A hőkezelés jelentősége az elektromos járművek akkumulátoraiban
Az elektromos járművek biztonságos és hatékony működése valójában a hőkezelésen múlik. A lítium-ionos akkumulátorok válogatósak-, szeretik a 20 és 40 Celsius-fok közötti hőmérsékletet. Lökd forróbban őket, és bajt kérsz. Az elektrolit bomlani kezd, a SEI réteg megvastagodik, és mielőtt észrevennénk, az akkumulátor veszít kapacitásából, csökken a hatékonysága, és a legrosszabb esetben a dolgok kigyulladnak, vagy akár fel is robbannak.
A hideg idő sem sokkal kedvesebb. Amikor a hőmérséklet csökken, az akkumulátor kémiája lelassul. A belső ellenállás megnő. Hirtelen nem kapja meg a szükséges áramot vagy töltési sebességet. Még egy kis különbség is,-csak öt-fokos kilengés a sejtek között-egyenetlen öregedéshez vezet. Egyes sejtek idő előtt elöregednek, míg mások lemaradnak.
Szóval a lényeg? Ha minden cellát körülbelül azonos hőmérsékleten tartunk, az nemcsak biztonságosabbá teszi a dolgokat. Megőrzi az autó legjobb teljesítményét, és segíti az akkumulátor élettartamát.
Léghűtés elektromos járművek akkumulátoraihoz
A léghűtés úgy működik, hogy a levegőt az akkumulátor felett vagy azon keresztül mozgatja, hogy elszívja a hőt. Néha csak a levegő mozog, miközben az autó halad (ez passzív), máskor pedig a ventilátorok vagy a fúvók végzik a munkát (ez aktív). Az egész beállítás egyszerű,-nincs bonyolult vízvezeték, nincs túl sok súly, és olcsó. Ezért látható a korai elektromos autókban vagy a kisebb járművekben. Csupán csatornákat és néhány ventilátort használnak,{5}}a folyadékkal vagy nehéz részekkel nem kell összezavarni.
De van egy fogás. A levegő egyszerűen nem képes hőt szállítani. Sokkal kevésbé sűrű, mint a folyékony, így nem tud felszívni sok energiát. Amikor az akkumulátorok keményen kezdenek dolgozni, különösen gyors töltés vagy intenzív használat során, a léghűtés elmarad. Egyszerűen nem tudja az összes cellát egyenletes hőmérsékleten tartani, és nem tudja kezelni a modern elektromos járművek hőjét. Manapság a léghűtés csak a legegyszerűbb akkumulátor-beállításoknál működik. Minden igényesebbhez valami jobb kell.
Előnyök:Ez egy egyszerű beállítás,{0}}csak néhány alkatrészből áll, így könnyű marad, és nem igényel sok karbantartást. Nem kell aggódnia a hűtőfolyadék szivárgása miatt, és amikor az autó mozog, használhatja az elsuhanó levegőt, hogy lehűtse a dolgokat.
Korlátozások:A hűtőteljesítmény elég gyenge. A forró pontok gyorsan felbukkannak, különösen akkor, ha erősen nyomja az autót, vagy gyorsan tölt, mert a levegő egyszerűen nem képes mozgatni a hőt. Ez gyorsabban elhasználhatja az alkatrészeket, vagy akár a rendszer leállását is okozhatja. Őszintén szólva, ez a módszer egyszerűen nem tud lépést tartani a nagy-teljesítményű vagy nagy-energiájú elektromos járművekkel.
