Важность управления температурным режимом стационарных литий-ионных аккумуляторов
Крис Бойер, доктор философии, PE, директор по развитию бизнеса Sabre Industries удачного дизайна охлаждения. Уникальные проблемы систем литий-ионных аккумуляторов требуют тщательного проектирования. Низкая предписываемая рабочая температура батареи (от 20° до 25°C) требует системы охлаждения, а не прямого охлаждения окружающего воздуха. Небольшой допустимый разброс температуры, не превышающий 5°C между самой горячей и самой холодной батареей, требует почти идеального распределения воздуха. И быстрые изменения власти со временем требуют жесткого контроля. Без надлежащего управления температурным режимом перегревающиеся элементы будут деградировать, работать со сбоями или даже загореться [2] [3] .
Несколько инструментов моделирования помогают в процессе проектирования, чтобы обеспечить хорошие проекты. К ним относятся:
- Общие уравнения баланса массы и энергии для выбора размеров охлаждающего оборудования;
- Transient FEA для изучения переходного поведения и методов управления; и, Программное обеспечение
- CFD для оценки распределения воздушного потока и возникающих в результате отклонений температуры.
Расчет системы охлаждения с учетом общего баланса энергии и массы
Правильная емкость и диапазон регулирования для терморегулирования BESS приведут к повышению производительности и увеличению срока службы батарей. Недостаточный размер системы охлаждения может привести к перегреву батареи. Слишком большой размер системы охлаждения может привести к коротким циклам работы системы охлаждения и большим колебаниям температуры воздуха при включении и выключении устройства.
Тепло, выделяемое батареями
Тепло, выделяемое батареями, является наибольшей нагрузкой и, следовательно, наиболее важным для точного прогнозирования. Тепло возникает в результате энтропийных потерь реакции и энергии активации, электрического и ионного сопротивления и химического переноса. [4] [5] [6] Выделенное тепло обычно остается постоянным в диапазоне от 20 до 80 % уровня заряда (SoC). Выделение тепла значительно увеличивается, когда разрядка приближается к 0 SoC и когда заряд приближается к 100% SoC, как показано на рисунке 1.
и окончание заряда.
Тепловыделение литий-ионного аккумулятора обычно соответствует поведению I 2 R , которое можно привести к безразмерной форме: Параметр α является константой для типа батареи и не зависит от размера массива и способа расположения цепочек батарей.
Из-за деградации выделение тепла увеличивается в течение срока действия проекта. Аккумуляторные компании сообщили об увеличении от 35% до 70%. Выделение тепла увеличивается при более низких температурах, что приблизительно соответствует соотношению α/α ref = √T ref /T в пределах от 10° до 50°C на основе эталонной температуры 25°C.
Прочие тепловые нагрузки
Высоковольтная шина постоянного тока и кабельная система выделяют резистивное тепло в соответствии с G = I 2 R и обычно рассчитаны примерно на 0,25% от максимальной мощности постоянного тока. Тепло, выделяемое освещением, коммуникационным оборудованием, блоками питания и контроллерами, остается относительно постоянным во времени и составляет от 500 Вт до 1 кВт тепла.
Тепло также поступает из внешней среды. Коммерческое программное обеспечение для расчета параметров HVAC точно рассчитывает тепловую нагрузку на окружающую среду. Общее приближение, которое работает для одноэтажных зданий, расположенных в умеренном климате, составляет 1 тонну охлаждения на 500 футов 9 .0038 2 .
Сумма тепловых нагрузок
На основе расчетов, описанных выше, требования к охлаждению литий-ионной системы BESS на МВтч аккумуляторов при различных скоростях C показаны в таблице 1.
Таблица 1. Типичные тепловые нагрузки для 1 — МВтч корпуса при различных C-скоростях.
