Baterija je važan dio električnog vozila, a njezina izvedba izravno ograničava snagu, sigurnost i ekonomičnost vozila. Gustoća energije baterije za napajanje određuje kilometražu električnog vozila, gustoća snage određuje maksimalni gradijent i maksimalnu brzinu, vijek trajanja i trošak utječu na cijenu vozila i ekonomičnost korištenja, a električna/toplinska sigurnost i ekološka prilagodljivost baterije za napajanje određuju električno vozilo. Ključni faktor sigurnosti vozila i prilagodljivosti okolišu.
Litij-ionske baterije su nadograđena verzija nikal-metal-hidridnih baterija. Imaju visoku gustoću energije (oko 250 W h/kg) i gustoću snage (oko 1500 W/kg), te imaju velike prednosti u pogledu dometa krstarenja i vijeka trajanja. To je fokus trenutnog istraživanja i razvoja i industrijalizacije.
Litij-ionski baterijski sustav je elektrokemijski izvor energije sa složenim protokom i procesom prijenosa topline. Temperatura je ključni čimbenik koji utječe na njegovu izvedbu, što se uglavnom odražava u tri aspekta: (1) Povećanje temperature će pogoršati pad kapaciteta baterije. Uzrok toplinskog bježanja; (2) Ako je temperatura preniska, snaga i kapacitet baterije značajno će se smanjiti, a učinkovitost punjenja i pražnjenja će se smanjiti; (3) Temperaturna razlika između različitih baterija u paketu baterija dovest će do nedosljednosti u unutarnjem otporu i kapacitetu ćelija i neujednačenoj brzini starenja, stvarajući kratku ploču u izvedbi i vijeku trajanja cijelog baterijskog sustava.
Stoga na radnu izvedbu baterije uvelike utječe temperatura. Potrebno je dizajnirati razumnu strukturu sustava upravljanja toplinom i razviti naprednu strategiju kontrole upravljanja toplinom kako bi baterija radila unutar odgovarajućeg temperaturnog raspona i učinkovito kontrolirala temperaturnu razliku između ćelija. , čime se poboljšava rad baterije.
Ovaj rad najprije predstavlja mehanizam stvaranja topline litij-ionskih baterija i utjecaj temperature na njihovu izvedbu, objašnjava važnost upravljanja toplinom baterijskih paketa i zahtjeve dizajna sustava upravljanja toplinom; Istraživanje toplinskog upravljanja baterijama tehnologije toplinskih cijevi; konačno, predložena su ključna pitanja i perspektive istraživanja koje treba riješiti u istraživanju toplinskog upravljanja baterijama na temelju tehnologije toplinskih cijevi.
01 Karakteristike generiranja topline litij-ionske baterije i zahtjevi za upravljanje toplinom
Bit procesa punjenja i pražnjenja litij-ionskih baterija je migracija iona i kemijska reakcija. Li plus se interkalira i ekstrahira u slojevitim ugljikovim materijalima i metalnim oksidima, kao što je prikazano na slici 1. U normalnim radnim uvjetima, izvori topline baterije uključuju ohmičku toplinu, toplinu elektrokemijske reakcije i toplinu polarizacije. Kako temperatura raste, niz egzotermnih kemijskih reakcija događa se unutar baterije, uključujući razgradnju elektrolita, toplinsku razgradnju negativne elektrode, reakciju između negativne elektrode i elektrolita, reakciju razgradnje SEI filma itd. Prekomjerna temperatura može dovesti do toplinskog odlaska. Reakcije koje se odvijaju unutar baterije prikazane su na slici 2.
Slika 1. Shematski dijagram kretanja iona tijekom punjenja i pražnjenja litij-ionskih baterija
Slika 2. Elektrokemijske reakcije unutar Li-ion baterija na različitim temperaturama
Temperatura uzrokuje promjene u elektrokemijskim performansama, što utječe na performanse i vijek trajanja baterije. Kako temperatura raste, brzina elektrokemijske reakcije se povećava, što pojačava slabljenje kapaciteta baterije; okolina niske temperature također će uzrokovati slabljenje performansi baterije, sposobnost migracije litijevih iona u aktivnom materijalu elektrode je oslabljena, a kapacitet punjenja i pražnjenja brzo pada.
Osim toga, previsoka ili preniska temperatura ubrzat će starenje baterije i utjecati na trajanje baterije. Osobito u slučaju brzog punjenja i pražnjenja, utjecaj temperature na trajanje baterije je značajniji. Studije su pokazale da je gubitak kapaciteta Sony 18650 litijevih baterija 30 posto nakon 800 ciklusa na 25 stupnjeva i gotovo 60 posto nakon 800 ciklusa na 50 stupnjeva. Previsoka ili preniska temperatura skladištenja također će uzrokovati smanjenje kapaciteta litijske baterije i ubrzati starenje.
