Какво е система за термично управление?
Система за термично управление
Термичното управление на батерията, базирано на въздействието на температурата върху производителността на батерията, съчетано с електрохимичните характеристики на батерията и механизмите за генериране на топлина, и основано на оптималния температурен диапазон на зареждане/разреждане на конкретна батерия, е технология, която адресира разсейването на топлината или топлинния бягство, причинени от прекалено високи или ниски температури по време на работа на батерията. Това се постига чрез рационален дизайн и се основава на материалознанието, електрохимията, преноса на топлина, молекулярната динамика и други дисциплини. Поддържането на разумен работен температурен диапазон е от съществено значение за поддържането на добра производителност на батерията. Следователно проектирането на разумна схема за управление на топлината за литиево-йонни батерийни пакети е от голямо значение за подобряване на цялостната производителност на батерийната система.
Системата за термично управление на батерията има следните пет основни функции: ① точно измерване и наблюдение на температурата на батерията; ② ефективно разсейване на топлината и вентилация, когато температурата на батерията е твърде висока; ③ бързо нагряване при ни-температурни условия; ④ ефективна вентилация, когато се генерират вредни газове; и ⑤ осигуряване на равномерно разпределение на температурата в батерията.
Процес на проектиране на системата за термично управление на батерията
Една-високопроизводителна система за термично управление на батерийния пакет изисква систематичен подход при проектиране. Понастоящем съществуват много методологии за проектиране на системи за управление на топлината. Най-често използваната е система за термично управление на батерията, проектирана от Националната лаборатория за възобновяема енергия (NREL) в Съединените щати, чийто процес на проектиране включва седем стъпки:
1) Определете само-калибъра и изискванията на системата за управление на топлината. Въз основа на температурните характеристики на батерията и подходящия температурен диапазон на работа, определете самоконтролния-калибър на системата за термично управление. Например подходящата работна температура за литиево-йонни захранващи батерии е 10~40 градуса, с ниска-температурна граница от 0 градуса и висока-температурна граница от 45 градуса. Следователно дизайнът на системата за термично управление трябва, докато отговаря на екстремните работни температури на батерията, да се стреми да отговаря на изискванията за подходяща работна температура на батерията.
2) Измерете или оценете генерирането на топлина и топлинния капацитет на модула. Чрез тестове за зареждане-разреждане на батерията и симулационни изчисления въз основа на специфичния топлинен капацитет на батерията, определете разсейването на топлината или топлинната мощност.
3) Първоначална оценка на системата за управление на топлината, включително избор на топлоносител и проектиране на структурата за разсейване на топлината. Обикновено охлаждането на батерията се постига чрез въздушно или течно охлаждане. Системите за въздушно охлаждане са относително прости по структура, но неефективни; системите за течно охлаждане са сложни по структура, но много ефективни. Съществуват и различни форми на методи за отопление, като отопление с циркулиращ горещ въздух, отопление с течен поток и директно отопление с топлинно излъчване от източника на топлина.
4) Предвидете термичното поведение на модула и батерията. Въз основа на работните условия на батерията, прогнозирайте и оценете разсейването на топлината и изискванията за нагряване по време на приложение.
5) Идеен проект на системата за термоуправление. Въз основа на определената топлинна среда и резултатите от оценката на топлинното поведение, изпълнете принципа и инженерния дизайн на системата за управление на топлината.
6) Проектирайте и тествайте системата за управление на топлината. Произвеждайте умален-или пълен-батерийни системи и системата за управление на топлината на батерията и проверете ефективността на системата за управление на топлината при симулирани действителни работни условия на тестов стенд.
7) Оптимизирайте системата за управление на топлината. Подобрете и оптимизирайте системата за термично управление въз основа на експерименталните резултати.
Структура и избор на параметри в процеса на проектиране на система за управление на топлината
Изчисляване на термичното поле на батерията и прогнозиране на температурата
Батериите не са добри проводници на топлина. Познаването само на разпределението на повърхностната температура е недостатъчно, за да се разбере напълно вътрешното топлинно състояние на батерията. Изчисляването на вътрешното температурно поле с помощта на математически модели и прогнозирането на топлинното поведение на батерията е незаменима стъпка при проектирането на системи за управление на топлината на батерията. Понастоящем масовите математически модели включват дву-измерни и три-измерни модели. Сред тях три{6}}измерният модел, поради отличната си точност и адаптивност, е широко използван в множество системи за термично управление на батерията. Моделът е както следва:
Където Т е температурата;
ρ е средната плътност;
c_p е специфичният топлинен капацитет на батерията;
λ_x, λ_y, λ_z са топлопроводимостта на батерията съответно в посоките x, y и z;
q е скоростта на генериране на топлина за единица обем.
Система за термично управление Дизайн на структурата на разсейване на топлината
Температурните разлики между различните модули на батерията в кутията на батерията изострят несъответствията във вътрешното съпротивление и капацитет на батерията. С течение на времето това може да доведе до презареждане или пре-разреждане на някои батерии, което да повлияе на техния живот и производителност и да създаде опасност за безопасността. Температурните разлики между модулите на батерията в кутията на батерията са тясно свързани с разположението на батерията. Обикновено батериите в средата са склонни да акумулират топлина, докато тези в краищата имат по-добро разсейване на топлината. Следователно, когато се проектира структурата на батерията и разсейването на топлината, е от решаващо значение да се осигури равномерно разсейване на топлината. Като вземем за пример въздушно охлаждане, обикновено има два вентилационни метода: последователен и паралелен, за да се осигури равномерно разсейване на топлината. Дизайнът на въздушния поток трябва да се придържа към основните принципи на механиката на течностите и аеродинамиката.
