Batteriet är en viktig del av det elektriska fordonet, och dess prestanda begränsar direkt fordonets kraft, säkerhet och ekonomi. Energitätheten för kraftbatteriet bestämmer körsträckan för det elektriska fordonet, effekttätheten bestämmer den maximala lutning och den maximala hastigheten, cykellivslängden och kostnaden påverkar kostnaden för fordonet och användningsekonomin, och den elektriska/termiska säkerheten och miljöanpassning av kraftbatteriet bestämmer det elektriska fordonet. Nyckelfaktorn för fordonssäkerhet och miljöanpassning.
Litiumjonbatterier är en uppgraderad version av nickel-metallhydridbatterier. De har hög energitäthet (cirka 250 W h/kg) och effekttäthet (cirka 1500 W/kg), och har stora fördelar vad gäller marschräckvidd och livslängd. Det är i fokus för aktuell forskning och utveckling och industrialisering.
Litiumjonbatterisystem är en elektrokemisk kraftkälla med komplex flödes- och värmeöverföringsprocess. Temperaturen är nyckelfaktorn som påverkar dess prestanda, vilket främst återspeglas i tre aspekter: (1) Ökningen i temperatur kommer att förvärra minskningen av batterikapaciteten. Orsaka termisk flykt; (2) Om temperaturen är för låg kommer batteriets effekt och kapacitet att minska avsevärt, och laddnings- och urladdningseffektiviteten minskar; (3) Temperaturskillnaden mellan olika batterier i batteripaketet kommer att leda till inkonsekvenser i det interna motståndet och kapaciteten hos cellerna och ojämn hastighet Åldring, vilket bildar ett kort kort i prestanda och livslängd för hela batterisystemet.
Därför påverkas kraftbatteriets arbetsprestanda till stor del av temperaturen. Det är nödvändigt att utforma en rimlig struktur för värmeledningssystem och utveckla en avancerad styrstrategi för termisk styrning för att få kraftbatteriet att fungera inom ett lämpligt temperaturområde och effektivt kontrollera temperaturskillnaden mellan cellerna. , vilket förbättrar kraftbatteriets prestanda.
Detta dokument introducerar först litiumjonbatteriers värmegenereringsmekanism och temperaturens inverkan på deras prestanda, förklarar vikten av termisk hantering av batteripaket och designkraven för värmeledningssystem; Forskning om batteritermisk hantering av värmerörsteknik; Slutligen föreslås nyckelfrågor och forskningsmöjligheter som ska lösas i forskningen om batterivärmehantering baserad på värmerörsteknik.
01 Litiumjonbatteriets värmealstringsegenskaper och krav på termisk hantering
Kärnan i laddnings- och urladdningsprocessen för litiumjonbatterier är jonmigrering och kemisk reaktion. Li plus interkaleras och extraheras i skiktade kolmaterial och metalloxider, som visas i figur 1. Under normala arbetsförhållanden inkluderar batterivärmekällorna ohmsk värme, elektrokemisk reaktionsvärme och polarisationsvärme. När temperaturen stiger uppstår en serie exoterma kemiska reaktioner inuti batteriet, inklusive elektrolytsönderdelning, termisk nedbrytning av negativ elektrod, reaktion mellan negativ elektrod och elektrolyt, SEI-filmnedbrytningsreaktion, etc. Överdriven temperatur kan leda till termisk rusning. Reaktionerna som sker inuti batteriet visas i figur 2.
Figur 1 Schematisk bild av jonrörelse under laddning och urladdning av litiumjonbatterier
Figur 2 Elektrokemiska reaktioner inuti Li-jonbatterier vid olika temperaturer
Temperaturen orsakar förändringar i elektrokemisk prestanda, vilket påverkar batteriets prestanda och livslängd. När temperaturen stiger ökar den elektrokemiska reaktionshastigheten, vilket intensifierar batterikapacitetsdämpningen; miljön med låg temperatur kommer också att orsaka dämpning av batteriprestanda, migreringsförmågan för litiumjoner i det aktiva elektrodmaterialet försvagas och laddnings- och urladdningskapaciteten sjunker snabbt.
Dessutom kommer för hög eller för låg temperatur att påskynda batteriets åldrande och påverka batteriets livslängd. Speciellt vid höghastighetsladdning och urladdning är temperaturens inverkan på batteriets livslängd mer betydande. Studier har visat att kapacitetsförlusten för Sony 18650 litiumbatterier är 30 procent efter 800 cykler vid 25 grader och nästan 60 procent efter 800 cykler vid 50 grader. För hög eller för låg lagringstemperatur kommer också att orsaka att litiumbatteriets kapacitet försämras och påskynda åldrandet.