Sustavi baterija vozila obično se sastoje od stotina ili tisuća baterijskih ćelija, a baterije se suočavaju s ozbiljnijim toplinskim problemima. Pod utjecajem čimbenika kao što su struktura prijenosa topline, serijski-paralelni način spajanja i radni uvjeti, temperatura svake pojedinačne baterije u baterijskom paketu pokazuje veliku nedosljednost tijekom rada, što dovodi do nedosljednosti u unutarnjem otporu, slabljenju kapaciteta i dubini pražnjenja baterije, što zauzvrat dovodi do ukupnog upotrebljivog kapaciteta i životnog vijeka baterije (Slika 3).
Slika 3 Učinak temperaturne razlike na raspoloživi kapacitet baterije
Zapravo, postojanost temperature ćelije važan je parametar za određivanje stope iskorištenja životnog vijeka ćelije, što zauzvrat utječe na vijek trajanja baterije (jednadžba (1)). Stoga je osobito važno osigurati konstantnu temperaturu ćelije.
Vijek trajanja baterije=vijek trajanja baterije x stopa iskorištenja vijeka trajanja baterije (1)
Ukratko, od velike je važnosti kontrolirati temperaturu napojne baterije i smanjiti temperaturnu razliku između pojedinačnih ćelija kako bi se poboljšala učinkovitost baterije. Trenutačno se vjeruje da je optimalni raspon radne temperature litijskih baterija 25 ~ 40 stupnjeva, a temperaturna razlika između ćelija manja je od 5 stupnjeva. Većina trenutnih tehnologija upravljanja toplinom cilja na gore spomenutu temperaturu i temperaturnu razliku, te dizajnira strukturu i metodu upravljanja sustavom upravljanja toplinom kako bi se osigurala radna učinkovitost i životni vijek baterije.
02 Uobičajene metode upravljanja toplinom
Upravljanje toplinom baterije uključuje rasipanje topline na visokoj temperaturi i grijanje na niskoj temperaturi. Uobičajene metode rasipanja topline baterija uključuju tehnologije rasipanja topline baterija koje se temelje na plinu (zraku), tekućini, krutom faznom promjenjivom materijalu (fazni promjenjivi materijal, PCM) i toplinskim cijevima. Metode niskotemperaturnog grijanja baterijskog modula uglavnom uključuju vanjsko grijanje na temelju tekućine ili pozitivnog temperaturnog koeficijenta (PTC) i unutarnje grijanje na temelju topline koju stvara sama baterija.
2.1 Tehnologija hlađenja baterije
Primjena zraka uglavnom uključuje prisilnu konvekciju i prirodno hlađenje. Istraživači su proučavali karakteristike prijenosa topline baterije kroz dizajn strukture kanala za rashladni zrak, dizajn rasporeda baterija i optimizaciju strategije kontrole ventilacije, te su predložili mjere za poboljšanje prijenosa topline i poboljšanje ujednačenosti temperature. Zbog prednosti niske cijene, jednostavne strukture sustava i jednostavnog održavanja, sustav hlađenja zrakom primjenjuje se na neke modele s kratkim dometom krstarenja i visokim troškovima. Na primjer, Nissan LEAF koristi pasivni sustav upravljanja toplinom baterije za raspršivanje topline za svoj litij-ionski paket baterija. , Osim toga, Toyota Prius, Kia Soul EV, SAIC Roewe MARVELX također koriste zračno hlađenje. Međutim, za velike litij-ionske baterije, hlađenje zrakom ne može zadovoljiti zahtjeve za rasipanjem topline zbog velikog toplinskog opterećenja baterije i dugog vremena opuštanja provođenja topline. Posebno u okruženjima s visokim temperaturama, učinkovitost prijenosa topline zrakom hlađene tehnologije upravljanja toplinom je niska, a nedosljednost je velika, što otežava ispunjavanje zahtjeva upravljanja toplinom.
Zbog niskog konvektivnog koeficijenta prijenosa topline zraka, korištenje tekućine umjesto zraka postalo je neizbježno sredstvo za poboljšanje prijenosa topline. Istraživanja obično postavljaju ploče za hlađenje tekućinom na dnu baterije ili između ćelija za odvođenje topline. Trenutačno je većina istraživanja sustava za hlađenje tekućinom usmjerena na dizajn rashladnih kanala: povećanjem broja kanala rashladne tekućine, poboljšanjem strukture rashladnih kanala, raspoređivanjem rebara u kanalima i projektiranjem povezanih kombiniranih hladnih ploča za poboljšanje topline. disipacija i jednolikost temperature. Posljednjih su godina također uobičajena istraživanja o upotrebi novih rashladnih sredstava kao rashladnih sredstava za upravljanje toplinom, poput upotrebe tekućih metala, nanometalnih tekućina itd. za postizanje poboljšane disipacije topline.
