Терморегулирование в электромобилях

Чтобы обеспечить комфорт пассажиров и максимальную безопасность, а также оптимизировать запас хода, терморегулирование должно отвечать целому ряду требований.

Возникающие в связи с этим проблемы в области энерго- и терморегулирования электромобилей должны решаться с помощью междисциплинарных систем терморегулирования. Речь идет не только об обеспечении теплового комфорта в салоне, как в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания, но и о поддержании систем привода в пределах рабочих температур. Ввиду различных требований к упомянутым рабочим температурам, меняющегося направления тепловых потоков, низких температурных градиентов и важности для безопасности, система терморегулирования электромобилей может быть освоена только с помощью междисциплинарных подходов с последовательными инновациями.

Вызовы системы терморегулирования в электромобилях
Для базового сравнения: двигатель внутреннего сгорания работает в диапазоне от низких до очень высоких температур окружающей среды и должен охлаждаться исключительно с помощью системы охлаждения. Кроме того, из-за высоких температур тепло, которое необходимо отвести, просто передается охлаждающей среде, а затем окружающему воздуху. Количество отводимого тепла достаточно для обогрева кабины и вспомогательных агрегатов без снижения эффективности автомобиля. Температура КПП обычно выше, чем температура окружающей среды, поэтому ее отработанное тепло также можно отводить через теплообменник. Единственной остающейся проблемой является охлаждение кабины, которое обеспечивается компрессором кондиционера с приводом от двигателя и холодильным контуром — при снижении механической мощности автомобиля.

В отличие от них, тяговая батарея в электромобилях работает при сравнительно низких температурах. Однако при особенно низких температурах производительность снижается, особенно при зарядке, а чрезмерно высокие температуры даже представляют угрозу безопасности. Другие компоненты, такие как электродвигатель или силовая электроника в электрическом приводе, работают от низких до переменных высоких температур и настолько эффективны, что отработанного тепла едва хватает для обогрева салона. С одной стороны, это означает, что салон должен кондиционироваться тепловым насосом, который требует много энергии; с другой стороны, тяговая батарея должна быть способна как нагреваться, так и охлаждаться энергоемким способом, чтобы поддерживаться в пределах оптимальной рабочей температуры.
Таким образом, система терморегулирования в электромобиле должна представлять собой компромисс между четырьмя целевыми переменными:

— высокой эффективностью на уровне системы
— максимальной дальностью хода,
— разумной стоимостью,
— оптимальным использованием пространства для установки.

Тепловое управление компонентами электромобилей
Тепловое управление в электромобилях можно классифицировать по наиболее важным областям, которые имеют свои собственные тепловые требования в отношении нагрева и охлаждения. К ним относятся аккумуляторная система, электродвигатели, высоковольтные компоненты и салон автомобиля. На основе индивидуальных требований можно разработать и интегрировать целостную, энерго-оптимизированную общую систему.

Терморегулирование батареи
Специфические свойства литий-ионной батареи имеют большое значение для терморегулирования батареи, как с точки зрения производительности, так и с точки зрения безопасности:

— Возникновение экзотермических, самоподдерживающихся химических реакций при превышении определенной температуры батареи, которые могут привести к пожару и взрыву — также известное как "неуправляемый нагрев".
— Даже при температуре, значительно ниже этой границы, старение батареи значительно ускоряется при более высоких рабочих температурах.
— Различное тепловое поведение в процессе разрядки и зарядки должно быть учтено при терморегулировании.
— Возникновение вредных реакций преобразования в дополнении к реакциям интеркаляции на аноде батареи в процессе зарядки при низких температурах и высоких токах — так называемое "литиевого покрытия".
— Оптимальная рабочая температура находится в диапазоне от 30 до 40 °C, так как в этом диапазоне внутреннее сопротивление наименьшее, а значит, и тепловыделение в батарее также сведено к минимуму.

Чтобы обеспечить безопасное вождение, система терморегулирования должна поддерживать максимальную температуру ячейки намного ниже предела неуправляемого нагрева в каждом режиме движения. Для этого необходимо учитывать характеристики внутреннего электрического сопротивления элементов. Поскольку при очень низких температурах сопротивление увеличивается с уменьшением температуры, то и мощность разряда, которую можно вызвать, также ограничена. Тем не менее, для обеспечения безопасности система терморегулирования не обязательно должна быть чрезмерно большой. Так, например, в спортивных электромобилях уже применяются подходы, при которых отключается ограничение мощности на короткое время, а взамен происходит дополнительное старение элементов. Дополнительное выделяемое тепло распределяется в массе батареи после пика мощности, чтобы затем она могла остыть.

