Dlaczego zarządzanie termiczne jest niezbędne do rozwoju samochodu elektrycznego?

Silnik elektryczny

Wraz z zestawem akumulatorów, silnik jest jednym z krytycznych komponentów w pojeździe elektrycznym. Nie ma potrzeby jego rozgrzewania i wszystkie rozwiązania proponowane na poziomie komercyjnym mają na celu chłodzenie jego komponentów. Jest to bardzo ważne, ponieważ sprawność konwersji elektromechanicznej znacznie spada, gdy temperatura wzrasta.

W pojeździe elektrycznym silnik musi być zatem traktowany jako element generujący ciepło, które może być przechwycone i ponownie wykorzystane w innych systemach w celu poprawy efektywności energetycznej i wydłużenia zasięgu pojazdu.

Analizując rozwiązania proponowane przez firmy Volkswagen AG, YASA czy Punch Powertrain NV, mamy dwie alternatywy chłodzenia silnika elektrycznego. W pierwszej zastosowany jest zewnętrzny płaszcz chłodzący, a w drugiej z wewnętrzny poprzez wał wirnika. W obu koncepcjach nośnikiem ciepła jest ciecz (woda, chłodziwa lub oleje termiczne). Wybór technologii zależy bezpośrednio od mocy silnika - przy większej konieczne jest połączenie obu rozwiązań, natomiast rodzaj cieczy od stosowanej w pozostałych elementach pojazdu. W skrajnych przypadkach, takich jak samochody wyścigowe, potrzeba zanurzenia silnika w oleju jest nawet rozważana jako jedyna metoda osiągnięcia niezbędnej mocy chłodzenia.

Komfort cieplny w kabinie

W pojazdach z silnikiem spalinowym ciepło jest "darmowe", ponieważ pochodzi z nieefektywności silnika i jest generowane z dużą prędkością, a jego nadmiar musi być odprowadzany na zewnątrz. Wytwarzanie ciepła w wyniku nieefektywności różnych komponentów pojazdu elektrycznego jest znacznie niższe i w wielu sytuacjach nie wystarcza do zaspokojenia całkowitego zapotrzebowania, dlatego konieczny jest system pomocniczy generujący ciepło z energii zgromadzonej w akumulatorze.

Rozważane jest użycie powietrza do ogrzania wyłącznie powierzchni, takich jak siedzenia, kierownica itp. Najprostszym i najbardziej ekonomicznym sposobem jest zastosowanie oporników elektrycznych, jednak ich wydajność jest niska w porównaniu do droższych pomp ciepła. Bezpośrednie ogrzewanie powierzchniowe jest postrzegane jako alternatywa pozwalająca na optymalizację zużycia energii i zapewnienie komfortu cieplnego poprzez ogrzewanie tylko tych obszarów kabiny, w których przebywają osoby.

Nie ma jednak zgody co do standardowego rozwiązania i w przypadku małych pojazdów priorytetem jest redukcja kosztów i system klimatyzacji oparty jest na powietrzu ogrzewanym przez opory, natomiast pompa ciepła dostępna jest w dodatkowych opcjach. W pojazdach klasy premium pompa ciepła (powietrze) połączona jest z ogrzewaniem powierzchniowym (fotele i kierownica).

Ładowarka

Podczas ładowania nagrzewają się różne elementy samochodu elektrycznego, takie jak złącza, przewody, elektronika zasilająca, akumulatory itp., głównie z powodu ogrzewania Joule'a. Oznacza to, że moc rozpraszana w operacji ładowania rośnie kwadratowo wraz z przyłożonym prądem. Producenci zalecają powolne lub półszybkie ładowanie, aby zwiększyć żywotność akumulatora, natomiast branża pracuje nad zwiększeniem mocy ładowania dopuszczalnej przez akumulator w celu zminimalizowania czasu ładowania, zwłaszcza w tych przypadkach, w których podróże przekraczają zasięg akumulatora. Wyzwaniem jest uzyskanie ogniw elektrochemicznych zdolnych do długotrwałego ładowania przy współczynniku C równym 4 (moc do 350 kW), co byłoby równoznaczne z możliwością naładowania 50% zasięgu pojazdu w czasie krótszym niż 10 minut. Ten rodzaj ładowania znany jest jako ekstra szybkie ładowanie (XFC). Obecnie producentem o największej dopuszczonej do obrotu mocy ładowania jest Tesla w Modelu S i Modelu X, która umożliwia maksymalne ładowanie do 142 kW.

