რა არის თერმული მართვის სისტემა?

რა არის თერმული მართვის სისტემა?

ბატარეის თერმული მენეჯმენტი, ეფუძნება ტემპერატურის გავლენას ბატარეის მუშაობაზე, ბატარეის ელექტროქიმიურ მახასიათებლებთან და სითბოს წარმოქმნის მექანიზმებთან ერთად და დაფუძნებულია კონკრეტული ბატარეის ოპტიმალურ დატენვის/დამუხტვის ტემპერატურულ დიაპაზონში, არის ტექნოლოგია, რომელიც ეხება სითბოს გაფრქვევას ან თერმულ გაქცევას, რომელიც გამოწვეულია ზედმეტად მაღალი ან დაბალი ტემპერატურით ბატარეის მუშაობის დროს. ეს მიიღწევა რაციონალური დიზაინით და დაფუძნებულია მასალების მეცნიერებაში, ელექტროქიმიაში, სითბოს გადაცემაში, მოლეკულურ დინამიკაში და სხვა დისციპლინებში. გონივრული ოპერაციული ტემპერატურის დიაპაზონის შენარჩუნება აუცილებელია ბატარეის ნაკრებისთვის კარგი მუშაობის შესანარჩუნებლად. ამიტომ, ლითიუმის-იონური ბატარეების გონივრული თერმული მართვის სქემის შემუშავებას დიდი მნიშვნელობა აქვს ბატარეის სისტემის საერთო მუშაობის გასაუმჯობესებლად.

ბატარეის პაკეტის თერმული მართვის სისტემას აქვს შემდეგი ხუთი ძირითადი ფუნქცია: ① ბატარეის ტემპერატურის ზუსტი გაზომვა და მონიტორინგი; ② ეფექტური სითბოს გაფრქვევა და ვენტილაცია, როდესაც ბატარეის პაკეტის ტემპერატურა ძალიან მაღალია; ③ სწრაფი გათბობა დაბალ-ტემპერატურულ პირობებში; ④ ეფექტური ვენტილაცია მავნე გაზების წარმოქმნისას; და ⑤ ბატარეის პაკეტში ტემპერატურის ერთგვაროვანი განაწილების უზრუნველყოფა.

მაღალი-ბატარეის პაკეტის თერმული მართვის სისტემა სისტემატიურ დიზაინის მიდგომას მოითხოვს. ამჟამად, თერმული მართვის სისტემების დიზაინის მრავალი მეთოდოლოგია არსებობს. ყველაზე ხშირად გამოიყენება ბატარეის პაკეტის თერმული მართვის სისტემა, რომელიც შექმნილია განახლებადი ენერგიის ეროვნული ლაბორატორიის (NREL) მიერ შეერთებულ შტატებში, რომლის დიზაინის პროცესი მოიცავს შვიდ საფეხურს:

1) განსაზღვრეთ თერმული მართვის სისტემის თვით-კალიბრი და მოთხოვნები. ბატარეის ტემპერატურული მახასიათებლებისა და ოპერაციული ტემპერატურის შესაფერისი დიაპაზონის საფუძველზე, განსაზღვრეთ თერმული მართვის სისტემის თვითკონტროლის-კალიბრი. მაგალითად, ლითიუმის-იონური კვების ელემენტებისთვის შესაფერისი სამუშაო ტემპერატურაა 10~40 გრადუსი, დაბალი-ტემპერატურული ლიმიტი 0 გრადუსით და მაღალი{10}ტემპერატურის ლიმიტი 45 გრადუსით. ამიტომ, თერმული მართვის სისტემის დიზაინი, ბატარეის ექსტრემალურ ოპერაციულ ტემპერატურასთან ერთად, უნდა ცდილობდეს დააკმაყოფილოს ბატარეის შესაბამისი სამუშაო ტემპერატურის მოთხოვნები.

2) მოდულის სითბოს გამომუშავებისა და სითბოს სიმძლავრის გაზომვა ან შეფასება. ბატარეის დატენვის-დამუხტვის ტესტებისა და სიმულაციური გამოთვლების მეშვეობით, ბატარეის სპეციფიკური სითბოს სიმძლავრის საფუძველზე, განსაზღვრეთ სითბოს გაფრქვევა ან გათბობის სიმძლავრე.