Trenutačno različite automobilske tvrtke imaju različite metode primjene tekućinskog hlađenja i odvođenja topline. Sustav tekućeg hlađenja Tesla koristi mješovitu rashladnu tekućinu vode i etilen glikola s omjerom mase 1:1, a rashladne cijevi u nizu baterija 18650 vijugavo raspoređuju. Rasipanje topline za svaku ćeliju; Chevrolet Volt pouch baterijski modul također koristi hlađenje tekućinom za odvođenje topline. Kao što je prikazano na slici 4, svake dvije ćelije vrećice čine jedinicu, a aluminijska ploča s tekućinom hlađenim kanalom protoka je postavljena na dvije ćelije, usvojen je dizajn kanala paralelnog protoka kako bi se ostvarilo hlađenje velike površine svake ćelije. . Osim toga, postoji metoda odvođenja topline baterije koja se temelji na principu promjene tekuće faze, odnosno isparivač klimatizacijskog sustava ugrađen je na dnu baterijskog sustava, a toplinu koju stvara baterija odvodi rashladno sredstvo isparavanje, također poznato kao izravno hlađenje. Tipične primjene su BMW i3 serije. Hlađenje tekućinom i upravljanje toplinom relativno je uobičajena metoda u trenutnim inženjerskim primjenama, ali sustav je kompliciraniji, masa je veća i postoji mogućnost curenja.
Slika 4 Sustav hlađenja voltne baterije i struktura hladne ploče
Upravljanje toplinom baterije temeljeno na materijalima s faznom promjenom kruto-tekuće još je jedan trenutni fokus istraživanja. Načelo je korištenje fazne promjene PCM-a za apsorbiranje topline kako bi se smanjila temperatura baterije. PCM može učinkovito osigurati ujednačenost temperature baterije, ali toplinska vodljivost materijala je loša, tako da se trenutno istraživanje uglavnom fokusira na pripremu PCM materijala i poboljšanje njihove toplinske vodljivosti. Osim toga, velika težina PCM-a smanjuje gustoću energije baterije. Gore navedeni razlozi ograničavaju primjenu materijala s faznom promjenom u upravljanju toplinom energetskih baterija.
2.2 Tehnologija grijanja baterija
Performanse punjenja i pražnjenja litij-ionskih baterija znatno su smanjene u okruženjima niske temperature. Stoga je potrebno prethodno zagrijati baterije kako bi se poboljšala njihova učinkovitost. Trenutna tehnologija grijanja uglavnom se dijeli u dvije kategorije: unutarnje grijanje i vanjsko grijanje.
Unutarnje grijanje odnosi se na metodu zagrijavanja baterije putem njezinog unutarnjeg otpora za stvaranje topline, uključujući vanjsko grijanje izmjeničnom strujom, uzajamno pulsno zagrijavanje punjenja i pražnjenja između baterija i grijanje baterije koje se samoprazni. Osim toga, Wang et al. osmislio bateriju s tri elektrode, dodajući elektrode od nikla i postižući brzo zagrijavanje brze baterije kroz prebacivanje elektroda.
Vanjsko grijanje uglavnom uključuje metodu grijanja zrakom i metodu grijanja tekućinom. Prvi koristi električnu grijaću žicu za zagrijavanje zraka, a zatim zagrijava bateriju, temperatura je ujednačena, ali je potrošnja energije velika. Potonji zagrijava baterijski sklop zagrijavanjem tekućine u protočnom kanalu, koji ima složeniju strukturu i sporiji porast temperature. Osim gore spomenute metode zagrijavanja temeljene na konvekciji, PTC ili grijaći film male snage također se može koristiti za izravno zagrijavanje površine baterije, što će imati određeni utjecaj na rasipanje topline baterije. Osim toga, postoji i metoda toplinskog upravljanja baterijom pomoću principa apsorpcije/otpuštanja topline PCM-a.
Slika 5. Shematski prikaz principa rada toplinske cijevi
Korištenje toplinskih cijevi kao elemenata za prijenos topline za visokotemperaturno odvođenje topline/niskotemperaturno grijanje baterija nova je metoda upravljanja toplinom. Toplinska cijev je učinkovit element za izmjenu topline koji se temelji na principu promjene faze plin-tekućina, a njen princip rada prikazan je na slici 5. Tekući radni medij isparava i isparava na kraju grijanja, teče na drugi kraj pokretan razlika tlaka, te kondenzira i otpušta toplinu u kondenzacijskom dijelu. Tekući radni medij vraća se u dio za isparavanje duž poroznog materijala kroz kapilarnu silu, koja ima prednosti visoke učinkovitosti prijenosa topline i dobre ujednačenosti temperature. .
