Система охлаждения литий-ионной батареи: Воздушное охлаждение против. Жидкостное охлаждение
С быстрым развитием новой энергетической отрасли, Литий-ионные аккумуляторы все шире используются в электромобилях и системах хранения энергии.. Однако, литий-ионные аккумуляторы выделяют много тепла в процессе использования. Если это тепло не будет выделено вовремя, это повлияет не только на производительность батареи, но также может представлять серьезную угрозу безопасности.
По данным исследования, оптимальный диапазон рабочих температур литий-ионных аккумуляторов составляет 25-40 ℃., а разница температур внутри аккумуляторной батареи должна контролироваться в пределах 5 ℃.. Когда температура превышает 50℃, скорость зарядки, эффективность и срок службы батареи будут значительно снижены. В некоторых крайних случаях, высокая температура может даже вызвать тепловой разгон, приводящие к несчастным случаям, связанным с безопасностью!
В настоящее время, решения для охлаждения аккумуляторов, представленные на рынке, включают воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение, Охлаждение материала с фазовым переходом и гибридное охлаждение, среди которых воздушное охлаждение и жидкостное охлаждение являются двумя наиболее распространенными решениями.. В этой статье будут подробно рассмотрены характеристики и применение этих двух технологий охлаждения..
Оглавление
Воздушное охлаждение
Принцип работы и состав системы
Технология воздушного охлаждения является одним из первых решений, используемых для отвода тепла от литий-ионных аккумуляторов.. Он использует воздух в качестве теплоотводящей среды и рассеивает тепло тремя способами.: теплопроводность, тепловая конвекция, и тепловое излучение. От осознания пути, Систему воздушного охлаждения можно разделить на два вида: Охлаждение с естественной конвекцией и охлаждение с принудительной конвекцией.
Естественное конвекционное охлаждение это метод пассивного отвода тепла, основанный на естественном потоке окружающего воздуха для отвода тепла.. Этот метод имеет простейшую структуру, но эффект рассеивания тепла ограничен, и обычно подходит только для применений с низким тепловыделением.
Принудительное конвекционное охлаждение использует вентиляторы, вентиляторы или кондиционеры для создания принудительного воздушного потока или низкотемпературного воздушного потока для формирования эффективной среды теплообмена.. В реальных приложениях, чаще используются подвесные кондиционеры с воздушным охлаждением., в то время как вентиляторы и воздуходувки используются реже. Типичная система принудительного воздушного охлаждения включает в себя следующие основные компоненты.:
- Вентилятор охлаждения, вентилятор или подвесной кондиционер с воздушным охлаждением.
- Система впускных и выпускных воздуховодов.
- Направляющая пластина и ветровой щиток.
- Сеть датчиков температуры.
- Интеллектуальная система управления.
Преимущества и недостатки воздушного охлаждения
Преимущества
1. Простая и интуитивно понятная структура системы, простота установки и обслуживания.
2. Низкая первоначальная инвестиционная стоимость, хорошая экономика.
3. Отсутствие риска утечки жидкости, высокая безопасность системы.
4. Легкая система, низкое влияние на общее качество.
5. низкая стоимость обслуживания, простая операция.
Недостатки
1. Относительно низкая эффективность отвода тепла. (удельная теплоемкость воздуха равна всего лишь 1/4 воды).
2. Точность контроля температуры ограничена., трудно добиться особенно точного контроля температуры.
3. Легко зависит от температуры окружающей среды, эффект нехороший в условиях высокой температуры.
4. Вентилятор будет издавать шум во время работы.
5. Недостаточное рассеивание тепла может возникнуть в приложениях с высокой мощностью..
Оптимизация технологии воздушного охлаждения
В последние годы, Технология воздушного охлаждения постоянно совершенствуется, и основные направления оптимизации включают три аспекта:
1. Оптимизация конструкции воздуховодов
Воздуховод является ключевым фактором, влияющим на эффект отвода тепла.. С помощью вычислительной гидродинамики (CFD) анализ, инженеры разработали множество инновационных конструктивных решений воздуховодов. Оптимизированный воздуховод может значительно улучшить равномерность воздушного потока., уменьшить мертвые углы, и улучшить общую эффективность рассеивания тепла.
2. Улучшение структуры рассеивания тепла
Добавление радиаторов, ребра и другие конструкции на поверхности аккумуляторного модуля могут значительно увеличить площадь рассеивания тепла.. В то же время, за счет оптимизации формы и расположения этих структур, можно создать больше турбулентности для повышения эффективности теплообмена.
3. Интеллектуальная стратегия управления
Современные системы воздушного охлаждения обычно используют интеллектуальные стратегии управления для динамической регулировки скорости вентилятора в зависимости от температуры батареи., температура окружающей среды, условия нагрузки, и т. д.. Это обеспечивает отвод тепла и снижает потребление энергии..
Жидкостное охлаждение
Принцип работы и состав системы
Технология жидкостного охлаждения использует жидкость в качестве охлаждающей среды для отвода тепла через поток жидкости.. В зависимости от того, как охлаждающая жидкость контактирует с аккумулятором, Системы жидкостного охлаждения можно разделить на два типа: непрямое жидкостное охлаждение и погружное жидкостное охлаждение.
Косвенное жидкостное охлаждение
Косвенное жидкостное охлаждение является наиболее широко используемым методом жидкостного охлаждения.. Он изолирует охлаждающую жидкость от аккумулятора через специальную охлаждающую пластину или трубку.. Охлаждающая жидкость циркулирует в трубе и уносит тепло, выделяемое аккумулятором, за счет теплопроводности..
