Hvað er hitastjórnunarkerfi?

Hvað er hitastjórnunarkerfi?

Hitastjórnun rafhlöðu, byggt á áhrifum hitastigs á afköst rafhlöðunnar, ásamt rafefnafræðilegum eiginleikum rafhlöðunnar og hitamyndunarbúnaði, og byggt á ákjósanlegu hleðslu-/afhleðsluhitasviði tiltekinnar rafhlöðu, er tækni sem tekur á hitaleiðni eða hitauppstreymi af völdum of hás eða lágs hitastigs við notkun rafhlöðunnar. Þetta er náð með skynsamlegri hönnun og byggir á efnisfræði, rafefnafræði, hitaflutningi, sameindavirkni og öðrum greinum. Nauðsynlegt er að viðhalda hæfilegu hitastigi fyrir rafhlöðupakkann til að viðhalda góðum árangri. Þess vegna hefur það mikla þýðingu að hanna sanngjarnt hitastjórnunarkerfi fyrir litíum-rafhlöðupakka til að bæta heildarafköst rafhlöðukerfisins.

Hitastjórnunarkerfið fyrir rafhlöðupakkann hefur eftirfarandi fimm meginaðgerðir: ① nákvæm mæling og eftirlit með hitastigi rafhlöðunnar; ② skilvirk hitaleiðni og loftræsting þegar hitastig rafhlöðupakkans er of hátt; ③ hröð upphitun við lágt-hitastig; ④ skilvirk loftræsting þegar skaðlegar lofttegundir myndast; og ⑤ tryggja jafna hitadreifingu innan rafhlöðupakkans.

Há-afkastamikil hitastjórnunarkerfi fyrir rafhlöðupakka krefst kerfisbundinnar hönnunaraðferðar. Eins og er eru margar hönnunaraðferðir fyrir varmastjórnunarkerfi til. Það sem oftast er notað er hitastjórnunarkerfi rafhlöðupakka hannað af National Renewable Energy Laboratory (NREL) í Bandaríkjunum, en hönnunarferlið inniheldur sjö skref:

1) Ákvarða sjálf-kvarða og kröfur hitastjórnunarkerfisins. Byggt á hitaeiginleikum rafhlöðunnar og viðeigandi rekstrarhitasviði skaltu ákvarða sjálfstýringu-kvarða hitastjórnunarkerfisins. Til dæmis er hentugt notkunarhitastig fyrir litíum-jónarafhlöður 10~40 gráður, með lág-hitamörk 0 gráður og há-hitamörk 45 gráður. Þess vegna ætti hönnun hitastjórnunarkerfisins, á sama tíma og hún uppfyllir mikla rekstrarhitastig rafhlöðunnar, leitast við að uppfylla viðeigandi kröfur um rekstrarhitastig rafhlöðunnar.

2) Mæla eða meta hitaframleiðslu og varmagetu. Með rafhleðsluhleðslu-afhleðsluprófum og hermiútreikningum sem byggjast á sértækri varmagetu rafhlöðunnar, ákvarða hitaleiðni eða hitunaraflið.

3) Upphafsmat á varmastjórnunarkerfinu, þar á meðal val á hitaflutningsmiðli og hönnun hitaleiðniskipulags. Almennt er rafhlöðukæling náð með loftkælingu eða fljótandi kælingu. Loftkælikerfi eru tiltölulega einföld í uppbyggingu en óhagkvæm; fljótandi kælikerfi eru flókin í uppbyggingu en mjög skilvirk. Það eru líka mismunandi gerðir af upphitunaraðferðum, svo sem upphitun á heitu lofti í hringrás, upphitun vökvaflæðis og bein varmageislunarhitun frá hitagjafanum.

4) Spáðu fyrir um hitauppstreymi einingarinnar og rafhlöðupakkans. Byggt á rekstrarskilyrðum rafhlöðupakkans, spáðu fyrir um og metið hitaleiðni og hitaþörf meðan á notkun stendur.

5) Frumhönnun hitastjórnunarkerfisins. Byggt á ákveðnum hitamiðli og niðurstöðum mats á hitauppstreymi, framkvæma meginregluna og verkfræðilega hönnun hitastjórnunarkerfisins.

