Système de refroidissement de batterie au lithium-ion: Refroidissement par air vs. Refroidissement liquide
Avec le développement rapide de la nouvelle industrie énergétique, les batteries lithium-ion sont de plus en plus utilisées dans les véhicules électriques et les systèmes de stockage d'énergie. Cependant, les batteries lithium-ion génèrent beaucoup de chaleur pendant le processus d'utilisation. Si cette chaleur n'est pas émise à temps, cela n'affectera pas seulement les performances de la batterie, mais peut également entraîner de graves risques pour la sécurité.
Selon les données de recherche, la plage de température de fonctionnement optimale des batteries lithium-ion se situe entre 25 et 40 ℃, et la différence de température à l'intérieur de la batterie doit être contrôlée dans les 5 ℃. Lorsque la température dépasse 50 ℃, la vitesse de chargement, l'efficacité et la durée de vie de la batterie seront considérablement réduites. Dans certains cas extrêmes, la température élevée peut même déclencher un emballement thermique, conduisant à des accidents de sécurité!
Actuellement, les solutions de refroidissement des batteries disponibles sur le marché incluent le refroidissement par air, refroidissement liquide, refroidissement des matériaux à changement de phase et refroidissement hybride, parmi lesquels le refroidissement par air et le refroidissement liquide sont les deux solutions les plus courantes. Cet article explorera en profondeur les caractéristiques et les applications de ces deux technologies de refroidissement..
Table des matières
Refroidissement par air
Principe de fonctionnement et composition du système
La technologie de refroidissement par air est l'une des premières solutions utilisées pour la dissipation thermique des batteries lithium-ion.. Il utilise l'air comme moyen de dissipation thermique et dissipe la chaleur par trois méthodes: conduction thermique, convection thermique, et rayonnement thermique. De la réalisation du chemin, le système de refroidissement par air peut être divisé en deux types: refroidissement par convection naturelle et refroidissement par convection forcée.
Refroidissement par convection naturelle est une méthode passive de dissipation de la chaleur qui s'appuie sur le flux naturel de l'air ambiant pour évacuer la chaleur. Cette méthode a la structure la plus simple, mais l'effet de dissipation thermique est limité, et convient généralement uniquement aux applications à faible génération de chaleur.
Refroidissement par convection forcée utilise des ventilateurs, ventilateurs ou unités de climatisation pour générer un flux d'air forcé ou un flux d'air à basse température pour former un environnement d'échange thermique efficace. Dans les applications réelles, les climatiseurs suspendus refroidis par air sont plus couramment utilisés, tandis que les ventilateurs et les soufflantes sont moins couramment utilisés. Un système de refroidissement à air forcé typique comprend les composants de base suivants:
- Ventilateur de refroidissement, ventilateur ou climatiseur suspendu refroidi par air.
- Système de conduits d'entrée et de sortie d'air.
- Plaque de guidage et pare-vent.
- Réseau de capteurs de température.
- Système de contrôle intelligent.
Avantages et inconvénients du refroidissement par air
Avantages
1. Structure du système simple et intuitive, facile à installer et à entretenir.
2. Faible coût d’investissement initial, bonne économie.
3. Aucun risque de fuite de liquide, sécurité élevée du système.
4. Système léger, faible impact sur la qualité globale.
5. faible coût d'entretien, opération simple.
Inconvénients
1. Efficacité de dissipation thermique relativement faible (la capacité thermique spécifique de l'air est seulement 1/4 de celui de l'eau).
2. La précision du contrôle de la température est limitée, difficile d'obtenir un contrôle de température particulièrement précis.
