Čo je systém tepelného manažmentu?

Čo je systém tepelného manažmentu?

Tepelný manažment batérie, založený na vplyve teploty na výkon batérie, v kombinácii s elektrochemickými charakteristikami batérie a mechanizmami vytvárania tepla a uzemnený v optimálnom rozsahu teplôt nabíjania/vybíjania konkrétnej batérie, je technológia, ktorá rieši rozptyl tepla alebo tepelný únik spôsobený nadmerne vysokými alebo nízkymi teplotami počas prevádzky batérie. Dosahuje sa to racionálnym dizajnom a vychádza z vedy o materiáloch, elektrochémie, prenosu tepla, molekulárnej dynamiky a iných disciplín. Udržiavanie primeraného rozsahu prevádzkových teplôt je nevyhnutné na udržanie dobrého výkonu batérie. Preto je navrhnutie primeranej schémy riadenia teploty pre lítium-iónové batérie veľmi dôležité pre zlepšenie celkového výkonu batériového systému.

Systém riadenia teploty batérie má nasledujúcich päť hlavných funkcií: ① presné meranie a monitorovanie teploty batérie; ② efektívny odvod tepla a vetranie, keď je teplota batérie príliš vysoká; ③ rýchly ohrev za podmienok nízkej{0}}teploty; ④ účinné vetranie pri tvorbe škodlivých plynov; a ⑤ zabezpečenie rovnomerného rozloženia teploty v rámci batérie.

Vysokovýkonný{0}}systém správy teploty batérie vyžaduje systematický prístup k návrhu. V súčasnosti existuje veľa metodológií navrhovania systémov tepelného manažmentu. Najčastejšie sa používa systém tepelného manažmentu batériových zdrojov navrhnutý Národným laboratóriom pre obnoviteľnú energiu (NREL) v Spojených štátoch, ktorého proces navrhovania zahŕňa sedem krokov:

1) Určite vlastný-kalibr a požiadavky systému riadenia teploty. Na základe teplotných charakteristík batérie a vhodného rozsahu prevádzkových teplôt určte vlastný-kalibr riadenia systému riadenia teploty. Napríklad vhodná prevádzková teplota pre lítium{5}}iónové batérie je 10 ~ 40 stupňov s dolným-limitom teploty 0 stupňov a horným-limitom teploty 45 stupňov . Preto by sa návrh systému tepelného manažmentu mal pri splnení extrémnych prevádzkových teplôt batérie snažiť vyhovieť požiadavkám na vhodnú prevádzkovú teplotu batérie.

2) Zmerajte alebo odhadnite výrobu tepla modulu a tepelnú kapacitu. Pomocou testov vybitia batérie-a simulačných výpočtov založených na špecifickej tepelnej kapacite batérie určite rozptyl tepla alebo vykurovací výkon.

3) Prvotné vyhodnotenie systému tepelného manažmentu vrátane výberu teplonosnej látky a návrhu konštrukcie odvodu tepla. Vo všeobecnosti sa chladenie batérie dosahuje vzduchovým alebo kvapalinovým chladením. Systémy chladenia vzduchom majú relatívne jednoduchú štruktúru, ale sú neefektívne; kvapalinové chladiace systémy majú komplexnú štruktúru, ale sú vysoko účinné. Existujú aj rôzne formy spôsobov vykurovania, ako je cirkulačný teplovzdušný ohrev, prietokový ohrev kvapaliny a ohrev priamym tepelným žiarením zo zdroja tepla.

4) Predpovedajte tepelné správanie modulu a batérie. Na základe prevádzkových podmienok akumulátora predvídajte a posúďte rozptyl tepla a požiadavky na ohrev počas aplikácie.

5) Predbežný návrh systému tepelného manažmentu. Na základe zisteného tepelného média a výsledkov hodnotenia tepelného správania vykonajte princíp a inžiniersky návrh systému tepelného hospodárstva.

