Решения для терморегулирования батарей для безопасности и долговечности

Введение

В последнее время электромобили и системы хранения энергии привлекают все больше внимания. Однако важным аспектом в этих технологиях является терморегулирование батарей, которому уделяется особое внимание в этом перспективном росте. По мере развития новых аккумуляторных технологий, направленных на увеличение энергоемкости и скорости заряда, учет тепловой энергии, вырабатываемой в аккумуляторных батареях, становится жизненно важным.

Для поддержания оптимальной температуры в большинстве таких систем необходима комплексная система управления батареями. Плохо реализованная система терморегулирования батареи может привести к снижению производительности, сокращению срока службы батареи и, возможно, к выходу из строя дуги в результате перепада температур внутри элементов. Системы терморегулирования батарей особенно важны для электронных устройств, таких как электромобили, поскольку они обеспечивают эффективную работу их батарей.

В этой статье речь пойдет о комплектах для терморегулирования аккумуляторов, где будет представлена наука о тепловыделении, а также методы охлаждения, включая важность охлаждающих вентиляторов, для защиты и продления срока службы аккумуляторных систем.

Что такое терморегулирование аккумулятора?

Вкратце термин "терморегулирование батареи" можно описать как набор методов и мер, которые используются для поддержания температуры батарей или аккумуляторных блоков в допустимых пределах. Это неотъемлемая часть аккумуляторной системы, состоящая из различных компонентов, аппаратного и программного обеспечения, основной задачей которых является защита от воздействия высокой температуры, управление температурным диапазоном или контроль теплопередачи.

Эти решения необходимы для управления подачей электрической энергии в батарею и постоянно нуждаются в усовершенствовании, чтобы соответствовать современным требованиям.

Почему терморегулирование аккумулятора имеет решающее значение?

Важность эффективного терморегулирования аккумуляторов объясняется несколькими причинами. Первая - это предотвращение теплового разгона, который представляет собой опасную ситуацию, когда температура элемента повышается и активирует серию экзотермических событий, которые могут привести к возгоранию или взрыву.

Второй фактор заключается в том, что соответствующий температурный режим в элементах батареи может повысить ее эффективность, поскольку экстремальная температура может нарушить электрохимию внутри элементов.

Еще одна причина заключается в том, что отличная система терморегулирования защищает батареи от старения и сохраняет их емкость при воздействии высоких температур.

Исследование, опубликованное в Journal of Power Sources, показывает, что повышение рабочей температуры батареи на 10 градусов Цельсия может привести к потере срока службы до 50% Это заявление демонстрирует угрозы, возникающие при отсутствии эффективного терморегулирования батареи, и подчеркивает актуальность таких методов управления для аккумуляторных систем.

Факторы, влияющие на температуру батареи

Температура элементов батареи и аккумуляторных блоков зависит от нескольких факторов:

Температура окружающей среды: Внешняя погода может оказывать значительное влияние на температуру аккумулятора

Скорость заряда и разряда: Быстрая зарядка или разрядка может привести к повышению температуры из-за протекания тока.

К другим факторам, влияющим на температуру, относятся: Химический состав элементов, конструкция батарейного блока и т.д. являются другими определяющими факторами.

Батарейный блок Дизайн: Как и тканевые каналы охлаждения, конструкция батарейного блока с имеющимися в нем веществами играет большую роль в терморегулировании.

Потребление электроэнергии: Практика использования электроэнергии также может привести к изменению температуры.

Учет этих моментов очень важен, так как в будущем это поможет в разработке методов терморегулирования ВТМ и, следовательно, повысит производительность аккумуляторных систем.

Наука, лежащая в основе выделения тепла из аккумулятора

Чтобы оценить значение терморегулирования аккумуляторов, важно узнать о факторах, ответственных за выделение тепла в батареях, и о значительном влиянии плотности энергии в сочетании с температурными условиями.

Химические реакции и выделение тепла

По мере того как батареи получают и отдают энергию, некоторые, если не все, внутренние химические процессы в них протекают и при этом выделяют энергию - тепло. Это выделение тепла является естественным следствием электрохимических реакций, происходящих внутри элементов. На количество выделяемого тепла влияет множество элементов: химический состав элементов, протекающий ток и внутреннее сопротивление. Батареи с высокой плотностью энергии, с другой стороны, могут выделять больше тепла, которое необходимо контролировать, чтобы избежать перегрева.

Внешние факторы, влияющие на выработку тепла

Помимо внутреннего тепловыделения, на температуру батареи сильно влияют и внешние факторы. Например, температура окружающей среды оказывает значительное влияние на тепловые характеристики элементов и батарей. При высокой температуре окружающей среды любая протекающая реакция будет ускоряться, увеличивая скорость выделения тепла, что может привести к тепловому разрыву. Кроме того, прямой солнечный свет или другие источники тепла могут повысить температуру батареи. Чтобы контролировать эти аспекты, можно использовать различные методы охлаждения для повышения безопасности и контроля равновесной температуры в аккумуляторных системах.

