В последние годы концепции энергосбережения и сокращения выбросов уделяется все больше внимания. В 2020 году была официально предложена двойная цель по выбросам углерода. На этом фоне общей тенденцией также станет развитие электромобилей на новой энергии в сфере транспорта. Литий-ионные аккумуляторы все более широко используются в аккумуляторных блоках электромобилей из-за их преимуществ: высокой мощности, большой емкости, низкой скорости разряда и длительного срока службы. Как мы все знаем, на аккумуляторную батарею сильно влияет температура, поэтому подходящий диапазон рабочих температур составляет всего 0–50 ℃. Разница температур между отдельными ячейками не должна превышать 5 ℃. Чрезмерная температура нарушит внутренний химический баланс батареи и даже в тяжелых случаях приведет к выходу из строя. Если температура слишком низкая, внутреннее сопротивление батареи увеличится, что повлияет на мощность батареи и выходную энергию. Следовательно, чтобы поддерживать электромобили в безопасных и эффективных условиях работы, необходимо разработать соответствующую систему терморегулирования. В настоящий момент, Системы терморегулирования аккумуляторов в основном включают активные, пассивные и активно-пассивные комбинированные методы.
Во-первых, в этой статье определяется отправная точка для управления температурным режимом аккумуляторной батареи. Во-вторых, начиная с различных методов охлаждения, описывается прогресс исследований в области термоменеджмента за последние годы и анализируются преимущества и недостатки различных методов охлаждения. Наконец, ожидается, что применение технологии охлаждения литий-ионных аккумуляторов окажет некоторую помощь в будущих исследованиях в области управления температурным режимом.
Проблемы производительности аккумулятора, срока службы и безопасности 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 аккумуляторе, увеличит поляризацию электрохимической реакции и снизит разрядность аккумулятора. После циклического воздействия высоких температур химическая активность ядра батареи снижается, а производительность и срок службы батареи снижаются. При слишком низкой температуре вязкость электролита увеличивается и скорость электродной реакции снижается. Это приводит к замедлению реакции положительных и отрицательных электродов внутри батареи, увеличивая внутреннее сопротивление батареи. Зарядка литиевой батареи при низкой температуре может даже привести к выпадению лития в осадок, что не только ухудшит производительность батареи, но и значительно сократит срок ее службы. Если температура аккумулятора слишком высокая и серьезная, это также приведет к тепловому разгону аккумуляторного модуля, что приведет к самовозгоранию аккумулятора, 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, а положительный и отрицательный электроды соприкасаются, вызывая короткое замыкание в батарее. Генерация большого количества тепла. Электрохимическая энергия, запасенная в материале, будет высвобождаться с выделением тепла. Когда нагрев достигает определенного уровня, происходит тепловой разгон. Энергия теплового разгона вызовет тепловое распространение модуля и даже системы. В тяжелых случаях может сгореть все транспортное средство. Видно, что когда внутренняя температура батареи повышается и тепло не может быть выделено, чтобы максимально поддерживать температуру батареи в соответствующем температурном диапазоне и обеспечивать производительность и срок службы батареи, очень важно предотвратить тепловой разгон батареи и провести исследование терморегулирования.
В настоящее время многие ученые провели множество исследований по терморегулированию литий-ионных аккумуляторов для транспортных средств. Система управления температурой аккумулятора в основном включает в себя воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение, Охлаждение с помощью тепловых трубок , охлаждение с фазовым переходом и композитное охлаждение. Воздушное и жидкостное охлаждение получили широкомасштабное применение благодаря ранним исследованиям и развитой технологии. Хотя охлаждение с помощью тепловых трубок и охлаждение с фазовым переходом дают 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 объединения двух или более методов охлаждения для комплексного охлаждения и управления температурой аккумуляторов. Этот метод охлаждения не только имеет лучший эффект, но и имеет повышенную сферу применения и имеет хорошую перспективу развития.
Воздушное охлаждение, также известное как воздушное охлаждение, в основном охлаждает батарею за счет высокого расхода наружного воздуха. Существует два распространенных метода воздушного охлаждения: (1) Пассивное воздушное охлаждение, при 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 аккумулятора.
