Strømbatteriet er en vigtig del af det elektriske køretøj, og dets ydeevne begrænser direkte køretøjets kraft, sikkerhed og økonomi. Strømbatteriets energitæthed bestemmer det elektriske køretøjs kilometertal, effekttætheden bestemmer den maksimale gradient og den maksimale hastighed, cykluslevetiden og omkostningerne påvirker køretøjets omkostninger og økonomien ved brug, og den elektriske/termiske sikkerhed og strømbatteriets miljøtilpasningsevne bestemmer det elektriske køretøj. Nøglefaktoren for køretøjssikkerhed og miljøtilpasning.
Lithium-ion-batterier er en opgraderet version af nikkel-metalhydrid-batterier. De har høj energitæthed (ca. 250 W h/kg) og effekttæthed (ca. 1500 W/kg), og har store fordele i forhold til sejlrækkevidde og levetid. Det er i fokus for den nuværende forskning og udvikling og industrialisering.
Lithium-ion batterisystem er en elektrokemisk strømkilde med kompleks flow og varmeoverførselsproces. Temperaturen er nøglefaktoren, der påvirker dens ydeevne, hvilket hovedsageligt afspejles i tre aspekter: (1) Temperaturstigningen vil forværre nedgangen i batterikapaciteten. Forårsage termisk løbsk; (2) Hvis temperaturen er for lav, vil batteriets effekt og kapacitet falde betydeligt, og opladnings- og afladningseffektiviteten vil falde; (3) Temperaturforskellen mellem forskellige batterier i batteripakken vil føre til uoverensstemmelser i cellernes indre modstand og kapacitet og ujævn hastighed Aldring, hvilket danner et kort kort i ydelsen og levetiden af hele batterisystemet.
Derfor er strømbatteriets arbejdsydelse i høj grad påvirket af temperaturen. Det er nødvendigt at designe en rimelig termisk styringssystemstruktur og udvikle en avanceret termisk styringskontrolstrategi for at få strømbatteriet til at fungere inden for et passende temperaturområde og effektivt kontrollere temperaturforskellen mellem celler. , og derved forbedre ydeevnen af strømbatteriet.
Dette papir introducerer først varmegenereringsmekanismen for lithium-ion-batterier og temperaturens indflydelse på deres ydeevne, forklarer vigtigheden af termisk styring af batteripakker og designkravene til termiske styringssystemer; Forskning i termisk batteristyring af varmerørsteknologi; endelig foreslås nøglespørgsmål og forskningsperspektiver, der skal løses i forskningen i batteritermisk styring baseret på varmerørsteknologi.
01 Lithium-ion-batteriets varmegenereringsegenskaber og krav til termisk styring
Essensen af opladning og afladning af lithium-ion-batterier er ionmigrering og kemisk reaktion. Li plus er interkaleret og ekstraheret i lagdelte kulstofmaterialer og metaloxider, som vist i figur 1. Under normale arbejdsforhold omfatter batterivarmekilderne ohmsk varme, elektrokemisk reaktionsvarme og polarisationsvarme. Når temperaturen stiger, opstår der en række eksoterme kemiske reaktioner inde i batteriet, herunder elektrolytnedbrydning, negativ elektrode termisk nedbrydning, reaktion mellem negativ elektrode og elektrolyt, SEI-filmnedbrydningsreaktion osv. For høj temperatur kan føre til termisk løb. De reaktioner, der finder sted inde i batteriet, er vist i figur 2.
Figur 1 Skematisk diagram af ionbevægelse under opladning og afladning af lithium-ion-batterier
Figur 2 Elektrokemiske reaktioner inde i Li-ion-batterier ved forskellige temperaturer
Temperaturen forårsager ændringer i den elektrokemiske ydeevne, hvilket påvirker batteriets ydeevne og levetid. Når temperaturen stiger, stiger den elektrokemiske reaktionshastighed, hvilket intensiverer batterikapacitetsdæmpningen; lavtemperaturmiljøet vil også forårsage dæmpning af batteriets ydeevne, lithiumioners migrationsevne i det aktive elektrodemateriale svækkes, og opladnings- og afladningskapaciteten falder hurtigt.
Derudover vil for høj eller for lav temperatur fremskynde batteriets aldring og påvirke batteriets levetid. Især i tilfælde af højhastighedsopladning og -afladning er temperaturens indflydelse på batteriets levetid mere betydelig. Undersøgelser har vist, at kapacitetstabet for Sony 18650 lithium-batterier er 30 procent efter 800 cyklusser ved 25 grader, og næsten 60 procent efter 800 cyklusser ved 50 grader. For høj eller for lav opbevaringstemperatur vil også forårsage forringelse af lithiumbatteriets kapacitet og fremskynde aldring.