Выбор оборудования HVAC
Номинальные мощности HVAC основаны на наборе номинальных условий [7] . Фактическая мощность HVAC ниже номинальной мощности в большинстве приложений для хранения энергии из-за более высоких температур наружного воздуха, более низких заданных температур внутри и более низкой влажности. При работе в жаркой пустыне фактическая мощность кондиционера может составлять только 50% от номинальной мощности или даже меньше, поскольку змеевики испарителя и конденсатора загрязняются.
Согласно общему эмпирическому правилу для хранения энергии, номинальная мощность оборудования HVAC должна быть на 150 % больше, чем требуемая ощутимая охлаждающая нагрузка, основанная на приведенных выше расчетах.
Теплопередача между охлаждающим воздухом и аккумуляторными модулями
Сегодня в большинстве стационарных систем BESS в качестве среды для охлаждения аккумуляторов используется воздух. В дополнение к правильно подобранной системе охлаждения шкафа модули также должны иметь правильно спроектированный метод локальной передачи тепла охлаждающему воздуху. Уравнение теплопередачи в установившемся режиме для локального охлаждения модуля может быть описано уравнением:
Где U’ [Вт/°C] — общий коэффициент теплопередачи, который включает передачу тепла от ячеек к поверхности и конвекции тепла от поверхности к воздуху. Охлаждающая поверхность может быть внутренней по отношению к модулю и/или внешнему кожуху модуля.
Для поддержания температуры батареи ниже максимальной необходимо выполнение двух условий.
Во-первых, общий коэффициент теплопередачи должен соответствовать уравнению:
Во-вторых, объем воздушного потока (пассивного или активного) мимо модулей должен быть достаточным для поглощения выделяемого тепла:
Необходимо проверить эти два условия. и если они выйдут из строя, то никакая мощность HVAC не сможет охладить батарею. Если ограничением является отвод тепла через модуль к поверхности и от поверхности к воздуху, то необходимо перепроектировать модуль для лучшей теплопередачи.
Переходные процессы при расчете системы охлаждения
На рис. 2 показаны примеры профилей нагрузки для различных приложений BESS. Анализ переходных процессов изучает, как система HVAC влияет на температуру батареи при изменении нагрузки.
Рис. 2. Примеры суточных циклов (24 часа) для стационарных систем BESS.
Представленная тепловая модель переходного процесса использовалась для оценки многих проектных решений, таких как:
- Определение количества охлаждения, необходимого в конкретном случае использования, на основе профиля нагрузки приложения;
- Определите, требуется ли каскадирование охлаждения, и если да, то какие уровни каскадирования;
- Определить влияние различных методов контроля температуры;
- Оценить эффективность регулировки тепловых масс как в модуле, так и в корпусе;
- Оцените эффективность регулировки потоков воздуха в шкафу и модулях.
Например, ISO New England публикует профиль переходной нагрузки для имитации диспетчеризации регулирования частоты для систем накопления энергии [8] . Переходная модель предполагала компонент BESS мощностью 2 МВт/1 МВтч с литий-ионными батареями с принудительным воздушным охлаждением. Графики на Рисунке 3 показывают 24-часовую часть с результирующей цикличностью HVAC и температурой воздуха в основании шкафа для конкретного корпуса и конструкции HVAC. Модель показывает, что хотя батареи могут генерировать 60 кВт тепла в течение коротких периодов времени, для поддержания заданной температуры воздуха требуется не более 21 кВт охлаждения. Основываясь на анализе переходных процессов, размер HVAC может быть уменьшен до одной трети от максимальной мгновенной тепловой нагрузки.
Рис. 3. Результирующие тепловые потоки и температурный профиль для системы BESS мощностью 2 МВт/1 МВтч с несколькими этапами 3-RT при кондиционировании воздуха для охлаждения в течение 1 дня в случае интенсивного использования с New England ISO данные.
Достижение сбалансированного распределения воздуха с помощью CFD
Другим ключевым аспектом системы охлаждения является то, как воздух проходит через корпус, чтобы батареи оставались в пределах допустимого перепада температуры. Анализ CFD превосходно подходит для расчета пространственных значений температуры, статического давления, скорости воздуха и направления воздушного потока.
