Napájecí baterie je důležitou součástí elektrického vozidla a její výkon přímo omezuje výkon, bezpečnost a hospodárnost vozidla. Hustota energie napájecí baterie určuje kilometrový výkon elektrického vozidla, hustota výkonu určuje maximální sklon a maximální rychlost, životnost a náklady ovlivňují náklady vozidla a hospodárnost používání a elektrickou/tepelnou bezpečnost a přizpůsobivost napájecí baterie k životnímu prostředí určuje elektrické vozidlo. Klíčový faktor bezpečnosti vozidla a adaptability na životní prostředí.
Lithium-iontové baterie jsou vylepšenou verzí nikl-metal hydridových baterií. Mají vysokou hustotu energie (asi 250 W h/kg) a hustotu výkonu (asi 1 500 W/kg) a mají velké výhody, pokud jde o cestovní dosah a životnost. Je těžištěm současného výzkumu a vývoje a industrializace.
Lithium-iontový bateriový systém je elektrochemický zdroj energie se složitým procesem proudění a přenosu tepla. Teplota je klíčovým faktorem ovlivňujícím její výkon, což se odráží především ve třech aspektech: (1) Zvýšení teploty zhorší pokles kapacity baterie. Způsobit tepelný únik; (2) Pokud je teplota příliš nízká, výkon a kapacita baterie se výrazně sníží a účinnost nabíjení a vybíjení se sníží; (3) Teplotní rozdíl mezi různými bateriemi v bateriové sadě povede k nesrovnalostem ve vnitřním odporu a kapacitě článků a nerovnoměrné rychlosti Stárnutí, což způsobí krátkou desku ve výkonu a životnosti celého bateriového systému.
Proto je pracovní výkon napájecí baterie do značné míry ovlivněn teplotou. Je nutné navrhnout přiměřenou strukturu systému řízení teploty a vyvinout pokročilou strategii řízení řízení teploty, aby napájecí baterie pracovala ve vhodném teplotním rozsahu a účinně řídila teplotní rozdíl mezi články. , čímž se zlepší výkon napájecí baterie.
Tento dokument nejprve představuje mechanismus tvorby tepla lithium-iontových baterií a vliv teploty na jejich výkon, vysvětluje důležitost tepelného managementu bateriových sad a požadavky na design systémů tepelného managementu; Výzkum v oblasti tepelného managementu baterií technologie tepelných trubic; nakonec jsou navrženy klíčové problémy a výzkumné perspektivy, které je třeba řešit ve výzkumu tepelného managementu baterií založeného na technologii heatpipe.
01 Charakteristiky generování tepla lithium-iontových baterií a požadavky na tepelný management
Podstatou procesu nabíjení a vybíjení lithium-iontových baterií je migrace iontů a chemická reakce. Li plus je interkalován a extrahován ve vrstvených uhlíkových materiálech a oxidech kovů, jak je znázorněno na obrázku 1. Za normálních pracovních podmínek zdroje tepla baterie zahrnují ohmické teplo, elektrochemické reakční teplo a polarizační teplo. Jak teplota stoupá, dochází uvnitř baterie k řadě exotermických chemických reakcí, včetně rozkladu elektrolytu, tepelného rozkladu záporné elektrody, reakce mezi zápornou elektrodou a elektrolytem, rozkladu filmu SEI atd. Nadměrná teplota může vést k tepelnému úniku. Reakce, které probíhají uvnitř baterie, jsou znázorněny na obrázku 2.
Obrázek 1 Schematické schéma pohybu iontů při nabíjení a vybíjení lithium-iontových baterií
Obrázek 2 Elektrochemické reakce uvnitř Li-ion baterií při různých teplotách
Teplota způsobuje změny v elektrochemickém výkonu, což ovlivňuje výkon a životnost baterie. S rostoucí teplotou se zvyšuje rychlost elektrochemické reakce, což zesiluje útlum kapacity baterie; prostředí s nízkou teplotou také způsobí útlum výkonu baterie, migrační schopnost lithných iontů v aktivním materiálu elektrody je oslabena a kapacita nabíjení a vybíjení rychle klesá.
Příliš vysoká nebo příliš nízká teplota navíc urychlí stárnutí baterie a ovlivní životnost baterie. Zejména v případě vysokorychlostního nabíjení a vybíjení je vliv teploty na životnost baterie výraznější. Studie ukázaly, že ztráta kapacity lithiových baterií Sony 18650 je 30 procent po 800 cyklech při 25 stupních a téměř 60 procent po 800 cyklech při 50 stupních. Příliš vysoká nebo příliš nízká skladovací teplota také způsobí snížení kapacity lithiové baterie a urychlí stárnutí.