Bilbatterisystemer er normalt sammensat af hundreder eller tusinder af battericeller, og batteripakker står over for mere alvorlige termiske problemer. Påvirket af faktorer som varmeoverførselsstruktur, serie-parallel forbindelsestilstand og driftsforhold viser temperaturen på hvert enkelt batteri i batteripakken stærk inkonsistens under drift, hvilket fører til inkonsistens i intern modstand, kapacitetsdæmpning og afladningsdybde. af batteriet, hvilket igen fører til, at den samlede batteripakkes anvendelige kapacitet og levetid forfalder (figur 3).
Figur 3 Effekt af temperaturforskel på batteripakkens tilgængelige kapacitet
Faktisk er konsistensen af celletemperatur en vigtig parameter til at bestemme udnyttelsesgraden af cellelevetid, hvilket igen påvirker batteripakkens levetid (ligning (1)). Derfor er det særligt vigtigt at sikre ensartet celletemperatur.
Batterilevetid=batterilevetid x batterilevetid udnyttelsesgrad (1)
For at opsummere er det af stor betydning at kontrollere temperaturen på strømbatteripakken og reducere temperaturforskellen mellem de enkelte celler for at forbedre batteripakkens ydeevne. På nuværende tidspunkt menes det, at det optimale driftstemperaturområde for lithiumbatterier er 25 ~ 40 grader, og temperaturforskellen mellem celler er mindre end 5 grader. De fleste af de nuværende termiske styringsteknologier sigter mod den ovennævnte temperatur- og temperaturforskel og designer strukturen og styringsmetoden for det termiske styringssystem for at sikre driftseffektiviteten og levetiden for batteripakken.
02 Almindelige termiske håndteringsmetoder
Batteri termisk styring omfatter høj temperatur varmeafledning og lav temperatur opvarmning. Almindelige batterivarmeafledningsmetoder omfatter batterivarmeafledningsteknologier baseret på gas (luft), væske, fastfaseændringsmateriale (faseændringsmateriale, PCM) og varmerør. Batterimodulets lavtemperaturopvarmningsmetoder omfatter hovedsageligt ekstern opvarmning baseret på væske eller positiv temperaturkoefficient (PTC) og intern opvarmning baseret på varmen, der genereres af selve batteriet.
2.1 Batterikøleteknologi
Anvendelse af luft omfatter hovedsageligt tvungen konvektion og naturlig køling. Forskerne undersøgte batteripakkens varmeoverførselskarakteristika gennem design af køleluftkanalstrukturen, design af batteriarrangementet og optimering af ventilationsstyringsstrategien og foreslåede foranstaltninger til at forbedre varmeoverførslen og forbedre temperaturens ensartethed. På grund af fordelene ved lave omkostninger, enkel systemstruktur og nem vedligeholdelse, anvendes det luftkølede system på nogle modeller med kort sejlrækkevidde og høj omkostningsydelse. For eksempel bruger Nissan LEAF et passivt batteri termisk styringssystem til at sprede varmen til sin lithium-ion pose batteripakke. , Derudover bruger Toyota Prius, Kia Soul EV, SAIC Roewe MARVELX også luftkøling. Men for storskala lithium-ion batteripakker kan luftkøling ikke opfylde kravene til varmeafledning på grund af batteriets store termiske belastning og den lange afslapningstid for varmeledning. Især i højtemperaturmiljøer er varmeoverførselseffektiviteten af luftkølet termisk styringsteknologi lav, og inkonsistensen er stor, hvilket gør det vanskeligt at opfylde kravene til termisk styring.
På grund af luftens lave konvektiv varmeoverførselskoefficient er brugen af væske i stedet for luft blevet et uundgåeligt middel til at forbedre varmeoverførslen. Forskning arrangerer normalt væskekøleplader i bunden af batteripakken eller mellem cellerne til varmeafledning. På nuværende tidspunkt er det meste af forskningen i væskekølesystemer fokuseret på design af kølekanaler: ved at øge antallet af kølevæskekanaler, forbedre strukturen af kølekanaler, arrangere finner i kanaler og designe forbundne kombinerede kolde plader for at forbedre varmen dissipation og temperaturensartethed. I de senere år er forskning i brugen af nye kølemidler som varmestyringskølemidler også almindelig, såsom brugen af flydende metaller, nano-metalvæsker osv. for at opnå øget varmeafledning.
