การหารือเกี่ยวกับเทคโนโลยีการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่รถยนต์พลังงานใหม่

การหารือเกี่ยวกับเทคโนโลยีการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่รถยนต์พลังงานใหม่

แบตเตอรี่เป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับรถยนต์พลังงานใหม่ แบตเตอรี่สร้างความร้อนจำนวนมากในระหว่างการทำงานของรถยนต์ และเมื่อเวลาผ่านไป ความร้อนจะสะสมอยู่ในพื้นที่ที่ค่อนข้างเล็ก เนื่องจากเซลล์ที่ซ้อนกันอย่างหนาแน่นในชุดแบตเตอรี่ จึงทำให้การระบายความร้อนในพื้นที่ตรงกลางทำได้ยากขึ้นในระดับหนึ่ง ซึ่งทำให้ความไม่สม่ำเสมอของอุณหภูมิระหว่างเซลล์รุนแรงขึ้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพการชาร์จและการปล่อยประจุของแบตเตอรี่ลดลง ส่งผลกระทบต่อพลังงานของแบตเตอรี่ ในกรณีที่รุนแรง อาจส่งผลให้เกิดการระบายความร้อนเกินขีดจำกัด ซึ่งส่งผลต่อความปลอดภัยและอายุการใช้งานของระบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของการจัดการอุณหภูมิ การระบายความร้อนเกินขีดจำกัดของแบตเตอรี่อาจทำให้เกิดไฟไหม้และประสิทธิภาพลดลง ดังนั้น การวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่รถยนต์พลังงานใหม่จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนารถยนต์พลังงานใหม่

1. ส่วนประกอบพื้นฐานของระบบจัดการความร้อนของยานพาหนะ

ระบบการจัดการความร้อนของรถยนต์พลังงานใหม่ประกอบด้วยสี่ส่วน ได้แก่ ระบบแบตเตอรี่ ระบบมอเตอร์ ระบบปรับอากาศ และส่วนประกอบอื่นๆ เมื่อเปรียบเทียบกับการจัดการความร้อนของรถยนต์พลังงานเชื้อเพลิงแบบดั้งเดิมแล้ว ระบบการจัดการความร้อนของรถยนต์พลังงานใหม่มีความซับซ้อนมากกว่า ระบบแบตเตอรี่เป็นส่วนประกอบสำคัญของรถยนต์พลังงานใหม่ วิศวกรจำเป็นต้องเริ่มต้นด้วยการจัดการความร้อนของระบบแบตเตอรี่เพื่อออกแบบระบบการจัดการความร้อนที่ดีสำหรับรถยนต์ทั้งคัน

นับตั้งแต่การถือกำเนิดของรถยนต์พลังงานใหม่ ผู้เชี่ยวชาญและนักวิชาการในอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องได้ทำการวิจัยมากมายเกี่ยวกับการกระจายความร้อนของแบตเตอรี่และประสบความสำเร็จมากมาย วิธีการระบายความร้อนแบบกระแสหลักของการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ได้เปลี่ยนจากการระบายความร้อนด้วยอากาศเป็นการระบายความร้อนด้วยของเหลว การระบายความร้อนด้วยวัสดุเปลี่ยนเฟส และการระบายความร้อนด้วยท่อความร้อน ต่อไปนี้คือการวิเคราะห์เทคโนโลยีการระบายความร้อน เช่น การระบายความร้อนด้วยอากาศ การระบายความร้อนด้วยของเหลว การระบายความร้อนด้วยวัสดุเปลี่ยนเฟส และการระบายความร้อนด้วยท่อความร้อน

2.1 การระบายความร้อนด้วยอากาศ

การระบายความร้อนด้วยอากาศเป็นวิธีการกระจายความร้อนที่ใช้ลมเป็นตัวกลางและใช้การพาความร้อนในอากาศเพื่อให้แบตเตอรี่สามารถแลกเปลี่ยนความร้อนกับอากาศโดยตรง จึงช่วยลดอุณหภูมิของแบตเตอรี่ การระบายความร้อนด้วยอากาศสามารถแบ่งได้เป็นการระบายความร้อนตามธรรมชาติและการระบายความร้อนแบบบังคับ ขึ้นอยู่กับว่าใช้พัดลมหรือไม่ การระบายความร้อนด้วยอากาศตามธรรมชาติจะใช้โดยไม่ใช้พัดลม ส่วนการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับจะใช้พัดลม การศึกษาจำนวนมากแสดงให้เห็นว่าผลการระบายความร้อนของการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับนั้นสูงกว่าการระบายความร้อนด้วยอากาศตามธรรมชาติมาก

