Ce este sistemul de management termic?
Sistem de management termic
Managementul termic al bateriei, bazat pe impactul temperaturii asupra performanței bateriei, combinat cu caracteristicile electrochimice ale bateriei și mecanismele de generare a căldurii, și bazat pe intervalul optim de temperatură de încărcare/descărcare a unei anumite baterii, este o tehnologie care abordează disiparea căldurii sau evadarea termică cauzată de temperaturi excesiv de ridicate sau scăzute în timpul funcționării bateriei. Acest lucru se realizează prin proiectare rațională și se bazează pe știința materialelor, electrochimie, transfer de căldură, dinamică moleculară și alte discipline. Menținerea unui interval rezonabil de temperatură de funcționare este esențială pentru ca acumulatorul să mențină o performanță bună. Prin urmare, proiectarea unei scheme rezonabile de management termic pentru bateriile cu litiu-ion este de mare importanță pentru îmbunătățirea performanței generale a sistemului de baterii.
Sistemul de management termic al acumulatorului are următoarele cinci funcții principale: ① măsurarea și monitorizarea precisă a temperaturii bateriei; ② disipare eficientă a căldurii și ventilație atunci când temperatura acumulatorului este prea mare; ③ încălzire rapidă în condiții de temperatură scăzută{0}; ④ ventilație eficientă atunci când sunt generate gaze nocive; și ⑤ asigurarea unei distribuții uniforme a temperaturii în cadrul acumulatorului.
Procesul de proiectare a sistemului de management termic al pachetului de baterii
Un sistem de gestionare termică-de înaltă performanță a acumulatorului necesită o abordare sistematică de proiectare. În prezent, există multe metodologii de proiectare pentru sistemele de management termic. Cel mai des folosit este un sistem de management termic al pachetului de baterii proiectat de Laboratorul Național de Energie Regenerabilă (NREL) din Statele Unite, al cărui proces de proiectare include șapte pași:
1) Determinați auto-calibrul și cerințele sistemului de management termic. Pe baza caracteristicilor de temperatură ale bateriei și a intervalului adecvat de temperatură de funcționare, determinați auto--calibrul de control al sistemului de management termic. De exemplu, temperatura de funcționare adecvată pentru bateriile cu energie litiu-ion este de 10~40 grade , cu o limită de temperatură joasă-de 0 grade și o limită de temperatură-înaltă de 45 de grade . Prin urmare, proiectarea sistemului de management termic ar trebui, în timp ce îndeplinește temperaturile extreme de funcționare ale bateriei, să se străduiască să îndeplinească cerințele de temperatură de funcționare adecvate ale bateriei.
2) Măsurați sau estimați generarea de căldură a modulului și capacitatea de căldură. Prin teste de încărcare-descărcare a bateriei și calcule de simulare bazate pe capacitatea termică specifică a bateriei, determinați disiparea căldurii sau puterea de încălzire.
3) Evaluarea inițială a sistemului de management termic, inclusiv selectarea mediului de transfer termic și proiectarea structurii de disipare a căldurii. În general, răcirea bateriei se realizează prin răcire cu aer sau cu lichid. Sistemele de răcire cu aer sunt relativ simple ca structură, dar ineficiente; sistemele de răcire cu lichid sunt complexe ca structură, dar foarte eficiente. Există, de asemenea, diferite forme de metode de încălzire, cum ar fi încălzirea cu aer cald circulant, încălzirea cu flux de lichid și încălzirea directă prin radiație termică de la sursa de căldură.
4) Preziceți comportamentul termic al modulului și al acumulatorului. Pe baza condițiilor de funcționare ale acumulatorului, anticipați și evaluați cerințele de disipare a căldurii și de încălzire în timpul aplicării.
5) Proiectare preliminară a sistemului de management termic. Pe baza mediului de căldură determinat și a rezultatelor evaluării comportamentului termic, efectuați principiul și proiectarea inginerească a sistemului de management termic.
