Радиаторы: история продолжается

Несмотря на все принципиальные отличия электромобилей от традиционных автомобилей, приводимых в движение выделяющим огромное количество тепла двигателем внутреннего сгорания, они так же нуждаются в системе охлаждения. А значит, и в одном из ключевых компонентов данной системы – радиаторе.

Важность системы охлаждения

Непрекращающееся совершенствование аккумуляторных батарей для электромобилей позволило достичь многих положительных результатов. Они стали более мощными и стойкими к саморазряду, надежными и энергоемкими, требующими менее частой зарядки и безопасными. Однако по-прежнему одной из самых актуальных проблем, или, точнее, задач, остается обеспечение максимально стабильного температурного режима их эксплуатации.   

Эта проблема/задача многогранна. Дело в том, что нагрев аккумуляторных батарей электромобилей происходит не только во время зарядки, но и при разрядке. И чем быстрее батарея разряжается, тем больше тепла она выделяет.

В этом нет ничего удивительного, поскольку это напрямую связано с принципом действия батареи, с протекающими в ней электрохимическими процессами, противопоставить которым мы можем только достаточно производительную систему охлаждения. Иначе аккумуляторы очень быстро перестанут исправно функционировать, их потребительские характеристики начнут энергично деградировать, срок службы стремительно сокращаться.

При этом надо учитывать, что изменение температур происходит не только внутри, но и снаружи батареи. Зимние холода, нагрев ярким летним солнцем… А оптимальный температурный диапазон, в общем-то, довольно узок и лежит в границах 20–40 градусов по Цельсию.

И ни в коем случае нельзя забывать про минимальную разницу температур внутри аккумуляторного модуля (не более 5 градусов), несоблюдение которой также грозит достаточно неприятными последствиями – если разница температур увеличится, это может привести к нарушению синхронности заряда и разряда каждой ячейки и значительно ухудшить характеристики батареи в целом.

То есть несоблюдение температурных режимов и, что немаловажно, термостабильности (неравномерное распределение температуры в аккумуляторном блоке) влечет за собой целый букет проблем, включающих снижение емкости, тепловой разгон и пожар и проч. Так что и в электромобиле без адекватной системы охлаждения (даже если мы не берем в расчет кондиционирование воздуха в салоне) не обойтись.

Возможные варианты

Системы терморегулирования аккумуляторных батарей по-прежнему являются предметом тщательных исследований. Существует несколько способов охлаждения аккумулятора электромобиля с помощью материалов с фазовым переходом, ребер охлаждения, воздуха или жидкого хладагента. Рассмотрим каждый из этих способов в отдельности.

Материал с фазовым переходом поглощает тепловую энергию, переходя из твердого состояния в жидкое, – при изменении фазы материал может поглощать большое количество тепла с небольшим изменением температуры. Системы охлаждения посредством материалов с фазовым переходом способны удовлетворить требования к охлаждению аккумуляторной батареи, однако изменение объема, которое происходит во время фазового перехода, ограничивает их применение. Кроме того, материал с фазовым переходом может только поглощать выделяемое тепло, но не отводить его. Из-за всех этих нюансов материалы с фазовым переходом не подходят для использования в транспортных средствах.

Ребра охлаждения увеличивают площадь поверхности для повышения скорости теплопередачи: тепло отводится от аккумуляторной батареи к ребру за счет теплопроводности, а от ребра к воздуху вследствие конвекции. Ребра обладают высокой теплопроводностью и могут обеспечивать хорошее охлаждение, но создают большой дополнительный вес.

Ребра охлаждения получили распространение в электронике. К тому же они традиционно использовались в качестве дополнительной системы охлаждения на транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания. Тем не менее от применения ребер для охлаждения аккумулятора электромобиля отказались, поскольку дополнительный вес ребер перевешивает преимущества охлаждения.

В воздушном охлаждении используется принцип конвекции – когда воздух проходит по поверхности, он уносит тепло, излучаемое аккумуляторной батареей. Конструкция систем воздушного охлаждения довольно проста и легко реализуема, но само по себе воздушное охлаждение не очень эффективно по сравнению с жидкостным охлаждением.

Кроме того, деградация батарей, нагрев которых устраняется посредством воздушной системы охлаждения, ощутимо выше, нежели аккумуляторов, охлаждаемых за счет жидкости. Компания Geotab собрала и проанализировала статистику 6300 электромобилей, принадлежащих как юридическим, так и физическим лицам, и выяснила, что средний показатель деградации у Nissan Leaf (2015 м. г., воздушное охлаждение) составляет 4,2% в год, тогда как у Tesla Model S (2015 м. г., жидкостное охлаждение) он равен 2,3%.

