Boston Heating Supply — страница не найдена
Поиск по категориямКотлыГорелкиВоздуходувки/ДвигателиРасширительные бакиФитингиПечиHVACМаслоPex/RadiantСантехникаНагреватели для бассейновНасосыНакопительные бакиТермостаты/Управление/ИнструментыВодонагревателиВодонагревателиФильтры для водыКлапаныВентиляция
| Главная > Страница не найдена
|
|
t
O.U. Водонагреватели
JPG»>Jandy / Zodiac
jpg»> Водонагреватели Rheem
jpg»> Taco
jpg»> Viessmann
Решение проблем нагрева аккумуляторов с помощью теплопередачи
Аккумуляторные технологии являются неотъемлемой частью нашей жизни: от смартфонов до массивных электрохимических систем хранения энергии и от гибридных автомобилей до полностью электрических самолетов — наша зависимость от аккумуляторов постоянно растет.
Однако эта технология далека от совершенства, и оптимизация конструкции аккумуляторов, особенно с точки зрения регулирования температуры и теплопередачи, сегодня является ключевой задачей для инженеров и производителей.
Несмотря на то, что литий-ионные батареи являются лучшими перезаряжаемыми батареями, доступными на сегодняшний день, они имеют два основных недостатка: (1) они разлагаются, хотя и медленно, и (2) они очень чувствительны к теплу. В этой статье мы сосредоточимся на втором аспекте — более конкретно, мы рассмотрим использование численного моделирования для понимания управления температурным режимом и теплопередачи в аккумуляторных технологиях. Хотя большая часть следующего обсуждения касается аккумуляторных батарей, используемых в электромобилях, оно применимо к любой технологии, использующей литий-ионную технологию.
Производительность и срок службы батареи зависят, среди прочего, от конструкции батареи, используемых материалов и рабочей температуры. Для аккумуляторных батарей, используемых в электрических или гибридных транспортных средствах, рабочая температура (обычно в диапазоне 20–35 °C) имеет решающее значение для обеспечения максимальной эффективности.
Работа при более низких температурах влияет на емкость, а при более высоких температурах сокращается срок службы. Отчеты показывают, что пробег электромобилей может снизиться на целых 60%, когда температура окружающей среды падает ниже -6 °C, и примерно на 50% при эксплуатации при температуре 45 °C. Еще одним фактором, влияющим на срок службы аккумуляторных батарей, является распределение внутренней температуры. Разница более чем примерно в 5 °C в ячейке/модуле (многие из которых могут быть внутри упаковки) сокращает общий срок службы, а также емкость. На рис. 01 показано распределение температуры в стандартной аккумуляторной стойке.
Как показано, в нормальных условиях температура может находиться в диапазоне от 25 °C до 35 °C. Без сомнения, тепловое поведение батарей в реальных условиях эксплуатации оказывает сильное влияние на их полезность в разных приложениях, поэтому поддержание эффективного и точного управления температурным режимом имеет первостепенное значение.
Численное моделирование систем управления температурным режимом зарекомендовало себя как отличный способ разработки и улучшения конструкции аккумуляторов при значительно меньших затратах, чем физические испытания. Четко определенный и продуманный подход к моделированию может помочь точно предсказать тепловую физику внутри батареи и, следовательно, может служить полезным инструментом на ранних этапах процесса проектирования.
Для оценки тепловых характеристик аккумуляторной батареи использовалось множество различных имитационных моделей — от простых моделей с сосредоточенной емкостью на одном конце спектра до полноценных трехмерных имитационных моделей на другом. Однако все эти модели построены с использованием одних и тех же основных частей основного уравнения баланса энергии: (а) Каковы источники выработки тепла? (b) Каковы геометрические и тепловые свойства элементов батареи? И, наконец, (c) Какой механизм охлаждения используется? Различные модели учитывают эти компоненты с разной степенью точности, чтобы обеспечить желаемую точность и стоимость.
Тепло вырабатывается из двух источников:
- Электрохимическая операция, связанная с выделением тепла в результате химических реакций внутри батареи. Нагрев
Оба этих источника необходимо рассматривать с помощью их собственных управляющих уравнений. Каждый из них зависит от свойств материала, местной температуры и, конечно же, применяемой геометрии. Однако общепринятой практикой является использование экспериментально проверенных уравнений модели для обоих этих аспектов, чтобы значительно сэкономить на некоторых вычислениях, а также упростить структуру моделирования.