Fordonsbatterisystem är vanligtvis sammansatta av hundratals eller tusentals battericeller, och batteripaket möter mer allvarliga termiska problem. Påverkad av faktorer som värmeöverföringsstruktur, serieparallellt anslutningsläge och driftsförhållanden visar temperaturen på varje enskilt batteri i batteripaketet stark inkonsekvens under drift, vilket leder till inkonsekvens i inre motstånd, kapacitetsdämpning och urladdningsdjup av batteriet, vilket i sin tur leder till att den totala batteripaketets användbara kapacitet och livslängd försämras (Figur 3).
Figur 3 Effekt av temperaturskillnad på tillgänglig kapacitet hos batteripaketet
Faktum är att celltemperaturens konsistens är en viktig parameter för att bestämma utnyttjandegraden av celllivslängden, vilket i sin tur påverkar batteripaketets livslängd (ekvation (1)). Därför är det särskilt viktigt att säkerställa konsistensen av celltemperaturen.
Batteripaketets livslängd=batteritid x batterilivslängd utnyttjandegrad (1)
Sammanfattningsvis är det av stor betydelse att kontrollera temperaturen på kraftbatteripaketet och minska temperaturskillnaden mellan de enskilda cellerna för att förbättra batteripaketets prestanda. För närvarande tros det att det optimala driftstemperaturintervallet för litiumbatterier är 25 ~ 40 grader och temperaturskillnaden mellan cellerna är mindre än 5 grader. De flesta av de nuvarande termiska hanteringsteknikerna syftar till den ovan nämnda temperatur- och temperaturskillnaden och designar strukturen och styrmetoden för värmeledningssystemet för att säkerställa arbetseffektiviteten och livslängden för batteripaketet.
02 Vanliga värmehanteringsmetoder
Batteriets termiska hantering inkluderar värmeavledning vid hög temperatur och uppvärmning vid låg temperatur. Vanliga batterivärmeavledningsmetoder inkluderar batterivärmeavledningsteknologier baserade på gas (luft), vätska, fastfasbytematerial (fasbytematerial, PCM) och värmerör. Lågtemperaturuppvärmningsmetoderna för batterimodulen inkluderar huvudsakligen extern uppvärmning baserad på vätska eller positiv temperaturkoefficient (PTC) och intern uppvärmning baserad på värmen som genereras av själva batteriet.
2.1 Batterikylningsteknik
Applicering av luft innefattar främst forcerad konvektion och naturlig kylning. Forskarna studerade värmeöverföringsegenskaperna hos batteripaketet genom designen av kylluftskanalstrukturen, designen av batteriarrangemanget och optimeringen av ventilationsstyrningsstrategin, och föreslog åtgärder för att förbättra värmeöverföringen och förbättra temperaturens enhetlighet. På grund av fördelarna med låg kostnad, enkel systemstruktur och enkelt underhåll, används det luftkylda systemet på vissa modeller med kort räckvidd och hög kostnadsprestanda. Till exempel använder Nissan LEAF ett passivt batterivärmehanteringssystem för att avleda värme till sitt litiumjonbatteripaket. , Dessutom använder Toyota Prius, Kia Soul EV, SAIC Roewe MARVELX också luftkylning. Men för storskaliga litiumjonbatterier kan luftkylning inte uppfylla kraven på värmeavledning på grund av batteriets stora termiska belastning och den långa avslappningstiden för värmeledning. Speciellt i högtemperaturmiljöer är värmeöverföringseffektiviteten för luftkyld värmehanteringsteknik låg, och inkonsekvensen är stor, vilket gör det svårt att uppfylla kraven på termisk hantering.
På grund av den låga konvektiva värmeöverföringskoefficienten för luft har användningen av vätska istället för luft blivit ett oundvikligt sätt att förbättra värmeöverföringen. Forskning arrangerar vanligtvis vätskekylplattor i botten av batteripaketet eller mellan cellerna för värmeavledning. För närvarande är det mesta av forskningen om vätskekylsystem fokuserad på design av kylkanaler: genom att öka antalet kylvätskekanaler, förbättra strukturen hos kylkanaler, arrangera fenor i kanaler och designa anslutna kombinerade kylplattor för att förbättra värmen. dissipation och temperaturjämnhet. Under de senaste åren har forskning kring användningen av nya köldmedier som värmereglerande kylmedel också varit vanlig, såsom användning av flytande metaller, nanometallvätskor etc. för att uppnå ökad värmeavledning.