På nuværende tidspunkt har forskellige bilfirmaer forskellige anvendelsesmetoder til væskekøling og varmeafledning. Teslas væskekølesystem bruger en blandet kølevæske af vand og ethylenglycol med et masseforhold på 1:1 og arrangerer kølerørene i 18650 batteristakken på en bugtende måde. Varmeafledning for hver celle; Chevrolet Volt-posebatterimodulet bruger også væskekøling til at sprede varme. Som vist i figur 4 udgør hver to poseceller en enhed, og en aluminiumsplade med en væskekølet strømningskanal er anbragt på mellem de to celler, et parallelt strømningskanaldesign er vedtaget for at realisere storarealkøling af hver celle. . Derudover er der en batterivarmeafledningsmetode baseret på princippet om væskefaseændring, det vil sige, at klimaanlæggets fordamper er installeret i bunden af batterisystemet, og varmen, der genereres af batteriet, fjernes af kølemiddel fordampning, også kendt som direkte køling. Typiske anvendelser er BMW i3-serien. Væskekøling og varmestyring er en relativt almindelig metode i nuværende tekniske applikationer, men systemet er mere kompliceret, massen er større, og der er mulighed for lækage.
Figur 4 Volt batterikølesystem og koldpladestruktur
Termisk batteristyring baseret på fast-flydende faseændringsmaterialer er et andet aktuelt forskningsfokus. Princippet er at bruge PCM-faseændring til at absorbere varme for at reducere batteritemperaturen. PCM kan effektivt sikre batteripakkens temperaturensartethed, men materialets termiske ledningsevne er dårlig, så den nuværende forskning fokuserer hovedsageligt på fremstilling af PCM-materialer og forbedring af deres varmeledningsevne. Derudover reducerer den tunge vægt af PCM batteripakkens energitæthed. Ovenstående årsager begrænser anvendelsen af faseskiftematerialer i termisk styring af strømbatterier.
2.2 Batterivarmeteknologi
Opladnings- og afladningsydelsen af lithium-ion-batterier er væsentligt reduceret i miljøer med lav temperatur. Derfor er det nødvendigt at forvarme batterierne for at forbedre deres ydeevne. Den nuværende varmeteknologi er hovedsageligt opdelt i to kategorier: intern opvarmning og ekstern opvarmning.
Intern opvarmning refererer til batteriets opvarmningsmetode gennem dets indre modstand til at generere varme, herunder ekstern AC-opvarmning, gensidig pulsopladning og afladning af opvarmning mellem batterier og selvafladende batteriopvarmning. Derudover har Wang et al. designet et batteri med tre elektroder, tilføjet nikkelelektroder og opnået hurtig opvarmningsstart af det hurtige batteri gennem elektrodeskift.
Ekstern opvarmning omfatter hovedsageligt luftopvarmningsmetode og væskeopvarmningsmetode. Førstnævnte bruger elektrisk varmetråd til at opvarme luften og derefter opvarme batteriet, temperaturen er ensartet, men energiforbruget er højt. Sidstnævnte opvarmer batteripakken ved at opvarme væsken i flowkanalen, som har en mere kompleks struktur og en langsommere temperaturstigning. Ud over den ovennævnte opvarmningsmetode baseret på konvektion, kan PTC eller laveffekt varmefilm også bruges til direkte opvarmning af batterioverfladen, hvilket vil have en vis indflydelse på batteriets varmeafledning. Derudover er der også en metode til termisk styring af batteriet ved hjælp af princippet om varmeabsorption/frigivelse af PCM.
Figur 5 Skematisk diagram af varmerørets arbejdsprincip
Brugen af varmerør som varmeoverførselselementer til højtemperatur varmeafledning/lavtemperaturopvarmning af batterier er en ny termisk styringsmetode. Varmerøret er et effektivt varmevekslerelement baseret på princippet om gas-væske faseændring, og dets arbejdsprincip er vist i figur 5. Det flydende arbejdsmedium fordamper og fordamper i varmeenden, strømmer til den anden ende drevet af trykforskel, og kondenserer og frigiver varme i kondensationsdelen. Det flydende arbejdsmedium vender tilbage til fordampningssektionen langs det porøse materiale gennem kapillarkraft, hvilket har fordelene ved høj varmeoverførselseffektivitet og god temperaturensartethed. .
