Технология управления температурой литий-ионных аккумуляторов

В настоящее время теория управление температурой батареи совершенствуется, а технология постоянно обновляется.С одной стороны, начните с собственных материалов батареи, чтобы улучшить устойчивость батареи к высоким/низким температурам и повысить устойчивость батареи.Например, новейшие твердотельные батареи лучше жидких с точки зрения плотности энергии, безопасности и скорости зарядки.С другой стороны, начиная с внешней стороны батареи, температура батареи регулируется в оптимальном рабочем диапазоне с помощью принудительной воздушной конвекции, потока жидкой среды и покрытия из материала с фазовым переходом.Для повышения эффективности отвода тепла разработана система жидкостного охлаждения сложной конструкции.Что касается конструкции, то для контакта с каждым батарейным блоком расположено максимально возможное количество каналов.Оптимизируйте структуру пути потока, выберите наилучшие положения входа и выхода и спроектируйте соответствующую длину пути потока, чтобы уменьшить потери энергии и т. д. Разработка новых материалов в последние годы сочетает материалы с эффектом охлаждения или сохранения тепла с системами управления температурой для улучшения эффективность рассеивания или сохранения тепла.Развитие таких технологий, как новые тепловые трубки, охлаждающие пластины и прямое охлаждение, также дает новые исследовательские идеи для управления температурой аккумуляторов.В этой статье анализируются основные методы передачи тепла от тепла, генерируемого силовыми батареями, и приводятся основные современные технологии управления температурой батареи - технология воздушного охлаждения, технология жидкостного охлаждения, технология охлаждения PCM, технология охлаждения тепловых трубок, и технология нагрева батареи в условиях низких температур.Рассмотрены его характеристики, исследовательский статус, достоинства и недостатки, обобщены и предложены направления его дальнейшего развития.

1. Анализ теплопроводности силовой батареи

Чтобы спроектировать систему управления температурным режимом батареи с хорошими характеристиками, необходимо сначала понять методы тепловыделения и теплопередачи силовых батарей.Во время процесса зарядки и разрядки силовой батареи внутри батареи происходят различные электрохимические реакции.Сложные химические реакции в основном сопровождаются выделением тепла, а наличие внутреннего сопротивления батареи также будет генерировать джоулево тепло.

Теплопередача включает три основных способа теплопроводности, конвективный теплообмен и радиационный теплообмен.Вырабатываемое батареей тепло может передаваться определенным образом или комбинироваться друг с другом.

Конвекция является основным способом передачи тепла в жидкостях и газах.Это процесс, при котором жидкость (газ или жидкость) осуществляет теплопередачу через макроскопическое течение различных ее частей и часто сопровождается теплопроводностью.По состоянию течения различают ламинарный теплообмен и турбулентный теплообмен.По причине течения его делят на естественную конвекцию и вынужденную конвекцию.Принудительная конвекция лучше естественной.

Поскольку в настоящее время для отвода тепла в транспортных средствах в основном используется жидкостное охлаждение, основным является конвективный теплообмен.Радиационная теплопередача заключается в излучении и поглощении энергии излучения окружающими предметами и преобразовании ее в тепловую энергию.

Таким образом, тепло, выделяемое батареей, в основном передается за счет конвекционного теплообмена и теплопроводности.Текущая технология рассеивания тепла также в основном использует эти два метода теплопередачи.

