Analisi della tecnologia di gestione termica delle batterie di potenza
di veicoli elettrici puri
1 Raffreddamento della batteria
In genere, per le batterie dei veicoli esclusivamente elettrici si utilizzano tre metodi principali di raffreddamento: raffreddamento ad aria, raffreddamento a liquido e raffreddamento diretto.
1) La tecnologia di raffreddamento ad aria (air cooling) utilizza il vento naturale o l'aria fredda generata dal sistema di refrigerazione del veicolo per rimuovere il calore tramite convezione o conduzione del calore per raggiungere lo scopo del raffreddamento della batteria. La tecnologia di raffreddamento ad aria ha le caratteristiche di un sistema semplice, basso costo e facile manutenzione ed è ampiamente utilizzata.
2) La tecnologia di raffreddamento a liquido utilizza il liquido come mezzo di trasferimento del calore. Il liquido assorbe il calore quando scorre attraverso i tubi all'interno della batteria di alimentazione. Il liquido utilizzato nel raffreddamento a liquido è principalmente refrigerante, che circola nel sistema di raffreddamento del veicolo. Il calore assorbito dal refrigerante viene dissipato nell'aria attraverso il radiatore. Alcuni veicoli hanno uno scambiatore di calore chiamato Chiller nel sistema di raffreddamento per accoppiare il sistema di raffreddamento del veicolo e il sistema di refrigerazione per aumentare l'effetto di raffreddamento del sistema. Rispetto alla tecnologia di raffreddamento ad aria, la tecnologia di raffreddamento a liquido ha le caratteristiche di una forte capacità di raffreddamento, buona uniformità e velocità elevata.
3) La tecnologia di raffreddamento diretto utilizza il refrigerante nel sistema di refrigerazione per rimuovere direttamente il calore dalla batteria di alimentazione, quindi installa una valvola di espansione e un evaporatore all'interno della batteria di alimentazione. Il refrigerante evapora nell'evaporatore per assorbire il calore. Poiché la tecnologia di raffreddamento diretto non ha uno scambiatore di calore nella tecnologia di raffreddamento a liquido, il raffreddamento diretto è più efficiente. Tuttavia, quando la batteria di alimentazione viene raffreddata, una parte del refrigerante nel sistema di refrigerazione deve essere deviata, il che influirà sull'effetto di raffreddamento dell'abitacolo passeggeri e ridurrà il comfort.
2 Riscaldamento della batteria
Esistono due tipi principali di tecnologie di riscaldamento delle batterie di potenza: l'autoriscaldamento della batteria e l'uso di elementi riscaldanti esterni. L'autoriscaldamento della batteria, come suggerisce il nome, utilizza il calore generato dalla batteria durante la carica e la scarica per aumentare la temperatura della batteria, ma questo metodo ha un'efficienza di riscaldamento lenta ed è stato sostanzialmente abbandonato.
L'uso di elementi riscaldanti esterni utilizza principalmente pellicole riscaldanti e PTC. La pellicola riscaldante è vicina alla superficie del modulo batteria e genera calore per aumentare la temperatura della batteria quando è accesa. Il metodo di riscaldamento della batteria è simile al metodo di raffreddamento e ne esistono anche tre tipi: riscaldamento dell'aria, riscaldamento dell'acqua e riscaldamento diretto del refrigerante.
3 Sistema di gestione termica
Quando si raffredda e si riscalda la batteria, è possibile selezionare metodi diversi in modo indipendente, ma poiché l'integrazione dei veicoli diventa sempre più elevata, vengono anche proposti requisiti più elevati per il sistema di gestione termica del veicolo. Pertanto, è emerso un sistema di gestione termica in grado di realizzare sia il raffreddamento che il riscaldamento della batteria. Alcuni veicoli hanno persino sviluppato un sistema di gestione termica altamente integrato utilizzando condizionatori d'aria a pompa di calore, che combina organicamente i tre principali sistemi di sistema di raffreddamento del veicolo, raffreddamento/riscaldamento della batteria di potenza e raffreddamento e riscaldamento dell'abitacolo passeggeri.