การระบายความร้อนด้วยอากาศสามารถแบ่งออกได้เป็นการระบายความร้อนแบบต่อเนื่องและการระบายความร้อนแบบขนานตามโครงสร้างการกระจายความร้อนที่แตกต่างกัน ในวิธีการระบายความร้อนแบบต่อเนื่อง กระแสลมจะไหลเข้าจากด้านหนึ่งและไหลออกจากอีกด้านหนึ่ง วิธีนี้จะส่งผลให้การระบายความร้อนของแบตเตอรี่ไม่ดีเมื่ออยู่ห่างจากช่องรับอากาศเข้า แบตเตอรี่จะกระจายความร้อนได้ไม่สม่ำเสมอ และความแตกต่างของอุณหภูมิในแบตเตอรี่มีขนาดใหญ่ ในวิธีการระบายความร้อนแบบขนาน กระแสลมมักจะเข้าจากด้านล่างและไหลออกจากด้านบน ดังที่เห็นได้จากภาพ กระแสลมระบายความร้อนสามารถไหลผ่านพื้นผิวของแบตเตอรี่แต่ละก้อนได้ ดังนั้น ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างแบตเตอรี่แต่ละก้อนจะน้อยกว่าการระบายความร้อนแบบต่อเนื่อง แต่ยังทำให้เกิดปัญหาการกระจายความร้อนที่ไม่สม่ำเสมออีกด้วย

2.2 การระบายความร้อนด้วยของเหลว

เทคโนโลยีระบายความร้อนด้วยของเหลวสำหรับแบตเตอรี่พลังงานเป็นเทคโนโลยีการจัดการความร้อนอย่างหนึ่ง เทคโนโลยีนี้มักใช้สารหล่อเย็นที่มีค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูงเพื่อให้แบตเตอรี่สามารถแลกเปลี่ยนความร้อนกับสารหล่อเย็นได้ จึงช่วยลดอุณหภูมิของแบตเตอรี่ได้

ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนของชุดแบตเตอรี่ระบายความร้อนด้วยอากาศและระบายความร้อนด้วยของเหลวได้รับการเปรียบเทียบและวิเคราะห์ ผลแสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิสูงสุดของชุดแบตเตอรี่ต่ำกว่าและความสม่ำเสมอของอุณหภูมิดีกว่าในระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว การระบายความร้อนด้วยของเหลวเป็นวิธีการกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพอย่างยิ่งและค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูงกว่าการระบายความร้อนด้วยอากาศ ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวของยานพาหนะไฟฟ้าสามารถแบ่งได้เป็นแบบสัมผัสโดยตรงและแบบสัมผัสโดยอ้อมตามรูปแบบการสัมผัสระหว่างของเหลวที่เป็นฉนวนและแบตเตอรี่ รูปแบบการจุ่มเซลล์หรือโมดูลแบตเตอรี่ในของเหลวเพื่อแลกเปลี่ยนความร้อนคือรูปแบบการสัมผัสโดยตรง นอกจากนี้ สามารถตั้งค่าช่องระบายความร้อนระหว่างโมดูลแบตเตอรี่หรือใช้แผ่นระบายความร้อนที่ด้านล่างของแบตเตอรี่ได้ ความร้อนของแบตเตอรี่พลังงานจะถูกถ่ายโอนไปยังสารหล่อเย็นผ่านแผ่นระบายความร้อน รูปแบบการระบายความร้อนด้วยของเหลวนี้เป็นแบบสัมผัสโดยอ้อม รูปแบบทั้งสองนี้มีข้อกำหนดสูงสำหรับความหนาแน่นของอากาศของระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว นอกจากนี้ ข้อกำหนดด้านความแข็งแรงเชิงกลยังสูง และต้องรับประกันความต้านทานการสั่นสะเทือนและอายุการใช้งานของระบบระบายความร้อน

ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวของรถยนต์ไฟฟ้าประกอบด้วยสารหล่อเย็น แผ่นระบายความร้อน ปั๊มน้ำอิเล็กทรอนิกส์ เซ็นเซอร์อุณหภูมิ หม้อน้ำ ฯลฯ คอมเพรสเซอร์ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานของระบบทำความเย็นจะกำหนดความสามารถในการแลกเปลี่ยนความร้อนของระบบทั้งหมด ชิลเลอร์ (อุปกรณ์ทำความเย็น) ทำหน้าที่แลกเปลี่ยนสารทำความเย็นและสารหล่อเย็น และปริมาณการแลกเปลี่ยนความร้อนจะกำหนดอุณหภูมิของสารหล่อเย็นโดยตรง ปั๊มน้ำจะกำหนดอัตราการไหลของสารหล่อเย็นในท่อ ยิ่งอัตราการไหลเร็วเท่าไหร่ ประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนก็จะดีขึ้นเท่านั้น และในทางกลับกัน

2.3 การเปลี่ยนเฟสวัสดุทำความเย็น

เทคโนโลยีการกระจายความร้อนของวัสดุเปลี่ยนเฟส (PCM) ใช้หลักการที่ว่าวัสดุเปลี่ยนเฟสจะดูดซับความร้อนเมื่อเกิดการเปลี่ยนเฟส วัสดุเปลี่ยนเฟสจะถูกวางไว้รอบ ๆ ชุดแบตเตอรี่และจะถึงอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง วัสดุเปลี่ยนเฟสจะผ่านการเปลี่ยนเฟสและดูดซับความร้อนที่เกิดขึ้นเมื่อแบตเตอรี่ทำงาน จึงหลีกเลี่ยงกระบวนการที่ทำให้โมดูลแบตเตอรี่ร้อนเกินไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากกระบวนการเปลี่ยนเฟสเป็นกระบวนการที่อุณหภูมิคงที่ อุณหภูมิของแบตเตอรี่จึงสามารถรักษาไว้ได้ดีใกล้กับอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสของวัสดุเปลี่ยนเฟส จึงช่วยระงับอุณหภูมิของแบตเตอรี่ไม่ให้เพิ่มขึ้นต่อไป อย่างไรก็ตาม การใช้วัสดุเปลี่ยนเฟสเพื่อระบายความร้อนต้องใส่ใจกับปัญหาการปิดผนึก และจะเพิ่มปริมาตรของชุดแบตเตอรี่และลดความหนาแน่นของพลังงาน นอกจากนี้ ฟังก์ชันการเก็บรักษาความร้อนสามารถรักษาไว้ได้ภายในเวลาจอดรถที่จำกัดเท่านั้น การอุ่นแบตเตอรี่ล่วงหน้าในระยะยาวยังคงขึ้นอยู่กับแหล่งความร้อนในตัว และการเก็บรักษาความร้อนโดยทั่วไปต้องใช้การนำความร้อนที่ต่ำกว่า ซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหาในการกระจายอุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมอ

2.4 การระบายความร้อนด้วยท่อความร้อน

การระบายความร้อนด้วยท่อความร้อนคือการแบ่งท่อความร้อนออกเป็นสองส่วนคือส่วนการระเหย ส่วนการถ่ายเทความร้อน และส่วนการควบแน่น หลักการกระจายความร้อนหลักคือการเอาความร้อนออกจากชุดแบตเตอรี่ผ่านส่วนการระเหยของท่อความร้อนที่ดูดซับความร้อน ความร้อนในส่วนการระเหยจะถูกถ่ายเทไปยังส่วนการควบแน่นผ่านส่วนกลางของท่อความร้อนเนื่องจากความแตกต่างของแรงดันที่เกิดขึ้น จึงทำให้สามารถจัดการความร้อนของชุดแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ จากการศึกษาวิจัยเกี่ยวกับการระบายความร้อนด้วยท่อความร้อน ได้มีการเปรียบเทียบผลการระบายความร้อนของวิธีการระบายความร้อนสามวิธีของแบตเตอรี่พลังงาน ได้แก่ การระบายความร้อนด้วยอากาศ ของเหลว และการระบายความร้อนด้วยท่อความร้อน ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าการระบายความร้อนด้วยท่อความร้อนมีผลในการระบายความร้อนชุดแบตเตอรี่ได้ดีที่สุด