2. Технология терморегулирования

Электромобили изначально обычно использовали простую систему воздушного охлаждения.Используйте эффект всасывания воздуходувки, чтобы всосать наружный воздух в аккумуляторную батарею.Воздух обтекает аккумуляторный модуль, и, наконец, тепло, выделяемое силовым аккумулятором, выводится из воздуховыпускного отверстия вместе с воздухом для достижения эффекта охлаждения аккумулятора.Охлаждение воздуха можно разделить на естественную конвекцию и принудительную конвекцию из-за различных методов вентиляции.Естественная конвекция — это использование внешнего холодного воздуха, проходящего через поверхность каждого элемента батареи для теплообмена для достижения целей охлаждения.Принудительное конвекционное охлаждение основано на добавлении механических устройств, которым для привода необходимо потреблять часть энергии аккумулятора.Принудительная конвекция надежнее и проще в обслуживании, чем естественная конвекция.Поэтому на разных моделях чаще встречается принудительная конвекция.Однако неравномерность температуры между ячейками является большой проблемой, которую должна решить принудительная конвекция.В соответствии с различными режимами вентиляции воздушное охлаждение имеет два режима вентиляции, последовательный и параллельный, как показано на рис. 1. При последовательном проветривании воздух поступает в вентиляционную линию и по очереди обтекает поверхность каждого элемента батареи.При обдуве температура воздуха постепенно повышается, а разница температур между батареями продолжает сокращаться.Поскольку температура и скорость потока на обеих сторонах модуля батареи различны, сторона, где воздух течет в первую очередь, имеет более низкую температуру батареи и более высокую скорость потока воздуха.Эффективность теплопередачи снижается, когда воздушный поток достигает другой стороны.В это время температура поверхности батареи сильно не меняется, что приводит к неравномерной температуре между блоками батарей с обеих сторон.При параллельной вентиляции воздух проходит над разными поверхностями батареи одновременно, и скорость потока относительно постоянна.Теплообмен каждой батареи практически одинаков.Это улучшает выравнивание температуры модуля.Поэтому широко применяется параллельная вентиляция.Расположение аккумуляторов также влияет на эффект воздушного охлаждения.Хотя сопротивление потоку охлаждающего воздуха модулей батарей, расположенных в ряд, невелико, площадь контакта элементов батареи невелика.Этот эффект конвекции и эффективность охлаждения плохие, обычно не используются.Перекрестное расположение увеличивает возмущение воздушного потока, протекающего между батареями, и улучшает эффект отвода тепла, но потери сопротивления потоку относительно велики.Коэффициент теплопередачи можно улучшить, приняв трапециевидное расположение.Балансировка эффекта рассеивания тепла на обоих концах батареи поддерживает общую температуру аккумуляторной батареи на относительно стабильном уровне.

Чтобы увеличить запас хода автомобиля, необходимо разместить как можно больше аккумуляторов для обеспечения энергией.Больше ячеек будет генерировать много тепла.Если вовремя не разрядить, это может привести к тепловому разгону.Увеличьте мощность охлаждения, изменив структуру впуска и выпуска воздуха.Через попеременную вентиляцию воздух периодически проходит с левой и правой сторон батареи, избегая явления чрезмерной температуры на одной стороне.

Конфигурации с активным воздушным охлаждением и пассивным воздушным охлаждением показаны на рисунке 2. Конструкция рассеивания тепла с пассивным воздушным охлаждением относительно проста, и непосредственно используется воздух из окружающей среды.Активная система охлаждения использует предварительно подготовленный воздух из кондиционера для прохождения через батарею.Пассивное воздушное охлаждение менее эффективно, чем активное воздушное охлаждение.

Воздушное охлаждение подходит только для батарей с низкой плотностью из-за характеристик низкой теплоемкости воздуха и низкой теплопроводности.Большие аккумуляторные блоки требуют больших каналов потока, что делает систему громоздкой.Активные системы воздушного охлаждения, в которых используются вентиляторы для увеличения теплопередачи, увеличивают стоимость, производят много шума и влияют на комфорт при езде.Для повышения производительности воздушного охлаждения могут быть приняты соответствующие меры, такие как увеличение объема воздуха, скорости потока, размера канала и оптимизация расположения блока без ущерба для использования пространства.

Воздушное охлаждение имеет низкую эффективность отвода тепла и обычно используется в моделях с относительно небольшой мощностью двигателя.Например, ранний Nissan Leaf, Kia Soul EV и так далее.Приоритет использования отвода тепла с воздушным охлаждением помогает снизить стоимость автомобиля.Однако при наличии большого количества аккумуляторных модулей и невозможности достижения требуемого эффекта рассеивания тепла необходимо рассмотреть другие методы управления температурным режимом.

Когда воздушное охлаждение не может удовлетворить требования по рассеиванию тепла, вводится жидкостное охлаждение.В процессе жидкостного охлаждения жидкий теплоноситель поглощает тепло от батареи и своевременно передает тепло наружному воздуху посредством непрерывной циркуляции, снижая температуру аккумуляторной батареи.По сравнению с воздушным охлаждением эффективность рассеивания тепла выше, а скорость охлаждения выше.