Избор на вентилатори и точки за измерване на температурата
При проектирането на система за термично управление на батерията, типът и мощността на вентилатора, броят на температурните сензори и местоположението на точките за измерване трябва да бъдат внимателно избрани.
Вземайки въздушното охлаждане като пример, при проектирането на охладителната система, като същевременно се гарантира определен охлаждащ ефект, съпротивлението на потока трябва да бъде сведено до минимум, за да се намали шумът от вентилатора и консумацията на енергия, като по този начин се подобри цялостната ефективност на системата. Консумацията на енергия на вентилатора може да бъде оценена чрез изчисляване на спада на налягането и скоростта на потока, като се използват експериментални, теоретични изчисления и методи за динамика на флуидите (CFD). Когато съпротивлението на потока е ниско, могат да се обмислят вентилатори с аксиален поток; когато съпротивлението на потока е високо, центробежните вентилатори са по-подходящи. Разбира се, пространството, заемано от вентилатора, и цената му също трябва да се вземат предвид. Намирането на оптимална стратегия за управление на вентилатора също е една от функциите на системата за управление на топлината.
Разпределението на температурата на батерията в кутията на батерията обикновено е неравномерно, следователно е необходимо да се знае разпределението на термичното поле на батерията при различни условия, за да се определят критичните температурни точки. Повече температурни сензори осигуряват по-цялостно измерване на температурата, но увеличават цената и сложността на системата. В зависимост от конкретния инженерен контекст, теоретично анализът на крайните елементи, инфрачервеното термично изображение в експерименти или многоточково-точково наблюдение в реално-време може да се използва за анализиране и измерване на разпределението на термичното поле на батерийния пакет, батерийните модули и отделните клетки, определяне на броя на точките за измерване на температурата и намиране на подходящи точки в различни области. Общият дизайн трябва да гарантира, че температурните сензори не са изложени на охлаждащ въздушен поток, за да се подобри точността и стабилността на температурните измервания. При проектирането на батерията трябва да се запази място за температурни сензори; например подходящи отвори могат да бъдат проектирани на подходящи места. Батерията на хибридния електрически автомобил Prius на Toyota има 228 отделни клетки, а мониторингът на температурата се извършва от 5 температурни сензора. Батерийната система за захранване на електрически автобус, проектирана от Пекинския технологичен институт, използва 6 точки за измерване на температурата на кутия (вижте оградената област на Фигура 8-16a), подредени на положителните и отрицателните клеми и изходните точки на захранващата линия на кутията на батерията, както е показано на Фигура 8-16.
Проектиране и внедряване на система за топлинен мениджмънт
Въз основа на топлопреносната среда охлаждането на системите за термично управление на батерийния пакет може да бъде разделено на три типа: въздушно охлаждане, течно охлаждане и охлаждане на материал с фазова промяна. Като се имат предвид разходите за изследване и развитие на материалите и производствените разходи, най-ефективната и често използвана система за разсейване на топлината в момента използва въздух като среда за разсейване на топлината.
Въз основа на структурата на въздушния поток за разсейване на топлината, системите за въздушно охлаждане могат допълнително да бъдат разделени на два типа: последователна вентилация и паралелна вентилация, както е показано съответно на фигури 8-17 и 8-18.
При серийна конфигурация въздухът обикновено тече от едната страна на батерията към другата, за да премахне топлината. Въпреки това, този въздушен поток пренася топлина от зони, през които преминава по-рано, към области, през които преминава по-късно, което води до непостоянни температури и значителни температурни разлики. При паралелна конфигурация въздушният поток между модулите се издига вертикално, разпределяйки въздуха по-равномерно и осигурявайки постоянно разсейване на топлината в целия батериен пакет.
Системите за термично управление могат да бъдат категоризирани на пасивни и активни системи въз основа на това дали имат вътрешни нагревателни или охлаждащи устройства. Пасивните системи са по-евтини и изискват по-опростена инфраструктура; активните системи са по-сложни и изискват по-голяма допълнителна мощност, но предлагат по-добра производителност.
Фигури 8-19, 8-20 и 8-21 показват схематични диаграми съответно на активно и пасивно отопление на въздуха и структури за разсейване на топлината.
На фигури 8-19 и 8-20, въпреки че въздухът е бил охлаждан и нагряван от климатичната или отоплителната система на автомобила, той все още се счита за пасивна система. При тази пасивна система, поради несъответствието в температурата на вкарвания околен въздух, околният въздух трябва да работи в определен температурен диапазон (10~35 градуса) за правилно управление на топлината. Работата при изключително студени или горещи условия може да доведе до по-големи неравности в батерията.
В отоплителните системи, освен вкарването на горещ въздух в батерията, могат да се използват и други методи, както е показано на фигури 8-22~8-25 (за призматични батерии).
