Analyse der Wärmemanagementtechnologie von Leistungsbatterien
von reinen Elektrofahrzeugen
1 Batteriekühlung
Im Allgemeinen gibt es drei Hauptkühlmethoden für Antriebsbatterien von reinen Elektrofahrzeugen: Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung und Direktkühlung.
1) Die Luftkühlungstechnologie (Luftkühlung) nutzt natürlichen Wind oder kalte Luft, die vom Fahrzeugkühlsystem erzeugt wird, um Wärme durch Wärmekonvektion oder Wärmeleitung abzuführen und so den Zweck der Batteriekühlung zu erreichen. Die Luftkühlungstechnologie zeichnet sich durch ein einfaches System, niedrige Kosten und einfache Wartung aus und wird häufig eingesetzt.
2) Bei der Flüssigkeitskühlungstechnologie wird Flüssigkeit als Wärmeträger verwendet. Die Flüssigkeit nimmt die Wärme auf, wenn sie durch die Rohre im Inneren der Batterie fließt. Die bei der Flüssigkeitskühlung verwendete Flüssigkeit ist meist Kühlmittel, das im Kühlsystem des Fahrzeugs zirkuliert. Die vom Kühlmittel aufgenommene Wärme wird über den Kühler an die Luft abgegeben. Einige Fahrzeuge verfügen im Kühlsystem über einen Wärmetauscher namens Chiller, der das Fahrzeugkühlsystem und das Kühlsystem koppelt und so die Kühlwirkung des Systems erhöht. Im Vergleich zur Luftkühlungstechnologie zeichnet sich die Flüssigkeitskühlungstechnologie durch starke Kühlleistung, gute Gleichmäßigkeit und hohe Geschwindigkeit aus.
3) Bei der Direktkühlungstechnologie wird das Kühlmittel im Kühlsystem verwendet, um die Wärme der Batterie direkt abzuführen. Anschließend werden ein Expansionsventil und ein Verdampfer in der Batterie installiert. Das Kühlmittel verdampft im Verdampfer, um Wärme aufzunehmen. Da die Direktkühlungstechnologie bei der Flüssigkeitskühlungstechnologie keinen Wärmetauscher hat, ist die Direktkühlung effizienter. Beim Kühlen der Batterie muss jedoch ein Teil des Kühlmittels im Kühlsystem umgeleitet werden, was die Kühlwirkung des Fahrgastraums beeinträchtigt und den Komfort verringert.
2 Batterieheizung
Es gibt zwei Haupttypen von Heiztechnologien für Akkus: die Selbsterhitzung von Akkus und die Verwendung externer Heizelemente. Bei der Selbsterhitzung von Akkus wird, wie der Name schon sagt, die von dem Akku beim Laden und Entladen erzeugte Wärme genutzt, um die Akkutemperatur zu erhöhen. Diese Methode hat jedoch eine langsame Heizleistung und wurde im Grunde aufgegeben.
Bei der Verwendung externer Heizelemente werden hauptsächlich Heizfolien und PTC verwendet. Die Heizfolie befindet sich nahe der Oberfläche des Batteriemoduls und erzeugt Wärme, um die Batterietemperatur beim Einschalten zu erhöhen. Die Batterieheizmethode ähnelt der Kühlmethode und es gibt auch drei Arten: Luftheizung, Wasserheizung und Kältemittel-Direktheizung.
3 Wärmemanagementsystem
Beim Kühlen und Heizen der Batterie können unterschiedliche Methoden unabhängig voneinander gewählt werden. Mit der zunehmenden Integration von Fahrzeugen steigen jedoch auch die Anforderungen an das Wärmemanagementsystem des Fahrzeugs. Daher wurde ein Wärmemanagementsystem entwickelt, das sowohl die Batteriekühlung als auch die Batterieheizung ermöglicht. Einige Fahrzeuge haben sogar ein hochintegriertes Wärmemanagementsystem mit Wärmepumpenklimaanlagen entwickelt, das die drei Hauptsysteme Fahrzeugkühlsystem, Kühlung/Heizung der Batterie sowie Kühlung und Heizung des Fahrgastraums organisch kombiniert.
