Unsa ang Thermal Management System?
Sistema sa Pagdumala sa Thermal
Ang pagdumala sa thermal sa baterya, base sa epekto sa temperatura sa performance sa baterya, inubanan sa mga electrochemical nga kinaiya sa baterya ug mga mekanismo sa pagmugna sa kainit, ug gibase sa labing maayo nga charge/discharge temperature range sa usa ka piho nga baterya, usa ka teknolohiya nga nagtubag sa heat dissipation o thermal runaway tungod sa sobra ka taas o ubos nga temperatura sa panahon sa operasyon sa baterya. Kini makab-ot pinaagi sa makatarunganon nga disenyo ug gibase sa mga materyales nga siyensya, electrochemistry, pagbalhin sa kainit, dinamikong molekula, ug uban pang mga disiplina. Ang pagpadayon sa usa ka makatarunganon nga range sa temperatura sa operasyon hinungdanon alang sa pack sa baterya aron mapadayon ang maayo nga pasundayag. Busa, ang pagdesinyo sa usa ka makatarunganon nga pamaagi sa pagdumala sa thermal para sa lithium-ion battery pack dako kaayog importansya alang sa pagpausbaw sa kinatibuk-ang performance sa sistema sa baterya.
Ang battery pack thermal management system adunay mosunod nga lima ka nag-unang gimbuhaton: ① tukma nga pagsukod ug pagmonitor sa temperatura sa baterya; ② epektibo nga pagwagtang sa kainit ug bentilasyon kung ang temperatura sa baterya pack taas kaayo; ③ paspas nga pagpainit ubos sa ubos nga-kondisyon sa temperatura; ④ epektibo nga bentilasyon kung ang makadaot nga mga gas namugna; ug ⑤ pagsiguro sa pare-parehong pag-apod-apod sa temperatura sulod sa battery pack.
Proseso sa Disenyo sa Sistema sa Pagdumala sa Baterya sa Thermal Management
Ang taas nga-performance nga sistema sa pagdumala sa thermal sa battery pack nanginahanglan ug sistematikong pamaagi sa pagdesinyo. Sa pagkakaron, adunay daghang mga pamaagi sa disenyo alang sa mga sistema sa pagdumala sa thermal. Ang kasagarang gigamit mao ang battery pack thermal management system nga gidisenyo sa National Renewable Energy Laboratory (NREL) sa Estados Unidos, kansang proseso sa pagdesinyo naglakip sa pito ka mga lakang:
1) Tinoa ang kaugalingon-kalibre ug mga kinahanglanon sa thermal management system. Pinasikad sa mga kinaiya sa temperatura sa baterya ug angay nga hanay sa temperatura sa pag-operate, tinoa ang kontrol sa kaugalingon-kalibre sa thermal management system. Pananglitan, ang angay nga operating temperature para sa lithium-ion power batteries mao ang 10~40℃, nga adunay ubos nga-temperatura nga limitasyon nga 0℃ug taas nga-temperatura nga limit nga 45℃. Busa, ang disenyo sa sistema sa pagdumala sa kainit kinahanglan, samtang nagtagbo sa sobra nga temperatura sa pag-operate sa baterya, maningkamot nga makab-ot ang angay nga mga kinahanglanon sa temperatura sa pag-operate sa baterya.
2) Sukda o banabanaa ang module sa heat generation ug heat capacity. Pinaagi sa battery charge-discharge tests ug simulation kalkulasyon base sa espesipikong kapasidad sa kainit sa baterya, matino ang pagkawagtang sa kainit o gahum sa pagpainit.