Для системы с воздушным охлаждением основными факторами, влияющими на эффективность охлаждения, являются: расположение батареи, конструкция воздуховода, конструкция мест входа и выхода воздуха, а также скорость и температура воздуха. В рамках исследования компоновки аккумуляторов сравнивались три компоновки аккумуляторов: линейная, дислокационная и перекрестная. На рис. 1 представлен вид сверху на дислокацию и поперечное расположение. По сравнению с дислокацией и перекрестным расположением, когда аккумуляторные блоки расположены параллельно, не только максимальная температура ниже, но и разница температур между аккумуляторными блоками меньше. Кроме того, размер расстояния между ячейками также влияет на однородность температуры. Однородность температуры является наилучшей, когда расстояние контролируется на уровне 4 мм. При проектировании воздуховодов для Z-образного воздуховода для оптимизации воздуховода применяется метод численного моделирования. Сравнение показало, что разница температур аккумуляторной батареи сократилась более чем на 48% при условии оптимизированного канала воздушного потока без изменения перепада давления. Что касается исследования конструкции мест впуска и выпуска воздуха, для получения оптимального решения были смоделированы 3 места впуска/выпуска: верхний впуск и нижний выпуск, впуск и выпуск на одной стороне и впуск и выпуск на разных сторонах. Результаты показали, что размещение входного и выходного отверстий на противоположных сторонах аккумуляторной батареи было оптимальным решением. Использование дополнительной перегородки для предотвращения прохождения воздуха через расстояние между корпусом и аккумулятором значительно повышает эффективность стратегии охлаждения с боковым воздухозаборником. Что касается исследования скорости воздуха, методы численного моделирования используются для обнаружения того, что увеличение скорости воздуха на воздухозаборнике или снижение температуры воздуха на воздухозаборнике также может эффективно улучшить способность батареи рассеивать тепло.
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 терморегулированию некоторых маломощных аккумуляторных блоков. Транспортные средства с воздушным охлаждением, представленные на рынке, в основном представляют собой автомобили на новой энергии с небольшой 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 аккумуляторные батареи начинают развиваться в направлении высокой плотности энергии, само по себе воздушное охлаждение не может удовлетворить предъявляемым требованиям.
Принцип работы жидкостного охлаждения заключается в том, чтобы поместить определенную охлаждающую среду в определенный канал потока, чтобы она текла через поверхность батареи для отвода тепла. Жидкостное охлаждение в основном делится на прямое и непрямое охлаждение. Основное отличие заключается в способе контакта охлаждающей жидкости с аккумулятором.
Улучшения в Пластина жидкостного охлаждения и расположение каналов потока являются основными способами повышения эффективности жидкостного охлаждения. Предложена и оптимизирована схема терморегулирования жидкостного охлаждения на основе змеевидных каналов. Оптимизированная структура жидкостного охлаждения позволяет поддерживать температуру аккумулятора в пределах 20–35 ℃. Разработана конструкция пластины с жидкостным охлаждением с параллельными прямыми каналами неравной длины, которая может контролировать перепад давления в пластине с жидкостным охлаждением, обеспечивая при этом максимальную температуру и разницу 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. А по мере увеличения скорости потока эффект рассеивания тепла становится лучше. Однако эта тенденция постепенно нарушается при скоростях потока до 5 г/с. На рисунке 2 представлена принципиальная схема проточного канала последовательно-параллельной структуры. Изучено влияние количества трубок жидкостного охлаждения и расстояния между трубками на теплоотводящий эффект жидкостного охлаждения. Эффект рассеивания тепла усиливается по мере увеличения количества труб. Если расстояние между трубами слишком велико или слишком мало, это не способствует рассеиванию тепла, поэтому оптимальное расстояние между трубами составляет 65 мм.
Хотя жидкостное охлаждение имеет недостатки, связанные со сложной структурой и высоким качеством. Однако по сравнению с воздушным охлаждением жидкостное охлаждение не только имеет более высокий коэффициент теплопередачи, но также может сделать распределение температуры аккумуляторной батареи более равномерным. В настоящее время большинство основных транспортных средств на новых источниках энергии, представленных на рынке, используют жидкостное охлаждение в качестве метода управления температурой. Например, волнообразная охлаждающая жидкость пластина, разработанная Теслой, подала заявку на ряд патентов. Охлаждающая жидкость Xiaopeng P7 может не только охлаждать, но и нагревать, и существует множество моделей, таких как Ideal ONE, BYD Yuan EV360 и GAC Trumpchi GE3. Жидкостное охлаждение по-прежнему остается первым выбором для большинства электромобилей, работающих на новых источниках энергии. Изменение конструкции охлаждающей пластины, структуры каналов и скорости потока жидкости в настоящее время является эффективным средством оптимизации эффективности жидкостного охлаждения.
