Litiumioniakkujen lämmönhallintatekniikka
Litiumioniakuilla on tärkeä asema globaaleilla teho- ja kuluttajaakkumarkkinoilla, joten niiden lämmönhallintateknologia on aina saanut teollisuudessa suurta huomiota. Nämä tekniikat kehittyvät yksinkertaisesta ilmavapaasta jäähdytyksestä yhdistejäähdytykseen, ja jokaisella tekniikalla on omat ominaisuutensa ja haasteensa. Eri jäähdytystekniikat esitellään alla yksityiskohtaisesti.
ilmajäähdytys.
Ilmajäähdytys voidaan jakaa passiiviseen luonnolliseen jäähdytykseen ja aktiiviseen pakkojäähdytykseen. Molemmat menetelmät käyttävät ilmavirtausta akun tuottaman lämmön poistamiseksi jäähdytyksen saavuttamiseksi. Sen etuja ovat yksinkertainen rakenne, alhaiset kustannukset, ympäristönsuojelu ja ilman saastumista.
Luonnollinen jäähdytys: Tämä on passiivinen jäähdytystekniikka, joka vaatii vain jäähdytysilmakanavien suunnittelun. Esimerkiksi varhainen Nissan Leaf -sähköauto käytti tätä jäähdytysmenetelmää. Tällä menetelmällä on kuitenkin vaikea täyttää tehoakkujen tehokkaat jäähdytystarpeet ja se voi vaikuttaa akun käyttöikään.
Pakotettu ilmajäähdytys: Luonnolliseen jäähdytykseen verrattuna tämä tekniikka lisää ilmavirtausta ja parantaa jäähdytystehoa lisäämällä puhaltimia ja muita laitteita. Mutta se tarkoittaa myös lisääntynyttä melua ja energiankulutusta. Lisäksi säätämällä ilmavirtauskanavan muotoa jäähdytysvaikutusta voidaan edelleen parantaa.
Nestejäähdytystekniikka
Nestejäähdytys käyttää jäähdytysnestettä akun lämmön vaihtamiseen, mikä poistaa lämmön tehokkaasti ja nopeasti. Tämä tekniikka on jaettu suoraan nestejäähdytykseen ja epäsuoraan nestejäähdytykseen. Suorassa nestejäähdytyksessä jäähdytysneste on suorassa kosketuksessa akun kanssa, kuten upotusnestejäähdytys. Epäsuoralla nestejäähdytyksellä saadaan aikaan jäähdytysvaikutus tiettyjen komponenttien, kuten jäähdytyslevyjen, kautta.
Jäähdytyslevy nestejäähdytys
Ilmajäähdytykseen verrattuna jäähdytyslevyn nestejäähdytystekniikka on tehokkaampaa, ja jäähdytyslevyt on enimmäkseen valmistettu alumiinista tai alumiiniseoksesta, ja kustannukset ovat suhteellisen alhaiset. Tutkimuksen pääsuunta on optimoida jäähdytyslevyn rakenne ja nestevirtausominaisuudet valmistusprosessin yksinkertaistamiseksi ja tehokkuuden parantamiseksi.
Viimeaikainen tutkimus on keskittynyt jäähdytysnestekanavien suunnitteluun ja jäähdytysnesteen virtauksen suuntaan. Jotkut asiantuntijat esimerkiksi suunnittelivat uudentyyppisen nestejäähdytyslevyn, joka perustuu serpentiiniseen virtauskanavaan. Tämä uusi muotoilu voi parantaa huomattavasti jäähdytystehoa tietyissä olosuhteissa. Jotkut asiantuntijat ovat myös suunnitelleet hunajakennorakenteisen jäähdytyslevyn, joka perustuu neliömäiseen paristoon. Tämä muotoilu parantaa lämmönpoistovaikutusta lisäämällä jäähdytyskanavia. Kaikki nämä tutkimukset osoittivat, että järkevä jäähdytysnestekanavan suunnittelu ja virtaussuunta ovat kriittisiä lämpötilan tasaisuuden kannalta. Kaiken kaikkiaan jäähdytyslevyn nestejäähdytystekniikka on melko kypsä ja sitä käytetään laajalti erilaisissa sähkölaitteissa.
Kaiken kaikkiaan kylmälevynestejäähdytystekniikka on erittäin tehokas useimmissa sovellusskenaarioissa. Sen päämateriaaleilla, kuten kuparilla ja alumiinilla, on hyvät lämmönjohtavuusominaisuudet ja ne ovat kohtalaisen kustannustehokkaita, joten ne sopivat ihanteellisesti käytettäväksi sähköajoneuvoissa tai muissa laitteissa, joissa on korkea jäähdytysvaatimus. Käytännön sovelluksissa korkealaatuisten jäähdytysvaikutusten varmistamiseksi on tarpeen suunnitella sopivat jäähdytyskanavat ja valita sopivat materiaalit akkutyypin ja rakenteen perusteella.