Существуют активные и пассивные подходы к системам жидкостного охлаждения.При активном жидкостном охлаждении теплообмен между теплоносителем и внешним миром в основном осуществляется за счет комбинации хладагента двигателя или системы кондиционирования воздуха, на которую меньше влияет температура окружающей среды.Однако его сложная структура увеличивает стоимость производства и обслуживания.Энергопотребляющие компоненты также вызывают вторичную потерю энергии батареи.При пассивном жидкостном охлаждении жидкая среда протекает через аккумулятор для поглощения тепла.Теплоноситель перекачивается в теплообменник, который отдает тепло во внешнюю среду для охлаждения батареи.Среда (хладагент) может быть использована повторно.Структура проста, а стоимость невысока.Поскольку пассивное жидкостное охлаждение в основном зависит от внешнего окружающего воздуха для теплообмена, эффективное рассеивание тепла не может быть достигнуто при высокой внешней температуре окружающей среды.Эффект рассеивания тепла пассивной системы жидкостного охлаждения уступает эффекту активного жидкостного охлаждения.Принцип активного и пассивного жидкостного охлаждения показан на рисунке 3.

В зависимости от режима контакта между жидкой средой и аккумулятором его можно разделить на прямой контакт и косвенное контактное жидкостное охлаждение.Когда батарея находится в непосредственном контакте с жидкой средой, средой может быть вода, этанол и хладагент.Средой обычно является электроизолирующая жидкость (масло) с высокой теплопроводностью для решения проблемы выравнивания температуры модуля.Эти среды имеют высокую вязкость и низкую скорость потока, что требует больше энергии и снижает эффективность охлаждения.Поэтому его можно улучшить, изменив теплопроводность, скорость потока, вязкость, плотность и другие параметры среды для увеличения скорости теплообмена.В системе косвенного жидкостного охлаждения жидкость течет по трубопроводу или интегрированному каналу, контактирующему с аккумулятором, отводя тепло, выделяемое аккумулятором, для достижения цели отвода тепла.Обычно в этой системе для передачи тепла используются жидкости с низкой вязкостью (вода, гликоль и т. д.).Следовательно, он требует меньшего энергопотребления и не ограничен скоростью потока, но его температурная однородность плохая.Хотя прямое жидкостное охлаждение более эффективно, чем непрямое жидкостное охлаждение, косвенные системы жидкостного охлаждения обычно используются в электромобилях из-за их практичности, стабильности и надежности.

PCM способны поглощать или выделять большое количество скрытого тепла при изменении состояния вещества и поддерживать постоянную температуру с течением времени.Технология охлаждения PCM должна использовать эту характеристику.Аккумулятор находится в непосредственном контакте с PCM, и тепло передается от аккумулятора к PCM.Сохранение и выделение тепла в процессе изменения состояния вещества для достижения эффекта низкотемпературного нагрева и высокотемпературного отвода тепла для силовой батареи.ПКМ включает три типа: органический, неорганический и композитный ПКМ.Органический ПКМ характеризуется низкой ценой, хорошей стабильностью, низкой токсичностью, отсутствием коррозии, отсутствием переохлаждения и фазового разделения, но имеет недостатки плохой теплопроводности и воспламеняемости.Чтобы решить вышеуказанные проблемы, исследователи попытались добавить в органический ПКМ материалы с высокой теплопроводностью и огнестойкие материалы.Это актуальная проблема в области терморегулирования аккумуляторов.Из-за ограничения температуры фазового перехода большинство доступных неорганических ПКМ представляют собой гидратированные соли, теплофизические свойства которых нестабильны.Неорганический ПКМ полностью негорюч и стоит намного меньше, чем органический ПКМ.Неорганические ПКМ обладают плохой теплопроводностью и стабильностью из-за фазового разделения, обезвоживания или переохлаждения, что препятствует их широкому применению.Чтобы устранить эти недостатки органического ПКМ и неорганического ПКМ, был разработан композитный ПКМ, сочетающий преимущества двух вышеупомянутых, который имеет лучшую теплопроводность и скрытую теплоту фазового перехода.

По сравнению с традиционными методами терморегулирования, PCM не требует потребления энергии, имеет низкую стоимость и хорошую однородность температуры и часто используется в сочетании с другими методами.