3) თერმული მართვის სისტემის საწყისი შეფასება, სითბოს გადაცემის საშუალების შერჩევისა და სითბოს გაფრქვევის სტრუქტურის დაპროექტების ჩათვლით. ზოგადად, ბატარეის გაგრილება მიიღწევა ჰაერის გაგრილებით ან თხევადი გაგრილებით. ჰაერის გაგრილების სისტემები სტრუქტურით შედარებით მარტივია, მაგრამ არაეფექტური; თხევადი გაგრილების სისტემები რთული სტრუქტურაა, მაგრამ ძალიან ეფექტური. ასევე არსებობს გათბობის მეთოდების სხვადასხვა ფორმა, როგორიცაა ცირკულაციის ცხელი ჰაერის გათბობა, თხევადი ნაკადის გათბობა და პირდაპირი თერმული გამოსხივების გათბობა სითბოს წყაროდან.

4) მოდულის და ბატარეის პაკეტის თერმული ქცევის პროგნოზირება. ბატარეის პაკეტის მუშაობის პირობებიდან გამომდინარე, წინასწარ განსაზღვრეთ და შეაფასეთ სითბოს გაფრქვევისა და გათბობის მოთხოვნები გამოყენების დროს.

5) თერმული მართვის სისტემის წინასწარი პროექტი. განსაზღვრული სითბური გარემოსა და თერმული ქცევის შეფასების შედეგების საფუძველზე, ჩაატარეთ თერმული მართვის სისტემის პრინციპი და საინჟინრო დიზაინი.

6) თერმული მართვის სისტემის დაპროექტება და ტესტირება. შექმენით მასშტაბური-დაბალი ან სრული-მასშტაბიანი ბატარეის სისტემები და ბატარეის თერმული მართვის სისტემა და შეამოწმეთ თერმული მართვის სისტემის ეფექტურობა იმიტირებულ რეალურ სამუშაო პირობებში ტესტის სკამზე.

7) თერმული მართვის სისტემის ოპტიმიზაცია. ექსპერიმენტული შედეგების საფუძველზე თერმული მართვის სისტემის გაუმჯობესება და ოპტიმიზაცია.

ბატარეები არ არიან სითბოს კარგი გამტარები. მხოლოდ ზედაპირის ტემპერატურის განაწილების ცოდნა საკმარისი არ არის ბატარეის შიდა თერმული მდგომარეობის სრულად გასაგებად. შიდა ტემპერატურის ველის გამოთვლა მათემატიკური მოდელების გამოყენებით და ბატარეის თერმული ქცევის პროგნოზირება შეუცვლელი ნაბიჯია ბატარეის თერმული მართვის სისტემების დიზაინში. ამჟამად, ძირითადი მათემატიკური მოდელები მოიცავს ორ-განზომილებიან და სამ-განზომილებიან მოდელებს. მათ შორის, სამგანზომილებიანი მოდელი, მისი შესანიშნავი სიზუსტისა და ადაპტაციის გამო, ფართოდ იქნა გამოყენებული ბატარეის თერმული მართვის მრავალ სისტემაში. მოდელი ასეთია:

Battery Thermal Field Calculation and Temperature Prediction

სადაც T არის ტემპერატურა;

ρ არის საშუალო სიმკვრივე;

c_p არის ბატარეის სპეციფიკური სითბოს მოცულობა;

λ_x, λ_y, λ_z არის ბატარეის თბოგამტარობა x, y და z მიმართულებით, შესაბამისად;

q არის სითბოს გამომუშავების სიჩქარე ერთეულ მოცულობაზე.

ტემპერატურული განსხვავებები ბატარეის სხვადასხვა მოდულს შორის ბატარეის ყუთში აძლიერებს შეუსაბამობას ბატარეის შიდა წინააღმდეგობასა და მოცულობაში. დროთა განმავლობაში, ამან შეიძლება გამოიწვიოს ზოგიერთი ბატარეის გადატვირთვა ან გადატვირთვა-, რაც გავლენას მოახდენს მათ ხანგრძლივობასა და მუშაობაზე და შეუქმნის საფრთხეს უსაფრთხოებისთვის. ტემპერატურული განსხვავებები ბატარეის მოდულებს შორის ბატარეის ყუთში მჭიდრო კავშირშია ბატარეის პაკეტის მოწყობასთან. ზოგადად, შუაში მყოფი ბატარეები სითბოს აგროვებენ, ხოლო კიდეებზე მდებარე ბატარეებს აქვთ სითბოს უკეთესი გაფრქვევა. ამიტომ, ბატარეის პაკეტის სტრუქტურისა და სითბოს გაფრქვევის შემუშავებისას, გადამწყვეტი მნიშვნელობა აქვს სითბოს ერთგვაროვანი გაფრქვევის უზრუნველყოფას. ჰაერის გაგრილების მაგალითად, არსებობს ზოგადად ვენტილაციის ორი მეთოდი: სერიული და პარალელური, სითბოს ერთგვაროვანი გაფრქვევის უზრუნველსაყოფად. ჰაერის ნაკადის დიზაინი უნდა შეესაბამებოდეს სითხის მექანიკის და აეროდინამიკის ძირითად პრინციპებს.

