Kühlsystem für Lithium-Ionen-Batterien: Luftkühlung vs. Flüssigkeitskühlung
Mit der rasanten Entwicklung der neuen Energiebranche, Lithium-Ionen-Batterien werden immer häufiger in Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen eingesetzt. Jedoch, Lithium-Ionen-Akkus erzeugen während des Nutzungsprozesses viel Wärme. Wenn diese Wärme nicht rechtzeitig abgegeben wird, Dies wirkt sich nicht nur auf die Akkuleistung aus, kann aber auch ernsthafte Sicherheitsrisiken mit sich bringen.
Laut Forschungsdaten, Der optimale Betriebstemperaturbereich von Lithium-Ionen-Batterien liegt zwischen 25 und 40 °C, und der Temperaturunterschied im Akkupack sollte innerhalb von 5 °C liegen. Wenn die Temperatur 50℃ überschreitet, die Ladegeschwindigkeit, Effizienz und Lebensdauer der Batterie werden erheblich reduziert. In einigen extremen Fällen, Die hohe Temperatur kann sogar ein thermisches Durchgehen auslösen, was zu Sicherheitsunfällen führen kann!
Momentan, Die auf dem Markt erhältlichen Lösungen zur Batteriekühlung umfassen Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung, Phasenwechselmaterialkühlung und Hybridkühlung, wobei Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung die beiden häufigsten Lösungen sind. In diesem Artikel werden die Eigenschaften und Anwendungen dieser beiden Kühltechnologien eingehend untersucht.
Inhaltsverzeichnis
Luftkühlung
Funktionsprinzip und Systemzusammensetzung
Die Luftkühlungstechnologie ist eine der ersten Lösungen zur Wärmeableitung von Lithium-Ionen-Batterien. Es nutzt Luft als Wärmeableitungsmedium und leitet die Wärme auf drei Arten ab: Wärmeleitung, Wärmekonvektion, und Wärmestrahlung. Von der Erkenntnis des Weges, Luftkühlsysteme können in zwei Arten unterteilt werden: natürliche Konvektionskühlung und erzwungene Konvektionskühlung.
Natürliche Konvektionskühlung ist eine passive Wärmeableitungsmethode, die auf der natürlichen Strömung der Umgebungsluft zur Wärmeableitung beruht. Diese Methode hat die einfachste Struktur, Der Wärmeableitungseffekt ist jedoch begrenzt, und meist nur für Anwendungen mit geringer Wärmeentwicklung geeignet.
Kühlung durch erzwungene Konvektion verwendet Ventilatoren, Gebläse oder Klimaanlagen zur Erzeugung eines erzwungenen Luftstroms oder eines Luftstroms mit niedriger Temperatur, um eine effiziente Wärmeaustauschumgebung zu schaffen. In tatsächlichen Anwendungen, Am häufigsten werden hängende luftgekühlte Klimaanlagen verwendet, während Ventilatoren und Gebläse seltener verwendet werden. Ein typisches Zwangsluftkühlsystem umfasst die folgenden Kernkomponenten:
- Kühlventilator, Gebläse oder hängende luftgekühlte Klimaanlage.
- Lufteinlass- und -auslasskanalsystem.
- Führungsplatte und Windschutz.
- Temperatursensornetzwerk.
- Intelligentes Steuerungssystem.
Vor- und Nachteile der Luftkühlung
Vorteile
1. Einfache und intuitive Systemstruktur, einfach zu installieren und zu warten.
2. Niedrige Anfangsinvestitionskosten, gute Wirtschaft.
3. Keine Gefahr des Auslaufens von Flüssigkeit, hohe Systemsicherheit.
4. Leichtes System, geringe Auswirkung auf die Gesamtqualität.
5. geringe Wartungskosten, einfache Bedienung.
Nachteile
1. Relativ niedrige Wärmeableitungseffizienz (Die spezifische Wärmekapazität der Luft beträgt nur 1/4 von dem von Wasser).
2. Die Genauigkeit der Temperaturregelung ist begrenzt, Es ist schwierig, eine besonders genaue Temperaturregelung zu erreichen.
