ภาพรวมเทคโนโลยีการจัดการความร้อน 1
1.1 การจัดการความร้อนของแบตเตอรี่
การจัดการความร้อนของแบตเตอรี่เป็นส่วนประกอบสำคัญของระบบการจัดการความร้อนของยานพาหนะไฟฟ้า เป้าหมายหลักคือเพื่อให้แน่ใจว่าชุดแบตเตอรี่จะรักษาอุณหภูมิการทำงานที่เหมาะสมภายใต้เงื่อนไขการทำงานต่างๆ เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ การจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ประกอบด้วยสองประเด็นหลัก ได้แก่ การกระจายความร้อนและการให้ความร้อน ต่อไปนี้จะอธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับแนวทางทางเทคนิคต่างๆ เพื่อให้บรรลุฟังก์ชันทั้งสองนี้
1.1.1 การกระจายความร้อนของแบตเตอรี่
1) การระบายความร้อนด้วยอากาศ การระบายความร้อนด้วยอากาศเป็นวิธีการกระจายความร้อนที่ค่อนข้างง่ายและมีต้นทุนต่ำ โดยจะขจัดความร้อนที่เกิดจากแบตเตอรี่ผ่านการพาความร้อนตามธรรมชาติหรือโดยการติดตั้งพัดลมเพื่อบังคับให้อากาศไหลผ่าน ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศส่วนใหญ่จะใช้แผ่นระบายความร้อนบนพื้นผิวของชุดแบตเตอรี่เพื่อแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งเหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีความต้องการความหนาแน่นของพลังงานต่ำหรืออุณหภูมิแวดล้อมปานกลาง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความจุความร้อนจำเพาะของอากาศมีขนาดเล็ก ประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนจึงค่อนข้างจำกัด และความสามารถในการระบายความร้อนอย่างรวดเร็วสำหรับแบตเตอรี่ที่มีกำลังไฟฟ้าสูงและความหนาแน่นของพลังงานสูงจึงอ่อนแอ
2) การระบายความร้อนด้วยของเหลว โซลูชันการระบายความร้อนด้วยของเหลวใช้สารหล่อเย็น (เช่น น้ำ สารละลายเอทิลีนไกลคอล ฯลฯ) เป็นตัวกลางในการถ่ายเทความร้อน ซึ่งสัมผัสกับแบตเตอรี่โดยตรงผ่านท่อหมุนเวียนเพื่อให้เกิดการนำความร้อนที่มีประสิทธิภาพ ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวสามารถควบคุมอุณหภูมิของแบตเตอรี่ได้อย่างแม่นยำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับยานยนต์ไฟฟ้าสมรรถนะสูง ในขณะที่ป้องกันแบตเตอรี่ไม่ให้ร้อนเกินไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่วยให้มั่นใจได้ว่าอุณหภูมิของแบตเตอรี่จะกระจายอย่างสม่ำเสมอ จึงช่วยปรับปรุงอายุการใช้งานแบตเตอรี่และประสิทธิภาพโดยรวม อย่างไรก็ตาม การระบายความร้อนด้วยของเหลวมีข้อจำกัดบางประการ ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวมีความซับซ้อนมากขึ้น มีความเสี่ยงที่ของเหลวจะรั่วไหล มีข้อกำหนดบางประการสำหรับความต้านทานการกัดกร่อนของวัสดุ และต้นทุนการบำรุงรักษาก็เพิ่มขึ้น
3) การกระจายความร้อนด้วยวัสดุเปลี่ยนเฟส (PCM) วัสดุเปลี่ยนเฟสสามารถดูดซับความร้อนแฝงจำนวนมากในระหว่างกระบวนการเปลี่ยนเฟสจากของแข็งเป็นของเหลว จึงทำให้สามารถกระจายความร้อนได้ดี เมื่อนำไปใช้กับการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ PCM สามารถพันรอบแบตเตอรี่หรือฝังไว้ในโมดูลแบตเตอรี่เพื่อดูดซับความร้อนเมื่ออุณหภูมิของแบตเตอรี่สูงขึ้น ซึ่งมีบทบาทในการปล่อยความร้อนอย่างช้าๆ ข้อดีของการกระจายความร้อนด้วย PCM คือลักษณะอุณหภูมิคงที่ ซึ่งป้องกันไม่ให้อุณหภูมิของแบตเตอรี่สูงขึ้นอย่างกะทันหัน แต่ข้อเสียก็ค่อนข้างชัดเจนเช่นกัน การนำความร้อนค่อนข้างแย่ ความเร็วในการตอบสนองช้า และต้นทุนวัสดุสูง
