Lämmönhallintateknologian yleiskatsaus 2
1.2 Moottoreiden ja elektronisten ohjainten lämmönhallinta
Sähköajoneuvojen moottoreiden ja elektronisten ohjausjärjestelmien lämmönhallinta on tärkeä osa ajoneuvojen pitkän aikavälin vakaan toiminnan varmistamista, komponenttien käyttöiän pidentämistä ja energiatehokkuuden parantamista. Moottorit ja elektroniset ohjauskomponentit tuottavat paljon lämpöä käytön aikana. Liialliset lämpötilat eivät vain heikennä järjestelmän suorituskykyä, vaan voivat jopa aiheuttaa turvallisuusriskejä. Puhtaasti sähköajoneuvojen moottoreiden ja elektronisten ohjauslaitteiden lämmönhallinnassa lämmönpoisto tapahtuu tällä hetkellä pääasiassa ilmajäähdytysjärjestelmillä, nestejäähdytysjärjestelmillä ja lämpöputkitekniikalla. Jotkut järjestelmät myös kierrättävät moottoreiden ja elektronisten ohjausjärjestelmien hukkalämmön.
1) Ilmanjäähdytysjärjestelmä. Perinteisenä moottorin lämmönpoistomenetelmänä ilmajäähdytysjärjestelmä käyttää ajoneuvon ajon aikana syntyvää ilmavirtaa lämmön haihduttamiseen ja poistaa moottorin ylimääräisen lämmön luonnollisen konvektion tai pakotetun konvektion kautta. Ilmajäähdytysjärjestelmällä on suhteellisen yksinkertainen rakenne ja alhaiset kustannukset. Se ei vaadi ylimääräisiä jäähdytysaineita ja sopii tilanteisiin, joissa tehotiheys ei ole korkea. Sähköajoneuvojen käyttömoottoreiden kehittyessä kohti suurta tehotiheyttä erityisesti jatkuvassa suuressa kuormituksessa, ilmajäähdytyksen lämmönpoistokyky on kuitenkin vähitellen käynyt riittämättömäksi.
2) Nestejäähdytystekniikka. Nestejäähdytysteknologialla on tärkeä rooli sähköajoneuvojen moottoreiden lämmönhallinnassa. Tämä tekniikka käyttää jäähdytysnestettä (kuten vettä, etyleeniglykoliliuosta jne.) lämmönsiirtoväliaineena, ja se on kiinnitetty tiiviisti moottorin käämiin tai kotelon pintaan kiertoputkiston kautta, mikä imee ja poistaa tehokkaasti lämpöä. Nestejäähdytysjärjestelmä jäähdyttää nopeasti ja tasaisesti kaikki moottorin osat ja sopii erityisen hyvin tehokkaisiin sähköajoneuvoihin. Samanaikaisesti jäähdytysnestevuodosta aiheutuvien turvallisuusriskien ehkäisemiseksi on käytettävä hyvällä tiivistyskyvyllä varustettuja materiaaleja ja tekniikoita sekä lisättävä valvonta- ja hälytyslaitteita.
3) Lämpöputkitekniikka. Lämpöputkiteknologia voi auttaa johtamaan lämpöä tasaisesti ja parantamaan lämmönpoistotehokkuutta. Lämpöanturit ja älykkäät ohjausalgoritmit voivat valvoa ja säätää järjestelmän lämpötilaa reaaliaikaisesti. Lisäksi korkean lämmönjohtavuuden materiaalien käyttö ja optimoitu suunnittelu voivat myös parantaa lämmönpoistokomponenttien lämmönvaihtotehokkuutta.
1.3 Matkustajatilan lämmönhallintajärjestelmä
Sähköajoneuvojen matkustamon lämmönhallinta on yksi keskeisistä teknologioista kuljettajien ja matkustajien mukavuuden varmistamiseksi, ajoneuvon energiatehokkuuden parantamiseksi ja ajomatkan laajentamiseksi. Se kattaa pääasiassa kesäjäähdytyksen, talvilämmityksen ja lämpötilan säätelyn älykkään ohjauksen. Kesäjäähdytykseen käytetään enimmäkseen haihdutussyklistä jäähdytysjärjestelmää. Ero on pääasiassa talvilämmitysmenetelmässä. Tärkeimmät matkustamon lämmönhallintajärjestelmän lämmitysmenetelmät ovat seuraavat:
1) PTC-lämmitin on lämmitysratkaisu, jota käytetään laajalti sähköajoneuvoissa alkuaikoina. Matalissa lämpötiloissa PTC-lämmitin voi nopeasti tuottaa lämpöä matkustamoon, mutta sen energian muunnostehokkuus on suhteellisen alhainen ja lämmitysprosessi kuluttaa suoraan akkuvirtaa, mikä voi vaikuttaa tiettyyn sähköajoneuvojen kestävyyteen.
2) Lämpöpumppu-ilmastointijärjestelmällä on tärkeä rooli sähköajoneuvojen matkustamotilojen lämmönhallinnassa, erityisesti talvilämmityksessä. Järjestelmä käyttää käänteistä Carnot-kiertoa hukkalämmön talteenottamiseksi ulkoisesta ympäristöstä tai sisäisistä komponenteista ja muuntaa matalalaatuisen lämpöenergian korkealaatuiseksi lämpöenergiaksi komponenttien, kuten kompressorien, höyrystimien ja lauhduttimien, kautta tehokkaan lämmityksen saavuttamiseksi. Perinteisiin PTC-lämmittimiin verrattuna lämpöpumppujärjestelmillä on korkeampi energiatehokkuussuhde, mikä vähentää jonkin verran akkujen energian tarvetta. Teknologian kehittymisen myötä kaksi- tai monilähdelämpöpumppujärjestelmät (kuten integroitu moottorin hukkalämmön talteenottotoiminto) ovat vähitellen herättäneet huomiota, mikä parantaa lämpöpumppujen suorituskykyä äärimmäisen alhaisissa lämpötiloissa. Lämpöpumppu-ilmastointijärjestelmien suorituskyky heikkenee kuitenkin merkittävästi matalissa lämpötiloissa. Pääsyynä on se, että kylmäaineen haihtumispaine ja lämmön imeytyminen alhaisessa ympäristön lämpötilassa vähenevät, mikä johtaa suorituskykykertoimen (COP) laskuun ja normaalin toiminnan vaikeuksiin. Tämän ongelman ratkaisemiseksi käytetään yleensä parantamiseen teknologioita, kuten ilman täydennys ja entalpian lisääminen, sulatus ja hukkalämmön talteenotto.
Joitakin nousevia matkustamon lämmönhallintatekniikoita kehitetään myös vähitellen ja niitä yritetään soveltaa sähköajoneuvojen alalla. Esimerkiksi: faasimuutosmateriaalin energian varastointitekniikka voi imeä ylimääräistä lämpöä, kun lämpötila matkustamossa on liian korkea, ja vapauttaa varastoitunutta lämpöä, kun lämpötila on liian alhainen; aurinkoenergian talteenottotekniikka voi kerätä auringon säteilyenergiaa katolle asennettujen aurinkopaneelien kautta ja muuntaa sen sähköenergiaksi tai lämpöenergiaksi ilmastointijärjestelmän käyttöön. Lisäksi älykäs lämmönhallintajärjestelmä käyttää kehittyneitä anturiverkkoja ja ohjausalgoritmeja ohjaamon sisä- ja ulkolämpötilan sekä matkustajien tarpeiden tarkkailemiseen reaaliajassa ja lämmönhallintastrategian dynaamiseen säätämiseen parhaan energiankäyttövaikutuksen saavuttamiseksi.
