Hvad er termisk styringssystem?

Hvad er termisk styringssystem?

Termisk batteristyring, baseret på temperaturens indvirkning på batteriets ydeevne, kombineret med batteriets elektrokemiske egenskaber og varmegenereringsmekanismer, og baseret på det optimale opladnings-/afladningstemperaturområde for et specifikt batteri, er en teknologi, der adresserer varmeafledning eller termisk løbegang forårsaget af for høje eller lave temperaturer under batteridrift. Dette opnås gennem rationelt design og er baseret på materialevidenskab, elektrokemi, varmeoverførsel, molekylær dynamik og andre discipliner. At opretholde et rimeligt driftstemperaturområde er afgørende for, at batteripakken kan opretholde en god ydeevne. Derfor er design af et rimeligt termisk styringssystem for lithium-ion-batteripakker af stor betydning for at forbedre batterisystemets overordnede ydeevne.

Batteripakkens termiske styringssystem har følgende fem hovedfunktioner: ① nøjagtig måling og overvågning af batteritemperatur; ② effektiv varmeafledning og ventilation, når batteripakkens temperatur er for høj; ③ hurtig opvarmning under lave-temperaturforhold; ④ effektiv ventilation, når der dannes skadelige gasser; og ⑤ sikre en ensartet temperaturfordeling i batteripakken.

Et højtydende- batteripakke termisk administrationssystem kræver en systematisk designtilgang. I øjeblikket findes der mange designmetoder til termiske styringssystemer. Det mest almindeligt anvendte er et batteripakke termisk styringssystem designet af National Renewable Energy Laboratory (NREL) i USA, hvis designproces omfatter syv trin:

1) Bestem selv-kaliberen og kravene til det termiske styringssystem. Baseret på batteriets temperaturkarakteristika og passende driftstemperaturområde bestemmer du kontrolselv-kaliberen for det termiske styringssystem. For eksempel er den passende driftstemperatur for lithium-ion-batterier 10~40 grader, med en lav-temperaturgrænse på 0 grader og en høj-temperaturgrænse på 45 grader. Derfor bør designet af det termiske styringssystem, samtidig med at det opfylder batteriets ekstreme driftstemperaturer, tilstræbe at opfylde batteriets passende driftstemperaturkrav.

2) Mål eller estimer modulvarmeproduktion og varmekapacitet. Gennem batteriladnings-afladningstests og simuleringsberegninger baseret på batteriets specifikke varmekapacitet kan du bestemme varmeafledningen eller varmeeffekten.

3) Indledende evaluering af det termiske styringssystem, herunder valg af varmeoverførselsmediet og design af varmeafledningsstrukturen. Generelt opnås batterikøling gennem luftkøling eller væskekøling. Luftkølesystemer er relativt enkle i strukturen, men ineffektive; væskekølesystemer er komplekse i struktur, men yderst effektive. Der findes også forskellige former for opvarmningsmetoder, såsom cirkulerende varmluftsopvarmning, væskestrømsopvarmning og direkte termisk strålingsopvarmning fra varmekilden.

4) Forudsige den termiske opførsel af modulet og batteripakken. Baseret på batteripakkens driftsforhold forudsige og vurdere varmeafledning og varmebehov under påføring.

5) Foreløbig design af varmestyringssystemet. Udfør princippet og det tekniske design af det termiske styringssystem baseret på det bestemte varmemedium og resultaterne af vurderingen af den termiske adfærd.

6) Design og test det termiske styringssystem. Fremstil nedskalerede- eller fuld- batterisystemer og det termiske batteristyringssystem, og bekræft effektiviteten af det termiske styringssystem under simulerede faktiske driftsforhold på en testbænk.

7) Optimer det termiske styringssystem. Forbedre og optimere det termiske styringssystem baseret på de eksperimentelle resultater.

Batterier er ikke gode varmeledere. At kende kun overfladetemperaturfordelingen er utilstrækkelig til fuldt ud at forstå batteriets interne termiske tilstand. Beregning af det interne temperaturfelt ved hjælp af matematiske modeller og forudsigelse af batteriets termiske adfærd er et uundværligt trin i design af batteri termiske styringssystemer. I øjeblikket omfatter de almindelige matematiske modeller to-dimensionelle og tre-dimensionelle modeller. Blandt disse er den tre-dimensionelle model, på grund af dens fremragende nøjagtighed og tilpasningsevne, blevet meget brugt i adskillige termiske batteristyringssystemer. Modellen er som følger:

Battery Thermal Field Calculation and Temperature Prediction

Hvor T er temperaturen;

ρ er den gennemsnitlige tæthed;

c_p er batteriets specifikke varmekapacitet;

λ_x, λ_y, λ_z er batteriets varmeledningsevne i henholdsvis x-, y- og z-retningerne;

q er varmeudviklingshastigheden pr. volumenhed.

