Прогресс исследований в области терморегулирования литий-ионных аккумуляторов для транспортных средств

В последние годы все больше внимания уделяется концепции энергосбережения и сокращения выбросов.В 2020 году была официально предложена двойная углеродная цель.На этом фоне общей тенденцией также станет развитие электромобилей на новой энергии в сфере транспорта.Литий-ионные аккумуляторы все шире используются в аккумуляторных батареях электромобилей благодаря их преимуществам высокой мощности, большой емкости, низкой скорости разряда и длительному сроку службы.Как мы все знаем, блок питания сильно зависит от температуры, и его подходящий диапазон рабочих температур составляет всего 0-50 ℃.Разница температур между отдельными элементами не должна превышать 5 ℃.Чрезмерная температура нарушит внутренний химический баланс батареи, а в тяжелых случаях даже приведет к тепловому выходу из строя.Если температура слишком низкая, внутреннее сопротивление батареи увеличится, что повлияет на мощность батареи и выходную мощность.Поэтому, чтобы поддерживать электромобили в безопасных и эффективных условиях работы, необходимо разработать соответствующую систему управления температурным режимом.В настоящий момент, управление температурой батареи системы в основном включают активные, пассивные и активно-пассивные комбинированные методы.

Во-первых, в этом документе указывается отправная точка для управления температурным режимом батареи.Во-вторых, начиная с различных методов охлаждения, описывается прогресс исследований в области управления температурным режимом за последние годы, а также анализируются преимущества и недостатки различных методов охлаждения.Наконец, предполагается, что применение технологии охлаждения литий-ионных аккумуляторов поможет в будущих исследованиях по управлению температурным режимом.

Проблемы с производительностью аккумуляторов, сроком службы и безопасностью всегда были причинами, препятствующими быстрому развитию электромобилей.Большинство этих проблем связаны с температурой аккумулятора.Химические реакции внутри батареи происходят только при определенных температурах.Слишком высокая или слишком низкая температура приведет к уменьшению емкости литиевой батареи во время зарядки и разрядки и серьезно повлияет на срок службы литиевой батареи.Чрезмерно высокая температура нарушит химический баланс в батарее, увеличит поляризацию электрохимической реакции и снизит производительность батареи.После циклирования при высоких температурах химическая активность ядра батареи снижается, а производительность и срок службы батареи снижаются.Когда температура слишком низкая, вязкость электролита увеличивается, а скорость электродной реакции снижается.Это приводит к замедлению реакции положительного и отрицательного электродов внутри батареи, увеличивая внутреннее сопротивление батареи.Зарядка литиевой батареи при низкой температуре может даже привести к осаждению лития, что не только ухудшит характеристики батареи, но и значительно сократит срок службы батареи.Если температура батареи слишком высокая и серьезная, это также приведет к тепловому разгону модуля батареи, что приведет к самовозгоранию батареи, что приведет к взрыву или даже пожару.Большая часть причин теплового разгона связана с внутренним коротким замыканием батареи.Когда литиевая батарея подвергается внешнему воздействию, ее внутренняя диафрагма разрывается, и положительный и отрицательный электроды соприкасаются, вызывая короткое замыкание в батарее.Генерация большого количества тепла Электрохимическая энергия, запасенная в материале, будет дополнительно высвобождаться с выделением тепла.Когда тепло накапливается до определенного уровня, происходит тепловой разгон.Энергия теплового разгона вызовет тепловое распространение модуля и даже системы.В тяжелых случаях может сгореть весь автомобиль.Можно видеть, что когда внутренняя температура батареи повышается и тепло не может выделяться, чтобы максимально поддерживать температуру батареи в соответствующем температурном диапазоне и обеспечивать производительность и срок службы батареи, очень необходимо предотвратить батарея от теплового разгона и провести исследования по управлению тепловым режимом.

