Mobil listrik, manajemen termal: suhu kerja baterai, pendinginan cairan dan udara, pompa panas, pendinginan motor dan inverter, pengaruh suhu pada pengisian cepat, dan AC kabin

Sebuah rumah sakit memakai mobil listrik untuk mengantar dokter tamu dan sampel laboratorium. Mobil diparkir di lantai atap gedung parkir yang tidak beratap. Pada suatu siang terik, sopir menunggu dokter selama satu jam dengan AC menyala, lalu mengisi cepat di stasiun pengisian dekat rumah sakit. Daya pengisian mula-mula tinggi, tetapi beberapa menit kemudian turun jauh, dan pengisian dari 20 ke 80 persen memakan hampir dua kali waktu pengisian yang sama pada pagi hari. Layar kendaraan menunjukkan suhu baterai 41 °C. Sopir menduga stasiun pengisiannya rusak dan melapor ke teknisi rumah sakit.

Stasiun itu tidak rusak. Baterai, motor, inverter, dan kabin semuanya menghasilkan atau menerima panas, dan kendaraan membagi kemampuan pendinginannya di antara mereka. Bab ini menjelaskan cara kerja sistem termal itu, mengapa pengisian dibatasi saat baterai panas, berapa energi yang dipakai AC kabin, dan pekerjaan apa yang boleh dan tidak boleh dilakukan teknisi gedung.

Batas pembahasan

Bab ini membahas sumber panas, rentang suhu kerja baterai, pengaruh suhu pada pengisian cepat, pendinginan udara dan cairan, rangkaian pendingin bersama, pompa panas dan AC kabin, gejala gangguan, dan batas pekerjaan. Resistans dalam, panas $I^2 R$, pengaruh suhu pada umur, dan larangan mengisi di bawah sekitar 0 °C dibahas di Bab 7 tentang baterai traksi; rugi motor dan inverter dan aliran kalor cairan pendingin di Bab 8; reaksi termal tak terkendali dan kebakaran baterai di Bab 9; membaca data suhu dan penurunan daya di Bab 10. COP dan siklus kompresi uap ada di Bab 17 · Fisika dan Bab 25 · Fisika; pompa kalor air panas di Bab 13 · Fluida & Termal dan batas pekerjaan refrigeran AC ruang di Bab 14 · Fluida & Termal. Arsitektur kendaraan ada di Bab 22 dan pengisian di gedung di Bab 24.

Angka suhu, setelan pendinginan, jenis cairan pendingin, dan jenis refrigeran setiap kendaraan berbeda dan diambil dari manual pabrik.

Sumber panas di kendaraan listrik

Panas di kendaraan listrik berasal dari empat tempat:

1. Baterai. Arus yang melewati resistans dalam menghasilkan panas $P = I^2 R$, seperti di Bab 7 tentang baterai traksi. Karena kuadrat arus, pengisian cepat dan akselerasi kuat memanaskan pak jauh lebih banyak daripada pengisian AC lambat.
2. Motor traksi dan inverter. Rugi tembaga, rugi besi, rugi konduksi, dan rugi pensaklaran menjadi panas, dengan $P_\text{rugi} = P_\text{keluar}(1/\eta - 1)$ dari Bab 8 tentang motor traksi dan inverter.
3. Pengisi di dalam kendaraan dan pengubah DC-DC. Keduanya elektronika daya yang ikut didinginkan cairan pada banyak kendaraan, seperti dicatat Bab 8.
4. Kabin. Sinar matahari lewat kaca, panas atap dan lantai, udara luar, dan penumpang.

$$P_\text{panas} = I^2 R$$

dengan $P_\text{panas}$ panas yang timbul di pak (W), $I$ arus pak (A), dan $R$ resistans dalam pak (Ω). Panas itu harus dibawa keluar. Bila tidak, suhu naik sampai pengendali menurunkan daya, seperti dijelaskan Bab 8 tentang kekurangan cairan atau kipas mati.

