ทิศทางการพัฒนาเทคโนโลยีการจัดการความร้อนสำหรับยานยนต์พลังงานใหม่

การจัดการความร้อนของแบตเตอรี่

ในระหว่างกระบวนการทำงานของแบตเตอรี่ อุณหภูมิมีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพการทำงาน หากอุณหภูมิต่ำเกินไป อาจทำให้ความจุและกำลังไฟของแบตเตอรี่ลดลงอย่างรวดเร็ว และอาจทำให้แบตเตอรี่ลัดวงจรได้ ความสำคัญของการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่จึงเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากอุณหภูมิที่สูงเกินไปอาจทำให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพ ผุกร่อน เกิดไฟไหม้ หรือแม้กระทั่งระเบิดได้ อุณหภูมิในการทำงานของแบตเตอรี่เป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ จากมุมมองด้านประสิทธิภาพ อุณหภูมิที่ต่ำเกินไปจะนำไปสู่การลดลงของกิจกรรมของแบตเตอรี่ ส่งผลให้ประสิทธิภาพการชาร์จและการคายประจุลดลง และความจุของแบตเตอรี่ลดลงอย่างรวดเร็ว จากการเปรียบเทียบพบว่า เมื่ออุณหภูมิลดลงเหลือ 10°C ความจุในการคายประจุของแบตเตอรี่อยู่ที่ 93% ของที่อุณหภูมิปกติ แต่เมื่ออุณหภูมิลดลงเหลือ -20°C ความจุในการคายประจุของแบตเตอรี่อยู่ที่เพียง 43% ของที่อุณหภูมิปกติ

งานวิจัยของหลี่ จุนฉิวและคณะระบุว่า จากมุมมองด้านความปลอดภัย หากอุณหภูมิสูงเกินไป ปฏิกิริยาข้างเคียงของแบตเตอรี่จะเร่งตัวขึ้น เมื่ออุณหภูมิใกล้ถึง 60 องศาเซลเซียส วัสดุภายใน/สารออกฤทธิ์ของแบตเตอรี่จะสลายตัว จากนั้นจะเกิด "ภาวะความร้อนสูงเกินควบคุม" ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นอย่างฉับพลัน อาจสูงถึง 400-1000 องศาเซลเซียส แล้วนำไปสู่ไฟไหม้และการระเบิด ในทางกลับกัน หากอุณหภูมิต่ำเกินไป อัตราการชาร์จแบตเตอรี่จะต้องรักษาไว้ที่อัตราต่ำ มิฉะนั้นจะทำให้ลิเธียมในแบตเตอรี่สลายตัวและทำให้เกิดการลัดวงจรภายในจนเกิดไฟไหม้ได้

จากมุมมองของอายุการใช้งานแบตเตอรี่ ผลกระทบของอุณหภูมิต่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่นั้นไม่อาจมองข้ามได้ การสะสมของลิเธียมในแบตเตอรี่ที่ชาร์จในอุณหภูมิต่ำจะทำให้รอบการใช้งานของแบตเตอรี่ลดลงอย่างรวดเร็วเหลือเพียงไม่กี่สิบเท่า ในขณะที่อุณหภูมิสูงจะส่งผลกระทบอย่างมากต่ออายุการใช้งานและรอบการใช้งานของแบตเตอรี่ จากการวิจัยพบว่า เมื่ออุณหภูมิอยู่ที่ 23 องศาเซลเซียส อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ที่มีความจุเหลืออยู่ 80% จะอยู่ที่ประมาณ 6238 วัน แต่เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึง 35 องศาเซลเซียส อายุการใช้งานจะเหลือเพียงประมาณ 1790 วัน และเมื่ออุณหภูมิสูงถึง 55 องศาเซลเซียส อายุการใช้งานจะเหลือเพียง 272 วันเท่านั้น จากเดิมประมาณ 6238 วัน

ในปัจจุบัน เนื่องจากข้อจำกัดด้านต้นทุนและเทคโนโลยี การจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ (บีเอ็มเอสเทคโนโลยีการระบายความร้อนด้วยของเหลว (LFP) ยังไม่มีมาตรฐานเดียวกัน และสามารถแบ่งออกเป็น 3 แนวทางหลัก ได้แก่ การระบายความร้อนด้วยอากาศ (ทั้งแบบแอคทีฟและพาสซีฟ) การระบายความร้อนด้วยของเหลว และวัสดุเปลี่ยนสถานะ (PCM) การระบายความร้อนด้วยอากาศค่อนข้างง่าย ไม่มีความเสี่ยงต่อการรั่วไหล และประหยัด เหมาะสำหรับการพัฒนาแบตเตอรี่ LFP ในระยะเริ่มต้นและในรถยนต์ขนาดเล็ก การระบายความร้อนด้วยของเหลวมีประสิทธิภาพดีกว่าการระบายความร้อนด้วยอากาศ แต่ต้นทุนสูงกว่า เมื่อเทียบกับอากาศ ของเหลวมีคุณสมบัติเด่นคือมีความจุความร้อนจำเพาะสูงและค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูง ซึ่งช่วยชดเชยข้อเสียของการระบายความร้อนด้วยอากาศที่มีประสิทธิภาพต่ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปัจจุบันจึงเป็นเป้าหมายหลักในการปรับปรุงประสิทธิภาพของรถยนต์นั่งส่วนบุคคล Zhang Fubin ชี้ให้เห็นในงานวิจัยของเขาว่า ข้อดีของการระบายความร้อนด้วยของเหลวคือการระบายความร้อนได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งสามารถรักษาอุณหภูมิของชุดแบตเตอรี่ให้สม่ำเสมอ และเหมาะสำหรับชุดแบตเตอรี่ที่มีความร้อนสูง ข้อเสียคือต้นทุนสูง ข้อกำหนดด้านบรรจุภัณฑ์ที่เข้มงวด ความเสี่ยงต่อการรั่วไหลของของเหลว และโครงสร้างที่ซับซ้อน วัสดุเปลี่ยนสถานะมีทั้งประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนและต้นทุนที่ได้เปรียบ รวมถึงค่าบำรุงรักษาต่ำ เทคโนโลยีในปัจจุบันยังอยู่ในขั้นตอนห้องปฏิบัติการ เทคโนโลยีการจัดการความร้อนของวัสดุเปลี่ยนสถานะยังไม่สมบูรณ์นัก และเป็นทิศทางการพัฒนาที่มีศักยภาพมากที่สุดสำหรับการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ในอนาคต