3) Inisyal nga pagtimbang-timbang sa sistema sa pagdumala sa kainit, lakip ang pagpili sa medium nga pagbalhin sa kainit ug pagdesinyo sa istruktura sa pagwagtang sa kainit. Kasagaran, ang pagpabugnaw sa baterya makab-ot pinaagi sa pagpabugnaw sa hangin o pagpabugnaw sa likido. Ang mga sistema sa pagpabugnaw sa hangin medyo yano sa istruktura apan dili epektibo; Ang mga sistema sa pagpabugnaw sa likido komplikado sa istruktura apan labi ka episyente. Adunay usab lainlaing mga porma sa mga pamaagi sa pagpainit, sama sa nagpalibot nga pagpainit sa init nga hangin, pagpainit sa dagan sa likido, ug direkta nga pagpainit sa thermal radiation gikan sa gigikanan sa kainit.
4) Tagna ang thermal nga kinaiya sa module ug battery pack. Pinasukad sa mga kondisyon sa pag-operate sa baterya pack, matagna ug tan-awa ang pagkawala sa kainit ug mga kinahanglanon sa pagpainit sa panahon sa aplikasyon.
5) Preliminary design sa thermal management system. Pinasukad sa determinado nga medium sa kainit ug mga resulta sa pagsusi sa pamatasan sa thermal, pagpahigayon sa prinsipyo ug disenyo sa engineering sa sistema sa pagdumala sa thermal.
6) Pagdesinyo ug pagsulay sa sistema sa pagdumala sa kainit. Paghimo og gipakub-an-ubos o bug-os nga-mga sistema sa baterya ug ang sistema sa pagdumala sa thermal sa baterya, ug pamatud-i ang pagkaepektibo sa sistema sa pagdumala sa thermal ubos sa gisundog nga aktuwal nga mga kondisyon sa pag-operate sa usa ka test bench.
7) I-optimize ang sistema sa pagdumala sa kainit. Pagpauswag ug pag-optimize sa sistema sa pagdumala sa thermal base sa mga resulta sa eksperimento.
Pagpili sa istruktura ug parameter sa proseso sa disenyo sa sistema sa pagdumala sa thermal
Pagkalkula sa Thermal Field sa Baterya ug Pagtagna sa Temperatura
Ang mga baterya dili maayo nga konduktor sa kainit. Ang pagkahibalo lamang sa pag-apod-apod sa temperatura sa ibabaw dili igo aron hingpit nga masabtan ang internal nga thermal nga kahimtang sa baterya. Ang pagkalkulo sa natad sa internal nga temperatura gamit ang mga modelo sa matematika ug pagtagna sa thermal nga pamatasan sa baterya usa ka kinahanglanon nga lakang sa pagdesinyo sa mga sistema sa pagdumala sa thermal sa baterya. Sa pagkakaron, ang mainstream mathematical nga mga modelo naglakip sa duha ka-dimensional ug tulo{4}}dimensional nga mga modelo. Taliwala niini, ang tulo ka-dimensional nga modelo, tungod sa maayo kaayong pagkatukma ug pagpahaom niini, kaylap nga gigamit sa daghang mga sistema sa pagdumala sa thermal sa baterya. Ang modelo mao ang mosunod:
Diin ang T mao ang temperatura;
Ang ρ mao ang kasagaran nga densidad;
c_p mao ang piho nga kapasidad sa kainit sa baterya;
Ang λ_x, λ_y, λ_z mao ang thermal conductivity sa baterya sa x, y, ug z nga direksyon, matag usa;
q mao ang rate sa kainit nga henerasyon matag yunit nga gidaghanon.
