Общие положения

При работе отдельных агрегатов электромобиля, в результате воздействия магнитных полей, трения подвижных деталей, химических процессов происходит их нагревание. К тому же нагреваются и провода, по которым проходит ток, а также и все прочие электрические и электронные части.

Еще одна проблема – это система охлаждения для аккумулятора, который греется при работе. Тяговые АКБ следует эксплуатировать только в определенном диапазоне температур для обеспечения оптимальной мощности и долговечности. Например, температура ядра элемента литий-ионного аккумулятора при эксплуатации не должна превышать 40°С. Если этот температурный предел будет превышен в течение длительного периода времени, аккумулятор очень быстро устаревает. Это также относится к никель-металлгидридным батареям, которые, однако, несколько менее чувствительны к нагреванию – ячейки выдерживают температуру до 50°С. При большой нагрузке, частых переходных цикла разряд/заряд во время движения или при скоростной зарядке сильными токами батарея сильно греется.

При необходимости (например, в версиях для стран с холодным климатом к которым относится РБ) производители транспортных средств используют подогрев аккумуляторной батареи во время движения или кондиционирование аккумуляторных модулей в случае более длительного простоя, например, с помощью электронагревателя в контуре охлаждения аккумуляторной батареи. Подогрев аккумуляторной батареи более уместен в электромобилях, тем более что здесь можно легко подать электроэнергию на обогреватель через зарядное соединение.

Электрический двигатель также греется при работе, хотя и в меньшей степени чем АКБ.

Терморегулирование необходимо и инвертору. Когда инвертор работает, он преобразует высокое напряжение переменного тока в высокое напряжение постоянного тока, что приводит к выделению большого количества тепла. Поэтому внутри него имеются каналы для охлаждающей жидкости, которая снижает рабочую температуру инвертора за счет циркуляции охлаждающей жидкости.

Попутно система охлаждения, работающая в режиме «теплового насоса» (как инверторный кондиционер в помещениях), способна с минимальными энергозатратами обеспечить комфорт в салоне.

Чтобы электромобиль эксплуатировался с особенно высокой степенью эффективности, необходимо поддерживать температуру электродвигателя, силовой электроники и аккумуляторной батареи в диапазоне температур, оптимальном для эффективности. Для этого требуется сложная система терморегулирования. Обычно система охлаждения электродвигателя разделена на контуры, каждый из которых имеет собственный охладитель (низкотемпературный охладитель), насос охлаждающей жидкости, термостат и запорный клапан охлаждающей жидкости. Через специальный теплообменник (чиллер) используется в дополнение к тому, который отвечает за контроль температуры батареи. Контур охлаждения также включает контур хладагента системы кондиционирования воздуха. Высоковольтный нагреватель охлаждающей жидкости обеспечивает необходимый температурный контроль батареи при низких температурах наружного воздуха. При низких температурах охлаждающая жидкость подогревается высоковольтным автономным отопителем. Если температура слишком высока охладитель, который интегрирован как в охлаждающую жидкость, так и в контуры хладагента, дополнительно охлаждает охлаждающую жидкость.

Системы охлаждения АКБ электромобиля можно разделить на четыре вида:

• активная, в которой используется жидкость, которая охлаждает и согревает ячейки аккумулятора (возможны дополнительные подогреватели АКБ);
• активная, в который использует воздух, который охлаждает и согревает аккумулятор, но без взаимодействия с отдельными ячейками (возможны дополнительные нагреватели ячеек);
• пассивная, с отводом тепла через корпус аккумулятора;
• иммерсионная с специальным покрытием без использования жидкостной или воздушной систем охлаждения»
• погружного охлаждения

Активная жидкостная система охлаждения всего электромобиля показана на рис. 7.1.

Температура охлаждающей жидкости контролируется и регулируется блоком управления двигателя. В контур жидкостного охлаждения входят следующие компоненты:

• высоковольтная АКБ;
• электропривод трёхфазного тока;
• зарядное устройство высоковольтной батареи;
• блок силовой и управляющей электроники электропривода в который входит инвертор.

1 – радиатор; 2 – расширительный бачок; 3,5 – циркуляционный насос ОЖ; 4 – блок силовой и управляющей электроники; 6 – высоковольтный нагревательный элемент; 7 – теплообменник отопителя; 8 – зарядное устройство; 9 – электропривод с трёхфазным переменным током; 10 – высоковольтная АКБ; 11 – металлические трубки; 12 – элементы высоковольтного АКБ

Для охлаждения элементов АКБ используется гликолевый хладагент, который проходит по металлическим трубкам 11, через зазоры между элементами 12. Нагретый гликоль охлаждается, проходя через радиатор, установленный в передней части автомобиля.