3. Wird leicht von der Umgebungstemperatur beeinflusst, Der Effekt ist in Umgebungen mit hohen Temperaturen nicht gut.
4. Der Lüfter erzeugt beim Betrieb Geräusche.
5. Bei Hochleistungsanwendungen kann es zu einer unzureichenden Wärmeableitung kommen.
Optimierung der Luftkühlungstechnologie
In den letzten Jahren, Die Luftkühlungstechnologie wurde kontinuierlich verbessert, und die Hauptoptimierungsrichtungen umfassen drei Aspekte:
1. Optimierung des Luftkanaldesigns
Der Luftkanal ist ein entscheidender Faktor für die Wärmeableitungswirkung. Durch rechnergestützte Fluiddynamik (CFD) Analyse, Ingenieure haben eine Vielzahl innovativer Luftkanal-Designlösungen entwickelt. Durch den optimierten Luftkanal kann die Gleichmäßigkeit des Luftstroms deutlich verbessert werden, tote Ecken reduzieren, und die Gesamteffizienz der Wärmeableitung verbessern.
2. Verbesserung der Wärmeableitungsstruktur
Kühlkörper hinzufügen, Durch das Anbringen von Rippen und anderen Strukturen an der Oberfläche des Batteriemoduls kann die Wärmeableitungsfläche deutlich vergrößert werden. Gleichzeitig, durch Optimierung der Form und Anordnung dieser Strukturen, Es können mehr Turbulenzen erzeugt werden, um die Effizienz des Wärmeaustauschs zu verbessern.
3. Intelligente Kontrollstrategie
Moderne Luftkühlungssysteme nutzen im Allgemeinen intelligente Steuerungsstrategien, um die Lüftergeschwindigkeit dynamisch an die Batterietemperatur anzupassen, Umgebungstemperatur, Lastbedingungen, usw. Dadurch wird die Wärmeableitung gewährleistet und der Energieverbrauch gesenkt.
Flüssigkeitskühlung
Funktionsprinzip und Systemzusammensetzung
Die Flüssigkeitskühlungstechnologie nutzt Flüssigkeit als Kühlmedium, um Wärme durch den Flüssigkeitsstrom abzuleiten. Abhängig davon, wie das Kühlmittel mit der Batterie in Kontakt kommt, Flüssigkeitskühlsysteme können in zwei Typen unterteilt werden: indirekte Flüssigkeitskühlung und Immersionsflüssigkeitskühlung.
Indirekte Flüssigkeitskühlung
Die indirekte Flüssigkeitskühlung ist die am weitesten verbreitete Methode der Flüssigkeitskühlung. Es isoliert das Kühlmittel von der Batterie durch eine spezielle Kühlplatte oder ein spezielles Kühlrohr. Das Kühlmittel zirkuliert im Rohr und führt die von der Batterie erzeugte Wärme durch Wärmeleitung ab.
Ein typisches indirektes Flüssigkeitskühlsystem besteht aus den folgenden Hauptkomponenten:
- Kühlmittelzirkulationssystem.
- Kühlplatte oder Rohrnetz.
- Wärmetauscher.
- Umwälzpumpe.
- Temperatursensor und Steuersystem.
Immersionsflüssigkeitskühlung
Die Immersionsflüssigkeitskühlung ist eine radikalere Lösung zur Wärmeableitung. Dabei wird die Batterie direkt in ein isolierendes Kühlmittel getaucht, um eine direkte Kontaktwärmeableitung zu erreichen. Diese Methode hat einen guten Wärmeableitungseffekt, Es werden jedoch extrem hohe Anforderungen an das Kühlmittel gestellt, das eine hervorragende Isolierung haben muss, chemische Stabilität und Wärmeleitfähigkeit. Eine spätere Wartung ist schwierig, und der Batteriewechsel ist mühsam. Momentan, Es gibt nur wenige praktische Anwendungen.
Vor- und Nachteile der Flüssigkeitskühlung
Vorteile
1. Hohe Wärmeableitungseffizienz, erheblicher Kühleffekt.
2. Relativ genaue Temperaturregelung.
3. Gleichmäßige Temperaturverteilung, vorteilhaft für die Akkulaufzeit.
4. Geringe Systemgeräusche, gute Benutzererfahrung.
5. Behält auch in Umgebungen mit hohen Temperaturen eine gute Leistung.
Nachteile
1. Komplexe Systemstruktur.
2. Hohe Anfangsinvestitionskosten.
3. Gefahr eines Kühlmittelaustritts.
4. Hoher Wartungsaufwand, ein professionelles Team erfordern.
5. Höheres Systemgewicht.
Optimierung der Flüssigkeitskühlungstechnologie
In den letzten Jahren, Die Flüssigkeitskühlungstechnologie hat in vielerlei Hinsicht erhebliche Fortschritte gemacht:
1. Kühlplattendesign
Es gibt viele innovative Kühlplattendesigns auf dem Markt, einschließlich:
- Parallele Minikanal-Kühlplatte.