I dagsläget har olika bilföretag olika appliceringsmetoder för vätskekylning och värmeavledning. Teslas flytande kylsystem använder en blandad kylvätska av vatten och etylenglykol med ett massförhållande på 1:1, och arrangerar kylrören i 18650-batteristapeln på ett slingrande sätt. Värmeavledning för varje cell; Chevrolet Volt-påsebatterimodulen använder också vätskekylning för att avleda värme. Som visas i figur 4 utgör varannan påscell en enhet, och en aluminiumplatta med en vätskekyld flödeskanal är anordnad på Mellan de två cellerna används en parallell flödeskanaldesign för att åstadkomma kylning med stor yta av varje cell . Dessutom finns det en batterivärmeavledningsmetod baserad på principen om vätskefasändring, det vill säga att luftkonditioneringssystemets förångare är installerad i botten av batterisystemet och värmen som genereras av batteriet tas bort av kylmedel avdunstning, även känd som direktkylning. Typiska tillämpningar är BMW i3-serien. Vätskekylning och värmehantering är en relativt vanlig metod i nuvarande tekniska tillämpningar, men systemet är mer komplicerat, massan är större och det finns risk för läckage.
Figur 4 Volt batterikylsystem och kylplattastruktur
Termisk batterihantering baserad på fast-vätskefasförändringsmaterial är ett annat aktuellt forskningsfokus. Principen är att använda PCM-fasändring för att absorbera värme för att minska batteritemperaturen. PCM kan effektivt säkerställa batteripaketets temperaturlikformighet, men materialets värmeledningsförmåga är dålig, så aktuell forskning fokuserar främst på beredning av PCM-material och förbättring av deras värmeledningsförmåga. Dessutom minskar den tunga vikten av PCM energitätheten hos batteripaketet. Ovanstående skäl begränsar användningen av fasförändringsmaterial vid termisk hantering av kraftbatterier.
2.2 Batterivärmeteknik
Laddnings- och urladdningsprestanda för litiumjonbatterier reduceras avsevärt i lågtemperaturmiljöer. Därför är det nödvändigt att förvärma batterierna för att förbättra deras prestanda. Den nuvarande värmetekniken är huvudsakligen indelad i två kategorier: intern uppvärmning och extern uppvärmning.
Intern uppvärmning avser batteriets uppvärmningsmetod genom dess interna motstånd för att generera värme, inklusive extern AC-uppvärmning, ömsesidig pulsladdning och urladdningsvärme mellan batterier och självurladdning av batteriet. Dessutom har Wang et al. konstruerade ett batteri med tre elektroder, som lade till nickelelektroder och uppnådde snabb uppvärmningsstart av det snabba batteriet genom elektrodbyte.
Extern uppvärmning innefattar huvudsakligen luftuppvärmningsmetod och vätskeuppvärmningsmetod. Den förra använder elektrisk värmetråd för att värma luften och sedan värma batteriet, temperaturen är jämn men energiförbrukningen är hög. Den senare värmer upp batteripaketet genom att värma upp vätskan i flödeskanalen, som har en mer komplex struktur och en långsammare temperaturhöjning. Utöver den ovan nämnda uppvärmningsmetoden baserad på konvektion, kan PTC eller lågeffektvärmefilm också användas för att direkt värma batteriytan, vilket kommer att ha en viss inverkan på batteriets värmeavledning. Dessutom finns det också en metod för termisk hantering av batteriet med principen om värmeabsorption/frisättning av PCM.
Figur 5 Schematisk bild av värmerörets arbetsprincip
Användningen av värmerör som värmeöverföringselement för högtemperaturvärmeavledning/lågtemperaturuppvärmning av batterier är en ny termisk hanteringsmetod. Värmeröret är ett effektivt värmeväxlarelement baserat på principen om gas-vätskefasförändring, och dess arbetsprincip visas i figur 5. Det flytande arbetsmediet avdunstar och förångas vid värmeänden, strömmar till den andra änden driven av tryckskillnad, och kondenserar och avger värme i kondensationsdelen. Det flytande arbetsmediet återgår till förångningssektionen längs det porösa materialet genom kapillärkraft, vilket har fördelarna med hög värmeöverföringseffektivitet och god temperaturjämnhet. .
