Yksi uusien energiaajoneuvojen keskeisistä teknologioista on akut. Akkujen laatu määrää sähköajoneuvojen hinnan ja toisaalta niiden toimintasäteen. Keskeinen tekijä hyväksynnän ja nopean käyttöönoton kannalta.
Akkujen käyttöominaisuuksien, vaatimusten ja sovellusalueiden mukaan kotimaassa ja ulkomailla toteutettujen akkujen tutkimus- ja kehitystyypit ovat karkeasti ottaen: lyijyakut, nikkeli-kadmiumakut, nikkeli-metallihydridiakut, litiumioniakut, polttokennot jne., joista litiumioniakkujen kehittäminen saa eniten huomiota.
Akun lämmöntuottokäyttäytyminen
Lämmönlähde, lämmöntuottonopeus, akun lämpökapasiteetti ja muut akkumoduulin ominaisuudet liittyvät läheisesti akun luonteeseen. Akun vapauttama lämpö riippuu akun kemiallisesta, mekaanisesta ja sähköisestä luonteesta ja ominaisuuksista, erityisesti sähkökemiallisen reaktion luonteesta. Akun reaktiossa syntyvä lämpöenergia voidaan ilmaista akun reaktiolämmöllä Qr; sähkökemiallinen polarisaatio aiheuttaa akun todellisen jännitteen poikkeaman sen tasapainosähkömotorisesta voimasta, ja akun polarisaation aiheuttama energiahäviö ilmaistaan Qp:llä. Reaktioyhtälön mukaisesti etenevän akkureaktion lisäksi on myös joitakin sivureaktioita. Tyypillisiä sivureaktioita ovat elektrolyytin hajoaminen ja akun itsepurkautuminen. Tässä prosessissa syntyvä sivureaktiolämpö on Qs. Lisäksi, koska missä tahansa akussa on väistämättä vastus, virran kulkiessa syntyy Joule-lämpöä Qj. Siksi akun kokonaislämpö on seuraavien tekijöiden lämmön summa: Qt = Qr + Qp + Qs + Qj.
Lataus- (purkaus-)prosessista riippuen myös akun lämmöntuottoa aiheuttavat pääasialliset tekijät vaihtelevat. Esimerkiksi normaalisti ladattaessa Qr on hallitseva tekijä, ja akun latauksen myöhemmässä vaiheessa elektrolyytin hajoamisen vuoksi alkaa tapahtua sivureaktioita (sivureaktiolämpö on Qs). Kun akku on lähes täyteen ladattu ja yliladattu, pääasiassa tapahtuu elektrolyytin hajoamista, jossa Qs on hallitseva. Joule-lämpö Qj riippuu virrasta ja vastuksesta. Yleisesti käytetty latausmenetelmä suoritetaan vakiovirralla, ja Qj on tässä vaiheessa tietty arvo. Käynnistyksen ja kiihdytyksen aikana virta on kuitenkin suhteellisen korkea. Hybridilatauslaitteissa tämä vastaa kymmenien ampeerien tai satojen ampeerien virtaa. Tällöin Joule-lämpö Qj on erittäin suuri ja siitä tulee akun lämmönvapautumisen tärkein lähde.
Lämmönhallinnan hallittavuuden näkökulmasta lämmönhallintajärjestelmät voidaan jakaa kahteen tyyppiin: aktiivisiin ja passiivisiin. Lämmönsiirtoaineen näkökulmasta lämmönhallintajärjestelmät voidaan jakaa ilmajäähdytteisiin, nestejäähdytteisiin ja faasimuutoslämmön varastointijärjestelmiin.
Lämmönhallinta ilmalla lämmönsiirtoaineena
Lämmönsiirtoväliaineella on merkittävä vaikutus lämmönhallintajärjestelmän suorituskykyyn ja kustannuksiin. Ilman käyttö lämmönsiirtoväliaineena tarkoittaa ilman suoraa syöttämistä akkumoduulin läpi virtaamaan lämmönpoistoa varten. Yleensä tarvitaan tuulettimia, tulo- ja poistoilmanvaihtoa ja muita komponentteja.
