Jednou z kľúčových technológií vozidiel s novými energetickými systémami sú batérie. Kvalita batérií určuje na jednej strane cenu elektromobilov a na druhej strane dojazd elektromobilov. Kľúčovým faktorom pre ich prijatie a rýchle zavedenie.
Podľa charakteristík použitia, požiadaviek a oblastí použitia výkonových batérií sú typy výskumu a vývoja výkonových batérií doma aj v zahraničí zhruba tieto: olovené batérie, nikel-kadmiové batérie, nikel-metalhydridové batérie, lítium-iónové batérie, palivové články atď., medzi ktorými sa najväčšia pozornosť venuje vývoju lítium-iónových batérií.
Správanie sa pri generovaní tepla z batérie
Zdroj tepla, rýchlosť tvorby tepla, tepelná kapacita batérie a ďalšie súvisiace parametre modulu batérie úzko súvisia s povahou batérie. Teplo uvoľňované batériou závisí od chemickej, mechanickej a elektrickej povahy a charakteristík batérie, najmä od povahy elektrochemickej reakcie. Tepelná energia generovaná pri reakcii batérie sa dá vyjadriť ako reakčné teplo batérie Qr; elektrochemická polarizácia spôsobuje odchýlku skutočného napätia batérie od jej rovnovážnej elektromotorickej sily a strata energie spôsobená polarizáciou batérie sa vyjadruje ako Qp. Okrem reakcie batérie prebiehajúcej podľa reakčnej rovnice existujú aj niektoré vedľajšie reakcie. Medzi typické vedľajšie reakcie patrí rozklad elektrolytu a samovybíjanie batérie. Vedľajšie reakčné teplo generované v tomto procese je Qs. Okrem toho, pretože každá batéria bude mať nevyhnutne odpor, pri prechode prúdu sa generuje Jouleovo teplo Qj. Preto je celkové teplo batérie súčtom tepla nasledujúcich faktorov: Qt=Qr+Qp+Qs+Qj.
V závislosti od konkrétneho procesu nabíjania (vybíjania) sa líšia aj hlavné faktory, ktoré spôsobujú uvoľňovanie tepla v batérii. Napríklad, keď je batéria normálne nabitá, dominantným faktorom je Qr; a v neskoršej fáze nabíjania batérie, v dôsledku rozkladu elektrolytu, začínajú prebiehať vedľajšie reakcie (teplo vedľajšej reakcie je Qs). Keď je batéria takmer úplne nabitá a prebíja sa, dochádza hlavne k rozkladu elektrolytu, kde dominuje Qs. Jouleovo teplo Qj závisí od prúdu a odporu. Bežne používaná metóda nabíjania sa vykonáva pri konštantnom prúde a Qj je v tomto čase špecifická hodnota. Počas štartu a zrýchľovania je však prúd relatívne vysoký. Pre HEV je to ekvivalent prúdu desiatok až stoviek ampérov. V tomto čase je Jouleovo teplo Qj veľmi veľké a stáva sa hlavným zdrojom uvoľňovania tepla v batérii.
Z hľadiska ovládateľnosti tepelného manažmentu možno systémy tepelného manažmentu rozdeliť na dva typy: aktívne a pasívne. Z hľadiska média prenosu tepla možno systémy tepelného manažmentu rozdeliť na: vzduchom chladené, kvapalinou chladené a akumulačné systémy s fázovou zmenou tepla.
Tepelný manažment so vzduchom ako teplonosným médiom
Teplonosné médium má významný vplyv na výkon a náklady systému tepelného manažmentu. Použitie vzduchu ako teplonosného média slúži na priame privádzanie vzduchu tak, aby prúdil cez batériový modul, čím sa dosiahne účel odvádzania tepla. Vo všeobecnosti sú potrebné ventilátory, vstupné a výstupné vetranie a ďalšie komponenty.