Oprócz elektrochemii ogniw, wyzwaniem jest także system chłodzenia, ponieważ podczas ekstra szybkiego ładowania wymagane będą moce chłodzenia do 15 kW. Aby sprostać tej potrzebie, przemysł motoryzacyjny wskazuje na zastosowanie systemów opartych na zanurzeniu w cieczach dielektrycznych jako jedyną jak dotąd realną alternatywę.

Zestaw akumulatorów

W przeciwieństwie do systemów wymienionych powyżej, akumulator może wymagać ogrzewania (w zimnym klimacie przed szybkim ładowaniem) lub chłodzenia (w lecie podczas szybkiego ładowania i procesu rozładowywania). Ta cecha zwiększa złożoność całego systemu zarządzania termicznego i wymusza efektywną integrację z innymi komponentami. Wymagania będą się zmieniać w perspektywie krótko- i średnioterminowej, głównie z powodu wejścia do pojazdów elektrycznych akumulatorów półprzewodnikowych. Podczas gdy akumulatory Li-ion z ciekłym elektrolitem (obecnie stosowane) mają optymalną temperaturę pracy między 15 a 35 ºC, ale są w stanie pracować poza tym zakresem, akumulatory półprzewodnikowe pracują w wysokich temperaturach (obecnie około 70 ºC, choć są już w trakcie obniżania do temperatury pokojowej). Ten nowy scenariusz zwiększy zapotrzebowanie termiczne pakietu akumulatorów i będzie wymagał pomocniczych systemów grzewczych w celu ich wprowadzenia do eksploatacji.

Obecnie przemysł skłania się do odrzucenia systemów zarządzania termicznego opartych na wymuszonej konwekcji powietrza dla akumulatorów, głównie ze względu na ich wysokie zużycie, niską wydajność i ograniczoną moc, w porównaniu z systemami opartymi na cieczy, które są dziś najbardziej rozpowszechnionym rozwiązaniem. W szczególności większość producentów decyduje się na tzw. "zimne płyty”. Głównie jednak wysiłki firm w tym sektorze koncentrują się na zanurzeniu w płynach dielektrycznych, ponieważ jest to jedyna technologia zdolna do zapewnienia szacowanej mocy chłodzenia dla bardzo szybkiego ładowania.

Rola narzędzi symulacyjnych w zarządzaniu termicznym

Potrzeba integracji pomiędzy różnymi komponentami pojazdu elektrycznego dla termicznej optymalizacji jego pracy, ma na celu minimalizację zużycia energii elektrycznej na wytwarzanie ciepła. W jego realizacji, razem ze zmniejszeniem czasu oraz kosztów projektowania i wytwarzania, kluczową rolę odgrywają narzędzia symulacyjne. Wykorzystują je m.in. Ford OTOSAN, RIMAC Automobili, MAGNA, CAF, Volkswagen AG itp.

Istnieją głównie dwa rodzaje tego typu narzędzi stosowane w projektowaniu i optymalizacji systemu zarządzania termicznego pojazdu elektrycznego: oprogramowanie, które pozwala to robić na poziomie komponentów, takie jak narzędzia CFD (computational fluid dynamics), np. COMSOL Multiphysics, ANSYS Fluent, SimScale GmbH, itp. oraz takie, które pozwalają działać na poziomie systemu, np. MATLAB-Simulink.

Rola magazynowania ciepła

Elementem obecnie nie zintegrowanym z pojazdem elektrycznym, ale odgrywającym ważną rolę, zwłaszcza po skonsolidowaniu ogniw półprzewodnikowych i możliwości dodatkowego szybkiego ładowania, jest system magazynowania, który pozwala na odsprzężenie wytwarzania ciepła od zapotrzebowania (ogrzewanie akumulatora, komfort cieplny w kabinie, itp.). Ta cecha sprawia, że jest to idealny system do integracji różnych podsystemów generujących i pobierających ciepło w pojeździe elektrycznym.

W tym kierunku podąża na przykład firma IVECO, która bada wdrożenie systemu magazynowania energii cieplnej w swoich pojazdach, ponieważ szacuje się, że może on poprawić efektywność energetyczną w zimie nawet o 20%.

Technologia magazynowania termicznego oparta jest na materiałach zmiennofazowych (PCM), głównie ze względu na wysoką gęstość energii i zdolność jej dostarczania w stałej temperaturze. Dostawcy części samochodowych, tacy jak VALEO, mają już w swoim katalogu tego typu urządzenia.

Źródło: cicenergigune.com; na podstawie artykułu napisanego przez Inigo Ortega