Rentang suhu kerja baterai

Menurut NREL, suhu tinggi mempercepat degradasi sel litium ion, suhu rendah menurunkan kemampuan daya dan energinya, dan manajemen termal diperlukan untuk menjaga sel di rentang yang diinginkan serta mengurangi perbedaan suhu antarsel. Pada suhu rendah elektrolit mengental sehingga kapasitas, jangkauan, dan daya turun, dan pendinginan biasanya diperlukan di lingkungan panas, pada arus sedang sampai besar, dan saat pengisian cepat.

Rentang suhu kerja optimal (optimal operating temperature range) adalah rentang suhu sel tempat baterai memberi kombinasi daya, efisiensi, dan umur yang baik. Rentang yang dikaitkan dengan laporan NREL kira-kira 15 sampai 35 °C, dengan rentang teoretis −10 sampai +50 °C; rentang lain yang dilaporkan lebih sempit, 16 sampai 25 °C. Karena angkanya berbeda, rentang di sini ditulis "kira-kira 15 sampai 35 °C, sebagian sumber lebih sempit", dan batas untuk satu kendaraan diambil dari manual pabrik.

Akibatnya bagi armada di Indonesia: suhu udara siang 30 sampai 35 °C sudah berada di batas atas rentang itu, dan mobil yang diparkir di bawah matahari dapat membawa baterai di atas rentang sebelum berjalan. Bab 7 tentang baterai traksi mencatat bahwa umur kalender baterai dapat turun kira-kira separuh setiap kenaikan suhu rata-rata sekitar 10 K di atas 25 °C. Parkir teduh dan pengisian pada jam yang lebih sejuk adalah tindakan perawatan, tidak hanya kenyamanan.

Suhu dan pengisian cepat

Daya pengisian DC ditentukan bersama oleh pengisi dan sistem manajemen baterai, dan turun ketika keadaan muatan tinggi atau baterai panas, seperti dijelaskan Bab 7. Pada kondisi panas, sistem pendingin baterai dapat kewalahan sehingga laju pengisian dibatasi untuk menjaga suhu, dan suhu udara luar yang tinggi di sebagian wilayah dunia dapat menaikkan suhu baterai lebih jauh dan menurunkan kecepatan pengisian atau mempercepat degradasi. Pada suhu dingin laju pengisian maksimum turun, dan pengisian cepat pada suhu rendah dapat menimbulkan pelapisan litium yang menurunkan daya dan jangkauan secara permanen.

Prapengondisian baterai (battery preconditioning) adalah pemanasan atau pendinginan pak sebelum pengisian cepat supaya suhunya berada di rentang yang mengizinkan arus besar. Prapengondisian dapat memperpendek waktu pengisian secara berarti. Di Indonesia yang relevan adalah pendinginan awal; banyak kendaraan melakukannya otomatis bila tujuan pengisian cepat dipilih di navigasi, tetapi fitur ini bergantung pada kendaraan.

Kasus pembuka mengikuti rantai ini: parkir di atap memanaskan pak, AC kabin yang tetap menyala berbagi kompresor dengan pendinginan baterai, lalu pengisian cepat menambah panas $I^2 R$. Sistem manajemen baterai meminta arus lebih kecil, dan pengisian 20 ke 80 persen memanjang (Contoh 2).

Pendinginan udara, cairan, dan pelat dingin

Pendinginan udara dipakai sebagian kendaraan lama dan hibrida kecil. Pelat dingin (cold plate) adalah pelat logam berongga tempat cairan pendingin mengalir, dipasang menempel pada modul baterai atau komponen elektronika daya untuk memindahkan panasnya ke cairan. Penukar panas refrigeran baterai (battery chiller) adalah penukar panas tempat refrigeran AC menguap dan mendinginkan cairan pendingin baterai.

