Pregled tehnologije upravljanja toplinom 1
1.1 Upravljanje toplinom baterije
Upravljanje toplinom baterije je ključna komponenta sistema upravljanja toplinom električnih vozila. Njegov glavni cilj je osigurati da baterija održava odgovarajuću radnu temperaturu u različitim radnim uvjetima kako bi se osigurale performanse baterije, sigurnost i vijek trajanja. Upravljanje toplinom baterije uglavnom uključuje dva aspekta: odvođenje topline i grijanje. U nastavku će se elaborirati različiti tehnički putevi za postizanje ove dvije funkcije.
1.1.1 Rasipanje topline baterije
1) Vazdušno hlađenje. Vazdušno hlađenje je relativno jednostavna i jeftina metoda odvođenja toplote. Uklanja toplinu koju generiše baterija prirodnom konvekcijom ili ugradnjom ventilatora za prinudno strujanje zraka. Sistem zračnog hlađenja se uglavnom oslanja na hladnjak na površini baterije za razmjenu topline, što je pogodno za scenarije sa niskim zahtjevima za gustinom energije ili umjerenom temperaturom okoline. Međutim, zbog malog specifičnog toplotnog kapaciteta vazduha, efikasnost razmene toplote je relativno ograničena, a sposobnost brzog hlađenja za baterije velike snage i velike gustine energije je slaba.
2) Hlađenje tekućinom. Rashladna tekućina koristi rashladno sredstvo (kao što je voda, otopina etilen glikola, itd.) kao medij za prijenos topline, koji je u direktnom kontaktu s baterijom kroz cijev za cirkulaciju kako bi se postiglo efikasno provođenje topline. Sistem hlađenja tekućinom može precizno kontrolirati temperaturu baterije, posebno za električna vozila visokih performansi. Iako efikasno sprječava pregrijavanje baterije, osigurava da je temperatura baterije ravnomjerno raspoređena, čime se poboljšava vijek trajanja baterije i ukupne performanse. Međutim, tekuće hlađenje ima određena ograničenja. Sistem hlađenja tekućinom je složeniji, postoji rizik od curenja tekućine, postoje određeni zahtjevi za otpornost materijala na koroziju, a troškovi održavanja su povećani.
3) Rasipanje topline materijala za promjenu faze (PCM). Materijali s promjenom faze mogu apsorbirati veliku količinu latentne topline tokom procesa faznog prijelaza čvrsta-tečnost, čime se postiže dobar efekat disipacije topline. Kada se primeni na upravljanje toplotom baterije, PCM se može omotati oko baterije ili ugraditi u baterijski modul da apsorbuje toplotu kada temperatura baterije poraste, igrajući ulogu u sporom oslobađanju toplote. Prednost PCM disipacije toplote je njegova konstantna temperaturna karakteristika, koja sprečava nagli porast temperature baterije, ali su i nedostaci relativno očigledni. Njegova toplotna provodljivost je relativno slaba, brzina odziva je spora, a cijena materijala visoka.
4) Rasipanje toplote toplotnim cevima. Toplotne cijevi mogu prenositi toplinu korištenjem procesa promjene faze radnog fluida bez vanjskog unosa energije kako bi se postigla efikasna toplinska provodljivost. U aplikacijama za upravljanje toplinom baterija, toplotne cijevi mogu brzo prenijeti toplinu iz lokalnih vrućih tačaka i poboljšati temperaturnu konzistentnost cijelog paketa baterija. Toplotne cijevi imaju prednosti visoke efikasnosti prijenosa topline, male veličine i male težine, ali njihova struktura je složena, troškovi proizvodnje su relativno visoki, a pažnju treba posvetiti dizajniranju odgovarajućeg kraja kondenzacije kako bi se osigurala efikasnost odvođenja topline.
5) Direktno rasipanje topline hlađenja. Direktno hlađenje se uglavnom odnosi na rashladni medij (obično tečnost) koji teče direktno kroz baterijski modul ili baterijsku ćeliju kako bi se efektivno kontrolirala radna temperatura baterije. Ovaj dizajn omogućava površini baterije da brzo odvodi toplinu, što je posebno pogodno za situacije visoke temperature i velike potražnje za energijom. Međutim, direktno hlađenje ima izuzetno visoke zahtjeve za zaptivanje, a kada rashladna tekućina procuri, može uzrokovati ozbiljne sigurnosne opasnosti.
1.1.2 Grijanje baterije
1) PTC grijanje. Grijač pozitivnog temperaturnog koeficijenta (PTC) se zasniva na efektu pozitivnog temperaturnog koeficijenta, odnosno otpor raste s temperaturom. Stoga može osigurati stabilan toplinski učinak u okruženju s niskim temperaturama dok automatski ograničava vlastitu temperaturu od previsoke. PTC grijanje se široko koristi u električnim vozilima za udobnost, kao što je grijanje sjedišta i pomoćno grijanje sistema klima uređaja u automobilu. Zbog svojih samoregulirajućih karakteristika, može pružiti stabilne i efikasne efekte grijanja uz izbjegavanje problema uzrokovanih pregrijavanjem. To je efikasna tehnologija grijanja. Međutim, PTC grijanje je električno grijanje, što će povećati ukupnu potrošnju energije električnih vozila i smanjiti domet vožnje.
2) Grejanje toplotnom pumpom. Sistem klimatizacije sa toplotnom pumpom apsorbuje niskotemperaturnu toplotu iz spoljašnje sredine kroz obrnuti Carnot ciklus i prenosi je na bateriju i kabinu kroz proces kompresije i oslobađanja toplote. U poređenju sa tradicionalnim PTC metodom grejanja, toplotna pumpa je energetski efikasnija u okruženju niskih temperatura, što pomaže u održavanju performansi vozila. Međutim, dizajn i rad sistema toplotnih pumpi su komplikovaniji, posebno u uslovima ekstremno niskih temperatura, gde će njihove performanse opasti. Iz tog razloga, neke studije su predložile inovativne tehnologije kao što su povećanje entalpije ubrizgavanja vazduha i toplotne pumpe sa dva izvora za optimizaciju performansi toplotne pumpe pri niskim temperaturama okoline.