Bateriové systémy vozidel se obvykle skládají ze stovek nebo tisíců bateriových článků a bateriové sady čelí závažnějším tepelným problémům. Vlivem faktorů, jako je struktura přenosu tepla, režim sériového paralelního připojení a provozní podmínky, teplota každé jednotlivé baterie v bateriové sadě vykazuje během provozu silnou nekonzistenci, což vede k nekonzistenci ve vnitřním odporu, kapacitním útlumu a hloubce vybití. baterie, což zase vede k celkové využitelné kapacitě a životnosti baterie (obrázek 3).
Obrázek 3 Vliv teplotního rozdílu na dostupnou kapacitu baterie
Konzistence teploty článku je ve skutečnosti důležitým parametrem pro určení míry využití životnosti článku, což zase ovlivňuje životnost baterie (rovnice (1)). Proto je obzvláště důležité zajistit stálou teplotu buněk.
Životnost baterie=výdrž baterie x míra využití životnosti baterie (1)
Abychom to shrnuli, je velmi důležité kontrolovat teplotu napájecí baterie a snižovat teplotní rozdíl mezi jednotlivými články, aby se zlepšil výkon baterie. V současné době se předpokládá, že optimální rozsah provozních teplot lithiových baterií je 25 ~ 40 stupňů a teplotní rozdíl mezi články je menší než 5 stupňů. Většina současných technologií tepelného managementu se zaměřuje na výše uvedený teplotní a teplotní rozdíl a navrhuje strukturu a způsob ovládání systému tepelného managementu tak, aby byla zajištěna pracovní účinnost a životnost napájecího akumulátoru.
02 Běžné metody řízení teploty
Tepelný management baterie zahrnuje vysokoteplotní odvod tepla a nízkoteplotní ohřev. Běžné metody odvádění tepla baterií zahrnují technologie odvádění tepla bateriemi založené na plynu (vzduchu), kapalině, materiálu se změnou pevné fáze (materiál s fázovou změnou, PCM) a tepelných trubicích. Nízkoteplotní způsoby ohřevu bateriového modulu zahrnují především vnější ohřev na bázi kapaliny nebo kladného teplotního koeficientu (PTC) a vnitřní ohřev na základě tepla generovaného samotnou baterií.
2.1 Technologie chlazení baterií
Aplikace vzduchu zahrnuje především nucenou konvekci a přirozené chlazení. Výzkumníci studovali charakteristiky přenosu tepla baterie prostřednictvím návrhu konstrukce potrubí chladicího vzduchu, návrhu uspořádání baterie a optimalizace strategie řízení ventilace a navrhli opatření ke zvýšení přenosu tepla a zlepšení rovnoměrnosti teploty. Vzhledem k výhodám nízké ceny, jednoduché struktuře systému a snadné údržbě se vzduchem chlazený systém používá u některých modelů s krátkým cestovním dosahem a vysokými náklady. Například Nissan LEAF používá pasivní systém řízení teploty baterie k rozptýlení tepla pro svou lithium-iontovou baterii. , Kromě toho také Toyota Prius, Kia Soul EV, SAIC Roewe MARVELX používají chlazení vzduchem. U velkokapacitních lithium-iontových baterií však chlazení vzduchem nemůže splnit požadavky na odvod tepla z důvodu velkého tepelného zatížení baterie a dlouhé relaxační doby vedení tepla. Zejména v prostředí s vysokou teplotou je účinnost přenosu tepla vzduchem chlazené technologie tepelného managementu nízká a nekonzistence je velká, což ztěžuje splnění požadavků na tepelné řízení.
Vzhledem k nízkému koeficientu přenosu tepla prouděním vzduchu se použití kapaliny místo vzduchu stalo nevyhnutelným prostředkem pro zlepšení přenosu tepla. Výzkum obvykle umisťuje kapalinové chladicí desky ve spodní části baterie nebo mezi články pro odvod tepla. V současné době se většina výzkumu v oblasti kapalinového chladicího systému zaměřuje na návrh chladicích kanálů: zvýšením počtu kanálů chladicí kapaliny, zlepšením struktury chladicích kanálů, uspořádáním žeber v kanálech a navržením spojených kombinovaných chladicích desek pro zlepšení tepla rozptyl a rovnoměrnost teploty. V posledních letech je také běžný výzkum využití nových chladiv jako chladiv pro řízení tepla, jako je použití tekutých kovů, nanokovových tekutin atd. k dosažení lepšího odvodu tepla.