Slika 6 Shematski dijagram usporedbe performansi sustava upravljanja toplinom koji se temelje na zračnom hlađenju, hlađenju tekućinom i toplinskim cijevima
Toplinske cijevi imaju široku primjenu u energetskoj i kemijskoj industriji, zrakoplovstvu, elektroničkoj energiji i drugim područjima. U području upravljanja toplinom baterija, toplinske cijevi imaju velike prednosti u smislu rasipanja topline/brzine zagrijavanja i ujednačenosti temperature baterije (slika 6). Što se tiče rasipanja topline na visokoj temperaturi, u usporedbi s prisilnim zračnim hlađenjem, metoda provođenja topline kroz toplinske cijevi, a zatim zrakom hlađena izmjena topline može smanjiti temperaturu baterije za više od 20 stupnjeva (20 Ah kvadratna baterija, 5C pražnjenje); u smislu niskotemperaturnog grijanja, baterije temeljene na provođenju topline toplinske cijevi Brzina zagrijavanja je 1,5 puta veća od one kod PTC izravnog grijanja. Osobito u uvjetima punjenja i pražnjenja visoke struje, toplinska cijev pokazuje superiornije performanse prijenosa topline i ujednačenost temperature. Primjena toplinskih cijevi pomaže u realizaciji istraživanja i razvoja budućih baterijskih paketa visokih performansi, a posljednjih je godina dobila veliku pozornost.
03 Istraživanje upravljanja toplinom baterija na temelju tehnologije toplinske cijevi
SLIKA Slika 7 je shematski dijagram tipičnog sustava upravljanja toplinom baterije koji koristi toplinske cijevi kao komponente za prijenos topline. Toplina nastala tijekom procesa punjenja i pražnjenja svake ćelije izravno se (ili kroz medij koji provodi toplinu kao što je aluminijska ploča) prenosi na toplinsku cijev postavljenu sa strane ili na dnu ćelije, a zatim se toplina odvodi sustavom za raspršivanje topline na hladnom kraju toplinske cijevi. Na slici se može vidjeti da glavni čimbenici koji utječu na performanse prijenosa topline sustava uključuju tri aspekta: (1) Radni uvjeti i proizvodnja topline baterije za napajanje, odnosno utjecaj radnih uvjeta izvora topline o izvedbi sustava upravljanja toplinom; (2) Karakteristike prijenosa topline toplinske cijevi, uglavnom uključuje utjecaj dizajna unutarnje strukture toplinske cijevi i njezinog rasporeda u baterijskom paketu na performanse disipacije topline sustava; (3) Rasipanje topline na hladnom kraju toplinske cijevi uglavnom uključuje dva oblika izravnog hlađenja zrakom i vodenog hlađenja za sekundarnu izmjenu topline. Osim toga, pri niskim temperaturama toplinsku cijev treba lokalno zagrijati PTC-om ili električnim grijaćim filmom, a zatim prenijeti na bateriju u obliku toplinske vodljivosti. Ovaj dio istraživanja uključuje projektiranje sustava grijanja i istraživanje strategije grijanja.
Slika 7. Shematski dijagram sustava upravljanja toplinom baterije temeljenog na toplinskoj cijevi
3.1 Istraživanje radnih uvjeta baterija i njihov utjecaj na prijenos topline sustava
Radni uvjeti sustava određuju karakteristike proizvodnje topline baterije i ključni su faktor koji utječe na prijenos topline sustava. Prije nego što temperatura baterije poraste do temperature pokretanja toplinske cijevi, toplinska cijev prenosi toplinu u obliku provođenja topline kroz omotač. Kada temperatura poraste do temperature pokretanja, radni medij u cijevi počinje apsorbirati toplinu koristeći latentnu toplinu promjene faze, čime se povećava njegova toplinska vodljivost i postupno se povećava temperatura baterije. stabilniji.
Studije su pokazale da je vrijeme potrebno da baterija postigne stabilnu temperaturu od početnog pražnjenja pri pražnjenju konstantnom brzinom oko 400-2000 s, što je povezano s faktorima kao što su brzina pražnjenja baterije i uvjeti rasipanja topline hladni kraj toplinske cijevi. Stopa proizvodnje topline baterije raste nelinearno s brzinom pražnjenja. Stopa proizvodnje topline kvadratne baterije od 10 Ah pri brzinama od 3, 5 i 8 C je oko 10,5, 25,4 i 54,4 W, respektivno. Promjena uvjeta izvora topline dovodi do različitih toplinskih otpora toplinskih cijevi i postiže stabilnost. Raspodjela temperature također je drugačija. Osim toga, što je veća količina prijenosa topline na hladnom kraju, to je kraće vrijeme potrebno da se toplinska cijev stabilizira i niža je stabilna temperatura.
Radno okruženje električnih vozila je složeno i promjenjivo te se u svakom trenutku susreću s ubrzanjima, odronima, naglim kočenjima i drugim situacijama. Toplinske karakteristike baterija su dosta drugačije od onih u stacionarnim uvjetima. Slika 8 prikazuje razliku u temperaturi baterije i zakon varijacije temperaturne razlike u stabilnim i nestabilnim radnim uvjetima. Tran i sur. koristio je vremenski promjenjivu snagu grijanja za simulaciju uvjeta vožnje vozila, usporedio fluktuaciju temperature modula grijanja pod dva uvjeta hlađenja zrakom s perajima i hlađenja zrakom s perajima na temelju toplinskih cijevi i pokazao da temperatura baterije korištenjem rebara spojenih s toplinskim cijevima hlađenje zrakom Međutim, tijekom procesa promjene, trend promjene temperature i toplinskog toka nije dosljedan. Pod utjecajem toplinske inercije, stopa proizvodnje topline iznenada pada, dok temperatura nastavlja rasti, a zatim pada.