Figur 6 Schematiskt diagram över prestandajämförelse för värmeledningssystem baserade på luftkylning, vätskekylning och värmerör
Värmerör har använts i stor utsträckning inom energi- och kemisk industri, flyg, elektronisk kraft och andra områden. Inom området för termisk batterihantering har värmerör stora fördelar när det gäller värmeavledning/uppvärmningshastighet och enhetlighet i batteripaketets temperatur (Figur 6). När det gäller värmeavledning vid hög temperatur, jämfört med forcerad luftkylning, kan metoden för värmeledning genom värmerör och sedan luftkyld värmeväxling minska batteritemperaturen med mer än 20 grader (20 Ah kvadratbatteri, 5C urladdning); när det gäller lågtemperaturuppvärmning, batterier baserade på värmeledningsvärmeledning Uppvärmningshastigheten är 1,5 gånger högre än för PTC direktuppvärmning. Speciellt under högströmsladdning och urladdningsförhållanden uppvisar värmeröret mer överlägsen värmeöverföringsprestanda och temperaturlikformighet. Användningen av värmerör hjälper till att förverkliga forskning och utveckling av framtida högpresterande batteripaket, och har fått stor uppmärksamhet de senaste åren.
03 Forskning om batterivärmehantering baserad på värmerörsteknik
FIKON. 7 är ett schematiskt diagram av ett typiskt batterivärmehanteringssystem som använder värmerör som värmeöverföringskomponenter. Värmen som genereras under laddnings- och urladdningsprocessen för varje cell överförs direkt (eller genom ett värmeledande medium såsom en aluminiumplatta) till värmeröret anordnat på sidan eller botten av cellen, och sedan tas värmen bort av värmeavledningssystemet i den kalla änden av värmeröret. Det kan ses från figuren att de viktigaste faktorerna som påverkar systemets värmeöverföringsprestanda inkluderar tre aspekter: (1) Driftsförhållandena och värmeproduktionen för kraftbatteriet, det vill säga påverkan av värmekällans arbetsförhållanden om prestandan för det termiska ledningssystemet; (2) Värmeöverföringsegenskaperna hos värmeröret, huvudsakligen Det involverar påverkan av värmerörets interna strukturdesign och dess arrangemang i kraftbatteripaketet på systemets värmeavledningsprestanda; (3) Värmeavledningen vid den kalla änden av värmeröret innefattar huvudsakligen två former av direkt luftkylning och vattenkylning för sekundär värmeväxling. Dessutom, vid låga temperaturer, måste värmeröret värmas upp lokalt med PTC eller elektrisk värmefilm och sedan överföras till batteriet i form av värmeledning. Denna del av forskningen omfattar design av värmesystem och forskning om värmestrategi.
Figur 7 Schematiskt diagram över batteriets värmeledningssystem baserat på värmerör
3.1 Forskning om batteridriftsförhållanden och dess inverkan på systemets värmeöverföring
Systemets drifttillstånd bestämmer batteriets värmealstringsegenskaper och är en nyckelfaktor som påverkar systemets värmeöverföring. Innan batteriets temperatur stiger till värmerörets starttemperatur överför värmeröret värme i form av värmeledning genom skalet. När temperaturen stiger till starttemperaturen börjar arbetsmediet i röret att absorbera värme genom att använda det latenta värmet från fasförändringen, vilket ökar dess värmeledningsförmåga och gradvis får batteritemperaturen att gradvis öka. stabilare.
Studier har visat att tiden som krävs för att batteriet ska nå en stabil temperatur från den initiala urladdningen under konstant urladdning är ungefär 400-2000s, vilket är relaterat till faktorer som batteriets urladdningshastighet och värmeavledningsförhållandena för kyla änden av värmeröret. Batteriets värmeproduktionshastighet ökar icke-linjärt med urladdningshastigheten. Värmeproduktionshastigheten för ett 10 Ah kvadratbatteri vid 3, 5 och 8C hastigheter är cirka 10,5, 25,4 respektive 54,4 W. Förändringen av värmekällans förhållanden leder till olika termiska motstånd hos värmerören och uppnår stabilitet. Temperaturfördelningen är också annorlunda. Dessutom, ju större mängd värmeöverföring i den kalla änden, desto kortare tid tar det för värmeröret att stabilisera sig och desto lägre blir den stabila temperaturen.