Figur 6 Skematisk diagram af ydelsessammenligning af termiske styringssystemer baseret på luftkøling, væskekøling og varmerør
Varmerør er blevet meget brugt i energi- og kemisk industri, rumfart, elektronisk strøm og andre områder. Inden for batteri termisk styring har varmerør stærke fordele med hensyn til varmeafledning/opvarmningshastighed og ensartethed af batteripakkens temperatur (figur 6). Med hensyn til varmeafledning ved høj temperatur, sammenlignet med tvungen luftkøling, kan metoden til varmeledning gennem varmerør og derefter luftkølet varmeveksling reducere batteritemperaturen med mere end 20 grader (20 Ah kvadratisk batteri, 5C afladning); med hensyn til lavtemperaturopvarmning, batterier baseret på varmeledningsvarmeledning Opvarmningshastigheden er 1,5 gange højere end PTC direkte opvarmning. Især under højstrøms opladnings- og afladningsforhold udviser varmerøret mere overlegen varmeoverførselsydelse og temperaturensartethed. Anvendelsen af varmerør er med til at realisere forskning og udvikling af fremtidige højtydende batteripakker, og har fået stor opmærksomhed i de senere år.
03 Forskning i termisk batteristyring baseret på varmerørsteknologi
FIG. 7 er et skematisk diagram af et typisk batteri termisk styringssystem, der anvender varmerør som varmeoverførselskomponenter. Den varme, der genereres under opladning og afladning af hver celle, overføres direkte (eller gennem et varmeledende medium såsom en aluminiumsplade) til varmerøret, der er anbragt på siden eller bunden af cellen, og derefter fjernes varmen. ved varmeafledningssystemet i den kolde ende af varmerøret. Det kan ses fra figuren, at de vigtigste faktorer, der påvirker systemets varmeoverførselsydelse, omfatter tre aspekter: (1) Driftsforholdene og varmeproduktionen af strømbatteriet, det vil sige indflydelsen af varmekildens arbejdsbetingelser om ydeevnen af det termiske styringssystem; (2) Varmerørets varmeoverførselskarakteristika, hovedsagelig Det involverer indflydelsen af varmerørets indre strukturdesign og dets arrangement i strømbatteripakken på systemets varmeafledningsevne; (3) Varmeafgivelsen i den kolde ende af varmerøret omfatter hovedsageligt to former for direkte luftkøling og vandkøling til sekundær varmeveksling. Derudover skal varmerøret ved lave temperaturer lokalt opvarmes af PTC eller elektrisk varmefilm og derefter overføres til batteriet i form af varmeledning. Denne del af forskningen omfatter design af varmesystemer og forskning i varmestrategi.
Figur 7 Skematisk diagram af batteriets termiske styringssystem baseret på varmerør
3.1 Forskning i batteridriftsforhold og dets indvirkning på systemets varmeoverførsel
Systemets driftstilstand bestemmer batteriets varmegenereringsegenskaber og er en nøglefaktor, der påvirker systemets varmeoverførsel. Inden batteriets temperatur stiger til varmerørets opstartstemperatur, overfører varmerøret varme i form af varmeledning gennem skallen. Når temperaturen stiger til opstartstemperaturen, begynder arbejdsmediet i røret at absorbere varme ved at bruge den latente varme fra faseændring, hvorved dets varmeledningsevne øges og gradvist få batteritemperaturen til at stige. mere stabil.
Undersøgelser har vist, at den tid, det tager for batteriet at nå en stabil temperatur fra den indledende afladning under konstant afladning, er ca. 400-2000s, hvilket er relateret til faktorer som batteriafladningshastigheden og varmeafledningsforholdene for kold ende af varmerøret. Batteriets varmeproduktionshastighed stiger ikke-lineært med afladningshastigheden. Varmeproduktionshastigheden for et 10 Ah kvadratisk batteri ved 3, 5 og 8C hastigheder er henholdsvis omkring 10,5, 25,4 og 54,4 W. Ændringen af varmekildeforholdene fører til forskellige termiske modstande af varmerørene og opnår stabilitet. Temperaturfordelingen er også anderledes. Desuden gælder det, at jo større mængden af varmeoverførsel er i den kolde ende, desto kortere tid tager det for varmerøret at stabilisere sig, og jo lavere er den stabile temperatur.