โดยรวมแล้ว ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวเป็นเทคโนโลยีหลักที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน เนื่องจากเหตุผลดังต่อไปนี้:

(1) ในด้านหนึ่ง แบตเตอรี่ไตรภาคที่มีนิกเกิลสูงที่เป็นที่นิยมในปัจจุบันมีเสถียรภาพทางความร้อนที่แย่กว่าแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต อุณหภูมิการเกิดความร้อนสูงเกิน (อุณหภูมิการสลายตัว 750 °C สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต และ 300 °C สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไตรภาค) ที่ต่ำกว่า และมีการผลิตความร้อนสูงกว่า ในอีกด้านหนึ่ง เทคโนโลยีการใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตแบบใหม่ เช่น แบตเตอรี่แบบใบมีดของ BYD และ CTP ยุค Ningde ช่วยลดโมดูล ปรับปรุงการใช้พื้นที่และความหนาแน่นของพลังงาน และส่งเสริมการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่จากเทคโนโลยีระบายความร้อนด้วยอากาศไปสู่เทคโนโลยีระบายความร้อนด้วยของเหลว

(2) ได้รับผลกระทบจากแนวทางการลดเงินอุดหนุนและความกังวลของผู้บริโภคเกี่ยวกับระยะทางการขับขี่ ระยะทางการขับขี่ของรถยนต์ไฟฟ้าจึงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และความต้องการความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่ก็สูงขึ้นเรื่อยๆ ความต้องการเทคโนโลยีระบายความร้อนด้วยของเหลวที่มีประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนสูงขึ้นจึงเพิ่มขึ้น

(3) โมเดลกำลังพัฒนาไปในทิศทางของโมเดลระดับกลางถึงระดับสูง โดยมีงบประมาณที่เพียงพอ มุ่งเน้นความสะดวกสบาย ความทนทานต่อความผิดพลาดของส่วนประกอบต่ำ และประสิทธิภาพสูง และโซลูชันการระบายความร้อนด้วยของเหลวก็สอดคล้องกับความต้องการมากขึ้น

ไม่ว่าจะเป็นรถยนต์ทั่วไปหรือรถยนต์พลังงานใหม่ ความต้องการความสะดวกสบายของผู้บริโภคก็เพิ่มสูงขึ้นเรื่อยๆ และเทคโนโลยีการจัดการความร้อนในห้องโดยสารจึงมีความสำคัญเป็นพิเศษ ในแง่ของวิธีการทำความเย็น คอมเพรสเซอร์ไฟฟ้าถูกนำมาใช้แทนคอมเพรสเซอร์แบบธรรมดาในการทำความเย็น และโดยทั่วไปแบตเตอรี่จะเชื่อมต่อกับระบบทำความเย็นของเครื่องปรับอากาศ รถยนต์ทั่วไปส่วนใหญ่ใช้แบบแผ่นหมุน (swash plate type) ในขณะที่รถยนต์พลังงานใหม่ส่วนใหญ่ใช้แบบกระแสน้ำวน (vortex type) วิธีนี้มีประสิทธิภาพสูง น้ำหนักเบา เสียงรบกวนต่ำ และเข้ากันได้ดีกับพลังงานขับเคลื่อนไฟฟ้า นอกจากนี้ โครงสร้างยังเรียบง่าย การทำงานมีเสถียรภาพ และประสิทธิภาพเชิงปริมาตรสูงกว่าแบบแผ่นหมุนถึง 60% ในแง่ของวิธีการทำความร้อน การทำความร้อนแบบ PTC (เครื่องทำความร้อนอากาศ PTC/เครื่องทำความร้อนสารหล่อเย็น PTCจำเป็นต้องใช้ และรถยนต์ไฟฟ้าขาดแหล่งความร้อนที่ไม่เสียค่าใช้จ่าย (เช่น สารหล่อเย็นของเครื่องยนต์สันดาปภายใน)