Keskustelua uusien energiaajoneuvojen akkujen lämmönhallintatekniikasta
Akut ovat uusien energiaajoneuvojen päävirtalähde. Akut tuottavat paljon lämpöä ajoneuvon käytön aikana, ja ajan myötä lämpö kerääntyy suhteellisen pieneen tilaan. Akun kennojen tiheästä pinoamisesta johtuen on myös vaikeampi hajauttaa lämpöä keskialueella jossain määrin, mikä pahentaa kennojen välistä lämpötilaeroa. Tämän seurauksena akun lataus- ja purkuteho heikkenee, mikä vaikuttaa akun tehoon. Vakavissa tapauksissa se johtaa myös lämpökarkaamiseen, mikä vaikuttaa järjestelmän turvallisuuteen ja käyttöikään. Etenkin lämpötilan hallinnassa akun terminen karkaaminen voi aiheuttaa tulipalon ja suorituskyvyn heikkenemistä. Siksi uusien energiaajoneuvojen akkujen lämmönhallintateknologian tutkimuksella on suuri merkitys uusien energiaajoneuvojen kehitykselle.
1. Ajoneuvon lämmönhallintajärjestelmän peruskomponentit
Uusien energiaajoneuvojen lämmönhallintajärjestelmä koostuu neljästä osasta: akkujärjestelmä, moottorijärjestelmä, ilmastointijärjestelmä ja muut komponentit. Verrattuna perinteisten polttoaineiden ajoneuvojen lämmönhallintaan uusien energiaajoneuvojen lämmönhallintajärjestelmä on monimutkaisempi. Akkujärjestelmä on uusien energiaajoneuvojen tärkeä osa. Insinöörien on aloitettava akkujärjestelmän lämmönhallinnasta suunnitellakseen hyvä lämmönhallintajärjestelmä koko ajoneuvolle.
Uusien energiaajoneuvojen syntymästä lähtien asiantuntijat ja tutkijat asiaan liittyvillä aloilla ovat tehneet paljon tutkimusta akkujensa lämmönpoistosta ja saavuttaneet paljon tuloksia. Akun lämmönhallinnan valtavirran jäähdytysmenetelmä on muuttunut ilmajäähdytyksestä nestejäähdytykseen, vaiheenmuutosmateriaalien jäähdytykseen ja lämpöputkijäähdytykseen. Seuraavassa analysoidaan jäähdytysteknologioita, kuten ilmajäähdytys, nestejäähdytys, faasinvaihtomateriaalin jäähdytys ja lämpöputkien jäähdytys.
2.1 Ilmajäähdytys
Ilmajäähdytys on lämmönpoistomenetelmä, joka käyttää ilmaa väliaineena ja hyödyntää lämmön konvektiota ilmassa, jotta akku voi vaihtaa lämpöä suoraan ilman kanssa, mikä alentaa akun lämpötilaa. Ilmajäähdytys voidaan jakaa luonnolliseen jäähdytykseen ja pakkojäähdytykseen sen mukaan, käytetäänkö tuuletinta. Luonnollista ilmajäähdytystä käytetään ilman tuuletinta; pakotettua ilmajäähdytystä käytetään tuulettimella. Lukuisat tutkimukset ovat osoittaneet, että pakotetun ilmajäähdytyksen lämmönpoistovaikutus on paljon suurempi kuin luonnollisen ilmajäähdytyksen.
Ilmajäähdytys voidaan jakaa myös sarjajäähdytykseen ja rinnakkaisjäähdytykseen eri lämmönpoistorakenteiden mukaan. Sarjajäähdytysmenetelmässä ilmavirtaus virtaa sisään yhdeltä puolelta ja virtaa ulos toiselta puolelta. Tämä menetelmä johtaa akkujen huonoon jäähdytykseen kaukana ilman sisääntulon virtauskanavasta, akkujen epätasaiseen lämmön haihtumiseen ja suuriin lämpötilaeroihin akuissa; rinnakkaisjäähdytysmenetelmässä ilmavirta tulee yleensä alhaalta ja virtaa ulos ylhäältä. Kuten kuvasta näkyy, jäähdytysilmavirta voi periaatteessa virrata jokaisen akun pinnan läpi, joten kunkin akun välinen lämpötilaero on pienempi kuin sarjajäähdytyksen, mutta se tuo mukanaan myös epätasaisen lämmönjaon ongelman.
2.2 Nestejäähdytys
Akun nestejäähdytystekniikka on yksi lämmönhallintatekniikoista. Tämä tekniikka käyttää yleensä jäähdytysnestettä, jolla on korkea lämmönsiirtokerroin, jotta akku voi vaihtaa lämpöä jäähdytysnesteen kanssa, mikä alentaa akun lämpötilaa.