V současné době mají různé automobilky různé aplikační metody pro chlazení kapalin a odvod tepla. Teslův kapalinový chladicí systém využívá směsné chladivo vody a etylenglykolu s hmotnostním poměrem 1:1 a chladící trubky jsou v bateriovém bloku 18650 uspořádány meandrově. Odvod tepla pro každý článek; bateriový modul Chevrolet Volt rovněž využívá k odvodu tepla kapalinové chlazení. Jak je znázorněno na obrázku 4, každé dva vakové články tvoří jednotku a hliníková deska s kapalinou chlazeným průtokovým kanálem je uspořádána na mezi těmito dvěma články je navržen paralelní průtokový kanál pro realizaci velkoplošného chlazení každého článku. . Kromě toho existuje metoda odvodu tepla baterie založená na principu změny kapalné fáze, to znamená, že výparník klimatizačního systému je instalován ve spodní části systému baterie a teplo generované baterií je odváděno chladivem. odpařování, známé také jako přímé chlazení. Typickými aplikacemi jsou BMW řady i3. Chlazení kapalinou a řízení tepla je poměrně běžná metoda v současných strojírenských aplikacích, ale systém je složitější, hmotnost je větší a existuje možnost úniku.
Obrázek 4 Chladicí systém voltové baterie a struktura studené desky
Dalším současným zaměřením výzkumu je tepelné řízení baterií založené na materiálech se změnou fáze pevná látka-kapalina. Principem je použití PCM fázové změny k absorpci tepla ke snížení teploty baterie. PCM může účinně zajistit rovnoměrnost teploty baterie, ale tepelná vodivost materiálu je špatná, takže současný výzkum se zaměřuje především na přípravu materiálů PCM a zlepšení jejich tepelné vodivosti. Kromě toho vysoká hmotnost PCM snižuje hustotu energie baterie. Výše uvedené důvody omezují použití materiálů s fázovou změnou v tepelném managementu napájecích baterií.
2.2 Technologie bateriového ohřevu
Výkon nabíjení a vybíjení lithium-iontových baterií je výrazně snížen v prostředí s nízkou teplotou. Proto je nutné baterie předehřát, aby se zlepšil jejich výkon. Současná technologie vytápění se dělí především do dvou kategorií: vnitřní vytápění a vnější vytápění.
Vnitřní ohřev označuje způsob ohřevu baterie prostřednictvím jejího vnitřního odporu pro generování tepla, včetně vnějšího střídavého ohřevu, vzájemného pulzního nabíjení a vybíjení ohřevu mezi bateriemi a ohřevu samovybíjením baterie. Kromě toho Wang a kol. navrhl tříelektrodovou baterii, přidáním niklových elektrod a dosažením rychlého startu ohřevu rychlé baterie pomocí přepínání elektrod.
Externí vytápění zahrnuje především způsob ohřevu vzduchu a způsob ohřevu kapaliny. První používá elektrický topný drát k ohřevu vzduchu a následnému ohřevu baterie, teplota je rovnoměrná, ale spotřeba energie je vysoká. Ten ohřívá baterii ohřevem kapaliny v průtokovém kanálu, který má složitější strukturu a pomalejší nárůst teploty. Kromě výše zmíněného způsobu ohřevu založeného na konvekci lze k přímému ohřevu povrchu baterie použít také PTC nebo nízkopříkonovou topnou fólii, což bude mít určitý vliv na odvod tepla baterie. Kromě toho existuje také metoda tepelného managementu baterie na principu tepelné absorpce/uvolňování PCM.
Obrázek 5 Schematické schéma principu činnosti tepelné trubice
Použití tepelných trubic jako prvků přenosu tepla pro vysokoteplotní odvod tepla/nízkoteplotní ohřev baterií je novou metodou tepelného managementu. Tepelná trubice je účinný teplosměnný prvek založený na principu změny fáze plyn-kapalina a její pracovní princip je znázorněn na obrázku 5. Kapalné pracovní médium se na ohřívacím konci odpařuje a odpařuje, proudí na druhý konec poháněn tlakový rozdíl a kondenzuje a uvolňuje teplo v kondenzační části. Kapalné pracovní médium se vrací do odpařovací sekce podél porézního materiálu kapilární silou, což má výhody vysoké účinnosti přenosu tepla a dobré rovnoměrnosti teploty. .
