Arutelu uute energiasõidukite akude soojusjuhtimistehnoloogia üle
Akud on uute energiasõidukite peamine toiteallikas. Akud tekitavad sõiduki töötamise ajal palju soojust ja aja möödudes koguneb soojus suhteliselt väikesesse ruumi. Akupaki elementide tiheda virnastamise tõttu on ka keskmises piirkonnas teatud määral raskem soojust hajutada, mis süvendab elementide vahelist temperatuuri ebaühtlust. Selle tulemusena väheneb aku laadimise ja tühjenemise efektiivsus, mis mõjutab aku võimsust. Rasketel juhtudel põhjustab see ka termilist põgenemist, mis mõjutab süsteemi ohutust ja eluiga. Eelkõige temperatuuri haldamise osas võib aku termiline väljajooksmine põhjustada tulekahju ja jõudluse halvenemist. Seetõttu on uute energiasõidukite akude soojusjuhtimise tehnoloogia uuringud uute energiasõidukite väljatöötamisel väga olulised.
1. Sõiduki soojusjuhtimissüsteemi põhikomponendid
Uute energiasõidukite soojusjuhtimissüsteem koosneb neljast osast: akusüsteem, mootorisüsteem, kliimaseade ja muud komponendid. Võrreldes traditsioonilise kütusega sõidukite soojusjuhtimisega on uute energiasõidukite soojusjuhtimissüsteem keerulisem. Akusüsteem on uute energiasõidukite oluline komponent. Insenerid peavad alustama akusüsteemi soojusjuhtimisest, et kujundada hea soojusjuhtimissüsteem kogu sõidukile.
Alates uute energiasõidukite sünnist on seotud tööstusharude eksperdid ja teadlased teinud palju uuringuid akude soojuse hajumise kohta ja saavutanud palju tulemusi. Aku soojusjuhtimise peamine jahutusmeetod on muutunud õhkjahutusest vedelikjahutuseks, faasimuutusmaterjali jahutamiseks ja soojustoru jahutamiseks. Järgnevalt analüüsitakse jahutustehnoloogiaid, nagu õhkjahutus, vedelikjahutus, faasimuutusmaterjali jahutamine ja soojustoru jahutus.
2.1 Õhkjahutus
Õhkjahutus on soojuse hajutamise meetod, mis kasutab keskkonnana õhku ja õhu soojuskonvektsiooni, et võimaldada akul soojust otse õhuga vahetada, vähendades seeläbi aku temperatuuri. Õhkjahutuse saab jagada loomulikuks ja sundjahutuseks vastavalt sellele, kas kasutatakse ventilaatorit. Looduslikku õhkjahutust kasutatakse ilma ventilaatorita; ventilaatoriga kasutatakse sundõhkjahutust. Suur hulk uuringuid on näidanud, et sundõhkjahutuse soojuse hajumise efekt on palju suurem kui loomulikul õhkjahutusel.
Õhkjahutuse võib vastavalt erinevatele soojuseraldusstruktuuridele jagada ka jadajahutuseks ja paralleeljahutuseks. Jadajahutusmeetodil voolab õhuvool ühelt poolt sisse ja teiselt poolt välja. See meetod toob kaasa akude halva jahutuse õhu sisselaske voolukanalist kaugel, akude ebaühtlase soojuse hajumise ja akude suurte temperatuurierinevuste; paralleeljahutusmeetodil siseneb õhuvool üldiselt alt ja väljub ülalt. Nagu jooniselt näha, võib jahutusõhuvool põhimõtteliselt voolata läbi iga aku pinna, nii et iga aku temperatuuride erinevus on väiksem kui seeriajahutusel, kuid see toob kaasa ka ebaühtlase soojusjaotuse probleemi.
2.2 Vedeljahutus
Aku vedelikjahutustehnoloogia on üks soojusjuhtimistehnoloogiatest. See tehnoloogia kasutab tavaliselt kõrge soojusülekandeteguriga jahutusvedelikku, mis võimaldab akul jahutusvedelikuga soojust vahetada, vähendades seeläbi aku temperatuuri.