4) การกระจายความร้อนของท่อระบายความร้อน ท่อระบายความร้อนสามารถถ่ายเทความร้อนได้โดยใช้กระบวนการเปลี่ยนเฟสของของเหลวทำงานโดยไม่ต้องมีพลังงานภายนอกเข้ามาเพื่อให้ได้การนำความร้อนที่มีประสิทธิภาพ ในการใช้งานการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ ท่อระบายความร้อนสามารถถ่ายเทความร้อนจากจุดร้อนในพื้นที่ได้อย่างรวดเร็วและปรับปรุงความสม่ำเสมอของอุณหภูมิของชุดแบตเตอรี่ทั้งหมด ท่อระบายความร้อนมีข้อดีคือมีประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนสูง ขนาดเล็ก และน้ำหนักเบา แต่โครงสร้างมีความซับซ้อน ต้นทุนการผลิตค่อนข้างสูง และควรใส่ใจในการออกแบบปลายควบแน่นที่เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่ามีประสิทธิภาพในการกระจายความร้อน
5) การระบายความร้อนโดยตรง การระบายความร้อนโดยตรงหมายถึงการที่ตัวกลางระบายความร้อน (โดยปกติจะเป็นของเหลว) ไหลผ่านโมดูลแบตเตอรี่หรือเซลล์แบตเตอรี่โดยตรงเพื่อควบคุมอุณหภูมิการทำงานของแบตเตอรี่อย่างมีประสิทธิภาพ การออกแบบนี้ช่วยให้พื้นผิวแบตเตอรี่ระบายความร้อนได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งเหมาะเป็นพิเศษสำหรับสถานการณ์ที่มีอุณหภูมิสูงและต้องการพลังงานสูง อย่างไรก็ตาม การระบายความร้อนโดยตรงมีข้อกำหนดในการปิดผนึกที่สูงมาก และเมื่อสารหล่อเย็นรั่วไหล อาจทำให้เกิดอันตรายด้านความปลอดภัยที่ร้ายแรงได้
1.1.2 การให้ความร้อนแบตเตอรี่
1) การให้ความร้อนแบบ PTC การให้ความร้อนแบบ PTC นั้นขึ้นอยู่กับผลของค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงบวก นั่นคือ ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ ดังนั้น จึงสามารถให้ความร้อนที่เสถียรในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำได้ในขณะที่จำกัดอุณหภูมิของตัวเองไม่ให้สูงเกินไปโดยอัตโนมัติ การให้ความร้อนแบบ PTC นั้นใช้กันอย่างแพร่หลายในยานพาหนะไฟฟ้าเพื่อความสะดวกสบาย เช่น การอุ่นเบาะนั่งและการทำความร้อนเสริมของระบบปรับอากาศในรถยนต์ เนื่องจากคุณสมบัติในการควบคุมตัวเอง จึงสามารถให้ผลความร้อนที่เสถียรและมีประสิทธิภาพในขณะที่หลีกเลี่ยงปัญหาที่เกิดจากความร้อนสูงเกินไปได้ เป็นเทคโนโลยีการให้ความร้อนที่มีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม การให้ความร้อนแบบ PTC นั้นเป็นการทำความร้อนด้วยไฟฟ้า ซึ่งจะเพิ่มการใช้พลังงานทั้งหมดของยานพาหนะไฟฟ้าและลดระยะการขับขี่
2) ระบบทำความร้อนด้วยปั๊มความร้อน ระบบปรับอากาศด้วยปั๊มความร้อนจะดูดซับความร้อนที่อุณหภูมิต่ำจากสภาพแวดล้อมภายนอกผ่านวัฏจักรคาร์โนต์แบบย้อนกลับ และถ่ายโอนความร้อนไปยังแบตเตอรี่และห้องโดยสารผ่านกระบวนการบีบอัดและปล่อยความร้อน เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการทำความร้อนด้วย PTC แบบดั้งเดิมแล้ว ปั๊มความร้อนจะประหยัดพลังงานมากกว่าในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งช่วยรักษาประสิทธิภาพของรถยนต์ อย่างไรก็ตาม การออกแบบและการทำงานของระบบปั๊มความร้อนมีความซับซ้อนมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำมาก ซึ่งประสิทธิภาพจะลดลง ด้วยเหตุนี้ การศึกษาวิจัยบางกรณีจึงเสนอเทคโนโลยีใหม่ๆ เช่น การเพิ่มเอนทัลปีของการฉีดอากาศและปั๊มความร้อนแบบสองแหล่ง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของปั๊มความร้อนภายใต้อุณหภูมิแวดล้อมต่ำ