Obrázek 6 Schématické schéma porovnání výkonu systémů tepelného managementu založených na vzduchovém chlazení, kapalinovém chlazení a tepelných trubicích
Tepelné trubky byly široce používány v energetice a chemickém průmyslu, letectví, elektronice a dalších oborech. V oblasti tepelného managementu baterií mají tepelné trubice velké výhody, pokud jde o rozptyl tepla/rychlost ohřevu a rovnoměrnost teploty baterie (obrázek 6). Z hlediska vysokoteplotního odvodu tepla ve srovnání s nuceným chlazením vzduchem může způsob vedení tepla tepelnými trubicemi a následně vzduchem chlazená výměna tepla snížit teplotu baterie o více než 20 stupňů (čtvercová baterie 20 Ah, vybíjení 5C); pokud jde o nízkoteplotní ohřev, baterie založené na vedení tepla tepelnými trubicemi Rychlost ohřevu je 1,5krát vyšší než u přímého ohřevu PTC. Zejména za podmínek nabíjení a vybíjení vysokým proudem vykazuje tepelná trubice lepší přenos tepla a rovnoměrnost teploty. Aplikace tepelných trubic pomáhá realizovat výzkum a vývoj budoucích vysoce výkonných bateriových sad a v posledních letech se jí dostalo velké pozornosti.
03 Výzkum tepelného managementu baterií založený na technologii heatpipe
OBR. 7 je schematický diagram typického systému tepelného managementu baterie využívající tepelné trubice jako součásti přenosu tepla. Teplo generované během procesu nabíjení a vybíjení každého článku se přímo (nebo prostřednictvím teplovodivého média, jako je hliníková deska) přenáší do tepelné trubice umístěné na boku nebo na dně článku a poté je teplo odváděno systémem odvodu tepla na studeném konci tepelné trubice. Z obrázku je vidět, že mezi hlavní faktory ovlivňující výkon systému přenosu tepla patří tři aspekty: (1) Provozní podmínky a produkce tepla napájecí baterie, to znamená vliv pracovních podmínek zdroje tepla. o výkonu systému tepelného managementu; (2) Charakteristiky přenosu tepla tepelné trubice, zejména Zahrnuje vliv návrhu vnitřní struktury tepelné trubice a jejího uspořádání v sadě napájecích baterií na výkon systému při odvádění tepla; (3) Odvod tepla na studeném konci tepelné trubice zahrnuje především dvě formy přímého vzduchového chlazení a vodního chlazení pro sekundární výměnu tepla. Při nízkých teplotách je navíc potřeba tepelnou trubici lokálně zahřát PTC nebo elektrickou topnou fólií a poté přenést do baterie ve formě vedení tepla. Tato část výzkumu zahrnuje návrh topného systému a výzkum strategie vytápění.
Obrázek 7 Schematické schéma systému řízení teploty baterie založeného na tepelné trubici
3.1 Výzkum provozních podmínek baterií a jejich vlivu na přenos tepla systému
Provozní stav systému určuje charakteristiky generování tepla baterie a je klíčovým faktorem ovlivňujícím přenos tepla systému. Než teplota baterie stoupne na spouštěcí teplotu tepelné trubice, tepelná trubice předá teplo ve formě vedení tepla pláštěm. Když teplota stoupne na spouštěcí teplotu, začne pracovní médium v trubici absorbovat teplo pomocí latentního tepla fázové změny, čímž se zvýší jeho tepelná vodivost a postupně se teplota baterie postupně zvyšuje. stabilnější.
Studie ukázaly, že doba potřebná k tomu, aby baterie dosáhla stabilní teploty od počátečního vybíjení při vybíjení konstantní rychlostí, je asi 400-2000 s, což souvisí s faktory, jako je rychlost vybíjení baterie a podmínky rozptylu tepla studený konec tepelné trubice. Rychlost produkce tepla baterie se zvyšuje nelineárně s rychlostí vybíjení. Rychlost produkce tepla 10 Ah čtvercové baterie při 3, 5 a 8C je přibližně 10,5, 25,4 a 54,4 W, v tomto pořadí. Změna podmínek zdroje tepla vede k různým tepelným odporům tepelných trubic a dosahuje stability. Rozdílné je i rozložení teplot. Kromě toho, čím větší je množství přenosu tepla na studeném konci, tím kratší je doba potřebná pro stabilizaci tepelné trubice a tím nižší je stabilní teplota.
Provozní prostředí elektrických vozidel je složité a proměnlivé a kdykoli se potýkají s akcelerací, sesuvy půdy, náhlým brzděním a dalšími situacemi. Tepelné charakteristiky napájecích baterií jsou zcela odlišné od těch v ustálených podmínkách. Obrázek 8 ukazuje rozdíl v teplotě baterie a zákon změny teplotního rozdílu za stabilních a nestabilních provozních podmínek. Tran a kol. použil časově proměnný topný výkon k simulaci jízdních podmínek vozidel, porovnal kolísání teploty topného modulu za dvou podmínek chlazení vzduchem žeber a chlazení vzduchem žeber na základě tepelných trubic a ukázal, že teplota baterie pomocí žebra sdruženého s tepelnou trubicí chlazení vzduchem Během procesu změny však trend změny teploty a tepelného toku není konzistentní. Vlivem tepelné setrvačnosti rychlost produkce tepla náhle klesá, zatímco teplota stále roste a pak klesá.
