بررسی اجمالی فناوری مدیریت حرارتی 1
1.1 مدیریت حرارتی باتری
مدیریت حرارتی باتری جزء کلیدی سیستم مدیریت حرارتی خودروهای الکتریکی است. هدف اصلی آن اطمینان از حفظ دمای عملیاتی بسته باتری در شرایط مختلف عملیاتی برای اطمینان از عملکرد، ایمنی و عمر باتری است. مدیریت حرارتی باتری عمدتاً شامل دو جنبه است: اتلاف گرما و گرمایش. در ادامه مسیرهای فنی مختلف برای دستیابی به این دو کارکرد را توضیح خواهیم داد.
1.1.1 اتلاف گرمای باتری
1) خنک کننده هوا خنک سازی هوا یک روش اتلاف حرارت نسبتاً ساده و کم هزینه است. گرمای تولید شده توسط باتری را از طریق همرفت طبیعی یا با نصب یک فن برای جریان هوا حذف می کند. سیستم خنک کننده هوا عمدتاً برای تبادل گرما به هیت سینک روی سطح بسته باتری متکی است که برای سناریوهایی با تراکم توان کم یا دمای محیط متوسط مناسب است. با این حال، به دلیل ظرفیت گرمای ویژه کوچک هوا، راندمان تبادل حرارت نسبتاً محدود است و توانایی خنکسازی سریع باتریهای با قدرت و چگالی انرژی بالا ضعیف است.
2) خنک کننده مایع. محلول خنک کننده مایع از خنک کننده (مانند آب، محلول اتیلن گلیکول و غیره) به عنوان محیط انتقال حرارت استفاده می کند که از طریق یک لوله گردشی در تماس مستقیم با باتری است تا انتقال گرما کارآمدی حاصل شود. سیستم خنککننده مایع میتواند دمای باتری را بهویژه برای خودروهای الکتریکی با عملکرد بالا به دقت کنترل کند. در حالی که به طور موثر از گرم شدن بیش از حد باتری جلوگیری می کند، اطمینان می دهد که دمای باتری به طور یکنواخت توزیع می شود و در نتیجه عمر باتری و عملکرد کلی را بهبود می بخشد. با این حال، خنک کننده مایع محدودیت های خاصی دارد. سیستم خنک کننده مایع پیچیده تر است، خطر نشت مایع وجود دارد، الزامات خاصی برای مقاومت در برابر خوردگی مواد وجود دارد و هزینه نگهداری افزایش می یابد.
3) اتلاف حرارت مواد تغییر فاز (PCM). مواد تغییر فاز می توانند مقدار زیادی گرمای نهان را در طول فرآیند انتقال فاز جامد به مایع جذب کنند و در نتیجه به یک اثر اتلاف گرما خوب دست می یابند. هنگامی که برای مدیریت حرارتی باتری اعمال می شود، PCM را می توان در اطراف باتری پیچیده یا در ماژول باتری جاسازی کرد تا هنگام افزایش دمای باتری، گرما را جذب کند و در انتشار آهسته گرما نقش داشته باشد. مزیت اتلاف حرارت PCM ویژگی های دمای ثابت آن است که از افزایش ناگهانی دمای باتری جلوگیری می کند، اما معایب آن نیز نسبتاً مشهود است. هدایت حرارتی آن نسبتا ضعیف است، سرعت پاسخ پایین است و هزینه مواد بالا است.
4) اتلاف حرارت لوله حرارتی. لوله های حرارتی می توانند گرما را با استفاده از فرآیند تغییر فاز سیال کار بدون ورودی انرژی خارجی برای دستیابی به هدایت حرارتی کارآمد منتقل کنند. در برنامه های مدیریت حرارتی باتری، لوله های حرارتی می توانند به سرعت گرما را از نقاط داغ محلی منتقل کنند و ثبات دمای کل بسته باتری را بهبود بخشند. لوله های حرارتی دارای مزایای راندمان انتقال حرارت بالا، اندازه کوچک و وزن سبک هستند، اما ساختار آنها پیچیده است، هزینه ساخت نسبتاً بالا است و باید به طراحی یک انتهای تراکم مناسب برای اطمینان از راندمان اتلاف گرما توجه شود.
5) اتلاف مستقیم حرارت خنک کننده. خنک کننده مستقیم عمدتاً به محیط خنک کننده (معمولاً مایع) اشاره دارد که مستقیماً از طریق ماژول باتری یا سلول باتری جریان می یابد تا به طور مؤثر دمای عملکرد باتری را کنترل کند. این طراحی به سطح باتری اجازه می دهد تا گرما را به سرعت دفع کند، که به ویژه برای شرایط دمای بالا و تقاضای انرژی بالا مناسب است. با این حال، خنک کننده مستقیم الزامات بسیار بالایی برای آب بندی دارد و هنگامی که مایع خنک کننده نشت کند، ممکن است خطرات ایمنی جدی ایجاد کند.
1.1.2 گرمایش باتری
1) گرمایش PTC. بخاری ضریب دمای مثبت (PTC) بر اساس اثر ضریب دمایی مثبت است، یعنی مقاومت با دما افزایش می یابد. بنابراین، می تواند گرمای خروجی پایدار را در محیط دمای پایین ارائه دهد در حالی که به طور خودکار دمای خود را از زیاد بودن محدود می کند. گرمایش PTC به طور گسترده در وسایل نقلیه الکتریکی برای راحتی استفاده می شود، مانند گرمایش صندلی و گرمایش کمکی سیستم تهویه مطبوع در خودرو. با توجه به ویژگی های خود تنظیمی، می تواند اثرات گرمایشی پایدار و کارآمد را ارائه دهد و در عین حال از مشکلات ناشی از گرمای بیش از حد جلوگیری کند. این یک فناوری گرمایش کارآمد است. با این حال، گرمایش PTC، گرمایش الکتریکی است که باعث افزایش مصرف انرژی در خودروهای الکتریکی و کاهش برد رانندگی می شود.
2) گرمایش پمپ حرارتی. سیستم تهویه مطبوع پمپ حرارتی از طریق چرخه معکوس کارنو گرمای کم دمای محیط خارجی را جذب کرده و از طریق فرآیند فشرده سازی و آزادسازی گرما به باتری و کابین منتقل می کند. در مقایسه با روش سنتی گرمایش PTC، پمپ حرارتی در محیط دمای پایین انرژی کارآمدتر است که به حفظ عملکرد خودرو کمک می کند. با این حال، طراحی و عملکرد سیستم های پمپ حرارتی پیچیده تر است، به ویژه در شرایط دمای بسیار پایین، جایی که عملکرد آنها کاهش می یابد. به همین دلیل، برخی از مطالعات فناوریهای نوآورانهای مانند افزایش آنتالپی تزریق هوا و پمپهای حرارتی دو منبع را برای بهینهسازی عملکرد پمپ حرارتی در دمای پایین محیط پیشنهاد کردهاند.