Если рассматривать старение батареи более подробно, то оно ускоряется не только под воздействием высокой температуры, но и из-за температурного градиента внутри ячеек и батарейной системы. Поэтому задача системы терморегулирования — равномерно регулировать температуру во всех ячейках, чтобы обеспечить долговечность аккумуляторной системы.
Стремление пользователя к быстрой зарядке предъявляет самые высокие требования к производительности системы терморегулирования, поскольку внутреннее сопротивление во время зарядки больше, чем во время разрядки, что обусловлено химической структурой батареи. Кроме того, отвод тепла во время зарядки должен осуществляться непрерывно, а не кратковременно, поскольку на протяжении большей части процесса зарядки ток постоянно высок.
Чтобы решить проблему "литиевого покрытия", батарею перед зарядкой при низких температурах необходимо эффективно и быстро нагреть до 0 °C. Поскольку тепловой насос неэффективен при низких температурах, при необходимости используются нагревательные маты с электрическими резисторами. Теплоизоляция корпуса батареи также важна, если необходимо нагреть ячейки.

Пассивное или активное воздушное охлаждение широко используется в качестве систем охлаждения для систем с низкой плотностью мощности.

Жидкостное охлаждение и, в некоторых особых случаях, иммерсионное охлаждение ячеек (погружением их в жидкость) также доступны для обычных классов мощности в автомобильном секторе. Для минимизации температурных неоднородностей на этапах нагрева и охлаждения иногда используются материалы, способные изменять свои состояния.
Интеграция системы охлаждения в систему воздушного охлаждения может быть реализована с помощью различных конструкций. Исходя из ориентации элементов батареи, можно выделить элементы с продольным и поперечным потоком. Кроме того, жидкость может втекать и вытекать с одной стороны (U-образный поток) или с противоположных сторон (Z-образный поток). Из-за нагрева жидкости в первых ячейках охлаждающая способность в конце охлаждающего канала ниже. Это необходимо учитывать при проектировании. Ограниченное применение данной конструкции связано со сравнительно низкой максимальной теплоотдачей охлаждающей среды "воздух" и часто не подходит для высокопроизводительных электромобилей.

При охлаждении через вторичный жидкостный контур различают охлаждение через ребра/трубки охлаждения, межъячеечное охлаждение, иммерсионное и охлаждение по нижнему основанию. В то время как охлаждающие ребра, установленные между ячейками, обладают особенно высокой теплоемкостью и передают выделяемое тепло охлаждающему потоку вне ячеек посредством теплопроводности, при классическом нижнем и межъячеечном охлаждении жидкость течет по каналам под или между самими ячейками, тем самым эффективно охлаждая ячейки.
Иммерсионное (погружное охлаждение) — это особый случай, который подходит для особо высокопроизводительных применений и является технически чрезвычайно сложным из-за погружения электрических элементов в непроводящую жидкость.

Тепловое управление электродвигателем
Температурные требования к электродвигателям в основном ограничиваются температурной стойкостью изоляции обмоток в двигателе. Во время работы электроизоляционные материалы не должны превышать указанные максимальные температуры. Если она превышена, существует риск быстрого старения или общего разрушения, что может привести к короткому замыканию. Обычные температурные пределы составляют 120-160 °C. Из-за не слишком высокой теплопроводности сплавов кремний-железо, из которых изготовлены пластинчатые листы сердечника в электродвигателе, для достаточного отвода тепла требуется температура охлаждающей среды, как правило, не превышающая 70 °C.
В связи с тенденцией современных конструкций электродвигателей работать на особенно высоких скоростях, тепловыделение во время работы очень велико. Это часто ограничивает непрерывную мощность электрических машин до 50-60 % от возможной максимальной мощности. Для повышения эффективности необходимо рассматривать новые концепции охлаждения.
Высокая рабочая температура также влияет на производительность двигателя — по двум причинам:

— во-первых, увеличивается электрическое сопротивление медных обмоток,

— а во-вторых, изменяются магнитные свойства постоянных магнитов на основе редкоземельных металлов, что снижает силу магнитного поля и, следовательно, крутящий момент двигателя. Кроме того, постоянные магниты могут размагничиваться при высоких температурах.

