С увеличением продаж и владения транспортными средствами на новых источниках энергии время от времени также происходят пожары на транспортных средствах на новых источниках энергии. Разработка системы терморегулирования является узкой проблемой, ограничивающей разработку новых энергетических транспортных средств. Разработка стабильной и эффективной системы терморегулирования имеет большое значение для повышения безопасности транспортных средств на новых источниках энергии.
Тепловое моделирование литий-ионных аккумуляторов является основой управления температурным режимом литий-ионных аккумуляторов. Моделирование характеристик теплопередачи и моделирование характеристик тепловыделения являются двумя важными аспектами теплового моделирования литий-ионных аккумуляторов. В существующих исследованиях по моделированию характеристик теплопередачи аккумуляторов считается, что литий-ионные аккумуляторы обладают анизотропной теплопроводностью. Поэтому очень важно изучить влияние различных положений теплопередачи и поверхностей теплопередачи на теплоотвод и теплопроводность литий-ионных батарей для разработки эффективных и надежных систем терморегулирования для литий-ионных батарей.
1. Модель эквивалентной теплопроводности ячейки.
В качестве объекта исследования был использован литий-железо-фосфатный аккумуляторный элемент емкостью 50 А·ч, были подробно проанализированы его характеристики теплопередачи и предложена новая идея конструкции терморегулирования. Форма элемента показана на рисунке 1, а конкретные параметры размера показаны в таблице 1. Структура литий-ионного аккумулятора обычно включает положительный электрод, отрицательный электрод, электролит, сепаратор, вывод положительного электрода, вывод отрицательного электрода, центральную клемму, изоляционный материал, предохранительный клапан, термистор с положительным температурным коэффициентом (PTC) и корпус батареи. Сепаратор помещается между положительным и отрицательным полюсами, а сердечник батареи формируется путем намотки или группа полюсов формируется путем ламинирования. Упростите многослойную структуру ячейки до материала ячейки того же размера и выполните эквивалентную обработку теплофизических параметров ячейки, как показано на рисунке 2. Предполагается, что материал ячейки батареи представляет собой кубовидную единицу с анизотропными характеристиками теплопроводности. Предполагается, что теплопроводность (λz), перпендикулярная направлению штабелирования, меньше, чем теплопроводность (λx, λy), параллельная направлению штабелирования.
2. Способность поверхности клеток рассеивать тепло .
Результаты испытаний теплопроводности элемента показаны в таблице 2. При использовании этого элемента для интеграции системы аккумуляторной батареи поверхность рассеивания тепла конструкции управления температурой элемента включает в себя 5 других внешних поверхностей, кроме поверхности выступа. Оцените и рассчитайте его способность рассеивания тепла и определите путь рассеивания тепла сердечника батареи, когда предполагается, что нагрузка нагревается.
Целью данной статьи является исследование наилучшего способа термического управления теплопередачей на уровне ячеек во время интеграции аккумуляторной батареи. Таким образом, 5 охлаждающих поверхностей ячейки разделены на 3 группы. Существует три различных варианта соединения аккумуляторного элемента со структурой терморегулирования системы, как показано на рисунке 3.
За счет максимальной передней и задней теплопередачи ячейки тепло передается изнутри ячейки по пути теплопроводности λz к теплу, вырабатываемому ячейкой через поверхность ячейки. Если выбран боковой теплообмен, то тепло изнутри ячейки проходит по пути теплопроводности λ y, а тепло, выделяемое ячейкой, передается через поверхность ячейки. Если выбрана передача тепла с нижней поверхности, тепло изнутри ячейки будет передавать тепло, генерируемое ячейкой, через поверхность ячейки по пути теплопроводности λ x.
Оптимальным выбором для конструкции управления температурным режимом является то, что пластина жидкостного охлаждения системы или воздуховод могут касаться поверхности с наибольшей способностью рассеивания тепла ядра батареи. В настоящее время при проектировании системы в основном проектируется положение пластины жидкостного охлаждения или направление потока воздуховода с точки зрения облегчения интеграции системы, игнорируя систематическую оценку способности теплопередачи каждой поверхности аккумуляторного элемента. В предположении, что параметры внешней среды согласованы, в качестве поверхностей рассеивания тепла выбираются различные поверхности ячеек (выбор различной теплопроводности, площади рассеивания тепла и пути рассеивания тепла). Основные параметры поверхности рассеивания тепла показаны на рисунке 4, а путь рассеивания тепла ячейки показан на рисунке 5.
На основе приведенного выше анализа, когда температурный градиент ΔT в направлении передачи составляет 1 К, рассчитывается тепловой поток каждой охлаждающей поверхности батареи.
