Systemy chłodzenia i podgrzewania akumulatorów w e-pojazdach

Systemy chłodzenia i podgrzewania akumulatorów w e-pojazdach Canva
Bogdan Kruk
22.5.2024

Wzrost popularności samochodów elektrycznych sprawił, że producenci pojazdów intensywnie pracują nad opracowaniem bardziej wydajnych akumulatorów trakcyjnych. Jednakże, wraz ze wzrostem wydajności i szybkości ich ładowania, pojawiają się nowe wyzwania związane z zarządzaniem temperaturą tych zaawansowanych baterii.

  • Efektywne chłodzenie i ogrzewanie kluczowe dla utrzymania optymalnej temperatury w bateriach.
  • Zbyt wysoka temperatura przyczyną przyspieszonej degradacji baterii. Jak usprawnić cykle chłodzenia i ogrzewania? 
  • Omówienie technologii związanych z poprawną pracą akumulatorów. Optymalizacja procesów. 

Duży zasięg pojazdu elektrycznego to nie tylko wygoda dla użytkowników, ale także kluczowy czynnik przyczyniający się do akceptacji i popularności tych pojazdów na rynku. W odpowiedzi na rosnące oczekiwania klientów, producenci samochodów elektrycznych kładą coraz większy nacisk na rozwój akumulatorów wysokonapięciowych.

Nowe magazyny energii budowane są ze znacznie powiększonych ogniw litowo-jonowych, przy zmniejszonym udziale kobaltu i zwiększonym udziale niklu – co ma szczególne znaczenie dla gęstości energii. Nowe rozwiązanie umożliwia osiągnięcie napięcia systemowego na poziomie 800 V. Pozwala to uzyskać obecnie najlepszą możliwą równowagę między zasięgiem a wydajnością ładowania.

Dzięki ulepszanej chemii ogniw i efektywnemu zarządzaniu termicznemu, akumulatory 100 kWh można będzie naładować od 10% do 80%, w czasie poniżej 30 minut na stacji szybkiego ładowania. Efektywne chłodzenie i ogrzewanie są kluczowe dla utrzymania optymalnej temperatury w bateriach, co ma bezpośredni wpływ na ich wydajność, trwałość oraz bezpieczeństwo.

Optymalną wydajność osiągają akumulatory w zakresie od 15 do 35°C. Poza tym zakresem wydajność podczas ładowania i rozładowywania akumulatorów ulega pogorszeniu. Niskie temperatury mogą ograniczać wydajność baterii oraz zasięg pojazdu, podczas gdy zbyt wysoka temperatura może prowadzić do przyspieszonej degradacji baterii, skracając ich żywotność.

Niskie temperatury 

Niskie temperatury mogą mieć istotny wpływ na działanie akumulatorów litowo-jonowych. Typowe akumulatory wysokonapięciowe posiadają katodę wykonaną z tlenku litu oraz anodę z grafitu warstwowego. Podczas ładowania w niskich temperaturach następuje spowolnienie dyfuzji jonów litu do katody, co może prowadzić do powstawania skupisk litu – zmniejszając trwale pojemność akumulatora.

W skrajnych przypadkach, takich jak bardzo niskie temperatury, mogą tworzyć się dendryty, co zwiększa ryzyko wewnętrznych zwarć i stanowi poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa użytkowników. Narzędzia wykonane z wysokiej jakości materiałów będą nie tylko wydajniejsze, ale także niezawodne – co w konsekwencji przekłada się na efektywność i precyzję realizowanych napraw.

Zidentyfikowano 3 kluczowe zakresy niskich temperatur dla akumulatorów:

  • temperatura poniżej +10°C oznacza szybkie ładowanie akumulatora, może spowodować powstanie skupisk litu wokół anody i prowadzić do trwałego jej uszkodzenia,
  • temperatura poniżej 0°C oznacza że proces powstawania skupisk przyspiesza, co może negatywnie wpływać na działanie akumulatora,
  • temperatura poniżej -20°C oznacza że wydajność akumulatora oraz jego zdolność do przyjęcia energii ulegają dalszemu obniżeniu.
plyta_ chlodzaca_akumulator_ wysokiego_ napiecia źródło: MAHLE

Płyta chłodząca akumulator wysokiego napięcia.