Architettura del sistema di gestione termica
L'architettura del sistema di gestione termica di un veicolo elettrico puro è mostrata nella Figura 1. Questo sistema di gestione termica utilizza condizionatori d'aria a pompa di calore per realizzare il raffreddamento e il riscaldamento diretti delle batterie, il raffreddamento del sistema di azionamento elettrico e il raffreddamento e il riscaldamento dell'abitacolo passeggeri. Nel circuito di azionamento elettrico, è impostato un circuito di raffreddamento ad acqua separato, che è collegato al sistema di pompa di calore tramite uno scambiatore di calore a piastre per il trasferimento di calore, che può realizzare funzioni di recupero del calore di scarto e riscaldamento di stallo; nel freddo inverno, al fine di risolvere il problema dello scarso effetto di riscaldamento dei condizionatori d'aria a pompa di calore, PTC è abbinato per aumentare l'effetto di riscaldamento dell'abitacolo passeggeri. Questo sistema di gestione termica può soddisfare le esigenze di raffreddamento e riscaldamento in più modalità.
Principio del sistema di gestione termica
Poiché il sistema ha più modalità di funzionamento, questo articolo illustra solo il principio di funzionamento delle modalità di raffreddamento e riscaldamento della batteria o dell'abitacolo passeggeri.
1) Principio di raffreddamento della batteria di potenza. Quando la temperatura della batteria di potenza è alta e deve essere raffreddata, l'elettrovalvola di refrigerazione dell'aria condizionata, l'elettrovalvola di scambio termico dell'aria, la valvola di espansione elettronica della batteria e l'elettrovalvola di raffreddamento della batteria nel sistema vengono aperte (l'elettrovalvola di riscaldamento della batteria è chiusa). Quando il refrigerante scorre attraverso la valvola di espansione elettronica della batteria, si espande tramite strozzatura, evapora e assorbe calore nello scambiatore di calore a piastre del pacco batteria e rimuove il calore per raggiungere lo scopo del raffreddamento della batteria. Se anche l'abitacolo ha esigenze di raffreddamento in questo momento, basta aprire la valvola di espansione elettronica di raffreddamento (chiudere l'elettrovalvola di riscaldamento dell'aria condizionata) e parte del refrigerante evapora e assorbe calore nell'evaporatore nell'auto per ottenere il raffreddamento dell'abitacolo.
2) Principio di riscaldamento della batteria di potenza. Quando la temperatura della batteria è bassa e deve essere riscaldata, l'elettrovalvola di riscaldamento della batteria, la valvola di espansione elettronica della batteria, l'elettrovalvola di scambio termico della fonte d'acqua e l'elettrovalvola di riscaldamento dell'aria condizionata nel sistema vengono aperte (l'elettrovalvola di espansione elettronica del riscaldamento, l'elettrovalvola di raffreddamento dell'aria condizionata, l'elettrovalvola di scambio termico dell'aria e la valvola di espansione elettronica del raffreddamento sono chiuse) e il refrigerante ad alta temperatura compresso dal compressore scorre attraverso lo scambiatore di calore a piastre del pacco batteria per riscaldare la batteria a bassa temperatura. Dopo il riscaldamento, la temperatura del refrigerante scende, scorre attraverso lo scambiatore di calore a piastre, assorbe calore dal circuito di azionamento elettrico e realizza il recupero del calore di scarto. Se anche l'abitacolo deve essere riscaldato in questo momento, basta aprire la valvola di espansione elettronica del riscaldamento e parte del refrigerante ad alta temperatura scorre attraverso il condensatore nell'auto, rilascia calore nell'abitacolo e quindi si fonde con il refrigerante di riscaldamento della batteria davanti allo scambiatore di calore a piastre per continuare a partecipare al ciclo. Se la temperatura ambiente è molto bassa, il sistema attiva PTC per aiutare a riscaldare l'abitacolo.
