Co je to systém tepelného managementu?

Co je to systém tepelného managementu?

Tepelný management baterie, založený na vlivu teploty na výkon baterie, v kombinaci s elektrochemickými vlastnostmi baterie a mechanismy generování tepla a uzemněný v optimálním rozsahu teplot nabíjení/vybíjení konkrétní baterie, je technologie, která řeší rozptyl tepla nebo tepelný únik způsobený nadměrně vysokými nebo nízkými teplotami během provozu baterie. Toho je dosaženo prostřednictvím racionálního návrhu a je založeno na vědě o materiálech, elektrochemii, přenosu tepla, molekulární dynamice a dalších disciplínách. Udržování přiměřeného rozsahu provozních teplot je nezbytné pro udržení dobrého výkonu baterie. Proto je navržení rozumného schématu řízení teploty pro lithium-iontové baterie velmi důležité pro zlepšení celkového výkonu bateriového systému.

Systém řízení teploty baterie má následujících pět hlavních funkcí: ① přesné měření a sledování teploty baterie; ② efektivní odvod tepla a ventilace, když je teplota baterie příliš vysoká; ③ rychlé zahřátí při nízkých-teplotách; ④ účinné větrání při tvorbě škodlivých plynů; a ⑤ zajištění rovnoměrného rozložení teploty v rámci baterie.

Vysoce{0}}výkonný systém řízení teploty baterie vyžaduje systematický přístup k návrhu. V současné době existuje mnoho návrhových metodologií pro systémy tepelného managementu. Nejčastěji se používá systém tepelného managementu baterie navržený Národní laboratoří pro obnovitelné zdroje energie (NREL) ve Spojených státech, jehož proces návrhu zahrnuje sedm kroků:

1) Určete vlastní-kalibr a požadavky systému řízení teploty. Na základě teplotních charakteristik baterie a vhodného rozsahu provozních teplot určete vlastní kalibr-regulace systému řízení teploty. Například vhodná provozní teplota pro lithium-iontové baterie je 10~40 stupňů s dolním-limitem teploty 0 stupňů a horním-limitem teploty 45 stupňů. Proto by návrh systému tepelného managementu měl při splnění extrémních provozních teplot baterie usilovat o splnění požadavků na vhodnou provozní teplotu baterie.

2) Změřte nebo odhadněte výrobu tepla modulu a tepelnou kapacitu. Pomocí testů vybíjení baterie-a simulačních výpočtů založených na specifické tepelné kapacitě baterie určete rozptyl tepla nebo topný výkon.

3) Prvotní vyhodnocení systému tepelného hospodářství včetně výběru teplonosné látky a návrhu konstrukce odvodu tepla. Obecně se chlazení baterie dosahuje vzduchovým nebo kapalinovým chlazením. Systémy chlazení vzduchem mají relativně jednoduchou strukturu, ale jsou neefektivní; kapalinové chladicí systémy mají složitou strukturu, ale jsou vysoce účinné. Existují také různé formy způsobů ohřevu, jako je cirkulační ohřev horkým vzduchem, ohřev průtokem kapaliny a ohřev přímým tepelným zářením ze zdroje tepla.

4) Předpovězte tepelné chování modulu a baterie. Na základě provozních podmínek baterie předvídejte a vyhodnoťte rozptyl tepla a požadavky na ohřev během aplikace.

5) Předběžný návrh systému tepelného hospodářství. Na základě zjištěného tepelného média a výsledků posouzení tepelného chování proveďte princip a technický návrh systému tepelného hospodářství.

6) Navrhněte a otestujte systém řízení teploty. Vytvořte zmenšené-nebo plné{3}}bateriové systémy a systém řízení teploty baterie a ověřte účinnost systému řízení teploty baterie za simulovaných skutečných provozních podmínek na zkušební stolici.

7) Optimalizujte systém řízení teploty. Vylepšit a optimalizovat systém řízení teploty na základě experimentálních výsledků.

Baterie nejsou dobrými vodiči tepla. K úplnému pochopení vnitřního tepelného stavu baterie nestačí znát pouze rozložení teploty povrchu. Výpočet vnitřního teplotního pole pomocí matematických modelů a predikce tepelného chování baterie je nepostradatelným krokem při navrhování systémů řízení teploty baterie. V současné době mezi hlavní matematické modely patří dvou-dimenzionální a trojrozměrné- modely. Mezi nimi byl trojrozměrný- model díky své vynikající přesnosti a přizpůsobivosti široce používán v mnoha systémech řízení teploty baterií. Model je následující:

Battery Thermal Field Calculation and Temperature Prediction

kde T je teplota;

ρ je průměrná hustota;

c_p je specifická tepelná kapacita baterie;

λ_x, λ_y, λ_z jsou tepelná vodivost baterie ve směru x, y, resp.

q je rychlost tvorby tepla na jednotku objemu.

Teplotní rozdíly mezi různými bateriovými moduly v bateriovém boxu zhoršují nekonzistenci ve vnitřním odporu a kapacitě baterie. Časem to může vést k přebíjení nebo nadměrnému{1}}vybíjení některých baterií, což má vliv na jejich životnost a výkon a vytváří bezpečnostní rizika. Teplotní rozdíly mezi bateriovými moduly v bateriovém boxu úzce souvisí s uspořádáním bateriové sady. Obecně platí, že baterie uprostřed mají tendenci akumulovat teplo, zatímco ty na okrajích mají lepší odvod tepla. Proto je při navrhování struktury baterie a odvodu tepla zásadní zajistit rovnoměrný odvod tepla. Vezmeme-li jako příklad chlazení vzduchem, obecně existují dva způsoby větrání: sériový a paralelní, aby se zajistil rovnoměrný odvod tepla. Návrh proudění vzduchu musí dodržovat základní principy mechaniky tekutin a aerodynamiky.