Temperaturforskelle mellem forskellige batterimoduler i batteriboksen forværrer uoverensstemmelser i batteriets interne modstand og kapacitet. Over tid kan dette føre til overopladning eller over{1}}afladning af nogle batterier, hvilket påvirker deres levetid og ydeevne og skaber sikkerhedsrisici. Temperaturforskellene mellem batterimodulerne i batteriboksen er tæt forbundet med batteripakkens arrangement. Generelt har batterier i midten en tendens til at akkumulere varme, mens dem ved kanterne har bedre varmeafledning. Derfor er det afgørende at sikre ensartet varmeafledning, når batteripakkens struktur og varmeafledning designes. Tager man luftkøling som eksempel, er der generelt to ventilationsmetoder: serie og parallel, for at sikre ensartet varmeafledning. Luftstrømsdesign skal overholde de grundlæggende principper for væskemekanik og aerodynamik.

Når man designer et batteri termisk styringssystem, skal ventilatorens type og effekt, antallet af temperatursensorer og placeringen af målepunkterne omhyggeligt vælges.

Tager man luftkøling som et eksempel, bør flowmodstanden minimeres, når man designer kølesystemet, mens man sikrer en vis køleeffekt, for at reducere blæserstøj og strømforbrug og derved forbedre den samlede systemeffektivitet. Ventilatorens strømforbrug kan estimeres ved at estimere trykfald og flowhastighed ved hjælp af eksperimentelle, teoretiske beregninger og fluiddynamik (CFD) metoder. Når strømningsmodstanden er lav, kan aksialstrømsventilatorer overvejes; når strømningsmodstanden er høj, er centrifugalventilatorer mere velegnede. Selvfølgelig skal den plads, der optages af ventilatoren og dens omkostninger, også tages i betragtning. At finde den optimale ventilatorstyringsstrategi er også en af funktionerne i et termisk styringssystem.

Schematic diagram of temperature measurement points in the battery box

Temperaturfordelingen af batteripakken i batteriboksen er generelt ujævn, derfor er det nødvendigt at kende batteripakkens termiske feltfordeling under forskellige forhold for at bestemme de kritiske temperaturpunkter. Flere temperatursensorer giver mere omfattende temperaturmåling, men øger systemets omkostninger og kompleksitet. Afhængigt af den specifikke tekniske kontekst, teoretisk kan finite element-analyse, infrarød termisk billeddannelse i eksperimenter eller real-tidsmulti-punktstemperaturovervågning bruges til at analysere og måle den termiske feltfordeling af batteripakken, batterimodulerne og individuelle celler, bestemme antallet af temperaturmålepunkter og finde egnede punkter i forskellige områder. Et generelt design skal sikre, at temperatursensorerne ikke udsættes for kølende luftstrøm for at forbedre nøjagtigheden og stabiliteten af temperaturmålinger. Ved design af batteriet skal der reserveres plads til temperatursensorer; for eksempel kan passende åbninger udformes på passende steder. Batteripakken i Toyotas Prius hybrid-elbil har 228 individuelle celler, og temperaturovervågning udføres af 5 temperatursensorer. Det elektriske busstrømbatterisystem designet af Beijing Institute of Technology bruger 6 temperaturmålepunkter pr. boks (se det indkredsede område i figur 8-16a), arrangeret ved de positive og negative terminaler og strømforsyningsudgangspunkterne på batteriboksen, som vist i figur 8-16.

Baseret på varmeoverførselsmediet kan afkølingen af batteripakkens termiske styringssystemer opdeles i tre typer: luftkøling, væskekøling og faseskiftende materialekøling. I betragtning af materialeforskning og -udvikling og fremstillingsomkostninger bruger det mest effektive og almindeligt anvendte varmeafledningssystem i øjeblikket luft som varmeafledningsmedium.

Baseret på varmeafledningsluftstrømmens struktur kan luftkølesystemer yderligere opdeles i to typer: serieventilation og parallel ventilation, som vist i henholdsvis figur 8-17 og 8-18.

I en seriekonfiguration strømmer luft typisk fra den ene side af batteripakken til den anden for at fjerne varme. Denne luftstrøm transporterer imidlertid varme fra områder, den passerer tidligere, til områder, den passerer senere, hvilket resulterer i inkonsistente temperaturer og betydelige temperaturforskelle. I en parallel konfiguration stiger luftstrømmen mellem modulerne lodret, hvilket fordeler luften mere jævnt og sikrer ensartet varmeafledning gennem hele batteripakken.

Termiske styringssystemer kan kategoriseres i passive og aktive systemer baseret på, om de har interne varme- eller køleanordninger. Passive systemer er billigere og kræver enklere infrastruktur; aktive systemer er mere komplekse og kræver større ekstra kraft, men tilbyder bedre ydeevne.

Figur 8-19, 8-20 og 8-21 viser skematiske diagrammer af henholdsvis aktiv og passiv luftopvarmning og varmeafledningsstrukturer.

Thermal Management System Design and Implementation

I figur 8-19 og 8-20, selvom luften er blevet afkølet og opvarmet af bilens aircondition- eller varmesystem, betragtes det stadig som et passivt system. Med dette passive system, på grund af inkonsistensen i temperaturen af den indførte omgivende luft, skal den omgivende luft fungere inden for et bestemt temperaturområde (10~35 grader) for korrekt termisk styring. Drift under ekstremt kolde eller varme forhold kan resultere i større ujævnheder i batteripakken.

I varmesystemer kan der udover at indføre varm luft i batteripakken anvendes andre metoder, som vist i figur 8-22~8-25 (for prismatiske batterier).

Other heating methods