Отвод тепла от батареи с воздушным охлаждением

Литий-ионные аккумуляторы стали одним из основных типов аккумуляторов для аккумуляторных отсеков благодаря своим превосходным характеристикам. Однако литий-ионные аккумуляторы постоянно выделяют тепло во время зарядки и разрядки. В то же время из-за ограничений аккумуляторного отсека тепло, выделяемое литий-ионным аккумулятором, будет продолжать накапливаться в аккумуляторном отсеке и не может вовремя рассеиваться во внешнюю среду. В результате внутренняя температура батарейного отсека продолжает повышаться, создавая риск перегрева и создавая угрозу безопасности аккумуляторного отсека. Безопасность и экономичность отсеков для аккумуляторных батарей всегда были основными вопросами, влияющими на их развитие. Ключом к устойчивому развитию аккумуляторных отсеков для хранения энергии является решение проблемы рассеивания тепла в аккумуляторном отсеке.

Традиционная система отвода тепла в аккумуляторном отсеке 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 схема проектирования системы отвода тепла воздушного охлаждения аккумуляторного отсека. Выбранная модель расчета тепловыделения батареи выглядит следующим образом.

ρ – средняя плотность аккумуляторного модуля; Cp – удельная теплоемкость аккумуляторного модуля; Т – температура Кельвина аккумулятора; т - время; кx, кy, кz - скорость теплопроводности батареи по осям x, y и z; q - коэффициент тепловыделения в единице объема аккумуляторного модуля

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

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

В основном существует два метода расчета удельной теплоемкости Cp аккумуляторного модуля. Экспериментальный метод заключается в использовании калориметра для непосредственного измерения батарейного модуля. Теоретический метод заключается в получении удельной теплоемкости аккумуляторного модуля путем 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 измерениям, удельная теплоемкость используемой одиночной литий-железо-фосфатной батареи составляет 1 329 Дж/(кг·К). Согласно экспериментальным измерениям и расчетам по формулам, скорость тепловыделения модуля литий-железо-фосфатной батареи, используемого в этой статье, составляет 13 757,2 Вт/м.3 при зарядке на 1С.

Существует три основных способа теплопередачи между объектами., теплопроводность, тепловая конвекция и тепловое излучение. В процессе теплопередачи батареи теплопроводность в основном происходит внутри батареи, а конвекция тепла в основном происходит на поверхности контакта между аккумуляторным модулем и воздухом.

Теплопроводность внутри батареи осуществляется через внутренние материалы, включая токосъемники, электродные материалы, сепараторы и электролиты. Теплопроводность внутри батареи осуществляется в основном за счет твердых веществ, поэтому теплопроводностью в электролите можно пренебречь и уравнение энергии теплопроводности батареи можно выразить следующим образом.

∇2 T - оператор Лапласа передачи температуры батареи в космос; λ – теплопроводность аккумулятора; Q - скорость тепловыделения внутренней теплопроводности аккумулятора.

Тепловая конвекция аккумулятора в основном реализуется за счет контакта поверхности аккумуляторного модуля с воздухом. Тепловую конвекцию между поверхностью батареи и внешним миром можно выразить следующим образом, используя закон охлаждения Ньютона.

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

Теплообмен при воздушном охлаждении аккумуляторного отсека в основном происходит на поверхности контакта аккумуляторного модуля с воздухом. Для изучения теплоотдачи аккумуляторного отсека с воздушным охлаждением необходимо создать модель жидкостно-твердой связи для аккумуляторного отсека, чтобы проанализировать взаимоотношения теплопередачи между поверхностью аккумуляторного модуля и воздухом.

u - скорость поля жидкости; k - теплопроводность аккумулятора

Согласно выражению теплопередачи взаимодействия жидкость-твердое тело, для имитационного расчета удобнее выбрать модель k-эпсилон.

Модель создается в соответствии с пропорцией фактического отсека для хранения энергии, а базовая модель аккумуляторного отсека создается с помощью SolidWorks и имеет длину 12 м, ширину 2,4 м и высоту 2,8 м. Всего в аккумуляторном отсеке размещено 12 аккумуляторных блоков, по 6 групп с каждой стороны, каждый аккумуляторный блок состоит из 15 аккумуляторных модулей. Фактический вид отсека литий-ионной батареи и внутреннее устройство модели показаны на рисунке 1.

