A bateria de força é uma parte importante do veículo elétrico, e seu desempenho restringe diretamente a potência, segurança e economia do veículo. A densidade de energia da bateria de energia determina a quilometragem do veículo elétrico, a densidade de energia determina o gradiente máximo e a velocidade máxima, a vida útil e o custo afetam o custo do veículo e a economia de uso e a segurança elétrica/térmica e a adaptabilidade ambiental da bateria de energia determinam o veículo elétrico. O fator chave da segurança do veículo e adaptabilidade ambiental.
As baterias de íon-lítio são uma versão atualizada das baterias de níquel-hidreto metálico. Eles têm alta densidade de energia (cerca de 250 W h/kg) e densidade de potência (cerca de 1500 W/kg), e têm grandes vantagens em termos de alcance de cruzeiro e vida útil. É o foco da pesquisa atual e desenvolvimento e industrialização.
O sistema de bateria de íons de lítio é uma fonte de energia eletroquímica com fluxo complexo e processo de transferência de calor. A temperatura é o principal fator que afeta seu desempenho, que se reflete principalmente em três aspectos: (1) O aumento da temperatura agravará o declínio da capacidade da bateria. Causa fuga térmica; (2) Se a temperatura estiver muito baixa, a potência e a capacidade da bateria diminuirão significativamente e a eficiência de carga e descarga diminuirá; (3) A diferença de temperatura entre diferentes baterias na bateria levará a inconsistências na resistência interna e capacidade das células e velocidade desigual de envelhecimento, formando uma pranchinha no desempenho e na vida útil de todo o sistema de bateria.
Portanto, o desempenho de trabalho da bateria de energia é amplamente afetado pela temperatura. É necessário projetar uma estrutura de sistema de gerenciamento térmico razoável e desenvolver uma estratégia avançada de controle de gerenciamento térmico para fazer a bateria funcionar dentro de uma faixa de temperatura adequada e controlar efetivamente a diferença de temperatura entre as células. , melhorando assim o desempenho da bateria de energia.
Este artigo apresenta primeiro o mecanismo de geração de calor das baterias de íon-lítio e a influência da temperatura em seu desempenho, explica a importância do gerenciamento térmico das baterias e os requisitos de projeto dos sistemas de gerenciamento térmico; Pesquisa em gerenciamento térmico de baterias de tecnologia de tubo de calor; finalmente, são propostas as principais questões e perspectivas de pesquisa a serem resolvidas na pesquisa de gerenciamento térmico de baterias com base na tecnologia de tubo de calor.
01 Características de geração de calor de bateria de íon-lítio e requisitos de gerenciamento térmico
A essência do processo de carga e descarga das baterias de íons de lítio é a migração de íons e a reação química. O Li plus é intercalado e extraído em materiais de carbono em camadas e óxidos metálicos, conforme mostrado na Figura 1. Sob condições normais de trabalho, as fontes de calor da bateria incluem calor ôhmico, calor de reação eletroquímica e calor de polarização. À medida que a temperatura sobe, uma série de reações químicas exotérmicas ocorre dentro da bateria, incluindo decomposição do eletrólito, decomposição térmica do eletrodo negativo, reação entre o eletrodo negativo e o eletrólito, reação de decomposição do filme SEI, etc. Temperatura excessiva pode levar à fuga térmica. As reações que ocorrem dentro da bateria são mostradas na Figura 2.
Figura 1 Diagrama esquemático do movimento de íons durante o carregamento e descarregamento de baterias de íons de lítio
Figura 2 Reações eletroquímicas dentro de baterias de íons de lítio em diferentes temperaturas
A temperatura causa mudanças no desempenho eletroquímico, o que afeta o desempenho e a vida útil da bateria. À medida que a temperatura aumenta, a taxa de reação eletroquímica aumenta, o que intensifica a atenuação da capacidade da bateria; o ambiente de baixa temperatura também causará atenuação do desempenho da bateria, a capacidade de migração de íons de lítio no material ativo do eletrodo é enfraquecida e a capacidade de carga e descarga cai rapidamente.
Além disso, temperaturas muito altas ou muito baixas aceleram o envelhecimento da bateria e afetam sua vida útil. Especialmente no caso de carga e descarga de alta taxa, o impacto da temperatura na vida útil da bateria é mais significativo. Estudos demonstraram que a perda de capacidade das baterias de lítio Sony 18650 é de 30% após 800 ciclos a 25 graus e quase 60% após 800 ciclos a 50 graus. A temperatura de armazenamento muito alta ou muito baixa também causará deterioração da capacidade da bateria de lítio e acelerará o envelhecimento.
