Kaip elektriniai automobiliai, tokie kaip „Tesla“, „Ford“ ir „GM“, palaiko baterijų vėsumą

Elektromobilių akumuliatorių aušinimo technologijos per maždaug tris dešimtmečius smarkiai patobulėjo. Anksčiau sprendimai buvo gana primityvūs ir ne visada veiksmingi: pavyzdžiui, vienas ankstyvųjų GM elektromobilių modelių 1999 m. buvo perprojektuotas, pritaikant oro kanalą, kad geriau vėsintų pasirenkamus nikelio metalo hidrido (NiMH) akumuliatorius. Vis dėlto net ir su tokiais patobulinimais akumuliatorius vis tiek kaisdavo per stipriai esant dideliems karščiams. Šiandien situacija visai kita: naudojami pažangūs cilindriniai, prizminiai ir „pouch“ tipo ličio jonų (Li-ion) elementai, kurių temperatūra valdoma skysčiu (dažniausiai etilenglikolio pagrindo aušinimo skysčiu) ir aktyvaus oro sprendimais, kad automobilis patikimai dirbtų tiek šaltyje, tiek karštyje.

Oru aušinamos baterijos: pasyviai paprasta, aktyviai ribota

Pasyvus aušinimas oru yra konstrukciškai paprastas ir nebrangus: baterija šilumą atiduoda aplinkai be papildomų ventiliatorių ar aušinimo kontūrų. Tokią schemą galima rasti ankstyvuose elektromobilių modeliuose, tačiau jos galimybės ribotos – ypač kai baterijai tenka dažnai greitai įkrauti arba atiduoti didelę galią.

Aktyvus aušinimas oru žengia vieną žingsnį toliau: temperatūra valdoma ventiliatoriais arba naudojant iš salono klimato sistemos (HVAC) tiekiamą atvėsintą orą. Nors tai efektyviau už pasyvų variantą, šiuolaikinių elektromobilių galios lygiams ir greito įkrovimo režimams tokia schema dažnai tampa per silpna. Dėl to daugeliu atvejų pranašesnis yra netiesioginis skysčiu aušinamas sprendimas.

Kodėl tiesioginis skysčio kontaktas su baterija praktiškai nenaudojamas

Teoriškai bateriją būtų galima vėsinti taip, kad skystis tiesiogiai liestųsi su elementais. Praktikoje masinės gamybos elektromobiliuose tai beveik nesutinkama, nes aušinimo terpė turėtų būti visiškai nelaidi elektrai – priešingu atveju atsirastų trumpojo jungimo rizika. Dėl saugumo ir patikimumo renkamasi sprendimus, kuriuose skystis teka atskiruose kanaluose, o šiluma perduodama per metalą ar kitą šilumai laidų sluoksnį.

Skysčiu aušinamos „šaltos plokštės“: dažniausias sprendimas

Didžioji dalis šiuolaikinių elektromobilių naudoja vadinamąsias šaltas plokštes (aušinimo plokštes). Tai plokščios metalinės detalės su integruotais aušinimo skysčio kanalais, pritvirtintos tiesiai prie baterijos elementų apačios. Tokios plokštės dažniausiai gaminamos iš aliuminio lydinių, nerūdijančio plieno arba vario. Priklausomai nuo konstrukcijos, jos gali vėsinti vieną elementų sluoksnį arba du iš karto. Šį principą taiko tokie gamintojai kaip „Rivian“, „Hyundai“, „Ford“, GM ir „Lucid“.

Tesla požiūris: aušinimas per šoną ir vamzdelių tinklas

„Tesla“ dažniau renkasi kitokią logiką: aušinimo skysčio vamzdeliai išvedžiojami tarp cilindrinių elementų taip, kad šiluma būtų paimama per šoninius paviršius. Toks sprendimas per laiką buvo ne kartą koreguotas, siekiant tikslesnės temperatūros kontrolės.

Viename ankstesnių „Model S P85D“ variantų vienas aušinimo kontūras aptarnaudavo 444 elementus, tačiau aušinimo skystis kelionės pabaigoje įšildavo – ypač dėl didelio elementų skaičiaus. Vėliau, „P100D“ versijoje, sistema buvo pertvarkyta į du kontūrus, kurių kiekvienas vėsino po 258 elementus. Dar toliau žengta „Model S Plaid“: čia naudojama 11 atskirų aušinimo vamzdelių, o vienam vamzdeliui tenka po 144 elementus.

Keitėsi ne tik kontūrų skaičius, bet ir jų forma. Iki 2017 m. aušinimo kanalai dažniau būdavo gana tiesūs, todėl lietė tik nedidelę kiekvieno elemento šono dalį. Nuo 2018 m. plačiau pradėtas taikyti „gyvatėlės“ tipo (serpantininis) išvedžiojimas, kuris ženkliai padidino kontakto plotą ir pagerino šilumos nuvedimą.