В настоящее время многие ученые провели множество исследований по управлению температурой литий-ионных аккумуляторов для транспортных средств.Система управления температурой батареи в основном включает воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение, охлаждение тепловых трубок, охлаждение с фазовым переходом и композитное охлаждение.Воздушное и жидкостное охлаждение получили широкое применение благодаря ранним исследованиям и отработанным технологиям.Хотя охлаждение с помощью тепловых трубок и охлаждение с фазовым переходом имеют лучший эффект, они все еще находятся на экспериментальной стадии и еще не применялись к продуктам.В последние годы все больше и больше ученых обращают внимание на возможность сочетания двух или более методов охлаждения для комплексного охлаждения и управления температурой аккумуляторов.Этот способ охлаждения не только обладает лучшим эффектом, но и имеет повышенную сферу применения и имеет хорошую перспективу развития.

Воздушное охлаждение, также известное как воздушное охлаждение, в основном охлаждает батарею за счет высокой скорости потока внешнего воздуха.Существует два распространенных метода воздушного охлаждения: (1) пассивное воздушное охлаждение, в котором используется высокая скорость потока воздуха для отвода тепла во время движения автомобиля;(2) Принудительное воздушное охлаждение, в основном за счет добавления вентилятора для увеличения скорости воздушного потока и отвода лишнего тепла внутри батареи.

Для системы с воздушным охлаждением основными факторами, влияющими на эффективность охлаждения, являются: расположение батарей, конструкция воздуховода, конструкция мест входа и выхода воздуха, а также скорость и температура воздуха.С точки зрения исследования расположения аккумуляторов сравнивались 3 варианта расположения аккумуляторов: линейное, дислокационное и перекрестное.Рисунок 1 представляет собой вид сверху дислокации и поперечного расположения.По сравнению с дислокацией и перекрестным расположением, когда блоки батарей расположены параллельно, не только максимальная температура ниже, но и разница температур между блоками батарей меньше.Кроме того, размер интервала между ячейками также влияет на однородность температуры.Равномерность температуры наилучшая, когда расстояние контролируется на уровне 4 мм.С точки зрения исследования конструкции воздуховода, для Z-образного воздуховода используется метод численного моделирования для оптимизации воздуховода.Сравнение показало, что разница температур аккумуляторной батареи была уменьшена более чем на 48% при условии оптимизированного канала воздушного потока без изменения перепада давления.С точки зрения исследования конструкции расположения впуска и выпуска воздуха, для получения оптимального решения были смоделированы 3 места впуска/выпуска: верхний вход и нижний выход, вход и выход с одной стороны, а также вход и выход с другой стороны.Результаты показали, что размещение входа и выхода на противоположных сторонах аккумуляторной батареи было оптимальным решением.Использование дополнительной конструкции перегородки для предотвращения прохождения воздуха через расстояние между корпусом и батареей значительно повышает эффективность стратегии охлаждения с боковым впуском.Что касается исследования скорости воздуха, методы численного моделирования используются, чтобы обнаружить, что увеличение скорости воздуха на входе воздуха или снижение температуры воздуха на входе воздуха также может эффективно улучшить теплоотдачу батареи.

Система воздушного охлаждения отличается небольшими размерами, простой конструкцией и высокой надежностью.Однако его низкая теплопроводность и плохой контроль однородности температуры могут удовлетворить только требования к управлению температурой некоторых маломощных аккумуляторных батарей.Представленные на рынке автомобили с воздушным охлаждением в основном представляют собой автомобили с новой энергией и малой емкостью аккумулятора, такие как Wuling Hongguang MINI, Toyota Prius, Euler Black Cat, Nezha и ​​другие модели.Когда температура окружающей среды слишком высока или скорость ветра низкая, воздушное охлаждение не может обеспечить охлаждающий эффект.В настоящее время, хотя система воздушного охлаждения все еще имеет место на рынке, поскольку аккумуляторная батарея начинает развиваться в направлении высокой плотности энергии, одно только воздушное охлаждение не может удовлетворить требования.

Принцип работы жидкостного охлаждения заключается в том, чтобы поместить определенную охлаждающую среду в определенный канал потока, предусмотренный конструкцией, так, чтобы она текла через поверхность батареи для отвода тепла.Жидкостное охлаждение в основном делится на прямое охлаждение и непрямое охлаждение.Основное отличие заключается в способе контакта охлаждающей жидкости с аккумулятором.