Os sistemas de bateria de veículos geralmente são compostos de centenas ou milhares de células de bateria, e as baterias enfrentam problemas térmicos mais graves. Afetada por fatores como estrutura de transferência de calor, modo de conexão série-paralelo e condições de operação, a temperatura de cada bateria no pacote de bateria mostra forte inconsistência durante a operação, o que leva a inconsistência na resistência interna, atenuação de capacidade e profundidade de descarga da bateria, o que, por sua vez, leva à diminuição da capacidade útil e da vida útil geral da bateria (Figura 3).
Figura 3 Efeito da diferença de temperatura na capacidade disponível da bateria
De fato, a consistência da temperatura da célula é um parâmetro importante para determinar a taxa de utilização da vida útil da célula, que por sua vez afeta a vida útil da bateria (equação (1)). Portanto, é particularmente importante garantir a consistência da temperatura da célula.
Duração da bateria=duração da bateria x taxa de utilização da duração da bateria (1)
Resumindo, é de grande importância controlar a temperatura da bateria de alimentação e reduzir a diferença de temperatura entre as células individuais para melhorar o desempenho da bateria. Atualmente, acredita-se que a faixa de temperatura operacional ideal das baterias de lítio seja de 25 a 40 graus, e a diferença de temperatura entre as células seja inferior a 5 graus. A maioria das tecnologias atuais de gerenciamento térmico visam a temperatura e a diferença de temperatura mencionadas acima e projetam a estrutura e o método de controle do sistema de gerenciamento térmico para garantir a eficiência de trabalho e a vida útil da bateria de energia.
02 Métodos comuns de gerenciamento térmico
O gerenciamento térmico da bateria inclui dissipação de calor em alta temperatura e aquecimento em baixa temperatura. Os métodos comuns de dissipação de calor da bateria incluem tecnologias de dissipação de calor da bateria baseadas em gás (ar), líquido, material de mudança de fase sólida (material de mudança de fase, PCM) e tubos de calor. Os métodos de aquecimento de baixa temperatura do módulo de bateria incluem principalmente aquecimento externo baseado em fluido ou coeficiente positivo de temperatura (PTC) e aquecimento interno baseado no calor gerado pela própria bateria.
2.1 Tecnologia de refrigeração da bateria
A aplicação de ar inclui principalmente convecção forçada e resfriamento natural. Os pesquisadores estudaram as características de transferência de calor da bateria por meio do projeto da estrutura do duto de ar de resfriamento, do arranjo da bateria e da otimização da estratégia de controle de ventilação, e propuseram medidas para aumentar a transferência de calor e melhorar a uniformidade da temperatura. Devido às vantagens de baixo custo, estrutura simples do sistema e fácil manutenção, o sistema refrigerado a ar é aplicado a alguns modelos com curto alcance de cruzeiro e desempenho de alto custo. Por exemplo, o Nissan LEAF usa um sistema passivo de gerenciamento térmico da bateria para dissipar o calor para sua bateria de íon-lítio. , Além disso, Toyota Prius, Kia Soul EV, SAIC Roewe MARVELX também usam refrigeração a ar. No entanto, para baterias de íons de lítio em larga escala, o resfriamento a ar não pode atender aos requisitos de dissipação de calor devido à grande carga térmica da bateria e ao longo tempo de relaxamento da condução de calor. Especialmente em ambientes de alta temperatura, a eficiência da transferência de calor da tecnologia de gerenciamento térmico refrigerado a ar é baixa e a inconsistência é grande, o que dificulta o atendimento aos requisitos de gerenciamento térmico.
Devido ao baixo coeficiente de transferência de calor por convecção do ar, o uso de líquido em vez de ar tornou-se um meio inevitável de aumentar a transferência de calor. A pesquisa geralmente organiza placas de resfriamento líquido na parte inferior da bateria ou entre as células para dissipação de calor. Atualmente, a maior parte da pesquisa sobre sistema de refrigeração líquida está focada no projeto de canais de resfriamento: aumentando o número de canais de líquido de resfriamento, melhorando a estrutura dos canais de resfriamento, organizando aletas nos canais e projetando placas frias combinadas conectadas para melhorar o calor dissipação e uniformidade de temperatura. Nos últimos anos, pesquisas sobre o uso de novos refrigerantes como refrigerantes de gerenciamento de calor também são comuns, como o uso de metais líquidos, fluidos nanometálicos, etc., para obter maior dissipação de calor.
