Ի՞նչ է ջերմային կառավարման համակարգը:

Ի՞նչ է ջերմային կառավարման համակարգը:

Մարտկոցի ջերմային կառավարումը, որը հիմնված է մարտկոցի աշխատանքի վրա ջերմաստիճանի ազդեցության վրա, զուգակցված մարտկոցի էլեկտրաքիմիական բնութագրերի և ջերմության առաջացման մեխանիզմների հետ և հիմնված է որոշակի մարտկոցի լիցքավորման/լիցքաթափման ջերմաստիճանի օպտիմալ միջակայքում, տեխնոլոգիա է, որը լուծում է ջերմության արտանետումը կամ ջերմային արտահոսքը, որը առաջանում է մարտկոցի շահագործման ընթացքում չափազանց բարձր կամ ցածր ջերմաստիճանների պատճառով: Սա ձեռք է բերվում ռացիոնալ դիզայնի միջոցով և հիմնված է նյութերի գիտության, էլեկտրաքիմիայի, ջերմության փոխանցման, մոլեկուլային դինամիկայի և այլ առարկաների վրա: Գործառնական ջերմաստիճանի ողջամիտ տիրույթի պահպանումը կարևոր է մարտկոցի փաթեթի համար՝ լավ կատարողականությունը պահպանելու համար: Հետևաբար, լիթիում{3}}իոնային մարտկոցների համար ջերմային կառավարման ողջամիտ սխեմայի նախագծումը մեծ նշանակություն ունի մարտկոցների համակարգի ընդհանուր աշխատանքը բարելավելու համար:

Մարտկոցի ջերմային կառավարման համակարգը ունի հետևյալ հինգ հիմնական գործառույթները. ① մարտկոցի ջերմաստիճանի ճշգրիտ չափում և մոնիտորինգ; ② արդյունավետ ջերմության տարածում և օդափոխություն, երբ մարտկոցի փաթեթի ջերմաստիճանը չափազանց բարձր է. ③ արագ ջեռուցում ցածր-ջերմաստիճանի պայմաններում; ④ արդյունավետ օդափոխություն, երբ առաջանում են վնասակար գազեր. և ⑤ ապահովելով ջերմաստիճանի միասնական բաշխում մարտկոցի փաթեթում:

Բարձր արդյունավետության-մարտկոցի ջերմային կառավարման համակարգը պահանջում է համակարգված դիզայնի մոտեցում: Ներկայումս գոյություն ունեն ջերմային կառավարման համակարգերի նախագծման բազմաթիվ մեթոդաբանություններ: Առավել հաճախ օգտագործվում է մարտկոցների փաթեթի ջերմային կառավարման համակարգ, որը նախագծվել է Միացյալ Նահանգների Վերականգնվող էներգիայի ազգային լաբորատորիայի (NREL) կողմից, որի նախագծման գործընթացը ներառում է յոթ քայլ.

1) Որոշեք ջերմային կառավարման համակարգի ինքնա-տրամաչափը և պահանջները: Ելնելով մարտկոցի ջերմաստիճանի բնութագրերից և համապատասխան աշխատանքային ջերմաստիճանի միջակայքից՝ որոշեք ջերմային կառավարման համակարգի ինքնակառավարման{3} տրամաչափը: Օրինակ, լիթիումի-իոնային էներգիայի մարտկոցների համար հարմար աշխատանքային ջերմաստիճանը 10-40 աստիճան է, ցածր-ջերմաստիճանի սահմանաչափը 0 աստիճան է, իսկ բարձր{10}}ջերմաստիճանը` 45 աստիճան: Հետևաբար, ջերմային կառավարման համակարգի նախագծումը, մարտկոցի շահագործման ծայրահեղ ջերմաստիճաններին համապատասխանելով հանդերձ, պետք է ձգտի բավարարել մարտկոցի համապատասխան աշխատանքային ջերմաստիճանի պահանջները:

2) չափել կամ գնահատել մոդուլի ջերմության առաջացումը և ջերմային հզորությունը. Մարտկոցի լիցքավորման-լիցքաթափման թեստերի և մարտկոցի հատուկ ջերմային հզորության վրա հիմնված մոդելավորման հաշվարկների միջոցով որոշեք ջերմության արտանետումը կամ ջեռուցման հզորությունը:

3) Ջերմային կառավարման համակարգի սկզբնական գնահատում, ներառյալ ջերմափոխադրող միջավայրի ընտրությունը և ջերմության ցրման կառուցվածքի նախագծումը. Ընդհանուր առմամբ, մարտկոցի սառեցումը կատարվում է օդային սառեցման կամ հեղուկ սառեցման միջոցով: Օդի հովացման համակարգերը կառուցվածքով համեմատաբար պարզ են, բայց անարդյունավետ. հեղուկ հովացման համակարգերը կառուցվածքով բարդ են, բայց բարձր արդյունավետությամբ: Կան նաև ջեռուցման մեթոդների տարբեր ձևեր, ինչպիսիք են շրջանառվող տաք օդի ջեռուցումը, հեղուկ հոսքի ջեռուցումը և ջերմային աղբյուրից ուղղակի ջերմային ճառագայթման ջեռուցումը:

4) Կանխատեսել մոդուլի և մարտկոցի փաթեթի ջերմային վարքը: Ելնելով մարտկոցի փաթեթի աշխատանքային պայմաններից՝ կանխատեսեք և գնահատեք ջերմության արտանետման և ջեռուցման պահանջները կիրառման ընթացքում:

5) ջերմային կառավարման համակարգի նախնական նախագծում. Հիմնվելով որոշված ջերմային միջավայրի և ջերմային վարքագծի գնահատման արդյունքների վրա՝ իրականացնել ջերմային կառավարման համակարգի սկզբունքը և ինժեներական նախագծումը:

6) նախագծել և փորձարկել ջերմային կառավարման համակարգը. Արտադրեք մասշտաբային-ներքև կամ լրիվ-մարտկոցների համակարգեր և մարտկոցի ջերմային կառավարման համակարգը և ստուգեք ջերմային կառավարման համակարգի արդյունավետությունը փորձարկման նստարանի վրա գործող փաստացի մոդելավորված պայմաններում:

7) Օպտիմալացնել ջերմային կառավարման համակարգը. Փորձարարական արդյունքների հիման վրա բարելավել և օպտիմալացնել ջերմային կառավարման համակարգը:

Մարտկոցները ջերմության լավ հաղորդիչներ չեն: Միայն մակերեսային ջերմաստիճանի բաշխումը իմանալը բավարար չէ մարտկոցի ներքին ջերմային վիճակը լիովին հասկանալու համար: Ներքին ջերմաստիճանի դաշտի հաշվարկը մաթեմատիկական մոդելների միջոցով և մարտկոցի ջերմային վարքի կանխատեսումը անփոխարինելի քայլ է մարտկոցի ջերմային կառավարման համակարգերի նախագծման մեջ: Ներկայումս հիմնական մաթեմատիկական մոդելները ներառում են երկ-չափ և եռաչափ մոդելներ: Դրանցից եռաչափ մոդելը, իր գերազանց ճշգրտության և հարմարվողականության շնորհիվ, լայնորեն օգտագործվել է մարտկոցների ջերմային կառավարման բազմաթիվ համակարգերում: Մոդելը հետևյալն է.

Battery Thermal Field Calculation and Temperature Prediction

Որտեղ T-ը ջերմաստիճանն է;

ρ-ն միջին խտությունն է.

c_p-ը մարտկոցի հատուկ ջերմային հզորությունն է.

λ_x, λ_y, λ_z մարտկոցի ջերմահաղորդականությունն են համապատասխանաբար x, y և z ուղղություններով;

q-ն միավորի ծավալով ջերմության առաջացման արագությունն է:

Մարտկոցի տուփի մեջ մարտկոցի տարբեր մոդուլների միջև ջերմաստիճանի տարբերությունները խորացնում են մարտկոցի ներքին դիմադրության և հզորության անհամապատասխանությունները: Ժամանակի ընթացքում դա կարող է հանգեցնել որոշ մարտկոցների գերլիցքավորման կամ-լիցքավորման՝ ազդելով դրանց շահագործման ժամկետի և աշխատանքի վրա և ստեղծելով անվտանգության վտանգներ: Մարտկոցի տուփի մեջ մարտկոցի մոդուլների միջև ջերմաստիճանի տարբերությունները սերտորեն կապված են մարտկոցի փաթեթի դասավորության հետ: Ընդհանրապես, մեջտեղում գտնվող մարտկոցները հակված են ջերմություն կուտակելու, մինչդեռ ծայրերում գտնվող մարտկոցները ավելի լավ ջերմություն են տարածում: Հետևաբար, մարտկոցի փաթեթի կառուցվածքը և ջերմության արտանետումը նախագծելիս շատ կարևոր է ապահովել ջերմության միասնական արտանետում: Օդի սառեցման օրինակով, սովորաբար գոյություն ունեն օդափոխության երկու եղանակ՝ սերիական և զուգահեռ՝ ջերմության միատեսակ ցրում ապահովելու համար: Օդի հոսքի դիզայնը պետք է պահպանի հեղուկների մեխանիկայի և աերոդինամիկայի հիմնական սկզբունքները:

Մարտկոցի ջերմային կառավարման համակարգը նախագծելիս պետք է ուշադիր ընտրել օդափոխիչի տեսակը և հզորությունը, ջերմաստիճանի տվիչների քանակը և չափման կետերի գտնվելու վայրը:

Որպես օրինակ՝ հաշվի առնելով օդի սառեցումը, հովացման համակարգը նախագծելիս՝ ապահովելով որոշակի սառեցման էֆեկտ, հոսքի դիմադրությունը պետք է նվազագույնի հասցվի՝ օդափոխիչի աղմուկը և էներգիայի սպառումը նվազեցնելու համար՝ դրանով իսկ բարելավելով համակարգի ընդհանուր արդյունավետությունը: Օդափոխիչի էներգիայի սպառումը կարելի է գնահատել ճնշման անկման և հոսքի արագության գնահատմամբ՝ օգտագործելով փորձարարական, տեսական հաշվարկ և հեղուկների դինամիկայի (CFD) մեթոդները: Երբ հոսքի դիմադրությունը ցածր է, կարելի է հաշվի առնել առանցքային հոսքի օդափոխիչները. երբ հոսքի դիմադրությունը բարձր է, կենտրոնախույս օդափոխիչները ավելի հարմար են: Իհարկե, պետք է հաշվի առնել նաև օդափոխիչի զբաղեցրած տարածքը և դրա արժեքը։ Օդափոխիչի կառավարման օպտիմալ ռազմավարություն գտնելը նույնպես ջերմային կառավարման համակարգի գործառույթներից է:

Schematic diagram of temperature measurement points in the battery box

Մարտկոցի տուփի ջերմաստիճանի բաշխումը մարտկոցի տուփի ներսում ընդհանուր առմամբ անհավասար է, հետևաբար, անհրաժեշտ է իմանալ մարտկոցի ջերմային դաշտի բաշխումը տարբեր պայմաններում՝ ջերմաստիճանի կրիտիկական կետերը որոշելու համար: Ավելի շատ ջերմաստիճանի տվիչներ ապահովում են ավելի համապարփակ ջերմաստիճանի չափում, բայց մեծացնում են համակարգի արժեքը և բարդությունը: Կախված կոնկրետ ինժեներական համատեքստից՝ տեսականորեն վերջավոր տարրերի վերլուծությունը, ինֆրակարմիր ջերմային պատկերումը փորձերում կամ իրական{2}ժամանակի բազմակի{3}}ջերմաստիճանի մոնիտորինգը կարող են օգտագործվել մարտկոցի փաթեթի, մարտկոցի մոդուլների և առանձին բջիջների ջերմային դաշտի բաշխումը վերլուծելու և չափելու համար՝ որոշելով ջերմաստիճանի չափման կետերի քանակը և գտնելով համապատասխան կետեր տարբեր տարածքներում: Ընդհանուր դիզայնը պետք է ապահովի, որ ջերմաստիճանի տվիչները չեն ենթարկվում հովացման օդի հոսքին՝ բարելավելու ջերմաստիճանի չափումների ճշգրտությունն ու կայունությունը: Մարտկոցը նախագծելիս պետք է տեղ հատկացնել ջերմաստիճանի տվիչների համար. օրինակ, հարմար բացվածքներ կարող են նախագծվել համապատասխան վայրերում: Toyota-ի Prius հիբրիդային էլեկտրական մեքենայի մարտկոցների փաթեթն ունի 228 անհատական բջիջ, իսկ ջերմաստիճանի մոնիտորինգն իրականացվում է 5 ջերմաստիճանի սենսորների միջոցով։ Պեկինի տեխնոլոգիական ինստիտուտի կողմից նախագծված էլեկտրական ավտոբուսի էներգիայի մարտկոցի համակարգը օգտագործում է 6 ջերմաստիճանի չափման կետ մեկ տուփի համար (տե՛ս Նկար 8-16ա-ի շրջանակված տարածքը), որոնք դասավորված են մարտկոցի տուփի դրական և բացասական տերմինալներում և էլեկտրահաղորդման գծերի ելքային կետերում, ինչպես ցույց է տրված Նկար 8-16-ում:

Ելնելով ջերմային փոխանցման միջավայրից՝ մարտկոցների փաթեթի ջերմային կառավարման համակարգերի հովացումը կարելի է բաժանել երեք տեսակի՝ օդի հովացում, հեղուկ սառեցում և նյութի փուլափոխության հովացում։ Հաշվի առնելով նյութի հետազոտության և մշակման և արտադրության ծախսերը, ջերմության տարածման ամենաարդյունավետ և հաճախ օգտագործվող համակարգը ներկայումս օգտագործում է օդը որպես ջերմության արտանետման միջոց:

Ելնելով ջերմության ցրման օդային հոսքի կառուցվածքից՝ օդի հովացման համակարգերը կարող են հետագայում բաժանվել երկու տեսակի՝ սերիական օդափոխություն և զուգահեռ օդափոխություն, ինչպես ցույց է տրված համապատասխանաբար 8-17 և 8-18 նկարներում:

Սերիայի կոնֆիգուրացիայի դեպքում օդը սովորաբար հոսում է մարտկոցի փաթեթի մի կողմից մյուսը՝ ջերմությունը հեռացնելու համար: Այնուամենայնիվ, այս օդի հոսքը ջերմություն է տեղափոխում այն տարածքներից, որոնցով ավելի վաղ անցնում է դեպի այն տարածքները, որոնցով ավելի ուշ է անցնում, ինչը հանգեցնում է անհամապատասխան ջերմաստիճանների և ջերմաստիճանի զգալի տարբերությունների: Զուգահեռ կոնֆիգուրացիայի դեպքում մոդուլների միջև օդի հոսքը բարձրանում է ուղղահայաց՝ օդը բաշխելով ավելի համաչափ և ապահովելով մշտական ջերմության տարածում մարտկոցի ամբողջ փաթեթում:

Ջերմային կառավարման համակարգերը կարելի է դասակարգել պասիվ և ակտիվ համակարգերի` կախված ներքին ջեռուցման կամ հովացման սարքերի առկայությունից: Պասիվ համակարգերն ավելի քիչ ծախսատար են և պահանջում են ավելի պարզ ենթակառուցվածք; Ակտիվ համակարգերն ավելի բարդ են և պահանջում են ավելի մեծ լրացուցիչ հզորություն, բայց առաջարկում են ավելի լավ կատարում:

Նկարներ 8-19, 8-20 և 8-21 ցույց են տալիս համապատասխանաբար ակտիվ և պասիվ օդի տաքացման և ջերմության ցրման կառուցվածքների սխեմատիկ դիագրամներ:

Thermal Management System Design and Implementation

8-19 և 8-20 նկարներում, թեև օդը սառեցվել և տաքացվել է մեքենայի օդորակման կամ ջեռուցման համակարգով, այն դեռ համարվում է պասիվ համակարգ: Այս պասիվ համակարգով, ներածված միջավայրի օդի ջերմաստիճանի անհամապատասխանության պատճառով, շրջակա օդը պետք է գործի որոշակի ջերմաստիճանի միջակայքում (10~35 աստիճան) պատշաճ ջերմային կառավարման համար: Չափազանց ցուրտ կամ շոգ պայմաններում աշխատելը կարող է հանգեցնել մարտկոցի ավելի մեծ անհավասարության:

Ջեռուցման համակարգերում, բացի մարտկոցի փաթեթում տաք օդի ներմուծումից, կարող են օգտագործվել այլ մեթոդներ, ինչպես ցույց է տրված Նկար 8-22~8-25-ում (պրիզմատիկ մարտկոցների համար):

Other heating methods