Охлаждение с помощью тепловых трубок в первые дни в основном использовалось в области ядерного охлаждения и аэрокосмической промышленности. В последние годы, с разработкой новых энергетических батарей, технология охлаждения с помощью тепловых трубок также стала использоваться в качестве эффективного метода охлаждения батарей. Тепловая трубка в основном состоит из испарителя, теплоизолятора и конденсатора. Среда в трубке испаряется в испарительной секции, а пар через адиабатическое отделение поступает в низкотемпературную конденсаторную секцию. На этом участке среда в трубе конденсируется, образуя рабочий цикл.
В рамках конструктивного решения охлаждения тепловых трубок исследованы геометрические размеры тепловых трубок в проектируемом модуле отвода тепла на основе тепловых трубок. Для сравнения обнаружено, что когда соотношение горизонтальной секции к вертикальной секции испарительной секции тепловой трубы равно 1, эффект рассеивания тепла является лучшим. 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. Разработанная конструкция встроенной системы рассеивания тепла из тепловой трубы и алюминиевой пластины показана на рисунке 3. При скорости разряда 2°С разница температур между отдельными элементами эффективно контролируется на уровне 3,2°С. В то же время, используя метод двухфакторного дисперсионного анализа, сравнивается, что увеличение толщины алюминиевой пластины позволяет более эффективно контролировать максимальную температуру батареи, чем увеличение количества тепловых трубок. Для аккумуляторных модулей большой мощности разработана комбинация тепловая трубка-ребристая пластина-коллектор. Путем моделирования и экспериментов методом конечных элементов установлено, что температура аккумуляторной батареи может поддерживаться в пределах 15 ℃ при скорости разряда 1 C.
Исследования технологии тепловых трубок для охлаждения аккумуляторов в настоящее время находятся в основном на стадии моделирования и испытаний и еще не соответствуют требованиям реальных транспортных средств. Технология охлаждения с помощью тепловых трубок не только имеет более высокую эффективность охлаждения, чем воздушное охлаждение и жидкостное охлаждение, но также может удовлетворить требования двойных рабочих условий при высоких и низких температурах. Хотя его стоимость в настоящее время выше, а структура более сложна, он все еще имеет хорошие перспективы развития. Будущие исследования будут сосредоточены на снижении энергопотребления системы и облегчении ее веса.
Охлаждение фазовым переходом — это пассивное охлаждение с лучшим охлаждающим эффектом. В основном он использует материал с фазовым переходом для поглощения тепла, сохраняя при этом постоянную температуру во время изменения состояния вещества, также известного как скрытое тепло фазового перехода. В настоящее время материалы с фазовым переходом можно грубо разделить на три категории: неорганические материалы, органические материалы и композитные материалы с фазовым переходом. Композиционные материалы с фазовым переходом из парафина и графита в основном используются при охлаждении литиевых батарей с фазовым переходом.
На основе многочисленных исследований парафиновых и графитовых композиционных материалов с фазовым переходом был разработан аккумуляторный модуль регулярной шестиугольной формы. Вокруг батареи он заполнен графит-парафиновым композитным материалом с фазовым переходом. Его структура показана на рисунке 4. Были проанализированы характеристики теплоотдачи материалов с фазовым переходом с различным расстоянием между батареями при одинаковой скорости разряда. Результаты показывают, что повышение температуры модулей с меньшим расстоянием между ними выше, чем у батарейных модулей с большим расстоянием между ними. Путем добавления 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 способность системы рассеивать тепло. Композитный парафин и расширенный графит превращаются в пластину из композитного материала с фазовым переходом с превосходной теплопроводностью, при этом теплопроводность увеличивается почти в 30 раз по сравнению с материалом из чистого парафина. При использовании этого метода максимальная разница температур аккумуляторной батареи при скорости разряда 5°С составляет всего 2°С. Сочетание парафина RT44HC с расширенным графитом обеспечивает теплопроводность в 20-60 раз выше, чем у материалов с чистым фазовым переходом, а температуру батареи можно хорошо контролировать в пределах соответствующей температуры.
