ما هو نظام الإدارة الحرارية؟

ما هو نظام الإدارة الحرارية؟

الإدارة الحرارية للبطارية، استنادًا إلى تأثير درجة الحرارة على أداء البطارية، جنبًا إلى جنب مع الخصائص الكهروكيميائية للبطارية وآليات توليد الحرارة، والمرتكزة على نطاق درجة حرارة الشحن/التفريغ الأمثل لبطارية معينة، هي تقنية تعالج تبديد الحرارة أو الهروب الحراري الناجم عن درجات الحرارة المرتفعة أو المنخفضة بشكل مفرط أثناء تشغيل البطارية. يتم تحقيق ذلك من خلال التصميم العقلاني ويرتكز على علوم المواد والكيمياء الكهربائية ونقل الحرارة والديناميات الجزيئية وغيرها من التخصصات. يعد الحفاظ على نطاق معقول لدرجة حرارة التشغيل أمرًا ضروريًا لحزمة البطارية للحفاظ على الأداء الجيد. ولذلك، فإن تصميم مخطط معقول للإدارة الحرارية لحزم بطاريات أيون الليثيوم- له أهمية كبيرة لتحسين الأداء العام لنظام البطارية.

يحتوي نظام الإدارة الحرارية لحزمة البطارية على الوظائف الخمس الرئيسية التالية: ① القياس الدقيق ومراقبة درجة حرارة البطارية؛ ② تبديد الحرارة والتهوية بشكل فعال عندما تكون درجة حرارة البطارية مرتفعة جدًا؛ ③ التسخين السريع في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة-؛ ④ التهوية الفعالة عند توليد الغازات الضارة؛ و ⑤ ضمان توزيع موحد لدرجة الحرارة داخل مجموعة البطارية.

يتطلب نظام الإدارة الحرارية لحزم البطاريات عالي الأداء-أسلوبًا منظمًا في التصميم. توجد حاليًا العديد من منهجيات التصميم لأنظمة الإدارة الحرارية. الأكثر استخدامًا هو نظام الإدارة الحرارية لحزمة البطاريات الذي صممه المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) في الولايات المتحدة، والذي تتضمن عملية تصميمه سبع خطوات:

1) تحديد العيار الذاتي-ومتطلبات نظام الإدارة الحرارية. استنادًا إلى خصائص درجة حرارة البطارية ونطاق درجة حرارة التشغيل المناسب، حدد عيار التحكم الذاتي- لنظام الإدارة الحرارية. على سبيل المثال، درجة حرارة التشغيل المناسبة لبطاريات طاقة أيون الليثيوم- هي 10~40 درجة، مع حد درجة حرارة منخفض-يبلغ 0 درجة وحد درجة حرارة عالية-يبلغ 45 درجة. لذلك، يجب أن يسعى تصميم نظام الإدارة الحرارية، مع تلبية درجات حرارة التشغيل القصوى للبطارية، إلى تلبية متطلبات درجة حرارة التشغيل المناسبة للبطارية.

2) قياس أو تقدير توليد الحرارة للوحدة والقدرة الحرارية. من خلال اختبارات تفريغ شحن البطارية- وحسابات المحاكاة بناءً على السعة الحرارية المحددة للبطارية، يمكنك تحديد تبديد الحرارة أو طاقة التسخين.

3) التقييم الأولي لنظام الإدارة الحرارية، بما في ذلك اختيار وسط نقل الحرارة وتصميم هيكل تبديد الحرارة. بشكل عام، يتم تبريد البطارية من خلال تبريد الهواء أو التبريد السائل. أنظمة تبريد الهواء بسيطة نسبيًا من حيث البنية ولكنها غير فعالة؛ أنظمة التبريد السائلة معقدة في البنية ولكنها ذات كفاءة عالية. هناك أيضًا أشكال مختلفة من طرق التسخين، مثل تسخين الهواء الساخن الدائري، وتسخين تدفق السائل، والتسخين بالإشعاع الحراري المباشر من مصدر الحرارة.

4) التنبؤ بالسلوك الحراري للوحدة وحزمة البطارية. استنادًا إلى ظروف تشغيل حزمة البطارية، قم بالتنبؤ وتقييم تبديد الحرارة ومتطلبات التسخين أثناء التطبيق.

5) التصميم الأولي لنظام الإدارة الحرارية. استنادًا إلى الوسط الحراري المحدد ونتائج تقييم السلوك الحراري، قم بإجراء التصميم الأساسي والهندسي لنظام الإدارة الحرارية.