3. Facilement affecté par la température ambiante, l'effet n'est pas bon dans un environnement à haute température.
4. Le ventilateur générera du bruit lors du fonctionnement.
5. Une dissipation thermique insuffisante peut se produire dans les applications à haute puissance.
Optimisation de la technologie de refroidissement par air
Au cours des dernières années, la technologie de refroidissement par air s'améliore continuellement, et les principales orientations d'optimisation comprennent trois aspects:
1. Optimisation de la conception des conduits d'air
Le conduit d'air est un facteur clé affectant l'effet de dissipation thermique. Grâce à la dynamique des fluides computationnelle (CFD) analyse, les ingénieurs ont développé une variété de solutions innovantes de conception de conduits d'air. Le conduit d'air optimisé peut améliorer considérablement l'uniformité du flux d'air, réduire les angles morts, et améliorer l'efficacité globale de la dissipation thermique.
2. Amélioration de la structure de dissipation thermique
Ajout de dissipateurs de chaleur, les ailettes et autres structures à la surface du module de batterie peuvent augmenter considérablement la zone de dissipation thermique. En même temps, en optimisant la forme et l'agencement de ces structures, davantage de turbulences peuvent être générées pour améliorer l'efficacité de l'échange thermique.
3. Stratégie de contrôle intelligente
Les systèmes de refroidissement par air modernes utilisent généralement des stratégies de contrôle intelligentes pour ajuster dynamiquement la vitesse du ventilateur en fonction de la température de la batterie., température ambiante, conditions de charge, etc.. Cela garantit la dissipation de la chaleur et réduit la consommation d'énergie.
Refroidissement liquide
Principe de fonctionnement et composition du système
La technologie de refroidissement liquide utilise un liquide comme moyen de refroidissement pour évacuer la chaleur à travers le flux de liquide.. En fonction de la manière dont le liquide de refroidissement entre en contact avec la batterie, les systèmes de refroidissement liquide peuvent être divisés en deux types: refroidissement liquide indirect et refroidissement liquide par immersion.
Refroidissement liquide indirect
Le refroidissement liquide indirect est la méthode de refroidissement liquide la plus largement utilisée.. Il isole le liquide de refroidissement de la batterie via une plaque ou un tuyau de refroidissement spécial. Le liquide de refroidissement circule dans le tuyau et évacue la chaleur générée par la batterie par conduction thermique.
Un système de refroidissement liquide indirect typique se compose des principaux composants suivants:
- Système de circulation du liquide de refroidissement.
- Plaque froide ou réseau de canalisations.
- Échangeur de chaleur.
- Pompe de circulation.
- Capteur de température et système de contrôle.
Refroidissement liquide par immersion
Le refroidissement liquide par immersion est une solution de dissipation thermique plus radicale. Il plonge la batterie directement dans un liquide de refroidissement isolant pour obtenir une dissipation thermique par contact direct. Cette méthode a un bon effet de dissipation thermique, mais il a des exigences extrêmement élevées en matière de liquide de refroidissement, qui doit avoir une excellente isolation, stabilité chimique et conductivité thermique. La maintenance ultérieure est difficile, et le remplacement de la batterie est difficile. Actuellement, il y a peu d'applications pratiques.
Avantages et inconvénients du refroidissement liquide
Avantages
1. Efficacité de dissipation thermique élevée, effet de refroidissement important.
2. Contrôle de température relativement précis.
3. Répartition homogène de la température, bénéfique pour la durée de vie de la batterie.
4. Faible bruit du système, bonne expérience utilisateur.
5. Maintient de bonnes performances même dans un environnement à haute température.
Inconvénients
1. Structure de système complexe.
2. Coût d’investissement initial élevé.
3. Risque de fuite de liquide de refroidissement.
4. Exigences d'entretien élevées, nécessitant une équipe professionnelle.
5. Poids du système plus élevé.
Optimisation de la technologie de refroidissement liquide
Au cours des dernières années, la technologie de refroidissement liquide a fait des progrès significatifs dans de nombreux aspects:
1. Conception de la plaque de refroidissement
Il existe de nombreux modèles innovants de plaques de refroidissement sur le marché, y compris:
- Plaque de refroidissement à mini-canaux parallèles.