Atualmente, diferentes fabricantes de automóveis têm diferentes métodos de aplicação para resfriamento líquido e dissipação de calor. O sistema de resfriamento líquido da Tesla usa um refrigerante misto de água e etilenoglicol com uma proporção de massa de 1:1 e organiza os tubos de resfriamento na bateria 18650 de maneira sinuosa. Dissipação de calor para cada célula; o módulo de bateria tipo bolsa Chevrolet Volt também usa refrigeração líquida para dissipar o calor. Conforme mostrado na Figura 4, cada duas células tipo bolsa constituem uma unidade, e uma placa de alumínio com um canal de fluxo refrigerado a líquido é disposta entre as duas células, um projeto de canal de fluxo paralelo é adotado para realizar o resfriamento de grande área de cada célula . Além disso, existe um método de dissipação de calor da bateria baseado no princípio da mudança de fase líquida, ou seja, o evaporador do sistema de ar condicionado é instalado na parte inferior do sistema da bateria e o calor gerado pela bateria é retirado pelo refrigerante evaporação, também conhecido como resfriamento direto. As aplicações típicas são a série BMW i3. Resfriamento líquido e gerenciamento de calor é um método relativamente comum em aplicações de engenharia atuais, mas o sistema é mais complicado, a massa é maior e existe a possibilidade de vazamento.
Figura 4 Sistema de refrigeração da bateria Volt e estrutura da placa fria
O gerenciamento térmico da bateria baseado em materiais de mudança de fase sólido-líquido é outro foco de pesquisa atual. O princípio é usar a mudança de fase PCM para absorver o calor para reduzir a temperatura da bateria. O PCM pode efetivamente garantir a uniformidade de temperatura da bateria, mas a condutividade térmica do material é ruim, portanto, a pesquisa atual se concentra principalmente na preparação de materiais PCM e na melhoria de sua condutividade térmica. Além disso, o peso pesado do PCM reduz a densidade de energia da bateria. As razões acima limitam a aplicação de materiais de mudança de fase no gerenciamento térmico de baterias de energia.
2.2 Tecnologia de aquecimento da bateria
O desempenho de carga e descarga das baterias de íons de lítio é significativamente reduzido em ambientes de baixa temperatura. Portanto, é necessário pré-aquecer as baterias para melhorar seu desempenho. A tecnologia de aquecimento atual é dividida principalmente em duas categorias: aquecimento interno e aquecimento externo.
O aquecimento interno refere-se ao método de aquecimento da bateria por meio de sua resistência interna para gerar calor, incluindo aquecimento CA externo, carregamento de pulso mútuo e aquecimento de descarga entre baterias e aquecimento de autodescarga da bateria. Além disso, Wang et al. projetou uma bateria de três eletrodos, adicionando eletrodos de níquel e obtendo um rápido início de aquecimento da bateria rápida por meio da troca de eletrodos.
O aquecimento externo inclui principalmente o método de aquecimento de ar e o método de aquecimento de líquido. O primeiro usa fio de aquecimento elétrico para aquecer o ar e depois aquecer a bateria, a temperatura é uniforme, mas o consumo de energia é alto. Este último aquece a bateria aquecendo o líquido no canal de fluxo, que tem uma estrutura mais complexa e um aumento de temperatura mais lento. Além do método de aquecimento acima mencionado baseado em convecção, PTC ou filme de aquecimento de baixa potência também pode ser usado para aquecer diretamente a superfície da bateria, o que terá um certo impacto na dissipação de calor da bateria. Além disso, existe também um método de gerenciamento térmico da bateria usando o princípio de absorção/liberação de calor do PCM.
Figura 5 Diagrama esquemático do princípio de funcionamento do tubo de calor
O uso de tubos de calor como elementos de transferência de calor para dissipação de calor em alta temperatura/aquecimento em baixa temperatura de baterias é um novo método de gerenciamento térmico. O tubo de calor é um elemento de troca de calor eficiente baseado no princípio da mudança de fase gás-líquido, e seu princípio de funcionamento é mostrado na Figura 5. O meio de trabalho líquido evapora e vaporiza na extremidade de aquecimento, flui para a outra extremidade acionado pelo diferença de pressão e condensa e libera calor na seção de condensação. O meio de trabalho líquido retorna à seção de evaporação ao longo do material poroso através da força capilar, que tem as vantagens de alta eficiência de transferência de calor e boa uniformidade de temperatura. .
