Эффективный водяной термоменеджмент
Системы терморегуляции имеют решающее значение для зарядных станций и электромобилей.
Литий-ионные аккумуляторные батареи, применяемые в гибридных автомобилях и электромобилях, становятся все более эффективными, а значит и для зарядки электрических транспортных средств требуются высокоэффективные зарядные станции. В таких зарядных станциях все компоненты должны поддерживаться в оптимальном температурном режиме – во-первых, в виду того, что в процессе быстрой зарядки вся система сильно нагревается, и во-вторых, для предотвращения отрицательного влияния на дальность пробега и срок эксплуатации батареи. Эффективные системы терморегуляции на основе водяного охлаждения – вот идеальное решение. Наивысший уровень надежности обеспечивается пластиковой герметичной системой охлаждения с идеально подобранными друг к другу трубами и коннекторами, которые также можно оборудовать датчиками.
Электромобили и гибридные автомобили пользуются все большей популярностью, а значит повсеместно создается необходимая зарядная инфраструктура. Значительную роль в части популяризации автомобилей с электроприводом играет их дальность пробега. В целях постоянного ее увеличения и обеспечения гибкости в пути происходит постоянное увеличение плотности мощности литий-ионных батарей. В то же время все важнее становится сокращение времени зарядки гибридных автомобилей и электромобилей. Это требует и повышения эксплуатационной эффективности зарядных станций. Однако в процессе быстрой зарядки возникают значительные тепловые потери, а значит и большие объемы отходящего тепла. Для обеспечения постоянно высокого цикла зарядки необходимы эффективные системы терморегуляции.
Все компоненты, являющиеся источниками тепловых потерь, надлежит учесть.
Срок эксплуатации, мощность, а также безопасность литий-ионных аккумуляторов в значительной мере зависят от эксплуатационной температуры и температурных колебаний внутри каждой отдельной ячейки. Аккумуляторные батареи, равно как и системы аккумулирования энергии в принципе имеют различные требования в части температурного режима: К примеру, для достижения максимального срока службы средняя температура в батареях и их ячейках должна поддерживаться в пределах от 15 °C до 35 °C. Системы термоменеджмента позволяют поддерживать литий-ионные аккумуляторы на оптимальном тепловом уровне и снижать температурные перепады в ячейках до минимума.
Наряду с охлаждением аккумулятора, которому до сих пор уделялось первостепенное значение, необходимо также обратить внимание на охлаждение все более мощных систем, равно как и всего теплового контура. Сюда относятся, к примеру, конвертеры и радиаторы в автомобилях с электрическим приводом или кабельные и зарядные системы с резервуарами, насосами и нагревателями в зарядных станциях. Ведь все компоненты, потенциально выделяющие тепло, оказывают влияние на температуру и функциональность всей системы.
Жидкостное охлаждение, как идеальное решение для систем накопления энергии
Системы охлаждения выполняют задачи постоянного снижения температуры при одновременной передаче тепла. Это происходит путем отвода тепла от выделяющих компонентов и, по возможности, активирования данной тепловой энергии там, где это необходимо. Охлаждение может осуществляться двумя способами – посредством воздуха или воды. Воздух обладает малой теплоемкостью, а значит быстро поглощает тепло, что значительно осложняет процесс теплопередачи. Прочие недостатки систем терморегуляции на основе воздуха – значительный уровень шума и громоздкость.
Ввиду того, что современные системы могут накапливать все большие объемы энергии, а монтажного пространства для систем термоменеджмента зачастую недостаточно, жидкостному охлаждению уделяется все больший интерес – как для монтажа в зарядных станциях, так и в самих гибридных автомобилях и электромобилях. Вода поглощает тепло медленнее, чем воздух, а значит и ее коэффициент теплопередачи ниже. Таким образом при охлаждении водой возможно поглощение больших объемов тепла. Для того, чтобы достичь сравнимого уровня охлаждающей способности за счет воздуха, ввиду малой теплоемкости потребуется значительно больший объемный поток воздуха.