Улучшения в жидкая холодная пластина и расположение проточных каналов являются основными способами повышения эффективности жидкостного охлаждения.Предложена и оптимизирована схема теплового управления жидкостным охлаждением на основе змеевидных каналов.Оптимизированная структура жидкостного охлаждения может поддерживать температуру батареи в пределах 20-35 ℃.Разработана конструкция пластины с жидкостным охлаждением с параллельными прямыми каналами разной длины, которая может хорошо контролировать перепад давления пластины с жидкостным охлаждением, обеспечивая при этом максимальную температуру и разность температур в соответствующем диапазоне.Разработан новый тип малоканальной охлаждающей пластины.По сравнению с традиционным охлаждающая пластина, комбинация последовательных и параллельных каналов имеет лучшие температурные характеристики.И по мере увеличения скорости потока эффект рассеивания тепла лучше.Однако эта тенденция постепенно нарушается при расходах до 5 г/с.На рис. 2 представлена ​​схема проточного канала с последовательно-параллельной структурой.Исследовано влияние количества труб жидкостного охлаждения и расстояния между трубами на теплоотводящий эффект жидкостного охлаждения.Эффект отвода тепла усиливается по мере увеличения количества труб.Если расстояние между трубами слишком большое или слишком маленькое, это не способствует рассеиванию тепла, и оптимальное расстояние между трубами составляет 65 мм.

Хотя жидкостное охлаждение имеет недостатки сложной структуры и большого качества.Однако по сравнению с воздушным охлаждением жидкостное охлаждение не только имеет более высокий коэффициент теплопередачи, но и может сделать распределение температуры аккумуляторной батареи более равномерным.В настоящее время большинство основных транспортных средств на новой энергии на рынке используют жидкостное охлаждение в качестве метода управления температурой.Например, пластина жидкостного охлаждения волнообразной формы, разработанная Теслой, подала заявку на ряд патентов.Хладагент Xiaopeng P7 может не только охлаждать, но и нагревать, а таких моделей, как Ideal ONE, BYD Yuan EV360 и GAC Trumpchi GE3, много.Жидкостное охлаждение по-прежнему является предпочтительным выбором для большинства электромобилей, работающих на новой энергии.Изменение конструкции охлаждающей пластины, структуры каналов и расхода жидкости в настоящее время является эффективным средством оптимизации эффективности жидкостного охлаждения.

Охлаждение с помощью тепловых трубок в основном использовалось в области ядерного охлаждения и аэрокосмической промышленности в первые дни.В последние годы, с разработкой батарей с новой энергией, технология охлаждения с тепловыми трубками также использовалась в качестве эффективного метода охлаждения батарей.Тепловая трубка в основном состоит из испарителя, теплоизолятора и конденсатора.Среда в трубе испаряется в испарительной секции, а пар поступает в низкотемпературную секцию конденсатора через адиабатическую секцию.Среда в трубе конденсируется на этом участке, образуя рабочий цикл.

С точки зрения конструктивного решения системы охлаждения тепловых трубок исследованы геометрические размеры тепловых трубок проектируемого теплоотводящего модуля на основе тепловых трубок.Для сравнения установлено, что когда отношение горизонтального сечения к вертикальному сечению в испарительной части тепловой трубы равно 1, эффект рассеивания тепла является наилучшим.Исследования показали, что добавление элементов теплопроводности к тепловой трубке может увеличить площадь контакта между батареей и тепловой трубкой и повысить эффективность охлаждения тепловой трубки.Увеличение толщины теплопроводящего элемента также может снизить температуру батареи и, как правило, контролировать толщину ниже 4 мм.На рис. 3 показана спроектированная структура рассеивания тепла, встроенная в тепловую трубу и алюминиевую пластину. При скорости разряда 2 °C разница температур между отдельными элементами эффективно контролируется на уровне 3,2 °C.При этом методом двухфакторного дисперсионного анализа сравнивается, что увеличение толщины алюминиевой пластины позволяет более эффективно контролировать максимальную температуру батареи, чем увеличение количества тепловых трубок.Для мощных аккумуляторных модулей разработана комбинация тепловых трубок, ребер и коллекторной пластины.Путем моделирования методом конечных элементов и экспериментов было обнаружено, что температура аккумуляторной батареи может поддерживаться в пределах 15 ℃ при скорости разряда 1 C.