Электродвигатели могут охлаждаться снаружи через корпус двигателя с помощью рубашки охлаждения. Эта концепция широко используется в промышленности благодаря сравнительной простоте реализации. Однако, поскольку активные компоненты охлаждаются только косвенно, эффективность охлаждения снижается. В принципе, можно провести различие между охлаждением жидкостями и газами. В качестве жидких сред используются вода, масла и водно-гликолевые смеси, а в качестве газов — воздух или водород. В качестве альтернативы может использоваться испарительное охлаждение с фазовым переходом. В высокопроизводительных двигателях головки обмоток иногда также орошаются охлаждающим маслом.
Кроме того, тепло, выделяемое активными компонентами двигателя, может отводиться непосредственно через внутреннее охлаждение. Этот способ требует больших затрат, чем внешнее охлаждение, но обеспечивает более эффективные возможности охлаждения. Пассивное охлаждение может быть достаточным для особенно маленьких и маломощных двигателей. Тепло рассеивается за счет естественной конвекции и излучения. Активное охлаждение за счет принудительной конвекции может быть достигнуто за счет внутренней циркуляции охлаждающей среды через насос. Такое охлаждение гораздо эффективнее, но при этом сложнее по конструкции и имеет более высокое энергопотребление. Возможные подходы к активному внутреннему охлаждению — охлаждающие линии в пластине статора, охлаждение пазов статора или внутреннее охлаждение проводов электромагнитных катушек. Однако, эти концепции все еще находятся на стадии разработки.

Терморегулирование высоковольтных компонентов
Силовая электроника в высоковольтных компонентах характеризуется очень высоким КПД и, соответственно, низким тепловыделением, но при этом не должна превышать высоких температур. Высокотехнологичные полупроводники, такие как карбид кремния, демонстрируют высокую эффективность при высоких температурах и частотах переключения. Нитрид галлия, например, требует меньшего охлаждения благодаря своей высокой эффективности при высоких напряжениях и низких токах. Требования к терморегулированию в основном сводятся к поддержанию однородной температуры в рабочих пределах. В традиционных концепциях охлаждения охлаждающая вода направляется по сложным теплоотводам, чтобы обеспечить как можно более низкий температурный градиент на печатных платах и полупроводниках, который может привести к отказу или усталости.

Терморегулирование салона автомобиля
Для обеспечения комфорта пассажиров, который в значительной степени зависит от воспринимаемой температуры, качества воздуха и сквозняков, необходимо учитывать тепловой режим в салоне автомобиля. Обычно целевые значения находятся в диапазоне от 21 до 27 °C.

Поскольку на кондиционирование воздуха в салоне приходится до 35 % потребляемой энергии, что может сократить запас хода электромобиля до 50 %, энергоэффективное управление тепловым режимом в салоне имеет большое значение.
Для удовлетворения этих тепловых требований в салоне все чаще используются тепловые насосы. При грамотном подключении они могут использоваться, как для обогрева, так и для охлаждения, но при этом требуют значительной мощности. Чтобы снизить потребление энергии, существуют подходы, при которых варьируется доля рециркулируемого воздуха и доля окружающего воздуха.

Другой подход — активное зонирование салона автомобиля с помощью мультизонального кондиционера, чтобы кондиционировать только те зоны автомобиля, которые действительно заняты, и таким образом экономить энергию. Также можно использовать легкие электрические прямые нагреватели, которые легко регулируются как воздухонагреватели и занимают мало места при установке. Возможно также применение поверхностной системы отопления в сочетании с системой вентиляции, что дает преимущество преодоления первоначальной инерции теплового насоса. Системы поверхностного обогрева, в качестве непосредственно контактирующих поверхностей в области рулевого колеса и сиденья, уже широко используются.
Предварительное кондиционирование (нагрев или охлаждение) салона за счет использования зарядного тока в процессе зарядки также дает возможность добиться высокой экономии энергии и последующего увеличения дальности поездки до 14 %.

