Жылу басқару жүйесі дегеніміз не?

Жылу басқару жүйесі дегеніміз не?

Аккумулятордың электрохимиялық сипаттамаларымен және жылу генерациялау механизмдерімен үйлесетін және белгілі бір батареяның оңтайлы зарядтау/разряд температурасы диапазонында жерлендірілген батареяның өнімділігіне температураның әсеріне негізделген батареяның жылуын басқару батареяның жұмысы кезінде тым жоғары немесе төмен температурадан туындаған жылу диссипациясын немесе термиялық қашуды қарастыратын технология болып табылады. Бұл рационалды жобалау арқылы қол жеткізіледі және материалтану, электрохимия, жылу алмасу, молекулалық динамика және басқа да пәндерге негізделген. Батарея жинағының жақсы өнімділігін сақтау үшін қолайлы жұмыс температурасы диапазонын сақтау өте маңызды. Сондықтан литий{3}}ионды батареялар жинақтары үшін жылуды басқарудың ақылға қонымды схемасын жасау батарея жүйесінің жалпы өнімділігін жақсарту үшін үлкен маңызға ие.

Батарея жинағының жылуды басқару жүйесінің келесі бес негізгі функциясы бар: ① батареяның температурасын дәл өлшеу және бақылау; ② батарея жинағының температурасы тым жоғары болған кезде тиімді жылуды тарату және желдету; ③ төмен{0}}температура жағдайында жылдам қыздыру; ④ зиянды газдар пайда болған кезде тиімді желдету; және ⑤ батарея жинағындағы температураның біркелкі таралуын қамтамасыз ету.

Жоғары{0}}өнімді батареялар жинағын термиялық басқару жүйесі жүйелі жобалау тәсілін қажет етеді. Қазіргі уақытта жылуды басқару жүйелерін жобалаудың көптеген әдістемелері бар. Ең жиі қолданылатыны Құрама Штаттардағы Ұлттық жаңартылатын энергия зертханасы (NREL) әзірлеген батареялар жинағын жылумен басқару жүйесі болып табылады, оның жобалау процесі жеті қадамды қамтиды:

1) Жылу басқару жүйесінің өзіндік-калибрін және талаптарын анықтаңыз. Батареяның температуралық сипаттамаларына және қолайлы жұмыс температурасының диапазонына сүйене отырып, жылуды басқару жүйесінің басқару калибрін- анықтаңыз. Мысалы, литий{5}}қуат батареялары үшін қолайлы жұмыс температурасы 10~40 градус, төмен{8}}температура шегі 0 градус және жоғары{10}}температура шегі 45 градус. Сондықтан жылуды басқару жүйесінің дизайны аккумулятордың экстремалды жұмыс температурасына сай бола отырып, батареяның қолайлы жұмыс температурасы талаптарын қанағаттандыруға тырысуы керек.

2) Модульдің жылу өндіру және жылу сыйымдылығын өлшеу немесе бағалау. Батареяның заряды-разряды сынақтары және батареяның меншікті жылу сыйымдылығына негізделген модельдеу есептеулері арқылы жылу шығынын немесе қыздыру қуатын анықтаңыз.

3) жылуды басқару жүйесін бастапқы бағалау, оның ішінде жылу тасымалдағышты таңдау және жылуды тарату құрылымын жобалау. Әдетте, батареяны салқындату ауамен салқындату немесе сұйық салқындату арқылы жүзеге асырылады. Ауа салқындату жүйелері құрылымы бойынша салыстырмалы түрде қарапайым, бірақ тиімсіз; сұйық салқындату жүйелері құрылымы жағынан күрделі, бірақ тиімділігі жоғары. Сондай-ақ қыздыру әдістерінің әртүрлі нысандары бар, мысалы, циркуляциялық ыстық ауаны жылыту, сұйықтық ағынымен жылыту және жылу көзінен тікелей жылу сәулеленуімен жылыту.

4) Модуль мен батарея жинағының жылулық әрекетін болжаңыз. Батарея жинағының жұмыс шарттарына сүйене отырып, қолдану кезінде жылуды бөлу және қыздыру талаптарын болжаңыз және бағалаңыз.

5) Жылу басқару жүйесін алдын ала жобалау. Анықталған жылу ортасы мен жылулық мінез-құлықты бағалау нәтижелеріне сүйене отырып, жылуды басқару жүйесінің принципі мен инженерлік жобасын жасаңыз.

