Diskusia o technológii tepelného manažmentu batérií nových energetických vozidiel
Napájacie batérie sú hlavným zdrojom energie pre nové energetické vozidlá. Batérie vytvárajú počas prevádzky vozidla veľké množstvo tepla a postupom času sa teplo akumuluje na relatívne malom priestore. V dôsledku hustého nahromadenia článkov v batériovom bloku je tiež ťažšie odvádzať teplo v strednej oblasti do určitej miery, čo zhoršuje teplotný nesúlad medzi článkami. V dôsledku toho sa zníži účinnosť nabíjania a vybíjania batérie, čo má vplyv na výkon batérie. V závažných prípadoch to tiež povedie k úniku tepla, čo ovplyvní bezpečnosť a životnosť systému. Najmä pokiaľ ide o riadenie teploty, tepelný únik batérie môže spôsobiť požiar a zníženie výkonu. Preto má výskum technológie tepelného manažmentu batérií nových energetických vozidiel veľký význam pre vývoj nových energetických vozidiel.
1. Základné komponenty systému tepelného manažmentu vozidla
Systém tepelného manažmentu nových energetických vozidiel zahŕňa štyri časti: batériový systém, motorový systém, klimatizačný systém a ďalšie komponenty. V porovnaní s tepelným manažmentom vozidiel na tradičné palivá je systém tepelného manažmentu nových energetických vozidiel zložitejší. Batériový systém je dôležitou súčasťou nových energetických vozidiel. Inžinieri musia začať s tepelným manažmentom batériového systému, aby navrhli dobrý tepelný manažment pre celé vozidlo.
Od zrodu nových energetických vozidiel odborníci a učenci v príbuzných odvetviach vykonali množstvo výskumov o rozptyle tepla ich batérií a dosiahli množstvo výsledkov. Hlavný spôsob chladenia tepelného manažmentu batérie sa zmenil z chladenia vzduchom na chladenie kvapalinou, chladenie materiálu s fázovou zmenou a chladenie tepelnými trubicami. Nasledujúca časť analyzuje chladiace technológie, ako je chladenie vzduchom, kvapalinové chladenie, chladenie materiálu s fázovou zmenou a chladenie tepelnými trubicami.
2.1 Chladenie vzduchom
Chladenie vzduchom je metóda rozptylu tepla, ktorá využíva vzduch ako médium a využíva konvekciu tepla vo vzduchu, aby si batéria mohla priamo vymieňať teplo so vzduchom, čím sa znižuje teplota batérie. Vzduchové chladenie môžeme rozdeliť na prirodzené chladenie a nútené chladenie podľa toho, či je použitý ventilátor. Prirodzené chladenie vzduchom sa používa bez ventilátora; používa sa nútené chladenie vzduchom s ventilátorom. Veľký počet štúdií ukázal, že účinok chladenia núteným vzduchom na odvod tepla je oveľa vyšší ako účinok prirodzeného chladenia vzduchom.
Vzduchové chladenie možno tiež rozdeliť na sériové chladenie a paralelné chladenie podľa rôznych štruktúr odvodu tepla. Pri sériovom spôsobe chladenia prúdi vzduch z jednej strany a vyteká z druhej strany. Tento spôsob povedie k slabému chladeniu batérií ďaleko od kanála prívodu vzduchu, nerovnomernému odvodu tepla z batérií a veľkým teplotným rozdielom v batériách; pri metóde paralelného chladenia prúd vzduchu vo všeobecnosti vstupuje zdola a prúdi zhora. Ako je vidieť z obrázku, prúd chladiaceho vzduchu môže v podstate prúdiť cez povrch každej batérie, takže teplotný rozdiel medzi jednotlivými batériami bude menší ako pri sériovom chladení, no prináša to aj problém nerovnomerného rozloženia tepla.
2.2 Chladenie kvapalinou
Technológia kvapalinového chladenia napájacej batérie je jednou z technológií tepelného manažmentu. Táto technológia zvyčajne využíva chladiacu kvapalinu s vysokým koeficientom prestupu tepla, aby si batéria vymieňala teplo s chladiacou kvapalinou, čím sa znižuje teplota batérie.