Slika 8. Shematski dijagram promjene temperature akumulatora u uvjetima vozila. (a) Stabilno stanje; (b) Nestacionarno stanje
Gore navedeno istraživanje raspravljalo je o utjecaju nestabilnih radnih uvjeta na bateriju i pouzdanost toplinske cijevi s razine monomera. Karakteristike dinamičkog prijenosa topline skupine baterija prilično su različite od onih pojedinačnih baterija, posebno struktura upravljanja toplinom ima očitiji utjecaj na temperaturnu razliku u skupini baterija.
Porast temperature i raspodjela temperature baterije usko su povezani s dinamičkim procesom prijenosa topline sustava upravljanja toplinom. Trenutno istraživanje je još u fazi provjere učinka prijenosa topline. Kako kombinirati radne uvjete baterije za formuliranje učinkovite strategije upravljanja u stvarnom vremenu za sustav upravljanja toplinom kako bi se postigla visoka učinkovitost. , Upravljanje toplinom niskoenergetskih baterija je problem koji treba dalje rješavati.
3.2 Analiza karakteristika prijenosa topline i istraživanje dizajna toplinske cijevi
3.2.1 Dizajn i optimizacija toplinske cijevi temeljene na bateriji napajanja
Dizajn toplinske cijevi važan je čimbenik koji utječe na performanse prijenosa topline. Njegov učinak prijenosa topline usko je povezan s čimbenicima kao što su veličina kanala, struktura jezgre koja upija tekućinu i brzina punjenja tekućinom. Razuman dizajn toplinske cijevi vrlo je važan za poboljšanje učinkovitosti upravljanja toplinom baterije. Zbog specifičnosti stvaranja topline baterija, mnogi su znanstvenici proveli istraživanja o dizajnu toplinskih cijevi za baterije. Jang i sur. proučavali su učinak različitih radnih tekućina na performanse prijenosa topline gravitacijskih toplinskih cijevi tipa petlje. Kada je kalorična vrijednost baterije 50 W, korištenje acetona kao radne tekućine može kontrolirati prosječnu temperaturu baterije ispod 45 stupnjeva, što je bolje od korištenja vode kao radne tekućine. Kvalitetan učinak hlađenja. Putra i sur. otkrio je da je učinak disipacije topline radne tekućine usko povezan s brzinom stvaranja topline baterije. Ovisno o toplini koju stvaraju različiti izvori topline, mogu se koristiti različiti radni fluidi kako bi se povećala učinkovitost toplinske cijevi. Kada je brzina proizvodnje topline baterije veća od 1,61 W/cm2, etanol se koristi kao radna tekućina s najvećom učinkovitošću prijenosa topline. Chi i suradnici proučavali su učinak brzine punjenja tekućinom na prijenos topline pulsirajuće toplinske cijevi i otkrili da optimalna brzina punjenja tekućinom toplinske cijevi raste s povećanjem stope proizvodnje topline baterije. Stoga je potrebno odabrati odgovarajuću vrstu radnog fluida i brzinu punjenja tekućine prema uvjetima izvora topline kako bi se postigao najbolji učinak prijenosa topline.
Većina trenutnih istraživanja proučava i optimizira karakteristike prijenosa topline toplinskih cijevi koje se koriste u energetskim baterijama s razine radne tekućine (vrsta radne tekućine, brzina punjenja tekućinom), a postoji i nekoliko literatura koje poboljšavaju učinkovitost toplinskih cijevi iz perspektive strukture. Swanepoel je dizajnirao sustav upravljanja toplinom baterije koji se temelji na pulsirajućim toplinskim cijevima, analizirao je utjecaj medija i širine cijevi na performanse prijenosa topline toplinskih cijevi i otkrio da kada je radni fluid u toplinskoj cijevi amonijačna voda, širina topline cijev mora biti manja od 2,5 mm kako bi se osigurala njegova učinkovitost u upravljanju toplinom baterije. Učinkovitost pokretanja i rasipanja topline u.
Različite vrste toplinskih cijevi koriste se u postojećim istraživanjima upravljanja toplinom energetskih baterija, kao što su gravitacijske toplinske cijevi, sinterirane toplinske cijevi, pulsirajuće toplinske cijevi, petljaste toplinske cijevi s ravnom pločom, mikro-toplinske cijevi s ravnom pločom itd., i ne postoji jedinstvena metoda odabira ili dizajna. Sa strukturalnog gledišta, ravne toplinske cijevi pokazuju superiornost u sustavima upravljanja toplinom energetskih baterija i očekuje se da će postati prvi izbor za upravljanje toplinom energetskih baterija. Međutim, trenutno postoji malo istraživanja o dizajnu ravnih toplinskih cijevi.