Нагревание аккумулятора при низких температурах помогает обеспечить гарантированный срок службы батарей. При очень высоких температурах окружающей среды, для охлаждения батарей дополнительно может быть задействована система кондиционирования воздуха.

7.2. Охлаждение тяговых АКБ

Охлаждение тяговых АКБ может быть жидкостным, воздушным, пассивным, иммерсионным, погружным.

Общая схема жидкостного АКБ Tesla показана на рис. 7.1 вверху. Охлаждающая жидкость здесь проходит между рядами ячеек по металлическим трубкам 11. В батареях Tesla используют также систему охлаждения (рис. 7.2) с массивной пластиной с этиленгликолем, расположенной под самими ячейками. Между рядами ячеек для большей эффективности охлаждения проходят тонкие алюминиевые пластины.

а – вид сверху; б – вид сбоку; 1 – ячейки; 2 – тонкая алюминиевая пластина; 3 – основная пластина охлаждения с этиленгликолем

Электромобили с воздушным охлаждением АКБ. Такая система охлаждения предусмотрена в аккумуляторах в Renault Zoe. Охлаждение осуществляется через вентиляционные отверстия в задней части автомобиля (рис. 7.3). Для вентиляции предусмотрены один вход и два выхода воздуха. Батарея имеет собственный кондиционер, который поддерживает нужную температуру внутри корпуса. Охлажденный или нагретый воздух нагнетается вентилятором.

Электромобили с пассивным охлаждением АКБ. Пассивное охлаждение означает, что внутри батареи нет отдельного кондиционера или принудительной циркуляции воздуха, а тепло рассеивается через корпус (рис. 7.4).

В аккумуляторе есть резистивные нагреватели, которые активируются при резком падении температуры во время зарядки автомобиля.

Технология с иммерсионным охлаждением АКБ. Технология, называемая иммерсионным охлаждением, основана на покрытии батарей диэлектрическим охлаждающим гелем, называемым MIVOLT, который используется в качестве электрической изоляции в других областях.

Эта технология может продлить срок службы батареи в электромобилях и принять более высокие значения тока при зарядке, не перегревая их, и потенциально сократить время зарядки ближе к времени, которое требуется для заправки топливного бака.

Современные системы жидкостного охлаждения полагаются на охлаждающие пластины с насосами для циркуляции этиленгликоля или другой охлаждающей жидкости. Технология иммерсионного охлаждения заменяет громоздкие и тяжелыми системы жидкостного и воздушного охлаждения. Благодаря более простым и дешевым системам охлаждения электромобили могут использовать батареи большего размера, которые заряжаются быстрее и будут служить дольше. Охлаждающая жидкость MIVOLT также является биоразлагаемой, в отличие от этиленгликоля, который также используется в качестве охлаждающей жидкости в большинстве ДВС.

Подобная система охлаждения применяется в электромобилях Audi e-tron quattro (рис. 7.5). Для охлаждения аккумуляторной батареи использует диэлектрический гель, который содержится под каждой ячейкой и осуществляет теплообмен между ними и системой охлаждения путем равномерного переноса отработанного тепла на хладагент через корпус аккумулятора.

Батарея Audi e-tron quattro, изготовлена из модульных ячеек. В зимнее время при скорости 90 км/ч запас хода Audi E-tron составляет 330 км.

Технология погружного охлаждения АКБ. Аккумуляторная система XING Mobility, первая в мире аккумуляторная батарея, в которой используется технология погружного охлаждения (рис. 7.6). В этой технологии используется – непроводящая электричество жидкость Novec 7200 Engineered Fluid, созданная компанией «3M» для отвода тепла в суперкомпьютерах и другой технике. Аккумуляторная система XING Mobility обеспечивает высокую пиковую мощность, имеет больший срок службы. Этот способ охлаждения сегодня наиболее популярен в центрах обработки данных и уже используется для охлаждения аккумуляторных батарей в электромобилях Miss R.

Аккумуляторная батарея XING Mobility (рис. 7.7), построенная на основе уникального микромодуля, сложена в стиле Lego, чтобы удовлетворить более 5000 требований к размеру и форме без специальной разработки. Конструкция также обеспечивает чрезвычайно быструю доставку и развертывание.

Благодаря более простым и дешевым системам охлаждения электромобили могут использовать батареи большего размера, которые заряжаются быстрее и будут служить дольше. Охлаждающая жидкость MIVOLT также является биоразлагаемой, в отличие от этиленгликоля, который также используется в качестве охлаждающей жидкости в большинстве газовых двигателей.