Přehled technologie tepelného managementu 1
1.1 Řízení teploty baterie
Tepelný management baterií je klíčovou součástí systému tepelného managementu elektrických vozidel. Jeho hlavním cílem je zajistit, aby si akumulátor udržoval vhodnou provozní teplotu za různých provozních podmínek, aby byl zajištěn výkon, bezpečnost a životnost akumulátoru. Tepelný management baterie zahrnuje především dva aspekty: odvod tepla a ohřev. V následujícím textu budou podrobně popsány různé technické cesty k dosažení těchto dvou funkcí.
1.1.1 Odvod tepla baterie
1) Chlazení vzduchem. Chlazení vzduchem je relativně jednoduchý a levný způsob odvodu tepla. Odvádí teplo generované baterií přirozenou konvekcí nebo instalací ventilátoru pro nucené proudění vzduchu. Systém chlazení vzduchem spoléhá hlavně na chladič na povrchu baterie pro výměnu tepla, což je vhodné pro scénáře s nízkou hustotou výkonu nebo mírnou okolní teplotou. Vzhledem k malé měrné tepelné kapacitě vzduchu je však účinnost výměny tepla relativně omezená a schopnost rychlého chlazení u baterií s vysokým výkonem a vysokou hustotou energie je slabá.
2) Chlazení kapalinou. Kapalný chladicí roztok využívá jako teplonosné médium chladicí kapalinu (jako je voda, roztok etylenglykolu atd.), která je v přímém kontaktu s baterií prostřednictvím cirkulačního potrubí, aby bylo dosaženo účinného vedení tepla. Kapalinový chladicí systém dokáže přesně řídit teplotu baterie, zejména u vysoce výkonných elektrických vozidel. Zatímco účinně brání přehřátí baterie, zajišťuje rovnoměrné rozložení teploty baterie, čímž se zvyšuje životnost baterie a celkový výkon. Kapalinové chlazení má však určitá omezení. Systém kapalinového chlazení je složitější, existuje riziko úniku kapaliny, existují určité požadavky na odolnost materiálu proti korozi a zvyšují se náklady na údržbu.
3) Odvod tepla z materiálu Phase Change Material (PCM). Materiály s fázovou změnou mohou absorbovat velké množství latentního tepla během procesu fázového přechodu pevná látka-kapalina, čímž se dosáhne dobrého efektu rozptylu tepla. Při použití pro řízení teploty baterie lze PCM obalit kolem baterie nebo zabudovat do bateriového modulu, aby absorboval teplo, když teplota baterie vzroste, což hraje roli při pomalém uvolňování tepla. Výhodou PCM odvodu tepla je jeho konstantní teplotní charakteristika, která zabraňuje náhlému nárůstu teploty baterie, ale i nevýhody jsou poměrně zřejmé. Jeho tepelná vodivost je relativně nízká, rychlost odezvy je pomalá a cena materiálu je vysoká.
4) Tepelný odvod tepla. Tepelné trubice mohou přenášet teplo pomocí procesu změny fáze pracovní tekutiny bez vnějšího vstupu energie, aby se dosáhlo účinné tepelné vodivosti. V aplikacích tepelného managementu baterií mohou tepelné trubice rychle přenášet teplo z místních horkých míst a zlepšovat teplotní konzistenci celé sady baterií. Tepelné trubky mají výhody vysoké účinnosti přenosu tepla, malé velikosti a nízké hmotnosti, ale jejich struktura je složitá, výrobní náklady jsou relativně vysoké a pozornost by měla být věnována návrhu vhodného konce kondenzace, aby byla zajištěna účinnost odvodu tepla.
5) Přímý odvod tepla chlazením. Přímé chlazení se týká hlavně chladicího média (obvykle kapaliny), který proudí přímo bateriovým modulem nebo bateriovým článkem, aby účinně řídil provozní teplotu baterie. Tato konstrukce umožňuje povrchu baterie rychle odvádět teplo, což je zvláště vhodné pro situace s vysokou teplotou a vysokými nároky na energii. Přímé chlazení má však extrémně vysoké požadavky na utěsnění a jakmile dojde k úniku chladicí kapaliny, může způsobit vážné bezpečnostní riziko.
1.1.2 Vyhřívání baterie
1) PTC topení. Ohřívač s kladným teplotním koeficientem (PTC) je založen na efektu kladného teplotního koeficientu, to znamená, že odpor roste s teplotou. Proto může poskytovat stabilní tepelný výkon v prostředí s nízkou teplotou a zároveň automaticky omezovat svou vlastní teplotu, aby nebyla příliš vysoká. Topení PTC se široce používá v elektrických vozidlech pro pohodlí, jako je vyhřívání sedadel a přídavné topení klimatizačního systému v autě. Díky svým samoregulačním vlastnostem může poskytovat stabilní a účinné topné účinky a zároveň se vyhnout problémům způsobeným přehřátím. Jedná se o účinnou technologii vytápění. PTC topení je však elektrické topení, které zvýší celkovou spotřebu energie elektromobilů a sníží dojezd.
2) Vytápění tepelným čerpadlem. Klimatizační systém tepelného čerpadla absorbuje nízkoteplotní teplo z vnějšího prostředí prostřednictvím reverzního Carnotova cyklu a procesem stlačování a uvolňování tepla jej předává do baterie a kabiny. Ve srovnání s tradiční metodou vytápění PTC je tepelné čerpadlo energeticky účinnější v prostředí s nízkou teplotou, což pomáhá udržovat výkon vozidla. Konstrukce a provoz systémů tepelných čerpadel jsou však složitější, zejména za extrémně nízkých teplotních podmínek, kdy jejich výkon bude klesat. Z tohoto důvodu některé studie navrhly inovativní technologie, jako je zvýšení entalpie vstřikování vzduchu a dvouzdrojová tepelná čerpadla pro optimalizaci výkonu tepelného čerpadla při nízkých okolních teplotách.