Obrázek 8. Schéma změny teploty baterie za podmínek vozidla. a) Stabilní stav; (b) Nestabilní stav
Výše uvedený výzkum diskutoval o dopadu nestabilních pracovních podmínek na baterii a spolehlivost tepelné trubice z úrovně monomeru. Charakteristiky dynamického přenosu tepla skupiny baterií jsou zcela odlišné od charakteristik jediné baterie, zejména struktura tepelného managementu má zjevnější vliv na teplotní rozdíl ve skupině baterií.
Nárůst teploty a rozložení teploty baterie úzce souvisí s procesem dynamického přenosu tepla v systému řízení teploty. Současný výzkum je stále ve fázi ověřování efektu přenosu tepla. Jak zkombinovat provozní podmínky bateriové sady k vytvoření účinné strategie řízení v reálném čase pro systém řízení teploty pro dosažení vysoké účinnosti. , Tepelný management nízkoenergetické baterie je problém, který je třeba dále řešit.
3.2 Analýza charakteristik přestupu tepla a konstrukční výzkum tepelných trubek
3.2.1 Návrh a optimalizace tepelné trubice na bázi napájecí baterie
Konstrukce tepelného potrubí je důležitým faktorem ovlivňujícím výkon přenosu tepla. Jeho účinek přenosu tepla úzce souvisí s faktory, jako je velikost kanálu, struktura jádra absorbující kapalinu a rychlost plnění kapalinou. Rozumná konstrukce tepelné trubice je velmi důležitá pro zlepšení účinnosti tepelného managementu baterie. Vzhledem ke specifičnosti výroby tepla z napájecích baterií provedlo mnoho vědců výzkum návrhu tepelných trubic pro baterie. Jang a kol. studovali vliv různých pracovních tekutin na přenos tepla gravitačních tepelných trubic smyčkového typu. Když je výhřevnost baterie 50 W, použití acetonu jako pracovní tekutiny může řídit průměrnou teplotu baterie pod 45 stupňů, což je lepší než použití vody jako pracovní tekutiny. Kvalitní chladicí efekt. Putra a kol. zjistili, že účinek rozptylu tepla pracovní tekutiny úzce souvisí s rychlostí vytváření tepla baterie. Podle tepla generovaného různými zdroji tepla lze pro maximalizaci účinnosti tepelné trubice použít různé pracovní tekutiny. Když je rychlost produkce tepla baterie větší než 1,61 W/cm2, používá se etanol jako pracovní tekutina s nejvyšší účinností přenosu tepla. Chi et al studovali vliv rychlosti plnění kapalinou na přenos tepla pulzující tepelné trubice a zjistili, že optimální rychlost plnění kapalinou tepelné trubice se zvyšuje se zvyšováním rychlosti produkce tepla baterie. Proto je nutné zvolit vhodný typ pracovní kapaliny a rychlost plnění kapaliny podle podmínek zdroje tepla pro dosažení nejlepšího efektu přenosu tepla.
Většina současných výzkumů studuje a optimalizuje charakteristiky přenosu tepla tepelných trubic používaných v napájecích bateriích z úrovně pracovní kapaliny (typ pracovní kapaliny, rychlost plnění kapaliny) a existuje také několik literatur, které zlepšují výkon tepelných trubic. z pohledu struktury. Swanepoel navrhl systém tepelného managementu baterií založený na pulzujících tepelných trubicích, analyzoval vliv média a šířky potrubí na výkon tepelného přenosu tepla u tepelných trubic a zjistil, že když je pracovní tekutinou v tepelné trubici čpavková voda, šířka tepelného potrubí potrubí musí být menší než 2,5 mm, aby byl zajištěn jeho výkon při tepelném managementu baterie. Účinnost spouštění a odvodu tepla v.
Ve stávajícím výzkumu tepelného managementu napájecích baterií se používají různé typy tepelných trubic, jako jsou gravitační tepelné trubice, slinuté tepelné trubice, pulzující tepelné trubice, ploché smyčkové tepelné trubice, ploché mikrotepelné trubice atd., a neexistuje jednotná metoda výběru nebo návrhu. Ze strukturálního hlediska vykazují ploché tepelné trubice převahu v systémech tepelného managementu napájecích baterií a očekává se, že se stanou první volbou pro tepelné řízení napájecích baterií. V současnosti však existuje jen málo výzkumů týkajících se návrhu plochých tepelných trubic.
