Kaj je sistem toplotnega upravljanja?

Kaj je sistem toplotnega upravljanja?

Toplotno upravljanje akumulatorja, ki temelji na vplivu temperature na delovanje akumulatorja, v kombinaciji z elektrokemičnimi značilnostmi akumulatorja in mehanizmi za ustvarjanje toplote ter temelji na optimalnem temperaturnem območju polnjenja/praznjenja določenega akumulatorja, je tehnologija, ki obravnava odvajanje toplote ali toplotni umik, ki ga povzročajo previsoke ali nizke temperature med delovanjem akumulatorja. To se doseže z racionalnim načrtovanjem in temelji na znanosti o materialih, elektrokemiji, prenosu toplote, molekularni dinamiki in drugih disciplinah. Vzdrževanje razumnega razpona delovne temperature je bistvenega pomena za dobro delovanje baterije. Zato je načrtovanje razumne sheme toplotnega upravljanja za litij-ionske baterijske sklope zelo pomembno za izboljšanje splošne učinkovitosti baterijskega sistema.

Sistem toplotnega upravljanja paketa baterij ima naslednjih pet glavnih funkcij: ① natančno merjenje in spremljanje temperature baterije; ② učinkovito odvajanje toplote in prezračevanje, ko je temperatura paketa baterij previsoka; ③ hitro segrevanje pri nizkih-temperaturnih pogojih; ④ učinkovito prezračevanje, ko nastajajo škodljivi plini; in ⑤ zagotavljanje enakomerne porazdelitve temperature v paketu baterij.

Visok{0}}zmogljiv sistem toplotnega upravljanja paketa baterij zahteva sistematičen pristop k načrtovanju. Trenutno obstaja veliko metodologij načrtovanja sistemov toplotnega upravljanja. Najpogosteje uporabljen je sistem termičnega upravljanja baterijskega paketa, ki ga je zasnoval Nacionalni laboratorij za obnovljivo energijo (NREL) v Združenih državah Amerike, katerega proces načrtovanja vključuje sedem korakov:

1) Določite lasten-kaliber in zahteve sistema za upravljanje toplote. Na podlagi temperaturnih karakteristik akumulatorja in ustreznega temperaturnega območja delovanja določite samokontrolni-kaliber sistema za upravljanje toplote. Primerna delovna temperatura za litij-ionske baterije je na primer 10~40 stopinj, z nizko-temperaturno mejo 0 stopinj in visoko-temperaturno mejo 45 stopinj. Zato bi morala zasnova sistema za upravljanje toplote ob izpolnjevanju ekstremnih delovnih temperatur baterije stremeti k izpolnjevanju zahtev glede ustrezne delovne temperature baterije.

2) Izmerite ali ocenite proizvodnjo toplote in toplotno kapaciteto modula. S preskusi polnjenja-praznjenja baterije in simulacijskimi izračuni na podlagi specifične toplotne kapacitete baterije določite odvajanje toplote ali grelno moč.

3) Začetna ocena sistema toplotnega upravljanja, vključno z izbiro medija za prenos toplote in načrtovanjem strukture za odvajanje toplote. Na splošno se hlajenje baterije doseže z zračnim ali tekočinskim hlajenjem. Sistemi zračnega hlajenja so razmeroma enostavni po zgradbi, a neučinkoviti; sistemi za hlajenje s tekočino so po strukturi zapleteni, a zelo učinkoviti. Obstajajo tudi različne oblike ogrevanja, kot so ogrevanje s kroženjem vročega zraka, ogrevanje s pretokom tekočine in ogrevanje z neposrednim toplotnim sevanjem iz vira toplote.

4) Predvidite toplotno obnašanje modula in paketa baterij. Na podlagi pogojev delovanja baterijskega paketa predvidite in ocenite odvajanje toplote in zahteve po ogrevanju med uporabo.

5) Idejni projekt sistema toplotnega vodenja. Na podlagi ugotovljenega toplotnega medija in rezultatov ocene toplotnega obnašanja izvedite načelno in inženirsko zasnovo sistema toplotnega upravljanja.

