ogrevanje s toplotno črpalko. Klimatska naprava s toplotno črpalko absorbira nizkotemperaturno toploto iz zunanjega okolja skozi obratni Carnotov cikel in jo skozi proces kompresije in sproščanja toplote prenese v baterijo in kabino. V primerjavi s tradicionalno metodo ogrevanja PTC je toplotna črpalka bolj energetsko učinkovita v okolju z nizko temperaturo, kar pomaga vzdrževati zmogljivost vozila. Vendar sta zasnova in delovanje sistemov toplotnih črpalk bolj zapletena, zlasti v pogojih izjemno nizkih temperatur, kjer bo njihova učinkovitost upadla. Zaradi tega so nekatere študije predlagale inovativne tehnologije, kot je povečanje entalpije vbrizgavanja zraka in toplotne črpalke z dvojnim virom za optimizacijo delovanja toplotne črpalke pri nizkih temperaturah okolja.