Wysokie temperatury 

Zbyt wysokie temperatury również mogą negatywnie wpływać na działanie akumulatorów litowo-jonowych. Podwyższona temperatura podczas ładowania lub użytkowania akumulatora może przyspieszyć proces degradacji jonów litowych. Prowadzi to do trwałego zmniejszenia jego pojemności oraz skrócenia żywotności ogniw.

Ponadto, wysoka temperatura (powyżej 100°C), może spowodować termiczne uszkodzenie akumulatora, wraz z jego mechanicznym „naruszeniem”, co stwarza poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa użytkowników oraz negatywnie oddziałuje na cały pojazd.

Technologie chłodzenia i ogrzewania akumulatora 

Istnieją dwie metody chłodzenia akumulatorów EV w pojazdach elektrycznych: chłodzenie powietrzem i cieczą. Chłodzenie powietrzem może być zarówno aktywne, jak i pasywne. W przypadku aktywnego chłodzenia wykorzystuje się wentylatory lub inne urządzenia do wymuszenia przepływu powietrza wokół akumulatorów.

W niektórych modelach pojazdów stosuje się także dodatkowe grzałki, które służą do podgrzania baterii. Natomiast chłodzenie p owietrzem w sposób pasywny polega na wykorzystaniu naturalnego przepływu powietrza do schładzania akumulatorów, bez użycia dodatkowych urządzeń. Jest to najprostszy i najbardziej ekonomiczny sposób chłodzenia stosowany w małych i tanich samochodach elektrycznych.

W przypadku chłodzenia cieczą występują 2 typy systemów chłodzenia akumulatorów wysokonapięciowych: pasywne i aktywne. Współcześnie jednak większość producentów pojazdów elektrycznych stosuje pośredni układ chłodzenia. Ta technologia opiera się na wykorzystaniu płynu chłodzącego, najczęściej mieszanki wody i glikolu etylenowego, który przepływa przez metalowe płyty chłodzące.

W przypadku tej metody kluczową rolę odgrywa także pasta termoprzewodząca, używana między powierzchnią modułów akumulatora a płytą chłodzącą, aby skutecznie przekazywać ciepło. Jej zastosowanie poprawia kontakt z modułami oraz umożliwia efektywne chłodzenie akumulatora.

Producent samochodów Audi wprowadził nowe rozwiązanie w serii Q6 e-tron, które polega na zastosowaniu płyty chłodzącej zintegrowanej z obudową akumulatora. Taka integracja pozwala na wyeliminowanie dodatkowego panelu podłogowego w przestrzeni HV obudowy akumulatora i optymalizuje połączenie z modułami za pomocą pasty przewodzącej ciepło.

Ta konstrukcja umożliwia zmniejszenie masy pojazdu i poprawia izolację termiczną między akumulatorem a otoczeniem. Technologia z zastosowaniem płyt przewodzących pozwala również na bardzo wydajne ogrzewanie modułów akumulatorów. Metoda bezpośredniego chłodzenia akumulatorów EV polega na przepływie cieczy chłodzącej przez moduły akumulatora i zapewnia bardziej skuteczne oraz precyzyjne chłodzenie ogniw akumulatora – w przeciwieństwie do chłodzenia powietrzem lub do pośredniego chłodzenia cieczą.

Dzięki bezpośredniemu kontaktowi cieczy z elementami magazynu energii możliwe jest utrzymanie bardziej stabilnej temperatury poszczególnych ogniw, co przekłada się na wydajność i trwałość akumulatora wysokonapięciowego. Metoda bezpośredniego chłodzenia jest bardziej skomplikowana w implementacji i wymaga dodatkowych elementów konstrukcyjnych, takich jak rurki chłodzące i pompa.