Общее представление системы терморегулирования
Общая конструкция системы должна согласовывать различные требования отдельных компонентов. В основном, двигатель и силовая электроника имеют постоянный источник тепла, в то время как аккумулятор и кабина имеют другие температурные требования, которые в большей степени зависят от условий окружающей среды.
По этой причине обычно предусматриваются два отдельных контура. Контур двигателя отводит тепло в окружающий воздух через радиатор. Тяговая батарея и салон имеют общий контур охлаждения, который отводит тепло в окружающий воздух через более мощный компрессор и конденсатор.

Различные целевые температуры могут быть реализованы с помощью двух разных расширительных клапанов, каждый для одного испарителя. Если испаритель для салона всегда обменивается теплом с воздухом, то для батареи возможны несколько вариантов: прямое охлаждение, при котором хладагент испаряется внутри батареи, и косвенное охлаждение, при котором хладагент обменивается теплом во внешнем теплообменнике, называемом "чиллером".
Пока хладагент состоит из двух фаз, прямое испарение происходит при стабильной температуре, определяемой давлением в системе, так как при перегретом паре температура повышается очень резко. Поэтому прямое испарение создает трудности в управлении системой: с одной стороны, испарение должно происходить до компрессора, чтобы не повредить его капельками; с другой стороны, перегретый пар не должен становиться слишком горячим, чтобы защитить аккумулятор. По этой причине непрямое охлаждение, при котором холодильный контур обменивается теплом с охлаждающим контуром, получило гораздо более широкое распространение. Это означает, что батарея обменивается теплом с охлаждающей средой при почти стабильной температуре. Эта система включает в себя несколько компонентов (теплообменник и насос), но она проще в реализации и обеспечивает высокий уровень безопасности во время работы.

Компоновка компонентов терморегулирования
Центральными элементами, которые необходимо интегрировать в автомобиль, являются радиаторы, излучающие тепло разной температуры. Обычно они разделены и расположены рядом друг с другом так, чтобы воздушный поток мог проходить через них. Насосы и теплообменники, клапаны наполнения и сброса давления, датчики и блоки управления все чаще реализуются и поставляются в виде интегрированных модулей охлаждения, чтобы их можно было проверить перед установкой в автомобиль и сделать как можно более компактными.

Подходы к компьютерному моделированию систем терморегулирования
Моделирование теплового режима с помощью компьютерных симуляторов является важной частью современного проектирования систем. Моделирование аккумуляторных систем представляет собой особый вызов.
Основная проблема заключается в связи между электрическими переменными (напряжение, ток, уровень заряда, внутреннее сопротивление) элементов батареи и других компонентов, а также в результирующем выделении тепла. Это можно смоделировать с помощью электротермических моделей, в которых, например, внутреннее сопротивление элемента определяется на основе других электрических переменных и температуры, так что выделение тепла может быть рассчитано на основе сопротивления элемента.
Обратимое тепло химических реакций, которое зависит от превращения и интеркаляции химических компонентов и, в конечном счете, от состояния заряда, рассчитывается на основе уровня заряда и тока. С помощью электротермического моделирования системы аккумуляторов можно определить размеры компонентов и оптимизировать срок службы системы. Кроме того, данные, полученные в результате моделирования, имеют большое значение для проектирования и управления терморегулированием на их основе.

Детальное трехмерное моделирование используется для расчета локальных температур ячеек и необходимого теплоотвода, а также для определения гидродинамических свойств охлаждающей среды в контакте с ячейками. Полученные результаты затем используются в качестве граничных условий при типичном 1-D моделировании системы. Основное внимание здесь уделяется выбору вспомогательных устройств и динамике системы. Цифровой двойник системы терморегулирования теперь можно контролировать с помощью программного обеспечения блока управления, чтобы проверить функциональность, а также экстремальные условия и случаи нагрузки. Это значительно упрощает разработку логики управления и ее проверку.
Аналогичная процедура может быть использована для определения граничных условий, таких как пиковая температура, требования к охлаждению электродвигателя и высоковольтных компонентов. С помощью подробных электротермических моделей компонентов можно сначала рассчитать тепловыделение. На этой основе можно выбрать подходящие концепции охлаждения и включить их в граничные условия при моделировании одномерной системы.

World Mobility News в Телеграм
World Mobility News в Дзен