Folyadékhűtés elektromos járművek akkumulátoraihoz
Manapság a legtöbb közepes- és nagy{2}}teljesítményű elektromos autóban a folyadékhűtés a legjobb választás. Ez a következőképpen működik: a szivattyú hűtőfolyadékot-általában víz-glikolkeveréket-nyomja át csatornákon vagy hideglemezeken, amelyek közvetlenül az akkumulátorcellákhoz fekszenek. Ahogy a hűtőfolyadék felveszi a hőt az akkumulátorokból, egy hőcserélőre kerül, amely levegővel vagy hűtőközeggel leadja a hőt. Mivel a folyadékok sokkal jobban szállítják a hőt, mint a levegő, ezek a rendszerek egyenletesen és egyenletesen tartják az akkumulátor hőmérsékletét. Valójában ez az oka annak, hogy szinte minden nagy hatótávolságú elektromos jármű{10}}folyékony{11}}hűtéses akkumulátort használ. A jobb hőelvezetésnek köszönhetően ezek a csomagok nagyobb teljesítményt és szuper{13}}gyors töltést tudnak kezelni túlmelegedés nélkül.
Előnyök:A folyékony hűtés gyorsan kiszívja a hőt, és egyenletesen tartja a hőmérsékletet az összes cellában. Ez azt jelenti, hogy az akkumulátorok tovább bírják, és gyorsabban töltődik. A hűtőfolyadék sokkal jobb a mozgó hőnél, mint a levegő, így ezek a csomagok izzadság nélkül bírják a magas töltési sebességet.
Hátrányok:A végén egy bonyolultabb és nehezebb rendszert kap. Szivattyúkra, tömlőkre, hőcserélőkre és minden elektronikára van szükség a vezérlésükhöz, és mindent szorosan le kell zárni. Van még mit karbantartani,-a szivattyúk vagy szelepek eltörhetnek, és a szivárgás valódi problémát jelent. Ráadásul ezek az extra alkatrészek helyet foglalnak és súlyt adnak, ami csak egy kicsit csökkenti az általános hatékonyságot.
Fázis{0}}Cserélje ki az anyagot (PCM).
Fázis{0}}csereanyagok vagy PCM-ek az akkumulátorok hőlengéscsillapítóiként működnek. Általában viaszként vagy sóként találja őket a sejtek körül. Amikor az akkumulátor egy bizonyos ponton túl melegszik, a PCM megolvad, és sok energiát szív fel, miközben szilárdból folyékony lesz. Ha a dolgok ismét lehűlnek, megszilárdul, és visszaengedi a tárolt hőt. Ez a folyamat segít kordában tartani a hőmérséklet-ugrásokat, különösen a gyors kitörések során-, például amikor erősen megnyomja a gázpedált, vagy ha gyorsan tölti a készüléket.
Előnyök:Teljesen passzív, így nincs szükség energiára a működtetéséhez. Nincsenek ventilátorok, nincsenek szivattyúk-csak egy rendszer, amely csendesen kiegyenlíti a hőmérsékleti ugrásokat. A PCM-ek megvédik a sejteket a rövid hőlökésektől, és segítenek a csomag biztonságos hőmérsékleten tartásában, amikor hirtelen terhelés éri.
Korlátozások:A hátránya? A PCM-ek önmagukban nem nagyon mozgatják a hőt. Miután befejezték a fázisváltást, nem tudnak több hőt felvenni. Ha folyamatosan magas hőmérsékletekkel küzd, a passzív hűtés nem elég. Ahhoz, hogy valóban elvonja a hőt a PCM-től, általában további alkatrészekre van szükség, -például grafitbordákra vagy hőcsövekre- a munka elvégzéséhez.
Hőcsőhűtés (hővezetés)
A hőcsövek alapvetően tömített fémcsövek, amelyekben egy kis folyadék található. Gyorsan mozgatják a hőt azáltal, hogy hagyják, hogy a folyadék folyamatosan elpárologjon és lecsapódjon, így alig veszít a hőmérsékletből az út során. Az akkumulátorcsomagokban a hőcsöveket hő "szupravezetőként" kell elképzelni. Beillesztheti őket a modulokba, vagy közvetlenül a cellákhoz rögzítheti, hogy sietve távolítsa el a hőt a forró pontokról. Néha egy hőcső egyszerűen átvezeti a hőt egy hűvösebb helyre vagy egyenesen a hideg{4}}lemezhálózatba. A hosszuk mentén valójában több ezerszer jobban vezetik a hőt, mint a tömör réz, így tökéletesek a helyi hotspotok kezelésére. Gyakran látni fogja őket folyadékhűtéses rendszerekbe,-például hűtőlemezekbe-beépítve, hogy segítsenek elosztani a hőmérsékletet az egész modulon.