Чтобы оптимизировать эффект рассеивания тепла в улучшенном аккумуляторном отсеке, в верхней части аккумуляторного отсека добавлен дефлектор, ширина которого составляет 500 мм. Существует два разных метода оптимизации: добавление одного дефлектора и добавление двойного дефлектора в аккумуляторный отсек во время проектирования. Компоновка двух разных моделей батарейного отсека с добавленными дефлекторами показана на рисунке 2.

Внутренняя структура аккумуляторного модуля сложна, а распределение материала в разных направлениях и теплопроводность являются другой. В таблице 1 показаны тепловые характеристики корпуса модуля литий-железо-фосфатной батареи и направления осей x, y и z.

Путем расчета площади поверхности аккумуляторного модуля площадь рассеивания тепла батареи может быть получена как 178,85 м2.2. Установка решателя внутри батарейного отсека в качестве поля связи жидкость-твердое тело может напрямую использовать условия конвективной теплопередачи.

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 устанавливается 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 батарейном отсеке сосредоточена в центре батарейного отсека, и распределение температуры очень неравномерно. Средняя температура в аккумуляторном отсеке составляет 46,3 °C, а разница между высокой и низкой температурой в области аккумуляторного блока составляет 26,5 °C. Температура в центральной части аккумуляторного отсека самая высокая — 57,15 °C. Самая низкая температура составляет 27,5 ℃ в верхней части и у входа в аккумуляторный отсек. Кривая изменения средней температуры области кластера аккумуляторов по направлению воздухозаборника представлена ​​на рисунке 4.

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

In Рисунок 5, Скорость воздуха в верхней части аккумуляторного отсека большая и составляет 3,2 м/с. Большая часть воздуха вытекает непосредственно из розетки, и лишь небольшая часть воздуха гонит воздух в нижнюю половину батарейного отсека, образуя циркуляцию. Скорость воздуха в средней части аккумуляторного отсека составляет 0,8 м/с. Большое количество воздуха не обеспечивает достаточный теплообмен с аккумуляторным модулем, что приводит к напрасной трате ресурсов, и аккумуляторный отсек не может обеспечить хороший эффект рассеивания тепла.

Чтобы добиться лучшего отвода тепла из аккумуляторного отсека, можно повысить интенсивность теплообмена между аккумуляторным модулем и воздухом. За счет рационального расположения дефлекторов поле потока в аккумуляторном отсеке изменяется, делая его более равномерным и обеспечивая более полный контакт воздуха и аккумуляторного модуля.

Обычно воздухозаборное и выпускное отверстия аккумуляторного отсека расположены в верхней части верхней части. В это время поток воздуха будет циркулировать только над аккумуляторным отсеком., что делает охлаждающий эффект модулей, расположенных в нижней части аккумуляторного отсека, неудовлетворительным. Температура охлаждающей поверхности модели аккумуляторного отсека после добавления одного дефлектора показана на рисунке 6.

In Рисунок 6, при установке дефлектора рядом с воздухозаборником аккумуляторного отсека распределение температуры в аккумуляторном отсеке сильно меняется. Область высокой температуры меньше и более равномерно распределена. Падают как максимальная температура, так и средняя температура в аккумуляторном отсеке. Средняя температура в аккумуляторном отсеке составляет 43,4 °C, а разница температур между зонами аккумуляторного блока — 24,1 °C. Самая высокая температура наблюдалась только в задней половине аккумуляторного отсека и составила 52,65 °C. Самая низкая температура наблюдается возле впускного отверстия и дефлектора и составляет 26,85 ℃. Кривая изменения средней температуры области кластера аккумуляторов по направлению воздухозаборника представлена ​​на рисунке 7.

In Рисунок 7, общая температурная кривая имеет горбовую форму. Самая высокая температура в области первого пика составляет 43,41 ℃. Эта часть представляет собой область перед дефлектором, и воздух не изменяется 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 аккумуляторного отсека. Самая низкая температура в районе кластера батарей наблюдается в желобе и составляет 29,04 °С. Эта часть представляет собой область, где воздух непосредственно охлаждается после того, как дефлектор меняет направление ветра.. AИ аккумуляторный модуль может лучше осуществлять теплообмен с воздухом с более низкой температурой.

