סקירת טכנולוגיית ניהול תרמי 1
1.1 ניהול תרמי סוללה
ניהול תרמי סוללה הוא מרכיב מרכזי במערכת הניהול התרמי של כלי רכב חשמליים. מטרתו העיקרית היא להבטיח כי מארז הסוללות שומר על טמפרטורת הפעלה מתאימה בתנאי הפעלה שונים כדי להבטיח ביצועי סוללה, בטיחות וחיי שירות. ניהול תרמי סוללה כולל בעיקר שני היבטים: פיזור חום וחימום. להלן נרחיב על הנתיבים הטכניים השונים להשגת שתי הפונקציות הללו.
1.1.1 פיזור חום הסוללה
1) קירור אוויר. קירור אוויר הוא שיטת פיזור חום פשוטה יחסית ובעלות נמוכה. זה מסיר את החום שנוצר מהסוללה באמצעות הסעה טבעית או על ידי התקנת מאוורר כדי לאלץ את זרימת האוויר. מערכת קירור האוויר מסתמכת בעיקר על גוף הקירור על פני ערכת הסוללות לצורך חילופי חום, המתאים לתרחישים עם דרישות צפיפות הספק נמוכה או טמפרטורת סביבה מתונה. עם זאת, בשל קיבולת החום הסגולית הקטנה של האוויר, יעילות חילופי החום מוגבלת יחסית, ויכולת הקירור המהירה של סוללות בעלות הספק גבוה וצפיפות אנרגיה היא חלשה.
2) קירור נוזלי. תמיסת הקירור הנוזלית משתמשת בנוזל קירור (כגון מים, תמיסת אתילן גליקול וכו') כמדיום העברת החום, שנמצא במגע ישיר עם הסוללה דרך צינור מחזור כדי להשיג הולכת חום יעילה. מערכת הקירור הנוזלית יכולה לשלוט במדויק על טמפרטורת הסוללה, במיוחד עבור כלי רכב חשמליים בעלי ביצועים גבוהים. תוך מניעת התחממות יתר של הסוללה ביעילות, הוא מבטיח שטמפרטורת הסוללה מחולקת באופן שווה, ובכך משפרת את חיי הסוללה ואת הביצועים הכוללים. עם זאת, לקירור נוזלי יש מגבלות מסוימות. מערכת הקירור הנוזלית מורכבת יותר, קיים סיכון לדליפת נוזלים, קיימות דרישות מסוימות לעמידות החומר בפני קורוזיה ועלות התחזוקה גדלה.
3) פיזור חום של Phase Change Material (PCM). חומרים לשינוי פאזה יכולים לספוג כמות גדולה של חום סמוי במהלך תהליך מעבר פאזה מוצק-נוזל, ובכך להשיג אפקט פיזור חום טוב. כאשר מיושם על ניהול תרמי סוללה, ניתן לעטוף את ה-PCM סביב הסוללה או להטמיע במודול הסוללה כדי לספוג חום כאשר טמפרטורת הסוללה עולה, מה שמשחק תפקיד בשחרור חום איטי. היתרון של פיזור חום PCM הוא במאפייני הטמפרטורה הקבועים שלו, שמונעים מטמפרטורת הסוללה לעלות בפתאומיות, אך גם החסרונות ברורים יחסית. המוליכות התרמית שלו ירודה יחסית, מהירות התגובה איטית ועלות החומר גבוהה.
4) פיזור חום בצינור חום. צינורות חום יכולים להעביר חום באמצעות תהליך שינוי הפאזה של נוזל העבודה ללא הזנת אנרגיה חיצונית כדי להשיג מוליכות תרמית יעילה. ביישומי ניהול תרמי של סוללה, צינורות חום יכולים להעביר במהירות חום מנקודות חמות מקומיות ולשפר את עקביות הטמפרטורה של ערכת הסוללות כולה. לצינורות חום יש יתרונות של יעילות העברת חום גבוהה, גודל קטן ומשקל קל, אך המבנה שלהם מורכב, עלות הייצור גבוהה יחסית, ויש לשים לב לתכנון קצה עיבוי מתאים כדי להבטיח יעילות פיזור חום.
5) פיזור חום קירור ישיר. קירור ישיר מתייחס בעיקר לאמצעי הקירור (בדרך כלל נוזלי) שזורם ישירות דרך מודול הסוללה או תא הסוללה כדי לשלוט ביעילות על טמפרטורת הפעולה של הסוללה. עיצוב זה מאפשר למשטח הסוללה לפזר חום במהירות, מה שמתאים במיוחד למצבי טמפרטורה גבוהה ודרישת חשמל גבוהה. עם זאת, לקירור ישיר יש דרישות גבוהות ביותר לאיטום, וברגע שנוזל הקירור דולף, הוא עלול לגרום לסכנות בטיחותיות חמורות.
1.1.2 חימום סוללה
1) חימום PTC. מחמם מקדם הטמפרטורה החיובי (PTC) מבוסס על אפקט מקדם הטמפרטורה החיובי, כלומר, ההתנגדות עולה עם הטמפרטורה. לכן, הוא יכול לספק תפוקת חום יציבה בסביבת טמפרטורה נמוכה תוך הגבלת הטמפרטורה שלו באופן אוטומטי מלהיות גבוהה מדי. חימום PTC נמצא בשימוש נרחב בכלי רכב חשמליים לנוחות, כגון חימום מושבים וחימום עזר של מערכת מיזוג האוויר ברכב. בשל מאפייני הוויסות העצמי שלו, הוא יכול לספק השפעות חימום יציבות ויעילות תוך הימנעות מבעיות הנגרמות מחימום יתר. זוהי טכנולוגיית חימום יעילה. עם זאת, חימום PTC הוא חימום חשמלי, אשר יגדיל את צריכת האנרגיה הכוללת של כלי רכב חשמליים ויקטין את טווח הנסיעה.
2) חימום משאבת חום. מערכת מיזוג משאבת החום קולטת חום בטמפרטורה נמוכה מהסביבה החיצונית באמצעות מחזור קרנו ההפוך, ומעבירה אותו למצבר ולתא הנוסעים בתהליך של דחיסה ושחרור חום. בהשוואה לשיטת החימום המסורתית PTC, משאבת החום חסכונית יותר באנרגיה בסביבת טמפרטורה נמוכה, מה שעוזר לשמור על ביצועי הרכב. עם זאת, התכנון והתפעול של מערכות משאבת חום מסובכים יותר, במיוחד בתנאי טמפרטורה נמוכים במיוחד, שבהם הביצועים שלהן ירדו. מסיבה זו, כמה מחקרים הציעו טכנולוגיות חדשניות כגון הגברת אנטלפיה בהזרקת אוויר ומשאבות חום דו-מקוריות כדי לייעל את ביצועי משאבת החום תחת טמפרטורות סביבה נמוכות.
