Direkte køling vs. væskekøling til nye energikøretøjerBatteripakker:
Principper, fordele og ulemper
I. Hvorfor er batterier "følsomme over for både varme og kulde"?
Ydeevnen af strømbatterier er stærkt korreleret med temperatur: Over 45 grader accelererer kapacitetsnedgangen, og cykluslevetiden kan forkortes med mere end 30 %; over 60 grader nedbrydes elektrolytten, SEI-filmen brister, og i alvorlige tilfælde udløses termisk løb. Ved lave temperaturer øges den indre modstand, lithiumplettering forekommer under opladning, og rækkevidden reduceres. Det optimale driftsområde for lithium-ion-batterier anses generelt for at være 25-40 grader, og i teknikken er en celletemperaturforskel på<5℃ within the pack is generally considered an optimization target (high-end models aim for <2℃), but this is not a mandatory national standard. The three main tasks of a thermal management system are: heat dissipation, heating, and maintaining temperature consistency.
I øjeblikket er der fire hovedtyper af aktiv køling til personbiler, rangeret fra mest almindelig til mest aggressiv:
• Passiv luftkøling (naturlig køling): Er afhængig af naturlig konvektion gennem batteripakkens varmevekslerfinner. Det bruger ingen strøm og har de laveste omkostninger, men varmeafgivelsen er ekstremt langsom. Den er blevet udfaset fra almindelige personbiler og findes kun i tidlige-biler med lav hastighed.
• Aktiv luftkøling: Bruger en ventilator til at fremtvinge konvektion. Den har en enkel struktur og er billig at vedligeholde, men luftens varmeledningsevne er kun 0,026 W/(m·K), hvilket resulterer i lav effektivitet ved høje temperaturer. Det findes for det meste i entrébiler- til en pris på under 100.000 RMB (såsom nogle Wuling Hongguang MINI'er og BAIC New Energy-køretøjer).
• Væskekøling: I øjeblikket standard i mellem-til-avancerede-biler. Kølevæsken (vandig ethylenglycolopløsning) cirkulerer for at fjerne varme og rummer både hurtig-opladning af varmeafledning og lav-temperaturopvarmning og besidder den almindelige markedsandel.
• Direkte kølemiddelkøling: Aircondition-kølemidlet indføres direkte i fordamperen inde i batteripakken, hvorved der opnås "nul-afstand" faseændringsvarmeabsorption, hvilket resulterer i den højeste effektivitet.
▸ Immersionskøling (Emerging Technology): Små-batchinstallationer efter 2024, stor-masseproduktion er endnu ikke tilgængelig; battericellerne er nedsænket i isolerende kølevæske (fluoreret væske/syntetisk ester), hvilket resulterer i den mest ensartede varmeafledning, men med høje omkostninger og vedligeholdelsesproblemer; i øjeblikket er det kun et lille antal modeller, der bruger det som en pilotmulighed.
Liquid Cooling:Grundlæggende koncepter og principper
Væskekøling bruger et kølemiddel (normalt en vandig opløsning af ethylenglycol, med en termisk ledningsevne på ca. 0,5 W/(m·K)) som varmevekslermedium. En vandpumpe driver kølevæsken til at cirkulere i kanalerne i batteripakken, absorberer varme, før den når køleren (batterikøleren) for at udveksle varme med klimaanlæggets kølemiddel til afkøling og derefter returnere til kølepladen. Kernekomponenter: Elektrisk kompressor → Chiller → Elektrisk vandpumpe → Væskekøleplade → Ventilhus (fire-/otte-vejs) → PTC-varmer.
Fordele
• Optimal temperaturensartethed, kontrollerende celletemperaturforskel inden for ±2 grader, forlænger levetiden direkte og forbedrer konsistensen;
• Moden teknologi og vel-etableret forsyningskæde, der repræsenterer den nuværende mainstream-løsning på markedet;
• Dyb integration med køretøjets varmestyring (motorspildvarmegenvinding, kabinevarmepumpe) og muligheden for at tilføje PTC til lav-temperaturopvarmning;
• Modulært udskiftelige koldplader for nem vedligeholdelse.
Ulemper
• Kompleks system med flere komponenter, hvilket resulterer i ca. 15 %-20 % højere startomkostninger;
• En ekstra vandpumpe og kølevæskekredsløb øger køretøjets vægt, og vandpumpens strømforbrug påvirker rækkevidden;
• Risiko for kølevæskelækage, hvilket kræver regelmæssig kontrol af kølervæskeniveauet;
• Indirekte varmeveksling resulterer i langsommere reaktionshastigheder sammenlignet med direkte køling ved høje ladehastigheder.
Direkte køling: Grundlæggende koncepter og principper
Refrigerant Direct Cooling kobler i høj grad batteriets kølesystem med airconditionsystemet-, hvilket i det væsentlige placerer klimaanlæggets fordamper direkte i batteripakken. Kølemidlet (mainstream R134a, R1234yf, latent varme fra faseændring > 200 kJ/kg) fordamper og absorberer varme i den direkte-køleplade og transporterer direkte varme fra battericellen. Kernekomponenter: elektrisk kompressor → kondensator → elektronisk ekspansionsventil → direkte-køleplade → gas-væskeudskiller, hvilket eliminerer behovet for en vandpumpe, kølevæskekredsløb og køler.
Fordele
• Eliminerer det sekundære varmevekslingstrin, reducerer termisk modstand med ca. 40 % og øger varmevekslingseffektiviteten (varmevekslingstrinnet) med 20 %–50 % sammenlignet med væskekøling (flere simuleringer og prøvebænke, varierende med driftsforhold; dette refererer til reduktionen i termisk modstand i varmevekslingstrinnet, ikke nødvendigvis en tilsvarende forbedring af køretøjets energieffektivitet);
• Lettere og mere kompakt system (ca. 30 % mindre volumen), til gavn for køretøjer med chassisbegrænsninger;
• Eliminerer vandpumpens kontinuerlige strømforbrug, hvilket potentielt reducerer energiforbruget med ca. 0,8 kWh pr. 100 kilometer under de samme driftsforhold (enkelt-bilsimuleringsestimat, svingende med vejforhold og omgivelsestemperatur, kun til reference);
• Kompatibel med 800V super-hurtig opladning, i stand til vedvarende 4C eller endnu højere hastigheder uden overophedning.
Ulemper
• Direkte køleplader har ekstrem høj trykmodstand og tætningskrav, hvilket resulterer i høje fremstillings- og montagebarrierer;
• To-flow gør temperaturens ensartethed svær at kontrollere: Under forhold med lav temperatur og lav belastning er kølemidlet tilbøjeligt til ujævn gas-væskefordeling i den direkte køleplade, hvilket fører til lokal overkøling eller utilstrækkelig varmeudveksling og et betydeligt fald i temperaturensartethed;
• Kølemiddellækage vil direkte forurene batterimodulet; høj integration betyder, at reparationer ofte kræver fuldstændig udskiftning, hvilket resulterer i høje omkostninger;
• Kontrolstrategier er komplekse (anti-frost, anti-overkøling), og teknologiens modenhed er lavere end væskekøling.
