Was ist ein Wärmemanagementsystem?

Was ist ein Wärmemanagementsystem?

Das Batterie-Wärmemanagement basiert auf dem Einfluss der Temperatur auf die Batterieleistung, kombiniert mit den elektrochemischen Eigenschaften und Wärmeerzeugungsmechanismen der Batterie und basiert auf dem optimalen Lade-/Entladetemperaturbereich einer bestimmten Batterie. Es handelt sich um eine Technologie, die sich mit der Wärmeableitung oder dem thermischen Durchgehen befasst, die durch übermäßig hohe oder niedrige Temperaturen während des Batteriebetriebs verursacht werden. Dies wird durch rationales Design erreicht und basiert auf Materialwissenschaften, Elektrochemie, Wärmeübertragung, Molekulardynamik und anderen Disziplinen. Die Aufrechterhaltung eines angemessenen Betriebstemperaturbereichs ist für die Aufrechterhaltung einer guten Leistung des Akkus von entscheidender Bedeutung. Daher ist die Entwicklung eines angemessenen Wärmemanagementschemas für Lithium-Ionen-Batteriepacks von großer Bedeutung für die Verbesserung der Gesamtleistung des Batteriesystems.

Das Wärmemanagementsystem des Batteriepacks hat die folgenden fünf Hauptfunktionen: ① genaue Messung und Überwachung der Batterietemperatur; ② effektive Wärmeableitung und Belüftung, wenn die Temperatur des Akkus zu hoch ist; ③ schnelle Erwärmung unter niedrigen{0}}Temperaturbedingungen; ④ effektive Belüftung bei Entstehung schädlicher Gase; und ⑤ Gewährleistung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb des Batteriepakets.

Ein Hochleistungs-Wärmemanagementsystem für Batteriepacks erfordert einen systematischen Designansatz. Derzeit gibt es viele Entwurfsmethoden für Wärmemanagementsysteme. Am häufigsten wird ein Wärmemanagementsystem für Batteriepakete verwendet, das vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) in den Vereinigten Staaten entwickelt wurde und dessen Designprozess sieben Schritte umfasst:

1) Bestimmen Sie die Eigen-kaliber und Anforderungen des Wärmemanagementsystems. Bestimmen Sie anhand der Temperatureigenschaften der Batterie und des geeigneten Betriebstemperaturbereichs das Steuerungsselbst-kaliber des Wärmemanagementsystems. Beispielsweise beträgt die geeignete Betriebstemperatur für Lithium-Ionen-Batterien 10 bis 40 Grad, mit einer unteren Temperaturgrenze von 0 Grad und einer oberen Temperaturgrenze von 45 Grad. Daher sollte das Design des Wärmemanagementsystems darauf abzielen, den extremen Betriebstemperaturen der Batterie gerecht zu werden und gleichzeitig darauf zu achten, dass die entsprechenden Betriebstemperaturanforderungen der Batterie erfüllt werden.

2) Messen oder schätzen Sie die Wärmeerzeugung und Wärmekapazität des Moduls. Bestimmen Sie durch Batterielade--Entladetests und Simulationsrechnungen auf Basis der spezifischen Wärmekapazität der Batterie die Wärmeableitung bzw. Heizleistung.

3) Erste Bewertung des Wärmemanagementsystems, einschließlich der Auswahl des Wärmeübertragungsmediums und der Gestaltung der Wärmeableitungsstruktur. Im Allgemeinen wird die Batteriekühlung durch Luftkühlung oder Flüssigkeitskühlung erreicht. Luftkühlsysteme sind relativ einfach aufgebaut, aber ineffizient; Flüssigkeitskühlsysteme sind komplex im Aufbau, aber hocheffizient. Es gibt auch verschiedene Arten von Heizmethoden, wie z. B. Heißluftzirkulationsheizung, Flüssigkeitsströmungsheizung und direkte Wärmestrahlungsheizung von der Wärmequelle.

4) Vorhersage des thermischen Verhaltens des Moduls und des Akkupacks. Basierend auf den Betriebsbedingungen des Akkupacks können Sie die Wärmeableitung und den Heizbedarf während der Anwendung vorhersagen und bewerten.

5) Vorläufiger Entwurf des Wärmemanagementsystems. Führen Sie auf der Grundlage des ermittelten Wärmemediums und der Ergebnisse der Bewertung des thermischen Verhaltens das Prinzip und den technischen Entwurf des Wärmemanagementsystems durch.

