تحليل نظام الإدارة الحرارية لوسيط نقل الحرارة لبطارية الطاقة

إحدى التقنيات الرئيسية لمركبات الطاقة الجديدة هي بطاريات الطاقة.تحدد جودة البطاريات تكلفة المركبات الكهربائية من ناحية، ونطاق قيادة المركبات الكهربائية من ناحية أخرى.العامل الرئيسي للقبول والاعتماد السريع.

وفقًا لخصائص الاستخدام والمتطلبات ومجالات تطبيق بطاريات الطاقة، فإن أنواع البحث والتطوير لبطاريات الطاقة في الداخل والخارج هي تقريبًا: بطاريات الرصاص الحمضية، بطاريات النيكل والكادميوم، بطاريات هيدريد معدن النيكل، بطاريات الليثيوم أيون، خلايا الوقود، وما إلى ذلك، ومن بينها تطوير بطاريات الليثيوم أيون التي تحظى بأكبر قدر من الاهتمام.

سلوك توليد حرارة بطارية الطاقة

يرتبط مصدر الحرارة ومعدل توليد الحرارة والقدرة الحرارية للبطارية والمعلمات الأخرى ذات الصلة بوحدة بطارية الطاقة ارتباطًا وثيقًا بطبيعة البطارية.تعتمد الحرارة التي تطلقها البطارية على الطبيعة والخصائص الكيميائية والميكانيكية والكهربائية للبطارية، وخاصة طبيعة التفاعل الكهروكيميائي.يمكن التعبير عن الطاقة الحرارية المتولدة في تفاعل البطارية بواسطة حرارة تفاعل البطارية Qr؛يؤدي الاستقطاب الكهروكيميائي إلى انحراف الجهد الفعلي للبطارية عن القوة الدافعة الكهربائية المتوازنة، ويتم التعبير عن فقدان الطاقة الناجم عن استقطاب البطارية بواسطة Qp.بالإضافة إلى سير تفاعل البطارية وفقًا لمعادلة التفاعل، هناك أيضًا بعض التفاعلات الجانبية.تشمل التفاعلات الجانبية النموذجية تحلل الإلكتروليت والتفريغ الذاتي للبطارية.حرارة التفاعل الجانبي المتولدة في هذه العملية هي Qs.بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن أي بطارية سيكون لها مقاومة حتمًا، فسيتم توليد Joule Heat Qj عند مرور التيار.ولذلك، فإن الحرارة الإجمالية للبطارية هي مجموع حرارة الجوانب التالية: Qt=Qr+Qp+Qs+Qj.

اعتمادًا على عملية الشحن (التفريغ) المحددة، تختلف أيضًا العوامل الرئيسية التي تتسبب في توليد البطارية للحرارة.على سبيل المثال، عندما يتم شحن البطارية بشكل طبيعي، يكون Qr هو العامل المهيمن؛وفي المرحلة اللاحقة من شحن البطارية، بسبب تحلل الإلكتروليت، تبدأ التفاعلات الجانبية في الحدوث (حرارة التفاعل الجانبي هي Qs)، عندما تكون البطارية مشحونة بالكامل تقريبًا ومفرطة الشحن، ما يحدث بشكل أساسي هو تحلل الإلكتروليت، حيث تهيمن Qs .تعتمد حرارة Joule Qj على التيار والمقاومة.يتم تنفيذ طريقة الشحن شائعة الاستخدام تحت تيار ثابت، وتكون Qj قيمة محددة في هذا الوقت.ومع ذلك، أثناء بدء التشغيل والتسارع، يكون التيار مرتفعًا نسبيًا.بالنسبة إلى HEV، هذا يعادل تيارًا من عشرات الأمبيرات إلى مئات الأمبيرات.في هذا الوقت، تكون حرارة Joule Heat Qj كبيرة جدًا وتصبح المصدر الرئيسي لإطلاق حرارة البطارية.

من منظور إمكانية التحكم في الإدارة الحرارية، يمكن تقسيم أنظمة الإدارة الحرارية إلى نوعين: نشط وسلبي.من منظور وسط نقل الحرارة، يمكن تقسيم أنظمة الإدارة الحرارية إلى: التخزين الحراري المبرد بالهواء، والمبرد بالسائل، والمتغير الطور.

