Sistema de resfriamento de bateria de íon de lítio: Resfriamento de ar vs.. Resfriamento Líquido
Com o rápido desenvolvimento da nova indústria energética, baterias de íon de lítio são cada vez mais utilizadas em veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia. No entanto, baterias de íon de lítio geram muito calor durante o processo de uso. Se este calor não for emitido a tempo, isso não afetará apenas o desempenho da bateria, mas também pode trazer sérios riscos à segurança.
De acordo com dados da pesquisa, a faixa ideal de temperatura operacional das baterias de íon de lítio está entre 25-40 ℃, e a diferença de temperatura dentro da bateria deve ser controlada dentro de 5 ℃. Quando a temperatura excede 50 ℃, a velocidade de carregamento, a eficiência e a vida útil da bateria serão significativamente reduzidas. Em alguns casos extremos, a alta temperatura pode até provocar fuga térmica, levando a acidentes de segurança!
Atualmente, as soluções de refrigeração de bateria no mercado incluem refrigeração a ar, refrigeração líquida, resfriamento de material de mudança de fase e resfriamento híbrido, entre os quais o resfriamento a ar e o resfriamento a líquido são as duas soluções mais comuns. Este artigo explorará em profundidade as características e aplicações dessas duas tecnologias de resfriamento..
Índice
Resfriamento de ar
Princípio de funcionamento e composição do sistema
A tecnologia de resfriamento de ar é uma das primeiras soluções usadas na dissipação de calor de baterias de íons de lítio. Ele usa o ar como meio de dissipação de calor e dissipa o calor através de três métodos: condução de calor, convecção de calor, e radiação térmica. Da realização do caminho, sistema de refrigeração de ar pode ser dividido em dois tipos: resfriamento por convecção natural e resfriamento por convecção forçada.
Resfriamento por convecção natural é um método passivo de dissipação de calor que depende do fluxo natural do ar ambiente para transportar o calor. Este método tem a estrutura mais simples, mas o efeito de dissipação de calor é limitado, e geralmente adequado apenas para aplicações com baixa geração de calor.
Resfriamento por convecção forçada usa fãs, sopradores ou unidades de ar condicionado para gerar fluxo de ar forçado ou fluxo de ar de baixa temperatura para formar um ambiente de troca de calor eficiente. Em aplicações reais, condicionadores de ar refrigerados a ar suspensos são mais comumente usados, enquanto ventiladores e sopradores são menos comumente usados. Um sistema típico de resfriamento de ar forçado inclui os seguintes componentes principais:
- Ventilador de resfriamento, soprador ou ar condicionado refrigerado a ar suspenso.
- Sistema de dutos de entrada e saída de ar.
- Placa guia e proteção contra vento.
- Rede de sensores de temperatura.
- Sistema de controle inteligente.
Vantagens e desvantagens do resfriamento de ar
Vantagens
1. Estrutura de sistema simples e intuitiva, fácil de instalar e manter.
2. Baixo custo de investimento inicial, boa economia.
3. Sem risco de vazamento de líquido, alta segurança do sistema.
4. Sistema leve, baixo impacto na qualidade geral.
5. baixo custo de manutenção, operação simples.
Desvantagens
1. Eficiência de dissipação de calor relativamente baixa (a capacidade térmica específica do ar é apenas 1/4 daquele da água).
2. A precisão do controle de temperatura é limitada, difícil conseguir um controle de temperatura particularmente preciso.
3. Facilmente afetado pela temperatura ambiente, o efeito não é bom em ambiente de alta temperatura.
4. O ventilador irá gerar ruído durante o funcionamento.
5. Dissipação de calor insuficiente pode ocorrer em aplicações de alta potência.
Otimização da tecnologia de resfriamento de ar
Nos últimos anos, a tecnologia de resfriamento de ar tem melhorado continuamente, e as principais direções de otimização incluem três aspectos:
1. Otimização do projeto de dutos de ar
O duto de ar é um fator chave que afeta o efeito de dissipação de calor. Através da dinâmica de fluidos computacional (CFD) análise, engenheiros desenvolveram uma variedade de soluções inovadoras de design de dutos de ar. O duto de ar otimizado pode melhorar significativamente a uniformidade do fluxo de ar, reduzir cantos mortos, e melhorar a eficiência geral da dissipação de calor.
2. Melhoria da Estrutura de Dissipação de Calor
Adicionando dissipadores de calor, aletas e outras estruturas na superfície do módulo da bateria podem aumentar significativamente a área de dissipação de calor. Ao mesmo tempo, otimizando a forma e o layout dessas estruturas, mais turbulência pode ser gerada para melhorar a eficiência da troca de calor.
3. Estratégia de Controle Inteligente
Os sistemas modernos de refrigeração a ar geralmente usam estratégias de controle inteligentes para ajustar dinamicamente a velocidade do ventilador de acordo com a temperatura da bateria., temperatura ambiente, condições de carga, etc.. Isso garante a dissipação de calor e reduz o consumo de energia.
Resfriamento Líquido
Princípio de funcionamento e composição do sistema
A tecnologia de resfriamento líquido usa líquido como meio de resfriamento para remover o calor através do fluxo de líquido. Dependendo de como o refrigerante entra em contato com a bateria, os sistemas de refrigeração líquida podem ser divididos em dois tipos: resfriamento líquido indireto e resfriamento líquido de imersão.
Resfriamento Líquido Indireto
O resfriamento indireto por líquido é o método de resfriamento líquido mais amplamente utilizado. Ele isola o líquido refrigerante da bateria através de uma placa ou tubo de resfriamento especial. O refrigerante circula no tubo e leva embora o calor gerado pela bateria através da condução de calor.
