Das Design des Wärmemanagementsystems der Leistungsbatterie:
Um die Batterietemperatur anzupassen, um sie in dem für den Betrieb der Batterie geeigneten Temperaturbereich zu halten; um den Unterschied zwischen der höchsten und der niedrigsten Temperatur im Akkupack zu verringern.
Zusammensetzung des Flüssigkeitskühlsystems
Das Flüssigkeitskühlungs-Kühlkörpersystem ist derzeit eine beliebte Forschungsrichtung für das Wärmemanagement von Leistungsbatterien. Die optimalen Betriebstemperaturbedingungen des Batteriepakets können durch Nutzung der Leistung der Kühlflüssigkeit erreicht werden, die über eine große Wärmekapazität verfügt und die überschüssige Wärme des Batteriesystems durch Zirkulation abführen kann.
Zu den Grundkomponenten des Kühlkörpersystems mit Flüssigkeitskühlung gehören: elektrische Wasserpumpe, Zellenkühler (indirekte Kühlung), Temperatursensor, Klimaanlage (Kompressor, Kondensator, Verdampfer), Heizung und Wasser-Wasser-Wärmetauscher.
Unter anderem ist die Klimaanlage für die Kühlung bei hohen Temperaturen verantwortlich; Bei niedrigen Temperaturen ist die Heizung für die Erwärmung des Kühlmittels verantwortlich.
Prinzipien der Wärmeübertragung
Ziel des Entwurfs des Wärmemanagementsystems ist es, die überschüssige Wärme der neuen Energiefeldbatterie während des Lade- und Entladevorgangs zu übertragen, um den Betrieb der Batterie in einem geeigneten Bereich und den Temperaturunterschied der Zellen in verschiedenen Positionen zu halten sollte nicht zu groß sein. Auf diese Weise kann die Alterungsgeschwindigkeit der Batterie verlangsamt und der Differenzierungsgrad zwischen verschiedenen Zellen verlangsamt werden.
Der Grund, warum es unterschiedliche Kühlformen wie Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung gibt, liegt darin, dass das Medium zur Wärmeübertragung unterschiedlich ist. Grundsätzlich ist es notwendig, von den unterschiedlichen Übertragungsmethoden der Wärme auszugehen. Es gibt drei Hauptformen der Wärmeübertragung: Wärmestrahlung, Wärmeleitung und Konvektion.
Wärmestrahlung: Objekte mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt strahlen Wärmestrahlung aus. Wärmestrahlung benötigt keine Medien und keinen Kontakt und überträgt Wärme in Form elektromagnetischer Wellen. Die von der Sonne auf die Erde übertragene Wärme ist ein typischer Prozess der Wärmestrahlung.
Wärmeleitung: Der Prozess der Wärmeübertragung von einem Bereich mit hoher Temperatur zu einem Bereich mit niedriger Temperatur durch ein Medium. Im Gegensatz zur Wärmestrahlung erfordert die Wärmeleitung das Vorhandensein zweier Bedingungen: Temperaturunterschied und Medium.
Konvektion: Relative Strömung innerhalb einer Flüssigkeit, angetrieben durch Temperaturunterschiede.
Die Wärme innerhalb der Batteriezelle wird hauptsächlich durch Wärmeleitung auf die Batterieoberfläche übertragen und dann durch Strahlung und Konvektion in den umgebenden Raum verteilt. Wenn dem System ein Wärmemanagementsystem hinzugefügt wird, wird der Wärmeübertragungsprozess teilweise verändert. Beispielsweise wird bei der indirekten Wärmeableitung Wärme hauptsächlich durch Wärmeleitung von der Oberfläche der Batterie auf das Kühlergehäuse übertragen, und dann wird das Gehäuse durch Wärmeleitung auf die Oberfläche des Kühlerströmungskanals übertragen; Durch Wärmeleitung wird Wärme von der Oberfläche des Strömungskanals auf das Kühlmittel übertragen. Das Kühlmittel überträgt die Wärme innerhalb des Kühlmittels durch Konvektion und folgt der erzwungenen Strömung des Kühlmittels zur Außenseite des Batteriepakets.
Wärmemanagementlösungen für Batteriepacks
Das Wärmemanagementschema des Batteriepakets umfasst drei Maßnahmen: Kühlung des Batteriepakets, Vorheizen des Batteriepakets bei niedriger Temperatur und Wärmeerhaltung des Batteriepakets.
