Одной из ключевых технологий электромобилей являются силовые батареи. Качество батарей определяет, с одной стороны, стоимость электромобилей, а с другой — их запас хода. Это ключевой фактор для принятия и быстрого внедрения.
В зависимости от характеристик применения, требований и областей использования силовых батарей, в стране и за рубежом исследования и разработки в этой области подразделяются примерно на следующие типы: свинцово-кислотные батареи, никель-кадмиевые батареи, никель-металлгидридные батареи, литий-ионные батареи, топливные элементы и др., при этом наибольшее внимание уделяется разработке литий-ионных батарей.
Характеристики тепловыделения аккумуляторной батареи
Источник тепла, скорость тепловыделения, теплоемкость батареи и другие связанные параметры силового аккумуляторного модуля тесно связаны с природой батареи. Тепло, выделяемое батареей, зависит от химической, механической и электрической природы и характеристик батареи, особенно от характера электрохимической реакции. Тепловая энергия, выделяемая в реакции батареи, может быть выражена как теплота реакции батареи Qr; электрохимическая поляризация приводит к отклонению фактического напряжения батареи от ее равновесной электродвижущей силы, а потери энергии, вызванные поляризацией батареи, выражаются как Qp. Помимо реакции батареи, протекающей в соответствии с уравнением реакции, существуют также некоторые побочные реакции. Типичные побочные реакции включают разложение электролита и саморазряд батареи. Теплота побочной реакции, выделяемая в этом процессе, равна Qs. Кроме того, поскольку любая батарея неизбежно имеет сопротивление, при прохождении тока будет выделяться джоулево тепло Qj. Следовательно, общее тепло батареи представляет собой сумму теплоты следующих составляющих: Qt = Qr + Qp + Qs + Qj.
В зависимости от конкретного процесса зарядки (разрядки) основные факторы, вызывающие выделение тепла батареей, также различаются. Например, при нормальной зарядке батареи доминирующим фактором является Qr; а на более поздней стадии зарядки, из-за разложения электролита, начинают происходить побочные реакции (тепло от побочных реакций — Qs), когда батарея почти полностью заряжена и перезаряжена, в основном происходит разложение электролита, где доминирует Qs. Джоулево тепло Qj зависит от тока и сопротивления. Обычно используемый метод зарядки осуществляется при постоянном токе, и Qj в это время имеет определенное значение. Однако во время запуска и ускорения ток относительно высок. Для гибридных электромобилей это эквивалентно току от десятков до сотен ампер. В это время джоулево тепло Qj очень велико и становится основным источником выделения тепла батареей.
С точки зрения управляемости теплового режима, системы терморегулирования можно разделить на два типа: активные и пассивные. С точки зрения теплоносителя, системы терморегулирования можно разделить на: системы с воздушным охлаждением, системы с жидкостным охлаждением и системы с фазовым переходом.
Терморегулирование с использованием воздуха в качестве теплоносителя.
Теплоноситель оказывает существенное влияние на производительность и стоимость системы терморегулирования. Использование воздуха в качестве теплоносителя предполагает прямую подачу воздуха через аккумуляторный модуль для отвода тепла. Как правило, для этого требуются вентиляторы, вентиляционные отверстия и другие компоненты.
В зависимости от различных источников забора воздуха, обычно встречаются следующие формы:
1. Пассивное охлаждение с вентиляцией наружным воздухом.
2. Пассивное охлаждение/обогрев для вентиляции салона автомобиля.
3. Активное охлаждение/обогрев наружного воздуха или воздуха в салоне автомобиля.
Конструкция пассивной системы относительно проста и напрямую использует существующую окружающую среду. Например, если зимой необходимо обогреть батарею, можно использовать тепло воздуха в салоне автомобиля. Если во время движения температура батареи слишком высока и охлаждающий эффект воздуха в салоне недостаточен, можно использовать холодный воздух снаружи для охлаждения.
Для активной системы необходимо создать отдельную систему, обеспечивающую функции обогрева или охлаждения и управляемую независимо в зависимости от состояния батареи, что также увеличивает энергопотребление и стоимость автомобиля. Выбор различных систем в основном зависит от требований к использованию батареи.
Терморегулирование с использованием жидкости в качестве теплоносителя.
Для теплопередачи с использованием жидкости в качестве среды необходимо установить теплообмен между модулем и жидкой средой, например, водяной рубашкой, для осуществления косвенного нагрева и охлаждения в виде конвекции и теплопроводности. В качестве теплоносителя может использоваться вода, этиленгликоль или даже хладагент. Существует также прямая теплопередача путем погружения полюсного наконечника в жидкость диэлектрика, но при этом необходимо принять меры изоляции во избежание короткого замыкания.
Пассивное жидкостное охлаждение обычно использует теплообмен между жидкостью и окружающим воздухом, а затем в аккумулятор вводятся теплоизоляционные материалы для вторичного теплообмена, в то время как активное охлаждение использует теплообменники с жидкостной средой и охлаждающей жидкостью двигателя или электрический нагрев/нагрев термомаслом для достижения первичного охлаждения. Отопление, первичное охлаждение с использованием жидкостной среды и хладагента в салоне/кондиционере.
Система терморегулирования с использованием воздуха и жидкости в качестве среды требует наличия вентиляторов, водяных насосов, теплообменников, нагревателей (ПТК-воздухонагреватель), трубопроводы и другие комплектующие делают конструкцию слишком большой и сложной, а также потребляют энергию батареи, что снижает удельную мощность и энергетическую плотность батареи.
(Охлаждающая жидкость PTCобогревательСистема водяного охлаждения батареи использует охлаждающую жидкость (50% воды/50% этиленгликоля) для передачи тепла от батареи к системе кондиционирования воздуха через охладитель батареи, а затем в окружающую среду через конденсатор. Температура поступающей воды легко снижается после теплообмена с охладителем батареи, и батарея может работать в оптимальном диапазоне рабочих температур; принцип работы системы показан на рисунке. Основные компоненты системы охлаждения включают: конденсатор, электрический компрессор, испаритель, расширительный клапан с запорным клапаном, охладитель батареи (расширительный клапан с запорным клапаном) и трубы системы кондиционирования воздуха и т. д.; контур охлаждающей воды включает:электрический водяной насосаккумулятор (включая охлаждающие пластины), охладители аккумуляторов, водопроводные трубы, расширительные баки и другие принадлежности.
Дата публикации: 13 июля 2023 г.
