В настоящее время теория Управление температурой батареи совершенствуется, а технология постоянно совершенствуется. С одной стороны, начните с собственных материалов батареи, чтобы улучшить устойчивость батареи к высоким/низким температурам и повысить устойчивость батареи. Например, новейшие твердотельные аккумуляторы превосходят жидкие с точки зрения плотности энергии, безопасности и скорости зарядки. С другой стороны, начиная с внешней стороны батареи, температура батареи контролируется в оптимальном рабочем диапазоне посредством принудительной конвекции воздуха, потока жидкой среды и покрытия материалом с фазовым переходом. Для повышения эффективности рассеивания тепла была разработана система жидкостного охлаждения сложной конструкции. Что касается конструкции, то для контакта с каждым аккумуляторным блоком предусмотрено как можно больше проточных каналов. Оптимизируйте структуру пути потока, выберите лучшие положения входа и выхода и спроектируйте соответствующую длину пути потока, чтобы уменьшить потери энергии и т. д. Разработка новых материалов в последние годы сочетает в себе материалы с эффектом охлаждения или сохранения тепла с системами управления температурным режимом для повышения эффективности рассеивания тепла 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, выделяемого силовыми батареями, и приводится информация о современных основных технологиях управления температурным режимом батарей - технологии воздушного охлаждения, технология жидкостного охлаждения , технология охлаждения PCM, Технология охлаждения тепловых трубок и технология нагрева аккумуляторов в условиях низких температур. Рассмотрены его характеристики, статус исследования, преимущества и недостатки, а также обобщены и предложены направления его будущего развития.
1. Анализ теплопроводности аккумуляторной батареи.
Чтобы спроектировать систему управления температурным режимом батареи с хорошей производительностью, необходимо сначала понять методы выделения тепла и теплопередачи силовых батарей. В процессе зарядки и разрядки силовой батареи внутри батареи происходят различные электрохимические процессы. Сложные химические реакции в большинстве случаев сопровождаются выделением тепла, а наличие внутреннего сопротивления аккумулятора также будет генерировать джоулево тепло.
Теплопередача включает три основных способа теплопроводности: конвективный теплообмен и радиационный теплообмен. Тепло, выделяемое аккумулятором, может передаваться определенным образом или комбинироваться между собой.
Конвекция – основной способ теплопередачи в жидкостях и газах. Это процесс, при котором жидкость (газ или жидкость) осуществляет теплообмен через макроскопическое течение различных своих частей и часто сопровождается теплопроводностью. По состоянию течения различают ламинарный теплообмен и турбулентный теплообмен. По причине течения его разделяют на естественную конвекцию и вынужденную конвекцию. Вынужденная конвекция лучше естественной.
Поскольку в настоящее время для отвода тепла в транспортных средствах в основном используется жидкостное охлаждение, основным является конвективный теплообмен. Перенос радиационного тепла осуществляется путем излучения и поглощения энергии излучения окружающими объектами и преобразования ее в тепловую энергию.
Таким образом, тепло, выделяемое аккумулятором, в основном передается за счет конвекционной теплопередачи и теплопроводности. Современная технология рассеивания тепла также в основном использует эти два метода теплопередачи.
2. Технология управления температурным режимом
Первоначально в электромобилях обычно использовалась система воздушного охлаждения простой конструкции. Используйте всасывающий эффект воздуходувки, чтобы всасывать внешний воздух в блок аккумуляторной батареи. Воздух обтекает аккумуляторный модуль, и, наконец, тепло, выделяемое силовой батареей, выводится из воздуховыпускного отверстия вместе с воздухом, обеспечивая эффект охлаждения аккумулятора. Воздушное охлаждение 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 с целью охлаждения. Принудительное конвекционное охлаждение основано на добавлении механических устройств, которым для движения необходимо потреблять часть энергии аккумулятора. Принудительная конвекция надежнее и проще в обслуживании, чем естественная. Поэтому принудительная конвекция чаще встречается на разных моделях. Однако неравномерность температуры между ячейками является большой проблемой, которую необходимо решить с помощью принудительной конвекции. В соответствии с различными режимами вентиляции воздушное охлаждение имеет два режима вентиляции: последовательный и параллельный, как показано на рисунке 1. При последовательной вентиляции воздух поступает в вентиляционную линию и поочередно обтекает поверхность каждого элемента батареи. Во время воздушного потока температура воздуха постепенно увеличивается, а разница температур между батареями продолжает сокращаться. Поскольку