การจัดการความร้อนของแบตเตอรี่รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิง

แม้ว่าเซลล์เชื้อเพลิงจะยังคงใช้กันเป็นหลักในรถยนต์เพื่อการพาณิชย์ ส่วนรถยนต์นั่งส่วนบุคคลนั้นมีเพียงโตโยต้า ฮอนด้า และฮุนไดเท่านั้นที่มีผลิตภัณฑ์ประเภทนี้ แต่เนื่องจากบทความนี้เน้นที่รถยนต์นั่งส่วนบุคคล และรุ่นเปรียบเทียบอื่นๆ ก็เป็นรถยนต์นั่งส่วนบุคคลเช่นกัน ดังนั้นในที่นี้จึงขอยกโตโยต้า มิไร มาเป็นตัวอย่าง

ระบบจัดการความร้อนของเซลล์เชื้อเพลิงมีจุดเด่นหลักสามประการดังต่อไปนี้:

ข้อกำหนดการระบายความร้อนของเครื่องปฏิกรณ์เซลล์เชื้อเพลิง
เครื่องปฏิกรณ์เป็นแหล่งที่เกิดปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรเจนและออกซิเจน และสร้างความร้อนพร้อมทั้งผลิตกระแสไฟฟ้า การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิช่วยเพิ่มกำลังไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากเครื่องปฏิกรณ์ แต่ความร้อนนั้นไม่สามารถกักเก็บไว้ได้ ดังนั้นน้ำซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาและสารหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์จึงต้องไหลไปพร้อมกันเพื่อระบายความร้อนออกไป

การรักษาระดับอุณหภูมิของเครื่องปฏิกรณ์สามารถควบคุมกำลังไฟฟ้าขาออกได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อตอบสนองความต้องการด้านไดนามิกของระบบขับเคลื่อนของผู้ขับขี่ ความร้อนที่เกิดจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังของเครื่องปฏิกรณ์และอินเวอร์เตอร์มอเตอร์สามารถนำมาใช้เป็นส่วนหนึ่งของความร้อนสำหรับทำความร้อนในห้องโดยสารในช่วงฤดูหนาวได้

ปัญหาการสตาร์ทเครื่องปฏิกรณ์ในสภาวะเย็น
เครื่องปฏิกรณ์เซลล์เชื้อเพลิงไม่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้โดยตรงที่อุณหภูมิต่ำ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องให้ความร้อนจากภายนอกเพื่อเพิ่มอุณหภูมิก่อนจึงจะสามารถเข้าสู่โหมดการทำงานปกติได้

ในขั้นตอนนี้ วงจรระบายความร้อนที่กล่าวถึงข้างต้นจะต้องถูกสลับทิศทางไปเป็นวงจรทำความร้อน และการสลับทิศทางในจุดนี้อาจต้องใช้วาล์วควบคุมวงจรคล้ายกับวาล์วสามทางสองทาง

การให้ความร้อนสามารถทำได้โดยใช้แหล่งความร้อนภายนอกเครื่องทำความร้อนไฟฟ้า PTCโดยใช้พลังงานความร้อนจากแบตเตอรี่ในการให้ความร้อน ดูเหมือนว่าจะมีเทคโนโลยีที่ช่วยให้เครื่องปฏิกรณ์สามารถสร้างความร้อนได้เอง เพื่อให้พลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยาอยู่ในรูปของความร้อนมากขึ้น เพื่อใช้ในการให้ความร้อนแก่ตัวเครื่องปฏิกรณ์

ระบบระบายความร้อนบูสเตอร์
ส่วนนี้ค่อนข้างคล้ายกับส่วนประกอบของรถยนต์ไฮบริดที่กล่าวถึงไปก่อนหน้านี้ เพื่อให้ได้กำลังไฟฟ้าที่เพียงพอสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ ปริมาณออกซิเจนที่เป็นสารตั้งต้นก็มีความต้องการเช่นกัน ดังนั้นจึงต้องอัดอากาศเข้าเพื่อเพิ่มความหนาแน่น ซึ่งจะช่วยเพิ่มอัตราการไหลของมวลออกซิเจน ด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นต้องมีระบบระบายความร้อนเพิ่มเติม ซึ่งสามารถต่ออนุกรมในวงจรระบายความร้อนเดียวกันได้ เนื่องจากช่วงอุณหภูมิค่อนข้างใกล้เคียงกับส่วนประกอบอื่นๆ

รถยนต์ไฟฟ้าล้วน
กล่าวโดยสรุป รถยนต์ไฟฟ้าล้วนเป็นที่นิยมมากที่สุดในตลาดปัจจุบัน การวิจัยและพัฒนาด้านการจัดการความร้อนของรถยนต์ไฟฟ้าได้ดำเนินการในผู้ผลิตรถยนต์และซัพพลายเออร์รายใหญ่ทุกราย ต่อไปนี้คือสามประเด็นหลักที่แตกต่างจากรถยนต์ประเภทอื่น:

ข้อกังวลเกี่ยวกับฤดูหนาว
ระยะทางการวิ่งส่วนใหญ่มาจากความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่ การใช้พลังงานไฟฟ้าของรถ และแรงต้านลม ซึ่งเป็นปัจจัยที่ไม่เกี่ยวข้องกับการจัดการความร้อน แต่ปัจจัยเหล่านี้ไม่ได้มีผลมากนักในฤดูหนาว

เพื่อให้ได้ความสะดวกสบายภายในห้องโดยสารและสามารถสตาร์ทเครื่องยนต์ในสภาพอากาศเย็นด้วยแบตเตอรี่แรงดันสูง ระบบจัดการความร้อนจึงใช้พลังงานไฟฟ้าจำนวนมาก และการลดระยะทางการบินในฤดูหนาวลงอย่างมากจึงกลายเป็นเรื่องปกติไปแล้ว

สาเหตุหลักคือระบบขับเคลื่อนของรถยนต์ไฟฟ้าล้วนสร้างความร้อนมากกว่าเครื่องยนต์และแบตเตอรี่มาก และแบตเตอรี่เองก็มีความไวต่ออุณหภูมิเช่นกัน

ปัจจุบันโซลูชันที่ใช้กันทั่วไป เช่น ระบบปั๊มความร้อน ระบบขับเคลื่อนความร้อน และความร้อนจากสภาพแวดล้อมผ่านวงจรคอมเพรสเซอร์เพื่อจ่ายความร้อนให้กับห้องโดยสารและแบตเตอรี่ รวมถึง Weimar EX5 ที่ใช้ระบบเหล่านี้ด้วยเครื่องทำความร้อนดีเซลการใช้ความร้อนจากการเผาไหม้ดีเซลบางส่วนเพื่ออุ่นแบตเตอรี่และห้องโดยสารล่วงหน้าฮีตเตอร์ PTCนอกจากนี้ยังมีเทคโนโลยีการให้ความร้อนแก่แบตเตอรี่ด้วยตนเอง ซึ่งเมื่อเริ่มใช้งานแบตเตอรี่ จะใช้พลังงานเพียงเล็กน้อยเพื่อทำให้แต่ละหน่วยของแบตเตอรี่อุ่นขึ้น จึงช่วยลดการพึ่งพาวงจรแลกเปลี่ยนความร้อนภายนอก