Panoramica sulla tecnologia di gestione termica 1
1.1 Gestione termica della batteria
La gestione termica della batteria è un componente chiave del sistema di gestione termica dei veicoli elettrici. Il suo obiettivo principale è garantire che il pacco batteria mantenga una temperatura di esercizio adatta in varie condizioni operative per garantire le prestazioni, la sicurezza e la durata della batteria. La gestione termica della batteria include principalmente due aspetti: dissipazione del calore e riscaldamento. Di seguito verranno illustrati i diversi percorsi tecnici per ottenere queste due funzioni.
1.1.1 Dissipazione del calore della batteria
1) Raffreddamento ad aria. Il raffreddamento ad aria è un metodo di dissipazione del calore relativamente semplice e poco costoso. Rimuove il calore generato dalla batteria tramite convezione naturale o installando una ventola per forzare il flusso d'aria. Il sistema di raffreddamento ad aria si basa principalmente sul dissipatore di calore sulla superficie del pacco batteria per lo scambio di calore, che è adatto per scenari con bassi requisiti di densità di potenza o temperatura ambiente moderata. Tuttavia, a causa della piccola capacità termica specifica dell'aria, l'efficienza dello scambio di calore è relativamente limitata e la capacità di raffreddamento rapido per batterie ad alta potenza e alta densità di energia è debole.
2) Raffreddamento a liquido. La soluzione di raffreddamento a liquido utilizza un refrigerante (come acqua, soluzione di glicole etilenico, ecc.) come mezzo di trasferimento del calore, che è a diretto contatto con la batteria tramite un tubo di circolazione per ottenere un'efficiente conduzione del calore. Il sistema di raffreddamento a liquido può controllare accuratamente la temperatura della batteria, in particolare per i veicoli elettrici ad alte prestazioni. Mentre impedisce efficacemente il surriscaldamento della batteria, assicura che la temperatura della batteria sia distribuita uniformemente, migliorando così la durata della batteria e le prestazioni complessive. Tuttavia, il raffreddamento a liquido presenta alcune limitazioni. Il sistema di raffreddamento a liquido è più complesso, c'è il rischio di perdite di liquido, ci sono alcuni requisiti per la resistenza alla corrosione del materiale e il costo di manutenzione aumenta.
3) Dissipazione del calore del materiale a cambiamento di fase (PCM). I materiali a cambiamento di fase possono assorbire una grande quantità di calore latente durante il processo di transizione di fase solido-liquido, ottenendo così un buon effetto di dissipazione del calore. Quando applicato alla gestione termica della batteria, il PCM può essere avvolto attorno alla batteria o incorporato nel modulo della batteria per assorbire il calore quando la temperatura della batteria aumenta, svolgendo un ruolo nel rilascio lento del calore. Il vantaggio della dissipazione del calore del PCM è la sua caratteristica di temperatura costante, che impedisce alla temperatura della batteria di aumentare improvvisamente, ma anche gli svantaggi sono relativamente evidenti. La sua conduttività termica è relativamente scarsa, la velocità di risposta è lenta e il costo del materiale è elevato.
4) Dissipazione del calore tramite heat pipe. Gli heat pipe possono trasferire calore utilizzando il processo di cambiamento di fase del fluido di lavoro senza apporto di energia esterna per ottenere un'efficiente conduttività termica. Nelle applicazioni di gestione termica delle batterie, gli heat pipe possono trasferire rapidamente il calore dai punti caldi locali e migliorare la coerenza della temperatura dell'intero pacco batteria. Gli heat pipe hanno i vantaggi di un'elevata efficienza di trasferimento del calore, dimensioni ridotte e peso leggero, ma la loro struttura è complessa, il costo di produzione è relativamente elevato e si dovrebbe prestare attenzione alla progettazione di un'estremità di condensazione adatta per garantire l'efficienza di dissipazione del calore.
5) Dissipazione del calore tramite raffreddamento diretto. Il raffreddamento diretto si riferisce principalmente al mezzo di raffreddamento (solitamente liquido) che scorre direttamente attraverso il modulo batteria o la cella della batteria per controllare efficacemente la temperatura di esercizio della batteria. Questa progettazione consente alla superficie della batteria di dissipare rapidamente il calore, il che è particolarmente adatto per situazioni di alta temperatura e alta richiesta di potenza. Tuttavia, il raffreddamento diretto ha requisiti estremamente elevati per la tenuta e, una volta che il refrigerante perde, può causare gravi rischi per la sicurezza.
1.1.2 Riscaldamento della batteria
1) Riscaldamento PTC. Il riscaldatore a coefficiente di temperatura positivo (PTC) si basa sull'effetto del coefficiente di temperatura positivo, ovvero la resistenza aumenta con la temperatura. Pertanto, può fornire un'uscita di calore stabile in un ambiente a bassa temperatura, limitando automaticamente la propria temperatura da un'eccessiva temperatura. Il riscaldamento PTC è ampiamente utilizzato nei veicoli elettrici per il comfort, come il riscaldamento dei sedili e il riscaldamento ausiliario del sistema di aria condizionata nell'auto. Grazie alle sue caratteristiche di autoregolazione, può fornire effetti di riscaldamento stabili ed efficienti, evitando al contempo i problemi causati dal surriscaldamento. È una tecnologia di riscaldamento efficiente. Tuttavia, il riscaldamento PTC è un riscaldamento elettrico, che aumenterà il consumo energetico totale dei veicoli elettrici e ridurrà l'autonomia di guida.
2) Riscaldamento con pompa di calore. Il sistema di aria condizionata con pompa di calore assorbe calore a bassa temperatura dall'ambiente esterno tramite il ciclo di Carnot inverso e lo trasferisce alla batteria e all'abitacolo tramite il processo di compressione e rilascio del calore. Rispetto al tradizionale metodo di riscaldamento PTC, la pompa di calore è più efficiente dal punto di vista energetico in ambienti a bassa temperatura, il che aiuta a mantenere le prestazioni del veicolo. Tuttavia, la progettazione e il funzionamento dei sistemi con pompa di calore sono più complicati, soprattutto in condizioni di temperatura estremamente bassa, dove le loro prestazioni diminuiranno. Per questo motivo, alcuni studi hanno proposto tecnologie innovative come l'aumento dell'entalpia di iniezione d'aria e le pompe di calore a doppia fonte per ottimizzare le prestazioni della pompa di calore a basse temperature ambiente.