По сравнению с другими методами охлаждения фазовое охлаждение не требует большого количества вспомогательного оборудования и отличается высокой безопасностью. Кроме того, можно лучше контролировать разницу температур между аккумуляторными блоками и избегать локального перегрева. В настоящее время исследования материалов с фазовым переходом в основном опираются на органические материалы 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 аккумулятора становится все больше и больше. Управление температурным режимом, основанное только на материалах с фазовым переходом, больше не может удовлетворить требования к 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 новых энергетических транспортных средств в альпийские регионы в будущем потребуются дополнительные исследования способности материалов с фазовым переходом сохранять низкотемпературную теплоту.
Все четыре метода охлаждения, представленные выше, представляют собой единые технологии управления температурным режимом, и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Чтобы еще больше повысить эффективность охлаждения аккумуляторов, многие исследователи терморегулирования начали выбирать сочетание нескольких методов охлаждения. Это преодолевает недостатки одного 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 управления температурным режимом: естественная конвекция, естественная конвекция в сочетании с фазовым изменением и принудительная конвекция в сочетании с фазовым изменением. Для сравнения обнаружено, что комбинированный метод терморегулирования принудительной конвекции и изменения фазы может хорошо контролировать максимальную разницу температур аккумуляторной батареи на уровне 2 °C. Чтобы улучшить способность батареи рассеивать тепло, на поверхность батареи добавлены ребра теплопроводности, состоящие из материалов с фазовым переходом и пластин жидкостного охлаждения. Этот комплексный метод охлаждения может гарантировать поддержание температуры аккумуляторной батареи в безопасном диапазоне 33–38°C. Разработана модель структуры рассеивания тепла в сочетании с материалом фазового перехода и водяной рубашкой жидкостного охлаждения. Исследуйте влияние различных каналов потока на повышение температуры батареи. Различные модели конструкции бегунка показаны на рис. 5. Путем сравнения установлено, что при скорости разряда 3 С 6-канальная структура позволяет контролировать максимальную температуру поверхности аккумулятора до 33,78 °С. Это на 7,23 ℃ ниже температуры охлаждения при однофазном переходе. Разработана серия 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 двумя другими методами.
Гибридное охлаждение сочетает в себе активное и пассивное охлаждение. По сравнению с другими методами одиночного охлаждения не только повышается эффективность охлаждения, но и расширяется сфера применения. В настоящее время основная проблема сложного охлаждения заключается в том, что структура относительно сложна, а масса и объем относительно велики. Как уменьшить его массу при обеспечении эффективности охлаждения — актуальная проблема, требующая решения. Сравнение различных эффектов терморегулирования аккумуляторов показано в таблице 1.
В условиях быстрого развития новых энергетических транспортных средств система управления температурой аккумулятора играет жизненно важную роль в обеспечении производительности и срока службы аккумулятора. Основная функция управления температурой батареи заключается в контроле температуры батареи в режиме реального времени, поддержании постоянства температуры между батареями, эффективном рассеивании тепла при слишком высокой температуре и быстром нагреве при низкой температуре. В настоящее время большинство новых энергетических транспортных средств, представленных на рынке, используют воздушное и жидкостное охлаждение для охлаждения аккумулятора. Однако охлаждение с помощью тепловых трубок и охлаждение с фазовым переходом все еще находятся на стадии экспериментальных исследований как новое пассивное охлаждение и не применяются в больших количествах в транспортных средствах на новой энергии. С увеличением емкости аккумулятора и скорости заряда-разряда одного метода управления температурой аккумулятора уже недостаточно для удовлетворения требований тепловыделение аккумулятора . Таким образом, системы управления температурным режимом, объединенные различными способами, должны стать будущей тенденцией развития.
Литий-ионные аккумуляторы развиваются в направлении высокой плотности энергии и длительного срока службы. В то же время увеличение скорости тепловыделения батареи приводит к увеличению пиковой температуры и плохой стабильности температуры. Поэтому в будущем основное внимание будет сосредоточено на исследованиях пиковой температуры отдельной батареи и контроле однородности температуры среди батарейных модулей.
