Wat is termiese bestuurstelsel?

Wat is termiese bestuurstelsel?

Battery termiese bestuur, gebaseer op die impak van temperatuur op battery werkverrigting, gekombineer met die battery se elektrochemiese eienskappe en hitte generasie meganismes, en gegrond in die optimale laai/ontlading temperatuur reeks van 'n spesifieke battery, is 'n tegnologie wat hitte afvoer of termiese weghol wat veroorsaak word deur buitensporige hoë of lae temperature tydens battery werking aanspreek. Dit word bereik deur rasionele ontwerp en is gegrond in materiaalwetenskap, elektrochemie, hitte-oordrag, molekulêre dinamika en ander dissiplines. Die handhawing van 'n redelike bedryfstemperatuurreeks is noodsaaklik vir die batterypak om goeie werkverrigting te handhaaf. Daarom is die ontwerp van 'n redelike termiese bestuurskema vir litium-ioonbatterye van groot belang vir die verbetering van die algehele werkverrigting van die batterystelsel.

Die batterypak termiese bestuurstelsel het die volgende vyf hooffunksies: ① akkurate meting en monitering van batterytemperatuur; ② effektiewe hitteafvoer en ventilasie wanneer die batterypaktemperatuur te hoog is; ③ vinnige verhitting onder lae-temperatuurtoestande; ④ effektiewe ventilasie wanneer skadelike gasse gegenereer word; en ⑤ om 'n eenvormige temperatuurverspreiding binne die batterypak te verseker.

'n Hoë-werkverrigting batterypak termiese bestuurstelsel vereis 'n sistematiese ontwerpbenadering. Tans bestaan daar baie ontwerpmetodologieë vir termiese bestuurstelsels. Die mees algemene gebruik is 'n batterypak termiese bestuurstelsel wat ontwerp is deur die National Renewable Energy Laboratory (NREL) in die Verenigde State, wie se ontwerpproses sewe stappe insluit:

1) Bepaal die self-kaliber en vereistes van die termiese bestuurstelsel. Gebaseer op die battery se temperatuurkenmerke en geskikte bedryfstemperatuurreeks, bepaal die beheerself-kaliber van die termiese bestuurstelsel. Byvoorbeeld, die geskikte bedryfstemperatuur vir litium-ioonkragbatterye is 10~40 grade, met 'n lae-temperatuurlimiet van 0 grade en 'n hoë-temperatuurlimiet van 45 grade. Daarom moet die ontwerp van die termiese bestuurstelsel, terwyl dit aan die battery se uiterste bedryfstemperature voldoen, daarna streef om aan die battery se geskikte bedryfstemperatuurvereistes te voldoen.

2) Meet of skat module se hitte-opwekking en hittekapasiteit. Deur batterylading-ontladingstoetse en simulasieberekeninge gebaseer op die battery se spesifieke hittekapasiteit, bepaal die hitte-afvoer of verhittingskrag.

3) Aanvanklike evaluering van die termiese bestuurstelsel, insluitend die keuse van die hitte-oordragmedium en die ontwerp van die hitte-afvoerstruktuur. Oor die algemeen word batteryverkoeling verkry deur lugverkoeling of vloeistofverkoeling. Lugverkoelingstelsels is relatief eenvoudig in struktuur maar ondoeltreffend; vloeibare verkoelingstelsels is kompleks in struktuur, maar hoogs doeltreffend. Daar is ook verskillende vorme van verhittingsmetodes, soos sirkulerende warmlugverhitting, vloeistofvloeiverhitting en direkte termiese stralingsverhitting vanaf die hittebron.

4) Voorspel die termiese gedrag van die module en batterypak. Gebaseer op die batterypak se bedryfstoestande, voorspel en assesseer die hitte-afvoer en verhittingsvereistes tydens toediening.

5) Voorlopige ontwerp van die termiese bestuurstelsel. Gegrond op die vasgestelde hittemedium en die resultate van die termiese gedragsbepaling, voer die beginsel en ingenieursontwerp van die termiese bestuurstelsel uit.