الإدارة الحرارية مع الهواء كوسيلة لنقل الحرارة

إن وسيلة نقل الحرارة لها تأثير كبير على أداء وتكلفة نظام الإدارة الحرارية.إن استخدام الهواء كوسيط لنقل الحرارة هو إدخال الهواء مباشرة بحيث يتدفق عبر وحدة البطارية لتحقيق غرض تبديد الحرارة.بشكل عام، تكون المراوح وتهوية المدخل والمخرج والمكونات الأخرى مطلوبة.
وفقًا للمصادر المختلفة لسحب الهواء، هناك عمومًا الأشكال التالية:
1 التبريد السلبي مع تهوية الهواء الخارجي
2. التبريد/التدفئة السلبية لتهوية مقصورة الركاب
3. التبريد/التدفئة النشطة للهواء الخارجي أو هواء مقصورة الركاب
هيكل النظام السلبي بسيط نسبيًا ويستخدم البيئة الحالية بشكل مباشر.على سبيل المثال، إذا كانت البطارية بحاجة إلى التسخين في الشتاء، فيمكن استخدام البيئة الساخنة في مقصورة الركاب لاستنشاق الهواء.إذا كانت درجة حرارة البطارية مرتفعة جدًا أثناء القيادة وكان تأثير تبريد الهواء الموجود في مقصورة الركاب ليس جيدًا، فيمكن استنشاق الهواء البارد من الخارج لتبريده.

بالنسبة للنظام النشط، يجب إنشاء نظام منفصل لتوفير وظائف التدفئة أو التبريد ويتم التحكم فيه بشكل مستقل وفقًا لحالة البطارية، مما يزيد أيضًا من استهلاك الطاقة وتكلفة السيارة.يعتمد اختيار الأنظمة المختلفة بشكل أساسي على متطلبات استخدام البطارية.

الإدارة الحرارية مع السائل كوسيلة لنقل الحرارة

لنقل الحرارة مع السائل كوسيط، من الضروري إنشاء اتصال نقل الحرارة بين الوحدة والوسط السائل، مثل سترة الماء، لإجراء التسخين والتبريد غير المباشر في شكل الحمل الحراري والتوصيل الحراري.يمكن أن يكون وسط نقل الحرارة عبارة عن ماء أو جلايكول الإيثيلين أو حتى سائل تبريد.هناك أيضًا نقل مباشر للحرارة عن طريق غمر قطعة القطب في سائل العازل الكهربائي، ولكن يجب اتخاذ تدابير العزل لتجنب حدوث ماس كهربائي.

يستخدم التبريد السائل السلبي عمومًا التبادل الحراري للهواء السائل المحيط ثم يُدخل الشرانق في البطارية للتبادل الحراري الثانوي، بينما يستخدم التبريد النشط مبادلات حرارية متوسطة سائل تبريد المحرك، أو التسخين الكهربائي/تسخين الزيت الحراري لتحقيق التبريد الأولي.التدفئة والتبريد الأولي مع سائل التبريد/تكييف الهواء في مقصورة الركاب.
يتطلب نظام الإدارة الحرارية بالهواء والسائل كوسط مراوح ومضخات مياه ومبادلات حرارية وسخانات (سخان الهواء بي تي سي)، وخطوط الأنابيب وغيرها من الملحقات تجعل الهيكل كبيرًا جدًا ومعقدًا، كما أنها تستهلك طاقة البطارية، ويتم تقليل كثافة الطاقة وكثافة الطاقة للبطارية.
(سائل تبريد بي تي سيسخان) يستخدم نظام تبريد البطارية المبرد بالماء سائل التبريد (50% ماء/50% جلايكول الإيثيلين) لنقل الحرارة من البطارية إلى نظام تبريد تكييف الهواء من خلال مبرد البطارية، ومن ثم إلى البيئة من خلال المكثف.من السهل الوصول إلى درجة حرارة الماء المستوردة إلى درجة حرارة أقل بعد التبادل الحراري بواسطة مبرد البطارية، ويمكن تعديل البطارية لتعمل في أفضل نطاق لدرجة حرارة العمل؛يظهر مبدأ النظام في الشكل.تشمل المكونات الرئيسية لنظام التبريد ما يلي: المكثف، والضاغط الكهربائي، والمبخر، وصمام التمدد مع صمام التوقف، ومبرد البطارية (صمام التمدد مع صمام التوقف) وأنابيب تكييف الهواء، وما إلى ذلك؛دائرة مياه التبريد تشمل:مضخة مياه كهربائيةوالبطارية (بما في ذلك ألواح التبريد)، ومبردات البطارية، وأنابيب المياه، وخزانات التمدد وغيرها من الملحقات.