6) Hanna og prófa hitastjórnunarkerfið. Framleiddu rafhlöðukerfi og rafhlöðuhitastjórnunarkerfi í fullri-skala eða fullum mælikvarða og sannreyndu virkni hitastjórnunarkerfisins við eftirlíkingar raunverulegar rekstrarskilyrða á prófunarbekk.

7) Hagræða hitastjórnunarkerfið. Bæta og fínstilla varmastjórnunarkerfið byggt á niðurstöðum tilrauna.

Rafhlöður eru ekki góðir hitaleiðarar. Að þekkja aðeins dreifingu yfirborðshitastigsins er ófullnægjandi til að skilja að fullu innra hitauppstreymi rafhlöðunnar. Að reikna út innra hitastigið með því að nota stærðfræðileg líkön og spá fyrir um hitauppstreymi rafhlöðunnar er ómissandi skref í hönnun rafhlöðuhitastjórnunarkerfa. Sem stendur innihalda almennu stærðfræðilíkönin tveggja-vídd og þrívíddarlíkön. Þar á meðal hefur þrívíddarlíkanið, vegna framúrskarandi nákvæmni og aðlögunarhæfni, verið mikið notað í fjölmörgum varmastjórnunarkerfum fyrir rafhlöður. Líkanið er sem hér segir:

Battery Thermal Field Calculation and Temperature Prediction

Þar sem T er hitastigið;

ρ er meðalþéttleiki;

c_p er sérvarmageta rafhlöðunnar;

λ_x, λ_y, λ_z eru hitaleiðni rafhlöðunnar í x-, y- og z-áttum, í sömu röð;

q er hraði hitamyndunar á rúmmálseiningu.

Hitamunur milli mismunandi rafhlöðueininga innan rafhlöðuboxsins eykur ósamræmi í innri viðnámi og getu rafhlöðunnar. Með tímanum getur þetta leitt til ofhleðslu eða of-afhleðslu á sumum rafhlöðum, haft áhrif á endingu þeirra og afköst og skapað öryggishættu. Hitastigsmunurinn á rafhlöðueiningum innan rafhlöðuboxsins er nátengdur fyrirkomulagi rafhlöðupakka. Almennt hafa rafhlöður í miðjunni tilhneigingu til að safna hita, en þær sem eru á brúnunum hafa betri hitaleiðni. Þess vegna, þegar rafhlöðupakkabyggingin og hitaleiðni eru hönnuð, er mikilvægt að tryggja jafna hitaleiðni. Með því að taka loftkælingu sem dæmi, þá eru almennt tvær loftræstingaraðferðir: röð og samhliða, til að tryggja jafna hitaleiðni. Loftflæðishönnun verður að fylgja grundvallarreglum vökvafræði og loftaflfræði.

Þegar hitastjórnunarkerfi rafhlöðu er hannað þarf að velja vandlega gerð og afl viftunnar, fjölda hitaskynjara og staðsetningu mælipunkta.

Með því að taka loftkælingu sem dæmi, þegar kælikerfið er hannað, á sama tíma og ákveðin kæliáhrif eru tryggð, ætti að lágmarka flæðisviðnám til að draga úr hávaða í viftu og orkunotkun og bæta þannig heildar skilvirkni kerfisins. Hægt er að áætla orkunotkun viftunnar með því að áætla þrýstingsfall og flæðishraða með því að nota tilrauna-, fræðilega útreikninga og vökvavirkni (CFD) aðferðir. Þegar flæðisviðnám er lágt má íhuga axial flæðisviftur; þegar flæðisviðnám er hátt henta miðflóttaviftur betur. Auðvitað þarf líka að huga að plássinu sem viftan tekur og kostnaðinn við það. Að finna bestu viftustýringarstefnu er einnig ein af hlutverkum hitastjórnunarkerfis.