Thermal Management System Heat Dissipation Structure Design
Ang mga kalainan sa temperatura tali sa lain-laing mga module sa baterya sa sulod sa kahon sa baterya nagpasamot sa mga pagkasumpaki sa internal nga resistensya ug kapasidad sa baterya. Sa paglabay sa panahon, kini mahimong mosangpot sa sobrang pag-charge o sobra{1}}pag-discharge sa pipila ka mga baterya, makaapekto sa ilang gidugayon sa kinabuhi ug performance, ug makamugna og mga peligro sa kaluwasan. Ang mga kalainan sa temperatura tali sa mga module sa baterya sa sulod sa kahon sa baterya suod nga may kalabotan sa kahikayan sa pakete sa baterya. Sa kinatibuk-an, ang mga baterya sa tunga-tunga lagmit nga magtigum og kainit, samtang ang anaa sa mga kilid adunay mas maayo nga pagwagtang sa kainit. Busa, kung magdisenyo sa istruktura sa pack sa baterya ug pagwagtang sa kainit, hinungdanon nga masiguro ang parehas nga pagkabulag sa kainit. Ang pagkuha sa pagpabugnaw sa hangin isip usa ka pananglitan, sa kasagaran adunay duha ka mga pamaagi sa bentilasyon: serye ug parallel, aron maseguro ang uniporme nga pagwagtang sa kainit. Ang disenyo sa airflow kinahanglang mosunod sa sukaranang mga prinsipyo sa fluid mechanics ug aerodynamics.
Pagpili sa Fans ug Temperature Measurement Points
Kung nagdesinyo sa usa ka sistema sa pagdumala sa thermal sa baterya, ang tipo ug gahum sa fan, ang gidaghanon sa mga sensor sa temperatura, ug ang lokasyon sa mga punto sa pagsukod kinahanglan nga maampingon nga pilion.
Ang pagkuha sa pagpabugnaw sa hangin isip usa ka pananglitan, kung ang pagdesinyo sa sistema sa paglamig, samtang gisiguro ang usa ka piho nga epekto sa paglamig, ang pagsukol sa dagan kinahanglan nga maminusan aron makunhuran ang kasaba sa fan ug pagkonsumo sa kuryente, sa ingon mapauswag ang kinatibuk-ang kahusayan sa sistema. Ang konsumo sa kuryente sa fan mahimong mabanabana pinaagi sa pagbanabana sa pressure drop ug flow rate gamit ang experimental, theoretical calculation, ug fluid dynamics (CFD) nga mga pamaagi. Kung ang pagsukol sa dagan ubos, ang mga axial flow fans mahimong makonsiderar; sa diha nga ang dagan pagsukol mao ang hataas nga, centrifugal fans mao ang mas angay. Siyempre, ang luna nga giokupar sa fan ug ang gasto niini kinahanglan usab nga tagdon. Ang pagpangita sa labing maayo nga estratehiya sa pagkontrol sa fan usa usab sa mga gimbuhaton sa usa ka sistema sa pagdumala sa thermal.
Ang pag-apod-apod sa temperatura sa pack sa baterya sulod sa kahon sa baterya sa kasagaran dili patas, busa, gikinahanglan nga mahibal-an ang pag-apod-apod sa thermal field sa battery pack ubos sa lain-laing mga kondisyon aron mahibal-an ang kritikal nga mga punto sa temperatura. Ang dugang nga mga sensor sa temperatura naghatag og mas komprehensibo nga pagsukod sa temperatura, apan nagdugang ang gasto sa sistema ug pagkakomplikado. Depende sa espesipikong konteksto sa inhenyero, sa teoriya, finite element analysis, infrared thermal imaging sa mga eksperimento, o tinuod nga-time multi{3}}point temperature monitoring mahimong gamiton sa pag-analisa ug pagsukod sa thermal field distribution sa battery pack, battery modules, ug indibidwal nga mga cell, pagtino sa gidaghanon sa mga punto sa pagsukod sa temperatura ug pagpangita og angay nga mga punto sa lain-laing lugar. Ang usa ka kinatibuk-ang disenyo kinahanglan nga masiguro nga ang mga sensor sa temperatura dili mahayag sa makapabugnaw nga pag-agos sa hangin aron mapauswag ang katukma ug kalig-on sa mga pagsukod sa temperatura. Sa pagdesinyo sa baterya, ang luna kinahanglan nga gitagana alang sa mga sensor sa temperatura; pananglitan, ang angay nga mga pag-abli mahimong gidisenyo sa angay nga mga lokasyon. Ang battery pack sa Toyota's Prius hybrid electric vehicle adunay 228 ka indibidwal nga mga selyula, ug ang temperature monitoring gihimo sa 5 temperature sensors. Ang electric bus power battery system nga gidisenyo sa Beijing Institute of Technology naggamit ug 6 ka temperatura nga mga punto sa pagsukod kada kahon (tan-awa ang lingin nga lugar sa Figure 8-16a), gihan-ay sa positibo ug negatibo nga mga terminal ug ang power line nga output point sa battery box, sama sa gipakita sa Figure 8-16.