Исследования технологии тепловых трубок для охлаждения аккумуляторов в настоящее время в основном находятся на стадии моделирования и испытаний и еще не отвечают требованиям реальных приложений для транспортных средств.Технология охлаждения с тепловыми трубками не только имеет более высокую эффективность охлаждения, чем воздушное и жидкостное охлаждение, но также может соответствовать требованиям двойных рабочих условий при высоких и низких температурах.Хотя в настоящее время его стоимость выше, а структура сложнее, у него все же есть хорошие перспективы развития.Будущие исследования будут сосредоточены на снижении энергопотребления системы и уменьшении веса.

Охлаждение с фазовым переходом - это пассивное охлаждение с лучшим охлаждающим эффектом.Он в основном использует материал с фазовым переходом для поглощения тепла при сохранении постоянной температуры во время изменения состояния вещества, также известного как скрытая теплота фазового перехода.В настоящее время материалы с фазовым переходом можно условно разделить на три категории: неорганические материалы, органические материалы и композитные материалы с фазовым переходом.Композитные материалы с фазовым переходом из парафина и графита в основном используются для охлаждения литиевых батарей с фазовым переходом.

На основе многочисленных исследований парафиновых и графитовых композиционных материалов с фазовым переходом был разработан аккумуляторный модуль правильной шестигранной формы.И он заполнен графито-парафиновым композитным материалом с фазовым переходом вокруг своей батареи.Его структура показана на рисунке 4. Были проанализированы характеристики рассеивания тепла материалов с фазовым переходом с разным расстоянием между батареями при одинаковой скорости разряда.Результаты показывают, что повышение температуры модулей с меньшим расстоянием между ними выше, чем у аккумуляторных модулей с большим расстоянием между ними.При добавлении различных массовых долей расширенного графита к парафиновому материалу с фазовым переходом был изучен охлаждающий эффект, и было обнаружено, что увеличение массовой доли расширенного графита может улучшить теплорассеивающую способность системы.Композитный парафин и вспененный графит превращаются в пластину композитного материала с фазовым переходом с превосходной теплопроводностью, а теплопроводность увеличивается почти в 30 раз по сравнению с чистым парафиновым материалом.При использовании этого метода максимальная разница температур аккумуляторной батареи при скорости разряда 5°С составляет всего 2°С.Благодаря сочетанию парафинового воска RT44HC с расширенным графитом теплопроводность в 20-60 раз выше, чем у чистых материалов с фазовым переходом, а температуру батареи можно хорошо контролировать в пределах соответствующей температуры.

По сравнению с другими методами охлаждения, охлаждение с фазовым переходом не требует большого количества вспомогательного оборудования и обладает высокой безопасностью.Кроме того, можно лучше контролировать разницу температур между аккумуляторными блоками и избежать локального перегрева.В настоящее время исследования материалов с фазовым переходом в основном основаны на органических материалах с фазовым переходом.Учитывая низкую теплопроводность органических материалов с фазовым переходом, фокус будущих исследований может сместиться на неорганические материалы с лучшей теплопроводностью.С развитием электромобилей мощность аккумуляторов становится все больше и больше.Термическое управление, основанное только на материалах с фазовым переходом, больше не может удовлетворять требованиям по рассеиванию тепла.Поэтому будущие исследования должны быть сосредоточены на сочетании материалов с фазовым переходом с другими методами охлаждения.Исследования материалов с фазовым переходом в настоящее время в основном сосредоточены на эндотермическом охлаждении.Однако с продвижением транспортных средств с новой энергией в альпийские регионы в будущем потребуются дополнительные исследования низкотемпературной теплоемкости материалов с фазовым переходом.