6) Entwerfen und testen Sie das Wärmemanagementsystem. Erstellen Sie verkleinerte-verkleinerte oder vollständige-Batteriesysteme und das Batterie-Wärmemanagementsystem und überprüfen Sie die Wirksamkeit des Wärmemanagementsystems unter simulierten tatsächlichen Betriebsbedingungen auf einem Prüfstand.

7) Optimieren Sie das Wärmemanagementsystem. Verbessern und optimieren Sie das Wärmemanagementsystem basierend auf den experimentellen Ergebnissen.

Batterien sind keine guten Wärmeleiter. Die bloße Kenntnis der Oberflächentemperaturverteilung reicht nicht aus, um den internen thermischen Zustand der Batterie vollständig zu verstehen. Die Berechnung des internen Temperaturfelds mithilfe mathematischer Modelle und die Vorhersage des thermischen Verhaltens der Batterie ist ein unverzichtbarer Schritt bei der Entwicklung von Batterie-Wärmemanagementsystemen. Derzeit umfassen die gängigen mathematischen Modelle zwei-dimensionale und dreidimensionale-Modelle. Unter diesen wird das dreidimensionale Modell aufgrund seiner hervorragenden Genauigkeit und Anpassungsfähigkeit häufig in zahlreichen Batterie-Wärmemanagementsystemen verwendet. Das Modell ist wie folgt:

Battery Thermal Field Calculation and Temperature Prediction

Wobei T die Temperatur ist;

ρ ist die durchschnittliche Dichte;

c_p ist die spezifische Wärmekapazität der Batterie;

λ_x, λ_y, λ_z sind die Wärmeleitfähigkeit der Batterie in x-, y- bzw. z-Richtung;

q ist die Wärmeerzeugungsrate pro Volumeneinheit.

Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Batteriemodulen innerhalb des Batteriekastens verstärken Unstimmigkeiten im Batterieinnenwiderstand und in der Kapazität. Im Laufe der Zeit kann dies dazu führen, dass einige Akkus überladen oder -entladen werden, was sich auf ihre Lebensdauer und Leistung auswirkt und Sicherheitsrisiken mit sich bringt. Die Temperaturunterschiede zwischen Batteriemodulen innerhalb des Batteriekastens hängen eng mit der Anordnung des Batteriepacks zusammen. Im Allgemeinen neigen Batterien in der Mitte dazu, Wärme zu speichern, während solche an den Rändern eine bessere Wärmeableitung haben. Daher ist es bei der Gestaltung der Batteriepackstruktur und der Wärmeableitung von entscheidender Bedeutung, eine gleichmäßige Wärmeableitung sicherzustellen. Am Beispiel der Luftkühlung gibt es im Allgemeinen zwei Belüftungsmethoden: Reihen- und Parallellüftung, um eine gleichmäßige Wärmeableitung zu gewährleisten. Das Luftstromdesign muss den Grundprinzipien der Strömungsmechanik und Aerodynamik entsprechen.

Beim Entwurf eines Batterie-Wärmemanagementsystems müssen Typ und Leistung des Lüfters, die Anzahl der Temperatursensoren und die Lage der Messpunkte sorgfältig ausgewählt werden.

Am Beispiel der Luftkühlung sollte bei der Gestaltung des Kühlsystems unter Gewährleistung eines bestimmten Kühleffekts der Strömungswiderstand minimiert werden, um Lüftergeräusche und Stromverbrauch zu reduzieren und so die Gesamtsystemeffizienz zu verbessern. Der Stromverbrauch des Lüfters kann durch Schätzung des Druckabfalls und der Durchflussrate mithilfe experimenteller, theoretischer Berechnungen und Methoden der Fluiddynamik (CFD) geschätzt werden. Bei geringem Strömungswiderstand können Axialventilatoren in Betracht gezogen werden; Bei hohem Strömungswiderstand sind Radialventilatoren besser geeignet. Natürlich müssen auch der Platzbedarf des Ventilators und seine Kosten berücksichtigt werden. Auch das Finden der optimalen Lüftersteuerungsstrategie gehört zu den Aufgaben eines Thermomanagementsystems.