Технология тепловых трубок — это новая технология, которая быстро развивается в последние годы.Он в основном использует характеристики фазового перехода веществ, чтобы устранить недостатки технологии управления теплом PCM.Предлагается альтернативная система под названием «тепловая трубка», представляющая собой модернизированную версию на базе PCM.Традиционная тепловая трубка в основном состоит из трех компонентов: кожуха трубы, поглощающей жидкость сердцевины и торцевой крышки.По условиям теплопередачи тепловую трубу обычно можно разделить на три части: горячий конец, адиабатический участок и холодный конец.Комбинация тепловой трубки и батареи показана на рис. 4. Тепловая трубка заполняется соответствующим количеством хладагента после того, как закрытая металлическая оболочка нагнетается до отрицательного давления.Когда один конец тепловой трубки поглощает тепло, выделяемое батареей, хладагент испаряется.Газообразный хладагент течет к другому концу под действием градиента давления с выделением тепла и повторно конденсируется в жидкость.Жидкость течет обратно в испаритель под действием капиллярной силы, и вышеперечисленное непрерывно циркулирует для достижения эффекта отвода тепла.

Высокие затраты на производство и техническое обслуживание, а также сложность контроля количества теплоносителя являются основными причинами, препятствующими применению тепловых труб.В системе отвода тепла тепловой трубы силовая батарея может не только поддерживать нормальный диапазон рабочих температур, но и поддерживать однородность температуры между элементами батареи с реверсивным направлением теплового потока.Это эффект, которого не могут достичь другие системы охлаждения.Метод охлаждения с тепловыми трубками также легко сочетается с вышеуказанными технологиями для улучшения характеристик рассеивания тепла и имеет широкие перспективы развития.

Система прямого охлаждения в настоящее время также является относительно продвинутой системой управления температурным режимом, которая поглощает преимущества системы жидкостного охлаждения и PCM.Двухступенчатое охлаждение достигается за счет использования жидкости и ПКМ.Жидкий хладагент течет внутри охлаждающей пластины, прикрепленной к аккумуляторной батарее.Теплообмен с аккумуляторной батареей и охлаждающей пластиной за счет теплопроводности и конвекции, а охлаждающая жидкость непосредственно охлаждается аккумуляторной системой с использованием процесса фазового перехода испарения.Его адаптируемость к системе кондиционирования воздуха может объединить охлаждение аккумуляторной системы и салона в одной системе, повышая эффективность охлаждения.По сравнению с системой жидкостного охлаждения, в которой используется явное тепло хладагента, система прямого охлаждения использует скрытую теплоту испарения хладагента для удовлетворения потребности батареи в тепле, а эффективность охлаждения системы увеличивается почти в 5 раз.Кроме того, требуется меньше компонентов.Экономия на оборудовании способствует снижению веса, снижению стоимости электромобилей.Пластина прямого охлаждения используется в качестве испарителя аккумуляторного модуля в системе прямого охлаждения, и ее производительность напрямую влияет на эффект теплообмена между аккумулятором и хладагентом.В настоящее время наиболее распространены охлаждающие плиты Г-образной формы и сотовые односторонние надувные алюминиевые плиты.

Когда требования к плотности энергии батареи и быстрой скорости зарядки становятся все выше и выше, решение для прямого охлаждения батареи имеет преимущества небольшого размера, легкого веса, быстрой скорости охлаждения и хорошей производительности и считается одной из потенциальных альтернатив для система терморегулирования аккумуляторов нового поколения.Учитывая будущие инновационные приложения, подход на основе цифровых двойников может служить руководством для проектирования будущих систем прямого охлаждения.Этот подход основан на потенциале цифровых технологий и облачных платформ управления для более эффективного управления температурным режимом.

В условиях низкой температуры окружающей среды (например, -20°C или ниже) емкость, мощность и эффективность разрядки батареи значительно снижаются.Срок службы сокращается, что затрудняет зарядку и разрядку, а в тяжелых случаях может привести к тепловому выходу из строя.Поэтому необходимо нагревать или поддерживать в тепле батарею в холодных регионах, чтобы температура батареи не была слишком низкой и чтобы обеспечить нормальное вождение автомобиля.В настоящее время система отопления делится на внутреннее отопление и внешнее отопление.Внутренний нагрев включает самонагрев, нагрев переменным током высокой и низкой частоты и нагрев импульсным током.Наружное отопление включает в себя отопление ПКМ, воздушное отопление, водяное отопление и т.д.

Способ внутреннего нагрева состоит в том, чтобы нагреть батарею, в основном, за счет внутреннего сопротивления батареи и тепла, выделяемого в результате внутренней химической реакции.Этот метод имеет высокую эффективность, но низкую энергоэффективность, что может привести к ухудшению производительности батареи и плохой стабильности.Внешний нагрев заключается в нагреве батареи за счет выработки тепла с помощью дополнительного нагревательного элемента.Этот метод прост в нагреве и имеет высокую безопасность, но эффективность низкая.