Võrreldi ja analüüsiti õhkjahutusega ja vedelikjahutusega akupatareide soojuse hajumist. Tulemused näitavad, et vedelikjahutussüsteemis on aku maksimaalne temperatuur madalam ja temperatuuri püsivus parem. Vedelikjahutus on äärmiselt tõhus soojuseraldusmeetod ja selle soojusülekandetegur on kõrgem kui õhkjahutusel. Elektrisõidukite vedelikjahutussüsteemi saab jagada otsekontaktiks ja kaudseks kontaktiks vastavalt isolatsioonivedeliku ja aku kontaktivormile. Akuelemendi või mooduli soojusvahetuseks vedelikku sukeldamise vorm on otsekontakt; lisaks saab akumoodulite vahele seada jahutuskanali või kasutada aku põhjas olevat jahutusplaati. Toiteaku soojus kandub läbi jahutusplaadi jahutusvedelikule. See vedel jahutusvorm on kaudne kontakt. Neil kahel vormil on kõrged nõuded vedelikjahutussüsteemi õhutihedusele. Lisaks on kõrged mehaanilise tugevuse nõuded ning vibratsioonikindlus ja jahutussüsteemi eluiga peavad olema tagatud.
Elektrisõiduki vedelikjahutussüsteem koosneb peamiselt jahutusvedelikust, jahutusplaadist, elektroonilisest veepumbast, temperatuuriandurist, radiaatorist jne. Kompressor kui jahutuse toiteallikas määrab kogu süsteemi soojusvahetusvõimsuse. Jahuti (jahutusseade) mängib külmaaine ja jahutusvedeliku vahetamise rolli ning soojusvahetuse hulk määrab otseselt jahutusvedeliku temperatuuri. Veepump määrab jahutusvedeliku voolukiiruse torustikus. Mida suurem on voolukiirus, seda parem on soojusvahetuse jõudlus ja vastupidi.
2.3 Faasivahetusmaterjali jahutus
Faasimuutusmaterjali (PCM) soojuse hajumise tehnoloogia kasutab põhimõtet, et faasimuutusmaterjalid neelavad soojust, kui need läbivad faasimuutuse. Faasimuutusmaterjal asetatakse ümber aku ja see saavutab teatud tingimustel faasimuutuse temperatuuri. Faasimuutusmaterjal läbib faasimuutuse ja neelab aku töötamise ajal tekkiva soojuse, vältides sellega tõhusalt akumooduli ülekuumenemist. Kuna faasimuutusprotsess on konstantse temperatuuriga protsess, saab aku temperatuuri hästi hoida faasimuutusmaterjali faasimuutustemperatuuri lähedal, takistades seeläbi aku temperatuuri jätkuvat tõusu. Faasimuutusmaterjalist jahutuse kasutamine nõuab aga tähelepanu tihendamise probleemidele ning suurendab aku mahtu ja vähendab energiatihedust. Lisaks saab soojuse säilitamise funktsiooni säilitada ainult piiratud parkimisaja jooksul. Aku pikaajaline eelsoojendus sõltub ikkagi sisseehitatud soojusallikast ja soojuse säilitamine eeldab üldjuhul madalamat soojusjuhtivust, mis võib põhjustada probleeme ebaühtlase temperatuurijaotusega.
2.4 Soojustoru jahutus
Soojustoru jahutuse eesmärk on jagada soojustoru aurustussektsiooniks, soojusülekande sektsiooniks ja kondensatsioonisektsiooniks. Selle peamine soojuse hajumise põhimõte on soojuse eemaldamine akust soojustoru aurustussektsiooni kaudu, mis neelab soojust. Aurustussektsioonis olev soojus kantakse moodustunud rõhuerinevuse tõttu soojustoru keskmise osa kaudu kondensatsioonisektsiooni, saavutades seeläbi akupaki tõhusa soojusjuhtimise. Soojustorujahutuse uurimuse osas võrreldi kolme jõupatareide jahutusmeetodi, nimelt õhk-, vedelik- ja soojustorujahutuse, jahutavat mõju. Tulemused näitavad, et soojustoru jahutusel on akudele parim jahutusefekt.
