Терморегулювання в електромобілі: комфорт для акумуляторної батареї

Акумулятори електромобілів не люблять перепадів температур. Щоб утримувати їх у зоні кліматичного комфорту і в середині літа, і в зимові морози, необхідна потужна система терморегулювання. Її потенціал далеко не вичерпаний, сподіваються виробники і постачальники. Крім дальності, майбутні вдосконалення повинні, перш за все, збільшити швидкість заряджання.

“Охолодженню батареї часто приділяється недостатньо уваги. Багато людей зосереджуються на самому елементі та його хімічному складі. Але охолодження також надзвичайно важливе для продуктивності та терміну служби батареї”, – розповідає Крістоф Періллат, генеральний директор компанії-постачальника Valeo, тему, яку він вважає недостатньо обговорюваною. Не зовсім без упередження – його компанія є одним з найбільших постачальників систем терморегулювання – але й не безпідставно, як показує, наприклад, погляд на ранню фазу розвитку сучасних електромобілів.

Піонеру електромобілів Nissan, наприклад, довелося на власному досвіді переконатися, наскільки важливим є правильне регулювання температури для акумулятора. Компактний автомобіль Leaf не має активної системи охолодження, яка б підтримувала батарею в прохолодному стані, що ускладнювало її охолодження, особливо під час тривалих поїздок. Якщо він потім заїжджав на станцію швидкої зарядки, то перегрітий накопичувач заряджався електроенергією лише зі швидкістю равлика. Замість теоретично можливої потужності зарядки до 50 кВт, програмне забезпечення для управління зарядкою зменшило реальне значення до близько 20 кВт, щоб уникнути пошкодження акумулятора. Це щонайменше вдвічі збільшило час стояння біля штепсельної вилки. Починаючи з 2018 року, розчаровані клієнти називали це явище “Rapidgate”, яке гризло імідж електромобіля Nippon, особливо в спекотних і перевантажених частинах США – похідне від “Уотергейт” і “швидка зарядка”.

Рідинне охолодження – галузевий стандарт

Той факт, що надмірне нагрівання під час швидкої зарядки є небезпечним, стосується не лише Nissan, а є фізичним принципом, який стає проблемою, особливо під час нічних заправок. “Чим коротший час заряджання, тим більше нагрівається батарея. Якщо ви нагріваєте її занадто сильно, ви руйнуєте її зсередини”, – пояснює Періллат.

Сприйнятливість елементів до нагрівання є однією з найбільших перешкод на шляху до скорочення часу заряджання. Станції швидкої зарядки для автомобілів зараз мають стандартну потужність до 400 кВт, але багато автомобілів регулюють їхню потужність до рівня значно нижчого за 200 кВт з міркувань захисту акумулятора. Належного скорочення часу заряджання таким чином досягти неможливо. Компанія Nissan пом’якшила температурну проблему з Leaf, використавши дещо більш щедре програмне забезпечення для зарядки, але її не можна було вирішити без фундаментального технічного втручання. Тому в своєму останньому електромобілі, кросовері Ariya, японці покладаються на рідинне охолодження, яке в цілому стало галузевим стандартом.

З близько 200 варіантів електромобілів, які зараз доступні в Європі, лише кілька моделей все ще не використовують активне регулювання температури за допомогою рідини. Renault, наприклад, використовує повітряне охолодження у своєму компактному автомобілі Zoe, а VW взагалі не використовує активне охолодження у своєму E-Up, який оптимізовано для міського руху. Активне рідинне охолодження є стандартним для всіх інших сучасних моделей електромобілів. З його допомогою батарею можна не тільки ефективно охолоджувати, але й нагрівати. Це особливо важливо восени та взимку, оскільки літій-іонні батареї оптимально функціонують лише в температурному діапазоні від 20 до 40 градусів Цельсія – як з точки зору віддачі енергії під час руху, так і особливо з точки зору поглинання енергії під час заряджання. Тому нові електромобілі також використовують управління температурою для попередньої кліматичної підготовки акумуляторної батареї перед запланованою зупинкою зарядки. Подальша заправка відбувається набагато швидше, ніж з холодним акумулятором.

Хоча активне рідинне охолодження набуло поширення в останні роки, все ще існує великий потенціал для оптимізації. “Якщо у вас ідеальне охолодження, ви можете заряджати вдвічі швидше, ніж з менш ефективним охолодженням”, – каже Перілла. Тому спільно з французькою нафтогазовою та енергетичною компанією Total компанія Valeo розробила новий тип системи охолодження, в якій елементи “купаються” в новому типі діелектричної охолоджувальної рідини. Порівняно із зовнішнім охолодженням, таке внутрішнє охолодження має забезпечити особливо ефективне відведення тепла від батареї. Серійне впровадження може відбутися найближчим часом.

Mahle робить ставку на компактний дизайн

Але вдосконалення можливе і за рахунок менш фундаментальних втручань. Штутгартський постачальник Mahle прагне зменшити витрати і складність системи охолодження за рахунок компактної конструкції і водночас підвищити ефективність. Наприклад, теплообмінник, насоси охолоджувальної рідини, конденсатор, датчики і клапани об’єднані в одному блоці. Це має знизити витрати і підвищити ефективність. Компанія обіцяє до 20 відсотків більший діапазон у порівнянні з чистою архітектурою електронного нагрівача. Вища продуктивність охолодження також покращує можливість швидкого заряджання.

Крім того, системи терморегулювання стають все більш інтелектуальними та комплексними. Наприклад, тепло, що відводиться від батареї, використовується в інших місцях, наприклад, взимку для обігріву салону, наприклад, у поєднанні з тепловим насосом. Тоді тепловому насосу потрібна лише невелика кількість електроенергії для обігріву салону, використовуючи всі доступні джерела тепла всередині і зовні автомобіля. Якщо в автомобілях з двигуном внутрішнього згоряння кондиціонування двигуна та салону все ще чітко розділені, то в електромобілях вони все частіше розглядаються разом, щоб знайти найбільш ефективні та економічно вигідні рішення.