Чем ниже температура батареи, тем меньше емкость батареи и тем меньше она будет разряжаться.Это не только повлияет на запас хода автомобиля, но и повлияет на мощность и рекуперацию энергии автомобиля, тем самым ограничив продвижение электромобилей в холодных регионах.Технология аккумуляторного отопления имеет большие перспективы развития, которые можно исследовать со многих сторон.Что касается формы батареи, батарея имеет шестиугольную форму, и батареи расположены так, чтобы образовывать шестиугольную плотную упаковку, что способствует оптимизации пространства и сохранению тепла между батареями.Что касается материалов для аккумуляторов и электролитов, графен и сверхпроводящие материалы используются для улучшения проводимости аккумуляторов в условиях низких температур.С точки зрения структуры модуля батареи можно рассмотреть некоторые формы в природе, такие как проектирование каналов потока с помощью жилок листьев, муравьиных пещер и других бионических структур для нагрева и поддержания тепла батареи.

3. Резюме

В будущем будет больше автомобилей с быстрой зарядкой, а быстрая зарядка будет выделять больше тепла.Принимая во внимание характеристики разряда батареи, эффект рассеивания тепла, энергопотребление системы, малый вес и другие показатели, предложение эффективной схемы рассеивания тепла для системы управления температурным режимом является предметом будущих исследований по усилению рассеивания тепла батареи.Чтобы поддерживать рабочую температуру батареи в оптимальном температурном диапазоне, необходимо улучшить характеристики рассеивания тепла системы управления температурой батареи.Единая система охлаждения больше не может удовлетворить потребности, и для комплексного охлаждения можно комбинировать воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение, охлаждение с фазовым переходом, охлаждение с помощью тепловых трубок и прямое охлаждение.Улучшите тепловые характеристики, оптимизировав каждый метод охлаждения.Исследование конструкции воздуховода переменной ширины для охлаждения воздуха.Рассмотрим возвратно-поступательный и двунаправленный поток жидкости для жидкостного охлаждения.Используйте инерцию, чтобы уменьшить рассеяние энергии, изменить свойства жидкости для улучшения теплопроводности, оптимизировать структуру жидкостного канала, контролировать скорость потока и расход и т. д. Охлаждение фазового перехода оптимизируется путем контроля температуры плавления PCM, теплопроводности PCM, качества. ПКМ, расстояние между ячейками, толщина ПКМ и другие параметры.Добавляйте в PCM специальные вещества, чтобы получить композитный PCM с превосходными характеристиками и более эффективным охлаждением.Соединение тепловой трубки с воздушным, водяным или рефрижераторным охлаждением обеспечивает хорошую эффективность теплопередачи.Аккумуляторы – это сердце электромобилей.Начиная с самой батареи, улучшение ее способности адаптироваться к температуре внешней среды также является актуальной темой исследований.

При применении автомобильными компаниями системы управления температурным режимом комплексная система охлаждения Tesla включает цикл охлаждения и цикл нагрева.В то же время технология слияния нескольких датчиков также может использоваться для более точного контроля температуры батареи.Благодаря машинному обучению с большим объемом данных была разработана система управления температурным режимом, способная распределять энергию и адаптивно регулировать температуру.Интеллектуальная и интегрированная система управления температурным режимом Huawei за счет комплексного проектирования и разработки обеспечивает оптимальное общее энергопотребление.

Поэтому, чтобы повысить эффективность охлаждения и нагрева силовой батареи, с целью обеспечения безопасности и увеличения дальности движения, оптимизировать ее производительность и усилить исследования в области интеллекта, интеграции и адаптации к различным условиям работы.Например, платформа интеллектуального мониторинга температуры в облаке может устанавливать пороги срабатывания при высокой и низкой температуре.Его можно комбинировать с суперконденсатором для формирования гибридной мощности для увеличения мощности и времени автономной работы электромобилей.Выполните многоцелевую оптимизацию проекта, чтобы получить более рентабельную структуру.В соответствии с интеллектуальными алгоритмами реализуйте стратегии управления температурным режимом, которые можно оптимизировать в режиме реального времени.Оптимизируйте протокол быстрой зарядки на основе модели, чтобы уменьшить тепловыделение во время зарядки.Он также может пересекаться с другими дисциплинами, такими как бионика, материаловедение, информатика и т. д. Используйте характеристики и преимущества этих дисциплин для разработки саморегулирующейся безопасной, эффективной и интегрированной экосистемы температуры батареи.