Um sistema típico de refrigeração líquida indireta consiste nos seguintes componentes principais:
- Sistema de circulação de refrigerante.
- Placa fria ou rede de tubos.
- Permutador de calor.
- Bomba de circulação.
- Sensor de temperatura e sistema de controle.
Resfriamento líquido por imersão
O resfriamento líquido por imersão é uma solução de dissipação de calor mais radical. Ele submerge a bateria diretamente em um líquido refrigerante isolante para obter dissipação de calor por contato direto. Este método tem um bom efeito de dissipação de calor, mas tem requisitos extremamente elevados para o refrigerante, que precisa ter excelente isolamento, estabilidade química e condutividade térmica. A manutenção posterior é difícil, e a substituição da bateria é problemática. Atualmente, existem poucas aplicações práticas.
Vantagens e desvantagens do resfriamento líquido
Vantagens
1. Alta eficiência de dissipação de calor, efeito de resfriamento significativo.
2. Controle de temperatura relativamente preciso.
3. Distribuição uniforme de temperatura, benéfico para a vida útil da bateria.
4. Baixo ruído do sistema, boa experiência do usuário.
5. Mantém um bom desempenho mesmo em ambientes de alta temperatura.
Desvantagens
1. Estrutura de sistema complexo.
2. Alto custo de investimento inicial.
3. Risco de vazamento de refrigerante.
4. Altos requisitos de manutenção, exigindo uma equipe profissional.
5. Maior peso do sistema.
Otimização da tecnologia de refrigeração líquida
Nos últimos anos, a tecnologia de refrigeração líquida fez progressos significativos em muitos aspectos:
1. Projeto da placa de resfriamento
Existem muitos designs inovadores de placas de resfriamento no mercado, incluindo:
- Placa de resfriamento de minicanal paralelo.
- Placa de resfriamento de estrutura de canal serpentina.
- Placa de resfriamento de canal simplificada.
- Placa de resfriamento de canal reverso de camada dupla.
- Placa de resfriamento de veias de asa biônica.
Esses diferentes designs possuem características próprias e podem atender às necessidades de diferentes aplicações..
2. Otimização do refrigerante
O desenvolvimento de novos refrigerantes também está progredindo. O refrigerante ideal deve ter:
- Alta condutividade térmica.
- Baixa condutividade elétrica.
- Boa estabilidade química.
- Viscosidade adequada.
- Baixo impacto ambiental.
3. Sistema inteligente de controle de temperatura
O avançado sistema de refrigeração líquida utiliza algoritmos de controle inteligentes para:
- Monitoramento em tempo real da temperatura em cada ponto.
- Ajustar dinamicamente o fluxo.
- Otimize o consumo de energia.
- Preveja possíveis anormalidades.
Resfriamento de ar vs.. Resfriamento Líquido
Desempenho
A seguir está uma tabela de comparação de desempenho do sistema de refrigeração líquida e do sistema de refrigeração a ar:
Indicador de desempenho | Sistema de refrigeração líquida | Sistema de resfriamento de ar |
Faixa máxima de controle de temperatura | 30-40℃ | 37-45℃ |
Capacidade de controle de diferença de temperatura | ≤3℃ | ≤5℃ |
Eficiência de dissipação de calor | Alto | Médio |
Consumo de energia (valor relativo) | 1 | 2-3 vezes |
Complexidade do sistema | Alto | Baixo |
Dificuldade de manutenção | Alto | Baixo |
Aplicativos
Aplicação de resfriamento de ar
O resfriamento a ar é principalmente adequado para:
1. Pequeno sistema de armazenamento de energia.
2. Bateria de baixa densidade de energia.
3. Aplicações com baixa taxa de carga e descarga.
4. Projetos sensíveis ao custo.
5. Locais com condições de manutenção limitadas.
Aplicação de resfriamento líquido
O sistema de refrigeração líquida é mais adequado para:
1. Grandes instalações de armazenamento de energia.
2. Baterias de alta densidade de energia.
3. Aplicativos de carregamento e descarregamento rápidos.
4. Uso em ambientes de alta temperatura.
5. Aplicações com requisitos de precisão de controle de alta temperatura.
Outras tecnologias de resfriamento
Além do resfriamento a ar e líquido, a indústria está explorando ativamente outras soluções de refrigeração:
Material de mudança de fase (PCM) Resfriamento
O resfriamento do material por mudança de fase usa o processo de mudança de fase do material para absorver calor, e tem as características de dissipação de calor passiva e estabilidade de temperatura. Atualmente está principalmente em fase de laboratório e ainda não foi comercializado em larga escala.
Resfriamento Híbrido
O resfriamento híbrido combina as vantagens de vários métodos de resfriamento, como resfriamento de ar + PCM, refrigeração líquida + PCM, etc.. Estas tecnologias estão em desenvolvimento e espera-se que forneçam melhores soluções de dissipação de calor no futuro.
Conclusão
Com o desenvolvimento da indústria de baterias de íon de lítio, a tecnologia de resfriamento de bateria também está melhorando constantemente. O resfriamento a ar e o resfriamento a líquido têm suas próprias vantagens, e a solução apropriada precisa ser selecionada de acordo com a aplicação específica.
No curto prazo, o resfriamento a ar ainda dominará em aplicações de pequeno e médio porte devido à sua vantagem de custo. No entanto, à medida que a tecnologia avança e os custos diminuem, o resfriamento líquido será mais amplamente utilizado no armazenamento de energia em grande escala.
No futuro, com o desenvolvimento de novos materiais, novos processos, e avanços na tecnologia de controle inteligente, a tecnologia de resfriamento de bateria continuará a evoluir e fornecer melhor suporte para o desenvolvimento da indústria.