CFD-анализ помог принять важные проектные решения, такие как:
- проверить достаточную площадь поперечного сечения для прохождения воздуха через корпус,
- выберите места для воздушных барьеров и дефлекторов,
- определить оптимальный размер, форму и совместить расположение каналов подачи,
- указать направление для оптимизации положения лопастей в регистрах снабжения,
- определить значение и расположение воздушных барьеров между оборудованием или вокруг него, и
- определить эффективность дополнительных вентиляторов/воздуходувок в корпусе для усиления ОВКВ.
Анализ CFD использовался для анализа воздушного потока и результирующих температур для корпуса, содержащего батареи с настенными блоками HVAC на обоих концах. В анализе использовались данные аккумуляторов и данные HVAC от соответствующих производителей. На рис. 4 представлены графические результаты профилей температуры трех плоскостей по осям x, y и z. Эти профили детализируют поток воздуха через корпус и результирующие температуры. Легко увидеть, как вводится холодный воздух (обозначен синим цветом) и как он распределяется. Эта информация была использована для улучшения конструкции воздуховодов.
Рис. 4. Результаты CFD, показывающие плоскости с температурами и векторами воздушных потоков.
Заключение
Аккумуляторы выделяют тепло, как и другое электрическое оборудование, однако производитель гарантирует низкую температуру и очень узкое окно, в котором могут работать аккумуляторы. Несмотря на то, что проектирование системы управления температурным режимом для аккумуляторного накопителя энергии сопряжено с этими уникальными проблемами, инструменты, представленные в этой статье, успешно используются.
Номенклатура
Ссылки
[1] P.P.X.Z.G.C.J.S.C.C. Qingsong Wang, «Тепловой разгон вызвал пожар и взрыв литий-ионной батареи», Journal of Power Source с., т. 208, стр. 210-224, 2012. [2] S.G.T.F.F. Тодд М. Бандхауэр, «Критический обзор тепловых проблем в литий-ионных батареях», J. Electrochemical Society, vol. 158, нет. 3, стр. R1-R25, 2011. [3] M.O.L.L.J.L.X.H.G. Liu, «Анализ тепловыделения литий-ионного аккумулятора во время зарядки и разрядки с учетом различных влияющих факторов», J Therm Anal Calorim, vol. 116, стр. 1001-1010, 2014. [4] С. Г. Т. Ф. Ф. Тодд М. Бандхауэр, «Зависимое от температуры электрохимическое выделение тепла в коммерческой литий-ионной батарее», Journal of Power Sources, vol. 247, стр. 618-628, 2014. [5] Ашкан Назари С. Ф., «Выработка тепла в литий-ионных батареях с различной номинальной емкостью и химическим составом», Applied Thermal Engineering, vol.
125, стр. 1501-1517, 2017.
[6] «Данные о тепловыделении аккумуляторов», Конфиденциальный производитель аккумуляторов, 2016 г.
[7] АШРЕА СТД 16, Метод испытаний номинальной тепловой мощности комнатного кондиционера и комплектного терминального кондиционера, , 2016 г.
[8] ISO New England, «Данные уставки имитации автоматического управления генератором (AGC)», [онлайн]. Доступно: https://www.iso-ne.com/isoexpress/web/reports/grid/-/tree/simulated-agc. [По состоянию на 2016 г.].
[9] Д. Ф.-Ф. М. Г. Бретт Саймон, «U.S. Energy Storage Monitor», GTM Research/ESA, 2018. Аккумуляторы — максимальная производительность — Apple (MZ)
«Срок службы аккумулятора» — это количество времени, в течение которого ваше устройство работает до того, как его потребуется перезарядить. «Срок службы батареи» — это время, в течение которого батарея работает до тех пор, пока ее не потребуется заменить. Максимизируйте оба, и вы получите максимальную отдачу от своих устройств Apple, независимо от того, какие из них у вас есть.
Общие советы
Советы для устройств iOS
Советы для iPod
Советы для MacBook
Общие советы по повышению производительности
Обновление программного обеспечения до последней версии.