Upotusnestejäähdytys
Upotusnestejäähdytystekniikka upottaa akun ja muut lämpöä tuottavat komponentit kokonaan jäähdytysnesteeseen. Perinteiseen ilmajäähdytykseen verrattuna tämä tekniikka vähentää melua ja energiankulutusta sekä hallitsee paremmin akun lämpötilaa. Huolimatta tämän tekniikan erinomaisista tuloksista, sen suurin haittapuoli on järjestelmän suhteellisen suuri paino ja tilavuus, mikä rajoittaa sen käyttöä sähköajoneuvoissa. Mutta kiinteisiin energiaa varastoiviin voimalaitoksiin tämä tekniikka on ihanteellinen.
Upotusnestejäähdytyksessä jäähdytysnesteenä käytetään pääasiassa eristeöljyä ja fluorattua nestettä, vaikka hinta on korkeampi. Tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että tällä jäähdytystekniikalla voidaan varmistaa, että akun keskilämpötilan nousu ei ylitä 5 astetta ja kennojen välinen lämpötilaero on vain 2 astetta. Tämä auttaa parantamaan energiaa varastoivien voimalaitosten käyttöikää ja turvallisuutta.
Vaiheenvaihtomateriaalin jäähdytystekniikka
Faasimuutosmateriaaleihin (PCM) perustuva akun lämmönhallintatekniikka on innovatiivinen menetelmä, joka pitää akun optimaalisessa lämpötilassa hyödyntämällä PCM:n lämmön varastointi- ja vapautumisominaisuuksia. Tällä lähestymistavalla on useita etuja: se ei vaadi lisäenergiaa, siinä ei ole liikkuvia osia, se on vähän huoltoa vaativa ja se tekee hyvää työtä tasaisen akun lämpötilan takaamisessa.
Tällä hetkellä yleisesti käytetyt PCM-materiaalit lämmönhallinnassa ovat: Orgaaniset materiaalit, kuten parafiinit, alkaanit ja orgaaniset hapot.
Epäorgaaniset materiaalit, kuten vesiliuokset, suolahydraatit ja sulat suolat.
Eutektiset materiaalit
Itse PCM:n lämmönjohtavuus ei kuitenkaan ole korkea, joten muita materiaaleja, kuten kuparivaahtoa, paisutettua grafiittia ja nanohiukkasia lisätään yleensä parantamaan sen lämmönjohtavuutta. Tämä voi myös ratkaista joitain PCM:n fyysisiä ongelmia, kuten juoksevuusongelmia vaiheen muutoksen jälkeen.
Ymmärtääksemme tämän intuitiivisemmin voimme viitata joihinkin viimeaikaisiin tutkimuksiin. Esimerkiksi jotkut asiantuntijat loivat komposiittifaasinmuutosmateriaalin, joka koostui lauriinihaposta ja parafiinivahasta yhdistettynä paisutettuun grafiittiin. Tämä materiaali alensi onnistuneesti tietyn akun maksimilämpötilan 42,39 asteeseen. Muut tutkimukset ovat myös osoittaneet, että PCM:n jäähdytysvaikutusta voidaan edelleen tehostaa yhdistettynä muihin jäähdytysmenetelmiin, kuten ilmajäähdytykseen.
Termosähköinen jäähdytystekniikka
Termosähköinen jäähdytys on edistynyt aktiivinen jäähdytystekniikka, joka perustuu Peltier-ilmiöön. Yksinkertaisesti sanottuna, kun sähkövirta kulkee tietyn materiaalin läpi, se absorboi lämpöä toiselta puolelta ja vapauttaa sen toiselta puolelta luoden jäähdytysvaikutuksen. Tämän tekniikan tärkeimpiä etuja ovat: ei kylmäaineita, alhainen energiankulutus, nopea käynnistys, hyvä vakaus, alhainen melu ja ei liikkuvia osia. Mutta haasteita on myös ilmeisiä, kuten alhainen jäähdytystehokkuus ja vaikeudet suurten laitteiden valmistuksessa.
Tutkijat ovat tehneet suuren määrän kokeita optimoidakseen tämän tekniikan soveltamisen akkujen lämmönhallintajärjestelmissä. Jotkut asiantuntijat ovat esimerkiksi suunnitelleet järjestelmän, jossa yhdistyvät kaksoispiihappojäähdytyslevyt kupariverkolla ja ilmajäähdytyksellä. He havaitsivat, että piidioksidijäähdytyslevyn paksuus liittyy akun lämpötilan suorituskykyyn, ja 1,5 mm määritettiin optimaaliseksi paksuudeksi. Toisessa tutkimuksessa yhdistettiin lämpösähköinen jäähdytys nestejäähdytyksellä, ja kokeet ovat osoittaneet, että tämä yhdistelmä voi tehokkaasti parantaa jäähdytysvaikutusta.