Геометрия элементов батареи и всего блока также может играть потенциально важную роль в характеристиках теплопередачи системы. Становится все более распространенным использование полных трехмерных геометрий (предоставленных в виде моделей САПР) в качестве исходных данных для анализа, а не относительно упрощенного двумерного приближения.
Свойства материалов различных компонентов получены из данных производителя или из других экспериментальных исследований.
Наконец, конвекция обычно является основным методом рассеивания тепла (излучение играет минимальную роль, если вообще играет) в окружающую среду. Кондуктивный теплообмен внутри батареи может учитываться или не учитываться в зависимости от желаемой точности моделирования.
Узнайте о трех основных механизмах теплопередачи на нашем семинаре по термическому анализу. Посмотрите наше тепловое моделирование прямо сейчас!
Watch Free Workshop
Собираем все вместе
Возможно, самым простым подходом является использование модели сосредоточенной емкости. Это переходный подход проводимости, который предполагает, что температура твердого тела пространственно однородна и является функцией только времени. Не вдаваясь слишком далеко в детали, нетрудно заметить, что в этих подходах отсутствуют существенные детали.
Тем не менее, есть случаи, когда эти модели, если они тщательно реализованы, могут представлять довольно точные переходные данные при очень низких затратах.
С другой стороны, детальное тепловое моделирование (например, предоставленное SimScale) может обеспечить более целостный обзор вовлеченной термодинамики, учитывая поток жидкости и теплопередачу внутри модуля батареи или батареи. При этом стало возможным разработать более совершенные системы охлаждения аккумуляторов. В этих симуляциях можно использовать точные спецификации свойств материалов, геометрических деталей, а также начальных и граничных условий. Если все настроено эффективно, можно ожидать очень точных результатов. Методы CFD с большим успехом применялись для термического анализа. Облачные инструменты моделирования позволяют значительно сократить общие вычислительные затраты, представляя при этом подробные пространственные и переходные данные. Это может иметь неоценимое значение для установления фундаментально правильного понимания вовлеченной теплофизики.
Пример успешного моделирования батареи с помощью CFD можно найти в работе Yi, Koo & Shin в их статье «Трехмерное моделирование теплового поведения модуля литий-ионной батареи для Применение гибридных электромобилей», опубликованной в журнале «Energies». Модуль литий-ионной батареи был настроен, как показано на рис. 02.
Рис. 02: Настройка CFD для модуля батареи LIB (Источник: J. Yi, B. Koo и C. B. Shin, «Трехмерное моделирование теплового Поведение модуля литий-ионной батареи для применения в гибридных электромобилях», Энергетика, т. 7, стр. 7586–7601 (2014)Результирующее распределение температуры внутри модуля после 1620 секунд разряда и теплопередачи показано на рис. 03. «Трехмерное моделирование теплового поведения модуля литий-ионной батареи для применения в гибридных электромобилях», Энергетика, т. 7, стр. 7586 – 7601 (2014)
Выводы Мультифизический характер этой задачи означает что в каждом из этих подходов были сделаны упрощения по нескольким аспектам.
Следовательно, всегда есть возможности для улучшения. В приведенном ниже списке показана лишь часть этих сложных аспектов:
- Более точное моделирование химического состава батареи и циклов зарядки/разрядки;
- Батареи, состоящие из широкого спектра материалов, включая тонкие слои металлов (покрывающие элементы), пористые материалы и т. д.;
- Если в конструкции батареи используется несколько слоев различных материалов, внутренний материал может быть анизотропным по своей природе;
- Если свойства материала конструкции батареи, как правило, не очень хорошо известны, это может существенно повлиять на точность моделирования; и
- Моделирование потока охлаждающей жидкости всегда является сложной задачей из-за сложной геометрии и возможной турбулентности жидкости.
Увеличение вычислительной мощности позволило исследователям точно и эффективно учитывать большее количество этих аспектов. Повышение нашей уверенности в прогностических возможностях таких симуляций.