Обновления программного обеспечения Apple часто включают передовые технологии энергосбережения, поэтому всегда убедитесь, что на вашем устройстве установлена последняя версия iOS или macOS.
Избегайте экстремальных температур окружающей среды.
Устройство рассчитано на эффективную работу в широком диапазоне температур окружающей среды, при этом идеальная зона комфорта составляет от 16° до 22° C (от 62° до 72° F). Особенно важно не подвергать устройство воздействию температуры окружающей среды выше 35 °C (95 °F), поскольку это может привести к необратимому повреждению аккумулятора. То есть ваша батарея не будет питать ваше устройство так долго при заданной зарядке. Зарядка устройства при высокой температуре окружающей среды может привести к его дальнейшему повреждению.
Программное обеспечение может ограничивать зарядку выше 80% при превышении рекомендуемой температуры батареи. Даже хранение батареи в жаркой среде может привести к ее необратимому повреждению. При использовании устройства в очень холодных условиях вы можете заметить снижение времени работы от батареи, но это временное явление. Как только температура батареи вернется к нормальному рабочему диапазону, ее производительность также вернется к норме.
Зона комфорта для iPhone, iPad и iPod
0°C
35°C
Слишком холодно Комнатная температура Too Hot
iPhone, iPad и iPod лучше всего работают при температуре окружающей среды от 0° до 35° C (от 32° до 95° F). Температура хранения: от -20° до 45° C (от -4° до 113° F).
MacBook Comfort Zone
10°C
35°C
Слишком холодно Комнатная температура Too Hot
MacBook лучше всего работает при температуре окружающей среды от 10° до 35° C (от 50° до 95° F). Температура хранения: от -20° до 45° C (от -4° до 113° F).
Удалите некоторые чехлы во время зарядки.
Зарядка устройства, когда оно находится в чехлах определенных стилей, может привести к избыточному нагреву, что может повлиять на емкость аккумулятора. Если вы заметили, что ваше устройство нагревается во время зарядки, сначала достаньте его из чехла.
Храните его наполовину заряженным при длительном хранении.
Если вы хотите хранить свое устройство в течение длительного времени, два ключевых фактора будут влиять на общее состояние вашей батареи: температура окружающей среды и процент заряда батареи, когда она отключена для хранения. Поэтому мы рекомендуем следующее:
- Не полностью заряжайте и не разряжайте аккумулятор устройства — зарядите его примерно до 50%. Если вы храните устройство, когда его батарея полностью разряжена, батарея может перейти в состояние глубокой разрядки, что сделает ее неспособной удерживать заряд. И наоборот, если вы храните его полностью заряженным в течение длительного периода времени, батарея может потерять некоторую емкость, что приведет к сокращению срока службы батареи.
- Выключите устройство, чтобы избежать дополнительного использования батареи.
- Поместите устройство в прохладное, защищенное от влаги место с температурой ниже 32 °C (90 °F).
- Если вы планируете хранить устройство дольше шести месяцев, заряжайте его до 50 % каждые шесть месяцев.
В зависимости от того, как долго вы храните свое устройство, оно может находиться в состоянии низкого заряда батареи, когда вы извлекаете его из долговременного хранилища. После извлечения из хранилища может потребоваться зарядка оригинального адаптера в течение 20 минут, прежде чем вы сможете его использовать.
совета для iPhone, iPad и iPod touch
Обновите программное обеспечение до последней версии.
Всегда проверяйте, что на вашем устройстве установлена последняя версия iOS.
- Если вы используете iOS 5 или более позднюю версию, посмотрите, не нужно ли вам обновление. Выберите «Настройки» > «Основные» > «Обновление ПО».
- Если доступно обновление, вы можете подключить устройство к источнику питания и выполнить обновление по беспроводной сети или подключить его к компьютеру и выполнить обновление с помощью последней версии iTunes.
Узнайте больше об обновлении iOS
Оптимизируйте настройки.