Когда ΔT составляет 1 К, тепловой поток составляет 3,39 Вт, если A1 и A2 являются основными охлаждающими поверхностями. Если A3 и A4 являются основными охлаждающими поверхностями, тепловой поток составляет 4,68 Вт. Если A5 используется в качестве основной охлаждающей поверхности, тепловой поток составляет 0,78 Вт. Таким образом, сторона батареи (A3, A4) является лучшим местом, а нижняя часть батареи (A5) — худшим местом с точки зрения теплового потока.
Зарядка и разрядка элемента при температуре 1 С принята в качестве условия исследования, а время зарядки или разрядки составляет 3600 с. Внутренняя мощность тепловыделения элемента составляет 6,4 Вт. Общая масса элемента и алюминиевого корпуса составляет 1,43 кг. В целом удельная теплоемкость составляет 1026,3 Дж/(кг·К).
Если предположить, что температура окружающей среды равна 295 К и ядро батареи не рассеивает тепло в окружающую среду, то повышение температуры ядра батареи составит 15,7 К. Когда элемент находится в рабочем состоянии, температура элемента составляет 310,7 К.
В соответствии с вышеуказанными свойствами материала и процессом тепловыделения задаются граничные условия моделирования, а результаты моделирования методом конечных элементов (FEA) повышения температуры сердечника батареи показаны на рисунке 6. Сравнение результатов расчета и результатов моделирования FEA показано на рисунке 7. Из рисунков 6 и 7 видно, что распределение температурного поля сердечника батареи составляет 310,72-310,95 K, что согласуется с результатами расчета, что доказывает, что математическое моделирование аккумулятора методом ВЭД является точным и достоверным. Результаты FEA могут эффективно проверить поведение элемента в области теплопередачи.
3. Расчет против моделирования
Учитывая метод интеграции модулей квадратных литий-ионных батарей, существующая схема выбора контактной поверхности терморегулирования структуры модуля включает в себя схему теплопередачи нижней поверхности батареи (А5) и схему теплопередачи боковой части батареи (А3+А4). Схематическое изображение передней и задней части батареи (А1+А2). При той же внешней среде и нагрузке по скорости тепловыделения батареи в этой статье предполагается одинаковая теплопроводность, выбирается схема теплопередачи снизу батареи или схема теплопередачи со стороны батареи, а также сравниваются результаты разности температур и повышения температуры элементов батареи.
Программа численного расчета используется для расчета параметров одного и того же источника тепла на разных поверхностях теплоотдачи квадратных литий-ионных аккумуляторов для проверки эффекта рассеивания тепла схемы теплопередачи на нижней поверхности батареи и схемы теплоотдачи на боковой поверхности батареи. Температура окружающей среды 295 К, мощность тепловыделения ячейки 6,4 Вт, остальные физические параметры такие же, как в предыдущей главе. Предполагая, что схема теплопередачи в нижней части батареи и схема теплопередачи на боковой стороне батареи поддерживают одинаковую теплопроводность поверхности рассеивания тепла, то есть принимается одна и та же схема внешней теплопроводности и одинаковая обработка теплопроводности интерфейса.
Сравнивая результаты численного расчета двух схем, можно сделать вывод, что:
(1) Выберите сторону аккумулятора в качестве поверхности рассеивания тепла аккумуляторного элемента, и можно улучшить максимальное повышение температуры и максимальную разницу температур аккумуляторного элемента.
(2) Сравнивая наклон в конце кривой повышения температуры, можно видеть, что кривая повышения температуры схемы теплопередачи в нижней части батареи будет продолжать увеличиваться по мере увеличения времени работы, а максимальная температура элемента батареи будет продолжать увеличиваться (например, циклы зарядки и разрядки). Однако конец кривой повышения температуры схемы теплопередачи со стороны батареи близок к равновесному, то есть повышение температуры и разность температур существенно не изменяются по мере увеличения времени работы.
Подводя итог, можно сказать, что при выборе положения терморегулирования и отвода тепла аккумуляторного элемента схема теплопередачи на боковой стороне батареи лучше, чем схема теплопередачи на нижней поверхности батареи.
4. Заключение
Посредством численного моделирования и расчета по формуле подтверждено, что при проектировании терморегулирования литий-ионных батарей необходимо оценить способность рассеивания тепла в положении теплоотвода терморегулирования, чтобы определить лучшую поверхность рассеивания тепла. Необходимо дополнительно определить ключевые параметры, влияющие на способность рассеивания тепла, такие как размер батареи, скорость тепловыделения, поток рассеивания тепла и расстояние пути теплопроводности. Анализ поведения теплопередачи и характеристик теплопередачи на уровне элемента может эффективно решить проблему неточного и детального проектирования терморегулирования на системном уровне, вызванную игнорированием способности теплопередачи аккумуляторного элемента и акцентированием внимания на процессе системной интеграции во время терморегулирования существующей системы упаковки батарей. Он предлагает новые идеи и методы для создания эффективных систем терморегулирования упаковки аккумуляторов.
Pусский