6) Navrhnite a otestujte systém riadenia teploty. Vytvorte zmenšené-alebo úplné{3}}batériové systémy a systém riadenia teploty batérie a overte účinnosť systému riadenia teploty batérie v simulovaných skutočných prevádzkových podmienkach na testovacej stolici.

7) Optimalizujte systém tepelného manažmentu. Zlepšiť a optimalizovať systém tepelného manažmentu na základe experimentálnych výsledkov.

Batérie nie sú dobrými vodičmi tepla. Poznanie iba rozloženia teploty povrchu nestačí na úplné pochopenie vnútorného tepelného stavu batérie. Výpočet vnútorného teplotného poľa pomocou matematických modelov a predpovedanie tepelného správania batérie je nevyhnutným krokom pri navrhovaní systémov tepelného manažmentu batérie. V súčasnosti medzi hlavné matematické modely patria dvoj-dimenzionálne a trojrozmerné- modely. Spomedzi nich bol trojrozmerný- model vďaka svojej vynikajúcej presnosti a prispôsobivosti široko používaný v mnohých systémoch riadenia teploty batérie. Model je nasledovný:

Battery Thermal Field Calculation and Temperature Prediction

kde T je teplota;

ρ je priemerná hustota;

c_p je špecifická tepelná kapacita batérie;

λ_x, λ_y, λ_z sú tepelná vodivosť batérie v smere x, y a z;

q je rýchlosť generovania tepla na jednotku objemu.

Teplotné rozdiely medzi rôznymi batériovými modulmi v batériovom boxe prehlbujú nezrovnalosti vo vnútornom odpore a kapacite batérie. Časom to môže viesť k prebitiu alebo nadmernému{1}}vybitiu niektorých batérií, čo ovplyvní ich životnosť a výkon a vytvorí bezpečnostné riziká. Teplotné rozdiely medzi batériovými modulmi v batériovom boxe úzko súvisia s usporiadaním batériového modulu. Vo všeobecnosti majú batérie v strede tendenciu akumulovať teplo, zatiaľ čo batérie na okrajoch lepšie odvádzajú teplo. Preto je pri navrhovaní konštrukcie batérie a odvodu tepla kľúčové zabezpečiť rovnomerný odvod tepla. Ak vezmeme ako príklad chladenie vzduchom, vo všeobecnosti existujú dve metódy vetrania: sériová a paralelná, aby sa zabezpečil rovnomerný odvod tepla. Návrh prúdenia vzduchu musí dodržiavať základné princípy mechaniky tekutín a aerodynamiky.

Pri navrhovaní systému tepelného manažmentu batérie je potrebné starostlivo zvoliť typ a výkon ventilátora, počet snímačov teploty a umiestnenie meracích bodov.

Ak vezmeme ako príklad vzduchové chladenie, pri navrhovaní chladiaceho systému by sa mal pri zabezpečení určitého chladiaceho účinku minimalizovať prietokový odpor, aby sa znížil hluk ventilátora a spotreba energie, čím sa zlepší celková účinnosť systému. Spotrebu energie ventilátora možno odhadnúť odhadom poklesu tlaku a prietoku pomocou experimentálnych, teoretických výpočtov a metód dynamiky tekutín (CFD). Keď je prietokový odpor nízky, možno zvážiť axiálne ventilátory; pri veľkom prietokovom odpore sú vhodnejšie odstredivé ventilátory. Samozrejme treba zvážiť aj priestor, ktorý ventilátor zaberá, a jeho cenu. Nájdenie optimálnej stratégie riadenia ventilátora je tiež jednou z funkcií systému tepelného manažmentu.

