ניתוח מערכת ניהול תרמי של מדיום העברת חום של סוללות חשמל

אחת הטכנולוגיות המרכזיות של כלי רכב חשמליים היא סוללות חשמל. איכות הסוללות קובעת את עלות כלי הרכב החשמליים מצד אחד, ואת טווח הנסיעה שלהם מצד שני. זהו גורם מפתח לקבלה ולאימוץ מהיר.

בהתאם למאפייני השימוש, הדרישות ותחומי היישום של סוללות חשמל, סוגי המחקר והפיתוח של סוללות חשמל בארץ ובחו"ל הם בערך: סוללות עופרת-חומצה, סוללות ניקל-קדמיום, סוללות ניקל-מטאל הידריד, סוללות ליתיום-יון, תאי דלק וכו', שביניהן פיתוח סוללות ליתיום-יון זוכה לתשומת הלב הרבה ביותר.

התנהגות יצירת חום של סוללת החשמל

מקור החום, קצב ייצור החום, קיבולת החום של הסוללה ופרמטרים קשורים אחרים של מודול סוללת החשמל קשורים קשר הדוק לאופי הסוללה. החום המשתחרר על ידי הסוללה תלוי באופי הכימי, המכני והחשמלי ובמאפיינים של הסוללה, ובמיוחד באופי התגובה האלקטרוכימית. אנרגיית החום הנוצרת בתגובת הסוללה יכולה לבוא לידי ביטוי על ידי חום התגובה של הסוללה Qr; הקיטוב האלקטרוכימי גורם למתח בפועל של הסוללה לסטות מכוח האלקטרו-מניע שיווי המשקל שלה, ואובדן האנרגיה הנגרם על ידי קיטוב הסוללה מתבטא על ידי Qp. בנוסף לתגובת הסוללה המתבצעת לפי משוואת התגובה, ישנן גם כמה תגובות לוואי. תגובות לוואי אופייניות כוללות פירוק אלקטרוליטים ופריקה עצמית של הסוללה. חום התגובה הלוואי הנוצר בתהליך זה הוא Qs. בנוסף, מכיוון שלכל סוללה תהיה בהכרח התנגדות, חום ג'אול Qj ייווצר כאשר הזרם עובר. לכן, החום הכולל של סוללה הוא סכום החום של ההיבטים הבאים: Qt=Qr+Qp+Qs+Qj.

בהתאם לתהליך הטעינה (פריקה) הספציפי, הגורמים העיקריים הגורמים לסוללה לייצר חום גם הם שונים. לדוגמה, כאשר הסוללה טעונה באופן רגיל, Qr הוא הגורם הדומיננטי; ובשלב מאוחר יותר של טעינת הסוללה, עקב פירוק האלקטרוליט, מתחילות להתרחש תגובות לוואי (חום תגובת הצד הוא Qs), כאשר הסוללה כמעט טעונה במלואה ונטענת יתר על המידה, מה שקורה בעיקר הוא פירוק האלקטרוליט, כאשר Qs שולט. חום הג'אול Qj תלוי בזרם ובהתנגדות. שיטת הטעינה הנפוצה מתבצעת תחת זרם קבוע, ו-Qj הוא ערך ספציפי בשלב זה. עם זאת, במהלך ההפעלה והתאוצה, הזרם גבוה יחסית. עבור HEV, זה שווה ערך לזרם של עשרות אמפר עד מאות אמפר. בשלב זה, חום הג'אול Qj גדול מאוד והופך למקור העיקרי לשחרור חום הסוללה.

מנקודת מבט של בקרת ניהול תרמי, ניתן לחלק מערכות ניהול תרמי לשני סוגים: אקטיביות ופסיביות. מנקודת מבט של מדיום העברת חום, ניתן לחלק מערכות ניהול תרמי ל: אחסון תרמי מקורר אוויר, מקורר נוזל ואחסון תרמי עם שינוי פאזה.