Figura 6 Diagrama esquemático de comparação de desempenho de sistemas de gerenciamento térmico baseados em resfriamento a ar, resfriamento líquido e tubos de calor
Os tubos de calor têm sido amplamente utilizados na indústria química e de energia, aeroespacial, energia eletrônica e outros campos. No campo do gerenciamento térmico da bateria, os tubos de calor têm grandes vantagens em termos de dissipação de calor/taxa de aquecimento e uniformidade de temperatura da bateria (Figura 6). Em termos de dissipação de calor de alta temperatura, em comparação com o resfriamento de ar forçado, o método de condução de calor através de tubos de calor e, em seguida, a troca de calor refrigerada a ar pode reduzir a temperatura da bateria em mais de 20 graus (bateria quadrada de 20 Ah, descarga de 5C); em termos de aquecimento de baixa temperatura, baterias baseadas na condução de calor do tubo de calor A taxa de aquecimento é 1,5 vezes maior que a do aquecimento direto PTC. Especialmente sob condições de carga e descarga de alta corrente, o tubo de calor exibe um desempenho de transferência de calor superior e uniformidade de temperatura. A aplicação de tubos de calor ajuda a realizar a pesquisa e o desenvolvimento de futuras baterias de alto desempenho e tem recebido muita atenção nos últimos anos.
03 Pesquisa sobre gerenciamento térmico de baterias com base na tecnologia de tubo de calor
FIGO. 7 é um diagrama esquemático de um sistema típico de gerenciamento térmico de bateria usando tubos de calor como componentes de transferência de calor. O calor gerado durante o processo de carga e descarga de cada célula é transferido diretamente (ou através de um meio condutor de calor, como uma placa de alumínio) para o tubo de calor disposto na lateral ou na parte inferior da célula e, em seguida, o calor é retirado pelo sistema de dissipação de calor na extremidade fria do tubo de calor. Pode-se ver na figura que os principais fatores que afetam o desempenho da transferência de calor do sistema incluem três aspectos: (1) As condições de operação e produção de calor da bateria de energia, ou seja, a influência das condições de trabalho da fonte de calor no desempenho do sistema de gestão térmica; (2) As características de transferência de calor do tubo de calor, principalmente envolve a influência do design da estrutura interna do tubo de calor e seu arranjo na bateria de energia no desempenho de dissipação de calor do sistema; (3) A dissipação de calor na extremidade fria do tubo de calor inclui principalmente duas formas de resfriamento de ar direto e resfriamento de água para troca de calor secundária. Além disso, em baixas temperaturas, o tubo de calor precisa ser aquecido localmente por PTC ou filme de aquecimento elétrico e, em seguida, transferido para a bateria na forma de condução de calor. Esta parte da pesquisa envolve projeto de sistema de aquecimento e pesquisa de estratégia de aquecimento.
Figura 7 Diagrama esquemático do sistema de gerenciamento térmico da bateria com base no tubo de calor
3.1 Pesquisa sobre as condições de operação da bateria e seu impacto na transferência de calor do sistema
A condição operacional do sistema determina as características de geração de calor da bateria e é um fator chave que afeta a transferência de calor do sistema. Antes que a temperatura da bateria atinja a temperatura inicial do tubo de calor, o tubo de calor transfere calor na forma de condução de calor através do invólucro. Quando a temperatura sobe até a temperatura de inicialização, o meio de trabalho no tubo começa a absorver calor usando o calor latente da mudança de fase, aumentando assim sua condutividade térmica e fazendo com que a temperatura da bateria aumente gradualmente. mais estável.
Estudos mostraram que o tempo necessário para a bateria atingir uma temperatura estável desde a descarga inicial sob descarga de taxa constante é de cerca de 400-2000s, o que está relacionado a fatores como a taxa de descarga da bateria e as condições de dissipação de calor da bateria extremidade fria do tubo de calor. A taxa de produção de calor da bateria aumenta não linearmente com a taxa de descarga. A taxa de produção de calor de uma bateria quadrada de 10 Ah nas taxas de 3, 5 e 8°C é de cerca de 10,5, 25,4 e 54,4 W, respectivamente. A mudança das condições da fonte de calor leva a diferentes resistências térmicas dos tubos de calor e atinge a estabilidade. A distribuição de temperatura também é diferente. Além disso, quanto maior a quantidade de transferência de calor na extremidade fria, menor o tempo necessário para o tubo de calor se estabilizar e menor a temperatura estável.
O ambiente operacional dos veículos elétricos é complexo e mutável, e eles se deparam com acelerações, deslizamentos, frenagens bruscas e outras situações a qualquer momento. As características térmicas das baterias de energia são bastante diferentes daquelas em condições de estado estacionário. A Figura 8 mostra a diferença na temperatura da bateria e a lei de variação da diferença de temperatura em condições de operação estáveis e instáveis. Tran et ai. usou energia de aquecimento variável no tempo para simular as condições de direção dos veículos, comparou a flutuação de temperatura do módulo de aquecimento sob as duas condições de resfriamento de ar aletado e resfriamento de ar aletado com base em tubos de calor e mostrou que a temperatura da bateria usando aletas acopladas a tubos de calor resfriamento do ar No entanto, durante o processo de mudança, a tendência de mudança de temperatura e fluxo de calor não é consistente. Afetada pela inércia térmica, a taxa de produção de calor cai repentinamente enquanto a temperatura continua a subir e depois cai.