температура и скорость потока на обеих сторонах аккумуляторного модуля различны, сторона, где воздух течет первым, имеет более низкую температуру батареи и более высокую скорость воздушного потока. Эффективность теплопередачи снижается, когда воздушный поток достигает другой стороны. В это время температура поверхности батареи не сильно меняется, что приводит к неравномерности температуры между аккумуляторными блоками с обеих сторон. Во время параллельной вентиляции воздух одновременно проходит над разными поверхностями батареи, и скорость потока относительно постоянна. Теплообмен каждой батареи практически одинаков. Это улучшает выравнивание температуры модуля. Поэтому широко применяется параллельная вентиляция. Способ расположения батарей также влияет на эффект воздушного охлаждения. Хотя сопротивление потоку охлаждающего воздушного потока расположенных в ряд аккумуляторных модулей невелико, площадь контакта аккумуляторных элементов мала. Этот эффект конвекции и эффективность охлаждения низкие, обычно не используются. Перекрестное расположение увеличивает возмущения воздушного потока, проходящего между батареями, и улучшает эффект рассеивания тепла, но потеря сопротивления потоку относительно велика. Коэффициент теплопередачи можно улучшить, приняв трапециевидное расположение. Балансировка эффекта рассеивания тепла на обоих концах батареи позволяет поддерживать 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 его не разряжать вовремя, это может привести к перегреву. Увеличьте охлаждающую способность, изменив структуру впуска и выпуска воздуха. За счет поочередной вентиляции воздух может периодически проходить с левой и правой сторон батареи, избегая явления чрезмерной температуры с одной стороны.
Конфигурации активного воздушного охлаждения и пассивного воздушного охлаждения показаны на рисунке 2. Структура рассеивания тепла с пассивным воздушным охлаждением относительно проста, и воздух в окружающей среде используется напрямую. Активная система охлаждения использует предварительно кондиционированный воздух из кондиционера, проходящий через батарею. Пассивное воздушное охлаждение менее эффективно, чем активное воздушное охлаждение.
Воздушное охлаждение подходит только для батарей низкой плотности из-за характеристик низкой теплоемкости воздуха и низкой теплопроводности. Большие аккумуляторные блоки требуют больших проточных каналов, что делает систему громоздкой. Системы активного воздушного охлаждения, в которых используются вентиляторы для увеличения теплопередачи, увеличивают стоимость, производят много шума и влияют на комфорт езды. Чтобы улучшить эффективность воздушного охлаждения, можно принять соответствующие меры, такие как увеличение объема воздуха, скорости потока, размера канала и оптимизация расположения агрегата без ущерба для использования пространства.
Воздушное охлаждение имеет низкую эффективность рассеивания тепла и обычно используется в моделях с относительно небольшой мощностью двигателя. Такие как ранний Nissan Leaf, Kia Soul EV и так далее. Приоритетное использование системы отвода тепла с воздушным охлаждением помогает снизить стоимость автомобиля. Однако, когда имеется много батарейных модулей и требуемый эффект рассеивания тепла не может быть достигнут, необходимо рассмотреть другие методы управления температурным режимом.
Когда воздушное охлаждение не может удовлетворить требования по рассеиванию тепла, применяется жидкостное охлаждение. В процессе жидкостного охлаждения жидкий теплоноситель поглощает тепло от аккумулятора и своевременно передает тепло наружному воздуху посредством непрерывной циркуляции, снижая температуру аккумуляторного блока. 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 в меньшей степени влияет температура окружающей среды. Однако его сложная структура увеличивает стоимость производства и обслуживания. Энергопотребляющие компоненты также вызывают вторичную потерю энергии аккумулятора. При пассивном жидкостном охлаждении жидкая среда протекает через батарею для поглощения тепла. Тепловая жидкость подается в теплообменник, который рассеивает тепло во внешнюю среду для охлаждения аккумулятора. Среду (хладагент) можно использовать повторно. Структура проста, а стоимость низкая. Поскольку пассивное жидкостное охлаждение в основном зависит от теплообмена внешнего окружающего воздуха, эффективное рассеивание тепла не может быть достигнуто при высокой температуре внешней 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 непрямой контакт жидкостного охлаждения. Когда аккумулятор находится в прямом контакте с жидкой средой, ею может быть вода, этанол и хладагент. Средой обычно является электроизоляционная жидкость (масло) с высокой теплопроводностью для решения задачи выравнивания температуры модуля. Эти среды имеют высокую вязкость и низкую скорость потока, что потребляет больше энергии и снижает эффективность охлаждения. Поэтому ее можно улучшить, изменяя