Четыре способа охладить батареи электромобилей | Power Battery Blog
Для производительности и срока службы батареи ключевое значение имеет поддержание рабочей температуры аккумуляторной батареи. Мы расскажем вам больше о различных методах охлаждения аккумуляторов для электромобилей, которые используются, а также о достоинствах и недостатках этих методов.
1. Воздушное охлаждение
Пропуская воздух через аккумуляторный блок, можно охлаждать батареи. Например, Nissan использует эту технологию для охлаждения аккумуляторов Nissan Leaf. Они обеспечивают циркуляцию воздуха внутри автомобиля через аккумуляторную батарею. С помощью этой системы батареи можно не только охлаждать, но и нагревать в холодные зимние дни. Недостатком этой системы является то, что температура воздуха внутри автомобиля также является температурой, при которой охлаждаются батареи. Когда вы включаете отопление в машине, потому что вам холодно, батареи также нагреваются. Иногда это не идеально, особенно когда требуется высокая мощность.
Другой способ охлаждения аккумуляторов воздухом — подача наружного воздуха через воздуховоды к аккумуляторному блоку в автомобиле. В этом случае температура батарей будет колебаться с колебаниями температуры снаружи. В жаркие летние дни температура аккумуляторов также повышается. Это снова проблема для приложений с высокой мощностью, поскольку возрастает риск перегрева батареи.
В большинстве приложений малой и средней мощности достаточно воздушного охлаждения. Мощность, требуемая от трансмиссии, не так высока, поэтому температура батареи остается на уровне температуры окружающей среды. Даже когда время от времени требуется высокая мощность, воздушного охлаждения все же будет достаточно, потому что у батарей будет более чем достаточно времени для охлаждения после короткого запроса высокой мощности.
Когда требуемая мощность становится выше, системы воздушного охлаждения становится недостаточно. Рассмотрим другие типы систем охлаждения.
2. Жидкостное охлаждение
Жидкостное охлаждение является наиболее популярным способом охлаждения аккумуляторной батареи.
Система жидкостного охлаждения состоит из гораздо большего количества компонентов, чем, например, система воздушного охлаждения. Эти компоненты позволяют улучшить эффективность охлаждения за счет модернизации компонентов.
Производители электромобилей, такие как Tesla и Audi, используют жидкостное охлаждение в своих аккумуляторных батареях. Эта система охлаждения представляет собой отдельную систему охлаждения, которая охлаждает только аккумуляторную батарею, двигатель и контроллер охлаждаются второй системой жидкостного охлаждения из-за разницы температур между компонентами. Аккумулятор должен поддерживать температуру ниже 60 градусов Цельсия, чтобы температура охлаждающей жидкости оставалась как можно ниже. Температура двигателя и контроллера может достигать 140 градусов Цельсия.
Когда эти три компонента используют одну и ту же систему охлаждения, аккумуляторная батарея будет нагреваться за счет двигателя и контроллера. Необходима отдельная система охлаждения для аккумуляторной батареи.
Жидкостное охлаждение — самое любимое решение практически для каждого аккумуляторного блока. Будь то маломощное или мощное приложение, жидкостное охлаждение имеет больше преимуществ. В приложениях с низким энергопотреблением аккумулятор можно обслуживать, чтобы он всегда работал при нужной температуре. В приложениях с высокой мощностью аккумуляторная батарея может быть максимально охлаждена. Температура системы охлаждения должна поддерживаться как можно ниже, чтобы обеспечить максимальную мощность в течение как можно более длительного времени.
Помимо всех этих преимуществ охлаждения, аккумуляторный блок также можно нагревать, добавляя нагревательный элемент в систему охлаждения.
Как было сказано ранее, система охлаждения аккумуляторной батареи и система охлаждения двигателя и контроллера должны быть разделены. Эти две системы охлаждения иногда можно комбинировать для нагрева аккумуляторной батареи, когда это необходимо двигателю и контроллеру. Например, Тесла использует этот метод.
Они могут нагревать аккумуляторную батарею за счет тепла, выделяемого двигателем и контроллером. Это очень удобно в холодные зимние дни.
3. Охлаждение с помощью теплопроводных материалов
Теплопроводные материалы, такие как тепловые трубы, могут использоваться для отвода тепла от аккумуляторной батареи. Это более медленный способ охлаждения батарей, чем при использовании жидкостного охлаждения. Кроме того, такие металлы, как алюминий и медь, являются теплопроводными материалами. К сожалению, такой способ охлаждения является лишь частью системы охлаждения, а не полной. При использовании этой системы в качестве единственной системы охлаждения теплопроводящий материал должен быть очень большим. Теплопроводный материал обладает определенной теплоемкостью. Это количество тепла, которое материал может поглотить на единицу массы материала. Для большого отвода тепла от аккумуляторной батареи теплопроводный материал должен быть массивным.
Это означает, что этот способ охлаждения необходимо будет комбинировать с другой системой охлаждения, такой как две системы, упомянутые ранее.
Теплопроводящий материал будет направлять тепло к другой системе охлаждения.