Kalor yang dibawa cairan mengikuti persamaan yang sama dengan Bab 8 tentang motor traksi dan inverter:

$$\dot{Q} = \dot{m}\,c_p\,\Delta T \qquad \Rightarrow \qquad \dot{m} = \frac{\dot{Q}}{c_p\,\Delta T}$$

dengan $\dot{Q}$ laju kalor yang dibuang (kW), $\dot{m}$ laju massa cairan (kg/s), $c_p$ kalor jenis cairan (kJ/(kg·K)), sekitar 3,5 untuk campuran air dan glikol, dan $\Delta T$ kenaikan suhu cairan melewati pak (K). Massa pak sendiri juga menyimpan panas menurut $Q = m\,c\,\Delta T$ dari Bab 11 · Fisika tentang kalor jenis, sehingga pak yang sudah panas memerlukan waktu untuk didinginkan (Contoh 5).

Rangkaian bersama: motor, inverter, baterai, dan kabin

Banyak kendaraan menghubungkan rangkaian motor-inverter, rangkaian baterai, dan rangkaian refrigeran kabin lewat radiator, pompa, katup arah, dan penukar panas refrigeran. Pengendali termal memilih jalur menurut keadaan: saat jalan pelan, panas motor dibuang ke radiator; saat pengisian cepat di siang panas, kompresor AC mendinginkan baterai lewat penukar panas refrigeran; saat kabin dan baterai sama-sama meminta pendinginan, keduanya berbagi kapasitas kompresor yang sama.

Akibat praktisnya: satu kipas radiator, pompa, atau katup yang gagal dapat membuat beberapa sistem menurunkan daya bersamaan, misalnya AC kabin melemah dan pengisian cepat melambat pada saat yang sama. Gejala gabungan seperti ini menunjuk komponen bersama, bukan dua kerusakan terpisah. Pada mobil konvensional, satu rangkaian pendingin melayani mesin, seperti di Bab 20 tentang pendinginan mesin; pada mobil listrik, rangkaiannya lebih banyak tetapi suhunya lebih rendah.

Pompa panas dan COP

Pompa kalor (heat pump) adalah alat yang memindahkan panas dari medium bersuhu rendah ke medium bersuhu tinggi. Siklus pompa kalor dapat dilengkapi katup pembalik arah, dan siklus kompresi uap adalah siklus yang paling banyak dipakai pada lemari pendingin, AC, dan pompa kalor. COP pompa kalor diharapkan lebih besar dari satu, dan COP sangat bergantung pada rentang suhu kerja siklus.

$$\text{COP}_\text{L} = \frac{Q_\text{L}}{W} \qquad \text{COP}_\text{H} = \frac{Q_\text{H}}{W}$$

dengan $Q_\text{L}$ kalor yang diambil dari kabin atau baterai (kW), $Q_\text{H}$ kalor yang diberikan ke sisi panas (kW), dan $W$ daya listrik kompresor (kW). Definisi dan batas Carnotnya ada di Bab 17 · Fisika tentang hukum kedua termodinamika. Pada mobil listrik, rangkaian refrigeran yang sama dapat bekerja sebagai AC (mengambil kalor dari kabin atau baterai) atau, dengan katup pembalik, sebagai pemanas kabin.

Angka unjuk kerja pompa panas kendaraan berikut berasal dari iklim dingin. Simulasi kendaraan penuh pada suhu −20 sampai 40 °C menunjukkan efisiensi energi kendaraan berpompa panas sekitar 20 sampai 40 persen lebih tinggi daripada pemanas tahanan listrik pada cuaca dingin. Di Indonesia pemanasan kabin jarang diperlukan, sehingga yang menentukan adalah COP pendinginan kompresor AC listrik, beban AC saat menunggu dan macet, dan pendinginan baterai saat parkir panas dan pengisian cepat. Unjuk kerja refrigeran HFO-1234yf hampir sama dengan HFC-134a, dan AC mobil memerlukan prinsip rancangan khusus; refrigeran yang dipakai satu kendaraan dibaca dari label dan manual pabrik.