Előnyök:Ezek hihetetlen hővezető képességgel rendelkeznek, így nagyon jól terítik oldalra a hőt. Ha távol-csatlakozik egymástól a cellák, segítenek kiegyensúlyozni a hőmérsékletet, ami csökkenti a „leggyengébb cella” problémáját. Ráadásul önállóan is működnek,-nincs szükség energiára.
Korlátozások:Általában az emberek csak helyszíni hűtésre használják őket, nem fő hűtőrendszerként. Jól le kell zárni őket, és nagyon oda kell figyelni a kanóc szerkezetének felállítására. Ezenkívül megnövelik a költségeket, és bonyolultabbá teszik a csomagolás kialakítását. És a végén még mindig szüksége van valami másra, például egy hidegtányérra, hogy ténylegesen kivezesse a hőt a csomagból.
Hűtési módszerek összehasonlítása
Íme a lényeg: minden hűtési módszernek megvannak a maga erősségei és fejfájásai.
Léghűtés:Piszok olcsó és halálosan egyszerű. Alig van szükség extra felszerelésre, de őszintén szólva, komoly hőségnek nem vágja. A hőmérséklet ugrál, és nem tud lépést tartani, ha erősen nyomja az akkumulátort. Valójában csak régi-iskolai vagy alacsony fogyasztású-EV-knél működik.
Folyékony hűtés:Itt landol a legtöbb modern elektromos jármű. Egyenletesen és hűvösen tartja a dolgokat, még gyorstöltés közben is. Természetesen remekül működik, de most szivattyúkkal, csövekkel és tömítésekkel kell foglalkoznia,-plusz plusz súly és költség. Ennek ellenére ez a szabvány minden középkategóriás-vagy jobb terméknél.
PCM pufferelés:Ez egyfajta okos. Teljesítmény nélkül szívja fel a hőtüskéket, de ha megtelik, már nem segít. Az emberek általában folyékony hűtéssel párosítják az extra pufferért.
Hőcsövek:Olyanok, mint a lézeres{0}}problémamegoldók. Gyorsan elvezetik a hőt a forró pontoktól, és segítenek kiegyenlíteni a dolgokat, de még mindig szüksége van valami másra,-például hűtőbordára-, hogy ténylegesen elengedje a hőt. Egy nagyobb rendszer részeként ragyognak, nem önmagukban.
Speciális módszerek (feltörekvő):A merülő hűtés például szó szerint egy speciális folyadékba süllyeszti az akkumulátort. Ez a módszer hihetetlenül gyorsan távolítja el a hőt-tökéletes, ha ultragyors{2}}töltést szeretne. De a folyadék kezelése bonyolulttá válik. Egyes prémium elektromos autók még az autó légkondicionáló hűtőközegét is használják az akkumulátor közvetlen hűtésére, ami rendkívül hatékony, de nem éppen egyszerűen levehető.
Hatás a biztonságra, a teljesítményre és az akkumulátor élettartamára
A hőkezelés nem pusztán technikai részlet,{0}}hanem az elektromos járművek biztonsága és teljesítménye szempontjából is. Ha az elemek túlmelegednek, megnő a tűz vagy akár a robbanás esélye. A túlmelegedés beindíthatja az úgynevezett termikus kifutást, ahol a sejtek alapvetően láncreakciót indítanak el, és még jobban felmelegítik magukat. Ez mindenkire veszélyes, nem csak az autóban lévőkre, hanem az elsősegélynyújtókra is.