Есть два простых способа продлить срок службы батареи независимо от того, как вы используете свое устройство: настроить яркость экрана и использовать Wi‑Fi.
Уменьшите яркость экрана или включите автояркость, чтобы продлить срок службы батареи.
- Чтобы уменьшить яркость, откройте Центр управления и перетащите ползунок яркости вниз.
- Auto-Brightness автоматически настраивает экран в соответствии с условиями освещения. Чтобы активировать его, выберите «Настройки» > «Основные» > «Универсальный доступ» > «Адаптация дисплея» и установите для параметра «Автояркость» значение «Вкл.».
Когда вы используете свое устройство для доступа к данным, соединение Wi-Fi потребляет меньше энергии, чем сотовая сеть, поэтому Wi-Fi всегда должен быть включен. Чтобы включить Wi‑Fi, выберите «Настройки» > «Wi‑Fi», чтобы получить доступ к сети Wi‑Fi.
Включить режим низкого энергопотребления.
Представленный в iOS 9 режим энергосбережения — это простой способ продлить срок службы аккумулятора iPhone, когда он начинает разряжаться. Ваш iPhone сообщит вам, когда уровень заряда батареи упадет до 20 %, а затем снова до 10 %, и позволит вам включить режим энергосбережения одним касанием. Или вы можете включить его, выбрав «Настройки»> «Аккумулятор». Режим энергосбережения снижает яркость дисплея, оптимизирует производительность устройства и сводит к минимуму системную анимацию. Приложения, в том числе Mail, не будут загружать контент в фоновом режиме, а такие функции, как AirDrop, синхронизация с iCloud и Continuity, будут отключены. Вы по-прежнему можете использовать ключевые функции, такие как совершение и прием телефонных звонков, электронной почты и сообщений, доступ в Интернет и многое другое. А когда ваш телефон снова заряжается, режим энергосбережения автоматически отключается.
Просмотр информации об использовании аккумулятора
В iOS вы можете легко управлять временем автономной работы вашего устройства, поскольку вы можете видеть долю вашего аккумулятора, используемого каждым приложением (если только устройство не заряжается).
Чтобы просмотреть данные об использовании, перейдите в «Настройки» > «Аккумулятор».
Вот сообщения, которые вы можете увидеть в списке приложений, которые вы использовали:
Фоновая активность. Это указывает на то, что батарея использовалась приложением, когда оно работало в фоновом режиме, то есть когда вы использовали другое приложение.
- Чтобы продлить срок службы батареи, вы можете отключить функцию, позволяющую приложениям обновляться в фоновом режиме. Выберите «Настройки» > «Основные» > «Обновление фонового приложения» и выберите «Wi-Fi», «Wi-Fi и сотовые данные» или «Выкл.», чтобы полностью отключить фоновое обновление приложения.
- Если в приложении «Почта» отображается фоновая активность, вы можете выбрать получение данных вручную или увеличить интервал выборки. Перейдите в «Настройки» > «Учетные записи и пароли» > «Получить новые данные».
Местоположение и фоновое местоположение. Это указывает на то, что приложение использует службы определения местоположения.
- Вы можете оптимизировать время работы от батареи, отключив Службы геолокации для приложения. Отключите в меню «Настройки» > «Конфиденциальность» > «Службы геолокации».
- В службах определения местоположения вы можете увидеть каждое приложение в списке с его настройками разрешений. Приложения, которые недавно использовали службы определения местоположения, имеют индикатор рядом с переключателем включения/выключения.
Главный экран и экран блокировки. Это означает, что на вашем устройстве отображался главный экран или экран блокировки. Например, дисплей был разбужен нажатием кнопки «Домой» или уведомлением.
- Если приложение часто выводит ваш дисплей из спящего режима с уведомлениями, вы можете отключить push-уведомления для приложения в меню «Настройки» > «Уведомления». Коснитесь приложения и установите для параметра Разрешить уведомления значение Выкл.
Нет покрытия сотовой связи и низкий уровень сигнала.