Из всего вышеизложенного можно сделать очевидный вывод – контроль температуры является одним из важнейших способов защиты от потери емкости. И хотя воздушное охлаждение нашло применение на ранних версиях электромобилей, сейчас подавляющее большинство автопроизводителей от таких систем отказались в пользу жидкостного охлаждения.

Другой альтернативы нет

Охлаждающие жидкости имеют более высокую теплопроводность и теплоемкость, чем воздух, а значит, работают значительно эффективнее, обеспечивая такие преимущества, как компактность системы, простота ее размещения, прогнозируемая производительность в разных погодных условиях. И хотя для систем жидкостного охлаждения также характерны определенные проблемы, связанные с возможными утечками и утилизацией, именно эти системы сегодня используют Tesla, Jaguar, BMW, Ford, Chevrolet и прочие авторитетные бренды в своих электромобилях.

Исследовательская группа из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (США) и Национального исследовательского центра сетевых технологий (Китай) сравнила четыре различных метода охлаждения пакетных литий-ионных АКБ: воздушное, непрямое жидкостное, прямое жидкостное и ребра охлаждения. Результаты показывают, что:

• система воздушного охлаждения требует в 2–3 раза больше энергии, чем другие технологии, для поддержания аналогичной средней температуры;
• система непрямого жидкостного охлаждения обеспечивает самый низкий рост температуры;
• ребра охлаждения добавляют около 40% дополнительного веса.

При этом непрямое жидкостное охлаждение является более практичной технологией, чем прямое жидкостное охлаждение, хотя его охлаждающая способность немного ниже. Но вне зависимости от того, какой системе жидкостного охлаждения батарей электромобилей отдают предпочтение автомобилестроители, она в любом случае нуждается в радиаторе, поскольку именно радиатор отвечает за рассеивание тепловой энергии, переносимой охлаждающей жидкостью. То есть привычные теплообменники никуда не денутся, они по-прежнему останутся в составе системы охлаждения транспортного средства, играя в ней одну из ключевых ролей.

Основные требования

И эта роль никак не переменится – так же как и в автомобилях с ДВС, в электромобилях радиаторы спроектированы таким образом, чтобы значительная часть общего количества охлаждающей жидкости могла находиться в трубках и имела большую площадь контакта с атмосферой для эффективного охлаждения. Физические законы не изменишь даже в наш высокотехнологичный век – чем больше площадь, тем лучше работает система. При этом радиатор должен:

• иметь производительность, соответствующую автомобилю (мощность двигателя/ей и электрооборудования, климатические условия, скоростные характеристики);

• быть достаточно герметичным при рабочем давлении контура;

• быть стойким к вибрациям и небольшим деформациям;

• выдерживать резкие повышения давления при пуске двигателя/ей;

• противостоять коррозии от внешней окружающей среды;

• иметь гладкую поверхность без заусенцев и царапин;

• иметь соответствующие размеры креплений для легкой и быстрой установки;

• выдерживать нагрузки от прикрепленных внешних компонентов (вентилятор, конденсор и т.д.).

И, соответственно, по аналогии с системой охлаждения обычного автомобиля с ДВС система охлаждения электромобиля должна регулярно проверяться для поддержания ее эффективной работы. Причем при возникновении необходимости не исключены слив охлаждающей жидкости и ее замена. А радиатор надо проверять на критичность выявленных повреждений и способность эффективно проводить поток охлаждающей жидкости.

Рыночные перспективы

В полном соответствии с технологическими приоритетами строят свои сценарии аналитики рынка. В частности, агентство Goldstein Research прогнозирует рост мирового рынка автомобильных радиаторов со среднегодовой динамикой + 4,1% в течение 2020–2030 гг. К 2025 году он превысит 8,70 млрд долл., в 2027 г. преодолеет отметку в 10 млрд долл. и в 2030 г. достигнет 12,4 млрд долл.

Преобладающая доля рынка по-прежнему останется за алюминиевыми теплообменниками (70% рынка в 2020 г.), но все большую конкуренцию им за счет небольшого веса и высоких потребительских свойств будут составлять радиаторы, изготовленные из композитных материалов, таких как, например, полиамид, армированный стекловолокном.

Главный драйвер данного роста заключается в увеличении объемов продаж новых автомобилей, причем, как мы уже отметили, совершенно не важно, какими силовыми агрегатами эти автомобили будут оснащаться, – теплообменники будут нужны и электромобилям, и традиционным автомобилям с ДВС, и гибридам.