Представленные выше четыре метода охлаждения представляют собой отдельные технологии управления температурным режимом, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.Чтобы еще больше повысить эффективность охлаждения батареи, многие исследования в области управления температурным режимом начали комбинировать несколько методов охлаждения.Это устраняет недостатки единого метода охлаждения и сохраняет его преимущества для достижения лучшего управления температурой.В настоящее время большая часть композитного охлаждения сочетает в себе активное и пассивное охлаждение.

Предложена система терморегулирования, сочетающая воздушное охлаждение и охлаждение с фазовым переходом.В исследовании сравнивались три различных метода регулирования температуры: естественная конвекция, естественная конвекция в сочетании с фазовым переходом и принудительная конвекция в сочетании с фазовым переходом.Для сравнения установлено, что комбинированный метод управления температурой принудительной конвекции и фазового перехода может хорошо контролировать максимальную разницу температур аккумуляторной батареи на уровне 2 °C.Чтобы улучшить способность рассеивания тепла батареи, на поверхность батареи добавлены теплопроводящие ребра, состоящие из материалов с фазовым переходом и пластин жидкостного охлаждения.Этот комбинированный метод охлаждения может гарантировать, что температура аккумуляторной батареи поддерживается в безопасном диапазоне 33-38°C.Разработана модель конструкции теплоотвода в сочетании с материалом с фазовым переходом и водяной рубашкой с жидкостным охлаждением.Изучите влияние различных каналов потока на повышение температуры батареи.Различные модели литниковой конструкции показаны на рис. 5. В результате сравнения было обнаружено, что при скорости разряда 3°С 6-канальная конструкция может контролировать максимальную температуру поверхности батареи до 33,78°С.Это на 7,23 ℃ ниже температуры охлаждения при однофазном переходе.Разработан ряд систем терморегулирования на основе материалов с фазовым переходом.Было обнаружено, что метод терморегулирования, сочетающий тепловые трубы с жидкостным охлаждением и материалами с фазовым переходом, позволяет контролировать максимальную температуру в пределах 50 °C при скорости разряда 3 °C. В то же время разница температур уменьшилась на 3 ℃ по сравнению с два других метода.

Гибридное охлаждение сочетает активное охлаждение с пассивным охлаждением.По сравнению с другими отдельными методами охлаждения не только повышается эффективность охлаждения, но и расширяется область применения.В настоящее время основная проблема составного охлаждения заключается в том, что структура относительно сложна, а масса и объем относительно велики.Как уменьшить его массу при условии обеспечения его эффективности охлаждения, является актуальной проблемой, требующей решения.Сравнение различных эффектов управления температурой батареи показано в таблице 1.

В связи с быстрым развитием новых транспортных технологий система управления температурным режимом аккумулятора играет жизненно важную роль в обеспечении производительности и срока службы аккумулятора.Основная функция управления тепловым режимом батареи заключается в отслеживании температуры батареи в режиме реального времени, поддержании постоянной температуры между батареями, эффективном рассеивании тепла при слишком высокой температуре и быстром нагреве при низкой температуре.В настоящее время большинство новых транспортных средств на рынке используют воздушное охлаждение и жидкостное охлаждение для охлаждения аккумулятора.Однако охлаждение с помощью тепловых трубок и охлаждение с фазовым переходом все еще находятся на стадии экспериментальных исследований в качестве нового пассивного охлаждения и не применялись в больших количествах в транспортных средствах с новой энергией.С увеличением емкости батареи и скорости зарядки-разрядки одного метода управления температурой батареи уже недостаточно для удовлетворения требований тепловыделение батареи.Таким образом, системы управления температурным режимом, объединенные несколькими способами, должны стать будущей тенденцией развития.

Литий-ионные батареи развиваются в направлении высокой плотности энергии и длительного срока службы.В то же время увеличение скорости тепловыделения батареи приводит к увеличению пиковой температуры и ухудшению постоянства температуры.Таким образом, в будущем внимание будет сосредоточено в основном на исследованиях пиковой температуры отдельной батареи и контроле однородности температуры между модулями батарей.