Driftsmiljøet for elektriske køretøjer er komplekst og foranderligt, og de står over for acceleration, jordskred, pludselige opbremsninger og andre situationer til enhver tid. De termiske egenskaber for strømbatterier er ret forskellige fra dem under steady-state forhold. Figur 8 viser forskellen i batteritemperatur og temperaturforskelvariationslov under stabile og ustabile driftsforhold. Tran et al. brugte tidsvarierende varmeeffekt til at simulere køretøjers kørselsforhold, sammenlignede temperaturudsvingene i varmemodulet under de to betingelser for finluftkøling og finluftkøling baseret på varmerør og viste, at batteritemperaturen ved hjælp af varmerørkoblet finne luftkøling Men under ændringsprocessen er ændringstrenden af temperatur og varmeflux ikke konsistent. Påvirket af termisk inerti falder varmeproduktionshastigheden pludseligt, mens temperaturen fortsætter med at stige og derefter falder.
Figur 8. Skematisk diagram af batteritemperaturændring under køretøjsforhold. (a) Stabil tilstand; (b) Ustabil tilstand
Ovenstående forskning diskuterede virkningen af ustabile arbejdsforhold på batteriet og pålideligheden af varmerøret fra monomerniveauet. Batterigruppens dynamiske varmeoverførselskarakteristika er ret forskellige fra dem for enkeltbatteriet, især den termiske styringsstruktur har en mere åbenlys indflydelse på temperaturforskellen i batterigruppen.
Temperaturstigningen og temperaturfordelingen af batteripakken er tæt forbundet med den dynamiske varmeoverførselsproces i det termiske styringssystem. Den nuværende forskning er stadig i verifikationsfasen for varmeoverførselseffekten. Hvordan man kombinerer batteripakkens driftsbetingelser for at formulere en effektiv realtidsstyringsstrategi for det termiske styringssystem for at opnå høj effektivitet. , Lavenergi batteri termisk styring er et problem, der skal løses yderligere.
3.2 Analyse af varmeoverførselskarakteristika og designforskning af varmerør
3.2.1 Design og optimering af varmerør baseret på strømbatteri
Varmerørdesign er en vigtig faktor, der påvirker varmeoverførselsydelsen. Dens varmeoverførselseffekt er tæt forbundet med faktorer som kanalstørrelse, væskeabsorberende kernestruktur og væskefyldningshastighed. Rimelig varmerørsdesign er meget vigtigt for at forbedre effektiviteten til batteriets termiske styring. På grund af det særlige ved strømbatterivarmegenerering har mange forskere forsket i design af varmerør til batterier. Jang et al. undersøgte effekten af forskellige arbejdsvæsker på varmeoverførselsydelsen af tyngdekraftvarmerør af loop-type. Når batteriets brændværdi er 50 W, kan brug af acetone som arbejdsvæske kontrollere batteriets gennemsnitlige temperatur under 45 grader, hvilket er bedre end at bruge vand som arbejdsvæske. Kvalitets køleeffekt. Putra et al. fandt, at varmeafledningseffekten af arbejdsfluidet er tæt forbundet med batteriets varmegenereringshastighed. I henhold til varmen, der genereres af forskellige varmekilder, kan forskellige arbejdsvæsker bruges til at maksimere effektiviteten af varmerøret. Når batteriets varmeproduktionshastighed er større end 1,61 W/cm2, bruges ethanol som arbejdsvæske med den højeste varmeoverførselseffektivitet. Chi et al undersøgte effekten af væskefyldningshastigheden på varmeoverførslen af det pulserende varmerør og fandt ud af, at varmerørets optimale væskefyldningshastighed stiger med stigningen i batteriets varmeproduktionshastighed. Derfor er det nødvendigt at vælge den passende type arbejdsvæske og væskefyldningshastighed i henhold til varmekildeforholdene for at opnå den bedste varmeoverførselseffekt.
De fleste af de nuværende forskningsstudier og optimerer varmeoverførselsegenskaberne for varmerør, der anvendes i strømbatterier, ud fra niveauet af arbejdsvæske (type arbejdsvæske, væskefyldningshastighed), og der er også nogle få litteraturer, der forbedrer ydeevnen af varmerør fra et strukturperspektiv. Swanepoel designede et batteri termisk styringssystem baseret på pulserende varmerør, analyserede indflydelsen af medium og rørbredde på varmeoverførselsydelsen af varmerør og fandt ud af, at når arbejdsvæsken i varmerøret er ammoniakvand, er bredden af varmen røret skal være mindre end 2,5 mm for at sikre dets ydeevne i batteri termisk styring. Opstarts- og varmeafledningseffektiviteten i.
Forskellige typer varmerør bruges i den eksisterende termiske styringsforskning af strømbatterier, såsom gravitationsvarmerør, sintrede varmerør, pulserende varmerør, fladpladesløjfevarmerør, flade mikrovarmerør osv., og der er ingen samlet udvælgelse eller designmetode. Fra et strukturelt synspunkt viser flade varmerør overlegenhed i termiske styringssystemer for strømbatterier og forventes at blive det første valg til termisk styring af strømbatterier. Der er dog i øjeblikket få undersøgelser af design af flade varmerør.
