Lämmönhallintateknologian yleiskatsaus 1
1.1 Akun lämmönhallinta
Akun lämmönhallinta on keskeinen osa sähköajoneuvojen lämmönhallintajärjestelmää. Sen päätavoitteena on varmistaa, että akkupakkaus säilyttää sopivan käyttölämpötilan eri käyttöolosuhteissa akun suorituskyvyn, turvallisuuden ja käyttöiän varmistamiseksi. Akun lämmönhallintaan kuuluu pääasiassa kaksi näkökohtaa: lämmönpoisto ja lämmitys. Seuraavassa käsitellään eri teknisiä polkuja näiden kahden toiminnon saavuttamiseksi.
1.1.1 Akun lämmönpoisto
1) Ilmajäähdytys. Ilmajäähdytys on suhteellisen yksinkertainen ja edullinen lämmönpoistomenetelmä. Se poistaa akun tuottaman lämmön luonnollisella konvektiolla tai asentamalla tuulettimen pakottamaan ilmavirtausta. Ilmajäähdytysjärjestelmä luottaa pääasiassa akun pinnalla olevaan jäähdytyselementtiin lämmönvaihtoa varten, mikä sopii skenaarioihin, joissa virrantiheysvaatimukset ovat alhaiset tai ympäristön lämpötila on kohtalainen. Ilman pienestä ominaislämpökapasiteetista johtuen lämmönvaihtotehokkuus on kuitenkin suhteellisen rajallinen, ja suuritehoisten ja korkean energiatiheyden akkujen nopea jäähdytyskyky on heikko.
2) Nestejäähdytys. Nestejäähdytysliuoksessa käytetään lämmönsiirtoaineena jäähdytysnestettä (kuten vettä, etyleeniglykoliliuosta jne.), joka on suorassa kosketuksessa akun kanssa kiertoputken kautta tehokkaan lämmönjohtavuuden saavuttamiseksi. Nestejäähdytysjärjestelmä voi ohjata tarkasti akun lämpötilaa, erityisesti korkean suorituskyvyn sähköautoissa. Vaikka se estää tehokkaasti akun ylikuumenemisen, se varmistaa, että akun lämpötila jakautuu tasaisesti, mikä parantaa akun käyttöikää ja yleistä suorituskykyä. Nestejäähdytyksellä on kuitenkin tiettyjä rajoituksia. Nestejäähdytysjärjestelmä on monimutkaisempi, on olemassa nestevuotojen vaara, materiaalin korroosionkestävyydelle on asetettu tiettyjä vaatimuksia ja ylläpitokustannukset kasvavat.
3) Phase Change Material (PCM) lämmönpoisto. Vaiheenmuutosmateriaalit voivat absorboida suuren määrän piilevää lämpöä kiinteä-nestefaasimuutosprosessin aikana, jolloin saavutetaan hyvä lämmönpoistovaikutus. Akun lämmönhallintaan käytettäessä PCM voidaan kääriä akun ympärille tai upottaa akkumoduuliin, jotta se absorboi lämpöä akun lämpötilan noustessa, mikä vaikuttaa hitaan lämmön vapautumiseen. PCM-lämmönpoiston etuna on sen vakiolämpötilaominaisuudet, jotka estävät akun lämpötilan äkillisen nousun, mutta haitat ovat myös suhteellisen ilmeisiä. Sen lämmönjohtavuus on suhteellisen huono, vastenopeus hidas ja materiaalikustannukset korkeat.
4) Lämpöputken lämmönpoisto. Lämpöputket voivat siirtää lämpöä käyttämällä työnesteen faasimuutosprosessia ilman ulkoista energiansyöttöä tehokkaan lämmönjohtavuuden saavuttamiseksi. Akun lämmönhallintasovelluksissa lämpöputket voivat siirtää nopeasti lämpöä paikallisista kuumista pisteistä ja parantaa koko akun lämpötilan tasaisuutta. Lämpöputkien etuna on korkea lämmönsiirtotehokkuus, pieni koko ja keveys, mutta niiden rakenne on monimutkainen, valmistuskustannukset suhteellisen korkeat, ja huomiota tulisi kiinnittää sopivan kondensaatiopään suunnitteluun lämmönpoistotehokkuuden varmistamiseksi.
5) Suora jäähdytys lämmönpoisto. Suoralla jäähdytyksellä tarkoitetaan pääasiassa jäähdytysväliainetta (yleensä nestettä), joka virtaa suoraan akkumoduulin tai akkukennon läpi säätämään tehokkaasti akun käyttölämpötilaa. Tämä muotoilu mahdollistaa akun pinnan nopean lämmön haihtumisen, mikä sopii erityisen hyvin korkeisiin lämpötiloihin ja suuren tehontarpeen tilanteisiin. Suorajäähdytyksellä on kuitenkin erittäin korkeat tiivistysvaatimukset, ja kun jäähdytysneste vuotaa, se voi aiheuttaa vakavia turvallisuusriskejä.
1.1.2 Akun lämmitys
1) PTC-lämmitys. Positiivinen lämpötilakerroin (PTC) lämmitin perustuu positiiviseen lämpötilakerroinvaikutukseen, eli vastus kasvaa lämpötilan myötä. Siksi se voi tarjota vakaan lämmöntuoton alhaisessa lämpötilassa ja rajoittaa automaattisesti omaa lämpötilaansa liian korkeaksi. PTC-lämmitystä käytetään laajalti sähköajoneuvoissa mukavuuden lisäämiseksi, kuten istuinlämmitys ja auton ilmastointijärjestelmän lisälämmitys. Itsesäätyvien ominaisuuksiensa ansiosta se voi tarjota vakaat ja tehokkaat lämmitysvaikutukset välttäen samalla ylikuumenemisen aiheuttamia ongelmia. Se on tehokas lämmitystekniikka. PTC-lämmitys on kuitenkin sähkölämmitystä, joka lisää sähköajoneuvojen kokonaisenergiankulutusta ja pienentää ajomatkaa.
2) Lämpöpumppulämmitys. Lämpöpumppu-ilmastointijärjestelmä imee matalan lämpötilan lämpöä ulkoympäristöstä käänteisen Carnot-syklin kautta ja siirtää sen akkuun ja ohjaamoon puristamalla ja vapauttamalla lämpöä. Perinteiseen PTC-lämmitysmenetelmään verrattuna lämpöpumppu on energiatehokkaampi alhaisessa lämpötilassa, mikä auttaa ylläpitämään ajoneuvon suorituskykyä. Lämpöpumppujärjestelmien suunnittelu ja toiminta ovat kuitenkin monimutkaisempia, etenkin erittäin alhaisissa lämpötiloissa, joissa niiden suorituskyky heikkenee. Tästä syystä joissakin tutkimuksissa on ehdotettu innovatiivisia tekniikoita, kuten ilman ruiskutusentalpian lisäämistä ja kaksilähdelämpöpumppuja lämpöpumpun suorituskyvyn optimoimiseksi alhaisissa ympäristön lämpötiloissa.
