W dzisiejszych czasach nasuwa się kilka pytań związanych z technologiami wykorzystywanymi w samochodach elektrycznych. Klienci warsztatów pytają na przykład o przewidywaną prędkość degradacji akumulatora, jego konserwację, jak również metody zapewnienia jego dłuższej żywotności. W tym artykule omawiamy rozwiązania w zakresie chłodzenia stosowane obecnie w bateriach pojazdów z napędem elektrycznym, ponieważ zaprojektowanie efektywnego układu chłodzenia w takich pojazdach pozostaje jednym z największych wyzwań.

Większość dostępnych obecnie samochodów elektrycznych wykorzystuje akumulatory litowo-jonowe, które działają na zasadzie różnicy napięć pomiędzy dwoma biegunami. Ponieważ elektrony są wzbudzane w warunkach wysokiej temperatury, jej spadek powoduje znaczne pogorszenie wydajności układu.

Istnieją dwie metody chłodzenia akumulatorów w pojazdach BEV (Battery Electric Vehicle – pojazd z elektrycznym zasilaniem bateryjnym): chłodzenie powietrzem lub cieczą. W tym artykule omawiamy te dwie metody, a na koniec powiemy kilka słów o wynikach badań.

Baterie aut elektrycznych – chłodzenie powietrzem

W przypadku chłodzenia powietrzem, do redukcji temperatury akumulatora wykorzystywane jest powietrze napływające do pojazdu. Jest to starsza, bardziej podstawowa metoda chłodzenia, która występuje w formie zarówno aktywnej, jak i pasywnej. W przypadku aktywnego chłodzenia powietrzem pojazd wyposażony jest w klimatyzator złożony z grzałki i parownika. W przypadku chłodzenia pasywnego ilość odprowadzanego ciepła jest bardzo niewielka, zaledwie kilkaset watów. W tym przypadku wykorzystywane jest powietrze z otoczenia, jest to najprostszy i najbardziej ekonomiczny sposób chłodzenia stosowany w małych i tanich samochodach elektrycznych, takich jak Volkswagen E-up. Ponieważ szybkie ładowanie jest obecnie powszechnym rozwiązaniem, producenci rzadziej stosują pasywne chłodzenie powietrzem. Szybkoładujący akumulator potrzebuje bowiem intensywniejszego chłodzenia, przez co chłodzenie pasywne spowodowałoby jego większą degradację.

Baterie aut elektrycznych – chłodzenie cieczą

Chłodzenie cieczą jest obecnie najczęściej spotykanym rozwiązaniem wśród dostępnych na rynku pojazdów elektrycznych. Wykorzystują one czynnik chłodzący, inaczej płyn chłodzący, np. glikol etylenowy, który krąży wokół ogniw.

Tu również występują dwa typy systemów: aktywne i pasywne. Charakterystyczną cechą układów aktywnych jest ich wyższa wydajność, ale są one droższe i bardziej skomplikowane mimo lepszej regulacji temperatury. Zawierają one elementy takie jak pompa ciepła, wymiennik ciepła, pompa obiegowa, zawory i czujniki temperatury. Z uwagi na liczbę komponentów w przypadku awarii systemu, musimy się liczyć z wyższymi kosztami naprawy. W przypadku systemów pasywnych, ciecz jest chłodzona przez powietrze z otoczenia.

Do wad chłodzenia cieczą należy zaliczyć nieszczelności na połączeniach rur, co zazwyczaj występuje, gdy akumulator zaczyna się starzeć. Jeśli do izolacji przeniknie wilgoć, może dojść do awarii. Z tego powodu kluczowa jest również integralność modułów akumulatora, połączeń, pomp i zaworów. Korozji typowej dla systemów chłodzenia można zapobiec wymieniając odpowiednio często płyn chłodzący.

Jednak oprócz systemów pasywnych i aktywnych, w dzisiejszych czasach opracowywane i testowane są również inne rozwiązania w zakresie chłodzenia cieczą, mianowicie bezpośrednie i pośrednie.

W przypadku bezpośredniego chłodzenia cieczą, akumulator ma bezpośredni kontakt z cieczą chłodzącą. System ten jest obecnie w fazie rozwoju, nie ma go żaden użytkowany samochód. Wdrożenie jest tu o tyle trudne, że ciecz chłodząca musi mieć niską przewodność, gdyż jest w bezpośrednim styku z akumulatorem. Do tego potrzeba substancji zupełnie innej niż stosowane zwykle w pojazdach spalinowych chłodziwa, których przewodność jest bardzo wysoka.

W przypadku systemów pośrednich ciecz płynie w metalowych rurach, odprowadzając ciepło z akumulatora. Płyn chłodzący to w tym przypadku glikol lub poliglikol. Na metalowych rurach może pojawić się korozja, ponieważ zanieczyszczenia w płynie chłodzącym uzyskują ładunek dodatni i mogą wejść w reakcję z metalem. Do zapobieżenia tej sytuacji stosuje się różne dodatki.

Dlaczego chłodzenie jest tak ważne w autach elektrycznych?

Żywotność akumulatora w dużym stopniu zależy od warunków temperaturowych – dłuższą żywotność można zapewnić dzięki kontroli temperatury podczas pracy. Dla akumulatora optymalna jest temperatura w zakresie 20-25°C. Podczas pracy typowy zakres temperatur to -30°C do 50°C. W zakresie pomiędzy 70°C a 100°C może dojść do eksplozji termicznej – reakcji łańcuchowej, w której awaria jednego ogniwa akumulatora powoduje zapłon pozostałych ogniw wokół niego. Podczas szybkiego ładowania chłodzenie jest szczególnie konieczne, ponieważ do akumulatora wpływa wysoki prąd, który generuje dodatkowe ciepło, a chłodzenie jest niezbędne do utrzymania wyższej prędkości ładowania.

Inne powszechne problemy – starzenie się i wyzwania klimatyczne

W miarę starzenia się urządzeń magazynujących energię dochodzi do coraz większych strat energii. Z tego powodu warto zaprojektować system kontroli termicznej nie tyle na początkowy okres działania akumulatora, co na późniejszą, bardziej wymagającą fazę pracy.

Dużym wyzwaniem dla producentów samochodów jest uwzględnienie wyzwań klimatycznych typowych dla różnych kontynentów, a wyzwania te są szczególnie skomplikowane w przypadku pojazdów zasilanych elektrycznie. Skrajnie niskie lub wysokie temperatury powodują zużycie akumulatora – dlatego aktywny system chłodzenia jest rozwiązaniem optymalnym nawet w okresach bezczynności samochodu.