4. Погружное охлаждение
Еще один способ охлаждения аккумуляторной батареи с помощью жидкости — погрузить всю аккумуляторную батарею в охлаждающую жидкость. Эта технология уже используется в мире суперкомпьютеров. Однако этот метод очень дорог.
Еще одним недостатком является то, что количество используемой жидкости имеет определенную теплоемкость. Как объяснялось ранее, это количество тепла, которое материал может поглотить. Погружая весь аккумуляторный блок в жидкость, жидкость может охлаждаться только настолько, насколько позволяет теплоемкость. Другими словами, жидкость нагревается вместе с аккумулятором. Жидкость только замедляет этот процесс.
В приложениях с высокой мощностью этот метод охлаждения необходимо сочетать с другими типами систем охлаждения. Например, корпус может быть изготовлен из алюминия, который очень хорошо проводит тепло. Когда воздух проходит вдоль этого корпуса, аккумуляторная батарея и жидкость внутри могут охлаждаться.
Индивидуальный совет для вашего проекта электромобиля
Выбор правильного метода охлаждения для вашего электромобиля может быть довольно сложной задачей. В Power Battery мы разрабатываем уникальный метод охлаждения для мощных аккумуляторных батарей. Пожалуйста, свяжитесь с нами, если у вас есть какие-либо вопросы относительно вашего проекта, или запросите консультацию.
Оптимизация охлаждающей пластины аккумуляторной батареи электромобиля | Блог
Эффективное и точное охлаждение охлаждающей пластины аккумулятора электромобиля имеет решающее значение для обеспечения его оптимальной производительности, надежности аккумулятора и окупаемости инвестиций в течение жизненного цикла. Высокие затраты на разработку можно снизить благодаря доступу к быстрым и точным результатам моделирования с помощью инженерного моделирования в облаке. Например, дополнительные затраты на НИОКР, прототипирование и механическую обработку сокращаются за счет получения оптимизированной и менее сложной конструкции на более ранних этапах цикла проектирования.
В этой статье представлены исследования проектирования и моделирования технологии охлаждающих пластин аккумуляторов для электромобилей. Инженерное моделирование используется для выполнения полностью связанного анализа теплопередачи охлаждающей плиты для динамического управления температурой. Кроме того, с помощью усовершенствованного дозвукового CFD-решателя выполняется исследование конструкции для оценки характеристик давление-расход в проточном канале охлаждающей пластины. Параллельное моделирование в облаке используется для анализа сценариев как для геометрических вариантов, так и для нескольких расходов теплоносителя. В этом примере наши рабочие процессы моделирования показывают пользователям, как настроить и запустить полный анализ теплопередачи и потока охлаждающей пластины, включая перепад давления и температуру при различных скоростях потока охлаждающей жидкости. Инженеры могут следовать этому примеру, чтобы узнать, как быстро выполнить параметрическое проектное исследование в SimScale и ответить на ключевые вопросы проектирования .
Достижение оптимальной надежности батареи с помощью CFD и теплопередачи
В SimScale доступно множество типов анализа в зависимости от приложения. В этом примере для анализа оптимизации охлаждающей пластины аккумулятора для аккумуляторов электромобилей использовались два типа анализа. Тип дозвукового анализа в SimScale создает автоматизированную и надежную шестигранную ячеистую сетку, используя метод декартовой сетки с подгонкой тела, который значительно сокращает время создания сетки на порядок. Алгоритм создания сетки с высокой степенью параллелизма дает сетку более высокого качества, требующую гораздо меньшего количества ячеек для достижения точности, сравнимой с традиционными схемами дискретизации. Это приводит к более быстрой сходимости и, следовательно, более быстрому моделированию.
Дозвуковой тип анализа используется для моделирования как несжимаемого, так и сжимаемого потока, при этом турбулентность моделируется с помощью уравнений RANS и модели турбулентности k-эпсилон.
Мощной функцией этого типа анализа является встроенная параметрическая возможность определения граничных условий скорости на входе. На этапе настройки моделирования пользователи могут одновременно определить несколько расходов на входе, которые затем моделируются одновременно. Тип анализа сопряженной теплопередачи (CHT) в SimScale позволяет проводить анализ теплопередачи между твердой и жидкой областями. Типичные применения типа анализа CHT включают анализ теплообменников, охлаждение электронного оборудования и корпусов электроники, а также проектирование светодиодных светильников. Сетка жидкость/твердое тело требуется для моделирования CHT с четкими определениями границ раздела жидкости и твердого тела, также называемых контактами. Сетка создается в SimScale автоматически, а продвинутые пользователи могут выполнять локальное уточнение. В случае охлаждающей пластины батареи дозвуковой анализ используется для моделирования потока охлаждающей жидкости через канал охлаждающей пластины, чтобы установить оптимальные скорости потока с учетом перепада давления.
Решатель CHT используется для демонстрации эффективности теплообменника и тепловых характеристик.