Erilaisten ilmanottolähteiden mukaan on yleensä seuraavat muodot:
1 Passiivinen jäähdytys ulkoilmanvaihdolla
2. Matkustamon ilmanvaihdon passiivinen jäähdytys/lämmitys
3. Ulko- tai matkustamoilman aktiivinen jäähdytys/lämmitys
Passiivisen järjestelmän rakenne on suhteellisen yksinkertainen ja hyödyntää suoraan olemassa olevaa ympäristöä. Esimerkiksi jos akkua on lämmitettävä talvella, matkustamon kuumaa ympäristöä voidaan käyttää ilman hengittämiseen. Jos akun lämpötila on liian korkea ajon aikana ja matkustamon ilman jäähdytysvaikutus ei ole hyvä, voidaan viilentää hengittämällä kylmää ulkoilmaa.
Aktiivista järjestelmää varten on luotava erillinen järjestelmä lämmitys- tai jäähdytystoimintojen tarjoamiseksi ja sitä voidaan säätää itsenäisesti akun tilan mukaan, mikä myös lisää ajoneuvon energiankulutusta ja kustannuksia. Eri järjestelmien valinta riippuu pääasiassa akun käyttövaatimuksista.
Lämmönhallinta nesteen avulla lämmönsiirtoaineena
Nestemäisellä väliaineella tapahtuvassa lämmönsiirrossa on välttämätöntä luoda lämmönsiirtoyhteys moduulin ja nestemäisen väliaineen välille, kuten vesivaippa, epäsuoran lämmityksen ja jäähdytyksen suorittamiseksi konvektion ja lämmönjohtavuuden muodossa. Lämmönsiirtoväliaine voi olla vesi, etyleeniglykoli tai jopa kylmäaine. Lämmönsiirtoa on myös suorassa upottamalla napaosa dielektrisen aineen nesteeseen, mutta eristystoimenpiteitä on tehtävä oikosulun välttämiseksi.
Passiivinen nestejäähdytys käyttää yleensä neste-ympäröivä ilma -lämmönvaihtoa, jonka jälkeen akkuun tuodaan koteloita toissijaista lämmönvaihtoa varten, kun taas aktiivinen jäähdytys käyttää moottorin jäähdytysnesteen ja nesteen välisiä lämmönvaihtimia tai sähkölämmitystä/lämpööljylämmitystä ensisijaisen jäähdytyksen saavuttamiseksi. Lämmitys, ensisijainen jäähdytys matkustamon ilmalla/ilmastointilaitteen kylmäaine-neste-väliaineella.
Ilmaa ja nestettä käyttävässä lämmönhallintajärjestelmässä tarvitaan puhaltimia, vesipumppuja, lämmönvaihtimia ja lämmittimiä (PTC-ilmalämmitin), putkistot ja muut lisävarusteet tekevät rakenteesta liian suuren ja monimutkaisen, ja ne kuluttavat myös akun energiaa, akun tehotiheys ja energiatiheys pienenevät.
(PTC-jäähdytysnestelämmitinVesijäähdytteinen akun jäähdytysjärjestelmä käyttää jäähdytysnestettä (50 % vettä/50 % etyleeniglykolia) siirtääkseen lämmön akusta ilmastointijärjestelmän kylmäainejärjestelmään akun jäähdyttimen kautta ja sitten ympäristöön lauhduttimen kautta. Tuodun veden lämpötila on helppo saavuttaa alemmaksi akun jäähdyttimen lämmönvaihdon jälkeen, ja akkua voidaan säätää toimimaan parhaalla mahdollisella käyttölämpötila-alueella; järjestelmän periaate on esitetty kuvassa. Kylmäainejärjestelmän pääkomponentteja ovat: lauhdutin, sähkökompressori, höyrystin, paisuntaventtiili sulkuventtiilillä, akun jäähdytin (paisuntaventtiili sulkuventtiilillä) ja ilmastointiputket jne.; jäähdytysvesipiiri sisältää:sähköinen vesipumppu, akku (mukaan lukien jäähdytyslevyt), akkujäähdyttimet, vesiputket, paisuntasäiliöt ja muut tarvikkeet.
Julkaisun aika: 13.7.2023