3.2.2 Dizajn sheme rasporeda toplinske cijevi
Raspored sustava upravljanja toplinom baterije još je jedan ključni faktor koji utječe na toplinsku vodljivost toplinske cijevi. Tran i sur. usporedio toplinsku vodljivost toplinskih cijevi kada su postavljene vodoravno i okomito. Primjenom izvora topline od 38 W za simulaciju stvaranja topline baterije, temperatura na kraju isparavanja toplinske cijevi doseže 61 stupanj kada je postavljen vodoravno, i samo 51 stupanj kada je postavljen okomito. Rao Zhonghao također je dobio slično pravilo korištenjem pulsirajućih toplinskih cijevi za provođenje eksperimenata. Izgradio je eksperimentalnu ispitnu platformu za upravljanje toplinom baterije kao što je prikazano na slici 9. Eksperiment pokazuje da je pod istom snagom proizvodnje topline porast temperature površine baterije mali kada je baterija postavljena okomito, a lokalna temperaturna razlika manja nego kada postavljen vodoravno.
Slika 9. Shematski dijagram pulsirajućeg sustava za hlađenje baterije toplinske cijevi
Osim toga, kut nagiba uređaja također utječe na prijenos topline. Kada je toplinska cijev postavljena vodoravno, razlika u temperaturi na površini baterije je pod velikim utjecajem kuta nagiba; kada je toplinska cijev postavljena okomito, dvostruki učinci gravitacije i kapilarne sile smanjuju otpor prijenosa topline toplinske cijevi, a nagib ceste ima mali utjecaj na lokalnu temperaturnu razliku.
Sva gornja istraživanja pokazuju da je rasipanje topline i učinak ujednačenosti temperature kod okomitog rasporeda toplinske cijevi bolji nego kod horizontalnog rasporeda. Wang i sur. proučavao je utjecaj smjera postavljanja baterije na učinak prijenosa topline toplinskih cijevi pod vertikalnim rasporedom toplinskih cijevi i pokazao da radni fluid u cijevi može brzo prenijeti toplinu s visokotemperaturnog kraja (elektroda) na kondenzacijski kraj, a elektroda okrenuta prema gore pod istom snagom proizvodnje topline Metoda može odgoditi vrijeme porasta temperature.
Kako bi se osigurala izvedba prijenosa topline toplinske cijevi, konstrukcijski dizajn sustava upravljanja toplinom baterije treba u potpunosti uzeti u obzir utjecaj rasporeda toplinske cijevi na njegovu toplinsku vodljivost.
3.3 Dizajn strukture za odvođenje topline i analiza prijenosa topline sustava upravljanja toplinom
Kao komponenta prijenosa topline za upravljanje toplinom baterije, toplinska cijev mora brzo raspršiti toplinu dok apsorbira toplinu koju stvara baterija kako bi se osigurao njezin normalan rad u baterijskom paketu. Obično se hladni kraj toplinske cijevi može hladiti na dva načina: hlađenje zrakom i hlađenje vodom. Prvi ima jednostavnu strukturu i lako ga je implementirati, dok drugi ima relativno složenu strukturu, ali pokazuje bolje performanse kada je zahtjev za disipaciju topline velik.
3.3.1 Zrakom hlađena disipacija topline na hladnom kraju
Izravno hlađenje zrakom najjednostavnija je metoda odvođenja topline za kondenzacijski dio toplinske cijevi. Ye et al. koristio je prisilno hlađenje zrakom na hladnom kraju toplinske cijevi kako bi održao bateriju (LiFePO4, 18 Ah) ispod 35 stupnjeva pod uvjetima pražnjenja od 1C. Ako se hladni kraj prirodno hladi, temperatura na kraju pražnjenja bila bi viša od 40 stupnjeva. Kako bi se ojačao kapacitet rasipanja topline toplinske cijevi, metode kao što su povećanje broja rebara na hladnom kraju, poboljšanje dizajna rebara na hladnom kraju, povećanje brzine protoka hlađenja zraka i povećanje duljine može se koristiti kondenzacijski dio.
Broj toplinskih cijevi, broj rebara i razmak između rebara također imaju važan utjecaj na učinak rasipanja topline. Raspored više toplinskih cijevi na površini baterije može poboljšati disipaciju topline, ali budući da je prosječni koeficijent prijenosa topline hladnog kraja duž smjera strujanja zraka sve niži i niži, povećava se nejednakost površinske temperature baterije. Ujednačenost temperature površine baterije može se poboljšati postavljanjem cijevi spojlera prije prve toplinske cijevi (Sl. 10(d)).
