سیستم مدیریت حرارتی چیست؟

سیستم مدیریت حرارتی چیست؟

مدیریت حرارتی باتری، بر اساس تأثیر دما بر عملکرد باتری، همراه با ویژگی‌های الکتروشیمیایی باتری و مکانیسم‌های تولید گرما، و در محدوده دمایی شارژ/دشارژ بهینه یک باتری خاص، یک فناوری است که به اتلاف گرما یا فرار حرارتی ناشی از دمای بیش از حد بالا یا پایین در طول کارکرد باتری می‌پردازد. این امر از طریق طراحی منطقی به دست می آید و در علم مواد، الکتروشیمی، انتقال حرارت، دینامیک مولکولی و سایر رشته ها است. حفظ محدوده دمای عملیاتی معقول برای بسته باتری برای حفظ عملکرد خوب ضروری است. بنابراین، طراحی یک طرح مدیریت حرارتی معقول برای بسته‌های باتری لیتیوم{3} یونی برای بهبود عملکرد کلی سیستم باتری اهمیت زیادی دارد.

سیستم مدیریت حرارتی بسته باتری دارای پنج عملکرد اصلی زیر است: ① اندازه گیری دقیق و نظارت بر دمای باتری. ② اتلاف گرمای موثر و تهویه زمانی که دمای بسته باتری خیلی زیاد است. ③ گرمایش سریع در شرایط دمای پایین-. ④ تهویه موثر در هنگام تولید گازهای مضر. و ⑤ اطمینان از توزیع یکنواخت دما در بسته باتری.

یک سیستم مدیریت حرارتی بسته باتری با کارایی بالا-به یک رویکرد طراحی سیستماتیک نیاز دارد. در حال حاضر، روش‌های طراحی بسیاری برای سیستم‌های مدیریت حرارتی وجود دارد. متداول ترین سیستم مدیریت حرارتی بسته باتری است که توسط آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر (NREL) در ایالات متحده طراحی شده است که فرآیند طراحی آن شامل هفت مرحله است:

1) خود-و الزامات سیستم مدیریت حرارتی را تعیین کنید. بر اساس مشخصات دمای باتری و محدوده دمای عملیاتی مناسب، کالیبر خود کنترلی سیستم مدیریت حرارتی را تعیین کنید. به عنوان مثال، دمای کار مناسب برای باتری‌های لیتیوم{5} یونی 10 تا 40 درجه، با حد دمای پایین 0 درجه و حداکثر دمای 45 درجه است. بنابراین، طراحی سیستم مدیریت حرارتی باید ضمن برآورده شدن دمای عملیاتی شدید باتری، تلاش کند تا نیازهای دمای کارکرد مناسب باتری را برآورده کند.

2) تولید گرما و ظرفیت گرمایی ماژول را اندازه گیری یا برآورد کنید. از طریق آزمایش‌های تخلیه{2}}شارژ باتری و محاسبات شبیه‌سازی بر اساس ظرفیت گرمایی ویژه باتری، اتلاف گرما یا قدرت گرمایش را تعیین کنید.

3) ارزیابی اولیه سیستم مدیریت حرارتی شامل انتخاب محیط انتقال حرارت و طراحی ساختار اتلاف حرارت. به طور کلی، خنک سازی باتری از طریق خنک کننده هوا یا خنک کننده مایع حاصل می شود. سیستم های خنک کننده هوا از نظر ساختار نسبتاً ساده اما ناکارآمد هستند. سیستم های خنک کننده مایع ساختار پیچیده ای دارند اما بسیار کارآمد هستند. همچنین اشکال مختلفی از روش های گرمایش وجود دارد، مانند گرمایش هوای گرم در گردش، گرمایش جریان مایع و گرمایش مستقیم تابش حرارتی از منبع گرما.

4) رفتار حرارتی ماژول و بسته باتری را پیش بینی کنید. بر اساس شرایط عملکرد بسته باتری، اتلاف گرما و نیازهای گرمایشی را در طول کاربرد پیش بینی و ارزیابی کنید.

5) طراحی اولیه سیستم مدیریت حرارتی. بر اساس محیط حرارتی تعیین شده و نتایج ارزیابی رفتار حرارتی، طراحی اصولی و مهندسی سیستم مدیریت حرارتی را انجام دهید.