Методы охлаждения аккумуляторов

Были разработаны различные подходы к охлаждению батарей с целью уменьшить влияние нагрева и сохранить хорошую температуру для батареи. Каждый подход имеет свои специфические средства для обеспечения управления нагревом.

Воздушное охлаждение по сравнению с жидкостным охлаждением

Для борьбы с перегревом батарей можно использовать две технологии: воздушное и жидкостное охлаждение. При воздушном охлаждении обычно используются охлаждающие вентиляторы или воздуходувки, которые помогают охладить аккумуляторную батарею за счет активного потока воздуха. Это менее сложный и более дешевый подход к охлаждению, но в большинстве случаев этот метод, вероятно, недостаточно эффективен для удовлетворения потребностей высокопроизводительных систем из-за его зависимости от низкой теплопроводности воздуха.

При жидкостном охлаждении используется жидкий теплоноситель, например вода или гликоль, который перемещается по тепловой трубе, поглощая тепло от элемента батареи и перемещая его. Этот метод более эффективен при передаче тепла, но увеличивает стоимость и сложность оборудования, поскольку для повышения эффективности метода используются теплопроводящие материалы.

Пассивное охлаждение в сравнении с активным охлаждением

Пассивное охлаждение основано на естественных принципах теплопередачи, таких как кондукция и конвекция, используемых для отвода тепла от аккумуляторного блока. Как правило, для улучшения терморегулирования используются радиаторы и теплопроводящие вещества, обычно сплавы или композиты, без каких-либо движущихся частей. Дизайн корпусов батарей также играет важную роль в повышении эффективности этого метода.

С другой стороны, активное охлаждение подразумевает использование внешних усилителей, таких как вентиляторы, насосы или тепловые трубки, которые помогают отводить тепло от аккумуляторной системы. Этот метод обеспечивает более контролируемый диапазон температур, но ценой повышенного потребления энергии. Эти системы разработаны таким образом, чтобы адаптироваться к различным требованиям теплопроводности, минимизируя компромисс между сложностью и эффективностью.

Метод охлаждения	Описание	Ключевые компоненты	Преимущества	Недостатки
Охлаждение воздуха	Использует вентиляторы или воздуходувки для циркуляции воздуха и отвода тепла	Охлаждающие вентиляторы, воздуходувки	Низкая стоимость, простая конструкция	Низкая теплопроводность, менее эффективна для высокопроизводительных систем
Жидкостное охлаждение	Использует жидкий теплоноситель для поглощения и отвода тепла от клеток	Тепловые трубки, теплопроводящие материалы	Высокая эффективность теплопередачи	Более сложные и дорогостоящие
Пассивное охлаждение	Полагается на естественный теплообмен за счет теплопроводности и конвекции	Радиаторы, теплопроводящие корпуса	Отсутствие движущихся частей, низкое энергопотребление	Ограничено условиями окружающей среды
Активное охлаждение	Использует механические устройства для улучшения отвода тепла	Вентиляторы, насосы, теплообменники	Контролируемая температура, возможность адаптации	Повышенное энергопотребление

Новые технологии охлаждения

В связи с огромным спросом на энергетические батареи исследователи и инженеры ищут новые инновационные методы улучшения терморегулирования батарей. Одним из таких инновационных подходов является использование материалов с фазовым переходом (PDM), которые обладают высокой теплопроводностью и тонкими стенками, что сводит к минимуму накопление тепла. Эти материалы могут поддерживать постоянную температуру за счет использования температуры фазового перехода, что позволяет эффективно регулировать температуру благодаря их высокой теплопроводности. Еще один новый метод - термоэлектрическое охлаждение, которое использует эффект Пельтье для активного отвода тепла от элементов батареи, создавая условия для точного управления температурными колебаниями.

Гибридная система охлаждения объединяет различные методы охлаждения для повышения производительности. Например, гибридная система может сочетать воздушное и жидкостное охлаждение для повышения эффективности за счет использования как активных, так и пассивных элементов охлаждения. Такая методология обеспечивает эффективный отвод тепла при различных сценариях работы, что повышает надежность системы. В области терморегулирования аккумуляторов гибридные системы сочетают несколько методов для достижения оптимального терморегулирования за счет использования теплопроводности нескольких материалов для увеличения рабочего диапазона аккумулятора. Интеграция этих передовых методов открывает новые возможности для систем терморегулирования и, следовательно, технологий хранения энергии.

рынок систем терморегулирования автомобильных батарей

Охлаждающие вентиляторы: важнейший компонент терморегулирования аккумуляторов

Практически во всех конструкциях систем терморегулирования аккумуляторов с воздушным охлаждением охлаждающие вентиляторы являются одним из самых необходимых компонентов. Важно правильно их реализовать, чтобы добиться приемлемых условий работы батареи при минимальных затратах.