- Plaque de refroidissement à structure de canal serpentin.
- Plaque de refroidissement à canal simplifié.
- Plaque de refroidissement à canal inversé double couche.
- Plaque de refroidissement des veines d'aile bionique.
Ces différentes conceptions ont leurs propres caractéristiques et peuvent répondre aux besoins de différentes applications.
2. Optimisation du liquide de refroidissement
Le développement de nouveaux liquides de refroidissement progresse également. Le liquide de refroidissement idéal devrait avoir:
- Conductivité thermique élevée.
- Faible conductivité électrique.
- Bonne stabilité chimique.
- Viscosité appropriée.
- Faible impact environnemental.
3. Système de contrôle intelligent de la température
Le système de refroidissement liquide avancé utilise des algorithmes de contrôle intelligents pour:
- Surveillance en temps réel de la température à chaque point.
- Ajuster dynamiquement le débit.
- Optimiser la consommation d'énergie.
- Prédire d’éventuelles anomalies.
Refroidissement par air vs. Refroidissement liquide
Performance
Ce qui suit est un tableau de comparaison des performances du système de refroidissement liquide et du système de refroidissement par air:
Indicateur de performance | Système de refroidissement liquide | Système de refroidissement par air |
Plage de contrôle de température maximale | 30-40℃ | 37-45℃ |
Capacité de contrôle de différence de température | ≤3℃ | ≤5℃ |
Efficacité de dissipation thermique | Haut | Moyen |
Consommation d'énergie (valeur relative) | 1 | 2-3 fois |
Complexité du système | Haut | Faible |
Difficulté d'entretien | Haut | Faible |
Applications
Application du refroidissement par air
Le refroidissement par air convient principalement pour:
1. Petit système de stockage d'énergie.
2. Batterie à faible densité énergétique.
3. Applications avec un faible taux de charge et de décharge.
4. Projets sensibles aux coûts.
5. Emplacements avec des conditions de maintenance limitées.
Application du refroidissement liquide
Le système de refroidissement liquide est plus adapté pour:
1. Grandes installations de stockage d’énergie.
2. Batteries à haute densité énergétique.
3. Applications de charge et de décharge rapides.
4. Utilisation dans des environnements à haute température.
5. Applications avec des exigences élevées de précision de contrôle de température.
Autres technologies de refroidissement
En plus du refroidissement par air et liquide, l'industrie explore activement d'autres solutions de refroidissement:
Matériau à changement de phase (PCM) Refroidissement
Le refroidissement du matériau à changement de phase utilise le processus de changement de phase du matériau pour absorber la chaleur., et présente les caractéristiques de dissipation thermique passive et de stabilité de la température. Il est actuellement principalement au stade de laboratoire et n’a pas encore été commercialisé à grande échelle..
Refroidissement hybride
Le refroidissement hybride combine les avantages de plusieurs méthodes de refroidissement, comme le refroidissement par air + PCM, refroidissement liquide + PCM, etc.. Ces technologies sont en cours de développement et devraient fournir de meilleures solutions de dissipation thermique à l'avenir..
Conclusion
Avec le développement de l’industrie des batteries lithium-ion, la technologie de refroidissement des batteries s'améliore également constamment. Le refroidissement par air et le refroidissement liquide ont chacun leurs propres avantages, et la solution appropriée doit être sélectionnée en fonction de l'application spécifique.
A court terme, le refroidissement par air dominera toujours dans les applications de petite et moyenne taille en raison de son avantage en termes de coût. Cependant, à mesure que la technologie progresse et que les coûts diminuent, le refroidissement liquide sera plus largement utilisé dans le stockage d’énergie à grande échelle.
À l'avenir, avec le développement de nouveaux matériaux, nouveaux processus, et les progrès de la technologie de contrôle intelligent, la technologie de refroidissement des batteries continuera d'évoluer et fournira un meilleur soutien au développement de l'industrie.