3.2.2 Design af varmerørslayout
Layoutet af batteriets termiske styringssystem er en anden nøglefaktor, der påvirker varmeledningens varmeledningsevne. Tran et al. sammenlignet varmeledningsevnen af varmerør, når de er placeret vandret og lodret. Ved at anvende en 38 W varmekilde for at simulere varmeudviklingen af batteripakken, når temperaturen ved fordampningsenden af varmerøret 61 grader, når det er arrangeret vandret, og kun 51 grader, når det er arrangeret lodret. Rao Zhonghao opnåede også en lignende regel ved at bruge pulserende varmerør til at udføre eksperimenter. Han byggede en eksperimentel testplatform for batteri termisk styring som vist i figur 9. Forsøget viser, at under den samme varmegenereringseffekt er temperaturstigningen på batterioverfladen lille, når batteriet er placeret lodret, og den lokale temperaturforskel er mindre end når placeret vandret.
Figur 9 Skematisk diagram af det pulserende varmerørs batterikølesystem
Derudover påvirker enhedens hældningsvinkel også varmeoverførslen. Når varmerøret er installeret vandret, er temperaturforskellen på batterioverfladen stærkt påvirket af hældningsvinklen; når varmerøret er installeret lodret, reducerer de dobbelte virkninger af tyngdekraft og kapillarkraft varmerørets varmeoverførselsmodstand, og vejens hældning har ringe effekt på den lokale temperaturforskel.
Ovenstående undersøgelser viser alle, at varmeaflednings- og temperaturensartethedseffekten af varmerørets lodrette arrangement er bedre end det vandrette arrangement. Wang et al. studeret indflydelsen af batteriplaceringsretningen på varmeoverførselseffekten af varmerør under det lodrette arrangement af varmerør og viste, at arbejdsfluidet i røret hurtigt kan overføre varmen fra højtemperaturenden (elektroden) til kondensationsenden, og elektroden vender opad under samme varmeproduktionseffekt. Metoden kan forsinke temperaturstigningstiden.
For at sikre varmeoverførselsydelsen af varmerøret, bør det strukturelle design af batteriets termiske styringssystem fuldt ud overveje varmerørsarrangementets indflydelse på dets termiske ledningsevne.
3.3 Varmeafledningsstruktur design og varmeoverførselsanalyse af termisk styringssystem
Som en varmeoverførselskomponent til batteriets termiske styring skal varmerøret hurtigt aflede varmen, mens det absorberer den varme, der genereres af batteriet, for at sikre dets normale drift i batteripakken. Normalt kan den kolde ende af varmerøret vedtage to måder at køle på: luftkøling og vandkøling. Førstnævnte har en enkel struktur og er nem at implementere, mens sidstnævnte har en relativt kompleks struktur, men den viser bedre ydeevne, når varmeafledningsbehovet er stort.
3.3.1 Luftkølet varmeafledning i den kolde ende
Direkte luftkøling er den enkleste varmeafledningsmetode for varmerørets kondenserende sektion. Ye et al. brugt tvungen luftkøling i den kolde ende af varmerøret for at holde batteriet (LiFePO4, 18 Ah) under 35 grader under 1C afladningsforhold. Hvis den kolde ende var naturligt afkølet, ville temperaturen ved slutningen af afladningen være højere end 40 grader. For at styrke varmeafledningskapaciteten af varmerøret, metoder som at øge antallet af finner i den kolde ende, forbedre designet af finnerne i den kolde ende, øge flowhastigheden af luftkøling og øge længden af kondensationssektionen kan bruges.
Antallet af varmerør, antallet af finner og afstanden mellem finner har også en vigtig indflydelse på varmeafledningseffekten. Arrangering af flere varmerør på overfladen af et batteri kan øge varmeafgivelsen, men fordi den gennemsnitlige varmeoverførselskoefficient for den kolde ende langs luftstrømsretningen bliver lavere og lavere, øges ujævnheden i batteriets overfladetemperatur. Temperaturens ensartethed af batterioverfladen kan forbedres ved at arrangere spoilerrøret før det første varmerør (fig. 10(d)).