Ponadto, istnieje ryzyko wycieku cieczy chłodzącej, które może być problematyczne w przypadku uszkodzenia systemu chłodzenia. Pomimo tych wyzwań, metoda bezpośredniego chłodzenia jest coraz częściej stosowana w bardziej zaawansowanych i wydajnych systemach akumulatorów w nowoczesnych pojazdach elektrycznych.

akumulator_Audi źródło: Audi / Raven Media

Poblem z pasywnym chłodzeniem

Nissan, japoński producent samochodów, przekonał się na „własnej skórze”, jak kluczowe jest odpowiednie chłodzenie akumulatora. W pierwszych generacjach modelu Leaf zrezygnowano z aktywnego chłodzenia akumulatora, co sprawiło, że utrzymanie odpowiedniej jego temperatury, zwłaszcza na dłuższych trasach, było wyzwaniem.

Podczas procesu ładowania, przy użyciu szybkich ładowarek, przegrzany system magazynowania energii znacząco spowalniał tempo ładowania. Zamiast maksymalnie teoretycznie możliwego poboru mocy ładowania do poziomu 50 kW, oprogramowanie zarządzające procesem ładowania ograniczyło rzeczywistą wartość do około 20 kW, w celu uniknięcia uszkodzeń akumulatora.

W rezultacie czas spędzony przy ładowaniu pojazdu zwiększył się co najmniej dwukrotnie. Od 2018 r. rozczarowani klienci w gorących i zatłoczonych obszarach USA nazwali to zjawisko „Rapidgate”, co miało negatywny wpływ na wizerunek japońskiego samochodu elektrycznego. To, że zbyt wysoka temperatura poszczególnych ogniw akumulatora jest niebezpieczna podczas szybkiego ładowania, nie dotyczy tylko firmy Nissan, ale jest „fizyczną regułą”, która staje się problemem dla wielu innych producentów samochodów. 

Krótszy czas ładowania akumulatora wymaga zastosowania większych prądów – co powoduje nagrzewanie się ogniw. Jeśli są one zbyt mocno nagrzane, mogą ulec uszkodzeniu. Wrażliwość na ciepło ogniw stanowi jedną z największych przeszkód przy skracaniu czasu ładowania akumulatorów EV.

Chłodzenie cieczą jako standard branżowy 

Stacje szybkiego ładowania samochodów dysponują obecnie mocą wyjściową nawet do 400 kW, ale w wielu samochodach jest ona regulowana znacznie poniżej 200 kW, ze względów zabezpieczenia baterii. Tym samym prawdziwie krótkie czasy ładowania są niemożliwe do osiągnięcia. Chociaż firma Nissan rozwiązała problem z temperaturą w modelu Leaf, poprzez zastosowanie bardziej zaawansowanego systemu ładowania – jednak, tak naprawdę, konieczna była do przeprowadzenia poważna interwencja techniczna.

W swoim najnowszym pojeździe, elektrycznym crossoverze Ariya, Japończycy postawili na chłodzenie cieczą, które stało się standardem w branży motoryzacyjnej. Spośród ok. 200 modeli samochodów elektrycznych dostępnych obecnie w Niemczech, tylko kilka modeli pojazdów nadal nie korzysta z aktywnej regulacji temperatury za pomocą płynów chłodzących. Firma Renault np., w samochodzie Zoe, zastosowała klimatyzator, który dba o zachowanie właściwej temperatury akumulatora, podczas gdy firma VW w przypadku modelu e-up!, przeznaczonego do jazdy miejskiej, całkowicie zrezygnowała z aktywnego chłodzenia powietrzem.