Podľa rôznych zdrojov prívodu vzduchu sa vo všeobecnosti rozlišujú tieto formy:
1 Pasívne chladenie s vetraním vonkajším vzduchom
2. Pasívne chladenie/kúrenie pre vetranie priestoru pre cestujúcich
3. Aktívne chladenie/ohrievanie vonkajšieho vzduchu alebo vzduchu v priestore pre cestujúcich
Štruktúra pasívneho systému je relatívne jednoduchá a priamo využíva existujúce prostredie. Napríklad, ak je potrebné v zime vykurovať batériu, horúce prostredie v priestore pre cestujúcich sa dá využiť na vdychovanie vzduchu. Ak je teplota batérie počas jazdy príliš vysoká a chladiaci účinok vzduchu v priestore pre cestujúcich nie je dobrý, je možné vdychovať studený vzduch zvonku, aby sa ochladil.
Pre aktívny systém je potrebné zriadiť samostatný systém, ktorý bude zabezpečovať funkcie vykurovania alebo chladenia a bude nezávisle ovládaný podľa stavu batérie, čo tiež zvyšuje spotrebu energie a náklady na vozidlo. Výber rôznych systémov závisí najmä od požiadaviek na používanie batérie.
Tepelný manažment s kvapalinou ako teplonosným médiom
Pre prenos tepla s kvapalinou ako médiom je potrebné vytvoriť teplonosné spojenie medzi modulom a kvapalným médiom, napríklad vodným plášťom, aby sa zabezpečilo nepriame ohrev a chladenie formou konvekcie a vedenia tepla. Teplonosným médiom môže byť voda, etylénglykol alebo dokonca chladivo. Existuje aj priamy prenos tepla ponorením pólového nástavca do kvapaliny dielektrika, ale musia sa prijať izolačné opatrenia, aby sa predišlo skratu.
Pasívne kvapalinové chladenie vo všeobecnosti využíva výmenu tepla medzi kvapalinou a okolitým vzduchom a následne zavádza kokóny do batérie pre sekundárnu výmenu tepla, zatiaľ čo aktívne chladenie využíva výmenníky tepla medzi chladiacou kvapalinou motora a kvapalným médiom alebo elektrické vykurovanie/ohrievanie termálnym olejom na dosiahnutie primárneho chladenia. Vykurovanie, primárne chladenie s chladivom a kvapalným médiom klimatizácie v kabíne pre cestujúcich/klimatizácie.
Systém tepelného manažmentu so vzduchom a kvapalinou ako médiom vyžaduje ventilátory, vodné čerpadlá, výmenníky tepla, ohrievače (PTC ohrievač vzduchu), potrubia a ďalšie príslušenstvo, čo spôsobuje, že štruktúra je príliš veľká a zložitá, a tiež spotrebúva energiu batérie, pole Hustota výkonu a hustota energie batérie sa znižujú.
(PTC chladiaca kvapalinaohrievač) Vodou chladiaci systém batérie využíva chladiacu kvapalinu (50 % vody / 50 % etylénglykol) na prenos tepla z batérie do chladiaceho systému klimatizácie cez chladič batérie a potom do okolitého prostredia cez kondenzátor. Teplota importovanej vody sa po výmene tepla chladičom batérie ľahko zníži a batéria sa dá nastaviť tak, aby pracovala v najlepšom prevádzkovom teplotnom rozsahu; princíp systému je znázornený na obrázku. Medzi hlavné komponenty chladiaceho systému patria: kondenzátor, elektrický kompresor, výparník, expanzný ventil s uzatváracím ventilom, chladič batérie (expanzný ventil s uzatváracím ventilom) a potrubia klimatizácie atď.; okruh chladiacej vody zahŕňa:elektrické vodné čerpadlo, batéria (vrátane chladiacich dosiek), chladiče batérií, vodovodné potrubia, expanzné nádrže a ďalšie príslušenstvo.
Čas uverejnenia: 13. júla 2023