Fig.10 Designskema af varmerørs kondenserende sektion. (a) Kondenserende ende er blottet rør; (b) Finneafstanden er 10 mm; (c) Finneafstanden er 3 mm; (d) Køleenden har et virtuelt varmerør
Mange forskere bruger varmerør og faseændringsmaterialer til at koble varmeafledning for at forbedre batteriets overfladetemperaturens ensartethed, fastgøre PCM til batterioverfladen, varmerør er indlejret i PCM for at fjerne varme, og kolde ender bruger luftkøling til at sprede varme. Figur 11 er et typisk varmerør - PCM er koblet til et luftkølet varmeafledningssystem. Denne struktur kan sikre, at batteripakkens maksimale temperaturforskel er mindre end 2 grader efter 2C afladning, og kølevindhastigheden vil påvirke batteriets maksimale temperaturstigning.
Figur 11 Prismatisk batteri varmerør-PCM koblet termisk styringssystem
Forøgelse af længden af kondensationssektionen er en anden effektiv måde at forbedre varmeledningens varmeafledningskapacitet på. En forøgelse af længden af kondensationssektionen vil dog føre til en stigning i temperaturforskellen på batteripakken. Der er en optimal værdi for længden af kondensafsnittet.
3.3.2 Væskekøling i den kolde ende
På grund af luftens lave specifikke varmekapacitet kan brugen af varmerør og væskekøling koblet til at sprede varme kompensere for manglen på luftkøling. I henhold til kontakttilstanden mellem den kolde ende af varmerøret og væskestrømningskanalen kan den opdeles i kontakt væskekølende varmeoverførsel og ikke-kontakt væskekølende varmeoverførsel. Kontaktvæskekølesystemet er vist i figur 12. Den kolde ende af varmerøret er gennemvædet i en vandtank, og en vis strømningshastighed af væske indføres i det indre. Efter en halv times kontinuerlig afladning ved 2C overstiger batteritemperaturen ikke 42 grader, hvilket viser varmeafledningseffekten af varmerøret og væskekølekoblingen.
Fig.12 Skematisk diagram af kontaktvæskekølevarmevekslersystemet i den kolde ende af varmerøret
Zhao et al. brugt vandsprøjtning i den kolde ende for at forbedre batteriets varmeafledningseffektivitet. Et fladt mikrovarmerør blev placeret mellem hvert andet batteri, og vand blev sprøjtet på overfladen med en bestemt frekvens. Temperaturstigningen på batteriet var kun 4 grader under den kontinuerlige afladningstilstand på 2C. , Temperaturforskellen under 3C udledningstilstand er mindre end 2,5 grader.
Det berøringsfrie væskekølesystem arrangerer sædvanligvis varmerørene på overfladen af batteriet, og varmen tages væk gennem kontakten af væskekølestrømmens kanal med den kolde ende af varmerøret. Den kolde ende af varmerøret er ikke direkte nedsænket i kølevæsken, så sikkerheden er højere. Audi har designet en batteri termisk styringsløsning som vist i figur 13. En kobberplade er anbragt mellem hvert andet batteri, og fire sintrede varmerør er indlejret i kobberpladen. Til sidst overføres varmen gennem væskekølepladen, der er fastgjort til varmerørets kolde ende. tag væk. Under betingelse af 400W batterivarmeproduktionseffekt kan systemet holde batteritemperaturen under 50 grader, hvilket har en god køleeffekt.
Figur 13 Designskema for varmeafledning af strømbatteriets varmerør
Det meste af den nuværende forskning bruger temperaturstigningen og temperaturforskellen på batteriet som evalueringsindeks. Den forbedrede varmeoverførsel vil dog medføre mere energiforbrug og vægtforøgelse af systemet, og der er få designhensyn fra systemniveauet. Hvordan man tager højde for batteriafladningsegenskaberne, varmeafledningseffekten, systemets energiforbrug og letvægt og andre indikatorer og foreslår en effektiv varmeafledningsordning for det termiske styringssystem er i fokus for fremtidig forskning om forbedret batterivarmeafledning.
3.4 Forskning i batteriopvarmning ved hjælp af varmerør
Som nævnt ovenfor er opladnings- og afladningseffektiviteten af lithium-ion-batterier stærkt reduceret i miljøer med lav temperatur. På nuværende tidspunkt har forskning i lavtemperaturopvarmning ved hjælp af varmerør som varmeoverførselskomponenter tiltrukket sig bred opmærksomhed.