W przypadku wszystkich innych obecnych modeli samochodów elektrycznych aktywne chłodzenie cieczą jest standardem. Dzięki niemu akumulator może być nie tylko skutecznie schładzany, ale także podgrzewany. Jest to szczególnie istotne w okresie jesienno-zimowym, ponieważ baterie litowo-jonowe działają optymalnie tylko w zakresie temperatury 20-40°C.

Dotyczy to zarówno wydajności energetycznej podczas jazdy, jak i przede wszystkim poboru energii podczas procesu ładowania. Dlatego nowoczesne samochody elektryczne wykorzystują również system zarządzania temperaturą do wstępnego przygotowania magazynu energii przed planowanym postojem na ładowanie. Tym samym ładowanie energii przebiega znacznie szybciej niż w przypadku zimnego akumulatora.

Warto podkreślić, że nowoczesne rozwiązania technologiczne umożliwiają bardziej efektywne wykorzystanie energii, co z kolei przekłada się na zwiększenie efektywności i komfortu użytkowania pojazdów elektrycznych, szczególnie w warunkach niskich temperatur. Dlatego aktywne zarządzanie temperaturą akumulatora staje się standardem w branży motoryzacyjnej i jest kluczowym elementem rozwoju samochodów elektrycznych.

Chłodzenie akumulatorów a optymalizacja 

Aktywne chłodzenie cieczą zyskało przewagę w ostatnich latach, jednak wciąż jest duża potrzeba, by optymalizować ten proces. Idealne schłodzony akumulator można ładować znacznie szybciej. Dlatego firma Valeo, we współpracy z firmą Total Energie, opracowała system chłodzenia, w którym całe ogniwa są zanurzone w specjalnym dielektrycznym płynie chłodzącym. Ten system chłodzenia ma umożliwić szczególnie efektywne usuwanie ciepła z ogniw akumulatora – w porównaniu z chłodzeniem za pomocą płyt chłodzących. Powyższe rozwiązanie wygląda bardzo obiecująco i już niebawem może zostać wprowadzone do produkcji akumulatorów.

Drobne usprawnienia spieszą z pomocą 

Poprawa chłodzenia jednostki magazynującej energię jest też możliwa przy wprowadzeniu mniejszych ingerencji. Firma MAHLE, która specjalizuje się w produkcji komponentów chłodzenia, zamierza obniżyć koszty wykonania i złożoność całego systemu, poprzez zastosowanie kompaktowej, wydajnej konstrukcji.

W jej skład wchodzą:

  • wymiennik ciepła,
  • pompa cieczy chłodzącej,
  • skraplacz,
  • agregat chłodniczy,
  • sensory i zawory są zintegrowane w jednej jednostce.

Celem firmy jest obniżenie kosztów produkcji oraz zwiększenie wydajności jednostki chłodzącej. MAHLE obiecuje nawet do 20% większy zasięg pojazdu w okresie zimowym, w porównaniu z pojazdem z elektryczną nagrzewnicą. Wyższa wydajność układu chłodzenia akumulatora ma również poprawić zdolność do szybkiego ładowania pojazdu.

Ciepło odprowadzane z akumulatora w połączeniu z pompą ciepła zostanie wykorzystane w innym miejscu, np. zimą do ogrzewania wnętrza pojazdu. Wykorzystując wówczas wszystkie źródła ciepła dostępne wewnątrz i na zewnątrz pojazdu, potrzebna będzie jedynie niewielka ilość energii elektrycznej, aby uzyskać komfortowe warunki jazdy. W pojazdach spalinowych układ chłodzenia jednostki napędowej i układ chodzenia wnętrza pojazdu były wyraźnie oddzielone od siebie. Z kolei w pojazdach elektrycznych są one coraz częściej traktowane łącznie – w celu znalezienia jak najbardziej wydajnych oraz opłacalnych rozwiązań.

Źródło: Materiały redakcyjne

O Autorze

Bogdan Kruk

Redaktor miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

autoExpert 06 2024

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę