การวิเคราะห์ระบบจัดการความร้อนของตัวกลางถ่ายเทความร้อนของแบตเตอรี่กำลังสูง

หนึ่งในเทคโนโลยีสำคัญของรถยนต์พลังงานใหม่คือแบตเตอรี่ คุณภาพของแบตเตอรี่เป็นตัวกำหนดต้นทุนของรถยนต์ไฟฟ้าในด้านหนึ่ง และระยะทางการขับขี่ของรถยนต์ไฟฟ้าในอีกด้านหนึ่ง จึงเป็นปัจจัยสำคัญต่อการยอมรับและการนำไปใช้ในวงกว้าง

ตามลักษณะการใช้งาน ข้อกำหนด และขอบเขตการใช้งานของแบตเตอรี่กำลังสูง ประเภทของการวิจัยและพัฒนาแบตเตอรี่กำลังสูงทั้งในและต่างประเทศโดยคร่าวๆ ได้แก่ แบตเตอรี่ตะกั่วกรด แบตเตอรี่นิกเกลแคดเมียม แบตเตอรี่นิกเกลเมทัลไฮไดรด์ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เซลล์เชื้อเพลิง เป็นต้น ซึ่งในจำนวนนี้ การพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้รับความสนใจมากที่สุด

พฤติกรรมการสร้างความร้อนของแบตเตอรี่กำลัง

แหล่งกำเนิดความร้อน อัตราการเกิดความร้อน ความจุความร้อนของแบตเตอรี่ และพารามิเตอร์อื่นๆ ที่เกี่ยวข้องของโมดูลแบตเตอรี่กำลังนั้นมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับธรรมชาติของแบตเตอรี่ ความร้อนที่ปล่อยออกมาจากแบตเตอรี่ขึ้นอยู่กับธรรมชาติและคุณลักษณะทางเคมี กลไก และไฟฟ้าของแบตเตอรี่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งธรรมชาติของปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้า พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาของแบตเตอรี่สามารถแสดงได้ด้วยความร้อนจากปฏิกิริยาของแบตเตอรี่ Qr การโพลาไรเซชันทางเคมีไฟฟ้าทำให้แรงดันไฟฟ้าจริงของแบตเตอรี่เบี่ยงเบนจากแรงเคลื่อนไฟฟ้าสมดุล และการสูญเสียพลังงานที่เกิดจากการโพลาไรเซชันของแบตเตอรี่แสดงด้วย Qp นอกจากปฏิกิริยาของแบตเตอรี่ที่ดำเนินไปตามสมการปฏิกิริยาแล้ว ยังมีปฏิกิริยาข้างเคียงบางอย่างอีกด้วย ปฏิกิริยาข้างเคียงทั่วไป ได้แก่ การสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์และการคายประจุเองของแบตเตอรี่ ความร้อนจากปฏิกิริยาข้างเคียงที่เกิดขึ้นในกระบวนการนี้คือ Qs นอกจากนี้ เนื่องจากแบตเตอรี่ทุกก้อนย่อมมีความต้านทาน ความร้อนจูล Qj จะเกิดขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ดังนั้น ความร้อนทั้งหมดของแบตเตอรี่จึงเป็นผลรวมของความร้อนในด้านต่างๆ ดังต่อไปนี้: Qt = Qr + Qp + Qs + Qj

ขึ้นอยู่กับกระบวนการชาร์จ (หรือคายประจุ) ที่เฉพาะเจาะจง ปัจจัยหลักที่ทำให้แบตเตอรี่เกิดความร้อนก็แตกต่างกันไป ตัวอย่างเช่น เมื่อชาร์จแบตเตอรี่ตามปกติ ความร้อนจูล (Qr) จะเป็นปัจจัยหลัก และในระยะหลังของการชาร์จแบตเตอรี่ เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์สลายตัว ปฏิกิริยาข้างเคียงจึงเริ่มเกิดขึ้น (ความร้อนจากปฏิกิริยาข้างเคียงคือ Qs) เมื่อแบตเตอรี่ใกล้เต็มหรือชาร์จเกิน สิ่งที่เกิดขึ้นหลักๆ คือการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ ซึ่ง Qs จะเป็นปัจจัยหลัก ความร้อนจูล (Qj) ขึ้นอยู่กับกระแสและความต้านทาน วิธีการชาร์จที่ใช้กันทั่วไปจะดำเนินการภายใต้กระแสคงที่ และ Qj จะมีค่าเฉพาะ ณ เวลานั้น อย่างไรก็ตาม ในระหว่างการสตาร์ทและการเร่งความเร็ว กระแสจะค่อนข้างสูง สำหรับรถยนต์ไฮบริด กระแสนี้จะเทียบเท่ากับกระแสหลายสิบแอมแปร์ถึงหลายร้อยแอมแปร์ ณ เวลานี้ ความร้อนจูล (Qj) จะมีค่ามากและกลายเป็นแหล่งความร้อนหลักของแบตเตอรี่

จากมุมมองของการควบคุมการจัดการความร้อน ระบบจัดการความร้อนสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท คือ แบบแอคทีฟและแบบพาสซีฟ และจากมุมมองของตัวกลางในการถ่ายเทความร้อน ระบบจัดการความร้อนสามารถแบ่งออกได้เป็น ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศ ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว และระบบกักเก็บความร้อนแบบเปลี่ยนสถานะ

การจัดการความร้อนโดยใช้อากาศเป็นตัวกลางถ่ายเทความร้อน

ตัวกลางในการถ่ายเทความร้อนมีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพและต้นทุนของระบบจัดการความร้อน การใช้อากาศเป็นตัวกลางในการถ่ายเทความร้อนคือการนำอากาศเข้าไปโดยตรงเพื่อให้ไหลผ่านโมดูลแบตเตอรี่เพื่อระบายความร้อน โดยทั่วไปแล้ว จะต้องมีพัดลม ช่องระบายอากาศเข้าและออก และส่วนประกอบอื่นๆ ด้วย
ตามแหล่งที่มาของการรับอากาศที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปแล้วจะมีรูปแบบดังต่อไปนี้:
1. การระบายความร้อนแบบพาสซีฟโดยใช้การระบายอากาศจากภายนอก
2. ระบบทำความเย็น/ความร้อนแบบพาสซีฟสำหรับการระบายอากาศในห้องโดยสาร
3. การทำความเย็น/ทำความร้อนอากาศภายนอกหรือภายในห้องโดยสารแบบแอคทีฟ
โครงสร้างของระบบแบบพาสซีฟนั้นค่อนข้างเรียบง่ายและใช้ประโยชน์จากสภาพแวดล้อมที่มีอยู่โดยตรง ตัวอย่างเช่น หากต้องการให้ความร้อนแก่แบตเตอรี่ในฤดูหนาว ก็สามารถใช้สภาพแวดล้อมที่ร้อนในห้องโดยสารเพื่อดูดอากาศเข้าไปได้ หากอุณหภูมิของแบตเตอรี่สูงเกินไปในระหว่างการขับขี่และประสิทธิภาพการระบายความร้อนของอากาศในห้องโดยสารไม่ดี ก็สามารถดูดอากาศเย็นจากภายนอกเข้าไปเพื่อลดอุณหภูมิได้

สำหรับระบบแอคทีฟ จำเป็นต้องจัดตั้งระบบแยกต่างหากเพื่อทำหน้าที่ให้ความร้อนหรือความเย็น และควบคุมอย่างอิสระตามสถานะของแบตเตอรี่ ซึ่งจะทำให้สิ้นเปลืองพลังงานและค่าใช้จ่ายของรถยนต์เพิ่มขึ้น การเลือกใช้ระบบต่างๆ นั้นขึ้นอยู่กับความต้องการใช้งานของแบตเตอรี่เป็นหลัก

