Thảo luận về công nghệ quản lý nhiệt của pin xe năng lượng mới
Pin điện là nguồn điện chính cho xe năng lượng mới. Pin tỏa ra rất nhiều nhiệt trong quá trình xe hoạt động và theo thời gian, nhiệt tích tụ trong một không gian tương đối nhỏ. Do các cell được xếp chồng dày đặc trong cụm pin nên việc tản nhiệt ở khu vực giữa cũng khó khăn hơn ở một mức độ nhất định, làm trầm trọng thêm sự không đồng nhất về nhiệt độ giữa các cell. Do đó, hiệu suất sạc và xả của pin sẽ giảm, ảnh hưởng đến công suất của pin. Trong trường hợp nghiêm trọng, nó cũng sẽ dẫn đến hiện tượng mất kiểm soát nhiệt, ảnh hưởng đến sự an toàn và tuổi thọ của hệ thống. Đặc biệt về mặt quản lý nhiệt độ, hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của pin có thể gây cháy và giảm hiệu suất. Do đó, nghiên cứu về công nghệ quản lý nhiệt của pin xe năng lượng mới có ý nghĩa rất lớn đối với sự phát triển của xe năng lượng mới.
1. Các thành phần cơ bản của hệ thống quản lý nhiệt độ xe
Hệ thống quản lý nhiệt của xe năng lượng mới bao gồm bốn phần: hệ thống pin, hệ thống động cơ, hệ thống điều hòa không khí và các thành phần khác. So với hệ thống quản lý nhiệt của xe nhiên liệu truyền thống, hệ thống quản lý nhiệt của xe năng lượng mới phức tạp hơn. Hệ thống pin là một thành phần quan trọng của xe năng lượng mới. Các kỹ sư cần bắt đầu với hệ thống quản lý nhiệt của pin để thiết kế một hệ thống quản lý nhiệt tốt cho toàn bộ xe.
Từ khi xe năng lượng mới ra đời, các chuyên gia và học giả trong các ngành liên quan đã tiến hành rất nhiều nghiên cứu về tản nhiệt của pin và đã đạt được rất nhiều kết quả. Phương pháp làm mát chính thống của quản lý nhiệt pin đã thay đổi từ làm mát bằng không khí sang làm mát bằng chất lỏng, làm mát vật liệu thay đổi pha và làm mát ống dẫn nhiệt. Sau đây là phân tích các công nghệ làm mát như làm mát bằng không khí, làm mát bằng chất lỏng, làm mát vật liệu thay đổi pha và làm mát ống dẫn nhiệt.
2.1 Làm mát bằng không khí
Làm mát bằng không khí là phương pháp tản nhiệt sử dụng không khí làm môi trường và tận dụng sự đối lưu nhiệt trong không khí để pin có thể trao đổi nhiệt trực tiếp với không khí, do đó làm giảm nhiệt độ của pin. Làm mát bằng không khí có thể được chia thành làm mát tự nhiên và làm mát cưỡng bức theo việc có sử dụng quạt hay không. Làm mát bằng không khí tự nhiên là sử dụng mà không cần quạt; làm mát bằng không khí cưỡng bức là sử dụng quạt. Một số lượng lớn các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu quả tản nhiệt của làm mát bằng không khí cưỡng bức cao hơn nhiều so với làm mát bằng không khí tự nhiên.
Làm mát bằng không khí cũng có thể được chia thành làm mát nối tiếp và làm mát song song theo các cấu trúc tản nhiệt khác nhau. Trong phương pháp làm mát nối tiếp, luồng không khí chảy vào từ một bên và chảy ra từ phía bên kia. Phương pháp này sẽ dẫn đến việc làm mát kém các pin ở xa kênh luồng không khí vào, tản nhiệt không đều của pin và chênh lệch nhiệt độ lớn trong pin; trong phương pháp làm mát song song, luồng không khí thường đi vào từ dưới lên và chảy ra từ trên xuống. Như có thể thấy từ hình, luồng không khí làm mát về cơ bản có thể chảy qua bề mặt của từng pin, do đó chênh lệch nhiệt độ giữa từng pin sẽ nhỏ hơn so với làm mát nối tiếp, nhưng nó cũng mang đến vấn đề phân phối nhiệt không đều.
2.2 Làm mát bằng chất lỏng
Công nghệ làm mát bằng chất lỏng của pin là một trong những công nghệ quản lý nhiệt. Công nghệ này thường sử dụng chất làm mát có hệ số truyền nhiệt cao để cho phép pin trao đổi nhiệt với chất làm mát, do đó làm giảm nhiệt độ của pin.