Улучшение конструкции охлаждающей пластины аккумулятора
Целью данного исследования является максимизация динамического управления температурой новой конструкции охлаждающей пластины аккумулятора, используемой для охлаждения аккумуляторных блоков электромобилей. Мы рассмотрим два варианта пластинчатого теплообменника. Оригинальная конструкция (V1) является распространенным компонентом, широко используемым в промышленности, и имеет один змеевидный канал охлаждения. Известно, что такая конструкция вызывает появление горячих точек, что приводит к проблемам с долговечностью батареи. Инженер-теплотехник разработал новую конструкцию (V2), в которой используется лабиринтный охлаждающий канал со значительно увеличенной площадью поверхности для обмена тепловой энергией.
Это предварительная проверка концептуального дизайна, требующая моделирования для проверки прогнозируемой производительности и сравнения ее с исходной версией.
Используя SimScale, инженер может быстро и точно оценить обе конструкции. Обе конструкции охлаждающих пластин батареи имеют один вход и один выход. Вход скорости используется для определения массового расхода хладагента (воды), который является основным механизмом отвода тепла для извлечения тепла из батарей. Охлаждающей пластине батареи назначается алюминий из библиотеки материалов SimScale, вода используется в качестве хладагента, а источник питания применяется для представления тепла, выделяемого батареей. При импорте файла САПР версии 2 ассоциативность между файлами САПР автоматически применяется в SimScale, сохраняя соглашения об именах для деталей/граней из модели САПР версии 1. Это означает, что при обмене файлами САПР для сравнительных исследований пользователям не нужно переназначать граничные условия, настройки сетки или выходные данные управления результатами, что значительно ускоряет сравнение двух или более вариантов САПР одного продукта.
Анализ теплопередачи показывает, что, несмотря на большую площадь контактной поверхности в V2, тепловые результаты намного хуже по сравнению с исходной конструкцией V1, поскольку V2 демонстрирует более высокие температуры на охлаждающей пластине батареи. Дизайн V2 нуждается в дальнейшем моделировании и оптимизации. Чтобы помочь разрешить эти противоречивые результаты, инженер-конструктор анализирует поток отдельно.
Термический анализ двух конструкций охлаждающих плит. Новая конструкция (справа) имеет худшие тепловые характеристики, хотя имеет большую площадь теплообмена.
Поток в V1 поддерживает постоянный поток 3,5 м/с на всем протяжении одного канала. В конструкции V2 наблюдается сильное изменение скорости теплоносителя по каналам лабиринта. Во многих областях наблюдается почти застойный поток в областях пиковой температуры, поэтому охлаждающие каналы не эффективно отводят тепло от этих областей, что приводит к ухудшению тепловых характеристик. Мы можем использовать анализ потока жидкости, чтобы посмотреть исключительно на скорость потока, чтобы лучше понять падение давления на охлаждающей пластине. Суммарное падение давления в любых двух точках можно извлечь из SimScale с помощью меню управления результатами. В этом случае при постоянном расходе теплоносителя 0,13 кг/с V1 имеет 29Перепад давления между входом и выходом составляет 2 кПа, а V2 в десять раз меньше при 22,7 кПа. Это могло бы иметь некоторые преимущества, если бы тепловые характеристики V2 были сравнимы с V1, например, меньшая мощность накачки и, следовательно, энергия, необходимая для работы насоса.
Однако сначала нам нужно попытаться повысить его тепловые характеристики. Поскольку у нас достаточно перепада давления, мы можем попытаться увеличить поток охлаждающей жидкости через V2. Моделирование потока жидкости двух конструкций охлаждающих пластин. Оригинальный дизайн (слева) имеет 29Падение давления 2 кПа по сравнению с новой конструкцией (справа), которая имеет падение давления всего 22,7 кПа.Используя параметрические входные данные в типе дозвукового анализа, мы можем указать несколько расходов в граничных условиях на входе для параллельного выполнения. Simscale распознает, что у нас есть параметризованная установка исследования, и все прогоны (все скорости потока) моделируются параллельно в облаке на серверах SimScale. Это освобождает ваш локальный ПК/ноутбук и не потребляет ресурсы компьютера. SimScale отправит пользователям уведомление по электронной почте, когда все запуски будут успешно завершены.
Более высокий массовый расход 0,3 кг/с дает повышенную скорость потока в V2 и улучшенные тепловые характеристики.
Падение давления на охлаждающей пластине значительно увеличилось, но все еще на 60% ниже, чем в оригинальной конструкции V1. Новая конструкция охлаждающей пластины V2 обеспечивает более низкую среднюю температуру, хотя и менее равномерную, с более высокой скоростью потока, но гораздо меньшим перепадом давления, чем у V1. Дополнительные итерации проекта потребуются для дальнейшего улучшения распределения температуры и надежности батареи в V2. Инженеры, желающие оптимизировать эту пластину охлаждения батареи, могут параметризовать модель САПР, скорость потока охлаждающей жидкости и температуру на входе для более детального изучения конструкции. Замена материалов также проста благодаря обширной библиотеке материалов SimScale.
