Yeni enerji araç akülerinin termal yönetim teknolojisi üzerine tartışma
Güç aküleri yeni enerji araçları için ana güç kaynağıdır. Aküler araç çalışması sırasında çok fazla ısı üretir ve zaman geçtikçe ısı nispeten küçük bir alanda birikir. Akü paketindeki hücrelerin yoğun istiflenmesi nedeniyle, ortadaki alanda belirli bir dereceye kadar ısıyı dağıtmak da daha zordur, bu da hücreler arasındaki sıcaklık tutarsızlığını daha da kötüleştirir. Sonuç olarak, akünün şarj ve deşarj verimliliği düşecek ve bu da akünün gücünü etkileyecektir. Ciddi durumlarda, sistemin güvenliğini ve ömrünü etkileyen termal kaçaklara da yol açacaktır. Özellikle sıcaklık yönetimi açısından, akünün termal kaçakları yangına ve performans düşüşüne neden olabilir. Bu nedenle, yeni enerji araç akülerinin termal yönetim teknolojisi üzerine araştırma, yeni enerji araçlarının geliştirilmesi için büyük önem taşımaktadır.
1. Araç termal yönetim sisteminin temel bileşenleri
Yeni enerji araçlarının termal yönetim sistemi dört parçadan oluşur: akü sistemi, motor sistemi, klima sistemi ve diğer bileşenler. Geleneksel yakıtlı araçların termal yönetimiyle karşılaştırıldığında, yeni enerji araçlarının termal yönetim sistemi daha karmaşıktır. Akü sistemi, yeni enerji araçlarının hayati bir bileşenidir. Mühendislerin, tüm araç için iyi bir termal yönetim sistemi tasarlamak için akü sisteminin termal yönetimiyle başlamaları gerekir.
Yeni enerji araçlarının doğuşundan bu yana, ilgili endüstrilerdeki uzmanlar ve akademisyenler, pillerinin ısı dağılımı konusunda çok sayıda araştırma yürüttüler ve çok sayıda sonuç elde ettiler. Pil termal yönetiminin ana akım soğutma yöntemi hava soğutmadan sıvı soğutmaya, faz değişim malzemesi soğutmaya ve ısı borusu soğutmaya doğru değişti. Aşağıda hava soğutma, sıvı soğutma, faz değişim malzemesi soğutma ve ısı borusu soğutma gibi soğutma teknolojileri analiz edilmektedir.
2.1 Hava Soğutma
Hava soğutma, havayı bir ortam olarak kullanan ve havadaki ısı taşınımını kullanarak pilin doğrudan hava ile ısı alışverişinde bulunmasını sağlayan ve böylece pil sıcaklığını düşüren bir ısı dağıtma yöntemidir. Hava soğutma, bir fan kullanılıp kullanılmadığına göre doğal soğutma ve zorlamalı soğutma olarak ikiye ayrılabilir. Doğal hava soğutması, fan kullanılmadan kullanılır; zorlamalı hava soğutması, fanla kullanılır. Çok sayıda çalışma, zorlamalı hava soğutmasının ısı dağıtma etkisinin doğal hava soğutmasından çok daha yüksek olduğunu göstermiştir.
Hava soğutması, farklı ısı dağılım yapılarına göre seri soğutma ve paralel soğutma olarak da ikiye ayrılabilir. Seri soğutma yönteminde, hava akışı bir taraftan içeri akar ve diğer taraftan dışarı akar. Bu yöntem, hava giriş akış kanalından uzaktaki pillerin zayıf soğutulmasına, pillerin eşit olmayan ısı dağılımına ve pillerde büyük sıcaklık farklılıklarına yol açacaktır; paralel soğutma yönteminde, hava akışı genellikle alttan girer ve üstten dışarı akar. Şekilden görülebileceği gibi, soğutma hava akışı temelde her pilin yüzeyinden akabilir, bu nedenle her pil arasındaki sıcaklık farkı seri soğutmadakinden daha küçük olacaktır, ancak aynı zamanda eşit olmayan ısı dağılımı sorununu da beraberinde getirir.
2.2 Sıvı Soğutma
Güç pili sıvı soğutma teknolojisi termal yönetim teknolojilerinden biridir. Bu teknoloji genellikle, pilin soğutucuyla ısı alışverişinde bulunmasını sağlamak için yüksek ısı transfer katsayısına sahip bir soğutucu kullanır ve böylece pil sıcaklığını azaltır.