Driftsmiljön för elfordon är komplex och föränderlig, och de möter när som helst accelerationer, jordskred, plötsliga inbromsningar och andra situationer. De termiska egenskaperna hos kraftbatterier skiljer sig ganska mycket från dem i stationära förhållanden. Figur 8 visar skillnaden i batteritemperatur och temperaturskillnadsvariationslag under stabila och ostadiga driftsförhållanden. Tran et al. använde tidsvarierande värmekraft för att simulera fordonens körförhållanden, jämförde temperaturfluktuationen hos värmemodulen under de två förhållandena fenluftkylning och fenluftkylning baserad på värmerör, och visade att batteritemperaturen med värmerörkopplad fena luftkylning Men under förändringsprocessen är förändringstrenden för temperatur och värmeflöde inte konsekvent. Påverkad av termisk tröghet sjunker värmeproduktionshastigheten plötsligt medan temperaturen fortsätter att stiga och sedan sjunker.
Figur 8. Schematiskt diagram över batteritemperaturförändringar under fordonsförhållanden. (a) Stabilt tillstånd. (b) Ostadigt tillstånd
Ovanstående forskning diskuterade effekten av instabila arbetsförhållanden på batteriet och värmerörets tillförlitlighet från monomernivån. Batterigruppens dynamiska värmeöverföringsegenskaper skiljer sig ganska mycket från de för ett enda batteri, särskilt den termiska ledningsstrukturen har ett mer uppenbart inflytande på temperaturskillnaden i batterigruppen.
Temperaturhöjningen och temperaturfördelningen för batteripaketet är nära relaterade till den dynamiska värmeöverföringsprocessen i värmeledningssystemet. Den aktuella forskningen är fortfarande i verifieringsstadiet för värmeöverföringseffekten. Hur man kombinerar batteripaketets driftsförhållanden för att formulera en effektiv kontrollstrategi i realtid för det termiska ledningssystemet för att uppnå hög effektivitet. , Termisk hantering av lågenergibatterier är ett problem som måste lösas ytterligare.
3.2 Värmeöverföringsegenskaper analys och designforskning av värmerör
3.2.1 Design och optimering av värmerör baserat på kraftbatteri
Värmerörsdesign är en viktig faktor som påverkar värmeöverföringsprestanda. Dess värmeöverföringseffekt är nära relaterad till faktorer som kanalstorlek, vätskeabsorberande kärnstruktur och vätskefyllningshastighet. Rimlig värmerörsdesign är mycket viktig för att förbättra batteriets termiska hanteringseffektivitet. På grund av särdragen hos kraftbatterivärmegenerering har många forskare genomfört forskning om design av värmerör för batterier. Jang et al. studerade effekten av olika arbetsvätskor på värmeöverföringsprestanda hos tyngdkraftsvärmerör av looptyp. När batteriets värmevärde är 50 W, kan användning av aceton som arbetsvätska kontrollera batteriets medeltemperatur under 45 grader, vilket är bättre än att använda vatten som arbetsvätska. Kvalitativ kyleffekt. Putra et al. fann att arbetsfluidens värmeavledningseffekt är nära relaterad till batteriets värmealstringshastighet. Beroende på värmen som genereras av olika värmekällor kan olika arbetsvätskor användas för att maximera värmerörets effektivitet. När batteriets värmeproduktionshastighet är större än 1,61 W/cm2, används etanol som arbetsvätskan med den högsta värmeöverföringseffektiviteten. Chi et al studerade effekten av vätskefyllningshastigheten på värmeöverföringen av det pulserande värmeröret, och fann att den optimala vätskefyllningshastigheten för värmeröret ökar med ökningen av värmeproduktionshastigheten för batteriet. Därför är det nödvändigt att välja lämplig typ av arbetsvätska och vätskefyllnadshastighet enligt värmekällans förhållanden för att uppnå bästa värmeöverföringseffekt.
De flesta av den aktuella forskningen studerar och optimerar värmeöverföringsegenskaperna hos värmerör som används i kraftbatterier från nivån av arbetsvätska (typ av arbetsvätska, vätskefyllnadshastighet), och det finns också en del litteratur som förbättrar värmerörs prestanda ur ett strukturperspektiv. Swanepoel designade ett batterivärmeledningssystem baserat på pulserande värmerör, analyserade inverkan av medium och rörbredd på värmeöverföringsprestanda hos värmerör, och fann att när arbetsvätskan i värmeröret är ammoniakvatten, värmens bredd röret måste vara mindre än 2,5 mm för att säkerställa dess prestanda vid batterivärmehantering. Uppstarts- och värmeavledningseffektiviteten i.
Olika typer av värmerör används i den befintliga termiska hanteringsforskningen av kraftbatterier, såsom gravitationsvärmerör, sintrade värmerör, pulserande värmerör, platta slingvärmerör, platta mikrovärmerör, etc., och det finns inget enhetligt urval eller designmetod. Ur strukturell synvinkel visar värmerör med platt platt överlägsenhet i termiska ledningssystem för kraftbatterier och förväntas bli förstahandsvalet för termisk hantering av kraftbatterier. Det finns dock för närvarande få forskningar om design av platta värmerör.