Figura 8. Diagrama esquemático da mudança de temperatura da bateria nas condições do veículo. (a) Condição estável; (b) Condição instável
A pesquisa acima discutiu o impacto de condições de trabalho instáveis na bateria e a confiabilidade do tubo de calor a partir do nível do monômero. As características dinâmicas de transferência de calor do grupo de baterias são bastante diferentes das de uma única bateria, especialmente a estrutura de gerenciamento térmico tem uma influência mais óbvia na diferença de temperatura no grupo de baterias.
O aumento de temperatura e a distribuição de temperatura da bateria estão intimamente relacionados ao processo dinâmico de transferência de calor do sistema de gerenciamento térmico. A pesquisa atual ainda está na fase de verificação do efeito da transferência de calor. Como combinar as condições operacionais da bateria para formular uma estratégia de controle eficaz em tempo real para que o sistema de gerenciamento térmico alcance alta eficiência. , O gerenciamento térmico da bateria de baixa energia é um problema que precisa ser resolvido.
3.2 Análise das características de transferência de calor e pesquisa de projeto de tubo de calor
3.2.1 Projeto e otimização do tubo de calor com base na bateria de energia
O projeto do tubo de calor é um fator importante que afeta o desempenho da transferência de calor. Seu efeito de transferência de calor está intimamente relacionado a fatores como tamanho do canal, estrutura central de absorção de líquido e taxa de enchimento de líquido. O design razoável do tubo de calor é muito importante para melhorar a eficiência do gerenciamento térmico da bateria. Devido à particularidade da geração de calor por bateria, muitos estudiosos realizaram pesquisas sobre o projeto de tubos de calor para baterias. Jang et ai. estudou o efeito de diferentes fluidos de trabalho no desempenho da transferência de calor de tubos de calor por gravidade do tipo loop. Quando o valor calorífico da bateria é de 50 W, usar acetona como fluido de trabalho pode controlar a temperatura média da bateria abaixo de 45 graus, o que é melhor do que usar água como fluido de trabalho. Efeito de resfriamento de qualidade. Putra et ai. descobriram que o efeito de dissipação de calor do fluido de trabalho está intimamente relacionado à taxa de geração de calor da bateria. De acordo com o calor gerado por diferentes fontes de calor, diferentes fluidos de trabalho podem ser usados para maximizar a eficiência do tubo de calor. Quando a taxa de produção de calor da bateria é superior a 1,61 W/cm2, o etanol é usado como fluido de trabalho com a maior eficiência de transferência de calor. Chi et al estudaram o efeito da taxa de enchimento de líquido na transferência de calor do tubo de calor pulsante e descobriram que a taxa de enchimento de líquido ideal do tubo de calor aumenta com o aumento da taxa de produção de calor da bateria. Portanto, é necessário selecionar o tipo apropriado de fluido de trabalho e a taxa de enchimento do líquido de acordo com as condições da fonte de calor para obter o melhor efeito de transferência de calor.
A maioria das pesquisas atuais estuda e otimiza as características de transferência de calor dos tubos de calor usados em baterias de energia a partir do nível do fluido de trabalho (tipo de fluido de trabalho, taxa de enchimento do líquido), e também existem algumas literaturas que melhoram o desempenho dos tubos de calor do ponto de vista da estrutura. Swanepoel projetou um sistema de gerenciamento térmico de bateria baseado em tubos de calor pulsantes, analisou a influência do meio e da largura do tubo no desempenho da transferência de calor dos tubos de calor e descobriu que, quando o fluido de trabalho no tubo de calor é água de amônia, a largura do calor tubo deve ser inferior a 2,5 mm para garantir seu desempenho no gerenciamento térmico da bateria. A eficiência de inicialização e dissipação de calor em.
Diferentes tipos de tubos de calor são usados na pesquisa de gerenciamento térmico existente de baterias de energia, como tubos de calor por gravidade, tubos de calor sinterizados, tubos de calor pulsantes, tubos de calor de loop de placa plana, microtubos de calor de placa plana, etc., e não há seleção unificada ou método de design. Do ponto de vista estrutural, os tubos de calor de placa plana mostram superioridade em sistemas de gerenciamento térmico de bateria de energia e espera-se que se tornem a primeira escolha para gerenciamento térmico de bateria de energia. No entanto, atualmente existem poucas pesquisas sobre o projeto de tubos de calor planos.