6) تصميم واختبار نظام الإدارة الحرارية. قم بإنتاج أنظمة بطاريات مصغرة أو كاملة-ونظام الإدارة الحرارية للبطارية، وتحقق من فعالية نظام الإدارة الحرارية في ظل ظروف التشغيل الفعلية المحاكية على منصة الاختبار.

7) تحسين نظام الإدارة الحرارية. تحسين وتحسين نظام الإدارة الحرارية بناءً على النتائج التجريبية.

البطاريات ليست موصلة جيدة للحرارة. إن معرفة توزيع درجة حرارة السطح فقط غير كافية لفهم الحالة الحرارية الداخلية للبطارية بشكل كامل. يعد حساب مجال درجة الحرارة الداخلية باستخدام النماذج الرياضية والتنبؤ بالسلوك الحراري للبطارية خطوة لا غنى عنها في تصميم أنظمة الإدارة الحرارية للبطارية. حاليًا، تشتمل النماذج الرياضية السائدة على نماذج ثنائية-وثلاثية-بعد. ومن بين هذه النماذج،-النموذج ثلاثي الأبعاد، نظرًا لدقته الممتازة وقدرته على التكيف، فقد تم استخدامه على نطاق واسع في العديد من أنظمة الإدارة الحرارية للبطاريات. النموذج هو كما يلي:

Battery Thermal Field Calculation and Temperature Prediction

حيث T هي درجة الحرارة؛

ρ هو متوسط الكثافة؛

c_p هي السعة الحرارية المحددة للبطارية؛

lect_x و lect_y و lect_z هي الموصلية الحرارية للبطارية في اتجاهات x و y و z على التوالي؛

q هو معدل توليد الحرارة لكل وحدة حجم.

تؤدي الاختلافات في درجات الحرارة بين وحدات البطارية المختلفة داخل صندوق البطارية إلى تفاقم التناقضات في المقاومة الداخلية للبطارية وسعتها. وبمرور الوقت، يمكن أن يؤدي ذلك إلى الشحن الزائد أو الإفراط في{1}تفريغ بعض البطاريات، مما يؤثر على عمرها الافتراضي وأدائها ويخلق مخاطر على السلامة. ترتبط الاختلافات في درجة الحرارة بين وحدات البطارية داخل صندوق البطارية ارتباطًا وثيقًا بترتيب حزمة البطارية. بشكل عام، تميل البطاريات الموجودة في المنتصف إلى تراكم الحرارة، بينما تتمتع البطاريات الموجودة في الحواف بتبديد أفضل للحرارة. لذلك، عند تصميم هيكل حزمة البطارية وتبديد الحرارة، من الضروري ضمان تبديد الحرارة بشكل موحد. بأخذ تبريد الهواء كمثال، هناك بشكل عام طريقتان للتهوية: التسلسلية والمتوازية، لضمان تبديد الحرارة بشكل موحد. يجب أن يلتزم تصميم تدفق الهواء بالمبادئ الأساسية لميكانيكا الموائع والديناميكا الهوائية.

عند تصميم نظام الإدارة الحرارية للبطارية، يجب اختيار نوع المروحة وقوتها وعدد أجهزة استشعار درجة الحرارة وموقع نقاط القياس بعناية.

بأخذ تبريد الهواء كمثال، عند تصميم نظام التبريد، مع ضمان تأثير تبريد معين، يجب تقليل مقاومة التدفق لتقليل ضوضاء المروحة واستهلاك الطاقة، وبالتالي تحسين كفاءة النظام بشكل عام. يمكن تقدير استهلاك الطاقة للمروحة من خلال تقدير انخفاض الضغط ومعدل التدفق باستخدام الطرق التجريبية والحسابية النظرية وديناميكيات الموائع (CFD). عندما تكون مقاومة التدفق منخفضة، يمكن مراعاة مراوح التدفق المحوري؛ عندما تكون مقاومة التدفق عالية، تكون مراوح الطرد المركزي أكثر ملاءمة. وبطبيعة الحال، يجب أيضا أن تؤخذ في الاعتبار المساحة التي تشغلها المروحة وتكلفتها. يعد العثور على الإستراتيجية المثالية للتحكم في المروحة أيضًا إحدى وظائف نظام الإدارة الحرارية.