AC kabin di iklim tropis

Daya listrik AC kabin adalah beban pendinginan dibagi COP:

$$W = \frac{Q_\text{L}}{\text{COP}_\text{L}}$$

Beban pendinginan kabin bergantung pada matahari, warna dan kaca kendaraan, jumlah penumpang, dan seberapa sering pintu dibuka. Kompresor AC listrik bekerja tanpa mesin hidup, sehingga AC tetap menyala saat kendaraan berhenti, tetapi energinya diambil dari baterai traksi. Bagi armada hotel dan rumah sakit, waktu menunggu tamu atau dokter dengan AC menyala adalah konsumsi yang nyata dan dapat dihitung (Contoh 3 dan 4).

Kebiasaan yang membantu: parkir teduh atau beratap, mendinginkan kabin sebentar sebelum berangkat saat kendaraan masih tersambung ke pengisi bila fitur itu ada, setelan suhu yang wajar, dan filter kabin bersih seperti filter AC ruang di Bab 14 · Fluida & Termal tentang AC ruang. Pendinginan kabin saat tersambung mengambil energi dari jaringan, bukan dari baterai.

Gejala gangguan dan batas pekerjaan

Gejala yang menunjuk sistem termal, dengan arti persisnya dari manual dan data kendaraan:

1. Pesan suhu baterai atau penggerak tinggi, atau daya dibatasi, terutama saat tanjakan dan pengisian cepat.
2. Pengisian cepat yang selalu lambat walaupun baterai tidak panas, atau lambat di semua stasiun.
3. Kipas radiator tidak terdengar bekerja setelah pengisian cepat di siang panas.
4. Cairan pendingin di tangki ekspansi turun berulang, bekas basah atau kerak di bawah kendaraan, atau bau manis glikol.
5. AC kabin lemah bersamaan dengan pengisian lambat, yang menunjuk komponen bersama.

Pekerjaan teknisi gedung terbatas pada pengamatan dan pencatatan: membaca level cairan pada tanda tangki ekspansi bila manual mengizinkan, memeriksa kotoran di depan radiator dan kondensor dari luar, mencatat suhu baterai dan daya pengisian dari layar, dan mencatat pola menurut Bab 10 tentang diagnosis. Batasnya:

• Refrigeran. Membuka, memvakum, mengisi, atau memulihkan refrigeran adalah pekerjaan teknisi bersertifikat dengan alat yang sesuai, seperti batas pekerjaan refrigeran di Bab 14 · Fluida & Termal.
• Tegangan tinggi. Kompresor AC listrik, pemanas listrik, dan kabelnya termasuk sistem tegangan tinggi menurut Bab 9; jenis refrigeran dan oli kompresor mengikuti label dan manual pabrik.
• Rangkaian baterai. Membuka rangkaian cairan pendingin baterai, menambah cairan jenis lain atau air, dan melepas sambungannya mengikuti prosedur pabrik oleh bengkel berwenang, karena kebocoran di dalam pak dapat menurunkan isolasi.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: panas pak saat pengisian cepat. Pengisian 100 kW pada pak 400 V memberi arus $100.000/400 = 250$ A. Dengan resistans pak 0,08 Ω, panasnya $250^2 \times 0{,}08 = 5.000$ W, yaitu 5 persen daya pengisian, yang harus dibuang sistem pendingin selama pengisian.

Contoh 2: lama pengisian di siang terik. Pengisian 20 ke 80 persen pada pak 60 kWh memasukkan 36 kWh. Dengan daya rata-rata 80 kW di pagi hari, waktunya $36/80 = 0{,}45$ jam atau 27 menit; dengan rata-rata 40 kW karena baterai panas, $36/40 = 0{,}9$ jam atau 54 menit. Inilah "hampir dua kali" di kasus pembuka.

Contoh 3: AC kabin saat menunggu. Beban pendinginan kabin 2,5 kW dengan COP 2,5 memerlukan $W = 2{,}5/2{,}5 = 1{,}0$ kW listrik. Menunggu satu jam memakai 1,0 kWh, setara $1{,}0/0{,}15 = 6{,}7$ km jangkauan pada konsumsi 0,15 kWh/km.