Роль охлаждающих вентиляторов в терморегулировании аккумуляторов

В основе концепции принудительного "воздушного охлаждения" лежит применение охлаждающих вентиляторов, создающих воздушный поток на элементах батареи, который, в свою очередь, отводит нагретый воздух от батареи. Это помогает обеспечить контролируемую миграцию горячего воздуха, способствующую эффективному теплообмену и предотвращающую образование горячих точек вследствие кондукции. Для отвода тепла можно дополнительно установить теплообменники.

Помимо ограничений по площади и стоимости, при выборе типа охлаждающих вентиляторов основное внимание уделяется термодинамике аккумуляторной системы и конструкции автомобиля. Благодаря простой конструкции и низкой стоимости осевые вентиляторы способны генерировать воздушный поток при низком давлении, что делает их практичными для большинства приложений, требующих большого объема воздушного потока и не ограниченных в пространстве.

Центробежные или радиальные вентиляторы, напротив, имеют более высокое рабочее давление и поэтому обычно используются в установках, выбрасывающих воздушный поток через узкие вентиляционные отверстия, воздуховоды и другие сложные системы.

Особые требования, связанные с тепловыми и пространственными ограничениями аккумуляторной системы, обычно требуют создания вентиляторов по индивидуальному заказу. Инженеры могут изменять геометрию или размер лопастей, а также скорость вращения для достижения наилучшей эффективности охлаждения, при этом минимизируя потребление энергии в сравнении с эффективностью воздушного потока. Сегодня, по мере развития концепции автомобиля, разработка вентиляторов по индивидуальному заказу играет важную роль в достижении еще более высоких показателей производительности и надежности батареи.

Терморегулирование аккумуляторов для конкретных применений

Методы терморегулирования аккумуляторов зависят от конкретной области применения. Однако охлаждающие вентиляторы имеют широкое применение и могут быть очень эффективны во многих отраслях. Рассмотрим их применение в двух конкретных областях, таких как электромобили и стационарные накопители энергии.

Электромобили

Для электромобилей батарейный блок является наиболее важной частью с точки зрения дальности хода, производительности и безопасности. Кроме того, быстрая зарядка или вождение с высокой производительностью могут вызвать нагрузку на батареи, поэтому эффективное управление тепловым режимом является обязательным условием. В большинстве электромобилей используются как воздушные, так и жидкие охлаждающие жидкости, и в таких установках вентиляторы охлаждения являются необходимостью в системах принудительного воздушного охлаждения топлива. Эти вентиляторы отвечают за направление воздушного потока на поверхности элементов батареи для снижения температуры и облегчения отвода тепла. Наконец, использование вентиляторов системы кондиционирования воздуха в салоне автомобиля позволяет охлаждать и интегрировать обе системы, упрощая процедуру проектирования.

Стационарные накопители энергии

Встроенные накопители энергии, такие как системы хранения энергии в возобновляемых источниках энергии или в сетях, также нуждаются в эффективных системах терморегулирования батарей. В большинстве случаев в такие системы встраиваются большие аккумуляторные блоки, выделяющие избыточное тепло. В таких ситуациях требуется помощь охлаждающих вентиляторов, которые обеспечивают эффективный воздушный поток для поддержания температуры окружающей среды и предотвращения теплового удара. С точки зрения требований к охлаждению и ограничений по конфигурации, для стационарных накопителей энергии обычно используются осевые и центробежные вентиляторы. Эксплуатационный профиль показывает, что эти батареи рассчитаны на длительное использование, а вентиляторы помогают обеспечить равномерную температуру и, следовательно, надежность и долговечность системы.

Заключение

Очевидно, что, как и многие другие системы, системы литиевых батарей требуют эффективных мер терморегулирования, чтобы соответствовать стандартам безопасности, эксплуатационным целям и выдерживать длительные периоды времени. Необходимость в правильном управлении тепловым режимом продолжает расти, поскольку мобильные устройства становятся все более мощными и требуют усовершенствованных систем для обеспечения теплоемкости. Можно создать интегрированные системы управления теплом для батарей, которые будут совместимы с различными устройствами, а также конструкции, способные выдерживать вибрации и удары. Контролируемые различные температуры в различных вертикалях, включая электромобили и статические энергетические системы, также могут эффективно управляться с помощью профессионально разработанной системы терморегулирования автомобильных батарей.

Учитывая растущий глобальный спрос на автомобили с электрическим приводом и их способность сочетаться с возобновляемыми источниками энергии, тепловое управление батареями окажет значительное влияние, позволяя технологиям получить глобальное признание. При проектировании системы можно будет использовать не только новые устройства на уровне батарейных блоков или элементов, но и многоуровневые конструкции.