При попадании воздуха в аккумуляторный отсек из воздухозаборника канал потока перекрывается дефлектором.. TНаправление потока воздуха искусственно изменено так, 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.ура 8 .

In На рисунке 8 он блокируется дефлектором и направление потока меняется 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 областях второй половины аккумуляторного отсека все еще слишком высока, рядом с воздуховыпускным отверстием аккумуляторного отсека добавляется дополнительный одиночный дефлектор для достижения однородного поля потока. Диаграмма температурного облака охлаждающей поверхности модели аккумуляторного отсека после добавления двойных дефлекторов представлена ​​на рисунке 9.

In Рисунок 9, при установке дефлектора рядом с воздуховыпускным отверстием аккумуляторного отсека максимальная температура и средняя температура аккумуляторного отсека существенно изменяются. Средняя температура в аккумуляторном отсеке составляет 40,8 °C, а разница температур между зонами аккумуляторного блока — 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 средней температуры области кластера аккумуляторов по направлению воздухозаборника показана на рисунке 10.

In Рисунок 10, Общая температурная кривая аналогична случаю одного дефлектора, показывая две области пиков и одну область минимума. Самая низкая температура в районе кластера батарей наблюдается в желобе и составляет 29,05 ℃. Самая высокая температура в области первого пика составляет 40,65 ℃, что ниже, чем в случае только одного дефлектора. Самая высокая температура в области второго пика составляет 46,05 ℃, и температура значительно упала. Это показывает, что увеличение дефлектора возле воздуховыпускного отверстия способствует снижению температуры в аккумуляторном отсеке и разницы температур.

Поскольку добавление двойных дефлекторов усложнит поле потока в аккумуляторном отсеке, теплообмен между воздухом и аккумуляторным модулем усилится и средняя температура в аккумуляторном отсеке еще больше снизится по сравнению со случаем с одинарным доска. Скорость поля потока показана в Fiфигура 11.

In Рисунок 11, когда воздух циркулирует за аккумуляторным отсеком, он блокируется дефлектором. Поле потока в аккумуляторном отсеке более сложное, и все аккумуляторные модули могут полностью контактировать с воздухом для лучшего рассеивания тепла. В то же время распределение температуры в аккумуляторном отсеке более равномерное, а консистенция аккумулятора лучше, что может снизить вероятность возникновения пожара и взрыва в аккумуляторном отсеке.. В соответствии с Проведя анализ и оптимизацию его воздушного охлаждения на базе SolidWorks и Ansys, сделаны следующие выводы.

(1) Добавление системы воздушного охлаждения в аккумуляторный отсек может охладить аккумуляторный модуль в аккумуляторном отсеке, но это ограничено конструкцией аккумуляторного отсека.. ТВоздух может лишь образовывать простую циркуляцию в аккумуляторном отсеке, и аккумуляторный модуль не может охлаждаться. Батарейный модуль в центральной части аккумуляторного отсека приводит к более сильному повышению температуры, а самая высокая температура в центральной части составляет 57,15 °C. После длительной работы срок службы аккумуляторного модуля в центральной зоне сократится, а согласованность между аккумуляторными модулями ухудшится, что повлияет на нормальную работу аккумуляторного отсека.

(2) После добавления одного дефлектора в аккумуляторный отсек поле потока воздуха в аккумуляторном отсеке усложняется. Воздух образует 2 основные циркуляции в аккумуляторном отсеке, обеспечивая больший контакт с аккумуляторными модулями для более эффективного теплообмена. Средняя температура в батарейном отсеке снизилась на 2,9 °C, максимальная температура снизилась на 4,5 °C, а область, где возникла максимальная температура, стала меньше. Разница высоких и низких температур в области аккумуляторного блока снижается на 2,4 °C, а эффект рассеивания тепла при воздушном охлаждении аккумуляторного отсека улучшается.

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

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

Оптимизированная система отвода тепла с воздушным охлаждением аккумуляторного отсека может подавить явление термического разгона модуля литий-ионной батареи.. яПовысьте безопасность работы аккумуляторного отсека, продлите срок службы аккумулятора и улучшите экономичность отвода тепла с воздушным охлаждением аккумуляторного отсека.