การจัดการความร้อนโดยใช้ของเหลวเป็นตัวกลางถ่ายเทความร้อน

สำหรับการถ่ายเทความร้อนโดยใช้ของเหลวเป็นตัวกลาง จำเป็นต้องสร้างช่องทางการถ่ายเทความร้อนระหว่างโมดูลกับตัวกลางที่เป็นของเหลว เช่น ปลอกน้ำ เพื่อให้เกิดการทำความร้อนและความเย็นทางอ้อมในรูปแบบของการพาความร้อนและการนำความร้อน ตัวกลางในการถ่ายเทความร้อนอาจเป็นน้ำ เอทิลีนไกลคอล หรือแม้แต่สารทำความเย็น นอกจากนี้ยังมีการถ่ายเทความร้อนโดยตรงโดยการจุ่มชิ้นส่วนขั้วลงในของเหลวที่เป็นฉนวน แต่ต้องมีมาตรการฉนวนเพื่อหลีกเลี่ยงการลัดวงจร

โดยทั่วไปแล้ว การระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบพาสซีฟจะใช้การแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างของเหลวกับอากาศโดยรอบ จากนั้นจึงนำวัสดุห่อหุ้มเข้าไปในแบตเตอรี่เพื่อการแลกเปลี่ยนความร้อนขั้นที่สอง ในขณะที่การระบายความร้อนแบบแอคทีฟจะใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างสารหล่อเย็นเครื่องยนต์กับของเหลว หรือการทำความร้อนด้วยไฟฟ้า/น้ำมันความร้อนเพื่อให้ได้การระบายความร้อนหลัก การทำความร้อนและการระบายความร้อนหลักโดยใช้สารทำความเย็นในอากาศภายในห้องโดยสาร/เครื่องปรับอากาศ
ระบบจัดการความร้อนโดยใช้อากาศและของเหลวเป็นตัวกลาง จำเป็นต้องใช้พัดลม ปั๊มน้ำ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และเครื่องทำความร้อน (เครื่องทำความร้อนอากาศ PTCการรวมท่อและอุปกรณ์เสริมอื่นๆ เข้าด้วยกันทำให้โครงสร้างมีขนาดใหญ่และซับซ้อนเกินไป อีกทั้งยังสิ้นเปลืองพลังงานแบตเตอรี่ ส่งผลให้ความหนาแน่นของกำลังและพลังงานของแบตเตอรี่ลดลง
(สารหล่อเย็น PTCเครื่องทำความร้อนระบบระบายความร้อนแบตเตอรี่แบบใช้น้ำ ใช้สารหล่อเย็น (น้ำ 50% / เอทิลีนไกลคอล 50%) ในการถ่ายเทความร้อนจากแบตเตอรี่ไปยังระบบทำความเย็นของเครื่องปรับอากาศผ่านทางตัวระบายความร้อนแบตเตอรี่ แล้วจึงถ่ายเทไปยังสภาพแวดล้อมภายนอกผ่านทางคอนเดนเซอร์ อุณหภูมิของน้ำที่นำเข้าจะลดลงได้ง่ายหลังจากแลกเปลี่ยนความร้อนกับตัวระบายความร้อนแบตเตอรี่ และสามารถปรับแบตเตอรี่ให้ทำงานในช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ดีที่สุดได้ หลักการทำงานของระบบแสดงในรูป ส่วนประกอบหลักของระบบทำความเย็นประกอบด้วย: คอนเดนเซอร์, คอมเพรสเซอร์ไฟฟ้า, อีวาพอเรเตอร์, วาล์วขยายตัวพร้อมวาล์วหยุด, ตัวระบายความร้อนแบตเตอรี่ (วาล์วขยายตัวพร้อมวาล์วหยุด) และท่อเครื่องปรับอากาศ เป็นต้น วงจรน้ำหล่อเย็นประกอบด้วย:ปั๊มน้ำไฟฟ้าแบตเตอรี่ (รวมถึงแผ่นระบายความร้อน), ตัวระบายความร้อนแบตเตอรี่, ท่อน้ำ, ถังขยาย และอุปกรณ์เสริมอื่นๆ