3.2.2 Design av värmerörslayout
Layouten för batteriets värmeledningssystem är en annan nyckelfaktor som påverkar värmeledningsförmågan hos värmeröret. Tran et al. jämförde värmeledningsförmågan hos värmerör när de placerades horisontellt och vertikalt. Genom att applicera en 38 W värmekälla för att simulera värmegenereringen av batteripaketet, når temperaturen vid förångningsänden av värmeröret 61 grader när det är anordnat horisontellt och endast 51 grader när det är anordnat vertikalt. Rao Zhonghao fick också en liknande regel genom att använda pulserande värmerör för att utföra experiment. Han byggde en experimentell testplattform för batterivärmehantering som visas i figur 9. Experimentet visar att under samma värmealstringseffekt är temperaturökningen på batteriytan liten när batteriet placeras vertikalt och den lokala temperaturskillnaden mindre än när placeras horisontellt.
Figur 9 Schematisk bild av det pulserande värmerörets batterikylsystem
Dessutom påverkar enhetens lutningsvinkel också värmeöverföringen. När värmeröret är installerat horisontellt påverkas temperaturskillnaden på batteriytan kraftigt av lutningsvinkeln; när värmeröret installeras vertikalt, minskar de dubbla effekterna av gravitation och kapillärkraft värmerörets värmeöverföringsmotstånd, och vägens lutning har liten effekt på den lokala temperaturskillnaden.
Ovanstående studier visar alla att värmeavlednings- och temperaturlikformighetseffekten av värmerörets vertikala arrangemang är bättre än den för det horisontella arrangemanget. Wang et al. studerade inverkan av batteriplaceringsriktningen på värmeöverföringseffekten av värmerör under det vertikala arrangemanget av värmerör, och visade att arbetsvätskan i röret snabbt kan överföra värmen från högtemperaturänden (elektrod) till kondensationsänden, och elektroden vänd uppåt under samma värmeproduktionseffekt. Metoden kan fördröja temperaturstegringstiden.
För att säkerställa värmerörets värmeöverföringsprestanda bör den strukturella utformningen av batteriets värmeledningssystem fullt ut överväga inverkan av värmerörsarrangemanget på dess värmeledningsförmåga.
3.3 Värmeavledningsstrukturdesign och värmeöverföringsanalys av värmeledningssystem
Som en värmeöverföringskomponent för batterivärmehantering måste värmeröret snabbt avleda värmen samtidigt som det absorberar värmen som genereras av batteriet för att säkerställa dess normala drift i batteripaketet. Vanligtvis kan den kalla änden av värmeröret anta två sätt att kyla: luftkylning och vattenkylning. Den förra har en enkel struktur och är lätt att implementera, medan den senare har en relativt komplex struktur, men den visar bättre prestanda när värmeavledningsbehovet är stort.
3.3.1 Luftkyld värmeavledning i den kalla änden
Direkt luftkylning är den enklaste värmeavledningsmetoden för värmerörets kondenseringssektion. Ye et al. använde forcerad luftkylning i den kalla änden av värmeröret för att hålla batteriet (LiFePO4, 18 Ah) under 35 grader under 1C-urladdningsförhållanden. Om den kalla änden var naturligt kyld, skulle temperaturen vid slutet av urladdningen vara högre än 40 grader. För att stärka värmerörets värmeavledningsförmåga, metoder som att öka antalet fenor i den kalla änden, förbättra utformningen av fenorna i den kalla änden, öka flödet av luftkylning och öka längden på kondensavsnittet kan användas.
Antalet värmerör, antalet fenor och avståndet mellan fenorna har också en viktig inverkan på värmeavledningseffekten. Att arrangera flera värmerör på ytan av ett batteri kan förbättra värmeavledningen, men eftersom den genomsnittliga värmeöverföringskoefficienten för den kalla änden längs luftflödesriktningen blir lägre och lägre, ökar ojämnheten i batteriets yttemperatur. Batteriytans temperaturlikformighet kan förbättras genom att anordna spoilerröret före det första värmeröret (fig. 10(d)).