6) Proiectați și testați sistemul de management termic. Produceți sisteme de baterii la scară redusă-scăzută sau-la scară completă și sistemul de management termic al bateriei și verificați eficacitatea sistemului de management termic în condiții reale de operare simulate pe un banc de testare.
7) Optimizarea sistemului de management termic. Îmbunătățirea și optimizarea sistemului de management termic pe baza rezultatelor experimentale.
Selecția structurii și parametrilor în procesul de proiectare a sistemului de management termic
Calculul câmpului termic al bateriei și previziunea temperaturii
Bateriile nu sunt bune conductoare de căldură. Cunoașterea numai a distribuției temperaturii de suprafață este insuficientă pentru a înțelege pe deplin starea termică internă a bateriei. Calcularea câmpului de temperatură intern folosind modele matematice și estimarea comportamentului termic al bateriei este un pas indispensabil în proiectarea sistemelor de management termic al bateriei. În prezent, modelele matematice principale includ modele bi-dimensionale și tri-dimensionale. Printre acestea, modelul tri-dimensional, datorită preciziei și adaptabilității sale excelente, a fost utilizat pe scară largă în numeroase sisteme de management termic al bateriei. Modelul este după cum urmează:
Unde T este temperatura;
ρ este densitatea medie;
c_p este capacitatea termică specifică a bateriei;
λ_x, λ_y, λ_z sunt conductivitatea termică a bateriei în direcțiile x, y, respectiv z;
q este rata de generare a căldurii pe unitatea de volum.
Proiectarea structurii de disipare a căldurii sistemului de management termic
Diferențele de temperatură între diferite module de baterie din cutia bateriei exacerba inconsecvențele în rezistența și capacitatea internă a bateriei. În timp, acest lucru poate duce la supraîncărcare sau{1}}descărcare excesivă a unor baterii, afectând durata de viață și performanța acestora și creând pericole pentru siguranță. Diferențele de temperatură dintre modulele bateriei din cutia bateriei sunt strâns legate de aranjamentul pachetului de baterii. În general, bateriile din mijloc tind să acumuleze căldură, în timp ce cele de la margini au o disipare mai bună a căldurii. Prin urmare, la proiectarea structurii acumulatorului și a disipării căldurii, este esențial să se asigure o disipare uniformă a căldurii. Luând ca exemplu răcirea cu aer, există în general două metode de ventilație: în serie și în paralel, pentru a asigura o disipare uniformă a căldurii. Proiectarea fluxului de aer trebuie să respecte principiile de bază ale mecanicii fluidelor și aerodinamicii.
Selectarea ventilatoarelor și a punctelor de măsurare a temperaturii
La proiectarea unui sistem de management termic al bateriei, trebuie alese cu grijă tipul și puterea ventilatorului, numărul de senzori de temperatură și locația punctelor de măsurare.
Luând ca exemplu răcirea cu aer, atunci când proiectați sistemul de răcire, asigurând în același timp un anumit efect de răcire, rezistența la curgere ar trebui redusă la minimum pentru a reduce zgomotul ventilatorului și consumul de energie, îmbunătățind astfel eficiența generală a sistemului. Consumul de energie al ventilatorului poate fi estimat prin estimarea căderii de presiune și a debitului utilizând metode experimentale, de calcul teoretic și de dinamică a fluidelor (CFD). Când rezistența la curgere este scăzută, pot fi luate în considerare ventilatoare axiale; când rezistența la curgere este mare, ventilatoarele centrifugale sunt mai potrivite. Desigur, trebuie luate în considerare și spațiul ocupat de ventilator și costul acestuia. Găsirea strategiei optime de control al ventilatorului este, de asemenea, una dintre funcțiile unui sistem de management termic.