Ye et al. anbragt mikroplade varmerør på overfladen af batteriet, og opvarmet den anden ende med et varmeelement (Figur 14). Den tid, det tog for batteriet at varme op fra -10, -20, -30 grad til 0 grad var henholdsvis 350, 780 og 1100s. , Temperaturstigningshastigheden er 1,5 gange højere end den traditionelle bundvarmemetode. Under opvarmningsprocessen kan temperaturforskellen kontrolleres under 3 grader, meget lavere end den traditionelle opvarmningsmetode (9 grader). Liang Jianan et al. fandt ud af, at forøgelse af varmeeffekten kan øge batteriets opvarmningshastighed, men samtidig øge temperaturforskellen på batterioverfladen. Derfor er det nødvendigt at overveje opvarmningstiden og temperaturforskellen på batteriet grundigt for at bestemme den optimale opvarmningsstrategi.
Figur 14 Skematisk diagram af opvarmningsstrukturen af lithium-ion-batterier baseret på varmerør
Zou et al. designet et varmerør-væskekobling integreret termisk styringssystem som vist i figur 15, som kan realisere både lavtemperaturopvarmning og højtemperaturkøling af batteriet. Kølemidlet i røret opvarmes af PTC'en og overfører derefter varmen til batteriet gennem varmerøret. I den indledende fase af opvarmningen stiger batteriets temperatur hurtigt. Da temperaturforskellen mellem varmerørets kolde og varme ende gradvist aftager, svækkes varmeoverførselskapaciteten, og den endelige varmeoverførselsværdi nærmer sig en konstant værdi. Efter ca. 900 s stiger batteritemperaturen til 20 grader.
Figur 15 Skematisk diagram af varmerørsvarmesystem
Det nuværende batterivarmesystem baseret på varmerør bruger normalt traditionelle varmerør eller mikrokanalvarmerør til at arrangere på batteriets overflade, og den anden ende bruger varmtvandsopvarmning eller PTC-opvarmning. Det meste af forskningen er i den eksperimentelle verifikationsfase. De eksisterende forskningsresultater demonstrerer fuldt ud den høje effektivitet af varmerørsopvarmning. og temperaturensartethed bør yderligere forskning fokusere på lavtemperaturopvarmningsstrategier.
04 Resumé og udsigter
Temperatur er en nøglefaktor, der påvirker ydeevnen af strømbatterier, og et effektivt termisk styringssystem er af stor betydning for elektriske køretøjer. Varmerør har stærk varmeoverførsel og temperaturensartethed og er en vigtig forskningsretning for fremtidige batteri termiske styringssystemer. Der er sket betydelige fremskridt i brugen af varmerør som batterikøle-/varmeelementer. Men med forbedringen af elektriske køretøjers krav til termiske styringssystemer er der stadig flere problemer, der skal løses ved anvendelsen af varmerør:
(1) Strømbatteriets temperatur er tæt forbundet med dets dynamiske varmeproduktionsforhold. Yderligere forskning bør kombineres med de faktiske køretøjsforhold for at formulere en effektiv styringsstrategi i realtid for at opnå en effektiv og lavenergi termisk batteristyring.
(2) Med hensyn til varmeoverførsel af varmerør, da der er mange faktorer, der påvirker varmeoverførselsydelsen af varmerør, er det nødvendigt grundigt at overveje den interne strukturdesign af varmerør og deres placering i batteripakken for at optimere deres varmeoverførselsydelse under brug, især for den flade pladetype. Varmeoverførselskarakteristikanalysen og optimal designforskning af varmerør er et af nøglepunkterne i fremtidig forskning.
(3) Med hensyn til varmeledningsvarmeafledning fokuserer de fleste nuværende systemdesigns på at reducere temperaturstigningen og temperaturforskellen på batteripakken, og der tages mindre hensyn til systemets energiforbrug og vægt. Yderligere forskning i varmerørsforstærket varmeafledning bør fokusere på systemoptimering med flere formål, omfattende systemtermiske og elektriske egenskaber, systemets energiforbrug og letvægts- og andre indikatorer og foreslå varmeafledningsløsninger til termisk styringssystem.
(4) Med hensyn til opvarmningsforskning ved hjælp af varmerør er det meste af den nuværende forskning i fase med at teste og verificere effekten. Yderligere forskning i varmeoverførselskarakteristika for varmerør i forskellige miljøer, især forskningen i opvarmningsstrategier i lavtemperaturmiljøer, er et af nøglepunkterne i fremtidig forskning. en.
Med udviklingen af elektriske køretøjer og den kontinuerlige udvikling af strømbatteriteknologi og varmerørsteknologi vil varmerør blive mere udbredt i batteri termisk styring.
Bemærk: Ophavsretten til den reproducerede artikel tilhører den originale forfatter. Hvis der er nogen overtrædelse, bedes du kontakte for at slette den.