Ilmajäähdytteisten ja nestejäähdytteisten akkujen lämmönpoistokykyä verrattiin ja analysoitiin. Tulokset osoittavat, että akun maksimilämpötila on alhaisempi ja lämpötilan tasaisuus parempi nestejäähdytysjärjestelmässä. Nestejäähdytys on erittäin tehokas lämmönpoistomenetelmä, jonka lämmönsiirtokerroin on korkeampi kuin ilmajäähdytyksen. Sähköajoneuvojen nestejäähdytysjärjestelmä voidaan jakaa suoraan kosketukseen ja epäsuoraan kosketukseen eristysnesteen ja akun välisen kosketusmuodon mukaan. Akkukennon tai moduulin upottaminen nesteeseen lämmönvaihtoa varten on suoran kosketuksen muoto; lisäksi akkumoduulien väliin voidaan asettaa jäähdytyskanava tai akun pohjassa voidaan käyttää jäähdytyslevyä. Tehoakun lämpö siirtyy jäähdytysnesteeseen jäähdytyslevyn kautta. Tämä nestemäinen jäähdytysmuoto on epäsuorassa kosketuksessa. Näillä kahdella muodolla on korkeat vaatimukset nestejäähdytysjärjestelmän ilmatiiviydelle. Lisäksi mekaaniset lujuusvaatimukset ovat korkeat ja jäähdytysjärjestelmän tärinänkestävyys ja käyttöikä on taattava.
Sähköajoneuvon nestejäähdytysjärjestelmä koostuu pääasiassa jäähdytysnesteestä, jäähdytyslevystä, elektronisesta vesipumpusta, lämpötila-anturista, jäähdyttimestä jne. Kompressori jäähdytyksen voimanlähteenä määrittää koko järjestelmän lämmönvaihtokapasiteetin. Jäähdytyslaite (jäähdytyslaite) toimii kylmäaineen ja jäähdytysnesteen vaihtajana, ja lämmönvaihdon määrä määrittää suoraan jäähdytysnesteen lämpötilan. Vesipumppu määrittää jäähdytysnesteen virtausnopeuden putkistossa. Mitä suurempi virtausnopeus, sitä parempi lämmönvaihtokyky ja päinvastoin.
2.3 Vaiheenvaihtomateriaalin jäähdytys
Phase Change Material (PCM) lämmönpoistoteknologia käyttää periaatetta, että faasimuutosmateriaalit absorboivat lämpöä, kun ne käyvät läpi faasimuutoksen. Vaiheenmuutosmateriaali asetetaan akun ympärille ja saavuttaa vaiheenmuutoslämpötilan tietyissä olosuhteissa. Vaiheenmuutosmateriaali käy läpi vaiheenmuutoksen ja absorboi akun toimiessa syntyvän lämmön, mikä estää tehokkaasti akkumoduulin ylikuumenemisen. Koska vaiheenmuutosprosessi on vakiolämpötilaprosessi, akun lämpötila voidaan pitää hyvin lähellä vaiheenmuutosmateriaalin vaiheenmuutoslämpötilaa, mikä estää akun lämpötilan nousun jatkamisen. Vaiheenvaihtomateriaalin jäähdytyksen käyttö vaatii kuitenkin huomiota tiivistysongelmiin, mikä lisää akun tilavuutta ja vähentää energiatiheyttä. Lisäksi lämmönsäästötoiminto voidaan ylläpitää vain rajoitetun pysäköintiajan sisällä. Pitkäaikainen akun esilämmitys riippuu edelleen sisäänrakennetusta lämmönlähteestä, ja lämmön säilyminen vaatii yleensä alhaisempaa lämmönjohtavuutta, mikä voi aiheuttaa ongelmia lämpötilan epätasaisessa jakautumisessa.
2.4 Lämpöputken jäähdytys
Lämpöputken jäähdytyksen tarkoituksena on jakaa lämpöputki haihdutusosaan, lämmönsiirtoosaan ja kondensaatioosaan. Sen pääasiallinen lämmönpoistoperiaate on poistaa akussa oleva lämpö lämpöputken höyrystysosan kautta, joka absorboi lämpöä. Höyrystysosassa oleva lämpö siirtyy kondensaatioosaan lämpöputken keskiosan kautta muodostuneen paine-eron ansiosta, jolloin saavutetaan tehokas akun lämmönhallinta. Lämpöputkijäähdytyksen tutkimuksessa verrattiin tehoakkujen kolmen jäähdytysmenetelmän, ilma-, neste- ja lämpöputkijäähdytyksen, jäähdytysvaikutuksia. Tulokset osoittavat, että lämpöputkijäähdytyksellä on paras jäähdytysvaikutus akkuihin.