6) طراحی و تست سیستم مدیریت حرارتی. سیستم‌های باتری و سیستم مدیریت حرارتی باتری-مقیاس شده یا کامل{3}} را تولید کنید و کارآیی سیستم مدیریت حرارتی را تحت شرایط عملیاتی شبیه‌سازی شده واقعی روی یک میز آزمایش تأیید کنید.

7) سیستم مدیریت حرارتی را بهینه کنید. بهبود و بهینه سازی سیستم مدیریت حرارتی بر اساس نتایج تجربی.

باتری ها رسانای خوبی برای گرما نیستند. دانستن تنها توزیع دمای سطح برای درک کامل وضعیت حرارتی داخلی باتری کافی نیست. محاسبه میدان دمای داخلی با استفاده از مدل‌های ریاضی و پیش‌بینی رفتار حرارتی باتری، گامی ضروری در طراحی سیستم‌های مدیریت حرارتی باتری است. در حال حاضر، مدل‌های اصلی ریاضی شامل مدل‌های دو بعدی و سه بعدی هستند. در این میان، مدل سه بعدی، به دلیل دقت و سازگاری عالی، به طور گسترده در بسیاری از سیستم های مدیریت حرارتی باتری استفاده شده است. مدل به شرح زیر است:

Battery Thermal Field Calculation and Temperature Prediction

جایی که T دما است.

ρ چگالی متوسط است.

c_p ظرفیت گرمایی ویژه باتری است.

λ_x، λ_y، λ_z به ترتیب هدایت حرارتی باتری در جهت های x، y و z هستند.

q نرخ تولید گرما در واحد حجم است.

تفاوت دما بین ماژول های مختلف باتری در جعبه باتری ناهماهنگی در مقاومت داخلی و ظرفیت باتری را تشدید می کند. با گذشت زمان، این می تواند منجر به شارژ بیش از حد یا تخلیه بیش از حد برخی از باتری ها شود که بر طول عمر و عملکرد آنها تأثیر بگذارد و خطرات ایمنی ایجاد کند. تفاوت دما بین ماژول های باتری در جعبه باتری ارتباط نزدیکی با آرایش بسته باتری دارد. به طور کلی، باتری های وسط تمایل به جمع آوری گرما دارند، در حالی که باتری هایی که در لبه ها قرار دارند اتلاف گرما بهتری دارند. بنابراین، هنگام طراحی ساختار بسته باتری و اتلاف گرما، اطمینان از اتلاف حرارت یکنواخت بسیار مهم است. با در نظر گرفتن خنک کننده هوا به عنوان مثال، به طور کلی دو روش تهویه وجود دارد: سری و موازی، برای اطمینان از اتلاف گرما یکنواخت. طراحی جریان هوا باید از اصول اولیه مکانیک سیالات و آیرودینامیک پیروی کند.

هنگام طراحی سیستم مدیریت حرارتی باتری، نوع و قدرت فن، تعداد سنسورهای دما و محل نقاط اندازه گیری باید با دقت انتخاب شود.

با در نظر گرفتن خنک کننده هوا به عنوان مثال، هنگام طراحی سیستم خنک کننده، ضمن اطمینان از یک اثر خنک کننده خاص، مقاومت جریان باید به حداقل برسد تا صدای فن و مصرف برق کاهش یابد و در نتیجه کارایی کلی سیستم بهبود یابد. توان مصرفی فن را می توان با تخمین افت فشار و دبی با استفاده از روش های تجربی، محاسبات نظری و دینامیک سیالات (CFD) تخمین زد. هنگامی که مقاومت جریان کم است، می توان فن های جریان محوری را در نظر گرفت. هنگامی که مقاومت جریان بالا باشد، فن های سانتریفیوژ مناسب تر هستند. البته فضای اشغال شده توسط پنکه و هزینه آن نیز باید در نظر گرفته شود. یافتن استراتژی کنترل بهینه فن نیز یکی از وظایف سیستم مدیریت حرارتی است.