6) Жылу басқару жүйесін жобалау және сынақтан өткізу. Масштабты -кішірейтілген немесе толық-батарея жүйелерін және батареяның жылуды басқару жүйесін жасаңыз және сынақ стендінде модельденген нақты жұмыс жағдайларында жылуды басқару жүйесінің тиімділігін тексеріңіз.

7) Жылу басқару жүйесін оңтайландыру. Эксперименттік нәтижелер негізінде жылуды басқару жүйесін жетілдіру және оңтайландыру.

Батареялар жылуды жақсы өткізбейді. Тек беттік температураның таралуын білу батареяның ішкі жылулық күйін толық түсіну үшін жеткіліксіз. Математикалық модельдер арқылы ішкі температура өрісін есептеу және батареяның жылулық әрекетін болжау батареяның жылуды басқару жүйелерін жобалаудағы таптырмас қадам болып табылады. Қазіргі уақытта негізгі математикалық модельдер екі өлшемді және үш өлшемді-модельдерді қамтиды. Олардың ішінде үш өлшемді модель өзінің тамаша дәлдігі мен бейімделгіштігіне байланысты көптеген батареялардың жылуды басқару жүйелерінде кеңінен қолданылды. Модель келесідей:

Battery Thermal Field Calculation and Temperature Prediction

Мұндағы T – температура;

ρ – орташа тығыздық;

c_p - батареяның меншікті жылу сыйымдылығы;

λ_x, λ_y, λ_z - сәйкесінше x, y және z бағыттардағы аккумулятордың жылу өткізгіштігі;

q – көлем бірлігіне жылу өндіру жылдамдығы.

Батарея қорабындағы әртүрлі батарея модульдері арасындағы температура айырмашылығы батареяның ішкі кедергісі мен сыйымдылығындағы сәйкессіздікті күшейтеді. Уақыт өте келе бұл кейбір батареялардың шамадан тыс зарядталуына немесе шамадан тыс зарядталуына-, олардың қызмет ету мерзімі мен өнімділігіне әсер етіп, қауіпсіздікке қауіп төндіруі мүмкін. Батарея қорабындағы батарея модульдері арасындағы температура айырмашылығы батарея жинағының орналасуына тығыз байланысты. Әдетте, ортадағы батареялар жылуды жинақтайды, ал шетіндегі батареялар жылуды жақсырақ таратады. Сондықтан, аккумуляторлар жинағының құрылымын және жылуды бөлуді жобалау кезінде біркелкі жылу диссипациясын қамтамасыз ету өте маңызды. Мысал ретінде ауаны салқындатуды алатын болсақ, әдетте екі желдету әдісі бар: біркелкі жылудың таралуын қамтамасыз ету үшін тізбекті және параллельді. Ауа ағынының дизайны сұйықтық механикасы мен аэродинамиканың негізгі принциптеріне сәйкес келуі керек.

Аккумулятордың жылуды басқару жүйесін жобалау кезінде желдеткіштің түрі мен қуатын, температура сенсорларының санын және өлшеу нүктелерінің орналасуын мұқият таңдау керек.

Мысал ретінде ауаны салқындатуды алсақ, салқындату жүйесін жобалау кезінде белгілі бір салқындату әсерін қамтамасыз ете отырып, желдеткіш шуы мен қуат тұтынуды азайту үшін ағынның кедергісін азайту керек, осылайша жүйенің жалпы тиімділігін арттыру керек. Желдеткіштің қуат тұтынуын эксперименттік, теориялық есептеу және сұйықтық динамикасы (CFD) әдістерін пайдалана отырып, қысымның төмендеуі мен шығынын бағалау арқылы бағалауға болады. Ағынның кедергісі төмен болған кезде осьтік ағынның желдеткіштерін қарастыруға болады; ағынның кедергісі жоғары болған кезде орталықтан тепкіш желдеткіштер қолайлы. Әрине, желдеткіштің алатын орны мен оның құны да ескерілуі керек. Желдеткішті басқарудың оңтайлы стратегиясын табу да жылуды басқару жүйесінің функцияларының бірі болып табылады.