3.2.2 Návrh schématu rozložení tepelného potrubí
Uspořádání systému tepelného managementu baterie je dalším klíčovým faktorem ovlivňujícím tepelnou vodivost tepelné trubice. Tran a kol. porovnávali tepelnou vodivost tepelných trubic při vodorovném a svislém umístění. Při použití 38W zdroje tepla pro simulaci tvorby tepla baterie dosáhne teplota na odpařovacím konci tepelné trubice 61 stupňů, když je uspořádána horizontálně, a pouze 51 stupňů, když je uspořádána vertikálně. Rao Zhonghao také získal podobné pravidlo pomocí pulsujících tepelných trubic k provádění experimentů. Sestavil experimentální testovací platformu pro řízení teploty baterie, jak je znázorněno na obrázku 9. Experiment ukazuje, že při stejném výkonu generujícím teplo je nárůst teploty povrchu baterie malý, když je baterie umístěna svisle, a místní teplotní rozdíl je menší, než když umístěn vodorovně.
Obrázek 9 Schematické schéma chladicího systému baterie s pulzujícími tepelnými trubicemi
Úhel náklonu zařízení navíc ovlivňuje i přenos tepla. Když je tepelná trubice instalována vodorovně, je teplotní rozdíl na povrchu baterie značně ovlivněn úhlem sklonu; když je tepelná trubka instalována svisle, dvojí účinky gravitace a kapilární síly snižují odpor tepelné trubky při přenosu tepla a sklon silnice má malý vliv na místní teplotní rozdíl.
Všechny výše uvedené studie ukazují, že efekt rozptylu tepla a rovnoměrnosti teploty u vertikálního uspořádání tepelné trubice je lepší než u horizontálního uspořádání. Wang a kol. studovali vliv směru umístění baterie na efekt přenosu tepla tepelných trubic při vertikálním uspořádání tepelných trubic a ukázali, že pracovní tekutina v trubici může rychle přenášet teplo z vysokoteplotního konce (elektrody) na kondenzační konec, a elektroda směřující nahoru při stejném výkonu produkce tepla Metoda může zpozdit dobu nárůstu teploty.
Aby byl zajištěn přenos tepla tepelné trubice, měl by konstrukční návrh systému tepelného managementu baterie plně zohlednit vliv uspořádání tepelné trubice na její tepelnou vodivost.
3.3 Návrh struktury odvodu tepla a analýza přenosu tepla systému tepelného hospodářství
Jako součást přenosu tepla pro tepelné řízení baterie potřebuje tepelná trubice rychle odvádět teplo a zároveň absorbovat teplo generované baterií, aby byl zajištěn její normální provoz v bateriové sadě. Studený konec tepelné trubice může obvykle používat dva způsoby chlazení: chlazení vzduchem a chlazení vodou. První má jednoduchou strukturu a snadno se implementuje, zatímco druhý má poměrně složitou strukturu, ale vykazuje lepší výkon, když je požadavek na odvod tepla velký.
3.3.1 Vzduchem chlazený odvod tepla na studeném konci
Přímé chlazení vzduchem je nejjednodušší způsob odvodu tepla pro kondenzační část tepelné trubice. Ye a kol. používá nucené chlazení vzduchem na studeném konci tepelné trubice, aby se baterie (LiFePO4, 18 Ah) udržela pod 35 stupni za podmínek vybíjení 1C. Pokud by byl studený konec přirozeně chlazen, teplota na konci výboje by byla vyšší než 40 stupňů. Aby se posílila schopnost tepelné trubice odvádět teplo, byly použity metody, jako je zvýšení počtu žeber na studeném konci, zlepšení konstrukce žeber na studeném konci, zvýšení průtokové rychlosti chlazení vzduchu a prodloužení délky žeber. lze použít kondenzační sekci.
Počet tepelných trubic, počet žeber a vzdálenost mezi žebry mají také důležitý vliv na účinek rozptylu tepla. Uspořádání více tepelných trubic na povrchu baterie může zlepšit odvod tepla, ale protože průměrný koeficient přenosu tepla studeného konce ve směru proudění vzduchu je stále nižší a nižší, zvyšuje se nerovnoměrnost povrchové teploty baterie. Teplotní rovnoměrnost povrchu baterie může být zlepšena umístěním spoilerové trubky před první heatpipe (obr. 10(d)).
