Mi az a hőkezelési rendszer?
Hőgazdálkodási rendszer
Az akkumulátor hőkezelése, amely a hőmérsékletnek az akkumulátor teljesítményére gyakorolt hatásán alapul, az akkumulátor elektrokémiai jellemzőivel és hőtermelési mechanizmusaival kombinálva, és egy adott akkumulátor optimális töltési/kisütési hőmérsékleti tartományában van földelve, olyan technológia, amely kezeli az akkumulátor működése közbeni túl magas vagy alacsony hőmérséklet által okozott hőelvezetést vagy hőkifutást. Ezt racionális tervezéssel érik el, és az anyagtudományon, az elektrokémián, a hőátadáson, a molekuláris dinamikán és más tudományterületeken alapulnak. Az ésszerű működési hőmérséklet-tartomány fenntartása elengedhetetlen az akkumulátorcsomag jó teljesítményének fenntartásához. Ezért a lítium--ionos akkumulátorok ésszerű hőkezelési rendszerének megtervezése nagy jelentőséggel bír az akkumulátorrendszer általános teljesítményének javítása szempontjából.
Az akkumulátorcsomag hőkezelési rendszerének a következő öt fő funkciója van: ① az akkumulátor hőmérsékletének pontos mérése és monitorozása; ② hatékony hőelvezetés és szellőzés, ha az akkumulátor hőmérséklete túl magas; ③ gyors felfűtés alacsony{0}}hőmérséklet mellett; ④ hatékony szellőzés, ha káros gázok képződnek; és ⑤ egyenletes hőmérséklet-eloszlás biztosítása az akkumulátorcsomagon belül.
Akkumulátorcsomag hőkezelési rendszer tervezési folyamata
A nagy teljesítményű akkumulátorcsomag hőkezelési rendszere szisztematikus tervezést igényel. Jelenleg számos tervezési módszer létezik a hőkezelési rendszerekre. A leggyakrabban használt akkumulátorcsomag hőkezelő rendszer, amelyet az Egyesült Államok Nemzeti Megújuló Energia Laboratóriuma (NREL) tervezett, és amelynek tervezési folyamata hét lépésből áll:
1) Határozza meg a hőkezelési rendszer saját-kaliberét és követelményeit. Az akkumulátor hőmérsékleti jellemzői és a megfelelő működési hőmérséklet-tartomány alapján határozza meg a hőszabályozó rendszer vezérlő ön-kaliberét. Például a lítium-ionos akkumulátorok megfelelő működési hőmérséklete 10-40 fok, az alacsony-hőmérséklethatár 0 fok és a magas{10}}hőmérséklethatár 45 fok. Ezért a hőszabályozási rendszer kialakításánál az akkumulátor szélsőséges üzemi hőmérsékletének kielégítése mellett törekedni kell arra, hogy megfeleljen az akkumulátor megfelelő üzemi hőmérsékleti követelményeinek.
2) Mérje meg vagy becsülje meg a modul hőtermelését és hőkapacitását. Az akkumulátor töltési{2}}kisülési tesztjeivel és az akkumulátor fajlagos hőkapacitásán alapuló szimulációs számításokkal határozza meg a hőleadást vagy a fűtési teljesítményt.
3) A hőgazdálkodási rendszer kezdeti értékelése, beleértve a hőhordozó kiválasztását és a hőleadó szerkezet tervezését. Az akkumulátor hűtése általában levegő- vagy folyadékhűtéssel történik. A léghűtési rendszerek viszonylag egyszerűek, de nem hatékonyak; A folyadékhűtési rendszerek bonyolult szerkezetűek, de rendkívül hatékonyak. Különféle fűtési módok is léteznek, mint például keringtetett meleg levegős fűtés, folyadékáramú fűtés és a hőforrásból származó közvetlen hősugárzásos fűtés.
4) Jósolja meg a modul és az akkumulátorcsomag termikus viselkedését. Az akkumulátor üzemi körülményei alapján jósolja meg és értékelje a hőelvezetési és fűtési igényeket az alkalmazás során.
5) A hőgazdálkodási rendszer előzetes tervezése. A meghatározott hőközeg és a termikus viselkedés vizsgálati eredményei alapján végezze el a hőgazdálkodási rendszer elvi és műszaki tervezését.