Plokštės prieš vamzdelius: skirtingos stipriosios pusės

Nors „Tesla“ daug dėmesio skiria aušinimui tarp elementų, šaltos plokštės turi du svarbius privalumus. Pirmasis – dėl konstrukcijos ypatybių tokiu būdu dažnai patogiau išdėstyti daugiau elementų horizontalia kryptimi. Antrasis – aušinimas per elementų apačią gali būti efektyvesnis, nes ten (anodo zonoje) susikaupia reikšminga šilumos dalis. Bet kuriuo atveju, temperatūrą nuolat stebi davikliai ir valdymo algoritmai, kad baterija išliktų saugiame ir praktiškai naudojamame režime.

Kaip gamintojai skirtingai įgyvendina tą pačią idėją

Nors principas panašus, realūs sprendimai skiriasi. Vieni gamintojai siekia maksimalios šiluminės sklaidos mažindami tarpinį sluoksnį tarp elemento ir plokštės, kiti naudoja storesnį klijų sluoksnį, kuris padidina atstumą ir gali pabloginti šilumos perdavimą. Skiriasi ir architektūra: vienur montuojamos atskiros plokštės kiekvienam baterijos moduliui, kitur pasirenkama viena didelė plokštė visai baterijos struktūrai. Yra ir sprendimų, kai aušinimo plokštės įterpiamos tarp elementų sluoksnių, kad vienu metu būtų vėsinamos dvi „pakopos“.

Kai reikia ne tik vėsinti: baterijos pašildymas didelės galios režimams

Aušinimo sistema kai kuriais atvejais atlieka ir priešingą funkciją – sušildo bateriją iki geriausios darbinės temperatūros, kai reikia maksimalios galios. Pavyzdžiui, „Hummer EV“ baterijų konstrukcijoje aušinimo plokštės montuojamos ant atskirų baterijos paketų masyviame plieniniame korpuse. Tokios plokštės gali veikti ir kaip šildymo plokštės, kad įsijungus „Watts To Freedom“ (WTF) režimui baterija pasiektų optimalią temperatūrą ir automobilis galėtų atiduoti pilną 1 000 AG galią. Šio modelio šilumos siurblys taip pat gali vėsinti elektros variklius, kad būtų pasiektas aukščiausias efektyvumas.

Medžiagos ir konstrukcija: plienas prieš aliuminį

„Ford F-150 Lightning“ taip pat taiko aušinimo plokštes, tačiau baterijų paketai montuojami aliumininiuose korpusuose, o ne plieniniuose. Aliuminis yra lengvesnis ir geriau išsklaido šilumą, todėl toks pasirinkimas turi aiškią inžinerinę logiką. Tuo tarpu „Hummer EV 3X“ atveju masė nėra prioritetas: modelis siejamas su 1 000 AG galia ir ypač dideliu sukimo momentu. Racionaliau vertinant, realistiškesnis sukimo momento intervalas nurodomas apie 1 356–1 491 Nm, nors komunikacijoje kartais pateikiami gerokai didesni skaičiai.

Ilgesnio nuotolio „Ford F-150 Lightning“ versija su 580 AG ir 1 051 Nm vis tiek yra labai galinga, tačiau tai vis dar kita klasė lyginant su „Hummer EV“. Be to, jei maksimalios galios režimui „Hummer“ bateriją vis tiek reikia pašildyti, plieno šiluminės savybės gali būti ne tokios reikšmingos, kaip atrodytų iš pirmo žvilgsnio. Neatsitiktinai šis modelis dažnai minimas tarp mažiausiai efektyvių elektromobilių rinkoje.

Kur link juda elektromobilių baterijų aušinimas

Aušinimo sprendimų įvairovė yra milžiniška, todėl išsamiai aprašyti kiekvieną sistemą reikštų labai ilgą techninį pasakojimą. Bendras vaizdas aiškus: pasyvus aušinimas oru praktiškai pasitraukė iš šiuolaikinių elektromobilių, aktyvus oro aušinimas tapo reta išimtimi, o skysčiu paremtos sistemos įsitvirtino kaip dominuojantis standartas.

Vis dėlto net ir skysčiu aušinamoje kategorijoje vyksta nuolatinė „mikro-evoliucija“: keičiasi elementų formatai, kanalų geometrija, klijų sluoksniai, modulių sandara ir net pačių elementų konstrukcija, pavyzdžiui, prizmės formos sprendimai su nestandartine (U formos) geometrija. Kurie pakeitimai pasirodys geriausi realiomis naudojimo sąlygomis, galutinai paaiškės tik toliau tobulėjant elektromobilių technologijoms.