6) Ontwerp en toets die termiese bestuurstelsel. Produseer afgeskaalde-af of vol-batterystelsels en die battery se termiese bestuurstelsel, en verifieer die doeltreffendheid van die termiese bestuurstelsel onder gesimuleerde werklike bedryfstoestande op 'n toetsbank.

7) Optimaliseer die termiese bestuurstelsel. Verbeter en optimaliseer die termiese bestuurstelsel gebaseer op die eksperimentele resultate.

Batterye is nie goeie geleiers van hitte nie. Om slegs die oppervlaktemperatuurverspreiding te ken, is onvoldoende om die interne termiese toestand van die battery ten volle te verstaan. Die berekening van die interne temperatuurveld met behulp van wiskundige modelle en die voorspelling van die battery se termiese gedrag is 'n onontbeerlike stap in die ontwerp van battery termiese bestuurstelsels. Tans sluit die hoofstroom wiskundige modelle twee-dimensionele en drie-dimensionele modelle in. Onder hierdie is die drie-dimensionele model, as gevolg van sy uitstekende akkuraatheid en aanpasbaarheid, wyd gebruik in talle battery termiese bestuurstelsels. Die model is soos volg:

Battery Thermal Field Calculation and Temperature Prediction

Waar T die temperatuur is;

ρ is die gemiddelde digtheid;

c_p is die spesifieke hittekapasiteit van die battery;

λ_x, λ_y, λ_z is die termiese geleidingsvermoë van die battery in die x-, y- en z-rigtings, onderskeidelik;

q is die tempo van hitte-opwekking per eenheid volume.

Temperatuurverskille tussen verskillende batterymodules binne die batteryboks vererger teenstrydighede in battery interne weerstand en kapasiteit. Met verloop van tyd kan dit lei tot oorlaai of oor-ontlading van sommige batterye, wat hul lewensduur en werkverrigting beïnvloed, en veiligheidsgevare skep. Die temperatuurverskille tussen batterymodules binne die batterykas is nou verwant aan die batterypakreëling. Oor die algemeen is batterye in die middel geneig om hitte te versamel, terwyl dié aan die rande beter hitteafvoer het. Daarom, wanneer die batterypakstruktuur en hitte-afvoer ontwerp word, is dit van kardinale belang om eenvormige hitte-afvoer te verseker. Met lugverkoeling as 'n voorbeeld, is daar oor die algemeen twee ventilasiemetodes: serie en parallel, om eenvormige hitte-afvoer te verseker. Lugvloeiontwerp moet voldoen aan die basiese beginsels van vloeimeganika en aërodinamika.

Wanneer 'n battery termiese bestuurstelsel ontwerp word, moet die tipe en krag van die waaier, die aantal temperatuursensors en die ligging van die meetpunte noukeurig gekies word.

Neem lugverkoeling as 'n voorbeeld, wanneer die verkoelingstelsel ontwerp word, terwyl 'n sekere verkoelingseffek verseker word, moet vloeiweerstand tot die minimum beperk word om waaiergeraas en kragverbruik te verminder, en sodoende die algehele stelseldoeltreffendheid te verbeter. Die kragverbruik van die waaier kan beraam word deur drukval en vloeitempo te skat deur eksperimentele, teoretiese berekeninge en vloeistofdinamika (CFD) metodes te gebruik. Wanneer die vloeiweerstand laag is, kan aksiale vloeiwaaiers oorweeg word; wanneer die vloeiweerstand hoog is, is sentrifugale waaiers meer geskik. Natuurlik moet die spasie wat die waaier beslaan en die koste daarvan ook in ag geneem word. Om die optimale waaierbeheerstrategie te vind is ook een van die funksies van 'n termiese bestuurstelsel.