Slika 10 Shema dizajna kondenzacijske sekcije toplinske cijevi. (a) Kondenzacijski kraj je gola cijev; (b) razmak peraja je 10 mm; (c) razmak peraja je 3 mm; (d) Kraj za hlađenje ima virtualnu toplinsku cijev
Mnogi istraživači koriste toplinske cijevi i materijale za promjenu faze kako bi spojili disipaciju topline kako bi poboljšali ujednačenost temperature površine baterije, pričvrstili PCM na površinu baterije, toplinske cijevi su ugrađene u PCM kako bi odvele toplinu, a hladni krajevi koriste hlađenje zrakom za raspršivanje topline. Slika 11 je tipična toplinska cijev - PCM je spojen sa zrakom hlađenim sustavom za raspršivanje topline. Ova struktura može osigurati da maksimalna temperaturna razlika baterije bude niža od 2 stupnja nakon pražnjenja na 2C, a brzina vjetra koji se hladi utjecat će na maksimalni porast temperature baterije.
Slika 11 Prizmatična baterijska toplinska cijev-PCM spojeni sustav upravljanja toplinom
Povećanje duljine kondenzacijske sekcije još je jedan učinkovit način poboljšanja kapaciteta rasipanja topline toplinske cijevi. Međutim, povećanje duljine kondenzacijskog dijela dovest će do povećanja temperaturne razlike baterije. Postoji optimalna vrijednost za duljinu kondenzacijske dionice.
3.3.2 Hlađenje tekućinom na hladnom kraju
Zbog niskog specifičnog toplinskog kapaciteta zraka, upotreba toplinskih cijevi i tekućeg hlađenja spojenih za odvođenje topline može nadomjestiti nedostatak zračnog hlađenja. Prema načinu kontakta između hladnog kraja toplinske cijevi i kanala protoka tekućine, može se podijeliti na kontaktni prijenos topline hlađenjem tekućinom i beskontaktni prijenos topline hlađenjem tekućinom. Sustav kontaktne tekućine za hlađenje prikazan je na slici 12. Hladni kraj toplinske cijevi natopljen je spremnikom vode, a određena brzina protoka tekućine uvodi se u unutrašnjost. Nakon pola sata neprekidnog pražnjenja na 2C, temperatura baterije ne prelazi 42 stupnja, što pokazuje učinak rasipanja topline toplinske cijevi i spojnice za hlađenje tekućinom.
Slika 12 Shematski dijagram sustava za izmjenu topline kontaktne tekućine na hladnom kraju toplinske cijevi
Zhao i sur. upotrijebio prskanje vodom na hladnom kraju kako bi poboljšao učinkovitost rasipanja topline baterije. Ravna mikro-toplinska cijev postavljena je između svake dvije baterije i vodom je prskana po površini određenom frekvencijom. Porast temperature baterije bio je samo 4 stupnja pod uvjetima neprekidnog pražnjenja od 2C. , Temperaturna razlika u uvjetima pražnjenja od 3C manja je od 2,5 stupnja.
Beskontaktni sustav za hlađenje tekućinom obično raspoređuje toplinske cijevi na površini baterije, a toplina se odvodi kroz kontakt kanala protoka tekućinskog hlađenja s hladnim krajem toplinske cijevi. Hladni kraj toplinske cijevi nije izravno uronjen u rashladnu tekućinu, pa je sigurnost veća. Audi je dizajnirao rješenje za upravljanje toplinom baterije kao što je prikazano na slici 13. Bakrena ploča je postavljena između svake dvije baterije, a četiri sinterirane toplinske cijevi ugrađene su u bakrenu ploču. Na kraju, toplina se prenosi kroz rashladnu ploču tekućine pričvršćenu na hladni kraj toplinske cijevi. oduzeti. U uvjetima generiranja topline baterije od 400 W, sustav može održavati temperaturu baterije ispod 50 stupnjeva, što ima dobar učinak hlađenja.
Slika 13 Shema dizajna rasipanja topline toplinske cijevi energetske baterije
Većina trenutačnih istraživanja koristi porast temperature i temperaturnu razliku baterije kao indeks procjene. Međutim, poboljšani prijenos topline dovest će do veće potrošnje energije i povećanja težine sustava, a malo je razmatranja dizajna na razini sustava. Kako uzeti u obzir karakteristike pražnjenja baterije, učinak rasipanja topline, potrošnju energije sustava i malu težinu i druge pokazatelje, te predložiti učinkovitu shemu rasipanja topline za sustav upravljanja toplinom, fokus je budućih istraživanja poboljšanog rasipanja topline baterija.
3.4 Istraživanje baterijskog grijanja pomoću toplinskih cijevi
Kao što je gore spomenuto, učinkovitost punjenja i pražnjenja litij-ionskih baterija znatno je smanjena u okruženjima s niskom temperaturom. Trenutačno su istraživanja o niskotemperaturnom grijanju korištenjem toplinskih cijevi kao komponenti za prijenos topline privukla široku pozornost.
Ye et al. na površini baterije rasporedio toplinske cijevi mikro ploča, a drugi kraj zagrijao grijaćim elementom (Slika 14). Vrijeme koje je bilo potrebno da se baterija zagrije od -10, -20, -30 stupnjeva do 0 stupnjeva bilo je 350, 780, odnosno 1100 s. , Brzina porasta temperature je 1,5 puta veća od tradicionalne metode donjeg grijanja. Tijekom procesa grijanja, razlika u temperaturi može se kontrolirati ispod 3 stupnja, mnogo niže od tradicionalne metode grijanja (9 stupnjeva). Liang Jianan i sur. utvrdili da povećanje snage grijanja može povećati brzinu zagrijavanja baterije, ali u isto vrijeme povećati temperaturnu razliku na površini baterije. Stoga je potrebno sveobuhvatno razmotriti vrijeme grijanja i temperaturnu razliku baterije kako bi se odredila optimalna strategija grijanja.