6) Načrtujte in preizkusite sistem toplotnega upravljanja. Izdelajte pomanjšane-ali polne-sisteme baterij in sistem toplotnega upravljanja baterije ter preverite učinkovitost sistema toplotnega upravljanja v simuliranih dejanskih pogojih delovanja na preskusni napravi.

7) Optimizirajte sistem toplotnega upravljanja. Izboljšati in optimizirati sistem toplotnega upravljanja na podlagi eksperimentalnih rezultatov.

Baterije niso dobri prevodniki toplote. Poznavanje le porazdelitve površinske temperature ni dovolj za popolno razumevanje notranjega toplotnega stanja baterije. Izračun notranjega temperaturnega polja z uporabo matematičnih modelov in predvidevanje toplotnega obnašanja baterije je nepogrešljiv korak pri načrtovanju sistemov za upravljanje toplote baterije. Trenutno glavni matematični modeli vključujejo dvo-dimenzionalne in tri-dimenzionalne modele. Med temi se tri-dimenzionalni model zaradi svoje odlične natančnosti in prilagodljivosti pogosto uporablja v številnih sistemih za toplotno upravljanje baterij. Model je naslednji:

Battery Thermal Field Calculation and Temperature Prediction

kjer je T temperatura;

ρ je povprečna gostota;

c_p je specifična toplotna kapaciteta baterije;

λ_x, λ_y, λ_z so toplotna prevodnost baterije v smeri x, y oziroma z;

q je stopnja proizvodnje toplote na enoto prostornine.

Temperaturne razlike med različnimi baterijskimi moduli v škatli za baterije poslabšajo nedoslednosti v notranji upornosti in kapaciteti baterije. Sčasoma lahko to privede do prekomernega polnjenja ali prekomerne{1}}praznjenosti nekaterih baterij, kar vpliva na njihovo življenjsko dobo in delovanje ter ustvarja nevarnosti za varnost. Temperaturne razlike med baterijskimi moduli v baterijski škatli so tesno povezane z razporeditvijo baterijskega paketa. Na splošno baterije na sredini ponavadi akumulirajo toploto, medtem ko imajo tiste na robovih boljše odvajanje toplote. Zato je pri načrtovanju strukture baterijskega paketa in odvajanju toplote ključnega pomena zagotoviti enakomerno odvajanje toplote. Če vzamemo za primer zračno hlajenje, na splošno obstajata dve metodi prezračevanja: zaporedno in vzporedno, da se zagotovi enakomerno odvajanje toplote. Zasnova zračnega toka mora upoštevati osnovna načela mehanike tekočin in aerodinamike.

Pri načrtovanju sistema toplotnega upravljanja baterije je treba skrbno izbrati vrsto in moč ventilatorja, število temperaturnih senzorjev in lokacijo merilnih točk.

Če za primer vzamemo zračno hlajenje, je treba pri načrtovanju hladilnega sistema ob zagotavljanju določenega hladilnega učinka minimizirati pretočni upor, da zmanjšamo hrup ventilatorja in porabo energije ter tako izboljšamo splošno učinkovitost sistema. Porabo energije ventilatorja je mogoče oceniti z oceno padca tlaka in pretoka z uporabo eksperimentalnih, teoretičnih izračunov in metod dinamike tekočin (CFD). Kadar je upor pretoka nizek, je mogoče razmisliti o ventilatorjih z aksialnim pretokom; kadar je upor pretoka velik, so primernejši centrifugalni ventilatorji. Seveda je treba upoštevati tudi prostor, ki ga ventilator zaseda, in njegovo ceno. Iskanje optimalne strategije krmiljenja ventilatorja je prav tako ena od funkcij sistema toplotnega upravljanja.

