Просмотры:15 Автор:Pедактор сайта Время публикации: 2022-12-28 Происхождение:Работает
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.