3.2.2 Projeto do esquema de layout do tubo de calor
O layout do sistema de gerenciamento térmico da bateria é outro fator chave que afeta a condutividade térmica do tubo de calor. Tran et ai. comparou a condutividade térmica de tubos de calor quando colocados horizontalmente e verticalmente. Aplicando uma fonte de calor de 38 W para simular a geração de calor da bateria, a temperatura na extremidade de evaporação do tubo de calor atinge 61 graus quando está disposta horizontalmente e apenas 51 graus quando está disposta verticalmente. Rao Zhonghao também obteve uma regra semelhante usando tubos de calor pulsantes para conduzir experimentos. Ele construiu uma plataforma de teste experimental de gerenciamento térmico de bateria, conforme mostrado na Figura 9. O experimento mostra que, sob a mesma energia de geração de calor, o aumento de temperatura da superfície da bateria é pequeno quando a bateria é colocada verticalmente e a diferença de temperatura local é menor do que quando colocado horizontalmente.
Figura 9 Diagrama esquemático do sistema de resfriamento da bateria do tubo de calor pulsante
Além disso, o ângulo de inclinação do dispositivo também afeta a transferência de calor. Quando o tubo de calor é instalado horizontalmente, a diferença de temperatura na superfície da bateria é muito afetada pelo ângulo de inclinação; quando o tubo de calor é instalado verticalmente, os efeitos duplos da gravidade e da força capilar reduzem a resistência à transferência de calor do tubo de calor, e a inclinação da estrada tem pouco efeito na diferença de temperatura local.
Todos os estudos acima mostram que a dissipação de calor e o efeito de uniformidade de temperatura do arranjo vertical do tubo de calor são melhores do que o arranjo horizontal. Wang et ai. estudou a influência da direção de colocação da bateria no efeito de transferência de calor de tubos de calor sob o arranjo vertical de tubos de calor e mostrou que o fluido de trabalho no tubo pode transferir rapidamente o calor da extremidade de alta temperatura (eletrodo) para a extremidade de condensação, e o eletrodo voltado para cima sob a mesma potência de produção de calor O método pode atrasar o tempo de aumento da temperatura.
Para garantir o desempenho da transferência de calor do tubo de calor, o projeto estrutural do sistema de gerenciamento térmico da bateria deve considerar totalmente a influência do arranjo do tubo de calor em sua condutividade térmica.
3.3 Projeto de estrutura de dissipação de calor e análise de transferência de calor do sistema de gerenciamento térmico
Como um componente de transferência de calor para gerenciamento térmico da bateria, o tubo de calor precisa dissipar rapidamente o calor enquanto absorve o calor gerado pela bateria para garantir sua operação normal na bateria. Normalmente, a extremidade fria do tubo de calor pode adotar duas formas de resfriamento: resfriamento a ar e resfriamento a água. O primeiro possui uma estrutura simples e de fácil implementação, enquanto o segundo possui uma estrutura relativamente complexa, mas apresenta melhor desempenho quando a demanda de dissipação de calor é grande.
3.3.1 Dissipação de calor refrigerada a ar na extremidade fria
O resfriamento direto a ar é o método de dissipação de calor mais simples para a seção de condensação do tubo de calor. Ye et al. usou resfriamento de ar forçado na extremidade fria do tubo de calor para manter a bateria (LiFePO4, 18 Ah) abaixo de 35 graus sob condições de descarga de 1C. Se a extremidade fria fosse naturalmente resfriada, a temperatura no final da descarga seria superior a 40 graus. A fim de fortalecer a capacidade de dissipação de calor do tubo de calor, métodos como aumentar o número de aletas na extremidade fria, melhorar o design das aletas na extremidade fria, aumentar a taxa de fluxo de resfriamento de ar e aumentar o comprimento de a seção de condensação pode ser usada.
O número de tubos de calor, o número de aletas e o espaçamento entre as aletas também têm um impacto importante no efeito de dissipação de calor. A disposição de vários tubos de calor na superfície de uma bateria pode melhorar a dissipação de calor, mas como o coeficiente médio de transferência de calor da extremidade fria ao longo da direção do fluxo de ar está diminuindo cada vez mais, a irregularidade da temperatura da superfície da bateria aumenta. A uniformidade da temperatura da superfície da bateria pode ser melhorada organizando o tubo do spoiler antes do primeiro tubo de calor (Fig. 10(d)).