Schematic diagram of temperature measurement points in the battery box

توزیع دمای بسته باتری در داخل جعبه باتری به طور کلی ناهموار است، بنابراین، لازم است توزیع میدان حرارتی بسته باتری را در شرایط مختلف برای تعیین نقاط دمای بحرانی دانست. سنسورهای دمای بیشتر اندازه گیری دما جامع تری را ارائه می دهند، اما هزینه و پیچیدگی سیستم را افزایش می دهند. بسته به زمینه مهندسی خاص، از نظر تئوری، تجزیه و تحلیل اجزای محدود، تصویربرداری حرارتی مادون قرمز در آزمایش‌ها، یا پایش دمای چند نقطه‌ای در زمان واقعی می‌تواند برای تحلیل و اندازه‌گیری توزیع میدان حرارتی بسته باتری، ماژول‌های باتری و سلول‌های جداگانه، تعیین تعداد نقاط اندازه‌گیری دما و یافتن نقاط مناسب در مناطق مختلف استفاده شود. یک طراحی کلی باید اطمینان حاصل کند که سنسورهای دما در معرض جریان هوای خنک کننده قرار نمی گیرند تا دقت و پایداری اندازه گیری دما بهبود یابد. هنگام طراحی باتری، فضا باید برای سنسورهای دما در نظر گرفته شود. برای مثال می توان دهانه های مناسبی را در مکان های مناسب طراحی کرد. بسته باتری خودروی برقی هیبریدی تویوتا پریوس دارای 228 سلول جداگانه است و نظارت بر دما توسط 5 سنسور دما انجام می شود. سیستم باتری برق اتوبوس برقی طراحی شده توسط موسسه فناوری پکن از 6 نقطه اندازه گیری دما در هر جعبه استفاده می کند (به ناحیه دایره شده در شکل 8-16a مراجعه کنید)، که در پایانه های مثبت و منفی و نقاط خروجی خط برق جعبه باتری چیده شده اند، همانطور که در شکل 8-16 نشان داده شده است.

بر اساس محیط انتقال حرارت، خنک کننده سیستم های مدیریت حرارتی بسته باتری را می توان به سه نوع تقسیم کرد: خنک کننده هوا، خنک کننده مایع و خنک کننده مواد تغییر فاز. با در نظر گرفتن تحقیق و توسعه مواد و هزینه های ساخت، موثرترین و متداول ترین سیستم اتلاف حرارت در حال حاضر از هوا به عنوان واسطه اتلاف حرارت استفاده می کند.

بر اساس ساختار جریان هوای اتلاف گرما، سیستم های خنک کننده هوا را می توان بیشتر به دو نوع تقسیم کرد: تهویه سری و تهویه موازی که به ترتیب در شکل های 8-17 و 8-18 نشان داده شده است.

در پیکربندی سری، هوا معمولاً از یک طرف بسته باتری به طرف دیگر جریان می یابد تا گرما را از بین ببرد. با این حال، این جریان هوا گرما را از مناطقی که زودتر از آن عبور می‌کند به مناطقی که دیرتر از آن‌ها عبور می‌کند، منتقل می‌کند و در نتیجه دماهای ناسازگار و تفاوت دماهای قابل توجهی ایجاد می‌کند. در یک پیکربندی موازی، جریان هوا بین ماژول‌ها به صورت عمودی افزایش می‌یابد و هوا را به طور یکنواخت‌تر توزیع می‌کند و از اتلاف گرما در سراسر بسته باتری اطمینان حاصل می‌کند.

سیستم های مدیریت حرارتی را می توان بر اساس اینکه دستگاه های گرمایش یا سرمایش داخلی دارند به سیستم های غیرفعال و فعال طبقه بندی کرد. سیستم های غیرفعال هزینه کمتری دارند و به زیرساخت های ساده تری نیاز دارند. سیستم‌های فعال پیچیده‌تر هستند و به توان اضافی بیشتری نیاز دارند، اما عملکرد بهتری دارند.

شکل های 8-19، 8-20 و 8-21 به ترتیب نمودارهای شماتیک سازه های گرمایش هوای فعال و غیرفعال و اتلاف گرما را نشان می دهند.

Thermal Management System Design and Implementation

در شکل های 8-19 و 8-20، اگرچه هوا توسط سیستم تهویه مطبوع یا گرمایش خودرو خنک و گرم شده است، اما همچنان یک سیستم غیرفعال در نظر گرفته می شود. با این سیستم غیرفعال، به دلیل ناهماهنگی در دمای هوای محیط معرفی شده، هوای محیط برای مدیریت حرارتی مناسب باید در محدوده دمایی معینی (10 تا 35 درجه) عمل کند. کارکرد در شرایط بسیار سرد یا گرم ممکن است منجر به ناهمواری بیشتر در بسته باتری شود.

در سیستم های گرمایش، علاوه بر وارد کردن هوای گرم به بسته باتری، روش های دیگری را می توان استفاده کرد، همانطور که در شکل های 8-22~8-25 نشان داده شده است (برای باتری های منشوری).

Other heating methods