Obr.10 Návrhové schéma kondenzační části heatpipe. (a) Kondenzační konec je holá trubka; (b) Rozteč lamel je 10 mm; (c) Rozteč lamel je 3 mm; (d) Chladicí konec má virtuální tepelnou trubici
Mnoho výzkumníků používá tepelné trubice a materiály s fázovou změnou ke spojení odvodu tepla pro zlepšení rovnoměrnosti povrchové teploty baterie, připojení PCM k povrchu baterie, tepelné trubice jsou zabudovány do PCM, aby odváděly teplo, a studené konce využívají chlazení vzduchem k rozptýlení tepla. Obrázek 11 je typická tepelná trubice - PCM je spojen se vzduchem chlazeným systémem odvodu tepla. Tato struktura může zajistit, že maximální teplotní rozdíl baterie je nižší než 2 stupně po vybití 2C a rychlost chladicího větru ovlivní maximální nárůst teploty baterie.
Obrázek 11 Systém tepelného managementu sdružený s tepelnou trubicí prizmatické baterie a PCM
Zvětšení délky kondenzační části je dalším účinným způsobem, jak zlepšit kapacitu tepelné trubice odvádět teplo. Zvětšení délky kondenzační části však povede ke zvýšení teplotního rozdílu baterie. Pro délku kondenzační sekce existuje optimální hodnota.
3.3.2 Chlazení kapalinou na studeném konci
Vzhledem k nízké měrné tepelné kapacitě vzduchu může použití tepelných trubic a kapalinového chlazení spojeného s odváděním tepla nahradit nedostatek vzduchového chlazení. Podle kontaktního režimu mezi studeným koncem tepelné trubice a kanálem průtoku kapaliny je možné jej rozdělit na kontaktní přenos tepla chlazení kapalinou a bezkontaktní přenos tepla chlazení kapalinou. Kontaktní kapalinový chladicí systém je znázorněn na obrázku 12. Studený konec tepelné trubice je ponořen do vodní nádrže a do vnitřku je zavedena určitá průtoková rychlost kapaliny. Po půl hodině nepřetržitého vybíjení při 2 °C nepřekročí teplota baterie 42 stupňů, což ukazuje efekt rozptylu tepla tepelnou trubicí a spojkou chlazení kapalinou.
Obr.12 Schéma kontaktního systému výměny tepla s kapalinovým chlazením na studeném konci tepelné trubice
Zhao a kol. používá rozstřikování vody na studeném konci pro zlepšení účinnosti rozptylu tepla baterie. Mezi každé dvě baterie byla umístěna plochá mikrotepelná trubice a na povrch byla v určité frekvenci rozstřikována voda. Nárůst teploty baterie byl pouze 4 stupně za podmínek nepřetržitého vybíjení 2C. , Teplotní rozdíl za podmínek vybíjení 3C je menší než 2,5 stupně.
Bezkontaktní kapalinový chladicí systém obvykle umisťuje tepelné trubice na povrch baterie a teplo je odváděno kontaktem průtokového kanálu kapalinového chlazení se studeným koncem tepelné trubice. Studený konec tepelné trubice není přímo ponořen do chladicí kapaliny, takže bezpečnost je vyšší. Audi navrhlo řešení tepelného managementu baterie, jak je znázorněno na obrázku 13. Mezi každé dvě baterie je uspořádána měděná deska a do měděné desky jsou zapuštěny čtyři slinuté tepelné trubice. Nakonec je teplo přenášeno kapalinovou chladicí deskou připojenou ke studenému konci tepelné trubice. odnést. Za podmínek generování tepla z baterie 400 W může systém udržovat teplotu baterie pod 50 stupňů, což má dobrý chladicí účinek.
Obrázek 13 Schéma návrhu odvodu tepla tepelné trubice napájecí baterie
Většina současných výzkumů používá jako hodnotící index nárůst teploty a teplotní rozdíl baterie. Zlepšený přenos tepla však přinese větší spotřebu energie a zvýšení hmotnosti systému a na úrovni systému existuje jen málo návrhů. Jak vzít v úvahu charakteristiky vybíjení baterie, efekt rozptylu tepla, spotřebu energie systému a nízkou hmotnost a další ukazatele a navrhnout účinné schéma odvodu tepla pro systém tepelného managementu je cílem budoucího výzkumu lepšího rozptylu tepla baterie.
3.4 Výzkum bateriového vytápění pomocí tepelných trubic
Jak bylo uvedeno výše, účinnost nabíjení a vybíjení lithium-iontových baterií je v prostředí s nízkou teplotou výrazně snížena. V současné době přitahuje širokou pozornost výzkum nízkoteplotního vytápění pomocí tepelných trubic jako komponent přenosu tepla.