Fig.10 Esquema de projeto da seção de condensação do tubo de calor. (a) A extremidade de condensação é um tubo descoberto; (b) O espaçamento das aletas é de 10 mm; (c) O espaçamento das aletas é de 3 mm; (d) A extremidade de resfriamento tem um tubo de calor virtual
Muitos pesquisadores usam tubos de calor e materiais de mudança de fase para acoplar a dissipação de calor para melhorar a uniformidade da temperatura da superfície da bateria, anexar PCM à superfície da bateria, tubos de calor são embutidos no PCM para remover o calor e extremidades frias usam resfriamento de ar para dissipar o calor. A Figura 11 é um tubo de calor típico - o PCM é acoplado a um sistema de dissipação de calor refrigerado a ar. Essa estrutura pode garantir que a diferença máxima de temperatura da bateria seja inferior a 2 graus após a descarga de 2C, e a velocidade do vento de resfriamento afetará o aumento máximo da temperatura da bateria.
Figura 11 Tubo de calor de bateria prismática-sistema de gerenciamento térmico acoplado a PCM
Aumentar o comprimento da seção de condensação é outra maneira eficaz de melhorar a capacidade de dissipação de calor do tubo de calor. No entanto, aumentar o comprimento da seção de condensação levará a um aumento na diferença de temperatura da bateria. Existe um valor ótimo para o comprimento da seção de condensação.
3.3.2 Resfriamento líquido na extremidade fria
Devido à baixa capacidade de calor específico do ar, o uso de tubos de calor e resfriamento líquido acoplados para dissipar o calor pode compensar a falta de resfriamento do ar. De acordo com o modo de contato entre a extremidade fria do tubo de calor e o canal de fluxo de líquido, ele pode ser dividido em transferência de calor de resfriamento de líquido de contato e transferência de calor de resfriamento de líquido sem contato. O sistema de resfriamento líquido de contato é mostrado na Figura 12. A extremidade fria do tubo de calor é embebida em um tanque de água e uma certa taxa de fluxo de líquido é introduzida no interior. Após meia hora de descarga contínua a 2C, a temperatura da bateria não excede 42 graus, o que mostra o efeito de dissipação de calor do tubo de calor e do acoplamento de resfriamento líquido.
Fig.12 Diagrama esquemático do sistema de troca de calor de resfriamento de líquido de contato na extremidade fria do tubo de calor
Zhao et ai. pulverização de água usada na extremidade fria para melhorar a eficiência de dissipação de calor da bateria. Um microtubo de calor plano foi colocado entre cada duas baterias e a água foi borrifada na superfície com uma certa frequência. O aumento de temperatura da bateria foi de apenas 4 graus sob a condição de descarga contínua de 2C. , A diferença de temperatura sob a condição de descarga 3C é inferior a 2,5 graus.
O sistema de resfriamento líquido sem contato geralmente organiza os tubos de calor na superfície da bateria, e o calor é retirado através do contato do canal de fluxo de resfriamento líquido com a extremidade fria do tubo de calor. A extremidade fria do tubo de calor não está diretamente imersa no líquido de resfriamento, portanto, a segurança é maior. A Audi projetou uma solução de gerenciamento térmico de bateria, conforme mostrado na Figura 13. Uma placa de cobre é disposta entre cada duas baterias e quatro tubos de calor sinterizados são embutidos na placa de cobre. Por fim, o calor é transferido através da placa de resfriamento de líquido conectada à extremidade fria do tubo de calor. remover. Sob a condição de energia de geração de calor da bateria de 400W, o sistema pode manter a temperatura da bateria abaixo de 50 graus, o que tem um bom efeito de resfriamento.
Figura 13 Esquema de projeto de dissipação de calor do tubo de calor da bateria de energia
A maioria das pesquisas atuais usa o aumento de temperatura e a diferença de temperatura da bateria como índice de avaliação. No entanto, a transferência de calor aprimorada trará mais consumo de energia e aumento de peso do sistema, e há poucas considerações de projeto no nível do sistema. Como levar em consideração as características de descarga da bateria, efeito de dissipação de calor, consumo de energia do sistema e peso leve e outros indicadores, e propor um esquema de dissipação de calor eficiente para o sistema de gerenciamento térmico é o foco de pesquisas futuras sobre dissipação de calor aprimorada da bateria.
3.4 Pesquisa sobre o aquecimento da bateria usando tubos de calor
Conforme mencionado acima, a eficiência de carga e descarga das baterias de íons de lítio é bastante reduzida em ambientes de baixa temperatura. Atualmente, pesquisas sobre aquecimento de baixa temperatura usando tubos de calor como componentes de transferência de calor têm atraído atenção generalizada.
