Akkumulátorok hűtése, hőmenedzsmentje elektromos járművekben

Napjainkban az elektromos autók által alkalmazott technológiák kapcsán több kérdés is felmerül. Ilyen kérdés például a vásárlók részéről az akkumulátor degradációjának várható mértéke, ennek kezelése, a mérséklési lehetőségek. Az alábbi cikkünkben a BEV járművek akkumulátorainak napjainkban alkalmazott hűtési megoldásait vizsgáljuk meg, hiszen az egyik legnagyobb kihívás továbbra is a hatékony hűtőrendszer kialakítása a járművekben.

A napjainkban szalonokban megvásárolható elektromos autókba az esetek többségében lítium-ion akkumulátor csomag kerül beépítésre. Az akkumulátor a két oldala közötti feszültségkülönbség elvén működik – ha nagy belső hőmérséklet különbség jellemző, az rontja a teljesítményét, mert a magas hőmérsékleten a benne levő elektronok gerjesztődnek.

A BEV járművek akkumulátorainak hűtése kétféleképp történhet: léghűtéssel vagy folyadékhűtéssel. Cikkünkben ezt a két típusú hűtési módot vizsgáljuk meg és végül konklúziót is vonunk a tanultakból: melyik hűtési mód a jobb megoldás.

Léghűtés

A léghűtés során a BEV (Battery Electric Vehicle, vagyis a teljesen elektromos) jármű a beáramló levegőt használja az akkumulátor hőmérsékletének csökkentésére. A léghűtés régebbi, kezdetlegesebb módszer, amely aktív és passzív formában létezik. Az aktív léghűtés folyamán az autóba egy légkondicionáló kerül beépítésre, amely egy fűtőtestet és egy párologtatót tartalmaz. A passzív hűtés folyamán a hőelvezetés mértéke minimális nagyságú, csupán néhány száz wattot jelent. Itt az autó a környezetből beérkező levegőt használja a hűtésre. Ez a legegyszerűbb és legolcsóbb hűtési mód, főleg kicsi és olcsó elektromos autókban alkalmazzák, ilyen például a Volkswagen E-up. A gyorstöltés elterjedésének következtében a passzív léghűtést a gyártók már kevésbé alkalmazzák, mert a gyorstöltés folyamán az akkumulátor hűtési igénye nagyobb és a passzív léghűtés nagyobb degradációval járna.

A léghűtésnél szofisztikáltabb megoldás a folyadékhűtés, amelyet az alábbiakban ismertetünk.

Folyadékhűtés

A folyadékhűtés a legelterjedtebb megoldás a napjainkban forgalomban levő elektromos járművek között. Ebben az esetben valamiféle hűtőközeg, hűtőfolyadék, például víz vagy etilén-glikolt használnak, ezt áramoltatják a cellák köré.

Itt szintén aktív és passzív rendszerek különböztethetőek meg. Az aktív rendszerek sajátossága, hogy jobb teljesítménnyel rendelkeznek, de drágábbak és bonyolultabbak, viszont lehetővé teszik a hőmérséklet jobb és könnyebb szabályozását. Több alkatrészt is tartalmaznak, például hőszivattyút, hőcserélőt, keringető szivattyút, szelepeket és hőmérséklet érzékelőket. Ebből kifolyólag a rendszer meghibásodása esetén magasabb javítási költségekkel kalkulálhatunk.  A passzív rendszerek esetén a környezeti levegő hűti le a folyadékot.

A folyadékhűtés hátrányai közé sorolható a szivárgás megjelenése a csőcsatlakozásoknál – ez az akkumulátor öregedésekor jelenik meg jellemzően. Amennyiben a nedvesség a szigetelésen is átjut, a rendszer le is állhat. Az akkumulátormodulok, a csatlakozások a szivattyúk és szelepek sértetlensége emiatt is kulcsfontosságú. A hűtőfolyadékrendszerekre jellemző korrózió a hűtőfolyadék megfelelő gyakorisággal történő cseréjével megelőzhető.

A passzív és aktív rendszereken kívül azonban más megoldások fejlesztése és tesztelése is zajlik napjainkban: ez a közvetlen és a közvetett folyadékhűtés.

A közvetlen folyadékhűtés esetén a hűtőfolyadékkal közvetlenül érintkezik az akkumulátor.  A rendszer fejlesztés alatt áll jelenleg, még egyetlen autó sem rendelkezik ilyennel az utakon. A megvalósítás azért is nehezebb ebben az esetben, mert a folyadék közvetlenül érintkezik az akkumulátorral és a hűtőfolyadéknak alacsony vezetőképességűnek kell lennie. Ez teljesen különbözik a megszokott, ICE (Internal Combustion Engine, vagyis belső égésű motor) -ban használt hűtőfolyadékoktól, amik nagy vezetőképességgel bírnak.

A közvetett rendszerek esetén fémcsöveken keresztül történik a folyadék keringetése, így távolítva el a magas hőt az akkumulátorpakktól. A hűtőfolyadék anyagát tekintve glikol vagy poliglikol ebben az esetben. A fémcsövek estén korrózió léphet fel, mert a hűtőfolyadékban levő szennyeződések pozitív töltést kapnak és azok kölcsönhatásba kerülnek a fémmel. A korrózió elkerülése érdekében különböző adalékanyagokat használnak.

Miért is fontos a hűtés?

Az akkumulátorok élettartalma nagymértékben függ a hőmérsékleti körülményektől – a működés közbeni hőmérséklet szabályozásával hosszabb élettartam érhető el. A leginkább 20-25 °C között érzik „jól” magukat. Működés közben a -30°C és 50°C közötti tartomány jellemző, 70°C és 100°C között hőkitörés jelensége léphet fel, amikor is egy láncreakció folyamán az akkumulátor egyetlen cellájának meghibásodása begyújtja a körülötte levő cellákat. A gyorstöltés folyamán mindenképpen hűtésre van szükség, mert az akkumulátorba jutó nagy áram többlet hőt termel és a nagyobb töltési sebesség szinten tartása érdekében hűtésre van szükség.

További gyakori problémák: öregedés és az éghajlat okozta kihívások

Az energiatároló egységek öregedésével az energia egyre nagyobb része „veszik el” a hőveszteség miatt. Ezért is célszerű a hőszabályozási rendszert nem az akkumulátor első éveire, hanem a később jelentkező nehezebb időszakokra tervezni.

Az autógyártók számára nagy kihívás a különböző kontinenseken jellemző éghajlatok kihívásainak megfelelően gyártani a járműveiket – ez a kihívás az elektromos járművek esetén fokozottan jellemző. A rendkívül alacsony hőmérséklet vagy éppen a nagy nyári meleg egyaránt megviseli az akkumulátorokat – ehhez az aktív hűtőrendszer az optimális megoldás abban az esetben is, amikor a jármű éppen nincs használatban.