Jednou z klíčových technologií vozidel s novými energetickými systémy jsou baterie. Kvalita baterií určuje na jedné straně cenu elektromobilů a na straně druhé dojezd elektromobilů. Klíčovým faktorem pro jejich přijetí a rychlé zavedení.
Podle charakteristik použití, požadavků a oblastí použití výkonových baterií jsou typy výzkumu a vývoje výkonových baterií v tuzemsku i v zahraničí zhruba následující: olověné baterie, nikl-kadmiové baterie, nikl-metalhydridové baterie, lithium-iontové baterie, palivové články atd., z nichž největší pozornost je věnována vývoji lithium-iontových baterií.
Chování generování tepla z baterie
Zdroj tepla, rychlost generování tepla, tepelná kapacita baterie a další související parametry modulu napájecí baterie úzce souvisejí s povahou baterie. Teplo uvolňované baterií závisí na chemické, mechanické a elektrické povaze a vlastnostech baterie, zejména na povaze elektrochemické reakce. Tepelná energie generovaná při reakci baterie může být vyjádřena reakčním teplem baterie Qr; elektrochemická polarizace způsobuje odchylku skutečného napětí baterie od její rovnovážné elektromotorické síly a ztráta energie způsobená polarizací baterie je vyjádřena pomocí Qp. Kromě reakce baterie probíhající podle reakční rovnice existují i některé vedlejší reakce. Mezi typické vedlejší reakce patří rozklad elektrolytu a samovybíjení baterie. Vedlejší reakční teplo generované v tomto procesu je Qs. Kromě toho, protože každá baterie bude nevyhnutelně mít odpor, bude při průchodu proudu generováno Jouleovo teplo Qj. Celkové teplo baterie je tedy součtem tepla následujících aspektů: Qt=Qr+Qp+Qs+Qj.
V závislosti na konkrétním procesu nabíjení (vybíjení) se liší i hlavní faktory, které způsobují, že baterie generuje teplo. Například při normálním nabití baterie je dominantním faktorem Qr; a v pozdější fázi nabíjení baterie, v důsledku rozkladu elektrolytu, začínají probíhat vedlejší reakce (vedlejší reakční teplo je Qs). Když je baterie téměř plně nabitá a přebitá, dochází hlavně k rozkladu elektrolytu, kde dominuje Qs. Jouleovo teplo Qj závisí na proudu a odporu. Běžně používaná metoda nabíjení se provádí za konstantního proudu a Qj je v tomto okamžiku specifická hodnota. Během spouštění a zrychlování je však proud relativně vysoký. U HEV je to ekvivalentní proudu desítek až stovek ampérů. V tomto okamžiku je Jouleovo teplo Qj velmi velké a stává se hlavním zdrojem uvolňování tepla z baterie.
Z hlediska ovladatelnosti tepelného managementu lze systémy tepelného managementu rozdělit na dva typy: aktivní a pasivní. Z hlediska teplonosného média lze systémy tepelného managementu rozdělit na: vzduchem chlazené, kapalinou chlazené a akumulační systémy s fázovou změnou tepla.
Tepelný management se vzduchem jako teplonosným médiem
Teplonosné médium má významný vliv na výkon a náklady systému tepelného managementu. Použití vzduchu jako teplonosného média spočívá v jeho přímém přivádění do bateriového modulu, čímž se dosáhne odvodu tepla. Obecně jsou zapotřebí ventilátory, vstupní a výstupní ventilace a další komponenty.
Podle různých zdrojů příjmu vzduchu se obecně rozlišují tyto formy:
1 Pasivní chlazení s větráním venkovním vzduchem
2. Pasivní chlazení/topení pro větrání prostoru pro cestující
3. Aktivní chlazení/ohřívání venkovního vzduchu nebo vzduchu v prostoru pro cestující
Struktura pasivního systému je relativně jednoduchá a přímo využívá stávající prostředí. Například pokud je v zimě potřeba baterii ohřát, lze k vdechování vzduchu využít horké prostředí v prostoru pro cestující. Pokud je teplota baterie během jízdy příliš vysoká a chladicí účinek vzduchu v prostoru pro cestující není dobrý, lze k ochlazení vdechovat studený vzduch zvenčí.
Pro aktivní systém je nutné zřídit samostatný systém, který bude zajišťovat funkce vytápění nebo chlazení a bude nezávisle řízen podle stavu baterie, což také zvyšuje spotřebu energie a náklady na vozidlo. Výběr různých systémů závisí především na požadavcích na využití baterie.
Tepelný management s kapalinou jako teplonosným médiem
Pro přenos tepla s kapalinou jako médiem je nutné vytvořit teplonosné spojení mezi modulem a kapalným médiem, například vodním pláštěm, aby se zajistilo nepřímé ohřev a chlazení formou konvekce a vedení tepla. Teplonosným médiem může být voda, ethylenglykol nebo dokonce chladivo. Existuje také přímý přenos tepla ponořením pólového nástavce do kapaliny dielektrika, ale je nutné přijmout izolační opatření, aby se zabránilo zkratu.
Pasivní kapalinové chlazení obecně využívá výměnu tepla mezi kapalinou a okolním vzduchem a poté zavádí kokony do baterie pro sekundární výměnu tepla, zatímco aktivní chlazení využívá výměníky tepla mezi chladicí kapalinou motoru a kapalným médiem nebo elektrické vytápění/ohřev termálním olejem k dosažení primárního chlazení. Vytápění, primární chlazení s chladivem a kapalným médiem klimatizace v kabině pro cestující/klimatizace.
Systém tepelného řízení se vzduchem a kapalinou jako médiem vyžaduje ventilátory, vodní čerpadla, výměníky tepla, ohřívače (PTC ohřívač vzduchu), potrubí a další příslušenství, což činí konstrukci příliš velkou a složitou, a také spotřebovává energii baterie, pole Hustota výkonu a hustota energie baterie se snižují.
(Chladicí kapalina PTCohřívač) Vodou chlazený chladicí systém baterie využívá chladivo (50 % vody / 50 % ethylenglykolu) k přenosu tepla z baterie do chladicího systému klimatizace přes chladič baterie a poté do okolního prostředí přes kondenzátor. Teplota importované vody se po výměně tepla chladičem baterie snadno sníží a baterii lze nastavit tak, aby pracovala v optimálním rozsahu provozních teplot; princip systému je znázorněn na obrázku. Mezi hlavní součásti chladicího systému patří: kondenzátor, elektrický kompresor, výparník, expanzní ventil s uzavíracím ventilem, chladič baterie (expanzní ventil s uzavíracím ventilem) a potrubí klimatizace atd.; okruh chladicí vody zahrnuje:elektrické vodní čerpadlo, baterie (včetně chladicích desek), chladiče baterií, vodovodní potrubí, expanzní nádrže a další příslušenství.
Čas zveřejnění: 13. července 2023