Schematic diagram of temperature measurement points in the battery box

إن توزيع درجة حرارة حزمة البطارية داخل صندوق البطارية غير متساوٍ بشكل عام، لذلك من الضروري معرفة توزيع المجال الحراري لحزمة البطارية في ظل ظروف مختلفة لتحديد نقاط درجة الحرارة الحرجة. توفر المزيد من أجهزة استشعار درجة الحرارة قياسًا أكثر شمولاً لدرجة الحرارة، ولكنها تزيد من تكلفة النظام وتعقيده. اعتمادًا على السياق الهندسي المحدد، من الناحية النظرية، يمكن استخدام تحليل العناصر المحدودة، والتصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء في التجارب، أو مراقبة درجة حرارة النقاط المتعددة-في الوقت الحقيقي لتحليل وقياس توزيع المجال الحراري لحزمة البطارية، ووحدات البطارية، والخلايا الفردية، وتحديد عدد نقاط قياس درجة الحرارة وإيجاد النقاط المناسبة في مناطق مختلفة. يجب أن يضمن التصميم العام عدم تعرض أجهزة استشعار درجة الحرارة لتدفق الهواء البارد لتحسين دقة واستقرار قياسات درجة الحرارة. عند تصميم البطارية، يجب تخصيص مساحة لأجهزة استشعار درجة الحرارة؛ على سبيل المثال، يمكن تصميم الفتحات المناسبة في المواقع المناسبة. تحتوي حزمة بطارية سيارة تويوتا بريوس الكهربائية الهجينة على 228 خلية فردية، ويتم مراقبة درجة الحرارة بواسطة 5 أجهزة استشعار لدرجة الحرارة. يستخدم نظام بطارية طاقة الحافلة الكهربائية الذي صممه معهد بكين للتكنولوجيا 6 نقاط قياس درجة الحرارة لكل صندوق (انظر المنطقة المحاطة بدائرة في الشكل 8-16أ)، مرتبة عند الأطراف الموجبة والسالبة ونقاط خرج خط الطاقة لصندوق البطارية، كما هو موضح في الشكل 8-16.

على أساس وسط نقل الحرارة، يمكن تقسيم تبريد أنظمة الإدارة الحرارية لحزمة البطارية إلى ثلاثة أنواع: تبريد الهواء، التبريد السائل، وتبريد المواد بتغير الطور. مع الأخذ في الاعتبار تكاليف البحث والتطوير والتصنيع للمواد، فإن نظام تبديد الحرارة الأكثر فعالية والأكثر استخدامًا يستخدم حاليًا الهواء كوسيلة لتبديد الحرارة.

بناءً على هيكل تدفق الهواء الخاص بتبديد الحرارة، يمكن تقسيم أنظمة تبريد الهواء إلى نوعين: التهوية المتسلسلة والتهوية المتوازية، كما هو موضح في الأشكال 8-17 و8-18، على التوالي.

في التكوين المتسلسل، يتدفق الهواء عادةً من أحد جانبي حزمة البطارية إلى الجانب الآخر لإزالة الحرارة. ومع ذلك، فإن تدفق الهواء هذا يحمل الحرارة من المناطق التي يمر بها سابقًا إلى المناطق التي يمر بها لاحقًا، مما يؤدي إلى درجات حرارة غير متناسقة واختلافات كبيرة في درجات الحرارة. في التكوين المتوازي، يرتفع تدفق الهواء بين الوحدات عموديًا، مما يؤدي إلى توزيع الهواء بشكل أكثر توازناً وضمان تبديد الحرارة بشكل ثابت في جميع أنحاء حزمة البطارية.

يمكن تصنيف أنظمة الإدارة الحرارية إلى أنظمة سلبية ونشطة بناءً على ما إذا كانت تحتوي على أجهزة تدفئة أو تبريد داخلية. الأنظمة السلبية أقل تكلفة وتتطلب بنية تحتية أبسط؛ تعد الأنظمة النشطة أكثر تعقيدًا وتتطلب طاقة إضافية أكبر، ولكنها تقدم أداءً أفضل.

توضح الأشكال 8-19، 8-20، و8-21 مخططات تخطيطية لهياكل تسخين الهواء وتبديد الحرارة النشطة والسلبية، على التوالي.

Thermal Management System Design and Implementation

في الأشكال 8-19 و8-20، على الرغم من أن الهواء قد تم تبريده وتسخينه بواسطة نظام تكييف الهواء أو التدفئة في السيارة، إلا أنه لا يزال يعتبر نظامًا سلبيًا. مع هذا النظام السلبي، وبسبب عدم الاتساق في درجة حرارة الهواء المحيط المدخل، يجب أن يعمل الهواء المحيط ضمن نطاق درجة حرارة معين (10 ~ 35 درجة) للإدارة الحرارية المناسبة. قد يؤدي التشغيل في ظل ظروف شديدة البرودة أو الحرارة إلى حدوث تفاوت أكبر في مجموعة البطارية.

في أنظمة التدفئة، بالإضافة إلى إدخال الهواء الساخن في مجموعة البطارية، يمكن استخدام طرق أخرى، كما هو موضح في الأشكال 8-22~8-25 (للبطاريات المنشورية).

Other heating methods