Distribuția temperaturii acumulatorului în cutia bateriei este în general neuniformă, prin urmare, este necesar să se cunoască distribuția câmpului termic al acumulatorului în diferite condiții pentru a determina punctele critice de temperatură. Mai mulți senzori de temperatură oferă o măsurare mai cuprinzătoare a temperaturii, dar cresc costul și complexitatea sistemului. În funcție de contextul specific de inginerie, teoretic, analiza cu elemente finite, imagistica termică în infraroșu în experimente sau monitorizarea temperaturii în mai multe puncte-în timp real- poate fi utilizată pentru a analiza și măsura distribuția câmpului termic al acumulatorului, modulelor bateriei și celulelor individuale, determinând numărul de puncte de măsurare a temperaturii și găsind puncte adecvate în diferite zone. Un design general ar trebui să asigure că senzorii de temperatură nu sunt expuși la fluxul de aer de răcire pentru a îmbunătăți acuratețea și stabilitatea măsurătorilor de temperatură. La proiectarea bateriei, spațiul trebuie rezervat senzorilor de temperatură; de exemplu, deschiderile adecvate pot fi proiectate în locații adecvate. Pachetul de baterii al vehiculului electric hibrid Toyota Prius are 228 de celule individuale, iar monitorizarea temperaturii este realizată de 5 senzori de temperatură. Sistemul de baterii de alimentare cu magistrala electrică proiectat de Institutul de Tehnologie din Beijing utilizează 6 puncte de măsurare a temperaturii per cutie (vezi zona încercuită în Figura 8-16a), dispuse la bornele pozitive și negative și la punctele de ieșire ale liniei de alimentare ale cutiei de baterii, așa cum se arată în Figura 8-16.
Proiectare și implementare a sistemului de management termic
Pe baza mediului de transfer de căldură, răcirea sistemelor de management termic al pachetului de baterii poate fi împărțită în trei tipuri: răcire cu aer, răcire cu lichid și răcire material cu schimbare de fază. Având în vedere costurile de cercetare și dezvoltare a materialelor și costurile de producție, cel mai eficient și mai des folosit sistem de disipare a căldurii în prezent utilizează aer ca mediu de disipare a căldurii.
Pe baza structurii fluxului de aer cu disipare a căldurii, sistemele de răcire cu aer pot fi împărțite în două tipuri: ventilație în serie și ventilație paralelă, așa cum se arată în figurile 8-17 și, respectiv, 8-18.
Într-o configurație în serie, aerul curge de obicei dintr-o parte a acumulatorului în cealaltă pentru a elimina căldura. Cu toate acestea, acest flux de aer transportă căldură din zonele prin care trece mai devreme către zonele prin care trece mai târziu, rezultând temperaturi inconsistente și diferențe semnificative de temperatură. Într-o configurație paralelă, fluxul de aer dintre module crește vertical, distribuind aerul mai uniform și asigurând o disipare constantă a căldurii în întregul pachet de baterii.
Sistemele de management termic pot fi clasificate în sisteme pasive și active în funcție de faptul că au dispozitive interne de încălzire sau de răcire. Sistemele pasive sunt mai puțin costisitoare și necesită o infrastructură mai simplă; sistemele active sunt mai complexe și necesită o putere suplimentară mai mare, dar oferă performanțe mai bune.
Figurile 8-19, 8-20 și 8-21 prezintă diagrame schematice ale structurilor de încălzire cu aer activ și pasiv și, respectiv, de disipare a căldurii.
În figurile 8-19 și 8-20, deși aerul a fost răcit și încălzit de sistemul de aer condiționat sau de încălzire al mașinii, acesta este în continuare considerat un sistem pasiv. Cu acest sistem pasiv, din cauza inconsecvenței temperaturii aerului ambiant introdus, aerul ambiant trebuie să funcționeze într-un anumit interval de temperatură (10~35 grade) pentru un management termic adecvat. Funcționarea în condiții extrem de reci sau calde poate duce la denivelări mai mari ale acumulatorului.
În sistemele de încălzire, pe lângă introducerea aerului cald în acumulator, se pot utiliza și alte metode, așa cum se arată în figurile 8-22~8-25 (pentru bateriile prismatice).