Schematic diagram of temperature measurement points in the battery box

Die Temperaturverteilung des Batteriepakets innerhalb des Batteriekastens ist im Allgemeinen ungleichmäßig. Daher ist es notwendig, die thermische Feldverteilung des Batteriepakets unter verschiedenen Bedingungen zu kennen, um die kritischen Temperaturpunkte zu bestimmen. Mehr Temperatursensoren ermöglichen eine umfassendere Temperaturmessung, erhöhen jedoch die Systemkosten und die Komplexität. Abhängig vom spezifischen technischen Kontext können theoretisch Finite-Elemente-Analyse, Infrarot-Wärmebildgebung in Experimenten oder Echtzeit-Mehrpunkt-Temperaturüberwachung verwendet werden, um die thermische Feldverteilung des Batteriepacks, der Batteriemodule und einzelner Zellen zu analysieren und zu messen, die Anzahl der Temperaturmesspunkte zu bestimmen und geeignete Punkte in verschiedenen Bereichen zu finden. Ein allgemeines Design sollte sicherstellen, dass die Temperatursensoren keinem Kühlluftstrom ausgesetzt sind, um die Genauigkeit und Stabilität der Temperaturmessungen zu verbessern. Bei der Auslegung der Batterie sollte Platz für Temperatursensoren reserviert werden; Beispielsweise können an geeigneten Stellen geeignete Öffnungen vorgesehen werden. Der Batteriesatz des Hybrid-Elektrofahrzeugs Prius von Toyota besteht aus 228 Einzelzellen und die Temperaturüberwachung erfolgt durch 5 Temperatursensoren. Das vom Beijing Institute of Technology entwickelte Elektrobus-Batteriesystem verwendet 6 Temperaturmesspunkte pro Kasten (siehe den eingekreisten Bereich in Abbildung 8-16a), die an den Plus- und Minuspolen und den Stromleitungsausgangspunkten des Batteriekastens angeordnet sind, wie in Abbildung 8-16 dargestellt.

Basierend auf dem Wärmeübertragungsmedium kann die Kühlung von Wärmemanagementsystemen für Batteriepacks in drei Arten unterteilt werden: Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung und Phasenwechselmaterialkühlung. Unter Berücksichtigung der Materialforschung und -entwicklung sowie der Herstellungskosten verwendet das effektivste und am häufigsten verwendete Wärmeableitungssystem derzeit Luft als Wärmeableitungsmedium.

Basierend auf der Struktur des Luftstroms zur Wärmeableitung können Luftkühlsysteme weiter in zwei Typen unterteilt werden: Reihenlüftung und Parallellüftung, wie in den Abbildungen 8-17 bzw. 8-18 dargestellt.

In einer Reihenkonfiguration strömt Luft typischerweise von einer Seite des Batteriepakets zur anderen, um Wärme abzuleiten. Dieser Luftstrom transportiert jedoch Wärme von Bereichen, die er früher durchströmt, zu Bereichen, die er später durchströmt, was zu inkonsistenten Temperaturen und erheblichen Temperaturunterschieden führt. In einer Parallelkonfiguration steigt der Luftstrom zwischen den Modulen vertikal an, wodurch die Luft gleichmäßiger verteilt wird und eine gleichmäßige Wärmeableitung im gesamten Batteriepaket gewährleistet wird.

Wärmemanagementsysteme können in passive und aktive Systeme eingeteilt werden, je nachdem, ob sie über interne Heiz- oder Kühlgeräte verfügen. Passive Systeme sind kostengünstiger und erfordern eine einfachere Infrastruktur; Aktive Systeme sind komplexer und erfordern mehr zusätzliche Leistung, bieten aber eine bessere Leistung.

Die Abbildungen 8-19, 8-20 und 8-21 zeigen schematische Diagramme aktiver und passiver Lufterwärmungs- bzw. Wärmeableitungsstrukturen.

Thermal Management System Design and Implementation

In den Abbildungen 8-19 und 8-20 wird die Luft zwar durch die Klimaanlage oder das Heizsystem des Fahrzeugs gekühlt und erwärmt, es handelt sich jedoch immer noch um ein passives System. Bei diesem passiven System muss die Umgebungsluft aufgrund der Inkonsistenz der Temperatur der eingeführten Umgebungsluft in einem bestimmten Temperaturbereich (10–35 Grad) arbeiten, um ein ordnungsgemäßes Wärmemanagement zu gewährleisten. Der Betrieb unter extrem kalten oder heißen Bedingungen kann zu größeren Unebenheiten im Akkupack führen.

In Heizsystemen können neben der Einleitung heißer Luft in den Batteriesatz auch andere Methoden verwendet werden, wie in den Abbildungen 8-22 bis 8-25 (für prismatische Batterien) dargestellt.

Other heating methods