Sistema di raffreddamento della batteria agli ioni di litio: Raffreddamento ad aria vs. Raffreddamento a liquido
Con il rapido sviluppo della nuova industria energetica, Le batterie agli ioni di litio sono sempre più ampiamente utilizzate nei veicoli elettrici e nei sistemi di accumulo dell’energia. Tuttavia, Le batterie agli ioni di litio generano molto calore durante il processo di utilizzo. Se questo calore non viene emesso in tempo, non influenzerà solo le prestazioni della batteria, ma può anche comportare seri rischi per la sicurezza.
Secondo i dati della ricerca, l'intervallo di temperatura operativa ottimale delle batterie agli ioni di litio è compreso tra 25 e 40 ℃, e la differenza di temperatura all'interno del pacco batteria deve essere controllata entro 5 ℃. Quando la temperatura supera i 50 ℃, la velocità di ricarica, l’efficienza e la durata della batteria saranno notevolmente ridotte. In alcuni casi estremi, l'alta temperatura può persino innescare una fuga termica, portando a incidenti di sicurezza!
Attualmente, le soluzioni di raffreddamento delle batterie sul mercato includono il raffreddamento ad aria, raffreddamento a liquido, raffreddamento del materiale a cambiamento di fase e raffreddamento ibrido, tra cui il raffreddamento ad aria e il raffreddamento a liquido sono le due soluzioni più comuni. Questo articolo esplorerà in modo approfondito le caratteristiche e le applicazioni di queste due tecnologie di raffreddamento.
Sommario
Raffreddamento ad aria
Principio di funzionamento e composizione del sistema
La tecnologia di raffreddamento ad aria è una delle prime soluzioni utilizzate nella dissipazione del calore delle batterie agli ioni di litio. Utilizza l'aria come mezzo di dissipazione del calore e dissipa il calore attraverso tre metodi: conduzione del calore, convezione del calore, e radiazione termica. Dalla realizzazione del cammino, Il sistema di raffreddamento ad aria può essere diviso in due tipi: raffreddamento a convezione naturale e raffreddamento a convezione forzata.
Raffreddamento a convezione naturale è un metodo di dissipazione del calore passivo che si basa sul flusso naturale dell'aria ambiente per portare via il calore. Questo metodo ha la struttura più semplice, ma l'effetto di dissipazione del calore è limitato, e solitamente adatto solo per applicazioni con bassa generazione di calore.
Raffreddamento a convezione forzata utilizza i ventilatori, ventilatori o unità di climatizzazione per generare un flusso d'aria forzato o un flusso d'aria a bassa temperatura per formare un ambiente di scambio termico efficiente. Nelle applicazioni reali, i condizionatori sospesi raffreddati ad aria sono più comunemente usati, mentre ventilatori e soffianti sono meno comunemente usati. Un tipico sistema di raffreddamento ad aria forzata include i seguenti componenti principali:
- Ventola di raffreddamento, ventilatore o condizionatore d'aria raffreddato ad aria sospeso.
- Sistema di condotti di ingresso e uscita dell'aria.
- Piastra guida e parabrezza.
- Rete di sensori di temperatura.
- Sistema di controllo intelligente.
Vantaggi e svantaggi del raffreddamento ad aria
Vantaggi
1. Struttura del sistema semplice ed intuitiva, facile da installare e mantenere.
2. Basso costo di investimento iniziale, buona economia.
3. Nessun rischio di perdite di liquidi, elevata sicurezza del sistema.
4. Sistema leggero, basso impatto sulla qualità complessiva.
5. basso costo di manutenzione, operazione semplice.
Svantaggi
1. Efficienza di dissipazione del calore relativamente bassa (la capacità termica specifica dell'aria è solo 1/4 di quello dell'acqua).
2. La precisione del controllo della temperatura è limitata, difficile ottenere un controllo della temperatura particolarmente accurato.