- Kühlplatte mit Serpentinenkanalstruktur.
- Stromlinienförmige Kanalkühlplatte.
- Doppelschichtige Rückkanalkühlplatte.
- Bionische Flügelader-Kühlplatte.
Diese verschiedenen Designs haben ihre eigenen Eigenschaften und können den Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht werden.
2. Kühlmitteloptimierung
Auch die Entwicklung neuer Kühlmittel schreitet voran. Das ideale Kühlmittel sollte vorhanden sein:
- Hohe Wärmeleitfähigkeit.
- Geringe elektrische Leitfähigkeit.
- Gute chemische Stabilität.
- Geeignete Viskosität.
- Geringe Umweltbelastung.
3. Intelligentes Temperaturkontrollsystem
Das fortschrittliche Flüssigkeitskühlsystem nutzt intelligente Steuerungsalgorithmen:
- Echtzeitüberwachung der Temperatur an jedem Punkt.
- Passen Sie den Durchfluss dynamisch an.
- Energieverbrauch optimieren.
- Prognostizieren Sie mögliche Anomalien.
Luftkühlung vs. Flüssigkeitskühlung
Leistung
Im Folgenden finden Sie eine Leistungsvergleichstabelle des Flüssigkeitskühlsystems und des Luftkühlsystems:
Leistungsindikator | Flüssigkeitskühlsystem | Luftkühlsystem |
Maximaler Temperaturkontrollbereich | 30-40℃ | 37-45℃ |
Möglichkeit zur Temperaturdifferenzregelung | ≤3℃ | ≤5℃ |
Wärmeableitungseffizienz | Hoch | Medium |
Energieverbrauch (relativer Wert) | 1 | 2-3 mal |
Systemkomplexität | Hoch | Niedrig |
Wartungsschwierigkeiten | Hoch | Niedrig |
Anwendungen
Anwendung der Luftkühlung
Luftkühlung eignet sich hauptsächlich für:
1. Kleines Energiespeichersystem.
2. Akkupack mit geringer Energiedichte.
3. Anwendungen mit geringer Lade- und Entladerate.
4. Kostensensible Projekte.
5. Standorte mit begrenzten Wartungsbedingungen.
Anwendung der Flüssigkeitskühlung
Ein Flüssigkeitskühlsystem ist besser geeignet:
1. Große Energiespeicher.
2. Akkupacks mit hoher Energiedichte.
3. Schnelle Lade- und Entladeanwendungen.
4. Einsatz in Umgebungen mit hohen Temperaturen.
5. Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Temperaturregelgenauigkeit.
Andere Kühltechnologien
Zusätzlich zur Luft- und Flüssigkeitskühlung, Die Branche erforscht aktiv andere Kühllösungen:
Phasenwechselmaterial (PCM) Kühlung
Bei der Phasenwechselmaterialkühlung wird der Phasenwechselprozess des Materials genutzt, um Wärme zu absorbieren, und weist die Eigenschaften einer passiven Wärmeableitung und Temperaturstabilität auf. Derzeit befindet es sich hauptsächlich im Laborstadium und wurde noch nicht in großem Maßstab kommerzialisiert.
Hybridkühlung
Hybridkühlung vereint die Vorteile mehrerer Kühlmethoden, wie z.B. Luftkühlung + PCM, Flüssigkeitskühlung + PCM, usw. Diese Technologien befinden sich in der Entwicklung und sollen in Zukunft bessere Lösungen zur Wärmeableitung bieten.
Abschluss
Mit der Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterieindustrie, Auch die Technologie zur Batteriekühlung wird ständig verbessert. Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung haben jeweils ihre eigenen Vorteile, und die passende Lösung muss entsprechend der spezifischen Anwendung ausgewählt werden.
Kurzfristig, Bei kleinen und mittleren Anwendungen wird die Luftkühlung aufgrund ihres Kostenvorteils weiterhin dominieren. Jedoch, wenn die Technologie Fortschritte macht und die Kosten sinken, Flüssigkeitskühlung wird in der Energiespeicherung im großen Maßstab in größerem Umfang zum Einsatz kommen.
In der Zukunft, mit der Entwicklung neuer Materialien, neue Prozesse, und Fortschritte in der intelligenten Steuerungstechnologie, Die Batteriekühlungstechnologie wird sich weiterentwickeln und die Entwicklung der Branche besser unterstützen.