Ye a kol. uspořádali mikrodeskové tepelné trubice na povrchu baterie a druhý konec zahřáli topným článkem (obrázek 14). Doba zahřátí baterie z -10, -20, -30 stupňů do 0 stupňů byla 350, 780 a 1100 s. , Rychlost nárůstu teploty je 1,5krát vyšší než u tradiční metody spodního ohřevu. Během procesu ohřevu lze teplotní rozdíl regulovat pod 3 stupně, mnohem nižší než u tradičního způsobu ohřevu (9 stupňů). Liang Jianan a kol. zjistili, že zvýšení výkonu ohřevu může zvýšit rychlost ohřevu baterie, ale zároveň zvýšit teplotní rozdíl na povrchu baterie. Proto je nutné pro stanovení optimální strategie vytápění komplexně zvážit dobu ohřevu a rozdíl teplot baterie.
Obrázek 14 Schéma topné struktury lithium-iontových baterií na bázi tepelných trubic
Zou a kol. navrhl integrovaný systém tepelného managementu s tepelnou trubicí a kapalinou, jak je znázorněno na obrázku 15, který může realizovat jak nízkoteplotní ohřev, tak vysokoteplotní chlazení baterie. Chladivo v potrubí je ohříváno PTC a poté předává teplo do baterie přes tepelnou trubici. V počáteční fázi ohřevu teplota baterie rychle stoupá. Jak se teplotní rozdíl mezi studeným a horkým koncem tepelné trubice postupně snižuje, kapacita přenosu tepla slábne a konečná hodnota přenosu tepla se blíží konstantní hodnotě. Po asi 900 s se teplota baterie zvýší na 20 stupňů.
Obrázek 15 Schéma topného systému s tepelnými trubicemi
Současný bateriový topný systém založený na tepelných trubicích obvykle používá tradiční tepelné trubice nebo mikrokanálové tepelné trubice k uspořádání na povrchu baterie a druhý konec využívá ohřev teplé vody nebo PTC ohřev. Většina výzkumu je ve fázi experimentálního ověřování. Dosavadní výsledky výzkumu plně prokazují vysokou účinnost ohřevu tepelnými trubicemi. a stejnoměrnosti teploty, další výzkum by se měl zaměřit na strategie nízkoteplotního ohřevu.
04 Shrnutí a výhled
Teplota je klíčovým faktorem ovlivňujícím výkon napájecích baterií a účinný systém řízení teploty má pro elektromobily velký význam. Tepelné trubky mají silné schopnosti přenosu tepla a rovnoměrnosti teploty a jsou důležitým směrem výzkumu pro budoucí systémy tepelného managementu baterií. Významného pokroku bylo dosaženo v používání tepelných trubic jako chladicích/topných článků baterií. Se zlepšováním požadavků elektrických vozidel na systémy tepelného managementu však stále existuje několik problémů, které je třeba vyřešit při použití tepelných trubic:
(1) Teplota napájecí baterie úzce souvisí s podmínkami dynamické produkce tepla. Další výzkum by měl být kombinován se skutečnými podmínkami vozidla, aby se vytvořila účinná strategie řízení v reálném čase pro dosažení účinného a nízkoenergetického tepelného managementu baterie.
(2) Z hlediska přenosu tepla tepelných trubic, protože existuje mnoho faktorů, které ovlivňují přenos tepla tepelných trubic, je nutné komplexně zvážit návrh vnitřní konstrukce tepelných trubic a jejich uspořádání v bateriovém bloku pro optimalizaci jejich Výkon přenosu tepla při použití, zejména u typu ploché desky Analýza charakteristik přenosu tepla a výzkum optimálního návrhu tepelného potrubí je jedním z klíčových bodů budoucího výzkumu.
(3) Pokud jde o odvod tepla tepelnými trubicemi, většina současných návrhů systémů se zaměřuje na snížení nárůstu teploty a teplotního rozdílu baterie a méně se bere v úvahu spotřeba energie a hmotnost systému. Další výzkum vylepšeného odvodu tepla pomocí tepelných trubic by se měl zaměřit na optimalizaci systému s více cíli, komplexní tepelné a elektrické charakteristiky systému, spotřebu energie a nízkou hmotnost systému a další ukazatele a navrhnout řešení odvodu tepla systému řízení teploty.
(4) Z hlediska výzkumu vytápění pomocí tepelných trubic je většina současného výzkumu ve fázi testování a ověřování efektu. Další výzkum charakteristik přenosu tepla tepelnými trubicemi v různých prostředích, zejména výzkum strategií vytápění v prostředí s nízkou teplotou, je jedním z klíčových bodů budoucího výzkumu. jeden.
S rozvojem elektrických vozidel a neustálým pokrokem v technologii napájecích baterií a technologií tepelných trubic budou tepelné trubice více používány v tepelném managementu baterií.
Poznámka: Autorská práva k reprodukovanému článku patří původnímu autorovi. Pokud došlo k nějakému porušení, kontaktujte nás a smažte jej.