Schematic diagram of temperature measurement points in the battery box

Батарея қорапшасының ішіндегі температураның таралуы әдетте біркелкі емес, сондықтан сыни температура нүктелерін анықтау үшін әртүрлі жағдайларда батарея жинағының жылу өрісінің таралуын білу қажет. Көбірек температура сенсорлары температураны өлшеуді қамтамасыз етеді, бірақ жүйенің құны мен күрделілігін арттырады. Арнайы инженерлік контекстке байланысты теориялық тұрғыдан ақырғы элементтерді талдау, эксперименттерде инфрақызыл термиялық бейнелеу немесе нақты{2}}уақыттағы көп нүктелік температураны бақылау батареялар жинағының, батарея модульдерінің және жеке ұяшықтардың жылу өрісінің таралуын талдау және өлшеу, температураны өлшеу нүктелерінің санын анықтау және әртүрлі аймақтардағы қолайлы нүктелерді табу үшін пайдаланылуы мүмкін. Жалпы дизайн температураны өлшеудің дәлдігі мен тұрақтылығын жақсарту үшін температура сенсорларының салқындатқыш ауа ағынының әсеріне ұшырамауын қамтамасыз етуі керек. Аккумуляторды жобалау кезінде температура сенсорлары үшін орын қалдыру керек; мысалы, қолайлы саңылауларды тиісті орындарда жобалауға болады. Toyota компаниясының Prius гибридті электрокөлігінің аккумуляторы 228 жеке ұяшықтан тұрады және температураны бақылау 5 температура датчигі арқылы жүзеге асырылады. Пекин технологиялық институты әзірлеген электр автобусының қуат батареясы жүйесі 8-16-суретте көрсетілгендей, оң және теріс терминалдарда және батарея қорабының қуат беру желісінің шығыс нүктелерінде орналастырылған әр қорапқа 6 температураны өлшеу нүктесін пайдаланады (8-16а суретіндегі дөңгелектелген аумақты қараңыз).

Жылу тасымалдағышының негізінде аккумуляторлар жинағының жылуды басқару жүйелерін салқындату үш түрге бөлінеді: ауамен салқындату, сұйық салқындату және фазалық ауыспалы материалды салқындату. Материалды зерттеу, әзірлеу және өндіру шығындарын ескере отырып, ең тиімді және жиі қолданылатын жылуды тарату жүйесі қазіргі уақытта жылуды таратушы орта ретінде ауаны пайдаланады.

Жылу диссипациясының ауа ағынының құрылымына сүйене отырып, ауаны салқындату жүйелерін екі түрге бөлуге болады: сәйкесінше 8-17 және 8-18 суреттерде көрсетілгендей тізбекті желдету және параллельді желдету.

Сериялық конфигурацияда ауа әдетте жылуды кетіру үшін батарея жинағының бір жағынан екінші жағына ағып кетеді. Дегенмен, бұл ауа ағыны жылуды бұрын өтетін аймақтардан кейінірек өтетін аймақтарға тасымалдайды, нәтижесінде сәйкес келмейтін температуралар мен айтарлықтай температура айырмашылықтары пайда болады. Параллельді конфигурацияда модульдер арасындағы ауа ағыны тігінен көтеріліп, ауаны біркелкі таратады және батарея жинағында тұрақты жылу таралуын қамтамасыз етеді.

Жылуды басқару жүйелерін ішкі жылыту немесе салқындату құрылғыларының болуы негізінде пассивті және белсенді жүйелерге бөлуге болады. Пассивті жүйелер арзанырақ және қарапайым инфрақұрылымды қажет етеді; белсенді жүйелер күрделірек және көбірек қосымша қуатты қажет етеді, бірақ жақсы өнімділікті ұсынады.

8-19, 8-20 және 8-21 суреттерде тиісінше белсенді және пассивті ауаны жылыту және жылуды тарату құрылымдарының принципиалды диаграммалары көрсетілген.

Thermal Management System Design and Implementation

8-19 және 8-20 суреттерде ауа автомобильдің кондиционері немесе жылыту жүйесі арқылы салқындатылған және жылытылғанымен, ол әлі де пассивті жүйе болып саналады. Бұл пассивті жүйеде енгізілген қоршаған ауа температурасының сәйкес келмеуіне байланысты жылуды дұрыс басқару үшін қоршаған ауа белгілі бір температура диапазонында (10~35 градус) жұмыс істеуі керек. Өте суық немесе ыстық жағдайларда жұмыс істеу батарея жинағындағы үлкен біркелкілікке әкелуі мүмкін.

Жылыту жүйелерінде батареялар жинағына ыстық ауаны енгізуден басқа 8-22~8-25 суреттерде көрсетілгендей басқа әдістерді қолдануға болады (призматикалық батареялар үшін).

Other heating methods