Отвод тепла от батареи с воздушным охлаждением

Литий-ионные аккумуляторы стали одним из основных типов батарей для отсеков аккумуляторных батарей благодаря своим превосходным характеристикам.Однако литий-ионные батареи постоянно выделяют тепло во время зарядки и разрядки.В то же время из-за ограниченности аккумуляторного отсека тепло, выделяемое литий-ионным аккумулятором, будет продолжать накапливаться в аккумуляторном отсеке и не может быть вовремя рассеяно во внешнюю среду.В результате внутренняя температура аккумуляторного отсека продолжает повышаться, вызывая риск теплового разгона и создавая угрозу безопасности аккумуляторного отсека.Безопасность и экономичность отсеков аккумуляторных батарей всегда были основными проблемами, влияющими на их развитие.Ключ к устойчивому развитию аккумуляторных батарейных отсеков лежит в решении проблемы отвода тепла аккумуляторного отсека.

Традиционная система отвода тепла от аккумуляторного отсека проста, а распределение температуры в аккумуляторном отсеке неравномерно.Длительная эксплуатация приведет к плохой согласованности между аккумуляторными модулями, что серьезно повлияет на срок службы аккумуляторных модулей.

Используем SolidWorks и Ansys для решения проблемы плохого воздушного охлаждения и отвода тепла в аккумуляторном отсеке.

Путем численного моделирования температурного поля аккумуляторного отсека исследованы характеристики нагрева аккумуляторного модуля.На основе соответствующих теорий и формул предложена оптимальная конструктивная схема системы теплоотвода аккумуляторного отсека с воздушным охлаждением.Выбранная модель расчета тепловыделения аккумуляторной батареи выглядит следующим образом.

ρ - средняя плотность аккумуляторного модуля;Cp - удельная теплоемкость аккумуляторного модуля;T - температура по Кельвину батареи;т - время;кx, кy, кz - теплопроводность батареи по оси x, оси y и скорости по оси z;q - мощность тепловыделения на единицу объема аккумуляторного модуля

Для численного расчета удельного объемного тепловыделения q аккумуляторного модуля в основном используется модель Бернарди, формула ее расчета следующая.

Vб - объем аккумуляторного модуля;I - номинальный ток в процессе заряда и разряда аккумулятора;U , U0 - номинальное напряжение и напряжение холостого хода аккумуляторного модуля;dU0 /dT – константа при определенной скорости заряда и разряда, показывающая температурный коэффициент

В основном существует два метода расчета удельной теплоемкости Cp аккумуляторного модуля.Экспериментальный метод заключается в использовании калориметра для непосредственного измерения модуля батареи.Теоретический метод заключается в получении удельной теплоемкости аккумуляторного модуля посредством численного расчета.Формула расчета следующая.

m - масса аккумуляторного модуля;mi - масса материала i, содержащегося в аккумуляторном модуле;Ci - удельная теплоемкость материала i, содержащегося в аккумуляторном модуле;n - различные типы материалов в аккумуляторном модуле

Согласно измерению, удельная теплоемкость используемой одинарной литий-железо-фосфатной батареи составляет 1 329 Дж/(кг·К).Благодаря экспериментальным измерениям и расчету формулы тепловыделение модуля литий-железо-фосфатной батареи, используемого в этой статье, составляет 13 757,2 Вт/м.3 при зарядке на 1С.

Различают три основных режима теплообмена между объектами., теплопроводность, тепловая конвекция и тепловое излучение.В процессе теплопередачи батареи теплопроводность в основном происходит внутри батареи, а тепловая конвекция в основном происходит на контактной поверхности между модулем батареи и воздухом.

Теплопроводность внутри батареи осуществляется через внутренние материалы, включая токосъемники, материалы электродов, сепараторы и электролиты.Теплопроводность внутри батареи осуществляется в основном через твердое вещество, поэтому теплопроводностью в электролите можно пренебречь, а уравнение энергии теплопроводности батареи можно выразить следующим образом.