Slika 14. Shematski dijagram strukture grijanja litij-ionskih baterija temeljenih na toplinskim cijevima
Zou i sur. dizajnirao je integrirani sustav toplinskog upravljanja spajanjem toplinske cijevi i tekućine kao što je prikazano na slici 15, koji može ostvariti i grijanje na niskoj temperaturi i hlađenje baterije na visokoj temperaturi. Rashladno sredstvo u cijevi zagrijava PTC, a zatim prenosi toplinu na bateriju kroz toplinsku cijev. U početnoj fazi zagrijavanja, temperatura baterije brzo raste. Kako se temperaturna razlika između hladnog i vrućeg kraja toplinske cijevi postupno smanjuje, kapacitet prijenosa topline slabi, a konačna vrijednost prijenosa topline približava se konstantnoj vrijednosti. Nakon otprilike 900 s, temperatura baterije raste na 20 stupnjeva.
Slika 15 Shematski dijagram sustava grijanja toplinske cijevi
Trenutačni sustav grijanja baterija temeljen na toplinskim cijevima obično koristi tradicionalne toplinske cijevi ili mikrokanalne toplinske cijevi koje se postavljaju na površinu baterije, a drugi kraj koristi grijanje toplom vodom ili PTC grijanje. Većina istraživanja je u fazi eksperimentalne provjere. Postojeći rezultati istraživanja u potpunosti pokazuju visoku učinkovitost grijanja toplinskih cijevi. i ujednačenosti temperature, daljnja bi se istraživanja trebala usredotočiti na strategije grijanja pri niskim temperaturama.
04 Sažetak i izgledi
Temperatura je ključni faktor koji utječe na performanse baterija, a učinkovit sustav upravljanja toplinom od velike je važnosti za električna vozila. Toplinske cijevi imaju snažnu sposobnost prijenosa topline i ujednačenosti temperature te su važan smjer istraživanja za buduće sustave upravljanja toplinom baterija. Postignut je značajan napredak u korištenju toplinskih cijevi kao elemenata za hlađenje/grijanje baterije. Međutim, s poboljšanjem zahtjeva električnih vozila za sustave upravljanja toplinom, još uvijek postoji nekoliko problema koje treba riješiti u primjeni toplinskih cijevi:
(1) Temperatura akumulatora usko je povezana s njegovim dinamičkim uvjetima proizvodnje topline. Daljnja istraživanja treba kombinirati sa stvarnim uvjetima vozila kako bi se formulirala učinkovita strategija upravljanja u stvarnom vremenu za postizanje učinkovitog i niskoenergetskog upravljanja toplinom baterije.
(2) Što se tiče prijenosa topline toplinskih cijevi, budući da postoji mnogo čimbenika koji utječu na prijenos topline toplinskih cijevi, potrebno je sveobuhvatno razmotriti dizajn unutarnje strukture toplinskih cijevi i njihov raspored u baterijskom paketu kako bi se optimizirao njihov učinak prijenosa topline tijekom uporabe, posebno za tip ravne ploče. Analiza karakteristika prijenosa topline i istraživanje optimalnog dizajna toplinske cijevi jedna je od ključnih točaka budućih istraživanja.
(3) Što se tiče rasipanja topline toplinske cijevi, većina trenutnih dizajna sustava usmjerena je na smanjenje porasta temperature i temperaturne razlike baterije, a manje se uzima u obzir potrošnja energije i težina sustava. Daljnje istraživanje rasipanja topline poboljšanog toplinskim cijevima trebalo bi se usredotočiti na višestruku optimizaciju sustava, sveobuhvatne toplinske i električne karakteristike sustava, potrošnju energije sustava i malu težinu i druge pokazatelje, te predložiti rješenja za rasipanje topline sustava upravljanja toplinom.
(4) Što se tiče istraživanja grijanja toplinskim cijevima, većina trenutnih istraživanja je u fazi ispitivanja i provjere učinka. Daljnja istraživanja karakteristika prijenosa topline toplinskih cijevi u različitim okruženjima, posebice istraživanje strategija grijanja u okruženjima niskih temperatura, jedna su od ključnih točaka budućih istraživanja. jedan.
S razvojem električnih vozila i kontinuiranim napretkom tehnologije energetskih baterija i tehnologije toplinskih cijevi, toplinske cijevi će se sve više koristiti u upravljanju toplinom baterija.
Napomena: Autorsko pravo na reproducirani članak pripada izvornom autoru. Ako postoji bilo kakvo kršenje, obratite se da ga izbrišete.