6) Tervezze meg és tesztelje a hőkezelési rendszert. Készítsen kicsinyített-vagy teljes-léptékű akkumulátorrendszereket és az akkumulátor hőkezelő rendszerét, és ellenőrizze a hőkezelési rendszer hatékonyságát szimulált tényleges működési feltételek mellett egy próbapadon.
7) Optimalizálja a hőkezelési rendszert. A kísérleti eredmények alapján javítsa és optimalizálja a hőkezelési rendszert.
Szerkezet- és paraméterválasztás a hőgazdálkodási rendszer tervezési folyamatában
Akkumulátor hőmező számítása és hőmérséklet előrejelzése
Az akkumulátorok nem jó hővezetők. Csak a felületi hőmérséklet-eloszlás ismerete nem elegendő az akkumulátor belső hőállapotának teljes megértéséhez. A belső hőmérsékleti mező matematikai modellekkel történő kiszámítása és az akkumulátor termikus viselkedésének előrejelzése nélkülözhetetlen lépés az akkumulátor hőkezelési rendszereinek tervezésében. Jelenleg a mainstream matematikai modellek két-dimenziós és három-dimenziós modelleket tartalmaznak. Ezek közül a háromdimenziós modellt, kiváló pontosságának és alkalmazkodóképességének köszönhetően, széles körben alkalmazták számos akkumulátor hőkezelési rendszerében. A modell a következő:
ahol T a hőmérséklet;
ρ az átlagos sűrűség;
c_p az akkumulátor fajlagos hőkapacitása;
λ_x, λ_y, λ_z az akkumulátor hővezető képessége x, y és z irányban;
q az egységnyi térfogatra jutó hőtermelés mértéke.
Thermal Management System Hőelvezetési szerkezet tervezése
Az akkumulátordobozon belüli különböző akkumulátormodulok közötti hőmérséklet-különbségek súlyosbítják az akkumulátor belső ellenállásának és kapacitásának inkonzisztenciáját. Ez idővel egyes akkumulátorok túltöltéséhez vagy túl-kisüléséhez vezethet, ami befolyásolja élettartamukat és teljesítményüket, és biztonsági kockázatokat is jelenthet. Az akkumulátormodulok közötti hőmérséklet-különbségek az akkumulátordobozon belül szorosan összefüggenek az akkumulátorcsomag elrendezésével. Általában a középen lévő akkumulátorok általában hőt halmoznak fel, míg a széleken lévők jobb hőelvezetéssel rendelkeznek. Ezért az akkumulátorcsomag szerkezetének és a hőleadásnak a tervezésekor döntő fontosságú az egyenletes hőelvezetés biztosítása. Példaként a léghűtést tekintve általában két szellőztetési mód létezik: soros és párhuzamos, az egyenletes hőelvezetés érdekében. A légáramlás tervezésének meg kell felelnie a folyadékmechanika és az aerodinamika alapelveihez.
Ventilátorok és hőmérsékletmérési pontok kiválasztása
Az akkumulátoros hőszabályozási rendszer tervezésekor gondosan meg kell választani a ventilátor típusát és teljesítményét, a hőmérséklet-érzékelők számát, valamint a mérési pontok helyét.
Példaként a léghűtést tekintve, a hűtőrendszer tervezésekor egy bizonyos hűtési hatás biztosítása mellett az áramlási ellenállást minimálisra kell csökkenteni a ventilátorzaj és az energiafogyasztás csökkentése érdekében, ezáltal javítva a rendszer általános hatékonyságát. A ventilátor teljesítményfelvétele a nyomásesés és az áramlási sebesség becslésével becsülhető meg kísérleti, elméleti számítási és folyadékdinamikai (CFD) módszerekkel. Ha az áramlási ellenállás alacsony, axiális áramlású ventilátorok jöhetnek szóba; ha az áramlási ellenállás nagy, a centrifugális ventilátorok alkalmasabbak. Természetesen figyelembe kell venni a ventilátor által elfoglalt helyet és annak költségeit is. Az optimális ventilátorszabályozási stratégia megtalálása szintén a hőszabályozási rendszer egyik funkciója.