Schematic diagram of temperature measurement points in the battery box

Rozloženie teploty batériovej jednotky v batériovom boxe je vo všeobecnosti nerovnomerné, preto je potrebné poznať distribúciu tepelného poľa batériovej jednotky za rôznych podmienok, aby sa určili kritické teplotné body. Viac snímačov teploty poskytuje komplexnejšie meranie teploty, ale zvyšuje náklady a zložitosť systému. V závislosti od konkrétneho technického kontextu možno teoreticky použiť analýzu konečných prvkov, infračervené tepelné zobrazovanie v experimentoch alebo monitorovanie teploty v reálnom čase vo viacerých bodoch- na analýzu a meranie rozloženia tepelného poľa súpravy batérií, modulov batérie a jednotlivých článkov, na určenie počtu bodov merania teploty a nájdenie vhodných bodov v rôznych oblastiach. Všeobecná konštrukcia by mala zabezpečiť, aby snímače teploty neboli vystavené prúdeniu chladiaceho vzduchu, aby sa zlepšila presnosť a stabilita meraní teploty. Pri navrhovaní batérie by mal byť vyhradený priestor pre snímače teploty; napríklad môžu byť na vhodných miestach navrhnuté vhodné otvory. Batéria hybridného elektromobilu Toyota Prius má 228 samostatných článkov a monitorovanie teploty vykonáva 5 teplotných senzorov. Systém batérií na napájanie elektrického autobusu navrhnutý Pekinským technologickým inštitútom používa 6 bodov merania teploty na krabicu (pozri zakrúžkovanú oblasť na obrázku 8-16a), usporiadaných na kladných a záporných svorkách a na výstupných bodoch elektrického vedenia krabice na batérie, ako je znázornené na obrázku 8-16.

Na základe média prenosu tepla možno chladenie systémov tepelného manažmentu batérií rozdeliť do troch typov: chladenie vzduchom, chladenie kvapalinou a chladenie materiálu s fázovou zmenou. Vzhľadom na materiálový výskum a vývoj a výrobné náklady najefektívnejší a najbežnejšie používaný systém na odvádzanie tepla v súčasnosti využíva ako médium na odvádzanie tepla vzduch.

Na základe štruktúry prúdenia vzduchu odvádzajúceho teplo možno systémy chladenia vzduchu ďalej rozdeliť na dva typy: sériové vetranie a paralelné vetranie, ako je znázornené na obrázkoch 8-17 a 8-18.

V sériovej konfigurácii vzduch zvyčajne prúdi z jednej strany batérie na druhú, aby sa odstránilo teplo. Tento prúd vzduchu však prenáša teplo z oblastí, ktorými prechádza skôr, do oblastí, ktorými prechádza neskôr, čo vedie k nekonzistentným teplotám a značným teplotným rozdielom. V paralelnej konfigurácii prúdenie vzduchu medzi modulmi stúpa vertikálne, čím sa vzduch distribuuje rovnomernejšie a zabezpečuje konzistentné odvádzanie tepla v celej batérii.

Systémy tepelného manažmentu možno kategorizovať na pasívne a aktívne systémy podľa toho, či majú vnútorné vykurovacie alebo chladiace zariadenia. Pasívne systémy sú lacnejšie a vyžadujú si jednoduchšiu infraštruktúru; aktívne systémy sú zložitejšie a vyžadujú väčší dodatočný výkon, ale ponúkajú lepší výkon.

Obrázky 8-19, 8-20 a 8-21 znázorňujú schematické diagramy štruktúr aktívneho a pasívneho ohrevu vzduchu a odvodu tepla.

Thermal Management System Design and Implementation

Na obrázkoch 8-19 a 8-20, hoci bol vzduch ochladzovaný a ohrievaný klimatizačným alebo vykurovacím systémom automobilu, stále sa považuje za pasívny systém. Pri tomto pasívnom systéme, kvôli nekonzistentnosti teploty privádzaného okolitého vzduchu, musí okolitý vzduch fungovať v určitom teplotnom rozsahu (10~35 stupňov), aby sa zabezpečila správna tepelná správa. Prevádzka v extrémne studených alebo horúcich podmienkach môže viesť k väčším nerovnomernostiam batérie.

Vo vykurovacích systémoch možno okrem privádzania horúceho vzduchu do batérie použiť aj iné metódy, ako je znázornené na obrázkoch 8-22~8-25 (pre prizmatické batérie).

Other heating methods