Disenyo ug Implementasyon sa Sistema sa Pagdumala sa Thermal
Base sa heat transfer medium, ang pagpabugnaw sa battery pack thermal management system mahimong bahinon sa tulo ka matang: air cooling, liquid cooling, ug phase change material cooling. Sa pagkonsiderar sa materyal nga panukiduki ug pag-uswag ug mga gasto sa paghimo, ang labing epektibo ug sagad nga gigamit nga sistema sa pagwagtang sa kainit sa pagkakaron naggamit sa hangin ingon nga medium sa pagwagtang sa kainit.
Pinasukad sa istruktura sa pag-agos sa hangin sa pagwagtang sa kainit, ang mga sistema sa pagpabugnaw sa hangin mahimong bahinon pa sa duha ka klase: serye nga bentilasyon ug parallel nga bentilasyon, ingon sa gipakita sa Mga Figure 8-17 ug 8-18, matag usa.
Sa usa ka sunod-sunod nga configuration, ang hangin kasagarang moagos gikan sa usa ka kilid sa battery pack ngadto sa pikas aron makuha ang kainit. Bisan pa, kini nga pag-agos sa hangin nagdala sa kainit gikan sa mga lugar nga agian niini sa sayo pa ngadto sa mga lugar nga agian niini sa ulahi, nga moresulta sa dili managsama nga temperatura ug hinungdanon nga mga kalainan sa temperatura. Sa usa ka parallel configuration, ang airflow tali sa mga modules motaas nga patayo, nga nag-apod-apod sa hangin nga mas parehas ug nagsiguro sa makanunayon nga pagwagtang sa kainit sa tibuok battery pack.
Ang mga sistema sa pagdumala sa thermal mahimong ma-categorize sa passive ug aktibo nga mga sistema base sa kung sila adunay internal nga pagpainit o pagpabugnaw nga mga aparato. Ang mga passive nga sistema dili kaayo mahal ug nagkinahanglan og mas simple nga imprastraktura; Ang aktibo nga mga sistema mas komplikado ug nagkinahanglan og mas dako nga dugang nga gahum, apan nagtanyag og mas maayo nga performance.
Ang mga numero 8-19, 8-20, ug 8-21 nagpakita sa eskematiko nga mga diagram sa aktibo ug passive nga pagpainit sa hangin ug mga istruktura sa pagwagtang sa kainit, matag usa.
Sa Figures 8-19 ug 8-20, bisan pa nga ang hangin gipabugnaw ug gipainit sa air conditioning o sistema sa pagpainit sa sakyanan, kini gikonsiderar gihapon nga usa ka passive system. Uban niini nga passive nga sistema, tungod sa inconsistency sa temperatura sa gipaila ambient hangin, ang ambient hangin kinahanglan operate sulod sa usa ka temperatura range (10 ~ 35 degrees) alang sa husto nga thermal management. Ang pag-opera ubos sa hilabihan ka tugnaw o init nga mga kahimtang mahimong moresulta sa mas dakong dili patas sa battery pack.
Sa mga sistema sa pagpainit, gawas sa pagpaila sa init nga hangin ngadto sa battery pack, ang ubang mga pamaagi mahimong gamiton, sama sa gipakita sa Mga Figure 8-22 ~ 8-25 (alang sa prismatic nga mga baterya).
