Een van de belangrijkste technologieën voor elektrische voertuigen is de accu. De kwaliteit van de accu bepaalt enerzijds de kosten van elektrische voertuigen en anderzijds de actieradius. Dit is een cruciale factor voor acceptatie en snelle invoering.
Op basis van de gebruikseigenschappen, eisen en toepassingsgebieden van accu's, zijn de onderzoeks- en ontwikkelingstypen in binnen- en buitenland grofweg: loodzuuraccu's, nikkel-cadmiumaccu's, nikkel-metaalhydrideaccu's, lithium-ionaccu's, brandstofcellen, enzovoort. De ontwikkeling van lithium-ionaccu's krijgt hierbij de meeste aandacht.
Warmteontwikkelingsgedrag van de accu
De warmtebron, de warmteproductiesnelheid, de warmtecapaciteit van de batterij en andere gerelateerde parameters van de batterijmodule hangen nauw samen met de aard van de batterij. De warmte die de batterij afgeeft, is afhankelijk van de chemische, mechanische en elektrische eigenschappen van de batterij, met name de aard van de elektrochemische reactie. De warmte-energie die tijdens de batterijreactie vrijkomt, kan worden uitgedrukt als de reactiewarmte Qr; de elektrochemische polarisatie zorgt ervoor dat de werkelijke spanning van de batterij afwijkt van de evenwichts-elektromotorische kracht, en het energieverlies als gevolg van de batterijpolarisatie wordt uitgedrukt als Qp. Naast de batterijreactie die volgens de reactievergelijking verloopt, zijn er ook enkele nevenreacties. Typische nevenreacties zijn onder andere elektrolytontleding en zelfontlading van de batterij. De warmte die bij deze nevenreacties vrijkomt, is Qs. Bovendien, omdat elke batterij onvermijdelijk weerstand heeft, wordt er Joule-warmte Qj gegenereerd wanneer er stroom doorheen loopt. Daarom is de totale warmte van een batterij de som van de warmte van de volgende aspecten: Qt = Qr + Qp + Qs + Qj.
Afhankelijk van het specifieke laad- (of ontlaad-)proces verschillen de belangrijkste factoren die warmteontwikkeling in de batterij veroorzaken. Bijvoorbeeld, tijdens normaal laden is Qr de dominante factor; in een later stadium van het laden treden er, door de ontbinding van het elektrolyt, nevenreacties op (de warmte die door deze nevenreacties ontstaat is Qs). Wanneer de batterij bijna volledig is opgeladen of overladen is, vindt er voornamelijk elektrolytontleding plaats, waarbij Qs dominant is. De Joule-warmte Qj is afhankelijk van de stroomsterkte en de weerstand. De meest gebruikte laadmethode is met een constante stroomsterkte, waarbij Qj een specifieke waarde heeft. Tijdens het starten en accelereren is de stroomsterkte echter relatief hoog. Bij hybride elektrische voertuigen (HEV's) komt dit overeen met een stroomsterkte van tientallen tot honderden ampère. Op dat moment is de Joule-warmte Qj zeer groot en vormt deze de belangrijkste bron van warmteontwikkeling in de batterij.
Vanuit het perspectief van de beheersbaarheid van het thermisch beheer kunnen thermische beheersystemen worden onderverdeeld in twee typen: actief en passief. Vanuit het perspectief van het warmteoverdrachtsmedium kunnen thermische beheersystemen worden onderverdeeld in: luchtgekoeld, vloeistofgekoeld en faseovergangswarmteopslag.
Thermisch beheer met lucht als warmteoverdrachtsmedium.
Het warmteoverdrachtsmedium heeft een aanzienlijke invloed op de prestaties en de kosten van het thermisch beheersysteem. Bij gebruik van lucht als warmteoverdrachtsmedium wordt de lucht direct door de batterijmodule geleid om warmte af te voeren. Dit vereist doorgaans ventilatoren, inlaat- en uitlaatventilatie en andere componenten.
Afhankelijk van de verschillende bronnen van luchtinlaat zijn er over het algemeen de volgende vormen:
1. Passieve koeling met ventilatie met buitenlucht
2. Passieve koeling/verwarming voor ventilatie van de passagiersruimte
3. Actieve koeling/verwarming van de buitenlucht of de lucht in het passagierscompartiment.
De passieve systeemstructuur is relatief eenvoudig en maakt direct gebruik van de bestaande omgeving. Als de accu bijvoorbeeld in de winter verwarmd moet worden, kan de warme omgeving in het passagierscompartiment worden gebruikt om lucht aan te zuigen. Als de temperatuur van de accu tijdens het rijden te hoog oploopt en de lucht in het passagierscompartiment onvoldoende koeling biedt, kan koude buitenlucht worden aangezogen om af te koelen.
Voor het actieve systeem is een apart systeem nodig voor verwarming of koeling, dat onafhankelijk wordt aangestuurd op basis van de batterijstatus. Dit verhoogt echter ook het energieverbruik en de kosten van het voertuig. De keuze voor een ander systeem hangt voornamelijk af van de gebruikseisen van de batterij.
Thermisch beheer met vloeistof als warmteoverdrachtsmedium
Voor warmteoverdracht met een vloeistof als medium is het noodzakelijk om een warmteoverdrachtsverbinding tot stand te brengen tussen de module en het vloeibare medium, bijvoorbeeld een watermantel, om indirecte verwarming en koeling te bewerkstelligen in de vorm van convectie en warmtegeleiding. Het warmteoverdrachtsmedium kan water, ethyleenglycol of zelfs een koelmiddel zijn. Er is ook een mogelijkheid tot directe warmteoverdracht door het poolstuk onder te dompelen in de vloeistof van het diëlektricum, maar in dat geval moeten isolatiemaatregelen worden getroffen om kortsluiting te voorkomen.
Passieve vloeistofkoeling maakt over het algemeen gebruik van warmte-uitwisseling tussen vloeistof en omgevingslucht, waarna cocons in de accu worden geplaatst voor secundaire warmte-uitwisseling. Actieve koeling daarentegen maakt gebruik van warmtewisselaars met motorkoelvloeistof of elektrische verwarming/thermische olie voor primaire koeling. Verwarming en primaire koeling vinden plaats met behulp van koelmiddel in de passagierscabine/airconditioning.
Het thermische beheersysteem met lucht en vloeistof als medium vereist ventilatoren, waterpompen, warmtewisselaars en verwarmingselementen (PTC-luchtverwarmerDoor de toevoeging van pijpleidingen en andere accessoires wordt de structuur te groot en complex, en verbruikt deze bovendien batterijenergie, waardoor de vermogensdichtheid en energiedichtheid van de batterij afnemen.
(PTC-koelvloeistofverwarmingHet watergekoelde accukoelsysteem gebruikt een koelvloeistof (50% water/50% ethyleenglycol) om warmte van de accu over te dragen naar het airconditioningsysteem via de accukoeler en vervolgens naar de omgeving via de condensor. De temperatuur van het aangevoerde water daalt gemakkelijk na warmte-uitwisseling door de accukoeler, waardoor de accu op de optimale bedrijfstemperatuur kan worden afgesteld. Het werkingsprincipe van het systeem is weergegeven in de afbeelding. De belangrijkste componenten van het koelsysteem zijn: condensor, elektrische compressor, verdamper, expansieventiel met afsluitklep, accukoeler (expansieventiel met afsluitklep) en airconditioningleidingen, enz. Het koelwatercircuit omvat:elektrische waterpomp, accu (inclusief koelplaten), accukoelers, waterleidingen, expansievaten en andere accessoires.
Geplaatst op: 13 juli 2023