Kühlung des Akkupacks
Die Kühlfunktion des Flüssigkeitskühlsystems wird hauptsächlich durch die Zirkulation von Kühlmittel mit niedriger Temperatur realisiert. Wenn die erforderliche Wärmeableitungsleistung aufgrund der relativ großen Wärmekapazität des Kühlmittels selbst relativ gering ist, ist es nicht erforderlich, den Kreisprozess zu starten, und die Anforderungen an den eingestellten Temperaturbereich können bereits erfüllt werden.
Es gibt zwei Hauptformen der Batteriekühlung: direkte Kühlung und indirekte Kühlung. Direkte Kühlung bedeutet, dass das Kühlmedium direkt von der Oberfläche der Zelle strömt, um überschüssige Wärme abzuführen; Indirekte Kühlung bedeutet, dass das Kühlmedium durch die Kanäle der Rohre und des Kühlers fließt und der Kühler mit der Zelle in Kontakt steht, um die Wärme der Zelle an die Kühlung zu übertragen.
Aufwärmen des Akkus bei niedriger Temperatur
Ursprünglich kann der Kompressor eine Heizfunktion haben, aber seine Heizwirkung bei niedrigen Temperaturen ist nicht gut und der Stromverbrauch ist relativ hoch, was einen großen Einfluss auf die Batterielebensdauer hat; Zu niedrig oder einfach unter der minimalen Entladungstemperatur zum Entladen. Daher ist der Aufwärmvorgang vor dem Start des Fahrzeugs in die Wärmemanagementstrategie integriert.
Es gibt zwei grundlegende Formen der Niedertemperatur-Vorwärmung von Batteriepaketen: interne Erwärmung und externe Erwärmung.
Interne Erwärmung, bei der der Wechselstrom außerhalb des Batteriepakets genutzt wird, um den Batterieelektrolyt zu erwärmen, bis er den anwendbaren Temperaturbereich des Batteriepakets erreicht. Der Teil, der Wärme erzeugt, ist die Batterie selbst, daher spricht man von interner Erwärmung.
Die externe Heizung nutzt externe Energie, um das Medium außer der Batterie zu erwärmen. Das Medium überträgt die Wärme an die Batterie und erhöht die Batterietemperatur schrittweise, bis sie den geeigneten Temperaturbereich der Batterie erreicht. Das externe Medium umfasst Luftmedium und flüssiges Medium, und die wärmeerzeugenden Elemente umfassen PTC und Heizfolie.
Eine externe Erwärmung ist die gebräuchlichere Methode. Die allgemeine Implementierungsform besteht darin, dass das Batteriepaket im Inneren mit einer Heizung ausgestattet ist, die nicht den Strom der Leistungsbatterie nutzt, sondern im Parkzustand die Stromversorgung außerhalb des Batteriepakets einschaltet und den PTC mit Strom versorgt die Heizfolie. Bei der externen Stromversorgung handelt es sich in der Regel um die elektrische Energie aus dem großen Stromnetz. Die Heizung kann entsprechend der geltenden Maximalleistung betrieben werden, ohne sich Gedanken über die Verschwendung elektrischer Energie machen zu müssen, und die Gesamtheizrate ist relativ hoch.
Isolierung des Akkupacks
Bei neuen Feldenergie-Batteriepaketen, die in Niedrigtemperaturbereichen eingesetzt werden, muss der Kastenkörper im Allgemeinen mit Wärmedämmmaßnahmen ausgestattet sein, um den Verlust von Vorheizwärme zu verlangsamen. Verhindert, dass die Batterie bei kurzzeitigem Stillstand während der Fahrt wieder unter die Betriebstemperatur fällt. Experimente haben gezeigt, dass die Umgebungstemperatur minus 20 Grad beträgt. Während des Vorheizvorgangs wird die Batterie auf 25 Grad erhitzt und das Fahrzeug acht Stunden lang stehen gelassen, wobei die Temperatur auf etwa 18 Grad sinkt.
Nicht bei jedem Fahrzeug mit Thermomanagement sind Dämmmaßnahmen vorgesehen. Nachdem das Fahrzeug vorgewärmt ist und der Akku in den Betriebszustand übergeht, erzeugt der Akku selbst viel Wärme. Wenn die Umgebung nicht extrem kalt ist und kein Langzeitparken erforderlich ist, kann die Betriebstemperatur des Batteriepakets durch Selbsterwärmung aufrechterhalten werden.