Schematic diagram of temperature measurement points in the battery box

Porazdelitev temperature paketa baterij v škatli za baterije je na splošno neenakomerna, zato je treba poznati porazdelitev toplotnega polja paketa baterij v različnih pogojih, da se določijo kritične temperaturne točke. Več temperaturnih senzorjev zagotavlja celovitejše merjenje temperature, vendar poveča stroške in kompleksnost sistema. Odvisno od posebnega inženirskega konteksta se lahko teoretično analiza končnih elementov, infrardeče toplotne slike v poskusih ali-več{3}}točkovno spremljanje temperature v realnem času uporabijo za analizo in merjenje porazdelitve toplotnega polja paketa baterij, baterijskih modulov in posameznih celic, določanje števila točk merjenja temperature in iskanje ustreznih točk na različnih področjih. Splošna zasnova mora zagotoviti, da temperaturni senzorji niso izpostavljeni pretoku hladilnega zraka, da se izboljša natančnost in stabilnost meritev temperature. Pri načrtovanju baterije je treba rezervirati prostor za temperaturne senzorje; primerne odprtine je mogoče oblikovati na ustreznih lokacijah. Baterijski sklop Toyotinega hibridnega električnega vozila Prius ima 228 posameznih celic, nadzor temperature pa izvaja 5 temperaturnih senzorjev. Baterijski sistem električnega avtobusa, ki ga je zasnoval Pekinški inštitut za tehnologijo, uporablja 6 merilnih točk temperature na škatlo (glejte obkroženo območje na sliki 8-16a), razporejenih na pozitivnih in negativnih priključkih ter izhodnih točkah napajalnega voda škatle za baterije, kot je prikazano na sliki 8-16.

Glede na medij za prenos toplote lahko hlajenje sistemov za termično upravljanje baterijskega paketa razdelimo na tri vrste: zračno hlajenje, hlajenje s tekočino in hlajenje materiala s fazno spremembo. Glede na raziskave in razvoj materialov ter proizvodne stroške trenutno najučinkovitejši in najpogosteje uporabljen sistem za odvajanje toplote uporablja zrak kot medij za odvajanje toplote.

Glede na strukturo zračnega toka za odvajanje toplote lahko sisteme zračnega hlajenja nadalje razdelimo na dve vrsti: zaporedno prezračevanje in vzporedno prezračevanje, kot je prikazano na slikah 8-17 oziroma 8-18.

V serijski konfiguraciji zrak običajno teče od ene strani paketa baterij do druge, da odstrani toploto. Vendar pa ta zračni tok prenaša toploto iz območij, skozi katera prehaja prej, na področja, skozi katera prehaja pozneje, kar povzroča neskladne temperature in znatne temperaturne razlike. V vzporedni konfiguraciji se pretok zraka med moduli dvigne navpično, s čimer se zrak enakomerneje porazdeli in zagotovi dosledno odvajanje toplote po celotnem baterijskem paketu.

Sisteme toplotnega upravljanja lahko glede na to, ali imajo notranje grelne ali hladilne naprave, razvrstimo v pasivne in aktivne sisteme. Pasivni sistemi so cenejši in zahtevajo preprostejšo infrastrukturo; aktivni sistemi so bolj zapleteni in zahtevajo večjo dodatno moč, vendar nudijo boljše delovanje.

Slike 8-19, 8-20 in 8-21 prikazujejo shematske diagrame aktivnih in pasivnih struktur za ogrevanje zraka in odvajanje toplote.

Thermal Management System Design and Implementation

Na slikah 8-19 in 8-20 zrak še vedno velja za pasiven sistem, čeprav je bil zrak ohlajen in ogret s klimatsko napravo ali ogrevalnim sistemom avtomobila. Pri tem pasivnem sistemu mora zaradi nedoslednosti temperature vnesenega zunanjega zraka zrak v okolici delovati v določenem temperaturnem območju (10~35 stopinj) za pravilno toplotno upravljanje. Delovanje v izjemno mrzlih ali vročih pogojih lahko povzroči večjo neenakomernost v paketu baterij.

V ogrevalnih sistemih se poleg dovajanja vročega zraka v baterijski sklop lahko uporabljajo tudi druge metode, kot je prikazano na slikah 8-22~8-25 (za prizmatične baterije).

Other heating methods