Типичная система непрямого жидкостного охлаждения состоит из следующих основных компонентов.:
- Система циркуляции охлаждающей жидкости.
- Холодная плита или трубопроводная сеть.
- Теплообменник.
- Циркуляционный насос.
- Датчик температуры и система управления.
Погружное жидкостное охлаждение
Погружное жидкостное охлаждение — более радикальное решение для отвода тепла.. Он погружает батарею непосредственно в изолирующую охлаждающую жидкость для обеспечения отвода тепла при прямом контакте.. Этот метод имеет хороший эффект рассеивания тепла., но у него крайне высокие требования к теплоносителю, который должен иметь отличную изоляцию, химическая стабильность и теплопроводность. Дальнейшее обслуживание затруднено, и замена аккумулятора проблематична. В настоящее время, мало практического применения.
Преимущества и недостатки жидкостного охлаждения
Преимущества
1. Высокая эффективность рассеивания тепла, значительный охлаждающий эффект.
2. Относительно точный контроль температуры..
3. Равномерное распределение температуры, полезно для срока службы батареи.
4. Низкий системный шум, хороший пользовательский опыт.
5. Сохраняет хорошую производительность даже в условиях высокой температуры..
Недостатки
1. Сложная структура системы.
2. Высокие первоначальные инвестиционные затраты.
3. Риск утечки охлаждающей жидкости.
4. Высокие требования к техническому обслуживанию, требуется профессиональная команда.
5. Больший вес системы.
Оптимизация технологии жидкостного охлаждения
В последние годы, Технология жидкостного охлаждения достигла значительного прогресса во многих аспектах:
1. Конструкция охлаждающей пластины
На рынке представлено множество инновационных конструкций охлаждающих пластин., включая:
- Параллельная мини-канальная охлаждающая пластина.
- Охлаждающая пластина с змеевидной канальной структурой.
- Обтекаемая охлаждающая пластина канала.
- Двухслойная охлаждающая пластина с обратным каналом.
- Бионическая охлаждающая пластина вен крыла.
Эти различные конструкции имеют свои особенности и могут удовлетворить потребности различных приложений..
2. Оптимизация охлаждающей жидкости
Продолжается разработка новых охлаждающих жидкостей.. Идеальная охлаждающая жидкость должна иметь:
- Высокая теплопроводность.
- Низкая электропроводность.
- Хорошая химическая стабильность.
- Подходящая вязкость.
- Низкое воздействие на окружающую среду.
3. Интеллектуальная система контроля температуры
Усовершенствованная система жидкостного охлаждения использует интеллектуальные алгоритмы управления.:
- Мониторинг температуры в режиме реального времени в каждой точке.
- Динамическая регулировка потока.
- Оптимизация энергопотребления.
- Прогнозирование возможных отклонений.
Воздушное охлаждение против. Жидкостное охлаждение
Производительность
Ниже приводится сравнительная таблица производительности системы жидкостного охлаждения и системы воздушного охлаждения.:
Индикатор эффективности | Система жидкостного охлаждения | Система воздушного охлаждения |
Максимальный диапазон регулирования температуры | 30-40℃ | 37-45℃ |
Возможность контроля разницы температур | ≤3℃ | ≤5℃ |
Эффективность рассеивания тепла | Высокий | Середина |
Энергопотребление (относительная ценность) | 1 | 2-3 раз |
Сложность системы | Высокий | Низкий |
Сложность обслуживания | Высокий | Низкий |
Приложения
Применение воздушного охлаждения
Воздушное охлаждение в основном подходит для:
1. Малая система хранения энергии.
2. Аккумулятор с низкой плотностью энергии.
3. Приложения с низкой скоростью заряда и разряда.
4. Экономически чувствительные проекты.
5. Места с ограниченными условиями обслуживания.
Применение жидкостного охлаждения
Система жидкостного охлаждения больше подходит для:
1. Крупные хранилища энергии.
2. Аккумуляторные блоки высокой плотности энергии.
3. Приложения для быстрой зарядки и разрядки.
4. Использование в условиях высоких температур.
5. Приложения с высокими требованиями к точности регулирования температуры.
Другие технологии охлаждения
Помимо воздушного и жидкостного охлаждения, отрасль активно изучает другие решения для охлаждения:
Материал фазового перехода (ПКМ) Охлаждение
При охлаждении материала с фазовым переходом используется процесс фазового перехода материала для поглощения тепла., и имеет характеристики пассивного рассеивания тепла и температурной стабильности.. В настоящее время он находится в основном на лабораторной стадии и еще не коммерциализирован в больших масштабах..
Гибридное охлаждение
Гибридное охлаждение сочетает в себе преимущества нескольких методов охлаждения., например, воздушное охлаждение + ПКМ, жидкостное охлаждение + ПКМ, и т. д.. Эти технологии находятся в стадии разработки и, как ожидается, в будущем обеспечат лучшие решения по рассеиванию тепла..
Заключение
С развитием индустрии литий-ионных аккумуляторов, Технология охлаждения аккумуляторов также постоянно совершенствуется.. Воздушное и жидкостное охлаждение имеют свои преимущества., и подходящее решение необходимо выбрать в соответствии с конкретным применением.
В краткосрочной перспективе, воздушное охлаждение по-прежнему будет доминировать в приложениях малого и среднего размера из-за его ценового преимущества.. Однако, по мере развития технологий и снижения затрат, жидкостное охлаждение будет более широко использоваться в крупномасштабных хранилищах энергии.
В будущем, с разработкой новых материалов, новые процессы, и достижения в области интеллектуальных технологий управления, Технология охлаждения аккумуляторов будет продолжать развиваться и обеспечивать лучшую поддержку развития отрасли..