3. Facilmente influenzato dalla temperatura ambiente, l'effetto non è buono in un ambiente ad alta temperatura.
4. La ventola genererà rumore durante il funzionamento.
5. Nelle applicazioni ad alta potenza potrebbe verificarsi una dissipazione del calore insufficiente.
Ottimizzazione della tecnologia di raffreddamento ad aria
Negli ultimi anni, la tecnologia di raffreddamento ad aria è stata continuamente migliorata, e le principali direzioni di ottimizzazione includono tre aspetti:
1. Ottimizzazione della progettazione dei condotti dell'aria
Il condotto dell'aria è un fattore chiave che influenza l'effetto di dissipazione del calore. Attraverso la fluidodinamica computazionale (CFD) analisi, gli ingegneri hanno sviluppato una varietà di soluzioni innovative per la progettazione di condotti dell'aria. Il condotto dell'aria ottimizzato può migliorare significativamente l'uniformità del flusso d'aria, ridurre gli angoli morti, e migliorare l'efficienza complessiva di dissipazione del calore.
2. Miglioramento della struttura di dissipazione del calore
Aggiunta di dissipatori di calore, alette e altre strutture sulla superficie del modulo batteria possono aumentare significativamente l'area di dissipazione del calore. Allo stesso tempo, ottimizzando la forma e la disposizione di queste strutture, è possibile generare più turbolenza per migliorare l'efficienza dello scambio termico.
3. Strategia di controllo intelligente
I moderni sistemi di raffreddamento ad aria utilizzano generalmente strategie di controllo intelligenti per regolare dinamicamente la velocità della ventola in base alla temperatura della batteria, temperatura ambiente, condizioni di carico, eccetera. Ciò garantisce la dissipazione del calore e riduce il consumo di energia.
Raffreddamento a liquido
Principio di funzionamento e composizione del sistema
La tecnologia di raffreddamento a liquido utilizza il liquido come mezzo di raffreddamento per rimuovere il calore attraverso il flusso del liquido. A seconda di come il liquido di raffreddamento entra in contatto con la batteria, I sistemi di raffreddamento a liquido possono essere suddivisi in due tipologie: raffreddamento a liquido indiretto e raffreddamento a liquido per immersione.
Raffreddamento a liquido indiretto
Il raffreddamento a liquido indiretto è il metodo di raffreddamento a liquido più utilizzato. Isola il liquido di raffreddamento dalla batteria attraverso una speciale piastra o tubo di raffreddamento. Il liquido refrigerante circola nel tubo e porta via il calore generato dalla batteria attraverso la conduzione termica.
Un tipico sistema di raffreddamento a liquido indiretto è costituito dai seguenti componenti principali:
- Sistema di circolazione del liquido di raffreddamento.
- Piastra fredda o rete di tubazioni.
- Scambiatore di calore.
- Pompa di circolazione.
- Sensore di temperatura e sistema di controllo.
Raffreddamento a liquido per immersione
Il raffreddamento a liquido per immersione è una soluzione di dissipazione del calore più radicale. Immerge la batteria direttamente in un refrigerante isolante per ottenere una dissipazione del calore a contatto diretto. Questo metodo ha un buon effetto di dissipazione del calore, ma ha requisiti estremamente elevati per il liquido di raffreddamento, che deve avere un ottimo isolamento, stabilità chimica e conducibilità termica. La manutenzione successiva è difficile, e la sostituzione della batteria è problematica. Attualmente, ci sono poche applicazioni pratiche.
Vantaggi e svantaggi del raffreddamento a liquido
Vantaggi
1. Elevata efficienza di dissipazione del calore, significativo effetto rinfrescante.
2. Controllo della temperatura relativamente accurato.
3. Distribuzione uniforme della temperatura, vantaggioso per la durata della batteria.
4. Basso rumore del sistema, buona esperienza utente.
5. Mantiene buone prestazioni anche in ambienti ad alta temperatura.
Svantaggi
1. Struttura del sistema complesso.
2. Elevato costo di investimento iniziale.
3. Rischio di perdita di liquido refrigerante.
4. Elevati requisiti di manutenzione, che richiedono un team di professionisti.
5. Peso del sistema più elevato.
Ottimizzazione della tecnologia di raffreddamento a liquido
Negli ultimi anni, La tecnologia del raffreddamento a liquido ha fatto progressi significativi sotto molti aspetti:
1. Design della piastra di raffreddamento
Sul mercato sono disponibili molti modelli innovativi di piastre di raffreddamento, compreso:
- Piastra di raffreddamento a mini-canali paralleli.
- Piastra di raffreddamento con struttura a canale serpentino.
- Piastra di raffreddamento a canale aerodinamico.