Hava soğutmalı ve sıvı soğutmalı akü paketlerinin ısı dağılımı performansı karşılaştırıldı ve analiz edildi. Sonuçlar, akü paketinin maksimum sıcaklığının daha düşük olduğunu ve sıcaklık tutarlılığının sıvı soğutma sisteminde daha iyi olduğunu göstermektedir. Sıvı soğutma son derece etkili bir ısı dağılımı yöntemidir ve ısı transfer katsayısı hava soğutmanınkinden daha yüksektir. Elektrikli araçların sıvı soğutma sistemi, yalıtım sıvısı ile akü arasındaki temas biçimine göre doğrudan temas ve dolaylı temas olarak ikiye ayrılabilir. Akü hücresinin veya modülünün ısı alışverişi için sıvıya daldırılması biçimi doğrudan temas biçimidir; ayrıca akü modülleri arasına bir soğutma kanalı yerleştirilebilir veya akünün alt kısmında bir soğutma plakası kullanılabilir. Güç aküsünün ısısı, soğutma plakası aracılığıyla soğutma sıvısına aktarılır. Bu sıvı soğutma biçimi dolaylı temastır. Bu iki biçimin sıvı soğutma sisteminin hava sızdırmazlığı için yüksek gereksinimleri vardır. Ayrıca mekanik mukavemet gereksinimleri yüksektir ve soğutma sisteminin titreşim direnci ve ömür gereksinimlerinin garanti edilmesi gerekir.
Elektrikli araç sıvı soğutma sistemi esas olarak soğutma sıvısı, soğutma plakası, elektronik su pompası, sıcaklık sensörü, radyatör vb.'den oluşur. Soğutmanın güç kaynağı olan kompresör, tüm sistemin ısı değişim kapasitesini belirler. Chiller (soğutma cihazı), soğutma sıvısı ve soğutucuyu değiştirme rolünü oynar ve ısı değişim miktarı doğrudan soğutma sıvısının sıcaklığını belirler. Su pompası, soğutma sıvısının boru hattındaki akış hızını belirler. Akış hızı ne kadar hızlıysa, ısı değişim performansı o kadar iyi olur ve bunun tersi de geçerlidir.
2.3 Faz Değişimli Malzeme Soğutması
Faz değişim malzemesi (PCM) ısı dağılımı teknolojisi, faz değişim malzemelerinin faz değişimine uğradıklarında ısıyı emdiği ilkesini kullanır. Faz değişim malzemesi pil takımının etrafına yerleştirilir ve belirli koşullar altında faz değişim sıcaklığına ulaşır. Faz değişim malzemesi faz değişimine uğrar ve pil çalışırken oluşan ısıyı emer, böylece pil modülünün aşırı ısınma sürecini etkili bir şekilde önler. Faz değişim süreci sabit bir sıcaklık süreci olduğundan, pil sıcaklığı faz değişim malzemesinin faz değişim sıcaklığına yakın bir seviyede iyi bir şekilde korunabilir, böylece pil sıcaklığının artmaya devam etmesi engellenir. Ancak, faz değişim malzemesi soğutmasının kullanımı sızdırmazlık sorunlarına dikkat edilmesini gerektirir ve pil takımının hacmini artıracak ve enerji yoğunluğunu azaltacaktır. Ek olarak, ısı koruma işlevi yalnızca sınırlı bir park süresi içinde sürdürülebilir. Uzun vadeli pil ön ısıtması hala yerleşik ısı kaynağına bağlıdır ve ısı koruması genellikle daha düşük bir termal iletkenlik gerektirir, bu da eşit olmayan sıcaklık dağılımıyla ilgili sorunlara neden olabilir.
2.4 Isı borusu soğutması
Isı borusu soğutması, ısı borusunu buharlaşma bölümü, ısı transferi bölümü ve yoğuşma bölümüne ayırmaktır. Ana ısı dağılımı prensibi, ısıyı emen ısı borusu buharlaşma bölümü aracılığıyla pil paketindeki ısıyı uzaklaştırmaktır. Buharlaşma bölümündeki ısı, oluşan basınç farkı nedeniyle ısı borusunun orta bölümü aracılığıyla yoğuşma bölümüne aktarılır ve böylece pil paketinin etkili termal yönetimi sağlanır. Isı borusu soğutması üzerine yapılan araştırmalarla ilgili olarak, güç pillerinin üç soğutma yönteminin, yani hava, sıvı ve ısı borusu soğutmasının soğutma etkileri karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, ısı borusu soğutmasının pil paketleri üzerinde en iyi soğutma etkisine sahip olduğunu göstermektedir.