De ez nem csak a hűvösségről szól. Ha a rendszer nem kezeli jól a hőt, az akkumulátorok gyorsabban öregszenek. Van egy hüvelykujjszabály: valahányszor a hőmérséklet 10 fokkal az édes pont fölé emelkedik, az akkumulátor élettartama felére csökken. Körülbelül 50 fokos szögben nyomja meg erősen, és látni fogja, hogy néhány száz ciklus után elveszítik kapacitásuk körülbelül 60%-át.
A hideg sem jó. Alacsony hőmérsékleten az akkumulátorok küzdenek, mivel az ionok nem tudnak olyan szabadon mozogni. Ez kevesebb energiát, lassabb töltést és összességében csak lassú reakciót jelent. És itt van valami, amit az emberek néha elfelejtenek: kulcsfontosságú az egyenletes hőmérséklet az összes cellában. Ha egyes cellák melegebben vagy hidegebben működnek, mint mások, az egész akkumulátorcsomag a leggyengébb cella szintjén teljesít. Ez csökkenti a kapacitást és lerövidíti az akkumulátor élettartamát.
Biztonság:A cellák hidegen tartása megakadályozza, hogy túlmelegedjenek és meggyulladjanak. A jó hűtés nem csak jó, ha-minden jármű biztonsági tervének központi részét képezi.
Teljesítmény:Az akkumulátorok 20 és 40 Celsius fok között működnek a legjobban. Túl hideg, és egyszerűen nem tudják leadni a kívánt teljesítményt. Túl meleg, nagyobb ellenállást kap, és gyorsan elveszíti a feszültséget.
Az akkumulátor élettartama: Ha egyenletesen és hűvösen tartja a hőmérsékletet, a sejtek tovább tartanak, és nem kopnak el olyan gyorsan. Az egyenletes hőmérséklet az egész csomagban azt jelenti, hogy egyetlen cellát sem nyomnak túl erősen. Őszintén szólva, egy szilárd hűtőrendszerrel az akkumulátor több mint kétszer olyan sokáig bírja, mint az állandóan meleg.
Feltörekvő technológiák és trendek
Az elektromos járművek akkumulátorai egyre erősebbek és gyorsabban töltődnek fel, mint valaha, tehát komoly erőfeszítéseket kell tenni a jobb hűtési technológiáért. A merülő hűtés mostanság nagy figyelmet kap. Egyszerű: merítse az akkumulátorcellákat egy speciális folyadékba, amely nem vezet áramot, így a hő sokkal gyorsabban távozik. Ez a fajta beállítás eléggé elbírja a komoly hőt- ahhoz, hogy az őrült-gyors töltés, például az 1000 kW feletti teljesítmény valóban működjön.
Vannak, akik az autó saját légkondicionáló hűtőközegét használják az akkumulátorok hűtésére, ami különösen jól működik, ha kint meleg van. Sok a lárma az olyan ötletek körül is, mint a két-fázisú rendszerek, ahol a hűtőfolyadék felforr, hogy elvigye a hőt, vagy mikrocsatornák-, amelyek még gyorsabban vezetik el a hőt.
Ráadásul a kutatók termoelektromos modulokkal és speciális felületekkel bütykölnek, amelyek hőt sugároznak el, akár ponthűtés céljából, akár csak azért, hogy passzívan leadják az extra meleget. Az anyagtudomány is benne van a játékban. Az emberek nagy-vezetőképességű anyagokat kevernek fázis-változtató anyagokba, vagy habokat építenek nano-strukturált grafitból, mindezt azért, hogy az akkumulátorok hűvösek maradjanak különösebb erőfeszítés nélkül.
És akkor ott van a szoftver oldala. Az akkumulátorkezelő rendszerek egyre intelligensebbek, fejlett algoritmusokat, sőt mesterséges intelligenciát is használnak a hűtés valós idejű előrejelzésére és szabályozására. Összességében ez egy nagyon izgalmas időszak az akkumulátor hőkezelésére.