Architektur des Wärmemanagementsystems
Die Architektur des Wärmemanagementsystems eines reinen Elektrofahrzeugs ist in Abbildung 1 dargestellt. Dieses Wärmemanagementsystem verwendet Wärmepumpen-Klimaanlagen, um die Batterien direkt zu kühlen und zu heizen, das elektrische Antriebssystem zu kühlen und den Fahrgastraum zu kühlen und zu heizen. Im elektrischen Antriebskreislauf ist ein separater Wasserkühlkreislauf eingerichtet, der über einen Plattenwärmetauscher zur Wärmeübertragung mit dem Wärmepumpensystem verbunden ist, wodurch Abwärmerückgewinnung und Stallheizungsfunktionen realisiert werden können. Im kalten Winter wird PTC angepasst, um das Problem der schlechten Heizwirkung von Wärmepumpen-Klimaanlagen zu lösen und die Heizwirkung des Fahrgastraums zu erhöhen. Dieses Wärmemanagementsystem kann den Kühl- und Heizbedarf in mehreren Modi erfüllen.
Prinzip des Wärmemanagementsystems
Da das System über mehrere Betriebsmodi verfügt, wird in diesem Artikel nur das Funktionsprinzip der Kühl- und Heizmodi für die Batterie bzw. den Fahrgastraum vorgestellt.
1) Kühlprinzip der Leistungsbatterie. Wenn die Temperatur der Leistungsbatterie hoch ist und gekühlt werden muss, werden das Magnetventil für die Klimaanlagenkühlung, das Magnetventil für den Luftwärmetauscher, das elektronische Expansionsventil der Batterie und das Magnetventil für die Batteriekühlung im System geöffnet (das Magnetventil für die Batterieheizung ist geschlossen). Wenn das Kühlmittel durch das elektronische Expansionsventil der Batterie fließt, dehnt es sich durch Drosselung aus, verdampft und absorbiert Wärme im Plattenwärmetauscher des Batteriepacks und nimmt die Wärme ab, um den Zweck der Batteriekühlung zu erreichen. Wenn zu diesem Zeitpunkt auch der Fahrgastraum gekühlt werden muss, öffnen Sie einfach das elektronische Expansionsventil für die Kühlung (schließen Sie das Magnetventil für die Klimaanlagenheizung), und ein Teil des Kühlmittels verdampft und absorbiert Wärme im Verdampfer im Auto, um eine Kühlung des Fahrgastraums zu erreichen.
2) Prinzip der Batterieheizung. Wenn die Batterietemperatur niedrig ist und erwärmt werden muss, werden das Magnetventil für die Batterieheizung, das elektronische Expansionsventil der Batterie, das Magnetventil für den Wärmeaustausch mit der Wasserquelle und das Magnetventil für die Heizung der Klimaanlage im System geöffnet (das elektronische Expansionsventil für die Heizung, das Magnetventil für die Kühlung der Klimaanlage, das Magnetventil für den Wärmeaustausch mit der Luft und das elektronische Expansionsventil für die Kühlung werden geschlossen) und das vom Kompressor komprimierte Hochtemperatur-Kältemittel fließt durch den Plattenwärmetauscher des Batteriepakets, um die Niedertemperaturbatterie zu erwärmen. Nach dem Erwärmen sinkt die Temperatur des Kältemittels, es fließt durch den Plattenwärmetauscher, nimmt Wärme aus dem elektrischen Antriebskreis auf und realisiert eine Abwärmerückgewinnung. Wenn zu diesem Zeitpunkt auch der Fahrgastraum beheizt werden muss, öffnen Sie einfach das elektronische Expansionsventil der Heizung, und ein Teil des Hochtemperatur-Kältemittels fließt durch den Kondensator im Auto, gibt Wärme an den Fahrgastraum ab und vermischt sich dann mit dem Kältemittel der Batterieheizung vor dem Plattenwärmetauscher, um weiterhin am Zyklus teilzunehmen. Wenn die Umgebungstemperatur sehr niedrig ist, schaltet das System PTC ein, um beim Heizen des Fahrgastraums zu helfen.