Fig.10 Designschema för kondenseringssektionen för värmerör. (a) Kondenserande ände är nakna rör; (b) Flänsavståndet är 10 mm; (c) Flänsavståndet är 3 mm; (d) Kyländen har ett virtuellt värmerör
Många forskare använder värmerör och fasförändringsmaterial för att koppla värmeavledning för att förbättra batteriyttemperaturens enhetlighet, fästa PCM på batteriytan, värmerör är inbäddade i PCM för att ta bort värme, och kalla ändar använder luftkylning för att avleda värme. Figur 11 är ett typiskt värmerör - PCM är kopplat till ett luftkylt värmeavledningssystem. Denna struktur kan säkerställa att den maximala temperaturskillnaden för batteripaketet är lägre än 2 grader efter 2C urladdning, och kylvindhastigheten kommer att påverka batteriets maximala temperaturökning.
Figur 11 Prismatiskt batteri värmerör-PCM-kopplat värmeledningssystem
Att öka längden på kondensationssektionen är ett annat effektivt sätt att förbättra värmeledningens värmeavledningsförmåga. En ökning av längden på kondensavsnittet kommer dock att leda till en ökning av temperaturskillnaden på batteripaketet. Det finns ett optimalt värde för längden på kondensavsnittet.
3.3.2 Vätskekylning i den kalla änden
På grund av luftens låga specifika värmekapacitet kan användningen av värmerör och vätskekylning kopplade för att avleda värme kompensera för bristen på luftkylning. Enligt kontaktläget mellan den kalla änden av värmeröret och vätskeflödeskanalen kan den delas in i kontaktvätskekylningsvärmeöverföring och beröringsfri vätskekylningsvärmeöverföring. Kontaktvätskekylsystemet visas i figur 12. Den kalla änden av värmeröret blötläggs i en vattentank och en viss flödeshastighet av vätska införs i det inre. Efter en halvtimmes kontinuerlig urladdning vid 2C överstiger inte batteritemperaturen 42 grader, vilket visar värmeavledningseffekten av värmeröret och vätskekylningskopplingen.
Fig.12 Schematisk bild av kontaktvätskekylningsvärmeväxlarsystemet vid den kalla änden av värmeröret
Zhao et al. använde vattensprutning i den kalla änden för att förbättra batteriets värmeavledningseffektivitet. Ett platt mikrovärmerör placerades mellan vartannat batteri och vatten sprutades på ytan med en viss frekvens. Batteriets temperaturstegring var endast 4 grader under det kontinuerliga urladdningstillståndet på 2C. , Temperaturskillnaden under 3C urladdningsförhållanden är mindre än 2,5 grader.
Det kontaktfria vätskekylsystemet arrangerar vanligtvis värmerören på batteriets yta, och värmen tas bort genom kontakten av vätskekylningsflödeskanalen med den kalla änden av värmeröret. Den kalla änden av värmeröret är inte direkt nedsänkt i kylvätskan, så säkerheten är högre. Audi har designat en batterivärmehanteringslösning som visas i figur 13. En kopparplatta är anordnad mellan vartannat batteri och fyra sintrade värmerör är inbäddade i kopparplattan. Slutligen överförs värmen genom vätskekylplattan som är fäst vid den kalla änden av värmeröret. hämtmat. Under villkoret av 400W batterivärmekraft kan systemet hålla batteritemperaturen under 50 grader, vilket har en bra kyleffekt.
Figur 13 Värmeavledningsdesignschema för kraftbatteriets värmerör
Det mesta av den aktuella forskningen använder batteriets temperaturökning och temperaturskillnad som utvärderingsindex. Den förbättrade värmeöverföringen kommer dock att medföra mer energiförbrukning och viktökning av systemet, och det finns få designöverväganden från systemnivå. Hur man tar hänsyn till batteriets urladdningsegenskaper, värmeavledningseffekt, systemets energiförbrukning och låg vikt och andra indikatorer, och föreslår ett effektivt värmeavledningssystem för värmeledningssystemet är i fokus för framtida forskning om förbättrad batterivärmeavledning.
3.4 Forskning om batteriuppvärmning med värmerör
Som nämnts ovan är laddnings- och urladdningseffektiviteten för litiumjonbatterier kraftigt reducerad i lågtemperaturmiljöer. För närvarande har forskning om lågtemperaturuppvärmning med värmerör som värmeöverföringskomponent väckt stor uppmärksamhet.