Az akkumulátorcsomag hőmérséklet-eloszlása az akkumulátordobozon belül általában egyenetlen, ezért a kritikus hőmérsékleti pontok meghatározásához ismerni kell az akkumulátorcsomag hőtéreloszlását különböző körülmények között. Több hőmérséklet-érzékelő átfogóbb hőmérsékletmérést tesz lehetővé, de növeli a rendszer költségeit és bonyolultságát. A konkrét mérnöki kontextustól függően elméletileg végeselemes elemzéssel, infravörös hőképalkotással a kísérletekben, vagy valós idejű több-pontos hőmérséklet-figyeléssel elemezhető és mérhető az akkumulátorcsomag, az akkumulátormodulok és az egyes cellák termikus téreloszlása, meghatározva a hőmérsékletmérési pontok számát és megfelelő pontokat találva a különböző területeken. Az általános kialakításnak biztosítania kell, hogy a hőmérséklet-érzékelők ne legyenek kitéve hűtőlevegő-áramlásnak, hogy javítsák a hőmérsékletmérés pontosságát és stabilitását. Az akkumulátor tervezésekor helyet kell hagyni a hőmérséklet-érzékelők számára; például a megfelelő helyeken megfelelő nyílásokat lehet kialakítani. A Toyota Prius hibrid elektromos járművének akkumulátorcsomagja 228 egyedi cellát tartalmaz, a hőmérséklet-felügyeletet 5 hőmérséklet-érzékelő végzi. A Peking Institute of Technology által tervezett elektromos busz akkumulátorrendszer dobozonként 6 hőmérsékletmérési pontot használ (lásd a bekarikázott területet a 8-16a ábrán), amelyek az akkumulátordoboz pozitív és negatív pólusainál, valamint a tápvezeték kimeneti pontjainál vannak elrendezve, a 8-16. ábra szerint.
Hőgazdálkodási rendszer tervezése és kivitelezése
Az akkumulátoros hőkezelő rendszerek hűtése a hőhordozó közeg alapján három típusra osztható: léghűtés, folyadékhűtés és fázisváltó anyagú hűtés. Figyelembe véve az anyagkutatási és -fejlesztési, valamint a gyártási költségeket, a jelenleg leghatékonyabb és leggyakrabban használt hőelvezető rendszer levegőt használ hőelvezető közegként.
A hőleadó légáramlás szerkezete alapján a léghűtési rendszerek tovább oszthatók két típusra: soros szellőztetésre és párhuzamos szellőztetésre, amint az a 8-17., illetve a 8-18. ábrán látható.
Soros konfigurációban a levegő általában az akkumulátorcsomag egyik oldaláról a másikra áramlik a hő eltávolítására. Ez a légáramlás azonban hőt szállít a korábban áthaladó területekről a később áthaladó területekre, ami inkonzisztens hőmérsékleteket és jelentős hőmérséklet-különbségeket eredményez. Párhuzamos konfigurációban a modulok közötti légáramlás függőlegesen felemelkedik, így egyenletesebben oszlik el a levegő, és egyenletes hőeloszlást biztosít az akkumulátorcsomagban.
A hőkezelési rendszerek passzív és aktív rendszerekre oszthatók aszerint, hogy rendelkeznek-e belső fűtő- vagy hűtőberendezéssel. A passzív rendszerek olcsóbbak és egyszerűbb infrastruktúrát igényelnek; Az aktív rendszerek összetettebbek és nagyobb többletteljesítményt igényelnek, de jobb teljesítményt nyújtanak.
A 8-19., 8-20. és 8-21. ábrákon az aktív és passzív levegőfűtési és hőleadó szerkezetek sematikus ábrái láthatók.
A 8-19. és 8-20. ábrákon a levegőt ugyan az autó klíma- vagy fűtésrendszere hűtötte és melegítette, mégis passzív rendszernek számít. Ennél a passzív rendszernél a bevezetett környezeti levegő hőmérsékletének inkonzisztenciája miatt a környezeti levegőnek egy bizonyos hőmérsékleti tartományban (10-35 fok) kell működnie a megfelelő hőkezelés érdekében. A rendkívül hideg vagy meleg körülmények között történő használat nagyobb egyenetlenségeket eredményezhet az akkumulátorcsomagban.
Fűtési rendszerekben az akkumulátorcsomagba történő forró levegő bevezetése mellett más módszerek is alkalmazhatók, amint az a 8-22-8-25 ábrákon látható (prizmás akkumulátorokhoz).