Schematic diagram of temperature measurement points in the battery box

Hitastigsdreifing rafhlöðupakkans innan rafhlöðuboxsins er almennt ójöfn, þess vegna er nauðsynlegt að þekkja hitasviðsdreifingu rafhlöðupakkans við mismunandi aðstæður til að ákvarða mikilvæga hitastig. Fleiri hitaskynjarar veita ítarlegri hitamælingu, en auka kerfiskostnað og flókið. Það fer eftir tilteknu verkfræðilegu samhengi, fræðilega er hægt að nota endanlegt frumefnisgreiningu, innrauða hitamyndatöku í tilraunum eða rauntíma margra-punkta hitamælingu til að greina og mæla varmasviðsdreifingu rafhlöðupakkans, rafhlöðueininga og einstakra frumna, ákvarða fjölda hitamælingapunkta og finna viðeigandi punkta á mismunandi svæðum. Almenn hönnun ætti að tryggja að hitaskynjararnir verði ekki fyrir kælandi loftstreymi til að bæta nákvæmni og stöðugleika hitamælinga. Þegar rafhlaðan er hönnuð ætti að taka pláss fyrir hitaskynjara; til dæmis er hægt að hanna viðeigandi op á viðeigandi stöðum. Rafhlöðupakkinn í Prius hybrid rafbílnum frá Toyota hefur 228 stakar frumur og hitastigsmæling er framkvæmd af 5 hitaskynjurum. Rafhlöðukerfið fyrir rafstraum sem hannað er af Tækniháskólanum í Peking notar 6 hitastigsmælingarpunkta í hverjum kassa (sjá hringlaga svæðið á mynd 8-16a), raðað á jákvæðu og neikvæðu skautana og raflínuúttakspunkta rafhlöðuboxsins, eins og sýnt er á mynd 8-16.

Byggt á hitaflutningsmiðlinum er hægt að skipta kælingu rafhlöðupakka hitauppstreymiskerfa í þrjár gerðir: loftkælingu, fljótandi kælingu og fasabreytingarefniskælingu. Miðað við efnisrannsóknir og þróun og framleiðslukostnað notar skilvirkasta og algengasta hitaleiðnikerfið loft sem hitaleiðnimiðil.

Byggt á hitaleiðniloftflæðisbyggingunni er hægt að skipta loftkælikerfi frekar í tvær gerðir: röð loftræstingar og samhliða loftræstingu, eins og sýnt er á myndum 8-17 og 8-18, í sömu röð.

Í röð stillingar flæðir loft venjulega frá annarri hlið rafhlöðupakkans til hinnar til að fjarlægja hita. Hins vegar flytur þetta loftstreymi varma frá svæðum sem það fer fyrr í gegnum til svæða sem það fer í gegnum seinna, sem leiðir til ósamræmis hitastigs og verulegs hitamuns. Í samhliða uppsetningu hækkar loftflæðið á milli eininga lóðrétt, dreifir loftinu jafnari og tryggir stöðuga hitaleiðni í gegnum rafhlöðupakkann.

Hægt er að flokka hitastjórnunarkerfi í óvirk og virk kerfi eftir því hvort þau eru með innri hita- eða kælibúnað. Óvirk kerfi eru ódýrari og krefjast einfaldari innviða; virk kerfi eru flóknari og krefjast meiri viðbótarafls, en bjóða upp á betri afköst.

Myndir 8-19, 8-20 og 8-21 sýna skýringarmyndir af virkri og óvirka lofthitun og hitaleiðni í sömu röð.

Thermal Management System Design and Implementation

Á myndum 8-19 og 8-20, þótt loftið hafi verið kælt og hitað með loftræstingu eða hitakerfi bílsins, er það samt talið óvirkt kerfi. Með þessu óvirka kerfi, vegna ósamræmis í hitastigi innflutts umhverfislofts, verður umhverfisloftið að starfa innan ákveðins hitastigssviðs (10 ~ 35 gráður) til að ná réttri hitastjórnun. Notkun við mjög köld eða heit skilyrði getur valdið meiri ójöfnuði í rafhlöðupakkanum.

Í hitakerfum, fyrir utan að setja heitt loft inn í rafhlöðupakkann, er hægt að nota aðrar aðferðir, eins og sýnt er á myndum 8-22~8-25 (fyrir prismatískar rafhlöður).

Other heating methods