Při návrhu systému tepelného managementu baterie je třeba pečlivě zvolit typ a výkon ventilátoru, počet teplotních čidel a umístění měřicích bodů.

Vezmeme-li jako příklad chlazení vzduchem, při navrhování chladicího systému by měl být při zajištění určitého chladicího účinku minimalizován průtokový odpor, aby se snížil hluk ventilátoru a spotřeba energie, čímž se zlepší celková účinnost systému. Spotřebu energie ventilátoru lze odhadnout odhadem poklesu tlaku a průtoku pomocí experimentálních, teoretických výpočtů a metod dynamiky tekutin (CFD). Když je odpor proudění nízký, lze uvažovat o axiálních ventilátorech; při vysokém odporu proudění jsou vhodnější odstředivé ventilátory. Samozřejmě je třeba vzít v úvahu i prostor, který ventilátor zabírá, a jeho cenu. Nalezení optimální strategie řízení ventilátoru je také jednou z funkcí systému tepelného managementu.

Schematic diagram of temperature measurement points in the battery box

Rozložení teploty bateriového bloku v bateriovém boxu je obecně nerovnoměrné, proto je nutné znát rozložení tepelného pole bateriového bloku za různých podmínek pro určení kritických teplotních bodů. Více teplotních senzorů poskytuje komplexnější měření teploty, ale zvyšuje náklady a složitost systému. V závislosti na konkrétním technickém kontextu lze teoreticky použít analýzu konečných prvků, infračervené termální zobrazování v experimentech nebo v reálném čase -více{3}}bodové monitorování teploty k analýze a měření rozložení tepelného pole sady baterií, bateriových modulů a jednotlivých článků, určení počtu bodů měření teploty a nalezení vhodných bodů v různých oblastech. Obecná konstrukce by měla zajistit, aby teplotní senzory nebyly vystaveny proudění chladicího vzduchu, aby se zlepšila přesnost a stabilita měření teploty. Při návrhu baterie by měl být vyhrazen prostor pro teplotní čidla; například mohou být na vhodných místech navrženy vhodné otvory. Baterie hybridního elektromobilu Toyota Prius má 228 jednotlivých článků a sledování teploty zajišťuje 5 teplotních senzorů. Bateriový systém pro napájení elektrického autobusu navržený Pekingským technologickým institutem používá 6 bodů měření teploty na krabici (viz zakroužkovaná oblast na obrázku 8-16a), uspořádaných na kladných a záporných svorkách a výstupních bodech napájecího vedení bateriové krabice, jak je znázorněno na obrázku 8-16.

Na základě média pro přenos tepla lze chlazení systémů tepelného managementu bateriových sad rozdělit do tří typů: chlazení vzduchem, chlazení kapalinou a chlazení materiálu s fázovou změnou. Vzhledem k materiálovému výzkumu, vývoji a výrobním nákladům nejefektivnější a běžně používaný systém odvodu tepla v současnosti využívá jako médium pro odvod tepla vzduch.

Na základě struktury proudění vzduchu rozptylujícího teplo lze systémy chlazení vzduchu dále rozdělit na dva typy: sériovou ventilaci a paralelní ventilaci, jak je znázorněno na obrázcích 8-17 a 8-18.

V sériové konfiguraci obvykle proudí vzduch z jedné strany bateriové sady na druhou, aby odváděl teplo. Tento proud vzduchu však přenáší teplo z oblastí, kterými prochází dříve, do oblastí, kterými prochází později, což má za následek nekonzistentní teploty a značné teplotní rozdíly. V paralelní konfiguraci proudění vzduchu mezi moduly stoupá vertikálně, distribuuje vzduch rovnoměrněji a zajišťuje konzistentní odvod tepla v celé baterii.

Systémy tepelného managementu lze rozdělit na pasivní a aktivní systémy podle toho, zda mají vnitřní topná nebo chladicí zařízení. Pasivní systémy jsou levnější a vyžadují jednodušší infrastrukturu; aktivní systémy jsou složitější a vyžadují větší přídavný výkon, ale nabízejí lepší výkon.

Obrázky 8-19, 8-20 a 8-21 znázorňují schematická schémata aktivního a pasivního ohřevu vzduchu a struktur pro odvod tepla.

Thermal Management System Design and Implementation

Na obrázcích 8-19 a 8-20, ačkoliv byl vzduch ochlazován a ohříván systémem klimatizace nebo topení automobilu, je stále považován za pasivní systém. U tohoto pasivního systému musí kvůli nekonzistentnosti teploty přiváděného okolního vzduchu okolní vzduch pracovat v určitém teplotním rozsahu (10~35 stupňů) pro správné řízení teploty. Provoz v extrémně chladných nebo horkých podmínkách může mít za následek větší nerovnosti baterie.

V topných systémech lze kromě přivádění horkého vzduchu do bateriového bloku použít i jiné způsoby, jak je znázorněno na obrázcích 8-22~8-25 (pro prizmatické baterie).

Other heating methods