∇2 T - оператор Лапласа переноса температуры батареи в пространство;λ - теплопроводность батареи;Q - коэффициент тепловыделения внутренней теплопроводности батареи

Тепловая конвекция батареи в основном реализуется за счет контакта между поверхностью модуля батареи и воздухом.Тепловая конвекция между поверхностью батареи и внешним миром может быть выражена следующим образом с использованием закона охлаждения Ньютона.

h - коэффициент конвективной теплоотдачи различных материалов в естественных условиях;Вкладка - температура окружающей среды

Теплообмен при воздушном охлаждении теплоотвода аккумуляторного отсека в основном происходит на контактной поверхности между аккумуляторным модулем и воздухом.Чтобы изучить рассеивание тепла аккумуляторного отсека с воздушным охлаждением, необходимо создать модель жидкостно-твердой связи для аккумуляторного отсека, чтобы проанализировать взаимосвязь теплопередачи между поверхностью аккумуляторного модуля и воздухом.

u - скорость поля жидкости;k - теплопроводность батареи

В соответствии с выражением теплопередачи между жидкостью и твердым телом удобнее выбрать модель k-эпсилон для имитационного расчета.

Модель создана в соответствии с пропорцией фактического отсека для хранения энергии, а базовая модель аккумуляторного отсека создана с использованием SolidWorks длиной 12 м, шириной 2,4 м и высотой 2,8 м.Всего в аккумуляторном отсеке размещено 12 аккумуляторных блоков, по 6 групп с каждой стороны, и каждый аккумуляторный блок состоит из 15 аккумуляторных модулей.Реальный вид отсека для литий-ионных аккумуляторов и внутреннее устройство модели показаны на рисунке 1.

Чтобы оптимизировать эффект отвода тепла от улучшенного батарейного отсека, в верхней части батарейного отсека добавлен дефлектор, ширина которого составляет 500 мм.Существует два разных метода оптимизации: добавление одиночного дефлектора и добавление двойного дефлектора в аккумуляторный отсек во время проектирования.Компоновка двух разных моделей аккумуляторных отсеков с добавленными дефлекторами показана на рис. 2.

Внутренняя структура аккумуляторного модуля сложна, и его распределение материала в разных направлениях и теплопроводность являются другой.В таблице 1 показаны параметры тепловых характеристик корпуса модуля литий-железо-фосфатной батареи и направления оси x, оси y и оси z.

Путем расчета площади поверхности аккумуляторного модуля площадь рассеивания тепла аккумулятором может быть получена равной 178,85 м.2.Установка решателя внутри батарейного отсека в качестве поля связи жидкость-твердое тело может напрямую использовать условия конвективного теплообмена.

Настройка граничных условий имитационной модели в основном включает температуру, скорость и давление.Граничным условием на входе является скорость на входе, скорость ветра составляет 4 м/с, а температура воздуха на входе установлена ​​в соответствии с температурой окружающей среды, которая составляет 25 °C. UИспользуя модуль Fluent для моделирования и расчета, можно получить диаграмму облака температуры поверхности рассеивания тепла базовой модели аккумуляторного отсека, как показано на рисунке 3.

In Рисунок 3, область высокой температуры в аккумуляторном отсеке сосредоточена в центре аккумуляторного отсека, и распределение температуры очень неравномерно.Средняя температура в аккумуляторном отсеке составляет 46,3 °C, а разница между высокой и низкой температурой в области батарейного отсека составляет 26,5 °C.Температура в центральной части аккумуляторного отсека самая высокая и достигает 57,15 °C. самая низкая температура составляет 27,5 ℃ в верхней части и у входа в батарейный отсек.Кривая изменения температуры средней температуры области батарейного блока вдоль направления впуска воздуха показана на рисунке 4.

Самая высокая средняя температура области кластера батарей находится в середине и составляет 56,2 °C.Наименьшее значение отображается на краю батарейного отсека и составляет 39,91 °C.Поле потока на краю аккумуляторного отсека быстрее для лучшего теплообмена с аккумуляторным модулем.Эффект поля течения в центральной части батарейного отсека слабый и не может обеспечить хороший теплообмен с батарейным модулем.Это представление также можно проверить, объединив диаграмму линий тока поля течения, как показано на рисунке 5.

