Prehľad technológie tepelného manažmentu 1
1.1 Tepelný manažment batérie
Tepelný manažment batérie je kľúčovou súčasťou systému tepelného manažmentu elektrických vozidiel. Jeho hlavným cieľom je zabezpečiť, aby si akumulátor udržal vhodnú prevádzkovú teplotu za rôznych prevádzkových podmienok, aby sa zaistil výkon, bezpečnosť a životnosť akumulátora. Tepelný manažment batérie zahŕňa najmä dva aspekty: odvod tepla a ohrev. Nasleduje podrobný popis rôznych technických ciest na dosiahnutie týchto dvoch funkcií.
1.1.1 Odvod tepla batérie
1) Chladenie vzduchom. Chladenie vzduchom je relatívne jednoduchý a lacný spôsob odvodu tepla. Odvádza teplo generované batériou prirodzenou konvekciou alebo inštaláciou ventilátora na nútené prúdenie vzduchu. Systém chladenia vzduchom sa pri výmene tepla spolieha hlavne na chladič na povrchu batérie, čo je vhodné pre scenáre s nízkou hustotou výkonu alebo miernou okolitou teplotou. Avšak kvôli malej špecifickej tepelnej kapacite vzduchu je účinnosť výmeny tepla relatívne obmedzená a schopnosť rýchleho chladenia pre batérie s vysokým výkonom a vysokou hustotou energie je slabá.
2) Chladenie kvapalinou. Kvapalné chladiace riešenie využíva chladiacu kvapalinu (ako je voda, roztok etylénglykolu atď.) ako teplonosné médium, ktoré je v priamom kontakte s batériou cez cirkulačné potrubie, aby sa dosiahlo efektívne vedenie tepla. Kvapalinový chladiaci systém dokáže presne regulovať teplotu batérie, najmä pri vysokovýkonných elektrických vozidlách. Zatiaľ čo účinne bráni prehriatiu batérie, zaisťuje rovnomerné rozloženie teploty batérie, čím sa zvyšuje životnosť batérie a celkový výkon. Kvapalinové chladenie má však určité obmedzenia. Systém chladenia kvapaliny je zložitejší, existuje riziko úniku kvapaliny, existujú určité požiadavky na odolnosť materiálu proti korózii a zvyšujú sa náklady na údržbu.
3) Odvod tepla materiálu s fázovou zmenou (PCM). Materiály s fázovou zmenou môžu absorbovať veľké množstvo latentného tepla počas procesu fázového prechodu tuhá látka-kvapalina, čím sa dosiahne dobrý efekt rozptylu tepla. Pri použití na riadenie teploty batérie môže byť PCM obalený okolo batérie alebo zabudovaný do batériového modulu, aby absorboval teplo, keď teplota batérie stúpne, čo zohráva úlohu pri pomalom uvoľňovaní tepla. Výhodou PCM odvodu tepla je jeho konštantná teplotná charakteristika, ktorá zabraňuje náhlemu zvýšeniu teploty batérie, ale aj nevýhody sú pomerne zrejmé. Jeho tepelná vodivosť je relatívne nízka, rýchlosť odozvy je pomalá a cena materiálu je vysoká.
4) Odvod tepla tepelným potrubím. Tepelné trubice môžu prenášať teplo pomocou procesu fázovej zmeny pracovnej tekutiny bez externého vstupu energie, aby sa dosiahla efektívna tepelná vodivosť. V aplikáciách tepelného manažmentu batérie môžu tepelné trubice rýchlo prenášať teplo z miestnych horúcich miest a zlepšiť teplotnú konzistenciu celej batérie. Tepelné rúrky majú výhody vysokej účinnosti prenosu tepla, malej veľkosti a nízkej hmotnosti, ale ich štruktúra je zložitá, výrobné náklady sú relatívne vysoké a pozornosť by sa mala venovať navrhnutiu vhodného kondenzačného konca, aby sa zabezpečila účinnosť odvádzania tepla.
5) Priamy odvod tepla chladením. Priame chladenie sa vzťahuje hlavne na chladiace médium (zvyčajne kvapalinu), ktoré prúdi priamo cez modul batérie alebo článok batérie, aby sa účinne regulovala prevádzková teplota batérie. Tento dizajn umožňuje povrchu batérie rýchlo odvádzať teplo, čo je obzvlášť vhodné pre situácie s vysokou teplotou a vysokým dopytom po energii. Priame chladenie má však extrémne vysoké požiadavky na tesnenie a akonáhle dôjde k úniku chladiacej kvapaliny, môže spôsobiť vážne bezpečnostné riziká.
1.1.2 Vyhrievanie batérie
1) Vykurovanie PTC. Ohrievač s kladným teplotným koeficientom (PTC) je založený na efekte kladného teplotného koeficientu, to znamená, že odpor sa zvyšuje s teplotou. Preto môže poskytnúť stabilný tepelný výkon v prostredí s nízkou teplotou, pričom automaticky obmedzuje svoju vlastnú teplotu, aby nebola príliš vysoká. Vykurovanie PTC je široko používané v elektrických vozidlách pre pohodlie, ako je vyhrievanie sedadiel a prídavné kúrenie klimatizačného systému v aute. Vďaka svojim samoregulačným vlastnostiam môže poskytnúť stabilné a efektívne vykurovacie účinky a zároveň sa vyhnúť problémom spôsobeným prehriatím. Ide o efektívnu technológiu vykurovania. PTC vykurovanie je však elektrické vykurovanie, ktoré zvýši celkovú spotrebu energie elektrických vozidiel a zníži dojazd.
2) Vykurovanie tepelným čerpadlom. Klimatizačný systém tepelného čerpadla absorbuje nízkoteplotné teplo z vonkajšieho prostredia prostredníctvom reverzného Carnotovho cyklu a procesom stláčania a uvoľňovania tepla ho prenáša do batérie a kabíny. V porovnaní s tradičnou metódou vykurovania PTC je tepelné čerpadlo energeticky účinnejšie v prostredí s nízkou teplotou, čo pomáha udržiavať výkon vozidla. Konštrukcia a prevádzka systémov tepelných čerpadiel sú však komplikovanejšie, najmä v podmienkach extrémne nízkych teplôt, kde bude ich výkon klesať. Z tohto dôvodu niektoré štúdie navrhli inovatívne technológie, ako je zvýšenie entalpie vstrekovania vzduchu a dvojzdrojové tepelné čerpadlá na optimalizáciu výkonu tepelného čerpadla pri nízkych okolitých teplotách.