ניהול תרמי עם אוויר כמדיום העברת חום

למדיום העברת החום יש השפעה משמעותית על הביצועים והעלות של מערכת ניהול התרמי. השימוש באוויר כמדיום העברת חום נועד להכניס את האוויר ישירות דרך מודול הסוללה כדי להשיג את מטרת פיזור החום. בדרך כלל נדרשים מאווררים, אוורור כניסה ויציאה ורכיבים אחרים.
בהתאם למקורות צריכת האוויר השונים, ישנן בדרך כלל הצורות הבאות:
1 קירור פסיבי עם אוורור חיצוני
2. קירור/חימום פסיבי לאוורור אוויר תא הנוסעים
3. קירור/חימום אקטיבי של האוויר החיצוני או של תא הנוסעים
מבנה המערכת הפסיבי הוא פשוט יחסית ומנצל ישירות את הסביבה הקיימת. לדוגמה, אם יש צורך לחמם את הסוללה בחורף, ניתן להשתמש בסביבה החמה בתא הנוסעים לשאיפת אוויר. אם טמפרטורת הסוללה גבוהה מדי במהלך הנסיעה ואפקט הקירור של האוויר בתא הנוסעים אינו טוב, ניתן לשאוף אוויר קר מבחוץ כדי לקרר.

עבור המערכת האקטיבית, יש צורך להקים מערכת נפרדת שתספק פונקציות חימום או קירור ותהיה מבוקרת באופן עצמאי בהתאם למצב הסוללה, מה שמגדיל גם את צריכת האנרגיה ואת עלות הרכב. בחירת המערכות השונות תלויה בעיקר בדרישות השימוש של הסוללה.

ניהול תרמי עם נוזל כמדיום העברת חום

עבור העברת חום עם נוזל כתווך, יש צורך ליצור תקשורת העברת חום בין המודול למדיום הנוזלי, כגון מעיל מים, כדי לבצע חימום וקירור עקיפים בצורה של הסעה והולכת חום. תווך העברת החום יכול להיות מים, אתילן גליקול או אפילו נוזל קירור. יש גם העברת חום ישירה על ידי טבילת חלק הקוטב בנוזל של הדיאלקטרי, אך יש לנקוט באמצעי בידוד כדי למנוע קצר חשמלי.

קירור נוזלי פסיבי משתמש בדרך כלל בחילופי חום בין נוזל לאוויר סביבתי ולאחר מכן מכניס פקעות לסוללה לצורך חילופי חום משניים, בעוד שקירור אקטיבי משתמש במחליפי חום של נוזל קירור מנוע-נוזל, או חימום חשמלי/חימום שמן תרמי כדי להשיג קירור ראשוני. חימום, קירור ראשוני באמצעות אוויר/מיזוג אוויר בתא הנוסעים.
מערכת ניהול התרמי עם אוויר ונוזל כמדיום דורשת מאווררים, משאבות מים, מחליפי חום, תנורי חימום (מחמם אוויר PTC), צינורות ואביזרים אחרים הופכים את המבנה לגדול ומורכב מדי, וגם צורכים אנרגיה מהסוללה, מערך צפיפות ההספק וצפיפות האנרגיה של הסוללה יורדות.
(נוזל קירור PTCמְחַמֵםמערכת קירור הסוללה המקוררת במים משתמשת בנוזל קירור (50% מים/50% אתילן גליקול) כדי להעביר חום מהסוללה למערכת הקירור של המזגן דרך מקרר הסוללה, ולאחר מכן לסביבה דרך המעבה. טמפרטורת המים המיובאים נמוכת בקלות לאחר חילופי חום על ידי מקרר הסוללה, וניתן לכוונן את הסוללה לפעולה בטווח טמפרטורות העבודה הטוב ביותר; עקרון המערכת מוצג באיור. הרכיבים העיקריים של מערכת הקירור כוללים: מעבה, מדחס חשמלי, מאייד, שסתום התפשטות עם שסתום עצירה, מקרר סוללה (שסתום התפשטות עם שסתום עצירה) וצינורות מיזוג אוויר וכו'; מעגל מי הקירור כולל:משאבת מים חשמלית, סוללה (כולל לוחות קירור), מקררי סוללה, צינורות מים, מיכלי התפשטות ואביזרים נוספים.