Die Hauptfaktoren, die den Kühleffekt beeinflussen
Kühlmitteltemperatur.Während des Kühlvorgangs gilt: Je niedriger die Temperatur des Kühlmittels, desto niedriger sind die maximalen und minimalen Temperaturen der Batterie, aber der Abstand zwischen beiden ist groß. Während des Aufheizvorgangs ist der Temperaturunterschied der Batterie umso größer, je höher die Temperatur des Kühlmittels ist. Das heißt, je größer der Temperaturunterschied zwischen Kühlmittel und Batterie ist, desto größer ist der Temperaturunterschied zwischen den Zellen an verschiedenen Positionen innerhalb des Batteriepakets.
Dieses Phänomen hängt hauptsächlich mit dem unterschiedlich starken Einfluss der Temperaturregulierung des Wärmemanagementsystems auf die Zellen an verschiedenen Positionen zusammen. Einige Zellen haben eine große Kontaktfläche mit dem Strahler, während andere relativ klein sind; Andererseits ändert sich die Temperatur während der Zirkulation des Kühlmittels im Batteriepaket ständig vom Einlass zum Auslass. An verschiedenen Orten ist der Temperaturunterschied zwischen dem Kühlmittel und den Zellen mit gleicher Körpertemperatur unterschiedlich. Nur eine genaue thermische Auslegung kann dieses Problem lösen, nicht einfach die Kühlmitteltemperatur anpassen.
Kühlmittelfluss.Je größer der Kühlmitteldurchfluss ist, desto mehr Wärme wird im gleichen Zeitraum abgeführt. Einige Simulationen haben speziell das Flüssigkeitskühlungsmodell beobachtet, andere Parameter bleiben unverändert und nur der Kühlflüssigkeitsfluss wird angepasst, der Einfluss des Kühlflüssigkeitsflusses auf den Kühleffekt. Mit zunehmendem Kühlmittelfluss sinkt die maximale Temperatur des Batteriesystems, die Temperaturdifferenz nimmt jedoch zu. Nach Durchlaufen einer maximalen Temperaturdifferenz nimmt der Durchfluss weiter zu und die Temperaturdifferenz beginnt abzunehmen. Während die Durchflussrate weiter erhöht wird, verringern sich die maximale Temperatur und die Temperaturdifferenz in eine Richtung.
In der ersten Hälfte des Prozesses der Strömungserhöhung sinkt die Maximaltemperatur und die Temperaturdifferenz nimmt zu. Die Gründe stehen im Einklang mit dem Effekt der kontinuierlichen Abnahme der Kühlmitteltemperatur, der mit dem spezifischen Design der thermischen Struktur zusammenhängt. Unterschiedliche Kühleffekte führen zu unterschiedlichen Temperaturänderungen. In der zweiten Hälfte des Durchflussratenerhöhungstests begann mit zunehmender Durchflussrate der Temperaturunterschied abzunehmen und nahm weiter ab, da die Durchflussrate des Kühlmittels im Verhältnis zur Wärmeabsorptionskapazität des Kühlmittels bis zu einem gewissen Grad zunahm Kühlmittel, die von der Batterie auf das Kühlmittel übertragene Wärme ist relativ gering. Auf diese Weise wird einerseits der Einfluss auf die Temperatur der Kühlflüssigkeit geringer und der Temperaturunterschied zwischen der Kühlflüssigkeit an verschiedenen Stellen in der Nähe des Systemeintritts wird immer kleiner; Andererseits ist der Unterschied in der Wärmeübertragungskapazität, der durch die unterschiedliche Wärmeübertragungsfläche verschiedener Zellen verursacht wird, relativ geringer. Dadurch nimmt die Gesamttemperaturdifferenz des Systems weiter ab.
Aber der Verkehr kann nicht weiter zunehmen. Einerseits hängt es mit der Menge der verbrauchten Energie zusammen und es ist unvermeidlich, einen Fluss mit dem besten Kosten-Leistungs-Verhältnis zu wählen. Andererseits stellt die Aufrechterhaltung einer hohen Durchflussrate über einen langen Zeitraum eine Prüfung der Festigkeit des Kühlmittelzirkulationssystems dar, die Lebensdauer der Ausrüstung kann sich verkürzen und gleichzeitig steigt das Unfallrisiko.
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