Причем постоянно ужесточающиеся экологические нормативы, введение строгих правил в отношении сокращения так называемого «углеродного следа» в среднесрочной перспективе подстегнут более энергичное замещение автомобилей с ДВС гибридными транспортными средствами. А, как известно, гибридным ТС наряду с обычными теплообменниками требуются дополнительные низкотемпературные радиаторы для регулируемого охлаждения аккумуляторной батареи. Таким образом, повышение спроса на эти низкотемпературные теплообменники во многом усилит рост рынка автомобильных радиаторов.

Принципиальная задача

И заметьте, пока мы говорили только об охлаждении аккумуляторной батареи. Но тепло в электромобилях выделяют, причем весьма обильно выделяют, также и другие компоненты: инвертор, преобразователь, электродвигатель. Кроме того, система кондиционирования по-прежнему требует охлаждения, как и в автомобилях с ДВС.

То есть производительность системы охлаждения в электромобиле должна быть не то что не меньше, но даже и выше. К тому же, как уже было отмечено, значение в такой технике имеет не только производительность сама по себе, но и термоменеджмент в контексте эффективного управления процессами теплообмена и теплоотвода.

Как наилучшим образом решить эту задачу, понимая, что, в общем-то, концепция систем охлаждения обоих типов транспортных средств одинакова? И там и там есть контур жидкого хладагента, который проходит через компоненты, требующие охлаждения, или вокруг них. Затем горячая охлаждающая жидкость поступает в радиатор, где охлаждается вентилятором и потоком набегающего воздуха.

Каждый производитель решает эту задачу по-своему.

Еще больше радиаторов

В 2019 г. легендарный британский Lotus (уже, правда, вошедший в состав китайской Geely и потому не совсем британский, но все еще легендарный) представил публике свой новый электрокар – Evija. 1680-килограммовый монстр оснащается четырьмя электромоторами, суммарно выдающими 2000 л.с. и 1700 Нм, что вдвое превышает показатели супергибрида Ferrari SF90 Stradale. Тяговая аккумуляторная батарея имеет емкость 70 кВт∙ч. Разгон до сотни занимает менее 3 сек. Еще примерно через 3 сек. разменивается вторая сотня. И на рубеже 10 сек. после старта Lotus Evija достигает сумасшедших 300 км/ч. А максимальная скорость болида – 340 км/ч.

И хотя запаса хода Lotus Evija в режиме форсажа хватает только на 7 минут, несложно представить, какое огромное количество тепла выделяется электромобилем во время динамичного разгона. Чтобы обеспечить его узлам и агрегатам надлежащее охлаждение, британским инженерам не оставалось ничего иного, как использовать сразу 4 радиатора, причем для придания кузову наилучшей аэродинамической формы и оптимального распределения массы по осям они были размещены позади сидений. Но это не сильно ухудшало их производительность, поскольку все-таки основной охлаждающий эффект достигается за счет воздуха, нагоняемого вентилятором. Ну и площадь – про площадь всегда надо помнить, поскольку площадь охлаждающей поверхности – это фактически равнозначный по значимости параметр.

Еще больше охлаждающей жидкости

Немцы из Audi пошли иначе, хотя руководящий принцип, по сути, идентичен. В конструкции системы охлаждения своего Audi e-tron, построенного на базе прогрессивной платформы MLB evo, они не стали увеличивать количество теплообменников. Полноприводный электрокар, снимающий на пике мощности с обоих электродвигателей 300 кВт и имеющий запас хода более 300 км, комплектуется системой охлаждения с одним радиатором, но объемом охлаждающей жидкости 20 литров.

Она проходит не только внутри электромоторов (здесь их два – спереди и сзади), но и через сеть аккумулятора, а также климатическую систему. Это позволяет в холодное время года существенно сокращать энергозатраты на обогрев, увеличивая дальность хода электромобиля, и, по сути, практически один в один повторяет принципы классического автомобиля с ДВС.

Однако даже такая мощная система охлаждения не справляется с перегревом электрических силовых агрегатов в фирменном S-режиме (форсированное ускорение), из-за чего его продолжительность ограничена лишь 8 секундами. При этом последующая активация без достаточного перерыва дает лишь около 50% мощности.

Впрочем, к поддержанию температурного баланса в холодное время года система вполне подготовлена – инженеры Audi заявляют, что проблем с автомобилем не возникнет вплоть до температуры окружающего воздуха минус 30 градусов. Но все же советуют оставлять Audi e-tron подключенным к электричеству, если столбик термометра опустился ниже минус 10 градусов.

В общем, как вы видите, будущее радиаторов и жидкостных систем охлаждения вполне благополучно. Даже в электромобильную эпоху они не потеряют своей актуальности, неизменно оставаясь в строю. А значит, приобретенные навыки обращения с ними окажутся весьма полезны.