теплопроводность, скорость потока, вязкость, плотность и другие параметры среды для увеличения скорости теплообмена. В системе непрямого жидкостного охлаждения жидкость течет по трубопроводу или встроенному каналу, контактирующему с аккумулятором, отводя тепло, выделяемое аккумулятором, для достижения цели рассеивания 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, системы непрямого 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 призвана воспользоваться этой характеристикой. Аккумулятор находится в непосредственном контакте с PCM, и тепло передается от аккумулятора к PCM. Храните и выделяйте тепло в процессе изменения состояния вещества для достижения эффекта низкотемпературного нагрева и высокотемпературного рассеивания тепла для силовой батареи. ПКМ включает три типа: органические, неорганические и композитные ПКМ. Органический ПКМ отличается низкой ценой, хорошей стабильностью, низкой токсичностью, некоррозийностью, отсутствием переохлаждения и разделения фаз, но имеет такие недостатки, как плохая теплопроводность и воспламеняемость. Чтобы решить вышеуказанные проблемы, исследователи попытались добавить к органическим ПКМ материалы с высокой теплопроводностью и огнестойкие материалы. Это актуальная проблема в области управления температурным режимом аккумуляторов. Из-за ограничения температуры фазового перехода большинство доступных неорганических ПКМ представляют собой гидратированные соли, теплофизические свойства которых нестабильны. Неорганический PCM совершенно негорюч и стоит намного дешевле, чем органический PCM. Неорганические ПКМ страдают от плохой теплопроводности и стабильности из-за разделения фаз, обезвоживания или переохлаждения, что затрудняет их широкое применение. Чтобы устранить эти недостатки органических ПКМ и неорганических ПКМ, был разработан композитный ПКМ, сочетающий в себе преимущества двух вышеупомянутых, который обладает лучшей теплопроводностью и скрытой теплотой фазового перехода.
По сравнению с традиционными методами управления температурным режимом, 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 развивалась в последние годы. В основном он использует характеристики фазового изменения веществ для устранения недостатков технологии управления теплом PCM. Предлагается альтернативная система, называемая тепловой трубкой, которая представляет собой модернизированную версию на базе PCM. Традиционная тепловая трубка состоит в основном из трех компонентов: оболочки трубки, поглощающей жидкость сердцевины и торцевой крышки. В зависимости от условий теплопередачи тепловую трубку обычно можно разделить на три части: горячий конец, адиабатическая часть и холодный конец. Комбинация тепловой трубки и батареи показана на рисунке 4. Тепловая трубка заполняется соответствующим количеством хладагента после того, как в закрытом металлическом корпусе создается отрицательное давление. Когда один конец тепловой трубки поглощает тепло, выделяемое аккумулятором, хладагент испаряется. Газообразный хладагент перетекает на другой конец под действием градиента давления, выделяя тепло, и снова конденсируется в жидкость. Жидкость течет обратно в испаритель под действием капиллярной силы, и она непрерывно циркулирует для достижения эффекта рассеивания тепла.
Высокие затраты на производство и обслуживание, а также сложность контроля количества теплообменной среды являются основными причинами, препятствующими применению тепловых трубок. В системе отвода тепла тепловой трубки силовая батарея может не только поддерживать нормальный диапазон рабочих температур, но также поддерживать однородность температуры между элементами батареи с обратимым направлением теплового потока. Это эффект, которого не могут достичь другие системы охлаждения. Метод охлаждения с помощью тепловых трубок также легко сочетается с вышеупомянутыми 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 сочетает в себе преимущества системы жидкостного охлаждения и PCM. Двухступенчатое охлаждение достигается за счет использования жидкости и ПКМ. Жидкая охлаждающая жидкость течет внутри охлаждающей пластины, прикрепленной к аккумуляторной батарее. Теплообмен с аккумуляторным блоком и охлаждающей пластиной осуществляется посредством теплопроводности и конвекции, а охлаждающая жидкость непосредственно охлаждается аккумуляторной системой с использованием процесса изменения фазы испарения. Его адаптируемость к системе кондиционирования воздуха позволяет объединить охлаждение аккумуляторной системы и салона в одну систему, повышая эффективность охлаждения. По сравнению с системой жидкостного охлаждения, использующей явное тепло охлаждающей жидкости, система прямого охлаждения использует скрытую теплоту испарения охлаждающей жидкости для удовлетворения тепловой потребности аккумулятора, 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 распространенными являются холодные плиты Г-образной формы и сотовые односторонние надувные алюминиевые плиты.