Ye et al. dispôs tubos de calor de microplacas na superfície da bateria e aqueceu a outra extremidade com um elemento de aquecimento (Figura 14). O tempo que a bateria levou para aquecer de -10, -20, -30 graus para 0 graus foi de 350, 780 e 1100 s, respectivamente. , A taxa de aumento de temperatura é 1,5 vezes maior do que o método tradicional de aquecimento inferior. Durante o processo de aquecimento, a diferença de temperatura pode ser controlada abaixo de 3 graus, muito menor do que o método de aquecimento tradicional (9 graus). Liang Jianan et ai. descobriram que aumentar a potência de aquecimento pode aumentar a taxa de aquecimento da bateria, mas ao mesmo tempo aumentar a diferença de temperatura na superfície da bateria. Portanto, é necessário considerar de forma abrangente o tempo de aquecimento e a diferença de temperatura da bateria para determinar a estratégia de aquecimento ideal.
Figura 14 Diagrama esquemático da estrutura de aquecimento de baterias de íons de lítio com base em tubos de calor
Zou et al. projetou um sistema de gerenciamento térmico integrado de acoplamento de tubo de calor-líquido, conforme mostrado na Figura 15, que pode realizar o aquecimento de baixa temperatura e o resfriamento de alta temperatura da bateria. O refrigerante no tubo é aquecido pelo PTC e então transfere o calor para a bateria através do tubo de calor. No estágio inicial de aquecimento, a temperatura da bateria aumenta rapidamente. À medida que a diferença de temperatura entre as extremidades fria e quente do tubo de calor diminui gradualmente, a capacidade de transferência de calor enfraquece e o valor final de transferência de calor se aproxima de um valor constante. Após cerca de 900 s, a temperatura da bateria sobe para 20 graus.
Figura 15 Diagrama esquemático do sistema de aquecimento do tubo de calor
O atual sistema de aquecimento de bateria baseado em tubos de calor geralmente usa tubos de calor tradicionais ou tubos de calor de microcanais para organizar a superfície da bateria, e a outra extremidade usa aquecimento de água quente ou aquecimento PTC. A maior parte da pesquisa está na fase de verificação experimental. Os resultados da pesquisa existente demonstram plenamente a alta eficiência do aquecimento de tubo de calor. e uniformidade de temperatura, mais pesquisas devem se concentrar em estratégias de aquecimento de baixa temperatura.
04 Resumo e Perspectivas
A temperatura é um fator chave que afeta o desempenho das baterias de energia, e um sistema de gerenciamento térmico eficiente é de grande importância para os veículos elétricos. Os tubos de calor têm fortes capacidades de transferência de calor e uniformidade de temperatura e são uma importante direção de pesquisa para futuros sistemas de gerenciamento térmico de baterias. Progressos significativos foram feitos no uso de tubos de calor como elementos de resfriamento/aquecimento de baterias. No entanto, com a melhoria dos requisitos dos veículos elétricos para sistemas de gerenciamento térmico, ainda existem vários problemas a serem resolvidos na aplicação de tubos de calor:
(1) A temperatura da bateria de energia está intimamente relacionada às suas condições dinâmicas de produção de calor. Mais pesquisas devem ser combinadas com as condições reais do veículo para formular uma estratégia de controle eficaz em tempo real para obter um gerenciamento térmico de bateria eficiente e de baixa energia.
(2) Em termos de transferência de calor dos tubos de calor, uma vez que existem muitos fatores que afetam o desempenho da transferência de calor dos tubos de calor, é necessário considerar de forma abrangente o projeto da estrutura interna dos tubos de calor e sua disposição na bateria para otimizar sua desempenho de transferência de calor durante o uso, especialmente para o tipo de placa plana A análise das características de transferência de calor e a pesquisa de design ideal do tubo de calor é um dos pontos-chave da pesquisa futura.
(3) Em termos de dissipação de calor do tubo de calor, a maioria dos designs de sistema atuais se concentra na redução do aumento de temperatura e da diferença de temperatura da bateria, e menos consideração é dada ao consumo de energia e peso do sistema. Pesquisas adicionais de dissipação de calor aprimorada por tubos de calor devem se concentrar na otimização multiobjetivo do sistema, características térmicas e elétricas abrangentes do sistema, consumo de energia do sistema e peso leve e outros indicadores, e propor soluções de dissipação de calor do sistema de gerenciamento térmico.
(4) Em termos de pesquisa de aquecimento usando tubos de calor, a maior parte da pesquisa atual está em fase de teste e verificação do efeito. Mais pesquisas sobre as características de transferência de calor de tubos de calor em diferentes ambientes, especialmente a pesquisa sobre estratégias de aquecimento em ambientes de baixa temperatura, é um dos pontos-chave de pesquisas futuras. um.
Com o desenvolvimento de veículos elétricos e o avanço contínuo da tecnologia de baterias de energia e da tecnologia de tubos de calor, os tubos de calor serão mais amplamente utilizados no gerenciamento térmico de baterias.
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