Schematic diagram of temperature measurement points in the battery box

Die temperatuurverspreiding van die batterypak binne die batterykas is oor die algemeen ongelyk, daarom is dit nodig om die termiese veldverspreiding van die batterypak onder verskillende toestande te ken om die kritieke temperatuurpunte te bepaal. Meer temperatuursensors bied meer omvattende temperatuurmeting, maar verhoog stelselkoste en kompleksiteit. Afhangende van die spesifieke ingenieurskonteks, kan teoreties eindige element-analise, infrarooi termiese beelding in eksperimente, of reële-tyd meer-punt temperatuurmonitering gebruik word om die termiese veldverspreiding van die batterypak, batterymodules en individuele selle te ontleed en te meet, om die aantal temperatuurmeetpunte te bepaal en geskikte punte in verskillende gebiede te vind. ’n Algemene ontwerp moet verseker dat die temperatuursensors nie aan verkoelende lugvloei blootgestel word nie om die akkuraatheid en stabiliteit van temperatuurmetings te verbeter. Wanneer die battery ontwerp word, moet spasie vir temperatuursensors gereserveer word; geskikte openinge kan byvoorbeeld op gepaste plekke ontwerp word. Die batterypak van Toyota se Prius hibriede elektriese voertuig het 228 individuele selle, en temperatuurmonitering word deur 5 temperatuursensors uitgevoer. Die elektriese buskragbatterystelsel wat deur Beijing Institute of Technology ontwerp is, gebruik 6 temperatuurmetingspunte per boks (sien die omsirkelde area in Figuur 8-16a), gerangskik by die positiewe en negatiewe terminale en die kraglynuitsetpunte van die batteryboks, soos in Figuur 8-16 getoon.

Gebaseer op die hitte-oordragmedium, kan die verkoeling van batterypak termiese bestuurstelsels in drie tipes verdeel word: lugverkoeling, vloeistofverkoeling en faseveranderingsmateriaalverkoeling. Met inagneming van materiaalnavorsing en -ontwikkeling en vervaardigingskoste, gebruik die mees doeltreffende en algemeen gebruikte hitte-afvoerstelsel tans lug as die hitte-afvoermedium.

Gebaseer op die hitte-afvoer lugvloeistruktuur, kan lugverkoelingstelsels verder in twee tipes verdeel word: serieventilasie en parallelle ventilasie, soos onderskeidelik in Figure 8-17 en 8-18 getoon.

In 'n reekskonfigurasie vloei lug tipies van die een kant van die batterypak na die ander kant om hitte te verwyder. Hierdie lugvloei dra egter hitte van gebiede waardeur dit vroeër gaan na gebiede waardeur dit later gaan, wat inkonsekwente temperature en beduidende temperatuurverskille tot gevolg het. In 'n parallelle opset styg die lugvloei tussen modules vertikaal, wat lug meer eweredig versprei en konsekwente hitte-afvoer deur die batterypak verseker.

Termiese bestuurstelsels kan in passiewe en aktiewe stelsels gekategoriseer word, gebaseer op of hulle interne verwarming of verkoelingstoestelle het. Passiewe stelsels is goedkoper en vereis eenvoudiger infrastruktuur; aktiewe stelsels is meer kompleks en vereis groter bykomende krag, maar bied beter werkverrigting.

Figure 8-19, 8-20 en 8-21 toon skematiese diagramme van onderskeidelik aktiewe en passiewe lugverhitting en hitte-afvoerstrukture.

Thermal Management System Design and Implementation

In Figure 8-19 en 8-20, hoewel die lug deur die motor se lugversorging of verwarmingstelsel afgekoel en verhit is, word dit steeds as 'n passiewe stelsel beskou. Met hierdie passiewe stelsel, as gevolg van die inkonsekwentheid in die temperatuur van die ingevoerde omgewingslug, moet die omgewingslug binne 'n sekere temperatuurreeks (10~35 grade) werk vir behoorlike termiese bestuur. Werk onder uiters koue of warm toestande kan groter ongelykheid in die batterypak tot gevolg hê.

In verwarmingstelsels, behalwe om warm lug in die batterypak in te voer, kan ander metodes gebruik word, soos getoon in Figure 8-22~8-25 (vir prismatiese batterye).

Other heating methods