ბატარეის თერმული მართვის სისტემის დიზაინის შექმნისას გულდასმით უნდა შეირჩეს ვენტილატორის ტიპი და სიმძლავრე, ტემპერატურის სენსორების რაოდენობა და საზომი წერტილების მდებარეობა.

მაგალითად, ჰაერის გაგრილების გათვალისწინებით, გაგრილების სისტემის დიზაინის შექმნისას, გარკვეული გაგრილების ეფექტის უზრუნველსაყოფად, ნაკადის წინააღმდეგობა მინიმუმამდე უნდა შემცირდეს, რათა შემცირდეს ვენტილატორის ხმაური და ენერგიის მოხმარება, რითაც გაუმჯობესდება სისტემის საერთო ეფექტურობა. ვენტილატორის ენერგიის მოხმარება შეიძლება შეფასდეს წნევის ვარდნისა და ნაკადის სიჩქარის შეფასებით ექსპერიმენტული, თეორიული გაანგარიშებისა და სითხის დინამიკის (CFD) მეთოდების გამოყენებით. როდესაც ნაკადის წინააღმდეგობა დაბალია, შეიძლება ჩაითვალოს ღერძული ნაკადის ვენტილატორები; როდესაც ნაკადის წინააღმდეგობა მაღალია, ცენტრიდანული ვენტილატორები უფრო შესაფერისია. რა თქმა უნდა გასათვალისწინებელია ვენტილატორის მიერ დაკავებული სივრცე და მისი ღირებულებაც. ვენტილატორის კონტროლის ოპტიმალური სტრატეგიის პოვნა ასევე თერმული მართვის სისტემის ერთ-ერთი ფუნქციაა.

Schematic diagram of temperature measurement points in the battery box

ბატარეის პაკეტის ტემპერატურის განაწილება ბატარეის ყუთში ზოგადად არათანაბარია, ამიტომ აუცილებელია ვიცოდეთ ბატარეის პაკეტის თერმული ველის განაწილება სხვადასხვა პირობებში, რათა განისაზღვროს კრიტიკული ტემპერატურის წერტილები. მეტი ტემპერატურის სენსორი უზრუნველყოფს ტემპერატურის უფრო ყოვლისმომცველ გაზომვას, მაგრამ ზრდის სისტემის ღირებულებას და სირთულეს. სპეციფიკური საინჟინრო კონტექსტიდან გამომდინარე, თეორიულად, სასრული ელემენტების ანალიზი, ინფრაწითელი თერმული გამოსახულება ექსპერიმენტებში ან რეალურ{2}}დროში მრავალ-ტემპერატურული მონიტორინგი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ბატარეის პაკეტის, ბატარეის მოდულების და ცალკეული უჯრედების თერმული ველის განაწილების გასაანალიზებლად და გასაზომად, ტემპერატურის საზომი წერტილების რაოდენობის დასადგენად და სხვადასხვა ზონაში შესაფერისი წერტილების მოსაძებნად. ზოგადი დიზაინი უნდა უზრუნველყოფდეს, რომ ტემპერატურის სენსორები არ ექვემდებარება ჰაერის გაგრილებას, რათა გაუმჯობესდეს ტემპერატურის გაზომვების სიზუსტე და სტაბილურობა. ბატარეის დაპროექტებისას ადგილი უნდა იყოს დაცული ტემპერატურის სენსორებისთვის; მაგალითად, შესაფერისი ღიობები შეიძლება დაპროექტდეს შესაბამის ადგილებში. Toyota-ს პრიუსის ჰიბრიდული ელექტრომობილის ბატარეის პაკეტს აქვს 228 ინდივიდუალური უჯრედი, ტემპერატურის მონიტორინგს კი 5 ტემპერატურის სენსორი ახორციელებს. პეკინის ტექნოლოგიური ინსტიტუტის მიერ შექმნილი ელექტრული ავტობუსის კვების ბატარეის სისტემა იყენებს 6 ტემპერატურის საზომ წერტილს თითო ყუთში (იხ. წრის არე 8-16a), განლაგებულია დადებით და უარყოფით ტერმინალებზე და ბატარეის ყუთის ელექტროგადამცემი ხაზის გამომავალ წერტილებზე, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 8-16.

