
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

Комментарии 16
Не раскрыта тема отопления салона на ходу при низких температурах, с набором скорости необходимо пропорционально скорости и набегающему потоку воздуха увеличивать мощность обогрева салона, для этого собственно необходим электроприбор, способный работать с такой мощностью, если говорить о температурах ниже -20 С, а это продолжительные зимние будни множества регионов, то передвижение на сколько нибудь дальние расстояния 100+ кмна электромобилях становится проблемой, в которую будет не половина, а большая часть киловатт из аккума, как ни странно, но при движении в городе при низких температурах на отопление салона будет тратится существенно меньше заряда… При всём этом автомобили с двс десятки килаватт могут направить на отопление без каких либо потерь на трассе…
1. Есть вебасто
2. Не каждый день температура -20
3. В -20 нормальная электричка будет проезжать в городе 50% заявленной свой дальности.
1. Расход топлива у вебасто 5 кв около того, что 500гр в час… Ну это близко к работе малолитражке на холостых оборотах) Как Вам экономия топлива?) Которого вообще по генеральной идее, топлива никакого не должно быть…Вебасто конечно выход, но зачем? Покупать изначально дорогой автомобиль, электрический, потом делать его еще дороже и сложнее установкой вебасто? Я долгое время жил в ХМАО, где не то что — 20, а -40 может с месяцок стоять, и это не самый северный регион, там живёт около миллиона человек, а -20 это весна или осень… Полагаю что и вообще по Сибири много где такая погода, где живут уже десятки миллионов… В Москве так же за зиму вполне месяцок около -20 может болтаться…3. По городу, что б вообще куда то с утра поехать, необходимо в мороз машину всю ночь держать на зарядке, что б та не только зарядилась, но и грела батарею, что б та в свою очередь не скукожилась, почему то этот расход электричества, на прогрев батареи на стоянке ВСЮ ЗИМУ, а это конские цифры никто не учитывает… А так да ездить наверное можно, но не для меня… Скакать вокруг машины с проводами перед каждой ночной стоянкой, как и перед выездом… При околонулевой, а то и отрицательной экономической целесообразности, вторичка, ну не продать такую машину будет нормально, еще есть вопросы с сервисом, а они ломаются, и найти сервис сложно, и конские цены и сроки ожидания блоков, электромоторов и тд…
1. Нет ли ошибки в работе вебасто: 500грн (рубл)/час 5 кВт? Современные вебасто берут 70+ грамм дизеля в ЧАС: дальше надо считать при разной цене топлива
2. На новых авто ни кто не тонирует, не делают антикор)?
3. Каждый решает сам надо ли ему EV (электричка) или нет).
1.Невозможно получать 5квт в час, сжигая 70 грамм) У меня несколько вебасто 5 квт, в тех характеристиках указано, что 400гр в час употребляет, по практике около поллитра при постоянной работе, при переходу в режим 3квт, чуть снижается расход, но непропорционально мощности…
2 Тонируют, конечно, а антикор новым да аллюминевым зачем вообще? Вообще тема для меня спорная антикор…Судя по китайским машинам 10ти летней давности там ничего не поможет…
3. Полностью согласен.
Классная статья. Добавил ссылку в свою www.drive2.ru/l/663981329192334992/
1. Охлаждение электродвигателей. На мой взгляд достаточно охлаждать воздухом. Большая мощность тяговых двигателей (типа 500-1000 л.с.) не нужна. А если ограничить мощность 100-150 л.с., то воздуха более, чем достаточно. Тем более, что электромобиль позволяет ставить несколько маломощных двигателей.
2. Охлаждение — подогрев АКБ. Больная тема химических источников тока. Но и эта проблема на современном уровне почти решаема. Верхний предел температур решается подбором материалов мембраны, нижний — электролит+химия. Например лиферы. В нефтянке подобные ХИТ используются, но лично я такие элементы не испытывал. Цена — космос. Для нефтяники норм, для электромобилей пока ещё нет. Плюс к этому добавлю, что при снижении мощности тяговых двигателей потребность в жидкостном охлаждени АКБ скорее всего отвалится.
3. Охлаждение электроники. Тема не стОит и выеденного яйца. Промышленные электронные компоненты прекрасно работают от -50 до +150 градусов. Обычный радиатор и аварийный водяной разбрызгиватель для радиатора(!) и можно про это охлаждение забыть.
4. Климат в салоне. Решается установкой климатической установки на базе теплового насоса. Но и здесь все не идеально. При хороших морозах эффективность такого насоса околонулевая.
Итог. Сделать электромобиль проще и эффективнее технически очень даже возможно. Но почему то этого никто не делает. А зря. Такой автомобиль мог бы стать дешёвым.
Про автора и статью. Много умных слов, за которыми нет особого смысла. Проблематику не раскрывает, технические решения не предлагает, обоснование и анализ текущего применения технических решений в разработке электромобилей так же отсутствует.
Определить цель написанного автором весьма затруднительно. Радует лишь одно. Грамоте автор обучен. Это в наши дни уже редкость.
Благодарю за подробное мнение и подетальный разбор!) Сложилось впечатление, что Вы в теме уже глубоко и давно, поэтому подобные комментарии весьма ценны. Спасибо!)
Что касается меня), в сфере электротранспорта для меня многое в новинку, т.к. по образованию и проф. специализации — ДВС; самостоятельно погружаюсь в тему, наткнулся на вводный обзор термоменеджмента на иностранном ресурсе, посчитал это интересным и решил поделиться с теми, кому это могло быть также познавательно.
Для регулярности поддержания своих знаний 3 языков и обновления знаний в области силовых установок и современной мобильности (на уровне хобби) веду ТГ-канал: t.me/World_Mobility_News
Я много лет занимаюсь сборкой, ремонтом и обслуживанием электроники в геофизике. Нефтяная отрасль. По образованию механик бурового оборудования. Так что и тема электродвигателей, и тема электроники мне очень даже знакомы. Опыт и практика весьма богатые.
Электромобиль устроен сложнее, чем классический авто с ДВС, но при этом переход на электромобили — это шаг назад. Вот такой казус.
На мой личный взгляд, прелесть электромобилей в том, что они могут быть сильно проще и удобнее в некотором узком диапазоне жизненных ситуаций. Только в жизни все почему то наоборот. Электромобили делат сложнее, а значит дороже и менее надёжными.
Много букв, не осилил, по сабжу: литий держи в холоде, дольше проживет…надо норм ввб в мороз-сода ион впомощь…
Как-будто чью-то дипломную работу прочитал. Пошёл за полотенцем. 😅
Спасибо!) Рассмешили))) Остаётся лишь надеяться, что сейчас дипломные работы отечественных студентов не ограничиваются лишь вводным разделом.
Я это вообще не стал читать, как и многие
Кто-то освоил чат жпт )
))) По роду своей проф. деятельности читаю специализированную американскую и немецкую литературу. В качестве хобби и общей просветительской цели делюсь подобным контентом в ТГ-канале World Mobility News t.me/World_Mobility_News
И да, Вы правы — ИИ теперь полностью доминирует в СМИ.
Главное не стоять на месте, развиваться, читать и учить необходимые знания! Мои вам уважения и ждем развития вашего блога. В ваш ТГ-канал заглянем обязательно.