Hiệu suất tản nhiệt của bộ pin làm mát bằng không khí và làm mát bằng chất lỏng đã được so sánh và phân tích. Kết quả cho thấy nhiệt độ tối đa của bộ pin thấp hơn và độ đồng nhất nhiệt độ tốt hơn trong hệ thống làm mát bằng chất lỏng. Làm mát bằng chất lỏng là phương pháp tản nhiệt cực kỳ hiệu quả và hệ số truyền nhiệt của nó cao hơn làm mát bằng không khí. Hệ thống làm mát bằng chất lỏng của xe điện có thể được chia thành tiếp xúc trực tiếp và tiếp xúc gián tiếp theo hình thức tiếp xúc giữa chất lỏng cách điện và pin. Hình thức nhúng cell pin hoặc mô-đun pin vào chất lỏng để trao đổi nhiệt là hình thức tiếp xúc trực tiếp; ngoài ra, có thể đặt một kênh làm mát giữa các mô-đun pin hoặc có thể sử dụng một tấm làm mát ở dưới cùng của pin. Nhiệt của pin điện được truyền đến chất làm mát thông qua tấm làm mát. Hình thức làm mát bằng chất lỏng này là tiếp xúc gián tiếp. Hai hình thức này có yêu cầu cao về độ kín khí của hệ thống làm mát bằng chất lỏng. Ngoài ra, yêu cầu về độ bền cơ học cao và khả năng chống rung và yêu cầu về tuổi thọ của hệ thống làm mát cần được đảm bảo.
Hệ thống làm mát bằng chất lỏng của xe điện chủ yếu bao gồm chất làm mát, tấm làm mát, bơm nước điện tử, cảm biến nhiệt độ, bộ tản nhiệt, v.v. Máy nén, là nguồn điện của hệ thống làm lạnh, quyết định khả năng trao đổi nhiệt của toàn bộ hệ thống. Máy làm lạnh (thiết bị làm mát) đóng vai trò trao đổi chất làm lạnh và chất làm mát, và lượng nhiệt trao đổi trực tiếp quyết định nhiệt độ của chất làm mát. Bơm nước quyết định lưu lượng chất làm mát trong đường ống. Lưu lượng càng nhanh thì hiệu suất trao đổi nhiệt càng tốt và ngược lại.
2.3 Làm mát vật liệu thay đổi pha
Công nghệ tản nhiệt vật liệu thay đổi pha (PCM) sử dụng nguyên lý vật liệu thay đổi pha hấp thụ nhiệt khi chúng trải qua quá trình thay đổi pha. Vật liệu thay đổi pha được đặt xung quanh cụm pin và đạt đến nhiệt độ thay đổi pha trong một số điều kiện nhất định. Vật liệu thay đổi pha trải qua quá trình thay đổi pha và hấp thụ nhiệt sinh ra khi pin hoạt động, do đó tránh hiệu quả quá trình quá nhiệt của mô-đun pin. Vì quá trình thay đổi pha là quá trình nhiệt độ không đổi nên nhiệt độ pin có thể được duy trì tốt gần nhiệt độ thay đổi pha của vật liệu thay đổi pha, do đó ngăn chặn nhiệt độ pin tiếp tục tăng. Tuy nhiên, việc sử dụng làm mát vật liệu thay đổi pha đòi hỏi phải chú ý đến các vấn đề về niêm phong và sẽ làm tăng thể tích của cụm pin và giảm mật độ năng lượng. Ngoài ra, chức năng giữ nhiệt chỉ có thể được duy trì trong thời gian đỗ xe hạn chế. Việc làm nóng pin trước trong thời gian dài vẫn phụ thuộc vào nguồn nhiệt tích hợp và việc giữ nhiệt thường yêu cầu độ dẫn nhiệt thấp hơn, điều này có thể gây ra vấn đề về phân phối nhiệt không đều.
2.4 Làm mát bằng ống dẫn nhiệt
Làm mát ống dẫn nhiệt là chia ống dẫn nhiệt thành phần bay hơi, phần truyền nhiệt và phần ngưng tụ. Nguyên lý tản nhiệt chính của nó là loại bỏ nhiệt trong cụm pin thông qua phần bay hơi ống dẫn nhiệt hấp thụ nhiệt. Nhiệt trong phần bay hơi được truyền đến phần ngưng tụ thông qua phần giữa của ống dẫn nhiệt do chênh lệch áp suất hình thành, do đó đạt được quản lý nhiệt hiệu quả của cụm pin. Về nghiên cứu về làm mát ống dẫn nhiệt, hiệu quả làm mát của ba phương pháp làm mát pin điện, cụ thể là làm mát bằng không khí, làm mát bằng chất lỏng và làm mát bằng ống dẫn nhiệt, đã được so sánh. Kết quả cho thấy làm mát ống dẫn nhiệt có hiệu quả làm mát tốt nhất đối với cụm pin.