- Piastra di raffreddamento a canale inverso a doppio strato.
- Piastra di raffreddamento delle vene delle ali bioniche.
Questi diversi design hanno le proprie caratteristiche e possono soddisfare le esigenze di diverse applicazioni.
2. Ottimizzazione del liquido di raffreddamento
Procede anche lo sviluppo di nuovi liquidi refrigeranti. Il liquido di raffreddamento ideale dovrebbe avere:
- Alta conduttività termica.
- Bassa conduttività elettrica.
- Buona stabilità chimica.
- Viscosità adatta.
- Basso impatto ambientale.
3. Sistema di controllo intelligente della temperatura
L'avanzato sistema di raffreddamento a liquido utilizza algoritmi di controllo intelligenti:
- Monitoraggio in tempo reale della temperatura in ogni punto.
- Regola dinamicamente il flusso.
- Ottimizzare il consumo energetico.
- Prevedere possibili anomalie.
Raffreddamento ad aria vs. Raffreddamento a liquido
Prestazione
Di seguito è riportata una tabella comparativa delle prestazioni del sistema di raffreddamento a liquido e del sistema di raffreddamento ad aria:
Indicatore di prestazione | Sistema di raffreddamento a liquido | Sistema di raffreddamento ad aria |
Intervallo massimo di controllo della temperatura | 30-40℃ | 37-45℃ |
Capacità di controllo della differenza di temperatura | ≤3℃ | ≤5℃ |
Efficienza di dissipazione del calore | Alto | Medio |
Consumo energetico (valore relativo) | 1 | 2-3 volte |
Complessità del sistema | Alto | Basso |
Difficoltà di manutenzione | Alto | Basso |
Applicazioni
Applicazione del raffreddamento ad aria
Il raffreddamento ad aria è adatto principalmente per:
1. Piccolo sistema di accumulo di energia.
2. Pacco batterie a bassa densità di energia.
3. Applicazioni con bassa velocità di carica e scarica.
4. Progetti sensibili ai costi.
5. Luoghi con condizioni di manutenzione limitate.
Applicazione del raffreddamento a liquido
Il sistema di raffreddamento a liquido è più adatto per:
1. Grandi impianti di stoccaggio dell’energia.
2. Pacchi batteria ad alta densità di energia.
3. Applicazioni di ricarica e scarica rapida.
4. Utilizzo in ambienti ad alta temperatura.
5. Applicazioni con requisiti di precisione del controllo della temperatura elevata.
Altre tecnologie di raffreddamento
Oltre al raffreddamento ad aria e a liquido, l’industria sta esplorando attivamente altre soluzioni di raffreddamento:
Materiale a cambiamento di fase (PCM) Raffreddamento
Il raffreddamento del materiale a cambiamento di fase utilizza il processo di cambiamento di fase del materiale per assorbire il calore, e ha le caratteristiche di dissipazione passiva del calore e stabilità della temperatura. Attualmente è principalmente in fase di laboratorio e non è stato ancora commercializzato su larga scala.
Raffreddamento ibrido
Il raffreddamento ibrido combina i vantaggi di più metodi di raffreddamento, come il raffreddamento ad aria + PCM, raffreddamento a liquido + PCM, eccetera. Queste tecnologie sono in fase di sviluppo e si prevede che forniranno migliori soluzioni di dissipazione del calore in futuro.
Conclusione
Con lo sviluppo del settore delle batterie agli ioni di litio, Anche la tecnologia di raffreddamento della batteria è in costante miglioramento. Il raffreddamento ad aria e il raffreddamento a liquido presentano ciascuno i propri vantaggi, e la soluzione appropriata deve essere selezionata in base all'applicazione specifica.
A breve termine, il raffreddamento ad aria continuerà a dominare nelle applicazioni di piccole e medie dimensioni grazie al suo vantaggio in termini di costi. Tuttavia, man mano che la tecnologia avanza e i costi diminuiscono, il raffreddamento a liquido sarà più ampiamente utilizzato nello stoccaggio di energia su larga scala.
In futuro, con lo sviluppo di nuovi materiali, nuovi processi, e progressi nella tecnologia di controllo intelligente, la tecnologia di raffreddamento delle batterie continuerà ad evolversi e fornirà un migliore supporto allo sviluppo del settore.