სითბოს გადაცემის საშუალების მიხედვით, ბატარეის პაკეტის თერმული მართვის სისტემების გაგრილება შეიძლება დაიყოს სამ ტიპად: ჰაერის გაგრილება, თხევადი გაგრილება და ფაზის შეცვლის მასალის გაგრილება. მასალის კვლევისა და განვითარებისა და წარმოების ხარჯების გათვალისწინებით, ყველაზე ეფექტური და ხშირად გამოყენებული სითბოს გაფრქვევის სისტემა ამჟამად იყენებს ჰაერს, როგორც სითბოს გაფრქვევის საშუალებას.

სითბოს გაფრქვევის ჰაერის ნაკადის სტრუქტურიდან გამომდინარე, ჰაერის გაგრილების სისტემები შეიძლება დაიყოს ორ ტიპად: სერიული ვენტილაცია და პარალელური ვენტილაცია, როგორც ნაჩვენებია სურათებში 8-17 და 8-18, შესაბამისად.

სერიის კონფიგურაციაში, ჰაერი ჩვეულებრივ მიედინება ბატარეის პაკეტის ერთი მხრიდან მეორეზე სითბოს მოსაშორებლად. თუმცა, ჰაერის ეს ნაკადი ატარებს სითბოს იმ უბნებიდან, რომლებშიც უფრო ადრე გადის იმ ადგილებში, სადაც მოგვიანებით გადის, რაც იწვევს არათანმიმდევრულ ტემპერატურას და მნიშვნელოვან ტემპერატურულ განსხვავებებს. პარალელურად კონფიგურაციაში, ჰაერის ნაკადი მოდულებს შორის იზრდება ვერტიკალურად, ანაწილებს ჰაერს უფრო თანაბრად და უზრუნველყოფს სითბოს თანმიმდევრულ გაფრქვევას ბატარეის პაკეტში.

თერმული მართვის სისტემები შეიძლება დაიყოს პასიურ და აქტიურ სისტემებად იმის მიხედვით, აქვთ თუ არა შიდა გათბობის ან გაგრილების მოწყობილობები. პასიური სისტემები ნაკლებად ძვირია და საჭიროებს მარტივ ინფრასტრუქტურას; აქტიური სისტემები უფრო რთულია და უფრო მეტ დამატებით ენერგიას მოითხოვს, მაგრამ უკეთეს შესრულებას გვთავაზობენ.

ნახაზები 8-19, 8-20 და 8-21 გვიჩვენებს, შესაბამისად, აქტიური და პასიური ჰაერის გათბობის და სითბოს გაფრქვევის სტრუქტურების სქემატურ დიაგრამებს.

Thermal Management System Design and Implementation

სურათებში 8-19 და 8-20, მიუხედავად იმისა, რომ ჰაერი გაცივდა და გაცხელდა მანქანის კონდიცირების ან გათბობის სისტემით, ის მაინც ითვლება პასიურ სისტემად. ამ პასიური სისტემით, შეყვანილი ატმოსფერული ჰაერის ტემპერატურის შეუსაბამობის გამო, ატმოსფერული ჰაერი უნდა მუშაობდეს გარკვეული ტემპერატურის დიაპაზონში (10-35 გრადუსი) სათანადო თერმული მართვისთვის. უკიდურესად ცივ ან ცხელ პირობებში მუშაობამ შეიძლება გამოიწვიოს ბატარეის უფრო დიდი უთანასწორობა.

გათბობის სისტემებში, ბატარეის პაკეტში ცხელი ჰაერის შეყვანის გარდა, სხვა მეთოდების გამოყენება შესაძლებელია, როგორც ნაჩვენებია 8-22~8-25 სურათებში (პრიზმული ბატარეებისთვის).

Other heating methods