Ye et al. arrangerade mikroplatta värmerör på ytan av batteriet, och värmde den andra änden med ett värmeelement (Figur 14). Tiden det tog för batteriet att värmas upp från -10, -20, -30 grader till 0 grader var 350, 780 respektive 1100 s. , Temperaturstegringshastigheten är 1,5 gånger högre än den traditionella bottenvärmemetoden. Under uppvärmningsprocessen kan temperaturskillnaden kontrolleras under 3 grader, mycket lägre än den traditionella uppvärmningsmetoden (9 grader). Liang Jianan et al. fann att en ökning av värmeeffekten kan öka batteriets uppvärmningshastighet, men samtidigt öka temperaturskillnaden på batteriytan. Därför är det nödvändigt att överväga uppvärmningstiden och temperaturskillnaden för batteriet för att bestämma den optimala uppvärmningsstrategin.
Figur 14 Schematisk bild av uppvärmningsstrukturen för litiumjonbatterier baserade på värmerör
Zou et al. konstruerat ett värmerör-vätskekoppling integrerat värmeledningssystem som visas i figur 15, som kan realisera både lågtemperaturuppvärmning och högtemperaturkylning av batteriet. Köldmediet i röret värms upp av PTC och överför sedan värmen till batteriet genom värmeröret. I det inledande skedet av uppvärmningen stiger batteriets temperatur snabbt. När temperaturskillnaden mellan den kalla och varma änden av värmeröret gradvis minskar, försvagas värmeöverföringskapaciteten och det slutliga värmeöverföringsvärdet närmar sig ett konstant värde. Efter ca 900 s stiger batteritemperaturen till 20 grader.
Figur 15 Schematisk bild av värmerörsvärmesystem
Det nuvarande batterivärmesystemet baserat på värmerör använder vanligtvis traditionella värmerör eller mikrokanalvärmerör för att arrangera på batteriets yta, och den andra änden använder varmvattenuppvärmning eller PTC-uppvärmning. Det mesta av forskningen är i det experimentella verifieringsstadiet. De befintliga forskningsresultaten visar till fullo den höga effektiviteten hos värmerörsuppvärmning. och temperaturlikformighet bör ytterligare forskning fokusera på lågtemperaturuppvärmningsstrategier.
04 Sammanfattning och framtidsutsikter
Temperaturen är en nyckelfaktor som påverkar prestanda hos kraftbatterier, och ett effektivt värmeledningssystem är av stor betydelse för elfordon. Värmerör har en stark värmeöverförings- och temperaturjämnhetsförmåga och är en viktig forskningsinriktning för framtida batterivärmehanteringssystem. Betydande framsteg har gjorts i användningen av värmerör som batterikylnings-/värmeelement. Men med förbättringen av elfordons krav på värmeledningssystem finns det fortfarande flera problem att lösa vid tillämpningen av värmerör:
(1) Batteriets temperatur är nära relaterad till dess dynamiska värmeproduktionsförhållanden. Ytterligare forskning bör kombineras med de faktiska fordonsförhållandena för att formulera en effektiv kontrollstrategi i realtid för att uppnå en effektiv och lågenergi batterivärmehantering.
(2) När det gäller värmeöverföring av värmerör, eftersom det finns många faktorer som påverkar värmeöverföringsprestanda hos värmerör, är det nödvändigt att heltäckande överväga den interna strukturdesignen av värmerör och deras arrangemang i batteripaketet för att optimera deras värmeöverföringsprestanda under användning, speciellt för den platta platttypen Analys av värmeöverföringskarakteristik och optimal designforskning av värmerör är en av nyckelpunkterna i framtida forskning.
(3) När det gäller värmeavledning av värmerör fokuserar de flesta nuvarande systemkonstruktioner på att minska temperaturökningen och temperaturskillnaden för batteripaketet, och mindre hänsyn tas till systemets energiförbrukning och vikt. Ytterligare forskning om värmeledningsförbättrad värmeavledning bör fokusera på systemoptimering med flera mål, omfattande termiska och elektriska systemegenskaper, systemenergiförbrukning och låg vikt och andra indikatorer, och föreslå lösningar för värmeledningssystem för värmeavledning.
(4) När det gäller uppvärmningsforskning med hjälp av värmerör är det mesta av den aktuella forskningen i stadiet för att testa och verifiera effekten. Ytterligare forskning om värmeöverföringsegenskaperna hos värmerör i olika miljöer, särskilt forskningen om uppvärmningsstrategier i lågtemperaturmiljöer, är en av nyckelpunkterna i framtida forskning. ett.
Med utvecklingen av elfordon och den kontinuerliga utvecklingen av kraftbatteriteknik och värmerörsteknik kommer värmerör att användas mer allmänt i batterivärmehantering.
Obs: Upphovsrätten till den reproducerade artikeln tillhör den ursprungliga författaren. Om det finns något intrång, vänligen kontakta för att ta bort det.