Когда требования к плотности энергии аккумулятора и высокой скорости зарядки становятся все выше и выше, решение для прямого охлаждения аккумулятора имеет преимущества небольшого размера, легкого веса, быстрой скорости охлаждения и хорошей производительности и считается одной из потенциальных альтернатив системе управления температурой аккумулятора следующего поколения. Учитывая будущие инновационные приложения, подход на основе цифровых двойников может послужить руководством для проектирования будущих систем прямого охлаждения. Этот подход основан на потенциале цифровых технологий и облачных платформ управления для лучшей реализации терморегулирования.
В условиях низкой температуры (например, -20°C или ниже) емкость, мощность и эффективность разряда аккумулятора значительно снизятся. Срок службы сокращается, что затрудняет зарядку и разрядку, а в тяжелых случаях может привести к выходу из строя. Поэтому в холодных регионах необходимо подогревать или поддерживать тепло аккумулятора, чтобы температура аккумулятора не была слишком низкой и обеспечивалась нормальная езда автомобиля. В настоящее время система отопления разделена на внутреннее отопление и наружное отопление. Внутренний нагрев включает самонагрев, нагрев высокочастотным и низкочастотным переменным током, а также нагрев импульсным током. Внешнее отопление включает в себя отопление PCM, воздушное отопление, водяное отопление и т. д.
Способ внутреннего нагрева заключается в нагреве батареи главным образом за счет использования 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 аккумулятора за счет выделения тепла посредством дополнительного нагревательного элемента. Этот метод прост в нагреве и обладает высокой безопасностью, но эффективность низкая.
Чем ниже температура аккумулятора, тем меньше его емкость и тем меньше он будет разряжаться. Это не только повлияет на дальность пробега автомобиля, но также повлияет на энергетические характеристики и рекуперацию энергии автомобиля, тем самым ограничивая продвижение электромобилей в холодные регионы. Технология аккумуляторного отопления имеет большие перспективы развития, которые можно изучить со многих сторон. Что касается формы батареи, батарея имеет шестиугольную форму, а батареи расположены в шестиугольной плотной упаковке, что способствует оптимизации пространства и сохранению тепла между батареями. Что касается материалов аккумуляторов и электролитов, графен и сверхпроводящие материалы используются для улучшения проводимости батарей в условиях низких температур. Что касается структуры батарейного модуля, можно рассмотреть некоторые формы в природе, такие как создание проточных каналов с помощью жилок листьев, муравьиных пещер и других бионических структур для нагрева и поддержания тепла батареи.
3. Резюме
В будущем появится 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 терморегулирования является целью будущих исследований по улучшению рассеивания тепла от батареи. Чтобы поддерживать рабочую температуру аккумулятора в оптимальном температурном диапазоне, необходимо улучшить эффективность рассеивания тепла системой управления температурой аккумулятора. Одна система охлаждения больше не может удовлетворить потребности, поэтому для комплексного охлаждения можно объединить воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение, охлаждение с фазовым переходом, охлаждение с помощью тепловых трубок и прямое охлаждение. Улучшите тепловые характеристики за счет оптимизации каждого метода охлаждения. Исследование конструкции воздуховодов переменной ширины для воздушного охлаждения. Рассмотрим возвратно-поступательный и двунаправленный поток жидкости для жидкостного охлаждения. Используйте инерцию для уменьшения рассеяния энергии, изменяйте свойства жидкости для улучшения теплопроводности, оптимизируйте структуру каналов жидкости, контролируйте скорость и расход потока и т. д. Охлаждение с фазовым переходом оптимизируется путем контроля температуры плавления ПКМ, теплопроводности ПКМ, качества ПКМ, расстояния между ячейками, толщины ПКМ и других параметров. Добавляйте в PCM определенные вещества, чтобы получить композитный PCM с отличными характеристиками и улучшить эффективность охлаждения. Соединение тепловой трубки с воздушным, водяным или хладагентным охлаждением обеспечивает хорошую эффективность теплопередачи. Аккумуляторы — сердце электромобилей. Начиная с самой батареи, улучшение ее способности адаптироваться к температуре внешней среды также является горячей темой исследований.
При применении терморегулирования автомобильными компаниями комплексная система охлаждения Tesla включает в себя цикл охлаждения и цикл нагрева. В то же время технология мультисенсорного синтеза 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 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, в целях обеспечения безопасности и увеличения дальности пробега оптимизируйте ее производительность и укрепите исследования в области интеллекта, интеграции и адаптации к различным условиям работы. Например, интеллектуальная платформа управления температурным облаком может устанавливать пороговые значения высокой и низкой температуры. Его можно объединить с суперконденсатором для создания гибридной энергии, позволяющей улучшить мощность и срок службы батареи электромобилей. Выполните многоцелевую оптимизацию конструкции, чтобы получить более экономичную 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 выделение тепла 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 батарей.