Это указывает либо на то, что вы находитесь в зоне с плохим покрытием сотовой связи и ваше устройство iOS ищет лучший сигнал, либо на то, что вы использовали свое устройство в условиях слабого сигнала, что повлияло на срок службы батареи.
- Вы можете оптимизировать время работы от батареи, включив режим полета. Откройте Центр управления и коснитесь значка режима полета. Обратите внимание, что вы не можете совершать или принимать звонки в режиме полета.
Подключите и включите компьютер, чтобы зарядить устройство.
Убедитесь, что ваш компьютер подключен и включен, когда вы используете его для зарядки устройства iOS через USB. Если ваше устройство подключено к компьютеру, который выключен или находится в спящем режиме или режиме ожидания, аккумулятор вашего устройства может разрядиться. Обратите внимание, что iPhone 3G и iPhone 3GS нельзя заряжать с помощью адаптера питания FireWire или автомобильного зарядного устройства на базе FireWire.
Советы по работе с iPod shuffle, iPod nano и iPod classic
Обновите программное обеспечение до последней версии.
Всегда проверяйте, что на вашем iPod установлена последняя версия программного обеспечения Apple. Вставьте iPod в док-станцию или подключите его к компьютеру, и iTunes уведомит вас о доступных обновлениях.
Оптимизируйте настройки.
Задержать и сделать паузу. Установите переключатель Hold, когда вы не используете iPod. Это предотвратит случайное пробуждение iPod и использование ненужной энергии. Если вы не слушаете свой iPod, поставьте его на паузу или выключите, нажав кнопку воспроизведения на две секунды.
Эквалайзер (EQ). Добавление эквалайзера к воспроизведению увеличивает использование процессора iPod, поскольку эквалайзер не закодирован в песне. Отключите эквалайзер, если вы его не используете. Однако, если вы добавили эквалайзер к дорожкам в iTunes, вам нужно будет установить эквалайзер на «плоский», чтобы получить эффект «выключено», потому что iPod сохраняет ваши настройки iTunes без изменений.
Подсветка.
Настройка подсветки на «всегда включена» значительно сократит срок службы батареи. Используйте подсветку только при необходимости.
Подключите и включите компьютер, чтобы зарядить iPod.
Убедитесь, что компьютер подключен и включен, когда вы используете его для зарядки iPod через USB. Если ваш iPod подключен к компьютеру, который выключен или находится в спящем режиме или режиме ожидания, батарея iPod может разрядиться.
совета по MacBook Air и MacBook Pro.
Обновление программного обеспечения до последней версии.
Всегда проверяйте, что на вашем MacBook установлена последняя версия macOS. Если вы подключены к Интернету, macOS автоматически проверяет наличие обновлений программного обеспечения каждую неделю, но вы по-прежнему контролируете время установки обновлений. Чтобы убедиться, что вы используете последнюю версию программного обеспечения, перейдите в меню Apple и выберите «Обновление программного обеспечения».
Узнайте больше об обновлении macOS
Оптимизируйте настройки.
Энергия. Панель настроек энергосбережения содержит несколько параметров, определяющих уровни мощности вашего MacBook. Ваш MacBook знает, когда он подключен, и работает соответственно. При питании от батареи он затемняет экран и экономно использует другие компоненты. Если вы измените этот параметр, чтобы максимизировать производительность, ваша батарея будет разряжаться быстрее.
Яркость. Уменьшите яркость экрана до минимально комфортного уровня, чтобы продлить срок службы батареи. Например, при просмотре видео в самолете полная яркость может не понадобиться, если освещение в салоне выключено.
Wi‑Fi. Wi-Fi потребляет энергию, даже если вы не используете его для подключения к сети. Вы можете отключить его в меню состояния Wi‑Fi в строке меню или в настройках сети.
Приложения и периферийные устройства. Отключите периферийные устройства и закройте неиспользуемые приложения. Извлеките SD-карту, если вы в данный момент к ней не обращаетесь.