โซลูชันการจัดการความร้อนสำหรับระบบแบตเตอรี่

ไม่ต้องสงสัยเลยว่าอุณหภูมิเป็นปัจจัยสำคัญที่มีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพ อายุการใช้งาน และความปลอดภัยของแบตเตอรี่ โดยทั่วไปแล้ว เราคาดหวังว่าระบบแบตเตอรี่จะทำงานในช่วงอุณหภูมิ 15-35 องศาเซลเซียส เพื่อให้ได้กำลังไฟฟ้าขาออกและขาเข้าที่ดีที่สุด พลังงานที่ใช้ได้สูงสุด และอายุการใช้งานที่ยาวนานที่สุด (แม้ว่าการเก็บรักษาที่อุณหภูมิต่ำจะช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้ แต่การเก็บรักษาที่อุณหภูมิต่ำในทางปฏิบัติก็ไม่ค่อยมีประโยชน์นัก และแบตเตอรี่ก็คล้ายกับมนุษย์ในเรื่องนี้)

ในปัจจุบัน การจัดการความร้อนของระบบแบตเตอรี่พลังงานสามารถแบ่งออกได้เป็น 4 ประเภทหลัก ได้แก่ การระบายความร้อนตามธรรมชาติ การระบายความร้อนด้วยอากาศ การระบายความร้อนด้วยของเหลว และการระบายความร้อนด้วยกระแสไฟฟ้าตรง โดยในจำนวนนี้ การระบายความร้อนตามธรรมชาติเป็นการจัดการความร้อนแบบพาสซีฟ ในขณะที่การระบายความร้อนด้วยอากาศ การระบายความร้อนด้วยของเหลว และการระบายความร้อนด้วยกระแสไฟฟ้าตรงเป็นการจัดการความร้อนแบบแอคทีฟ ความแตกต่างหลักระหว่างทั้งสามประเภทนี้อยู่ที่ความแตกต่างของตัวกลางในการแลกเปลี่ยนความร้อน

· การระบายความร้อนตามธรรมชาติ
ระบบระบายความร้อนแบบธรรมชาติ (Free cooling) ไม่มีอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนเพิ่มเติม ตัวอย่างเช่น BYD ใช้ระบบระบายความร้อนแบบธรรมชาติในรุ่น Qin, Tang, Song, E6, Tengshi และรุ่นอื่นๆ ที่ใช้แบตเตอรี่ LFP และคาดว่าในอนาคต BYD จะเปลี่ยนไปใช้ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวสำหรับรุ่นที่ใช้แบตเตอรี่แบบไตรนารี (Ternary batteries)

· การระบายความร้อนด้วยอากาศ (เครื่องทำความร้อนอากาศ PTC)
ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศใช้อากาศเป็นตัวกลางในการถ่ายเทความร้อน โดยมีอยู่สองประเภทหลัก ประเภทแรกเรียกว่าการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบพาสซีฟ ซึ่งใช้อากาศภายนอกในการแลกเปลี่ยนความร้อนโดยตรง ประเภทที่สองคือการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบแอคทีฟ ซึ่งสามารถอุ่นหรือทำให้อากาศภายนอกเย็นลงก่อนที่จะเข้าสู่ระบบแบตเตอรี่ ในยุคแรกๆ รถยนต์ไฟฟ้าหลายรุ่นจากญี่ปุ่นและเกาหลีใช้ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศ

· ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว
ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวใช้สารป้องกันการแข็งตัว (เช่น เอทิลีนไกลคอล) เป็นตัวกลางในการถ่ายเทความร้อน โดยทั่วไปจะมีวงจรแลกเปลี่ยนความร้อนหลายวงจรในระบบ ตัวอย่างเช่น VOLT มีวงจรหม้อน้ำ วงจรปรับอากาศ (พีทีซี แอร์ คอนดิชันเนอร์) และวงจร PTC (เครื่องทำความร้อนน้ำหล่อเย็น PTCระบบจัดการแบตเตอรี่จะตอบสนอง ปรับ และสลับการทำงานตามกลยุทธ์การจัดการความร้อน รถยนต์เทสลา โมเดล เอส มีวงจรต่ออนุกรมกับวงจรระบายความร้อนของมอเตอร์ เมื่อแบตเตอรี่ต้องการความร้อนที่อุณหภูมิต่ำ วงจรระบายความร้อนของมอเตอร์จะต่ออนุกรมกับวงจรระบายความร้อนของแบตเตอรี่ และมอเตอร์จะช่วยให้ความร้อนแก่แบตเตอรี่ เมื่อแบตเตอรี่มีอุณหภูมิสูง วงจรระบายความร้อนของมอเตอร์และวงจรระบายความร้อนของแบตเตอรี่จะถูกปรับให้ทำงานแบบขนาน และระบบระบายความร้อนทั้งสองจะระบายความร้อนออกไปอย่างอิสระ

1. เครื่องควบแน่นก๊าซ

2. คอนเดนเซอร์รอง

3. พัดลมคอนเดนเซอร์รอง

4. พัดลมคอนเดนเซอร์แก๊ส

5. เซ็นเซอร์วัดแรงดันเครื่องปรับอากาศ (ด้านแรงดันสูง)

6. เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิเครื่องปรับอากาศ (ด้านแรงดันสูง)

7. คอมเพรสเซอร์เครื่องปรับอากาศแบบอิเล็กทรอนิกส์

8. เซ็นเซอร์วัดแรงดันเครื่องปรับอากาศ (ด้านแรงดันต่ำ)

9. เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิเครื่องปรับอากาศ (ด้านแรงดันต่ำ)

10. วาล์วขยายตัว (คูลเลอร์)

11. วาล์วขยายตัว (คอยล์เย็น)

• การระบายความร้อนโดยตรง
ระบบระบายความร้อนโดยตรงใช้สารทำความเย็น (วัสดุเปลี่ยนสถานะ) เป็นตัวกลางในการแลกเปลี่ยนความร้อน สารทำความเย็นสามารถดูดซับความร้อนได้มากในระหว่างกระบวนการเปลี่ยนสถานะจากแก๊สเป็นของเหลว เมื่อเทียบกับสารทำความเย็นแบบเดิม ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนสามารถเพิ่มขึ้นได้มากกว่าสามเท่า และความร้อนภายในระบบจะถูกระบายออกไปได้เร็วกว่าเดิม ระบบระบายความร้อนโดยตรงนี้ถูกนำมาใช้ในรถยนต์ BMW i3 แล้ว

 

นอกเหนือจากประสิทธิภาพการระบายความร้อนแล้ว แผนการจัดการความร้อนของระบบแบตเตอรี่จำเป็นต้องคำนึงถึงความสม่ำเสมอของอุณหภูมิของแบตเตอรี่ทั้งหมดด้วย ชุดแบตเตอรี่มีเซลล์หลายร้อยเซลล์ และเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิไม่สามารถตรวจจับทุกเซลล์ได้ ตัวอย่างเช่น โมดูลของ Tesla Model S มีแบตเตอรี่ 444 ก้อน แต่มีจุดตรวจจับอุณหภูมิเพียง 2 จุดเท่านั้น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องทำให้แบตเตอรี่มีอุณหภูมิที่สม่ำเสมอที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ผ่านการออกแบบการจัดการความร้อน และความสม่ำเสมอของอุณหภูมิที่ดีเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับพารามิเตอร์ประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอ เช่น กำลังไฟ อายุการใช้งาน และสถานะการชาร์จ (SOC) ของแบตเตอรี่