Temperaturno upravljanje elektrificiranih vozil
01.04.2022
V zadnjem času beležimo velik napredek na področju povečevanja zmogljivosti baterij električnih avtomobilov, a eden večjih izzivov ostaja njihovo toplotno upravljanje, torej možnost razvoja učinkovitega hladilnega sistema.
Baterija je bistveni del električnega ali hibridnega avtomobila, saj mora zagotoviti dovolj energije za učinkovito in odzivno delovanje elektromotorja, hkrati mora zagotavljati učinkovito polnjenje. Baterije delujejo po načelu razlike v napetosti na polih, ki mora biti dovolj visoka, da baterija oddaja energijo. Za delovanje baterije so najbolj neugodne visoke temperature v notranjosti, do katerih lahko pride zaradi poletne vročine, hitrih sekvenc silovitega praznjenja med pospeševanjem in intenzivnega polnjenja med rekuperativnim zaviranjem ali med (predvsem hitrim) polnjenjem. Visoke temperature namreč vzbudijo elektrone, zato se zmanjša napetost med obema poloma baterije, njena kapaciteta pa pade. Neugoden je tudi hud mraz, saj baterija takrat izgubi precej svoje kapacitete.
Učinkovitost med –10 in +40 stopinjami Celzija
Baterije so zasnovane tako, da učinkovito delujejo v temperaturnem razponu med 40 stopinjami nad in 10 stopinjami pod Celzijevo ničlo. In če nizke temperature povzročijo »le« zmanjšanje kapacitete baterij, lahko pri temperaturah nad 40 stopinj pride tudi do prehitrega staranja in okvar baterije, v skrajnem primeru celo do požara ali eksplozije.
Ker proizvajalci življenjsko dobo baterije prilagodijo povprečni življenjski dobi avtomobila, torej od osem do 10 let, je pomembno, da baterija pretežno deluje v optimalnem toplotnem razponu. S sistemi za toplotno upravljanje zato poskušajo temperaturo baterije med delovanjem ohranjati med 20 in 40 stopinjami Celzija. In ne le to. Z učinkovitimi sistemi hlajenja (ali gretja) baterije morajo doseči tudi uniformnost temperature v celotni bateriji. Razlike v temperaturi posameznih celic v baterijskem skladu namreč ne smejo biti večje od pet stopinj Celzija.
Danes je na voljo več možnosti za hlajenje baterij. Najbolj preprosti so materiali, ki med spremembo agregatnega stanja iz trdnega v tekoče ob majhni spremembi temperature absorbirajo velike temperaturne spremembe. Do neke mere lahko ti materiali zagotovijo učinkovito hlajenje baterije, vendar jih pri tem ovirata sprememba volumna med spremembo faze in dejstvo, da sicer lahko absorbirajo veliko toplote, ne morejo pa je odvajati v okolico. Druga preprosta možnost so hladilna rebra, ki povečajo zunanjo površino baterije in pospešijo odvajanje toplote v okolico, vendar ji dodajo precej mase, zato niso najbolj primerna za uporabo na avtomobilih.
Primerno za avtomobile
Za uporabo v avtomobilih je bolj primerno zračno hlajenje. Je namreč preprosto, a manj učinkovito v primerjavi s tekočinskim hlajenjem. Uporablja se predvsem v starejših električnih avtomobilih, kakršen je nissan leaf, in v hibridnih ter priključnohibridnih avtomobilih.
Bolj učinkoviti in varni so sistemi za tekočinsko hlajenje baterij. Tekočine imajo namreč večjo toplotno prevodnost in toplotno učinkovitost od zraka, zato lahko bolj učinkovito odvajajo toploto iz baterij. Zaradi večje učinkovitosti hladilnih tekočin so lahko hladilne napeljave manjše, kar pomeni, da so tudi baterijski skladi lahko manjši in predvsem lažji. S tekočinskim hlajenjem se tudi laže zagotovi njegova enakomernost po vsem baterijskem skladu. To je razlog, da ga v svojih električnih avtomobilih uporablja večina proizvajalcev električnih vozil.
Trenutno tekočinski hladilni sistemi v električnih avtomobilih delujejo podobno kot sistemi v avtomobilih z motorji na notranje zgorevanje, saj hladilna tekočina kroži po ceveh, ki odvajajo toploto iz baterije. Takšne sisteme imenujemo posredni, saj hladilna tekočina ni v neposrednem stiku z baterijskimi celicami.
V razvoju so sistemi za neposredno hlajenje, pri katerih bodo celice neposredno potopljene v hladilno tekočino. Takšni sistemi sicer obetajo boljše hladilne sposobnosti, vendar zahtevajo drugačne vrste hladilnih sredstev. Tradicionalne hladilne tekočine namreč odlično prevajajo električni tok, kar v neposrednih hladilnih sistemih, kjer je hladilna tekočina v neposrednem stiku s celicami, ni zaželeno, saj lahko pride do kratkega stika.
Baterije električnih avtomobilov potrebujejo učinkovito hlajenje, saj so učinkovite le v določenem temperaturnem razponu.
Razlika v učinkovitosti posrednega hlajenja s hladilno ploščo pod baterijo in neposrednega hlajenja, pri katerem so celice potopljene v hladilno tekočino. (D2H Advanced Technologies)
Hladilni sistemi
Zračno hlajenje
Preprost, vendar razmeroma osnovni sistem, ki za učinkovito hlajenje potrebuje 2- do 3-krat več energije od drugih sistemov. Manj učinkovita rešitev
Zračno hlajenje z ventilatorjem
Ventilator baterijski celici doda 40 odstotkov dodatne mase, ki prevaga hladilni učinek. Nepraktična rešitev.