In Рисунок 5, скорость воздуха в верхней части батарейного отсека большая и составляет 3,2 м/с.Большая часть воздуха выходит прямо из выпускного отверстия, и лишь небольшая часть воздуха приводит в движение воздух в нижней половине аккумуляторного отсека, образуя циркуляцию.Скорость воздуха в средней части батарейного отсека 0,8 м/с.Большое количество воздуха не обеспечивает достаточного теплообмена с аккумуляторным модулем, что приводит к растрате ресурсов, а аккумуляторный отсек не может обеспечить хороший эффект рассеивания тепла.

Чтобы добиться лучшего отвода тепла от аккумуляторного отсека, можно увеличить интенсивность теплообмена между аккумуляторным модулем и воздухом.За счет рационального расположения дефлекторов поле потока в аккумуляторном отсеке изменяется так, чтобы оно распределялось более равномерно, чтобы воздух и аккумуляторный модуль могли более полно соприкасаться.

Обычно вход и выход воздуха из аккумуляторного отсека расположены в верхней части верхней части.В это время поток воздуха будет циркулировать только над батарейным отсеком., что делает охлаждающий эффект модулей, расположенных в нижней части аккумуляторного отсека, неудовлетворительным.Температура поверхности охлаждения модели батарейного отсека после добавления одного дефлектора показана на рисунке 6.

In Рисунок 6, при добавлении дефлектора возле воздухозаборника аккумуляторного отсека распределение температуры в аккумуляторном отсеке сильно меняется.Область высокой температуры меньше и более равномерно распределена.Падает как максимальная температура, так и средняя температура в батарейном отсеке.Средняя температура в батарейном отсеке составляет 43,4 °C, а разница температур между зонами аккумуляторного блока составляет 24,1 °C.Самая высокая температура появилась только в задней половине аккумуляторного отсека, которая составила 52,65 °C.Самая низкая температура наблюдается возле впускного отверстия и дефлектора и составляет 26,85 ℃.Кривая изменения температуры средней температуры области батарейного блока вдоль направления впуска воздуха показана на рисунке 7.

In Рисунок 7, кривая общей температуры имеет форму горба.Самая высокая температура в области первого пика составляет 43,41 ℃.Эта часть представляет собой область перед дефлектором, и воздух не был изменен дефлектором, поэтому средняя температура немного выше, чем в других областях.Самая высокая температура в области второго пика составляет 50,13°С.Эта часть является второй половиной батарейного отсека.Самая низкая температура в районе батарейного блока наблюдается в желобе и составляет 29,04 °C.Эта часть представляет собой область, где воздух непосредственно охлаждается после того, как дефлектор меняет направление ветра.. AИ аккумуляторный модуль может осуществлять лучший теплообмен с воздухом с более низкой температурой.

При попадании воздуха в батарейный отсек через входное отверстие канал потока перекрывается дефлектором.. TНаправление потока воздуха искусственно изменено таким образом, что он должен поступать в нижнюю половину аккумуляторного отсека для более достаточного теплообмена с аккумуляторным модулем.Линейная диаграмма также может подтвердить эту точку зрения..ТСкорость поля потока показана на рис.конечно 8 .

In Рисунок 8, он перекрыт дефлектором и направление потока изменится вниз.В это время скорость потока воздуха, проходящего через аккумуляторный модуль, выше и составляет 2,8 м/с, что позволяет более полно обмениваться теплом с аккумуляторным модулем.Однако вторая половина аккумуляторного отсека все равно будет образовывать вихрь, а температура в некоторых местах будет слишком высокой.

Чтобы решить ситуацию, когда температура в некоторых местах во второй половине аккумуляторного отсека все еще слишком высока, рядом с выходом воздуха из аккумуляторного отсека добавлен одиночный дефлектор для достижения равномерного поля потока.Диаграмма облака температуры поверхности охлаждения модели аккумуляторного отсека после добавления двойных дефлекторов представлена ​​на рисунке 9.

In Рисунок 9, при добавлении дефлектора рядом с воздуховыпускным отверстием аккумуляторного отсека максимальная температура и средняя температура аккумуляторного отсека существенно изменяются.Средняя температура в батарейном отсеке составляет 40,8 °C, а разница температур между зонами аккумуляторного блока составляет 21,7 °C.Самая высокая температура по-прежнему наблюдалась в задней половине аккумуляторного отсека, но температура значительно снизилась до 47,55 °C.Самая низкая температура наблюдается возле впускного отверстия и дефлектора и составляет 26,85 ℃.Кривая изменения температуры средней температуры области батарейного блока вдоль направления впуска воздуха показана на рисунке 10.