Константный поток воды ниже
Еще один важный аспект при оценке обоих вариантов – это их интенсивность потока: для того, чтобы достичь идеальной средней температуры ячеек батареи 35 °C, в системе с воздушным охлаждением требуется константный поток температурой около 13 °C. Систему с водяным охлаждением можно эксплуатировать уже при гораздо более высокой температуре 32 °C. Для получения такого же коэффициента охлаждения при помощи воздуха понадобится гораздо более высокая интенсивность потока, нежели с жидкостью. Отсюда можно сделать выводы, что конструкция систем на основе водяного охлаждения может быть значительно компактнее; при этом такие системы имеют техническое преимущество равномерного распределения тепла. Любую аккумуляторную батарею – будь то для грузовых или легковых автомобилей, автобусов или систем накопления энергии – можно доводить до нужной температуры непосредственно на охлаждающей пластине и подключить к общему циклу жидкостного охлаждения.
Надежная система труб – значимый элемент водяных систем охлаждения.
Для эффективной реализации теплопередачи в системах жидкостного охлаждения необходимы различные компоненты. Так в каждой системе водяного охлаждения установлены датчики для замера температуры среды. При использовании в регионах с более холодным климатом как правило встраивается элемент подогрева в целях компенсации чрезмерно низких температур. Трубы также играют ключевую роль в зарядных станциях – ведь в них поступает вода, которая затем передается по чувствительным кабельным системам к резервуарам, насосам и элементам подогрева.
В виду того, что монтажные пространства становятся все меньше и меньше, наиболее пригодным решением для систем охлаждения являются гибкие и одновременно стойкие к механическим нагрузкам гофрированные и гладкие пластиковые трубы. Они должны обеспечивать высокую пропускную способность и выдерживать эксплуатационное давление до четырех бар. Преимущества в равнении с резиновыми и металлическими изделиями заключаются, к примеру, в высокой эксплуатационной эффективности, простоте монтажа, малой массе и оптимизации потока. В системах с жидкостным охлаждением применяются трубы номинальным диаметром от 8 до 37.
Благодаря гибкой конструкции можно создать систему труб с учетом индивидуальных требований, к примеру, с жесткими расширительными элементами овальной формы, чтобы без труда обеспечить проход жидкости через узкие точки. При этом ни в коем случае не должна изменяться механическая прочность труб в результате термодеформации. Использование экструдированных труб из полиамида-12 (PA) необязательно; применяться могут также многослойные трубы различного дизайна в зависимости от сферы применения и давления в системе.
Согласованная система для наивысшего уровня безопасности
Ввиду того, что из соображений безопасности водяное охлаждение зарядных станций для электромобилей требует абсолютной герметичности, особое внимание также уделяется соединению труб. Быстросборные пластиковые соединения позволяют без труда осуществлять монтаж трубных систем в сфере термоменеджмента. Компактные вставные соединения также должны быть устойчивыми к температурным воздействиям, иметь длительный срок эксплуатации и обладать большим внутренним диаметром в зоне присоединения для обеспечения оптимального потока.
Системы жидкостного охлаждения в принципе не должны требовать обслуживания; в исключительных случаях применяются специальные запорные коннекторы (shut-off), оснащенные функцией, предотвращающей капание и обеспечивающей аккуратное техническое обслуживание. Так как системы водяного охлаждения длительно эксплуатируются и поддерживают батареи в оптимальном температурном режиме даже после остановки автомобиля, качество и добротность обработки сильно нагруженных компонентов оказывают решающее влияние на длительность срока службы. Согласованные, индивидуальные компоненты, разработанные по принципу «все из одних рук», предлагаются, к примеру, изготовителем продукции для термоменеджмента FRÄNKISCHE Industrial Pipes (FIP).
Помимо всего прочего, трубы и коннекторы должны основываться на распространенных стандартах в сфере соединительной техники. Для соединения аккумуляторных батарей, к примеру, может применяться стандарт Общества автомобильных инженеров SAE. В системах накопления энергии или зарядных станциях зачастую уже в точке сопряжения в качестве сопрягаемой детали используется коннектор, соответствующий стандарту Ассоциации автопроизводителей Германии VDA.
Повышение эффективности зарядных станций и электромобилей за счет водяного охлаждения
Подытоживая, можно сделать вывод, что водяное охлаждение обеспечивает эффективную передачу больших объемов тепла при относительно малом коэффициенте потока. Это позволяет улучшить уровень постоянной охлаждающей способности в сравнении с воздухом. А значит концепция на основе воды отлично подходит для систем с высокой потребностью в части накопления энергии, таких как зарядные станции и сами автомобили с электрическим приводом. Для реализации устойчивой передачи тепла требуется идеально согласованное системное решение, включающее в себя гибкие и в то же время прочные пластиковые трубы и надежные коннекторы.