Contoh 4: porsi AC dalam pemakaian harian. Mobil menempuh 120 km per hari pada 0,15 kWh/km, yaitu 18 kWh, dan menunggu tiga jam dengan AC 1,0 kW, yaitu 3 kWh. Porsi AC saat menunggu $3/(18 + 3) = 14$ persen. Angka ini cukup besar untuk dicatat, tetapi tidak menjelaskan sendiri jangkauan yang turun separuh; penurunan sebesar itu diperiksa menurut Bab 10 tentang diagnosis.

Contoh 5: massa termal pak. Pak 400 kg dengan kalor jenis rata-rata 1,0 kJ/(kg·K) memerlukan $Q = 400 \times 1{,}0 \times 10 = 4.000$ kJ, sekitar 1,1 kWh, untuk naik atau turun 10 K. Dengan pendinginan bersih 3 kW, menurunkan suhu 10 K memakan $4.000/3 = 1.333$ s, sekitar 22 menit. Pak yang panas karena parkir siang tidak menjadi sejuk dalam beberapa menit pertama pengisian.

Contoh 6: selisih suhu antarsel. Data menunjukkan sel terpanas 41 °C dan terdingin 33 °C, selisih 8 K, sedangkan baseline armada sekitar 3 K pada kondisi serupa. NREL menyebut pengurangan perbedaan suhu antarsel sebagai tujuan manajemen termal, sehingga selisih yang membesar menunjuk aliran cairan yang tidak rata, pelat dingin yang tersumbat, atau sensor bermasalah. Data dan riwayatnya diserahkan ke bengkel berwenang; pak tidak dibuka di lokasi.

Kondisi berhenti

Pada keadaan berikut, pemakaian kendaraan atau pekerjaan dihentikan. Yang mengambil alih adalah pihak yang disebut di butir itu; bila butir tidak menyebutnya, keputusan berikutnya diambil bengkel berwenang.

1. Pesan suhu baterai tinggi disertai asap, bau menyengat, desis, atau panas yang terasa dari lantai kendaraan: hentikan pemakaian, jauhkan orang, dan ikuti tindakan kebakaran baterai di Bab 9 tentang keselamatan tegangan tinggi.
2. Cairan pendingin berkurang berulang atau ada kebocoran dari area baterai: kendaraan tidak diisi cepat dan diserahkan ke bengkel berwenang; jangan menambah air atau cairan jenis lain.
3. Pekerjaan sirkuit refrigeran, termasuk menambah refrigeran saat AC lemah, diserahkan ke teknisi bersertifikat menurut Bab 14 · Fluida & Termal tentang batas pekerjaan refrigeran.
4. Kompresor AC listrik, pemanas listrik, atau kabel oranye perlu dibuka atau diukur: pekerjaan tegangan tinggi menurut Bab 9.
5. Pengisian cepat berulang kali dihentikan stasiun atau kendaraan karena suhu: hentikan pengisian cepat dan laporkan dengan data suhu dan daya.
6. Pesan daya terbatas karena suhu penggerak dengan kipas atau pompa yang tidak bekerja: jangan meneruskan perjalanan jauh atau mengangkut pasien dan tamu sampai diperiksa.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 7 tentang baterai traksi memberi resistans dalam, panas, dan pengaruh suhu pada umur yang dipakai di sini. Bab 8 tentang motor dan inverter memberi rugi dan persamaan aliran kalor. Bab 17 · Fisika tentang COP dan Bab 25 · Fisika tentang siklus kompresi uap memberi dasar termodinamika AC dan pompa panas, sedangkan Bab 13 · Fluida & Termal tentang pompa kalor air panas dan Bab 14 · Fluida & Termal tentang AC ruang memberi contoh COP dan batas pekerjaan refrigeran. Bab 10 tentang diagnosis memakai data suhu yang dijelaskan di sini. Bab 22 tentang arsitektur dan Bab 24 tentang pengisian di hotel dan gedung melengkapi bab ini.

Latihan dan pembahasan

Referensi