In Рисунок 10, общая температурная кривая аналогична случаю с одним дефлектором, показывая две пиковые области и одну впадину.Самая низкая температура в районе батарейного блока наблюдается в желобе, которая составляет 29,05 ℃.Самая высокая температура в области первого пика составляет 40,65 ℃, что ниже, чем в случае использования только одного дефлектора.Самая высокая температура в области второго пика составляет 46,05 ℃, и температура значительно снизилась.Это показывает, что увеличение дефлектора возле воздуховыпускного отверстия способствует снижению температуры в аккумуляторном отсеке и перепаду температур.

Поскольку добавление двойных дефлекторов усложнит поле течения в аккумуляторном отсеке, теплообмен между воздухом и аккумуляторным модулем будет усилен, а средняя температура в аккумуляторном отсеке будет дополнительно снижена по сравнению со случаем одинарного доска.Скорость поля течения показана на Fiфигура 11.

In Рисунок 11, когда воздух циркулирует за батарейным отсеком, он блокируется дефлектором.Поле течения в аккумуляторном отсеке более сложное, и все аккумуляторные модули могут полностью контактировать с воздухом для лучшего отвода тепла.В то же время распределение температуры в аккумуляторном отсеке более равномерное, а консистенция батареи лучше, что может снизить вероятность возгорания и взрыва в аккумуляторном отсеке..В соответствии с анализе и оптимизации его тепловыделения с воздушным охлаждением на базе SolidWorks и Ansys, сделаны следующие выводы.

(1) Добавление системы воздушного охлаждения в аккумуляторный отсек может охлаждать аккумуляторный модуль в аккумуляторном отсеке, но ограничено конструкцией аккумуляторного отсека..ТВоздух может образовывать только простую циркуляцию в батарейном отсеке, и модуль батареи не может охлаждаться.Аккумуляторный модуль в центральной части аккумуляторного отсека будет генерировать более высокий нагрев, а самая высокая температура в центральной части составляет 57,15 °C.После продолжительной работы срок службы батарейного модуля в центральной части сократится, а согласованность между батарейными модулями ухудшится, что повлияет на нормальную работу батарейного отсека.

(2) После добавления одного дефлектора в аккумуляторный отсек поле потока воздуха в аккумуляторном отсеке усложняется.Воздух образует 2 основных циркуляции в аккумуляторном отсеке, получая больший контакт с аккумуляторными модулями для более достаточного теплообмена.Средняя температура в батарейном отсеке снизилась на 2,9 °С, максимальная температура уменьшилась на 4,5 °С, а область, где наблюдалась максимальная температура, стала меньше.Разница высоких и низких температур в области батарейного отсека снижается на 2,4 °C, а эффект рассеивания тепла с воздушным охлаждением в батарейном отсеке улучшается.

(3) После добавления двойных дефлекторов в аккумуляторный отсек поле потока воздуха в аккумуляторном отсеке усложняется.Воздух образует несколько циклов в аккумуляторном отсеке, и теплообмен с аккумуляторным модулем более достаточен.Средняя температура в батарейном отсеке снизилась на 5,5°C, максимальная температура уменьшилась на 8,6°C, а область, где наблюдалась максимальная температура, стала меньше.Разница высоких и низких температур в области батарейного отсека снижена на 4,8 °C. и улучшен эффект рассеивания тепла с воздушным охлаждением аккумуляторного отсека.

Разумная установка дефлекторов в аккумуляторном отсеке позволяет эффективно изменить поле течения в аккумуляторном отсеке.. TВоздух может проводить более достаточный теплообмен с аккумуляторным модулем, тем самым изменяя распределение температуры аккумуляторного модуля.Средняя температура в батарейном отсеке снижается, а консистенция улучшается, что в определенной степени увеличивает срок службы батарейного модуля.

Оптимизированная система отвода тепла с воздушным охлаждением аккумуляторного отсека может подавить явление теплового разгона литий-ионного аккумуляторного модуля..яповысить безопасность работы аккумуляторного отсека для хранения энергии, продлить срок службы аккумулятора и повысить экономичность отвода тепла с воздушным охлаждением в аккумуляторном отсеке.