Porovnával sa a analyzoval výkon odvádzania tepla vzduchom chladených a kvapalinou chladených batériových jednotiek. Výsledky ukazujú, že maximálna teplota batérie je nižšia a teplotná konzistencia je lepšia v kvapalinovom chladiacom systéme. Kvapalinové chladenie je mimoriadne účinný spôsob odvádzania tepla a jeho koeficient prestupu tepla je vyšší ako pri chladení vzduchom. Kvapalinový chladiaci systém elektrických vozidiel možno rozdeliť na priamy kontakt a nepriamy kontakt podľa formy kontaktu medzi izolačnou kvapalinou a batériou. Forma ponorenia batériového článku alebo modulu do kvapaliny na výmenu tepla je formou priameho kontaktu; okrem toho je možné medzi batériovými modulmi nastaviť chladiaci kanál alebo použiť chladiacu dosku v spodnej časti batérie. Teplo z napájacej batérie sa prenáša do chladiacej kvapaliny cez chladiacu dosku. Táto forma chladenia kvapaliny je nepriamy kontakt. Tieto dve formy majú vysoké požiadavky na vzduchotesnosť kvapalinového chladiaceho systému. Okrem toho sú požiadavky na mechanickú pevnosť vysoké a je potrebné zaručiť odolnosť voči vibráciám a požiadavky na životnosť chladiaceho systému.
Kvapalný chladiaci systém elektrického vozidla sa skladá hlavne z chladiacej kvapaliny, chladiacej dosky, elektronického vodného čerpadla, teplotného snímača, chladiča atď. Kompresor ako zdroj chladiacej energie určuje kapacitu výmeny tepla celého systému. Chladič (chladiace zariadenie) zohráva úlohu výmeny chladiva a chladiacej kvapaliny a množstvo výmeny tepla priamo určuje teplotu chladiacej kvapaliny. Vodné čerpadlo určuje prietok chladiacej kvapaliny v potrubí. Čím rýchlejší je prietok, tým lepší je výkon výmeny tepla a naopak.
2.3 Chladenie materiálu s fázovou zmenou
Technológia odvádzania tepla materiálu s fázovou zmenou (PCM) využíva princíp, že materiály s fázovou zmenou absorbujú teplo, keď prechádzajú fázovou zmenou. Materiál s fázovou zmenou je umiestnený okolo batérie a za určitých podmienok dosahuje teplotu fázovej zmeny. Materiál s fázovou zmenou prechádza fázovou zmenou a absorbuje teplo generované pri prevádzke batérie, čím sa účinne predchádza procesu prehriatia batériového modulu. Pretože proces zmeny fázy je proces s konštantnou teplotou, teplota batérie môže byť dobre udržiavaná v blízkosti teploty fázovej zmeny materiálu fázovej zmeny, čím sa potláča pokračujúce zvyšovanie teploty batérie. Použitie chladenia materiálu s fázovou zmenou si však vyžaduje pozornosť na problémy s tesnením a zvýši objem batérie a zníži hustotu energie. Okrem toho je možné zachovať funkciu tepelnej ochrany len počas obmedzeného parkovacieho času. Dlhodobé predhrievanie batérie stále závisí od vstavaného zdroja tepla a zachovanie tepla vo všeobecnosti vyžaduje nižšiu tepelnú vodivosť, čo môže spôsobiť problémy s nerovnomerným rozložením teploty.
2.4 Chladenie tepelným potrubím
Chladenie tepelnej trubice má rozdeliť tepelnú trubicu na odparovaciu sekciu, sekciu prenosu tepla a kondenzačnú sekciu. Jeho hlavným princípom odvodu tepla je odvádzanie tepla v batériovej jednotke cez odparovaciu časť tepelnej trubice, ktorá absorbuje teplo. Teplo vo odparovacej časti sa prenáša do kondenzačnej časti cez strednú časť tepelnej trubice v dôsledku vzniknutého tlakového rozdielu, čím sa dosiahne efektívne tepelné riadenie akumulátora. Čo sa týka výskumu chladenia heatpipe, boli porovnané chladiace účinky troch spôsobov chladenia napájacích batérií, a to vzduchového, kvapalinového a heatpipe chladenia. Výsledky ukazujú, že najlepší chladiaci účinok na batériové jednotky má chladenie pomocou tepelných trubíc.