Material s spremembo agregatnega stanja
Lahko zagotovi zahteve na račun volumna celotnega sistema. Ko jo enkrat absorbira, toplote ne more odvesti v okolico. Nepraktična rešitev
Tekočinsko hlajenje
Visoka toplotna kapaciteta in učinkovitost sistema s strukturo, ki se jo preprosto razporedi. Zagotavlja najboljše hladilne zmogljivosti.
Neposredno hlajenje
Baterija je direktno potopljena v hladilno sredstvo, ki za zagotavljanje varnosti ne sme imeti prevodnosti ali je ta lahko le zelo nizka. Rešitev je še v razvoju, zato v električnih avtomobilih še ni v uporabi. Sistem z odličnim hladilnim potencialom.
Posredno hlajenje
Hladilna tekočina skozi sistem baterije teče po vrsti cevi ali skozi hladilno ploščo. Zahteva hladilno sredstvo z zelo visoko sposobnostjo odvajanja toplote z inhibitorji korozije za zaščito kovinskih cevi.
Najbolj obetaven hladilni sistem, ki je trenutno v uporabi.
Zračno hlajenje z ventilatorjem
Pri tem sistemu, ki je pretežno v uporabi na hibridnih vozilih, ventilator neposredno iz klimatizirane kabine vleče zrak skozi baterijo. Zrak iz kabine, ki ima temperaturo manj kot 40 stopinj Celzija, kroži okrog dosegljivih površin v bateriji in na ta način hladi njene celice.
Ta sistem ima več slabosti:
- nizka učinkovitost hlajenja,
- neenakomerno hlajenje celic,
- izguba energije, ki se porabi za pretok zraka,
- neposredna povezava s potniško kabino in baterijo prek odprtine za zrak, skozi katero lahko v kabino prodrejo nezaželeni plini,
- potencialno nadležni zvoki v kabini,
- tveganje, da v baterijo vdre umazanija. Prah iz kabine lahko v kombinaciji s kondenzirano vlago v bateriji tvori prevodno plast in povzroči stik ali izgube električnega toka. Temu se je mogoče izogniti z vgradnjo filtrov.
Hlajenje z evaporacijsko ploščo
Pri tem sistemu je posebna evaporacijska plošča znotraj baterije povezana s klimatsko napravo avtomobila. Evaporator znotraj vozila in evaporator znotraj baterije sta povezana z istim tokokrogom, vendar delujeta ločeno. Če je namreč evaporator v kabini namenjen zagotavljanju udobja potnikov, tisti v plošči skrbi, da je baterija učinkovito temperirana v vseh voznih pogojih in ob vseh zunanjih temperaturah. Evaporacijska plošča je oblikovana tako, da je čim bolj učinkovito v stiku z baterijskimi celicami, zato te ne presežejo temperature 40 stopinj Celzija.
Žal evaporacijska plošča v hladnih dneh ne more ogreti baterije. V hibridnih avtomobilih se ta težava lahko preseže s toploto iz motorja na notranje zgorevanje, v baterijskem električnem avtomobilu pa je potreben dodatni električni grelnik baterije.
Ker je evaporacijska plošča neposredno vgrajena v baterijo, je ob poškodbi treba zamenjati celotno baterijo.
Tekočinsko upravljanje temperature
V baterijah z visoko kapaciteto učinkovito upravljanje temperature igra zelo pomembno vlogo, zato je zanj dobro poskrbljeno. V sistemu za tekočinsko hlajenje baterije med celicami teče hladilna tekočina, ki se ohladi v baterijskem hladilniku v srednjem delu avtomobila, ki za hlajenje izkorišča tok zraka med lamelami.
Če hlajenje baterije zaradi visoke zunanje temperature ni dovolj učinkovito, se hladilno tekočino dodatno vodi skozi izmenjevalnik toplote, v katerem izpareva hladilno sredstvo iz klimatske naprave. Zaradi tega izmenjevalnika toplote lahko baterija tudi v najbolj vročih dneh deluje v učinkovitem temperaturnem območju. Po drugi strani je v hladnih dnevih potreben poseben grelnik, ki ji zagotovi temperaturo med 15 in 30 stopinjami Celzija.
Razlike med hladilnimi tekočinami za električna vozila in vozila z motorji na notranje zgorevanje
Električno vozilo ima manj občutljivih kovin. Medtem ko v obeh vrstah motorjev najdemo aluminij in baker, elektromotorji ne potrebujejo zaščite za železo, jeklo ali medenino, kar zmanjša potrebo po konvencionalnih inhibitorjih korozije in drugih aditivih.
Hladilne tekočine za električna vozila morajo imeti manjšo električno prevodnost. Obe vrsti motorjev od hladilne tekočine zahtevata toplotno prevodnost, vendar mora imeti tekočina za električna vozila zaradi možnosti pronicanja v baterijo zmanjšano električno prevodnost, da ne pride do pojava ognja ali eksplozije.
Hladilne tekočine električnih vozil so bolj obstojne. Ker motorji na notranje zgorevanje delujejo pri višjih temperaturah (190 °C proti 40–50 °C), vročina in oksidacija prej vplivata na glikol v hladilni tekočini. Hladilna tekočina električnega vozila ima zato daljši rok trajanja.
Tehnologija električnih vozil se hitro spreminja. Električna vozila postajajo vse bolj priljubljena in jih je vedno več. Z vstopanjem vse več proizvajalcev v ponudbo električnih vozil se hitro razvija tudi njihova tehnologija.
Za električna vozila še ni vzpostavljenih standardov. Delovanje in uporabo vozil z motorji na notranje zgorevanje in njihovih komponent urejajo natančni standardi, električna vozila pa na trgu še niso dovolj dolgo, da bi bili ti natančno določeni. To velja tudi za hladilne tekočine, zato je pri njihovi uporabi potrebna dodatna previdnost.