Tervezési kihívások és OEM-megfontolások
Akkumulátor hőkezelési rendszerét (TMS) autóba építeni nem könnyű. A gyártóknak sokat kell zsonglőrködniük -, hogy a rendszer jól működjön anélkül, hogy megemelkedne a költség, a súly vagy az értékes hely. A folyadékhűtés és a nagy hőcserélők például helyet foglalnak a padló vagy a motorháztető alatt, és több kilogrammot nehezítenek, ami lecsökkentheti a hatékonyságnövekedést. A nagy-feszültségű beállítások (gondoljunk a 400-800 V-ra) meghozzák a maguk fejfájását, és csúcsminőségű szigetelést és biztonságot követelnek meg minden hűtőfolyadék-alkatrésztől. Minden áramkörnek és csatlakozónak meg kell találnia a szigorú kúszó- és hézagnyomokat, és ellenállnia kell a durva rezgéseknek és a vad hőmérséklet-ingadozásoknak.
Aztán gondolni kell az időjárásra. Hideg helyeken az akkumulátoroknak fűtőelemekre van szükségük - akár PTC-re, akár hőszivattyúra -, hogy gyorsan felmelegedjenek. Ez csak bonyolultabbá teszi. És ne feledkezzünk meg a karbantartásról és a megbízhatóságról sem. A szivattyúk, szelepek, érzékelők - mindegyik további dolgot ad, ami meghibásodhat. Tehát végül a mérnököknek meg kell találniuk a megfelelő egyensúlyt. A lehető legegyszerűbbé kell tenniük a TMS-t anélkül, hogy feláldoznák a hatótávolságot, a költségeket, és ami a legfontosabb, a biztonságot és az akkumulátor élettartamát. Ez egy trükkös feladvány, sok a megoldással.
Integráció a járműarchitektúrával
Az akkumulátor hőrendszere közvetlenül az autó HVAC-ja és hajtáslánca mellett működik. Sok elektromos járműben megtalálható a megosztott hűtőkör,{1}}azon hőszivattyú vagy AC kompresszor és kondenzátor kezeli az utasteret és az akkumulátort is, csak különböző üzemmódokban. Tehát mondjuk nyár van: a váltóáram egy közös elpárologtatóval hűti az akkumulátort. Ha hideg van, az akkumulátor kondenzátora által kibocsátott hő ténylegesen felmelegíti az utasteret. Általában a mérnökök külön hűtőfolyadék-hurkokat állítanak fel-az egyiket az akkumulátornak (amely áthalad a hideglemezein), egy másikat a kabinnak vagy a motornak,-majd összekötik őket lemezes hőcserélőkkel, amikor hőt kell mozgatni. A vezérlőrendszerek húzzák a húrt a színfalak mögött: az akkumulátorvezérlő rendszer és a hőszabályzó dönti el, hogy milyen gyorsan futnak a szivattyúk és a ventilátorok, és hol legyenek a szelepek, mindezt az akkumulátorcellák és az autó többi része alapján. Az új nagyfeszültségű-beállításokkal a hő- és elektromos tervezés még jobban összegabalyodik-a kompakt 800 V-os rendszerek azt jelentik, hogy minden termikus alkatrésznek meg kell felelnie a szűk térnek és a szigetelési szabályoknak. Végül a teljes hőkezelési rendszer megtervezése egy nagy fejtörővé válik, és mindent együtt kell optimalizálni.
PowerWinxfejlett EV hőkezelési komponenseket és egyedi akkumulátorhűtési megoldásokat kínál. A hőcserélők és a hűtőrendszerek tervezésében szerzett mély szakértelemmel a PowerWinx segíti az OEM-eket abban, hogy precíziós hűtőmodulokat építsenek be akkumulátoraikba. Testre szabott megoldásaink hatékony hőelvezetést és egyenletes hőmérsékletszabályozást biztosítanak, javítva az akkumulátor biztonságát, teljesítményét és élettartamát a modern elektromos járművekben.
EV hőkezelési megoldás
EV hőkezelési megoldás
